Damit die Leere aufhört, Leere zu sein
Ein Vakuum ist ein Ort, an dem viel passiert, auch wenn man es nicht sieht. Um herauszufinden, was genau, ist jedoch so viel Energie erforderlich, dass es Wissenschaftlern bis vor kurzem unmöglich schien, in die Welt der virtuellen Teilchen zu blicken. Wenn einige Leute in einer solchen Situation aufhören, ist es für andere unmöglich, sie zu ermutigen, es zu versuchen.
Nach der Quantentheorie ist der leere Raum gefüllt mit virtuellen Teilchen, die zwischen Sein und Nichtsein pulsieren. Sie sind auch völlig unauffindbar – es sei denn, wir hätten etwas Mächtiges, um sie zu finden.
"Wenn Leute von einem Vakuum sprechen, meinen sie normalerweise etwas, das völlig leer ist", sagte der theoretische Physiker Mattias Marklund von der Chalmers University of Technology in Göteborg, Schweden, in der Januar-Ausgabe von NewScientist.
Es stellt sich heraus, dass der Laser zeigen kann, dass es gar nicht so leer ist.
Elektron im statistischen Sinne
Virtuelle Teilchen sind ein mathematisches Konzept in Quantenfeldtheorien. Sie sind physikalische Teilchen, die ihre Anwesenheit durch Wechselwirkungen manifestieren, aber das Prinzip der Hülle der Masse verletzen.
Virtuelle Teilchen tauchen in den Arbeiten von Richard Feynman auf. Nach seiner Theorie ist jedes physikalische Teilchen tatsächlich ein Konglomerat virtueller Teilchen. Ein physisches Elektron ist eigentlich ein virtuelles Elektron, das virtuelle Photonen aussendet, die in virtuelle Elektron-Positron-Paare zerfallen, die wiederum mit virtuellen Photonen interagieren – und so weiter endlos. Das "physische" Elektron ist ein fortwährender Wechselwirkungsprozess zwischen virtuellen Elektronen, Positronen, Photonen und möglicherweise anderen Teilchen. Die "Realität" eines Elektrons ist ein statistisches Konzept. Es ist unmöglich zu sagen, welcher Teil dieses Sets wirklich echt ist. Bekannt ist nur, dass die Summe der Ladungen all dieser Teilchen die Ladung des Elektrons ergibt (d.h. vereinfacht gesagt, es muss ein virtuelles Elektron mehr geben als virtuelle Positronen) und dass die Summe der Massen von Alle Teilchen bilden die Masse des Elektrons.
Im Vakuum bilden sich Elektron-Positron-Paare. Jedes positiv geladene Teilchen, z.B. ein Proton, wird diese virtuellen Elektronen anziehen und Positronen (mit Hilfe virtueller Photonen) abstoßen. Dieses Phänomen wird als Vakuumpolarisation bezeichnet. Elektron-Positron-Paare, die von einem Proton gedreht werden
sie bilden kleine Dipole, die mit ihrem elektrischen Feld das Feld des Protons verändern. Die elektrische Ladung des Protons, die wir messen, ist also nicht die des Protons selbst, sondern die des gesamten Systems, einschließlich der virtuellen Paare.
Ein Laser ins Vakuum
Der Grund, warum wir glauben, dass virtuelle Teilchen existieren, geht auf die Grundlagen der Quantenelektrodynamik (QED) zurück, einem Zweig der Physik, der versucht, die Wechselwirkung von Photonen mit Elektronen zu erklären. Seit diese Theorie in den 30er Jahren entwickelt wurde, fragen sich Physiker, wie sie mit dem Problem der mathematisch notwendigen, aber nicht sichtbaren, hörbaren oder fühlbaren Teilchen umgehen sollen.
Die QED zeigt, dass theoretisch, wenn wir ein ausreichend starkes elektrisches Feld erzeugen, die virtuellen Begleitelektronen (oder die ein statistisches Konglomerat namens Elektron bilden) ihre Anwesenheit offenbaren und es möglich sein wird, sie zu erkennen. Die dafür benötigte Energie muss die sogenannte Schwinger-Grenze erreichen und überschreiten, ab der, wie man bildlich ausdrückt, das Vakuum seine klassischen Eigenschaften verliert und nicht mehr „leer“ ist. Warum ist es nicht so einfach? Die benötigte Energiemenge muss den Annahmen zufolge so viel betragen wie die gesamte Energie, die alle Kraftwerke der Welt produzieren – ein weiteres Milliardenfaches.
Das Ding scheint außerhalb unserer Reichweite. Wie sich jedoch herausstellt, nicht unbedingt, wenn man die in den 80er Jahren von den letztjährigen Nobelpreisträgern Gérard Mourou und Donna Strickland entwickelte Lasertechnik ultrakurzer, hochintensiver optischer Pulse nutzt. Mourou selbst sagte offen, dass die Giga-, Tera- und sogar Petawatt-Leistungen, die bei diesen Laser-Superschüssen erreicht werden, eine Gelegenheit bieten, das Vakuum zu brechen. Seine Konzepte wurden im Projekt Extreme Light Infrastructure (ELI) verkörpert, das von europäischen Mitteln unterstützt und in Rumänien entwickelt wurde. In der Nähe von Bukarest gibt es zwei 10-Petawatt-Laser, mit denen Wissenschaftler die Schwinger-Grenze überwinden wollen.
Doch selbst wenn es uns gelingt, die Energiebeschränkungen zu durchbrechen, bleibt das Ergebnis – und was letztendlich vor den Augen der Physiker erscheinen wird – höchst ungewiss. Bei virtuellen Teilchen beginnt die Forschungsmethodik zu versagen, die Berechnungen machen keinen Sinn mehr. Eine einfache Rechnung zeigt auch, dass die beiden ELI-Laser zu wenig Energie erzeugen. Selbst vier kombinierte Bündel sind immer noch 10 Mal weniger als nötig. Wissenschaftler lassen sich davon jedoch nicht entmutigen, denn sie betrachten diese magische Grenze nicht als scharfe einmalige Grenze, sondern als allmählichen Veränderungsbereich. So erhoffen sie sich auch mit geringeren Energiedosen virtuelle Effekte.
Forscher haben verschiedene Ideen, um die Laserstrahlen zu verstärken. Eines davon ist das ziemlich exotische Konzept reflektierender und verstärkender Spiegel, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Weitere Ideen sind die Verstärkung der Strahlen durch die Kollision von Photonenstrahlen mit Elektronenstrahlen oder die Kollision von Laserstrahlen, die Wissenschaftler des chinesischen Forschungszentrums Station of Extreme Light in Shanghai durchführen wollen. Ein großer Beschleuniger von Photonen oder Elektronen ist ein neues und interessantes Konzept, das es wert ist, beobachtet zu werden.
