Physiker finden Weg, etwas "aus dem Nichts zu erschaffen"

Im Jahr 1951 entwarf der US-Physiker Julian Schwinger eine kühne Theorie: In einem starken elektrischen Feld könnten aus dem Nichts spontan Teilchen entstehen. Physiker haben nun experimentelle Hinweise darauf gefunden, dass dies stimmt.

Nicht mehr nur Theorie

Dieser sogenannte Schwinger-Effekt blieb bislang reine Theorie, da die dafür nötigen Feldstärken die technischen Möglichkeiten bei weitem übersteigen. Ein Forschungsteam der University of British Columbia (UBC) in Kanada meldet nun aber einen bemerkenswerten Durchbruch.

Anstelle des unzugänglichen Vakuums nutzen die Wissenschaftler eine extrem dünne Schicht aus superfluidem Helium-4, das sich bei tiefen Temperaturen in einen reibungsfreien Zustand versetzen lässt. In dieser besonderen Umgebung entstehen keine Elektron-Positron-Paare, sondern Wirbel und Gegenwirbel, die spontan auftauchen und sich in entgegengesetzte Richtungen drehen.


"Superfluides Helium-4 ist ein Wunderstoff", sagte der Physiker Philip Stamp, Mitautor der Arbeit, die in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht wurde. "Wenn man den superfluiden Fluss erzeugt, entstehen plötzlich Wirbelstrukturen - ganz ähnlich wie die Teilchenpaare im Schwinger-Effekt."

Gemeinsam mit seinem Kollegen Michael Desrochers hat Stamp nicht nur das theoretische Modell, sondern auch die mathematischen Grundlagen für mögliche Experimente entwickelt. Damit eröffnet sich erstmals ein realistischer Zugang zu einem Prozess, der für das Verständnis von Quantenvakuum, Schwarzen Löchern oder gar den Ursprüngen des Universums von Bedeutung ist.

Rückfluss in die Theorie

Die Forscher betonen jedoch, dass der Wert ihrer Arbeit weniger in den kosmischen Analogien liegt, sondern in den neuen Erkenntnissen über die Eigenschaften von Superfluiden. Besonders spannend ist dabei die Rolle der Wirbelmassen: Während frühere Modelle diese Größe als konstant annahmen, konnten Stamp und Desrochers zeigen, dass die Masse stark variiert, sobald sich die Wirbel bewegen. Das verändert nicht nur das Verständnis von Strömungen in Flüssigkeiten, sondern könnte auch Rückschlüsse auf fundamentale Quanteneffekte erlauben.

"Zu begreifen, warum die Masse schwankt und wie sich das auf Tunneleffekte auswirkt, ist aufregend", erklärt Desrochers. Stamp geht sogar noch weiter: Er vermutet, dass diese Erkenntnis langfristig auch die ursprüngliche Schwinger-Theorie selbst verändern könnte - eine Art "Rückschlag des Analogons", wie der Forscher ausführte.


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