Meine Merkliste
my.chemie.de  
Login  

Das Geheimnis des Vakuums erstmals nachweisen

20.03.2019

Jan-Peter Kasper/FSU

Annika Schmitt und Benjamin Grabiger von der Universität Jena arbeiten hier an einem Polarimeter, um die benötigten Präzisionsmessverfahren zu verbessern.

Für die meisten Menschen ist das Vakuum ein leerer Raum. Die Quantenphysik hingegen geht davon aus, dass selbst in diesem Zustand niedrigster Energie noch Teilchen und Anti-Teilchen fluktuieren. Eine Annahme, für die bisher kein eindeutiger Beleg erbracht werden konnte. Um die Prozesse im vermeintlichen Nichts über 80 Jahre nach deren Vorhersage durch Werner Heisenberg und Hans Euler erstmals experimentell nachweisen zu können, hat jetzt eine neue Forschungsgruppe der Universität Jena ihre Arbeit aufgenommen. Der Quantentheoretiker Prof. Dr. Holger Gies leitet die Gruppe, deren Bezeichnung „Probing the Quantum Vacuum at the High-intensity Frontier“ zugleich das Ziel der Forschungen formuliert. Am auf sechs Jahre angelegten Projekt sind neben der Universität Jena auch das Helmholtz-Institut Jena (HIJ) und die Universitäten in Düsseldorf und München (LMU) beteiligt. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert die erste, dreijährige Phase mit rund zwei Millionen Euro, womit v. a. neun Doktorandenstellen, fünf davon in Jena, finanziert werden.

Licht macht Phänomene im „leeren Raum“ sichtbar

Die Forschungsgruppe will mit starken Feldern an den Quanten wackeln, versuchen die Experten das Forschungsziel einfach zu beschreiben. Sie wollen Quantenvakuumprozesse, die den Grundzustand der Natur bilden, mit Hochintensitätslasern nachweisen. „Das Besondere an unserem Team ist das enge Zusammenspiel von fundamentaler Theorie und hoher Experimentierkunst“, erläutert Dr. Felix Karbstein, Theoretiker am HIJ, der an genauen Vorhersagen für Messgrößen arbeitet, in denen die im Vakuum extrem kurz entstehenden Teilchen und ihre Anti-Teilchen ihre Spuren hinterlassen.

Die Jenaer Experimentalphysiker sowie die Kollegen an der LMU arbeiten derweil an der Methodik, um den praktischen Nachweis zu erbringen. Dazu entwickeln und kombinieren sie leistungsstarke Laser mit neuartigen, präzisen Messverfahren, so dass die flüchtigen Prozesse im Vakuum gemessen werden können.

Bislang existierten keine Lichtquellen, die für eine experimentelle Überprüfung leistungsfähig genug waren. Die modernen Hochintensitätslaser, die bei den Versuchen zum Einsatz kommen, nähern sich inzwischen der notwendigen Laserleistung. Daher werden die Experimente nicht nur in Jena und München, sondern auch am Europäischen Röntgenlaser bei DESY in Hamburg durchgeführt.

Die Phänomene des Quantenvakuums, die Gies und sein Team beweisen wollen, werden in der modernen Physik als fundamental und exotisch zugleich angesehen. Zu ihnen zählen beispielsweise die multiphotonische Erzeugung von Teilchenpaaren aus dem Vakuum oder Streuphänomene des Lichts, wie die sogenannte Quantenreflexion. Diesen schwer zu fassenden Ereignissen ist jedoch nicht nur die Jenaer Forschungsgruppe auf der Spur. „Wir befinden uns in einem internationalen Wettbewerb“, weiß Holger Gies. Der Physiker ist allerdings „sehr hoffnungsvoll, weil ich sehr großes Vertrauen zu den experimentellen Kollegen habe“, dass die Forschungsgruppe aufgrund der besonderen Nähe von Theorie und Praxis den Nachweis als erstes führen kann.

Eigenschaften des Vakuums als Bausteine nutzen

Nachweis und Verständnis der Vakuumphänomene wären nicht nur für die Quantenphysik selbst von Bedeutung. Moderne Hochleistungslaser und präzise Messmethoden sind aus der Medizin, den Lebenswissenschaften und der Materialforschung nicht mehr wegzudenken. So könnten die Ergebnisse in Zukunft bei der Entwicklung von Geräten helfen, die die Eigenschaften des Vakuums als Bausteine nutzen. „Bei der Erforschung des Quantenvakuums kommen wir Grundlagenforscher einer konkreten Anwendung somit vergleichsweise nahe“, sagt Gies. Andererseits bestehe sogar die Möglichkeit, Hinweise auf Kandidaten für die rätselhafte Dunkle Materie zu finden, die für Strukturbildung im Universum verantwortlich ist, aber auch im Quantenvakuum Spuren hinterlassen könnte – doch zuerst müssen die erhofften Ergebnisse realisiert werden: Die Forschungsgruppe geht dem Vakuum nun verstärkt auf den Grund.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Vakuum
  • Quantenphysik
Mehr über Uni Jena
  • News

    Erstmals entschlüsselt: Wie Licht 
chemische Reaktionen in Gang hält

    Um Menschen weltweit klimaverträglich mit Energie zu versorgen, gilt Wasserstoff als Brennstoff der Zukunft. Versuche, diesen umweltfreundlich aus Sonnenlicht und Wasser zu erzeugen, sind allerdings bislang wenig ergiebig. Ein Forscherteam des Jenaer Leibniz-Instituts für Photonische Techno ... mehr

    Pilz produziert hochwirksames Tensid

    Mortierella alpina lebt im Boden und mag es eher kühl. Der zu den Jochpilzen (Zygomyzeten) gehörende Pilz gedeiht am besten bei 10 bis 15°C und kommt vor allem in alpinen oder arktischen Regionen vor. In der Biotechnologie wird der Pilz bislang genutzt, um langkettige Fettsäuren wie Arachid ... mehr

    Gründungsprojekt "Polytives" der Uni Jena präsentiert neuartige Kunststoffzusätze

    Mit dem Gründungsvorhaben „Polytives“ ist die Friedrich-Schiller-Universität Jena auf der Technologiemesse „Rapid.Tech + FabCon 3.D“ vertreten, die vom 25. bis 27. Juni in Erfurt stattfindet. In dem Projekt werden Additive für verschiedene Kunststoffe entwickelt, um deren Verarbeitung zu er ... mehr

  • q&more Artikel

    Gene auf Zucker

    Der gezielte Transport von DNA und RNA mit Vektoren, meist aus synthetischen Polymeren, in Zellkulturen gehört mittlerweile zum festen Repertoire der biologischen Forschung und Entwicklung, was die Vielzahl an kommerziellen Kits zeigt. Allerdings gestalten sich bisher nicht nur viele Laborv ... mehr

    Sex oder Tod

    Diatomeen sind einzellige Mikroalgen, die aufgrund ihrer filigranen und reich verzierten mineralisierten Zellwand auch als Kieselalgen bezeichnet werden. Trotz ihrer mikroskopisch kleinen Zellen spielen ­diese Algen eine fundamentale ­Rolle für marine Ökosysteme und sind sogar zentrale Akte ... mehr

    Wertgebende Komponenten

    Die Isolierung bioaktiver Pflanzeninhaltsstoffe, ätherischer Öle bzw. pflanzlicher Farb- und Aromastoffe erfordert aufwändige und kostenintensive Verfahren. Oft ist jedoch für verschiedene Anwendungen eine Isolierung der Einzelkomponenten nicht erforderlich, es genügt deren Konzentrierung. ... mehr

  • Autoren

    Prof. Dr. Thomas Heinze

    Thomas Heinze, Jahrgang 1958, studierte Chemie an der FSU Jena, wo er 1985 promovierte und nach dem Postdoc an der Katholischen Universität Leuven (Belgien) 1997 habilitierte. 2001 folgte er dem Ruf auf eine Professur für Makromolekulare Chemie an die Bergische Universität Wuppertal. Seit 2 ... mehr

    Prof. Dr. Dagmar Fischer

    Dagmar Fischer ist approbierte Apothekerin und promovierte 1997 im Fach Pharmazeutische Technologie und Biopharmazie an der Philipps-Universität Marburg. Nach einem Aufenthalt am Texas Tech University Health Sciences Center, USA, sammelte sie mehrere Jahre Erfahrung als Leiterin der Präklin ... mehr

    Prof. Dr. Stefan H. Heinemann

    Stefan H. Heinemann, geb. 1960, studierte Physik an der Universität Göttingen. Nach zweijähriger Forschungszeit an der Yale University, New Haven, USA, promovierte er 1990 am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen. Nach einem Forschungsaufenthalt an der Standford Unive ... mehr

Ihr Bowser ist nicht aktuell. Microsoft Internet Explorer 6.0 unterstützt einige Funktionen auf Chemie.DE nicht.