"In der Kosmologie gibt es diesen Quanteneffekt", sagt Ralf Schützhold gegenüber PhysOrg.com . „Im Universum gibt es einen Grundzustand, in dem es leer ist. Wenn sich das Universum jedoch ausdehnt oder zusammenzieht, ist das Vakuum verzerrt und nicht mehr leer. Es entstehen Partikel. “

Die von Schützhold, einem Theoretiker am Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität Dresden, beschriebenen Quanteneffekte sind derzeit gering. "Dieser Effekt ist im Moment wahrscheinlich sehr gering", sagt er. "Aber während der Entstehung des Universums spielten Quanteneffekte wahrscheinlich eine große Rolle."

Schützhold und seine Kollegen, Michael Uhlmann vom Dresdner Institut, und die experimentellen Wissenschaftler Lutz Petersen, Hector Schmitz, Axel Friedenauer und Tobias Schätz vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching hoffen, die Erzeugung von Quantenteilchen mit einem Analogon von zu modellieren Phononen in einer Ionenfalle. Ihre Arbeit wird in einem Artikel mit dem Titel "Analog der kosmologischen Partikelerzeugung in einer Ionenfalle" besprochen und in Physical Review Letters veröffentlicht .

„In diesem Analogon erwarten wir den gleichen Effekt der Erzeugung von Quantenteilchen wie im Universum. Anstelle von Elektronen und Photonen, wie sie im Universum vorkommen, verwenden wir Phononen in einer Ionenfalle “, erklärt Schützhold. Er weist darauf hin, dass es durch ein solches Analog möglich wäre, „kosmologische Effekte zu sehen und Experimente durchzuführen“.

„Eine der grundlegenden Indikationen, die wir verwenden möchten, sind Paare“, sagt Schützhold. Durch diese Quanteneffekte erzeugte Teilchen kommen immer paarweise vor. In der Ionenfalle wäre es dasselbe. Wenn es einen Quanteneffekt gibt, würden die Phononen paarweise kommen. Wenn wir feststellen, dass wir zwei Teilchen anstelle von einem haben, gibt es starke Anzeichen für Quanteneffekte. “Ein solcher Nachweis in der Ionenfalle würde dazu beitragen, Effekte auszuschließen, die aufgrund klassischer physikalischer Effekte wie Erhitzen zur Partikelerzeugung führen.

Schützhold weist darauf hin, dass das Verständnis der Quanteneffekte, die zur Teilchenerzeugung führen, nicht direkt auf die Entstehung des Universums hindeuten würde. "Dies ist ein Weg, um mögliche Quanteneffekte im frühen Universum besser zu verstehen, aber es ist kein direkter Test der kosmologischen Partikelerzeugung." Er macht eine Pause, bevor er fortfährt. "Auf lange Sicht könnte dies uns helfen, theoretische Fragen besser zu verstehen."

Eine der attraktiven Eigenschaften des von Wissenschaftlern in Deutschland vorgeschlagenen Ionenfallenanalogs ist, dass mit der aktuellen Technologie Ergebnisse erzielt werden können. Schützhold, Schätz, Leiter der Versuchsgruppe in Garching, zufolge haben sie bereits ein Vorversuch durchgeführt, bei dem sie die Ionen nahe am Grundzustand gekühlt und ein optisches Pumpen mit einer Genauigkeit von 99 Prozent erreicht haben. "Es ist noch nicht vollständig fertig", räumt er ein, "aber es sollte vielleicht Ende dieses Jahres oder Anfang nächsten Jahres fertig sein."

Dieses Experiment, erklärt Schützhold, ist eine Möglichkeit, die Quanteneffekte hinter der Teilchenerzeugung zu untersuchen und grundlegende Fragen der Quantenphysik zu verstehen. "Dieser Quanteneffekt wurde nur theoretisch berechnet", sagt er. "Natürlich wollen wir es jetzt in einem Experiment sehen ... Es wurde praktisch noch nicht gesehen."

Und während die Technologie zur direkten Messung von Quanteneffekten bei der Partikelerzeugung noch Jahre in Anspruch nehmen kann, haben Schützhold und seine Kollegen möglicherweise einen Weg gefunden, diese Effekte jetzt mithilfe eines experimentellen Analogons zu verstehen, das möglicherweise dieselben Effekte modelliert.

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