Die Vermessung von Licht, Zeit und Vakuum
Quantenzustände von Licht und Vakuumfluktuationen analysiert.
Welche Beschaffenheit hat das Vakuum? Welche Prozesse spielen sich im Licht ab, im Bruchteil einer einzigen Lichtschwingung? Wie hängen Lichtausbreitung und der Ablauf der Zeit zusammen? Forschern der Uni Konstanz um Guido Burkard und Alfred Leitenstorfer gelang ein wesentlicher Beitrag bei der Beantwortung dieser Fragen. Sie entwickelten erfolgreich ein physikalisches Modell, um die Quantenzustände des elektromagnetischen Feldes von Licht sowie von Vakuum auf ultrakurzen Zeitskalen zu beschreiben. Darüber hinaus zeigen sie auf, wie das elektromagnetische Feld im Vakuum – die Vakuumfluktuationen – beeinflusst werden kann. Ihre Arbeit weist erstmalig nach, dass Quantenzustände des elektromagnetischen Feldes von Licht und Vakuum in Relation zur Zeit stehen. Das schafft eine weitere Analogie zwischen der Quantenmechanik und der Relativitätstheorie, deren Verbindung eine der großen Herausforderungen der modernen theoretischen Physik darstellt.
Leitenstorfer und seinem Team gelang es 2015, Vakuumfluktuationen direkt experimentell zu messen. Seine grundlegenden Erkenntnisse zu den elektromagnetischen Eigenschaften des Vakuums wurden nun in dem Theoriemodell von Burkard und seinen Mitarbeitern weiter ausgearbeitet. Die Wissenschaftler berechneten die Quantenzustände, die sich im elektromagnetischen Feld von Licht und Vakuum abspielen.
Als Grundlage ihrer Analyse arbeiteten Burkard und Kizmann mit gequetschtem Licht. Dabei handelt es sich um Lichtimpulse, deren elektromagnetischen Fluktuationen in sich verlagert – gequetscht – wurden. So kann beispielsweise das elektrische Rauschen des Feldes verringert werden, wodurch aber im Gegenzug sein magnetisches Rauschen verstärkt wird, und umgekehrt. Die Arbeiten von Kizmann und Burkard zeigen eine direkte Abhängigkeit zwischen dem elektromagnetischen Feld im Vakuum und der Zeit. Das weist unter anderem nach, dass Veränderungen in der Art und Weise, wie Zeit für das Licht vergeht, Auswirkungen auf die Beschaffenheit des elektromagnetischen Vakuums hat. Dieses Ergebnis schafft auf Ebene der Quantenmechanik eine Analogie zur Relativitätstheorie, die anhand der Lichtgeschwindigkeit eine Wechselbeziehung zwischen Raum und Zeit definiert.
Ein nützliches Nebenprodukt der aktuellen Forschungsergebnisse ist die Schlüsselerkenntnis, wie die sehr komplexen Berechnungen des elektromagnetischen Feldes auf ultrakurzen Zeitskalen künftig einfacher gelöst werden könnten. Der direkte Zusammenhang zwischen dem elektromagnetischen Feld und der Zeit ermöglicht es, den Zustand des elektromagnetischen Feldes indirekt über zeitliche Faktoren zu erfassen. „Normalerweise muss man das gesamte elektromagnetische Feld berechnen. Wir konnten zeigen, dass es reicht zu berechnen, wie die Zeit sich verändert – dadurch wissen wir zugleich, wie das elektromagnetische Feld sich verändert“, sagt Kizmann. Die beschriebenen gequetschten Zustände könnten unter anderem zukünftig zur verbesserten Detektion von Gravitationswellen genutzt werden.
U. Konstanz / RK
