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Relativitätstheorie: Teilchen aus dem Nichts

Wenn man stark beschleunigt, tauchen gemäß theoretischen Überlegungen im Vakuum plötzlich Teilchen auf, die ein ruhender Beobachter nicht sieht. Dieser seltsame »Unruh-Effekt« könnte nun bald im Labor beobachtet werden.
Künstlerische Darstellung einer Higgs-Boson-Teilchen-Interaktion

Stellen Sie sich vor, Sie sitzen neben Han Solo und Chewbacca an Bord des Millennium Falken, eines der schnellsten Schiffe der Galaxis. Sie haben kaum Zeit, sich anzuschnallen, schon geht es los: Das Raumschiff beschleunigt und beginnt seine Reise durch den Hyperraum. Die dunkle Umgebung wird immer heller, während lauter helle Punkte an Ihnen vorbei rauschen.

Star-Wars-Fans erinnern sich wahrscheinlich an die legendären Filmszenen, die Millionen von Menschen seit Jahrzehnten in ihren Bann ziehen. So spannend die Geschichte auch ist – mit echter Wissenschaft hat sie wenig zu tun. Denn eigentlich sollen die vorbeirauschenden Lichtpunkte die Sterne darstellen, doch der Doppler-Effekt würde sie bei solchen Beschleunigungen unsichtbar machen. Trotzdem könnte die eingangs geschilderte Szene gar nicht so weit von der Wirklichkeit entfernt sein. Die vorbeiziehenden Lichter kämen in diesem Fall aber nicht von den Sternen, sondern von aufpoppenden Partikeln. In den kommenden Jahren könnten Physikerinnen und Physiker sogar Zeuge davon werden.

Die Rede ist von einem relativistischen Phänomen, das im Gegensatz zur Krümmung von Raum und Zeit oder strahlenden Schwarzen Löchern der breiten Masse kaum bekannt ist: der Unruh-Effekt. Dieser beschreibt, was eine beschleunigte Person, die sich durch ein Vakuum bewegt, erlebt. Sie hat das Gefühl, durch eine Umgebung voller Teilchen zu fliegen, die eine erhöhte Temperatur erzeugen. Ein ruhender Beobachter sieht hingegen nichts von alledem – außer natürlich der sich bewegenden Person. Das verleiht der Einsteinschen Relativitätstheorie eine ganz neue Dimension: Nun hängen nicht nur Zeitspannen und Distanzen vom Bezugssystem ab – sondern auch die Existenz von Teilchen! …

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  • Quellen

Chin, C. et al.: Quantum simulation of Unruh radiation. Nature Physics 15, 2019

Leonhardt, U. et al.: Classical analogue of the Unruh effect. Physical Review A 98, 2018

Lynch, M. H. et al.: Experimental Observation of Acceleration-Induced Thermality. Physical Review D 104, 2021

Soda, B. et al.: Acceleration-Induced Effects in Stimulated Light-Matter Interactions. Physical Review Letters 128, 2022

Weinfurtner, S. et al.: Interferometric Unruh Detectors for Bose-Einstein Condensates. Physical Review Letters 125, 2020