Physiker beobachten Einsteins Gravitation erstmals im Quantenbereich

Einem internationalen Team von Physikern ist es erstmals gelungen, einen durch Einsteins Äquivalenzprinzip vorhergesagten Gravitationseffekt direkt auf der Quantenskala zu beobachten. Dies stellt eine seltene experimentelle Brücke zwischen zwei der erfolgreichsten, aber unvereinbaren Theorien der Physik dar.

Die am Mittwoch, dem 2. September, in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlichte Forschungsarbeit nutzte ultrakalte Rubidiumatome, um zu messen, wie sich die Schwerkraft auf die Quantenphase eines fallenden Atoms auswirkt. Die Ergebnisse stimmten mit den aus der Allgemeinen Relativitätstheorie abgeleiteten Vorhersagen überein.sciencedaily+1

Atomspaltung im Dienste Einsteins

Das Experiment unter der Leitung von Ron Folman von der Ben-Gurion-Universität des Negev und unter Mitwirkung der University of Oxford, der Universität Ulm und anderer Institutionen nutzte ein Gerät namens Quanten-Galileo-Interferometer. Das Team kühlte Wolken aus Rubidiumatomen auf knapp über den absoluten Nullpunkt ab und platzierte sie in der Nähe eines speziell entwickelten Atomchips. Mithilfe von Mikrowellenpulsen versetzten sie die Atome in eine Quantensuperposition, einen Zustand, in dem jedes Atom praktisch zwei Pfade gleichzeitig einschlug.sciencedaily

Auf dem einen Pfad wirkten vom Chip erzeugte Magnetfelder der Schwerkraft entgegen und hielten das Atom stationär. Auf dem anderen Pfad wurde das Atom durch einen magnetischen Puls nach oben geschossen und fiel anschließend frei. Als die beiden Pfade wieder zusammengeführt wurden, zeigte das resultierende Interferenzmuster eine messbare Verschiebung der Quantenphase. Diese entsprach genau dem, was Einsteins Äquivalenzprinzip für ein Quantenobjekt vorhersagen würde.space+1

"Dies ist eine einzigartige Arbeit, da sie ein anspruchsvolles Experiment mit einer weitreichenden theoretischen Interpretation einer der grundlegendsten Fragen der Physik verbindet," so Folman in einer Erklärung.sciencedaily

Was es beweist und was nicht

Das Team, dem auch der Nobelpreisträger Sir Roger Penrose angehört, betonte die Grenzen des Erfolgs. Das Ergebnis vereint die Quantenmechanik nicht mit der Allgemeinen Relativitätstheorie und beweist auch nicht, dass die Gravitation selbst quantisiert ist. Es zeigt lediglich, dass Einsteins Äquivalenzprinzip unter den getesteten Bedingungen mit dem Quantenverhalten kompatibel bleibt.discovermagazine+1

"Wir haben keine konsistente Theorie, die uns sagt, warum die Quantenphysik versagen sollte," sagte Co-Autor Vlatko Vedral von der University of Oxford. "Dieses Experiment führt die Quantenmechanik an eine ihrer faszinierendsten Grenzen, die Gravitation, und zeigt, dass ihre Vorhersagen einmal mehr zutreffen."sciencedaily+1

Ein langer Weg vor uns

Penrose argumentiert seit langem, dass die Quantenmechanik zusammenbrechen könnte, wenn ausreichend massive Objekte über längere Zeiträume in Superposition gehalten werden. Das aktuelle Experiment umfasste keine Objekte, die groß genug waren, um diese Hypothese zu testen. Die Forscher hoffen jedoch, die Methode schließlich auf schwerere Objekte wie Nanodiamanten ausweiten zu können. Entsprechende Experimente sind an der Ben-Gurion-Universität bereits im Gange.sciencedaily