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.

Abb.: Schematische Skizze des Erzeugungsprozesses der gequetschten Zustände....
Abb.: Schematische Skizze des Erzeugungsprozesses der gequetschten Zustände. (Bild: M. Kizmann & G. Burkard, U. Konstanz)

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

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