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QUANTENELEKTRODYNAMIK DIE VERMESSUNG DES NICHTS


Spektrum der Wissenschaft - epaper ⋅ Ausgabe 12/2019 vom 16.11.2019
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Bildquelle: Spektrum der Wissenschaft, Ausgabe 12/2019

Diverse Quantenfelder durch-dringen das Vakuum. Auf äußere elektromagnetische Felder reagieren sie empfindlich: Das Vakuum verhält sich dann plötzlich wie ein optisches Medium.


SAKKMESTERKE / GETTY IMAGES / ISTOCK

Lange war man überzeugt, das Vakuum beschreibe einen leeren Raum. Doch die Quantenphysik belehrt uns eines Besseren: Es ist erfüllt von Quantenfeldern, die zu seltsamen Phänomenen führen. In den nächsten Jahren wollen Forscher in einer Reihe von Experimenten nach und nach seine letzten Geheimnisse enthüllen.

Thomas Heinzl ist Associate Professor für theoretische Physik an der University of ...

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Thomas Heinzl ist Associate Professor für theoretische Physik an der University of Plymouth in Großbritannien.


►spektrum.de/artikel/1681126

Seit der Antike diskutieren Wissenschaftler über die Natur des Vakuums. Im 5. Jahrhundert v. Chr. vertraten die Gelehrten Leukipp und Demokrit die Meinung, dass sich zwischen den winzigen Bausteinen der Materie bloß leerer Raum befinde. Diese Ansicht fand jedoch nicht bei allen Anklang, zum Beispiel widersprach Aristoteles seinen Kollegen. Daraufhin setzte sich die Vorstellung durch, die Natur hege eine Art Abneigung gegen einen leeren Raum (horror vacui).

Die Unstimmigkeiten zogen sich bis in die Moderne hinein. Mitte des 19. Jahrhunderts entwickelte der englische Experimentator Michael Faraday die Idee von magnetischen Feldern, die den leeren Raum erfüllen. James Clerk Maxwell, der wenig später die klassische Theorie des Elektromagnetismus formulierte, wollte sich Felder hingegen nicht ohne materiellen Träger vorstellen: Er postulierte die Existenz eines Äthers, der den Raum durchziehen und elektromagnetische Wellen transportieren sollte.

Die letzten Zweifel an einem materiefreien Raum räumte erst Albert Einstein mit der speziellen Relativitätstheorie aus. Gäbe es einen Äther, würde man abhängig davon, in welche Richtung man sich durch ihn bewegt, eine unterschiedliche Lichtgeschwindigkeit verzeichnen. Doch verschiedene Experimente ergaben, dass sich Licht immer gleich schnell ausbreitet – ob man sich auf eine Lichtquelle zu-oder von ihr wegbewegt, spielt dabei keine Rolle. Ab diesem Zeitpunkt war klar: Anders als Schall benötigen elektromagnetische Wellen keinen materiellen Träger.

Somit lagen Leukipp und Demokrit vor etwa 2500 Jahren näher an der Wahrheit als die Verfechter der Ätherhypothese. Die heute wohl geläufigste Vorstellung des Vakuums ist ein völlig leerer Raum – was allerdings nur stimmt, solange man die allgegenwärtigen Felder vernachlässigen kann. Sobald man aber genauer hinsieht, machen diese sich bemerkbar. In äußeren elektromagnetischen Feldern verhält sich das Vakuum beispielsweise wie ein polarisierbares Medium, das unter anderem Licht bricht. Sind die angelegten Felder stark genug, könnten sogar Teilchen aus dem Nichts entstehen!

Seit einigen Jahrzehnten sammeln Physiker experimentelle Hinweise auf die ungewöhnliche Natur des Vakuums. Doch selbst die am stärksten ausgeprägten Effekte sind vergleichsweise klein und bewegen sich im Promillebereich, so dass die Forscher präzise Detektoren benötigen. Viele weitere vorhergesagte Phänomene, etwa die Streuung von Licht an Licht, treten noch seltener auf. Dank fortschreitender Lasertechnik könnten Wissenschaftler auch solchen Prozessen bald auf die Spur kommen. Damit wären sie in der Lage, ihre physikalischen Theorien noch genauer auf den Prüfstand zu stellen.

Als Maxwell die Elektrodynamik entwickelte, vereinheitlichte er elektrische und magnetische Phänomene, die, wie Einstein später zeigte, nicht getrennt existieren können. Ein Höhepunkt von Maxwells Werk ist die Vorhersage eines elektromagnetischen Felds, das schwingt und dabei Energie und Impuls transportiert. Als er feststellte, dass sich diese Wellen mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, wurde ihm klar, dass auch Licht eine elektromagnetische Welle ist.

Aus mathematischer Sicht ist ein Feld nichts anderes als eine Zuordnung: Jedem Punkt in der Raumzeit weist man Zahlen zu, die physikalische Größen darstellen. Ein Beispiel dafür ist eine Landkarte, auf der Färbungen unterschiedlichen Höhenlagen entsprechen. Man kann Raum-und Zeitpunkten aber auch Richtungen zuordnen, das ist etwa bei Wetterkarten mit eingezeichneten Windrichtungen der Fall. In der Elektrodynamik gehört dagegen zu jedem Raumpunkt die Richtung und die Stärke eines elektromagnetischen Feldes.

In Maxwells Theorie unterscheiden sich Wellen, die durch eine Feldtheorie beschrieben werden, grundlegendvon Materie. Dennoch stellte er fest, dass Ladungen elektromagnetische Wellen erzeugen, wenn man sie beschleunigt. Die moderne Physik revolutionierte dieses Bild, indem sie Materie ebenfalls durch Quantenfelder beschreibt. Dadurch können nicht nur Wellen durch Materie entstehen, sondern der Vorgang kann auch umgekehrt ablaufen.

AUF EINEN BLICK
VAKUUM: ALLES ANDERE ALS LEER

1 Auch wenn es keinen Äther gibt, ist das Vakuum nicht leer: Es steckt voller Quantenfelder, die Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen erzeugen.

2 Dadurch verhält sich das Vakuum in äußeren elektromagnetischen Feldern wie ein optisches Medium. Sind die Felder besonders stark, könnten sogar Teilchen aus dem Nichts entstehen.

3 In den letzten Jahren entwickelten Forscher verschiedenste Ideen, um diese Effekte im Labor nachzuweisen. Mit fortschreitender Technik rücken die Experimente nun in greifbare Nähe.

Die ersten Hinweise auf eine solche Theorie fanden Physiker in Licht: Anfang des 20. Jahrhunderts postulierte Max Planck, dass elektromagnetische Strahlung nur in winzigen Energiepäckchen auftritt. Kurze Zeit später konnte Albert Einstein damit erklären, dass ein mit Licht bestrahlter Festkörper einen Stromfluss erzeugt: Die kleinen Energiepäckchen – Photonen – schlagen Elektronen aus dem Material heraus, wodurch ein Strom entsteht. Für diesen so genannten Photoeffekt, der die Grundlage heutiger Solarzellen liefert, erhielt er 1922 den Nobelpreis.

Die Grenzen zwischen Teilchen und

Wellen verschwimmen

Damit war klar, dass Licht nicht nur wellenartige Eigenschaften besitzt, sondern sich manchmal wie eine Ansammlung von Teilchen verhält. Als Forscher in den 1920er Jahren die Quantenmechanik entwickelten, übertrugen sie diesen Welle-Teilchen-Dualismus auf Materie. Wie unter anderem Clinton Davisson und George Thomson in einem Experiment nachwiesen, für das sie 1937 den Nobelpreis bekamen, können Elektronen miteinander interferieren, was man sonst nur von Wellen kennt.

Um das mathematisch zu erklären, brauchten Physiker eine Feldtheorie, die nicht nur elektromagnetische Strahlung, sondern auch Materie zuverlässig beschreibt. Zudem muss eine solche Theorie quantisiert sein, da man nur so von einem Wellen-zum Teilchenbild gelangt. Forscher verbanden die Quantenmechanik mit der speziellen Relativitätstheorie, um eine derartige »Quantenfeldtheorie« zu entwickeln.

Dadurch ergab sich ein völlig neues Bild unserer Welt. In ihm ist die Raumzeit von lauter unterschiedlichen, schwingenden Quantenfeldern durchzogen. Ähnlich wie bei dem Ton einer Gitarre lassen sich ihre Vibrationen in Grund schwingungen zerlegen, denen man Energie und Impuls zuweisen kann. Deshalb identifizieren Physiker die Grundschwingungen mit Elementarteilchen, etwa einem Elektron oder einem Photon. Aus theoretischer Sicht sind Quantenfelder daher die fundamentalen Objekte, aus denen Strahlung, Materie und deren Wechselwirkungen entspringen, die man im Labor detektiert.

Licht ist eine elektromagnetische Welle, deren magnetischer (blau) und elektrischer (rot) Anteil in Raum und Zeit schwingen. Die Richtung, in die das elektrische Feld deutet, heißt Polarisation einer Welle.

Bis auf die Schwerkraft lassen sich alle Grundkräfte durch Quantenfeldtheorien ausdrücken. In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts gelang es Physikern sogar, die quantisierte Version der Elektrodynamik, die Quantenelektrodynamik, mit der schwachen und der starken Kernkraft zum so genannten Standardmodell der Teilchenphysik zu vereinen. Dieses beschreibt bis heute zuverlässig subatomare Teilchen und ihre Wechselwirkungen untereinander.

In dieser neuen Vorstellung gibt es keinen leeren Raum, da alles von Quantenfeldern durchdrungen ist. Daher brauchten Physiker eine neue Definition des Vakuums. Inzwischen bezeichnen sie damit den Zustand, in dem die Felder die niedrigste Energie besitzen. Doch die Quantenfelder sind dabei keineswegs regungslos, sondern unterliegen Schwankungen – so genannten Fluktuationen. Der Grund dafür ist eine weitere Eigenheit der Quantenmechanik: Überlagerungen.

Wie Wissenschaftler feststellten, können sich mikroskopische Objekte in mehreren Zuständen gleichzeitig befinden. Das ist mit unserer alltäglichen Intuition nur schwer vereinbar, was der berühmte Physiker Erwin Schrödinger durch sein berühmtes Gedankenexperiment verdeutlichte. Darin beschrieb er eine Katze, die sich zusammen mit einem instabilen Atomkern und einer Giftphiole in einer Kiste befindet. Sobald der radioaktive Kern zerfällt, führt ein Mechanismus dazu, dass die Phiole zerbricht und das Gift freigesetzt wird. Quantenmechanisch gesehen befindet sich der Atomkern in einem überlagerten Zustand aus »zerfallen« und »nicht zerfallen«, wodurch die Katze als Summe beider Möglichkeiten sowohl tot als auch lebendig ist. Erst wenn man die Kiste öffnet und nachsieht, entscheidet sich, ob das Tier noch lebt oder nicht. Bisher konnte niemand Überlagerungen bei einem makroskopischen Objekt wie einer Katze nachweisen, doch Forschern gelang es in den letzten Jahren, das Gedankenexperiment mit immer größeren Molekülen nachzustellen, wodurch sie die Grenzen der Quantenwelt ständig weiter verschieben (sieheSpektrum August 2018, S. 12).

Quantenfluktuationen und virtuelle Teilchen

Im Gegensatz zu realen Teilchen existieren ihre virtuellen Versionen nur als Möglichkeit. Dennoch sind sie in überlagerten Zuständen allgegenwärtig und gehen in quantenmechanische Berechnungen ein. Daher sind sie ein theoretisches Konstrukt, das aber beobachtbare Auswirkungen hat. Ein Beispiel dafür ist die so genannte Vakuumpolarisation, bei der Photonen in virtuelle Elektron-Positron-Paare fluktuieren. Letztere besitzen keine Teilcheneigenschaften wie Masse oder Energie, weshalb man sie nicht in Detektoren nachweisen kann. Deshalb ist es häufig besser, sie nicht als Teilchen anzusehen, sondern als mathematischen Beitrag, der die messbaren Eigenschaften des Photons geringfügig korrigiert.

Überlagerungen sind auch in der Quantenfeldtheorie allgegenwärtig. Jedes Teilchen tritt dabei stets als Kombination aller möglichen Zustände auf, die mit seinen physikalischen Eigenschaften vereinbar sind. Ein Elektron ist dann nicht nur ein Elektron, sondern eine Summe aus diesem und anderen Partikeln. Die Möglichkeiten sind meist unbegrenzt, so dass ein Teilchen als Überlagerung unendlich vieler Zustände erscheint, die seine Quantenzahlen nicht ändern, also unter anderem die gleiche elektrische Ladung oder einen identischen Spin haben.

Die zusätzlichen Beiträge zum eigentlichen Teilchen entstehen durch Fluktuationen im Quantenfeld. Diese Schwankungen ähneln selbst Partikeln, allerdings können sie sich im Gegensatz zu realen Teilchen nicht frei bewegen, wodurch es unmöglich ist, sie direkt zu detektieren. Physiker bezeichnen sie deshalb als »virtuell« (siehe »Quantenfluktuationen und virtuelle Teilchen«, oben).

Doch selbst wenn man sie nicht unmittelbar nachweisen kann, hinterlassen virtuelle Teilchen messbare Spuren. Ihre Beiträge gehen in quantentheoretische Berechnungen ein, die das Ergebnis häufig maßgeblich beeinflussen. Viele Prozesse können sogar nur dann stattfinden, wenn virtuelle Teilchen beteiligt sind, weil die Wahrscheinlichkeit für solche Vorgänge sonst null wäre. Ein Beispiel dafür ist die Streuung von Licht an Licht, was die klassische Elektrodynamik verbietet.

Quantenfluktuationen beeinflussen aber nicht nur Teilchen, sondern auch das Vakuum, das ebenfalls überlagert auftaucht. Insgesamt entspricht der Zustand niedrigster Energie also nicht einem materiefreien Raum, sondern ist die Summe unendlich vieler verschiedener Mehrteilchen-Zustände:

Quantenvakuum = leeres Vakuum + virtuelles Teilchen-Antiteilchen-Paar + (virtuelles Teilchen-Antiteilchen-Paar + virtuelles Photon) + … + (viele virtuelle Teilchen-Antiteilchen-Paare + viele virtuelle Photonen) + …

Das Quantenvakuum ist dadurch weder leer noch statisch, sondern fluktuiert innerhalb der Summe aller Möglichkeiten in Form virtueller Teilchen. Am bedeutendsten sind dabei – wegen ihrer geringen Masse – virtuelle Elektron-Positron-Paare, die insgesamt keine elektrische Ladung besitzen. Physiker bezeichnen ihre Wirkung als Vakuumpolarisation, weil sie dazu führt, dass sich das Vakuum wie ein dielektrisches Material verhält: In einem äußeren elektrischen Feld richten sich die virtuellen Paare wie Dipole entlang der Feldlinien aus.

Einfluss virtueller Teilchen

Forscher untersuchen seit Jahrzehnten, wie Quantenfluktuationen reale Teilchen und physikalische Prozesse beeinflussen. Und tatsächlich erzielten sie dabei beeindruckende Erfolge: Ihre Ergebnisse sind so präzise, dass die Quantenelektrodynamik inzwischen die am genausten überprüfte wissenschaftliche Theorie ist. In einigen Fällen decken sich die Berechnungen bis zur zehnten Nachkommastelle mit den Messungen. Dennoch gibt es Vorhersagen, die Physiker noch nicht testen konnten, weil ihnen die technischen Möglichkeiten fehlten. Das soll sich in den kommenden Jahren ändern.

Eine wesentliche Folge der Vakuumpolarisation ist die so genannte Ladungsrenormierung. Befindet sich ein einzelnes Elektron im Vakuum, richten sich die virtuellen Paare so aus, dass sie seine Ladung abschirmen. Kommt man dem »nackten« Elektron näher und dringt dabei in die Wolke aus virtuellen Teilchen ein, wächst seine Ladung mit abnehmendem Abstand an. Da die renormierte Ladung den Einfluss der virtuellen Fluktuationen misst, liefern sie bei kleinsten Abständen den dominanten Beitrag. Dieser lässt sich nicht länger berechnen, weil man dann alle – das heißt unend-lich viele – Fluktuationen gleicher Größe berücksichtigen muss. Die Quantenelektrodynamik verliert somit ihre Vorhersagekraft.

Auf extrem kleinen Längenskalen braucht man also eine neue, bisher unbekannte Theorie. Doch Physiker sind noch weit davon entfernt, die Quantenelektrodynamik in solchen Bereichen zu untersuchen. Um die Ladung eines Elektrons in einer Entfernung von einem Attometer (10–18 Meter) zu bestimmen, braucht man bereits milliardenteure, hochener Schwingetische Teilchenbeschleuniger. Bei solchen Distanzen stimmen die Messwerte aber noch sehr gut mit der Theorie überein: Die Ladung erhöht sich bloß um etwa sieben Prozent verglichen mit ihrem Wert bei großen Abständen, was aufwändige Streuexperimente bestätigen.

Ein Photon kann spontan in ein virtuelles Elektron-Positron-Paar zerfallen, das sich kurz darauf wieder vernichtet und zum ursprünglichen Photon wird.


SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT / MANON BISCHOFF

Es gibt noch weitere Bereiche der Quantenelektrodynamik, zu denen Forscher bisher nicht vordringen konnten. Dabei handelt es sich um Situationen mit extrem starken elektromagnetischen Feldern. In solchen Fällen treten nichtlineare Effekte auf: Ein Verdoppeln der angelegten Feldstärke führt zu einer mehr als doppelt so starken Reaktion des Vakuums. Berechnungen zufolge können dann ungewöhnliche Phänomene auftauchen. Plötzlich werden Prozesse möglich, die ohne äußeres Feld verboten sind, deren quantenmechanische Wahrscheinlichkeit also gleich null ist.

In einem starken äußeren Feld kann ein Elektron beispielsweise ein reales Photon aussenden. Normalerweise ist das nicht möglich, weil es die Energie-und Impulserhaltung verletzt. Indem das Elektron aber mit dem äußeren Feld wechselwirkt, kann es diese Einschränkungen umgehen. Die Energie und Ausbreitungsrichtung des ausgestrahlten Photons hängen von der Intensität des Lasers ab – und zwar auf nichtlineare Weise. Dieses Phänomen ließ sich erstmals in den 1990er Jahren am Stanford Linear Accelerator (SLAC) beobachten. Derzeit planen Wissenschaftler neue Versuche dazu, unter anderem am DESY-Beschleunigerzentrum in Hamburg (LUXE-Experiment), um genau zu bestimmen, wie stark der Effekt von der Laserintensität abhängt.

Eine weitere theoretische Vorhersage der 1950er Jahre fasziniert bis heute viele Forscher: Teilchen können demnach direkt durch ein elektromagnetisches Feld erzeugt werden, ohne dass Elektronen oder andere Materie daran beteiligt sind (siehe »Teilchen aus dem Nichts«, S. 18). Anschaulich gesehen würde das Vakuum dabei so stark polarisiert, dass die Teilchen-Antiteilchen-Paare auseinanderreißen und zu realen Partikeln werden, weil sie sich nicht mehr gegenseitig vernichten können. Bei diesem nach dem Physik-Nobelpreisträger Julian Schwinger benannten Effekt würden Teilchen also sozusagen aus dem Nichts entstehen. Wie sich herausstellt, braucht man dafür allerdings elektrische Felder mit einer Intensität von 1029 Watt pro Quadratzentimeter – wovon man noch weit entfernt ist.

Dank der Entwicklung der »Chirped Pulse Amplification « (CPA) konnte die Laserintensität in den 1980er Jahren drastisch gesteigert werden. Aktuell geplante Laser nähern sich der Schwinger-Grenze.


Gechirpte Laserpulse

Zwischen den 1960er und den 1980er Jahren waren die Fortschritte bei der Leistungssteigerung von Lasern gering. Zwar konnte man ihre Intensität (Photonendichte) erhöhen, indem man die Pulse durch spezielle Verstärkerzellen führte, wodurch die Photonenzahl anwuchs. Doch sobald man mehr als 1015 Watt pro Quadratzentimeter erreichen wollte, gingen die Zellen kaputt.

Durch einen Trick, den der französische Physiker Gérard Mourou und seine damalige kanadische Doktorandin Donna Strickland von der Radartechnik übernahmen, gelang es ihnen, die Intensitäten von Lasern drastisch zu steigern. Dafür wurden sie 2018 mit dem Nobelpreis für Physik belohnt. Ihre Idee besteht darin, die Pulse in die Länge zu ziehen, so dass die Verstärkerzellen geringeren Intensitäten ausgesetzt sind. Außerhalb des optischen Systems kann man die Pulse wieder zusammenziehen, wodurch extrem hohe Intensitäten entstehen.

Mit dieser Chirped Pulse Amplification (CPA) genannten Technik erreichen heutige Laser inzwischen bis zu 1022 Watt pro Quadratzentimeter. Künftige Geräte wie ELI in Prag und Bukarest sowie SEL in Schanghai sollen diese Intensitäten noch übertreffen und bisher unerforschte Bereiche des Quantenvakuums beleuchten.

Die stärksten Felder entstehen durch Laserpulse, die elektromagnetische Strahlung auf engstem Raum in möglichst kleine Pakete bündeln. Momentan ist HERCULES an der University of Michigan das leistungsfähigste Modell, das immerhin beeindruckende 1022 Watt pro Quadratzentimeter schafft. Viele Forschungsgruppen entwickeln derzeit neue Hochleistungslaser, die sich der so genannten Schwinger-Grenze von 1029 Watt pro Quadratzentimeter nähern sollen (siehe »Gechirpte Laserpulse«, oben). Doch selbst der leistungsfähigste unter ihnen, der an der Station of Extreme Light in Schanghai gebaut wird, wird höchstens 1025 Watt pro Quadratzentimeter erreichen und wäre damit noch vier Größenordnungen vom Ziel entfernt. Erschwerend kommt hinzu, dass ein einzelner Laser für den Schwinger-Effekt nicht ausreicht. Der speziellen Relativitätstheorie zufolge muss man mindestens zwei Wellen überlagern, um Teilchen zu erzeugen. Dennoch hoffen einige Forscher, das ungewöhnliche Phänomen in den nächsten Jahren beobachten zu können.

Denn sie gehen davon aus, dass der Übergang zur Schwingetische ger-Grenze fließend verläuft. Demnach könnte man auch in schwächeren Feldern Paare erzeugen, wenn man Photonen mit genügend hohen Energien verwendet, etwa Gammaquanten. Physiker am LUXE-Experiment wollen dafür Elektronen stark beschleunigen, damit sie die hochenergetischen Photonen ausstrahlen.

Aber selbst wenn man die für die Paarerzeugung nötigen Energien oder Intensitäten nicht erreicht, könnten andere spannende Prozesse stattfinden, etwa die Streuung von Licht an Licht. Werner Heisenberg und sein da-maliger Doktorand Hans Euler sagten die Möglichkeit dafür bereits in den 1930er Jahren voraus. Auf direktem Weg können Photonen nicht miteinander wechselwirken – sie ziehen unbeeinflusst aneinander vorbei. Doch die Vakuumpolarisation macht es möglich, dass sie entgegen den Gesetzen der klassischen Elektrodynamik aufeinander einwirken. Saust ein Photon auf ein anderes zu, kann es mit geringer Wahrscheinlichkeit die virtuellen Elektron-Positron-Paare in diesem »spüren«. Licht lässt sich also durch Licht ablenken – damit scheinen Lichtschwerter in greifbarer Nähe!

Hoffnung für Star-Wars-Fans?

Bevor Star-Wars-Fans allerdings in Jubel ausbrechen, muss man herausfinden, wie häufig ein solches Phänomen eintritt. Leider streuen Photonen extrem selten aneinander. Die Wahrscheinlichkeit dafür hängt von der Energie der Lichtteilchen ab. Verwendet man beispielsweise statt sichtbarem Licht hochenergetische Gammastrahlen – erhöht die Energie also um etwa eine Million – nimmt die Wahrscheinlichkeit für eine Streuung um eine Trillion Trillionen (1036) zu. Aber selbst dann ist die Chance für ein solches Ereignis noch immer winzig, weshalb es Forschern bis heute nicht gelang, den Prozess im Labor nachzuweisen.

2017 halfen sich Wissenschaftler am größten Teilchenbeschleuniger der Welt, dem Large Hadron Collider am CERN, jedoch mit einem Trick: Statt realen Photonen nutzten sie ihre virtuellen Versionen. Dazu schossen sie schwere, positiv geladene Bleikerne aufeinander. Einige der Kerne flogen nah aneinander vorbei, ohne zusammenzustoßen. Dabei entstanden kurzzeitig extrem starke elektromagnetische Felder, wodurch die Bleikerne sehr viele virtuelle Photonen austauschten. Unter enormem Aufwand gelang es den Forschern, 13 Streuvorgänge zwischen jeweils zwei virtuellen und zwei realen Lichtteilchen aus einer Gesamtzahl von vier Milliarden anderen Prozessen herauszu-filtern – was verdeutlicht, wie selten Licht selbst unter den besten Voraussetzungen mit Licht wechselwirkt.

Nun bemühen sich Forscher darum, die Streuung von rein realen Photonen zu beobachten. 2017 gab es zwar erste Hinweise auf das Phänomen in der Nähe von Neutronensternen, wo extrem starke magnetische Felder den Effekt begünstigen, doch ein eindeutiger Beleg fehlt noch.

Um die Wahrscheinlichkeit für reale Photon-Photon-Streuung möglichst groß zu gestalten, muss man drei Punkte beachten. Einerseits braucht man hochenergetische Strahlen, die sich sehr gut kontrollieren lassen. Zudem sollten die Strahlungsquellen möglichst viele Photonen erzeugen, damit überhaupt eine Streuung stattfindet. Und zuletzt müssen die Messapparate extrem empfindlich sein, um einzelne Ereignisse unter Millionen anderer herauszufiltern. Diese technischen Hürden haben einem experimentellen Nachweis bisher im Weg gestanden.

2006 entwickelte ein Forscherteam, dem ich angehörte, eine Idee für einen Versuch, der das Phänomen mit heute verfügbaren Mitteln registrieren könnte. Dazu nutzen wir aus, dass aneinander streuende Lichtteilchen nicht nur ihre Flugbahn ändern, sondern manchmal auch die Richtung wechseln, in der sie schwingen – ihre so genannte Polarisation (siehe Bild, S. 14). In starken elektrischen Feldern erwarten wir, dass das Vakuum die Polarisation einer Welle derart beeinflusst, wie es sonst optische Me-dien tun.

Einige Materialien – wie der hier gezeigte Kalkspat – sind doppelbrechend. Einfallendes Licht wird darin in zwei Lichtstrahlen geteilt, weshalb dadurch betrachtete Objekte doppelt erscheinen.


THOMAS HEINZL

Der European X-Ray Free-Electron Laser (XFEL) bei Hamburg erzeugt hochintensive Laserstrahlen.


EUROPEAN XFEL / JAN HOSAN

Das Vakuum würde dann doppelbrechend, eine Eigenschaft, die manche Festkörper innehaben. Ein Beispiel dafür ist ein transparenter Kristall aus Kalzit (Kalkspat, siehe Bild auf S. 17), der eine optische Vorzugsrichtung besitzt, die so genannte optische Achse. Einfallendes Licht, das senkrecht zu dieser Achse polarisiert ist, verlangsamt sich im Kristall um einen Faktorn ₁ = 1,66, während dieser für den parallelen Anteil nurn ₂ = 1,49 beträgt. Wie sich Licht im Kalzitkristall ausbreitet, hängt von der Polarisationsrichtung ab. Die senkrechten und parallelen Beiträge bezüglich der optischen Achse spalten sich daher in zwei Strahlen auf, die räumlich etwas versetzt sind. Betrachtet man ein Objekt durch Kalkspat, erscheint es somit doppelt.

Die Doppelbrechung entsteht, weil Photonen an den Materieteilchen des Kristalls streuen. Dabei kann die Polarisation eines gestreuten Lichtquants um 90 Grad kippen. Die Wahrscheinlichkeit für einen solchen Prozess, also das Verhältnis zwischen Photonen mit »geflippter« und ursprünglicher Polarisation, ist proportional zur quadrierten Differenz der zwei Brechungsindizes eines doppelbrechenden Mediums.

Auf diese Weise lässt sich auch die Doppelbrechung des Vakuums untersuchen. Sendet man einen Laserstrahl in ein von starken Feldern polarisiertes Vakuum, übernehmen die virtuellen Teilchen-Antiteilchen-Paare die Funktion der Materieteilchen im Kristall. Die Richtung des äußeren elek-trischen Feldes spielt dabei die Rolle der optischen Achse. Es ergeben sich zwei Brechungsindizes, die proportional zur Intensität des Lasers sind. Damit ein Photon seine Polarisation ändert, muss es mit einem Lichtteilchen des anregenden Felds wechselwirken. Daher ist die Photon-Photon-Streuung für die Doppelbrechung des Quantenvakuums verantwortlich. Es wirkt, als ob ein Lichtstrahl den anderen aus seiner Polarisationsrichtung »kickt«.

Wenn man nachweisen kann, dass Polarisationsflips stattfinden, hat man damit also gleichzeitig gezeigt, dass reales Licht mit sich selbst wechselwirkt. Darauf basiert unsere Idee. Wir schlugen einen experimentellen Aufbau mit zwei leistungsfähigen Lasern vor, die aufeinander gerichtet sind: einen »Abfragelaser«, der Lichtpulse aussendet, und einen »Anregungslaser«. Falls ein Photon aus dem Abfragelaser mit einem Lichtteilchen des Anregungslasers wechselwirkt, besteht eine geringe Wahrscheinlichkeit dafür, dass es seine Polarisation ändert. Dadurch spaltet sich der Abfragestrahl in zwei Bündel mit jeweils unterschiedlicher Polarisation auf, wie in einem doppelbrechenden Medium. Ein gestreutes Photon befindet sich dann im überlagerten Zustand der ursprünglichen und geflippten Polarisation, was man mit einem Polarisationsfilter nachweisen kann. Auch wenn der Aufbau des Versuchs vergleichsweise einfach klingt, birgt er wegen der niedrigen Streuwahrscheinlichkeit dennoch anspruchsvolle technische Herausforderungen.

Teilchen aus dem Nichts

Anders als die klassische Physik legt die Quantenfeldtheorie nicht fest, wie viele Teilchen ein System enthält. Das ist eine Folge der speziellen Relativitätstheorie verbunden mit der heisenbergschen Unschärferelation, die besagt, dass man einige Messgrößen nicht beliebig genau bestimmen kann. Je genauer man beispielsweise herausfinden möchte, wo sich ein Teilchen befindet, desto ungenauer wird die Messung seines Impulses. Weiß man genau, wo ein Teilchen ist, »strotzt« es also nur so von Quantenenergie. Übersteigt diese den Wert vonE =mc 2, wobeic der Lichtgeschwindigkeit entspricht, können reale Teilchen mit der entsprechenden Massem entstehen. Dank des quantenmechanischen Tunneleffekts können selbst unterhalb dieser Energieschwelle in einem äußeren elektrischen Feld reale Paare entstehen. Denn dadurch besteht eine geringe Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein virtuelles Paar durch die verbleibende Energielücke tunnelt und als reales Paar auftaucht. Das ist der berühmte Schwinger-Effekt.

Künftiges Experiment

Um eine Photon-Photon-Streuung auch wirklich nachzuweisen, müssen die drei zuvor genannten Bedingungen erfüllt sein. Ein Freier-Elektron-Laser, der Pulse im Röntgenspektrum ausstrahlt, gewährleistet eine hohe Energie der Abfragephotonen. Ein solches Gerät existiert seit 2017 am European X-Ray Free-Electron Laser (XFEL) bei Hamburg. Dieser hat den weiteren Vorteil, dass er hohe Intensitäten erzeugt, das heißt extrem viele einfallende Photonen aussendet, was eine Streuung wahrscheinlicher macht.

Als Anregungsquelle bietet sich ein optischer Hochleistungslaser an. Solche Geräte besitzen dank der technischen Fortschritte der letzten Jahre inzwischen Leistungen von etwa einem Petawatt (1015 Watt). Damit erreichen sie Photonendichten von rund einer Trillion (1018) Teilchen pro Kubikmikrometer. Das Zusammenspiel von intensivem Röntgenlaser und Hochleistungslaser sollte zu Brechungsindizes des Vakuums führen, die von eins abweichen – allerdings nur um maximal 10 –10.

Ein solcher Versuch wäre daher sinnlos, wenn die Wissenschaftler nicht über ein präzises Messgerät verfügten. Inzwischen können hoch entwickelte Detektoren sogar unter zehn Milliarden Röntgenphotonen ein einzelnes mit geflippter Polarisation aufspüren. Die Anzahl solcher Lichtquanten mit veränderter Polarisation wird maximal, wenn man die Polarisation des Abfragelasers unter einem Einfallswinkel von 45 Grad auf das elektrische Feld des Anregungslasers treffen lässt. Unseren Berechnungen zufolge sollte pro abgegebenem Laserpuls (»Schuss«) etwa ein geflipptes Photon auftreten.

Um dieses – und damit die Vakuum-Doppelbrechung – eindeutig nachzuweisen, muss man das Experiment möglichst oft wiederholen. Sollte das tatsächlich gelingen, wäre erstmals bewiesen, dass reales Licht mit sich selbst wechselwirkt. Das zugehörige Experiment wird derzeit im HIBEF-Labor am DESY aufgebaut. Mit ersten Ergebnissen, nach Abschluss der Probeläufe, ist in den nächsten vier bis fünf Jahren zu rechnen.

Im Prinzip könnte man durch ein derartiges Experiment auch die Erzeugung von realen Elektron-Positron-Paaren beobachten. Das würde sich dadurch äußern, dass das Quantenvakuum den Abfragestrahl abschwächt – es würde wie ein absorbierendes Medium wirken. Wegen des Schwinger-Effekts zerfallen die Photonen im elektrischen Feld nämlich in Materie-Antimaterie-Paare, wodurch die Zahl der Lichtquanten abnimmt. Die Wahrscheinlichkeit für einen solchen Prozess liegt aber noch weit unterhalb der Nachweisgrenze. Wir sind in jedem Fall schon sehr gespannt auf die Messergebnisse der aktuell geplanten Experimente, die wir mit den Vorhersagen der Quantenelektrodynamik vergleichen werden. Falls sich hier unerwarteterweise Unstimmigkeiten ergeben sollten, würde das auf neuartige physikalische Theorien hindeuten. QUELLEN

Atlas Collaboration: Evidence for light-by-light scattering in heavy-ion collisions with the ATLAS detector at the LHC. Nature Physics 13, 2017

Heinzl, T. et al.: On the observation of vacuum birefringence. Optics Communication 267, 2006

King, B., Heinzl, T.: Measuring vacuum polarization with high power lasers. High Power Laser Science and Engineering 4, 2016

Mignani, R. P. et al.: Evidence for vacuum birefringence from the first optical-polarimetry measurement of the isolated neutron star RX J1856.5−3754. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 465, 2017

Schlenvoigt, H.-P. et al.: Detecting vacuum birefringence with X-ray free electron lasers and high-power optical lasers: a feasibility study. Physica Scripta 91, 2016

Erfolge der QED

In den letzten Jahrzehnten haben Physiker mehrere Experimente entwickelt, um die Vorhersagen der Quantenelektrodynamik zu überprüfen, insbesondere die Auswirkungen virtueller Fluktuationen. Ein Beispiel dafür ist die »Lamb-Verschiebung«, wonach sich die Energieniveaus im Wasserstoffatom weiter aufspalten, als es die reine Quantenmechanik vorhersagt.

Der Grund dafür ist, dass ein Elektron nahe dem Kern ein starkes elektrisches Feld verspürt, wodurch virtuelle Photonen entstehen, die das Teilchen absorbiert und wieder aussendet. Diese Photonen fluktuieren zudem in virtuelle Elektron-Positron-Paare, welche die Energie des Elektrons zusätzlich beeinflussen. Beide Effekte führen zu einer Aufspaltung der Energieniveaus, die Willis Lamb und Robert Rutherford bereits 1947 im Labor beobachteten.

Virtuelle Fluktuationen beeinflussen auch das magnetische Moment des Elektrons, das sich ab der dritten Nachkommastelle von dem Wert unterscheidet, den die reine Quantenmechanik vorhersagt. Inzwischen stimmen die Experimente zu diesen und ähnlichen Phänomenen bis zur zehnten Nachkommastelle mit den theoretischen Korrekturen überein. Die Quantenelektrodynamik gilt deshalb als die am besten überprüfte wissenschaftliche Theorie.