Das Universum überrascht uns schon wieder

Moment mal — ich muss dir gerade was erzählen, weil mein Kopf braucht gerade einen Moment, um das zu verarbeiten.

Da ist nämlich gerade etwas in der Welt der Quantenphysik passiert. Und wenn ich sage "etwas", meine ich eigentlich: etwas, das unsere Lehrbücher auf den Kopf stellen könnte.

Das Fermi-Meer — ein geordnetes System

Okay, fangen wir langsam an.

Du erinnerst dich an den Schulunterricht, wo Elektronen um Atomkerne kreisen wie Planeten um die Sonne? In der Quantenwelt ist das alles andere als so chaotisch. Da gibt es strikte Regeln — sehr strikte Regeln — die bestimmen, wie sich bestimmte Teilchen, sogenannte Fermionen (dazu gehören auch Elektronen), anordnen. Vor allem, wenn es richtig kalt wird.

Diese Teilchen stapeln sich in verfügbaren Energieniveaus, ganz nach dem Prinzip: Stelle dir ein Theater vor. Menschen kommen rein, füllen Reihe für Reihe, von unten nach oben. Niemand drängelt sich nach vorne. Alle sitzen brav auf ihren Plätzen.

Diese geordnete Anordnung bei tiefen Temperaturen nennen Physiker ein „Fermi-Meer". Perfekt organisiert. Fast schon langweilig.

Jetzt kommt das Interessante.

Was passiert, wenn man das System anschiebt?

Ein Team um Hanns-Christoph Nägerl und den Theoretiker Alvise Bastianello hat sich gefragt: Was passiert, wenn man dieses sorgfältig aufgebaute System richtig hart anstößt?

Sie haben ultrakalte Cäsium-Atome genommen und sie wiederholt zwischen zwei Extremen hin- und hergeschleudert: Zustände extremer Abstoßung und Zustände extremer Anziehung.

Stell dir vor, du stößt einen perfekt gebauten Stapel Spielsteine um. Du würdest nicht erwarten, dass danach noch irgendetwas geordnet aussieht, oder?

Genau das hätte hier passieren sollen. Chaos. Unordnung. Thermisches Gleichgewicht, wie die Physiker sagen.

Aber — und hier wird es verrückt:

Das ist nicht passiert.

Das fraktionale Fermi-Meer — Ordnung im Chaos

Statt in Unordnung zu verfallen, haben sich die Atome in etwas völlig Neues angeordnet. Die Forscher nennen es ein „fraktionales Fermi-Meer".

Warum „fraktional"? Weil die Teilchen offenbar einer modifizierten Version der üblichen Quantenregeln folgen. Es ist, als hätten sie gelernt, sich in freien Plätzen zu bewegen, die nach neuen Regeln vergeben werden.

Das ist der Moment, in dem ein Forscher gesagt hat: „Dieser Zustand ist hoch angeregt, aber er ist nicht zufällig. Er hat eine verborgene Ordnung, die in seinen Korrelationen sichtbar wird."

Lass das einen Moment sacken.

Das System ist angeregt, aus dem Gleichgewicht geworfen, energetisch aufgedreht — und trotzdem existiert darunter eine geheime Struktur.

Warum ist das so aufregend?

Hier wird es wirklich spannend.

Wir haben gerade ein Verhalten beobachtet, das unsere bestehenden Theorien nicht vorhergesagt haben.

Das Team hat distinctive Muster in den Korrelationen der Teilchen gefunden — einschließlich sogenannter Friedel-Oszillationen, wellenartiger Schwankungen — die nicht ins Standardbild passen.

Normalerweise würde man für solche eindimensionalen Quantensysteme die sogenannte Tomonaga-Luttinger-Flüssigkeits-Theorie anwenden. Aber dieses fraktionale Fermi-Meer? Das passt da nicht rein.

Was bedeutet das für die Wissenschaft?

Ehrlich? Das ist wie ein neues Zimmer in einem Haus, von dem wir dachten, wir hätten es vollständig vermessen.

Die Möglichkeit, angeregte Quantenzustände zu erzeugen und zu studieren, während man gleichzeitig diese versteckte Ordnung aufrechterhält — das gibt Forschern ein völlig neues Werkzeug in die Hand.

Und irgendwie finde ich das auch poetisch: Selbst wenn man ein Quantensystem gewaltsam destabilisiert, findet die Natur einen Weg, Struktur aufzuerlegen. Das Universum ist so viel eleganter, als wir ihm normalerweise zutrauen.

Die Forscher selbst nennen es „einen kontrollierten Weg, Quantenmaterie jenseits der üblichen Gleichgewichts-Paradigmen zu erforschen". Übersetzt: Wir haben gerade etwas entdeckt, das uns noch Jahre beschäftigen wird.

Ich bleibe auf jeden Fall dran. Falls du genauso nerdig bist wie ich — du solltest es auch tun.

Quelle: ScienceDaily