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Erste Beobachtung des dynamischen Casimir-Effekts
Eine der überraschendsten Vorhersagen der modernen Quantentheorie ist, dass das Vakuum des Weltraums nicht leer ist. Tatsächlich sagt die Quantentheorie voraus, dass es von virtuellen Teilchen nur so wimmelt, die in die Existenz hinein- und wieder verschwinden.
So beginnen Christopher Wilson von der Chalmers University in Schweden und Freunde mit ihrer wunderbar lesbaren Arbeit über ein ziemlich außergewöhnliches Stück Wissenschaft.
Dieser Strudel der Quantenaktivität ist alles andere als gutartig. Physiker wissen seit 1948, dass zwei flache Spiegel, wenn man sie eng beieinander und parallel zueinander hält, von diesen virtuellen Teilchen zusammengedrückt werden.
Der Grund ist einfach. Wenn der Abstand zwischen den Spiegeln kleiner ist als die Wellenlänge der virtuellen Teilchen, werden sie aus diesem Raum ausgeschlossen. Der Unterdruck innerhalb des Spaltes ist dann geringer als außerhalb und dies zwingt die Spiegel.
Dies ist das statisch Casimir-Effekt und wurde erstmals 1998 von zwei Teams in den USA gemessen.
Aber es gibt noch ein anderes Phänomen namens dynamisch Casimir-Effekt, der noch nie gesehen wurde.
Es tritt auf, wenn sich ein Spiegel mit relativistischen Geschwindigkeiten durch den Raum bewegt. Folgendes passiert. Bei langsamen Geschwindigkeiten kann sich das Meer virtueller Teilchen leicht an die Bewegung des Spiegels anpassen und paarweise weiter existieren und dann verschwinden, während sie sich gegenseitig auslöschen.
Aber wenn die Geschwindigkeit des Spiegels mit der Geschwindigkeit der Photonen übereinstimmt, also bei relativistischen Geschwindigkeiten, werden einige Photonen von ihren Partnern getrennt und werden so nicht vernichtet. Diese virtuellen Photonen werden dann real und der Spiegel beginnt, Licht zu erzeugen.
Das ist die Theorie. Das Problem in der Praxis besteht darin, dass es schwierig ist, einen gewöhnlichen Spiegel mit relativistischen Geschwindigkeiten zu bewegen.
Aber Wilson und Co haben einen Trick im Ärmel. Anstelle eines herkömmlichen Spiegels haben sie eine Übertragungsleitung verwendet, die mit einem supraleitenden Quanteninterferenzgerät oder SQUID verbunden ist. Das Hantieren mit dem SQUID ändert die effektive elektrische Länge der Leitung und diese Änderung entspricht der Bewegung eines elektromagnetischen Spiegels.
Durch Modulieren des SQUID mit GHz-Raten bewegt sich der Spiegel hin und her. Um eine Vorstellung von der Größe zu bekommen, ist die Übertragungsleitung nur 100 Mikrometer lang und der Spiegel bewegt sich über eine Distanz von etwa einem Nanometer. Aber die Geschwindigkeit, mit der es dies tut, bedeutet, dass es Geschwindigkeiten von annähernd 5 Prozent Lichtgeschwindigkeit erreicht.
Nachdem sie ihre Spiegelbewegungstechnik perfektioniert haben, müssen Wilson und Co. nur noch alles abkühlen, sich dann zurücklehnen und nach Photonen suchen. Tatsächlich haben sie wie vorhergesagt Mikrowellenphotonen entdeckt, die aus dem sich bewegenden Spiegel austreten.
Sie schließen mit einem kurzen Fazit ab. Wir glauben, dass diese Ergebnisse die erste experimentelle Beobachtung des dynamischen Casimir-Effekts darstellen.
Beeindruckendes Ergebnis!
Ref: arxiv.org/abs/1105.4714 : Beobachtung des dynamischen Casimir-Effekts in einem supraleitenden Schaltkreis