Zwei Experimente testen Einsteins Gravitation auf Quantenebene

In zwei diesen Monat veröffentlichten Fortschritten haben Physiker Einsteins Äquivalenzprinzip auf bisher unversuchte Weise getestet: Ein Team maß die Quantenphase eines frei fallenden Atoms, das andere entwickelte einen exotischen Teilchenstrahl, der den Test auf eine völlig neue Materieklasse ausweiten könnte.

Eine fallende Quantenwelle bestätigt Einstein

Ein internationales Team unter der Leitung der Ben-Gurion-Universität des Negev, der Universität Ulm und der Universität Oxford hat erstmals direkt die Quantenphase gemessen, die ein Objekt im freien Fall annimmt, und festgestellt, dass sie mit der aus Einsteins Äquivalenzprinzip abgeleiteten Vorhersage übereinstimmt. Die am 2. September in Science Advances veröffentlichte Studie zählt den Nobelpreisträger Sir Roger Penrose zu ihren Koautoren.science+2

Mit einem Gerät namens Quantum Galileo Interferometer spalteten die Forscher Wolken aus Rubidium-Atomen, die nahe dem absoluten Nullpunkt gekühlt wurden, in Quantensuperpositionen auf. Dabei ließen sie einen Teil der Atomwelle frei fallen, während der andere durch ein Magnetfeld stationär gehalten wurde. Als sich die beiden Hälften wieder vereinten, enthüllte das Interferenzmuster einen Phasenunterschied, der mit Einsteins Vorhersage übereinstimmt, dass die Auswirkungen der Gravitation für einen frei fallenden Beobachter verschwinden.scitechdaily+2

"Dieses Experiment stößt die Quantenmechanik in eine ihrer faszinierendsten Grenzregionen vor, die Gravitation, und zeigt, dass ihre Vorhersagen erneut Bestand haben", sagte Koautor Vlatko Vedral von der Universität Oxford. Hauptautor Ron Folman von der Ben-Gurion-Universität bezeichnete die Arbeit als "ein einzigartiges Papier, da es ein schwieriges Experiment mit einer weitreichenden theoretischen Interpretation" zur Vereinheitlichung von Gravitation und Quantentheorie kombiniert.ox+1

Das Experiment testet nicht, ob die Gravitation selbst quantisiert ist. Es erreicht auch nicht die Masse oder Zeitskalen, die erforderlich wären, um Penroses Hypothese zu prüfen, dass die Quantenmechanik bei ausreichend massiven Objekten zusammenbrechen könnte, obwohl die Gruppe bereits mit schwereren Teilchen wie Nanodiamanten an diesem Ziel arbeitet.scitechdaily

Eine Atomkanone für exotische Materie

Unabhängig davon berichteten Forscher der ETH Zürich und des Paul Scherrer Instituts am 14. September in Nature Physics, dass sie einen präzise gesteuerten Strahl aus Myonium erzeugt haben, einem exotischen Atom, dessen Masse fast vollständig von einem Myon stammt, einem schwereren Verwandten des Elektrons. Bisher hat niemand direkt getestet, ob die Gravitation auf solche Teilchen der zweiten Generation in gleicher Weise wirkt.nature+1

Das Team schoss Antimyonen in eine zwei Millimeter dicke Schicht aus suprafluidem Helium, das auf etwa 0,2 Kelvin gekühlt war. Die Flüssigkeit stieß die resultierenden Myonium-Atome in einem engen Geschwindigkeitsbereich nahe 2,1 Kilometern pro Sekunde nach oben in ein Vakuum aus, was als "Atomkanone" fungierte. Der Strahl ist weitaus geordneter als alles, was bisher für Myonium erreicht wurde, dessen Lebensdauer von 2,2 Mikrosekunden solche Experimente lange Zeit unpraktikabel machte.thebrighterside+1

"Wir haben einen wichtigen Schritt in Richtung eines spannenden Experiments getan", sagte die ETH-Professorin Anna Soter, die die Arbeit leitete. "Wir wollen die gravitative Wechselwirkung des Myons messen". Das Team geht davon aus, nach etwa 100 Tagen Datensammlung eine Genauigkeit von etwa einem Prozent bei der Gravitationsbeschleunigung von Myonium erreichen zu können, obwohl die für eine tatsächliche Gravitationsmessung erforderliche Interferometrie und systematische Kontrolle noch demonstriert werden müssen.ethz+1

Brückenschlag zwischen zwei Säulen der Physik

Keines der Experimente löst die langjährige Unvereinbarkeit zwischen Quantenmechanik und Allgemeiner Relativitätstheorie. Doch gemeinsam markieren sie eine breitere Front im Bemühen, Einsteins Gravitation auf Quantenebene zu testen: von gewöhnlichen Rubidium-Atomen, die eine jahrhundertealte Vorhersage bestätigten, bis hin zu exotischen, kurzlebigen Teilchen, die noch nie zuvor durch Gravitation gewogen wurden.