Von David Harris
Hör mich jetzt nicht auf
(Bild: Ellinor Hall / Johner / Corbis)
Ein BALL, der sich im Vakuum dreht, sollte niemals langsamer werden, da keine äußeren Kräfte darauf einwirken. Zumindest hätte Newton das gesagt. Aber was ist, wenn das Vakuum selbst eine Art Reibung erzeugt, die das Drehen von Objekten bremst? Der Effekt, der bald nachweisbar sein könnte, könnte auf interstellare Staubkörner einwirken.
In der Quantenmechanik besagt die Unschärferelation, dass wir niemals sicher sein können, dass ein scheinbares Vakuum wirklich leer ist. Stattdessen sprudelt der Weltraum mit Photonen, die ständig in die Existenz kommen und wieder verschwinden, bevor sie direkt gemessen werden können. Obwohl sie nur flüchtig erscheinen, üben diese „virtuellen“ Photonen auf die Objekte, denen sie begegnen, die gleichen elektromagnetischen Kräfte aus wie normale Photonen.
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Nun, Alejandro Manjavacas und F. Javier García de Abajo vom Institut für Optik am Spanischen Nationalen Forschungsrat in Madrid sagt, diese Kräfte sollten sich drehende Objekte verlangsamen. So wie eine Frontalkollision einen größeren Schlag als ein Klopfen zwischen zwei Autos hintereinander hat, kollidiert ein virtuelles Photon, das ein Objekt in der Richtung trifft, die seinem Spin entgegengesetzt ist, mit größerer Kraft, als wenn es in die gleiche Richtung trifft.
Im Laufe der Zeit verlangsamt sich ein sich drehendes Objekt allmählich, selbst wenn eine gleiche Anzahl virtueller Photonen es von allen Seiten bombardiert. Die Rotationsenergie, die es verliert, wird dann als echte, nachweisbare Photonen emittiert (Physical Review A, DOI& colon; 10.1103 / PhysRevA.82.063827).
Die Stärke des Effekts hängt vom Make-up und der Größe des Objekts ab. Objekte, deren elektronische Eigenschaften verhindern, dass sie elektromagnetische Wellen leicht absorbieren, wie z. B. Gold, können sich nur wenig oder gar nicht verlangsamen. Aber kleine Partikel mit geringer Dichte, die einen geringeren Rotationsimpuls haben, verlangsamen sich dramatisch.
Die Verlangsamungsrate hängt auch von der Temperatur ab, da je heißer sie ist, desto mehr virtuelle Photonen ein- und ausgehen und die Reibung erzeugen. Bei Raumtemperatur würde ein 100 Nanometer breites Graphitkorn, das in interstellarem Staub reichlich vorhanden ist, etwa 10 Jahre brauchen, um sich auf etwa ein Drittel seiner Anfangsgeschwindigkeit zu verlangsamen. Bei 700 ° C, einer Durchschnittstemperatur für heiße Gebiete des Universums, würde dieselbe Geschwindigkeitsabnahme nur 90 Tage dauern. In der Kälte des interstellaren Raums würde es 2, 7 Millionen Jahre dauern.
Könnte dieser Effekt im Labor getestet werden? Manjavacas sagt, das Experiment würde ein Ultrahochvakuum und hochpräzise Laser erfordern, um die Nanopartikel einzufangen, Bedingungen, die „anspruchsvoll, aber in absehbarer Zeit erreichbar“ sind.
John Pendry vom Imperial College in London nennt die Analyse eine „feine Arbeit“ und sagt, sie könne Aufschluss darüber geben, ob Quanteninformation jemals zerstört wird, wenn sie beispielsweise in ein Schwarzes Loch fällt. Er sagt, dass die realen Photonen, die während des Verzögerungsprozesses emittiert werden, Informationen über den Quantenzustand des sich drehenden Teilchens enthalten sollten, so wie die Photonen, von denen angenommen wird, dass sie als Hawking-Strahlung aus schwarzen Löchern entweichen, Informationen über die Löcher kodieren.
„Dies ist einer der wenigen elementaren Prozesse, der scheinbar rein klassische mechanische Energie in einen hochkorrelierten Quantenzustand umwandelt“, sagt Pendry.
Wie man über einem Vakuum schwebt
Houdini wäre stolz. Es scheint, dass es einen Weg gibt, ein Objekt in einem Vakuum zu schweben, indem man einfach die Quantenfluktuationen kanalisiert.
Der Trick beinhaltet den Casimir-Effekt, bei dem Objekte, die sehr nahe beieinander liegen, dank Quantenfluktuationen im Vakuum zwischen und um sie herum zusammengezogen werden. Wenn beispielsweise zwei Platten immer näher zusammengebracht werden, können weniger Schwankungen im Spalt zwischen ihnen auftreten. Schwankungen an ihren Außenseiten setzen sich jedoch normal fort. Diese Druckdifferenz auf beiden Seiten der Platten zwingt sie, zusammenzuhalten.
In den letzten Jahren haben Physiker versucht, Wege zu entwickeln, um den Casimir-Effekt umzukehren und Objekte in der Nähe abzustoßen, wodurch sie schweben. Frühere Vorschläge beinhalteten das Einfügen verschiedener Materialien zwischen die abzustoßenden Objekte – wie exotische Metamaterialien, die elektromagnetische Wellen entgegengesetzt zu den erwarteten biegen und den Casimir-Effekt umkehren.
Nun skizzieren Stanislav Maslovski und Mário Silveirinha von der Universität Coimbra in Portugal einen Weg, Objekte ohne Füllmaterial abzustoßen. Ihr Aufbau, beschrieben in einem Papier, das in Physical Review A erscheint, verwendet 40 Nanometer breite Silberstäbe, die wie Kerzen auf einem Kuchen in einem Substrat stecken.
Die metallischen „Kerzen“ würden die Schwankungen zwischen ihnen kanalisieren und alles, was sich dort befindet, wegschieben. Wenn also eine perforierte Metallstange über die Kerzen abgesenkt wurde und eine Kerze durch jedes Loch stieß, sollte die Stange schweben und von den Kerzen zwischen und um jedes Loch in alle Richtungen abgestoßen werden.
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