Zwei neue Experimente bestätigen Einsteins Gravitationsprinzip auf Quantenebene

Zwei unabhängige Experimente, die diese Woche in Science Advances veröffentlicht wurden, haben eine der zentralen Säulen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie gestärkt: Sie zeigen, dass das Äquivalenzprinzip, also die Idee, dass die Gravitation alle Objekte gleich behandelt, auch im Quantenbereich gilt.

Ein Quantenobjekt im freien Fall

In einem Experiment bauten Forscher der Ben-Gurion-Universität Negev, der Universität Oxford und der Universität Ulm ein Gerät namens Quanten-Galileo-Interferometer, um erstmals die Quantenphase direkt zu messen, die sich bei einem frei fallenden Atomwellenpaket ansammelt. Das Team kühlte Rubidium-87-Atome zu einem Bose-Einstein-Kondensat ab und nutzte Mikrowellenpulse, um die Quantenwelle jedes Atoms in zwei Pfade zu teilen: einen, der mithilfe von Magnetfeldern relativ zur Erde stationär gehalten wurde, und einen anderen, der unter dem Einfluss der Schwerkraft frei fallen konnte.thebrighterside+1

Als die beiden Wellenpakete wieder zusammengeführt wurden, zeigte ihr Interferenzmuster über mehr als fünf Messstunden eine angesammelte Phase von etwa 80 Radiant. Dies entsprach genau dem Wert, der durch die Anwendung des Äquivalenzprinzips auf die Quantenmechanik vorhergesagt wird. "Dieses Experiment stößt die Quantenmechanik an eine ihrer faszinierendsten Grenzen, die Gravitation, und zeigt, dass ihre Vorhersagen einmal mehr zutreffen", sagte der Physiker Vlatko Vedral von der Universität Oxford.interestingengineering+1

Atome im Orbit

In einer davon unabhängigen Studie testete ein Team unter der Leitung von Ming-Sheng Zhan vom Institut für Physik und Mathematik Wuhan das schwache Äquivalenzprinzip an Bord der chinesischen Raumstation. Die Forscher kühlten zwei Rubidium-Isotope bis nahe an den absoluten Nullpunkt ab und gaben sie in einem Atominterferometer frei. Dort teilten Laserpulse jede Wolke in zwei Quantenpfade auf, bevor sie wieder zusammengeführt wurden. Nach der Datenerfassung über 280 Tage im Orbit zeigte sich, dass die Isotope bis auf etwa fünf Teile von 100 Millionen identisch beschleunigten: rund drei Größenordnungen präziser als jeder bisherige atombasierte Test in der Schwerelosigkeit.phys+1

Die Umgebung im Orbit bot einen entscheidenden Vorteil: Der kontinuierliche freie Fall um die Erde ermöglichte es, die Atome weit länger zu beobachten, als dies in einem irdischen Labor möglich ist.phys

Was weiterhin offenbleibt

Keines der beiden Experimente vereint die Quantenmechanik mit der allgemeinen Relativitätstheorie. Das Ergebnis des Teams der Ben-Gurion-Universität bestätigt eine spezifische Phasenbeziehung, die mit dem Äquivalenzprinzip übereinstimmt, beweist jedoch nicht, dass die Gravitation selbst Quanteneigenschaften besitzt. Die Messung auf der Raumstation verringert den Bereich, in dem sich eine etwaige Verletzung des Prinzips verbergen könnte, schließt ihn jedoch nicht vollständig.thebrighterside+1

Beide Teams weisen auf zukünftige Arbeiten hin, die in noch anspruchsvolleres Terrain vordringen könnten. Die Gruppe des Quanten-Galileo-Interferometers arbeitet an Experimenten mit Diamant-Nanopartikeln: Objekten mit ausreichend Masse, um zu testen, ob ein gravitationsbedingter Kollaps von Quantenüberlagerungen auftritt, wie von Sir Roger Penrose vorgeschlagen. Das Team um Zhan erklärt, dass längere Zeiten im freien Fall und vibrationsärmere Plattformen die Präzision im Orbit noch weiter steigern könnten. Vorerst hat Einsteins einhundert Jahre altes Prinzip zwei weitere Tests unbeschadet überstanden.phys+1