Paradoxer Effekt: Wenn mehrere Kräfte auf ein Objekt wirken, addieren sich ihre Wirkungen – normalerweise. Doch nun haben Forscher einen Fall demonstriert, in dem dies nicht so ist. Unter bestimmten Bedingungen verhält sich die Wechselwirkung dreier Partikel in einer Emulsion nicht linear: 1 plus 2 ergeben dann nicht mehr 3. Wichtig ist dieser sogenannte Vielkörper-Effekt unter anderem für die Konstruktion von Mikromaschinen in der Nanotechnologie, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Communications“ berichten.
Ob in der Mathematik oder in der Physik, in beidem gilt: Normalerweise ist 1 plus 2 gleich 3. „Von der Gravitation bis zum Elektromagnetismus sind die fundamentalen physikalischen Wechselwirkungen additiv“, erklären Giovanni Volpe von der Bilkent Universität in Ankara und seine Kollegen. „Die Kraft, die beispielsweise von zwei elektrischen Ladungen auf eine dritte ausgeübt wird, entspricht der Summe ihrer beiden einzeln gemessenen Kräfte.“
„Gummiband“ hält Teilchen zusammen
Dieses Additions-Prinzip müsste auch in der Welt der kleinsten Teilchen wirken – sollte man meinen. Ob das wirklich stimmt, haben Volpe und seine Kollegen nun anhand des Casimir-Effekts ausprobiert. Dieser Effekt sorgt dafür, dass sich kleine, nichtlösliche Partikel unter bestimmten Bedingungen in einer Flüssigkeitsmischung gegenseitig anziehen.
Ähnlich wie bei der Van-der-Waals-Kraft, die den Gecko an der Wand hält, kommt es zu Wechselwirkungen beider Teilchen. Sie erscheinen wie mit einem unsichtbaren Gummiband verknüpft – dem Casimir-Effekt. Im Vakuum lässt sich dieser Effekt auch bei zwei parallelen Platten beobachten: Sie werden davon zusammengedrückt.
Glaskügelchen in einer Emulsion
Aber was passiert, wenn nicht nur zwei Partikel in der Flüssigkeit interagieren, sondern drei? Der Norm nach müssten sich der Casimir-Effekt dann addieren, wie es bei anderen Kräften auch der Fall ist. Doch das ist nicht der Fall, wie die Forscher nun belegen. Für ihr Experiment stellten sie zunächst eine Mischung aus Wasser 2,6-Lutidin her, eine Flüssigkeit, die wie Öl und Wasser eine Emulsion bildet.
In diese Flüssigkeit gaben die Forscher winzige Glaskügelchen und ermittelten den zwischen zwei und drei Kügelchen wirkenden Casimir-Effekt. Dies gelang unter anderem durch Einsatz von feine Laserstrahlen als optische Pinzetten, die jeweils ein Kügelchen fixierten und die Reaktion der anderen maßen. Nur zwei Kügelchen verhielten sich wie erwartet: Bei einer bestimmten Temperatur der Flüssigkeit setzte der Casimir-Effekt ein.
„Gegen die Intuition“
Doch als das dritte Kügelchen hinzukam, geschah Seltsames: Die Gesamtkraft, die zwei Partikel auf das dritte ausübten, ergab einen anderen Wert als die einzeln gemessenen Kräfte der beiden Partikel zusammen. „Das ist gegen unsere Intuition“, erklärt Koautor Andrea Gambassi vom SISSA-Forschungszentrum in Triest. „Einfach gesagt addieren sich diese Kräfte nicht so linear, wie es die Kräfte in unserem Alltag tun.“
Wie die Physiker erklären, spricht man in einem solchen Fall von einem Vielkörper-Effekt. „Wir haben nun demonstriert, dass dieser Vielkörper-Effekt real ist und ihn mit unerwarteter Genauigkeit gemessen“, sagt Volpe. „Das ist beachtlich, wenn man bedenkt, dass wir hier von Kräften reden, die nur einem Milliardstel Gramm entsprechen.“
Wie die Forscher erklären, ist das Vermessen dieses Effekts auch für praktische Anwendungen wichtig. „Beispielsweise für Wissenschaftler, die Mikromaschinen entwerfen: Jede dieser Maschinen besteht aus mehreren Komponenten in relativer Bewegung zueinander“, erklärt Gambassi. „Um zu verstehen, wie diese verschiedenen Bauteile miteinander interagieren, ist das Wissen um die Vielkörper-Effekte entscheidend – vor allem in Flüssigkeiten.“ (Nature Communications, 2016; doi: 10.1038/NCOMMS11403)
(Sissa Medialab, 21.04.2016 – NPO)
