Wissenschaftler haben möglicherweise eines der am schwersten fassbaren vorhergesagten Phänomene der Quantenphysik nachgewiesen: die Vacuum-Doppelbrechung, bei der der leere Raum selbst in Gegenwart eines extremen Magnetfelds Licht bricht und aufspaltet.

Die in Nature am 5. August veröffentlichte Beobachtung verwendete einen Magnetar – eine Art Neutronenstern mit einem Magnetfeld, das mehr als eine Billion mal stärker ist als das der Erde – in einer Entfernung von etwa 100 Millionen Lichtjahren. Forscher von CSIRO, NASA und mehreren Universitäten analysierten, wie das Licht des Magnetars polarisiert wurde, als es durch das umgebende Vakuum reiste.

Werner Heisenberg hatte den Effekt erstmals in den 1930er-Jahren als Konsequenz der Quantenelektrodynamik (QED) vorhergesagt: In Gegenwart eines außergewöhnlich starken Magnetfelds sollte das Quantenvakuum – das die klassische Physik als leer betrachtet – sich wie ein doppelbrechendes Material verhalten und Licht different polarisierter Komponenten unter leicht verschiedenen Winkeln brechen. Das bedeutet, dass selbst ohne gewöhnliche Materie der leere Raum die Eigenschaften des Lichts verändern würde, das ihn durchquert.

Die Schwierigkeit bestand darin, ein Magnetfeld zu finden, das stark genug ist, um einen messbaren Effekt zu erzeugen. Magnetare, die stärksten Magnetfelder des Universums, sind die besten natürlichen Laboratorien dafür. Ihre Felder sind so intensiv, dass sie die Form von Atomen verzerren und nach QED das Vakuum selbst polarisieren sollten.

Das Team beobachtete, dass das Polarisationsmuster des Magnetar-Lichts mit dem übereinstimmte, was QED für Vacuum-Doppelbrechung vorhersagt – ein Ergebnis, das Astronomen trotz wiederholter Versuche jahrzehntelang entgangen war. Die Entdeckung liefert eine der stärksten bisherigen Beobachtungsbelege für diese grundlegende Vorhersage der Quantenfeldtheorie und eröffnet ein neues Fenster zum Testen der Grundlagenphysik in extremen kosmischen Umgebungen.

Quellen