Wie man mit elektrischen Feldern aus Vakuum Materie erschaffen kann

10. November 2011, 21:02
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Wie genau dieser quantenphysikalische Vorgang abläuft, haben nun Grazer und deutsche Physiker berechnet

Wien/Graz - Es klingt wie pure Zauberei und doch ist es "nur" Quantenphysik: Während in der klassischen Physik ein Vakuum im Grundzustand frei von aller Materie, Energie und allen Feldern ist, lässt sich dort nach den Regeln der Quantenwelt mit der entsprechenden Investition von Energie Materie "erschaffen". Das liegt daran, dass nach der Quantenphysik ein Vakuum einem komplexen Zustand mit fluktuierenden Quantenfeldern entspricht - also alles andere als Nichts ist.

Legt man an ein solches Quantenvakuum ein extrem starkes elektrisches Feld, kommt es zu einem spontanen Zerfall des Vakuums in Paare von Materie- und Antimaterie-Teilchen. Wie genau dieser Vorgang abläuft, haben nun Grazer und deutsche Physiker berechnet und ihre Arbeit im Fachblatt "Physical Review Letters" veröffentlicht.

Die ersten theoretischen Überlegungen zum spontanen Zerfall des Vakuums hat bereits 1931 der österreichische Physiker Fritz Sauter angestellt. Doch erst der US-Physiker Julian Schwinger fand in den 50er Jahren "eine elegante Ableitung, wie stark sich das Vakuum wehrt, zu zerfallen", wie Reinhard Alkofer vom Institut für Physik der Universität Graz betonte. Er hat mit seinem Dissertanten Florian Hebenstreit und mit Holger Gies von der Universität Jena die Arbeit durchgeführt.

Vakuum aus dem Gleichgewicht

Grundsätzlich ist ein Quantenvakuum im energetisch niedrigsten Zustand und kann mangels Energie nicht zerfallen - es ist im Gleichgewicht. Erst wenn Energie von Außen, etwa in Form eines elektrischen Felds, zugeführt wird, gelingt es, das Vakuum aus dem Gleichgewicht zu bringen.

Doch das ist gar nicht so einfach: Notwendig ist ein elektrisches Feld in der Größenordnung von Trillionen (also zehn hoch 18) Volt pro Meter - weshalb das ganze "lange als völlig akademisches Problem betrachtet wurde", so Alkofer. Denn selbst extrem starke Blitze erreichen maximal eine Feldstärke von 200.000 Volt pro Meter, "das ist gerade einmal der Billionste Teil der Feldstärke in unseren Rechnungen", betonen die Physiker.

Materie aus dem Nichts in wenigen Jahren?

Doch mit zwei geplanten Großforschungseinrichtungen, dem Röntgenlaser XFEL in Hamburg und der Extreme Light Infrastructure in Tschechien, die beide 2015 in Betrieb gehen sollen, sollte dieser Wert in greifbare Nähe rücken. "Mit diesen Hochleistungslasern wird man in einigen Jahren auf kleinstem Raum für kurze Zeit diese Feldstärke erreichen", so Alkofer.

Dann sollten Experimente möglich sein, in denen spontan aus dem Nichts Materie- und Antimaterie-Teilchen entstehen, konkret Elektronen und Positronen. Was genau wann und wo im Vakuum passiert, konnte Hebenstreit in seiner Dissertation nun erstmals berechnen. Zudem fand der Physiker ein völlig unerwartetes Verhalten der Materie- und Antimaterie-Teilchen, "das uns erlauben sollte, sie viel leichter zu detektieren", so Hebenstreit. (red/APA)

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    Mit Hilfe zweier in Bau befindlicher Hochleistungslaser könnten Experimente möglich sein, in denen spontan aus dem Quantenvakuum Materie- und Antimaterie-Teilchen entstehen.

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