Ein internationales Forschungsteam hat erstmals einen lange vorhergesagten Gravitationseffekts in einem fallenden Quantenobjekt direkt gemessen. Wie aus einer am 2. September in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlichten Studie hervorgeht, wurde damit ein zentrales Prinzip von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie erfolgreich im Quantenbereich getestet. An der Arbeit waren unter anderem Wissenschaftler der Ben-Gurion University of the Negev, der Universität Ulm, der University of Oxford sowie der Nobelpreisträger Professor Sir Roger Penrose beteiligt.
Durchbruch in der Physik: Gravitationseffekt im Quantenbereich nachgewiesen
Moderne Physiker stehen seit Jahrzehnten vor der Herausforderung, dass die beiden Grundpfeiler ihres Fachs nicht miteinander harmonieren. Während die Quantenmechanik die Vorgänge auf subatomarer Ebene beschreibt, regelt die Allgemeine Relativitätstheorie Phänomene im großen Maßstab wie Sterne, Planeten und Schwarze Löcher. Bislang existiert keine geschlossene Theorie der Quantengravitation. Das neue Experiment liefert nun wertvolle Hinweise darauf, wie sich diese Bereiche verknüpfen lassen.
Das Äquivalenzprinzip und Einsteins Aufzug
Im Zentrum der Untersuchung steht das sogenannte Äquivalenzprinzip, welches Albert Einstein einst als seinen glücklichsten Gedanken bezeichnete. Dieses Prinzip besagt, dass Beschleunigung und Gravitation lokal nicht voneinander zu unterscheiden sind. Ein klassisches Gedankenexperiment dazu ist ein fensterloser Aufzug: Eine Person darin kann nicht feststellen, ob der Boden aufgrund der Erdanziehung gegen ihre Füße drückt oder ob der Aufzug im leeren Raum beschleunigt wird. Für schwere, alltägliche Objekte wurde dieses Prinzip bereits mit außergewöhnlicher Präzision bestätigt, während der Test an Quantenobjekten als äußerst schwierig galt.
Da Quantenobjekte wellenartig, sogenannte Phasen aufweisen, verhalten sie sich anders als klassische Massen. Um das Prinzip dennoch zu überprüfen, nutzten die Forscher ein speziell dafür entwickeltes Instrument: das Quantum Galileo Interferometer.
Einsatz des Quanten-Galileo-Interferometers
Für das Experiment kühlten die Wissenschaftler rund 20.000 Rubidium-Atome in einen exotischen Materiezustand, ein Bose-Einstein-Kondensat, herunter. Die Atome wurden aus einer magnetischen Falle entlassen und rund 113 Mikrometer unterhalb eines mit Golddrähten versehenen Atomchips positioniert. Mithilfe von Radio- und Mikrowellenpulsen versetzten die Forscher jedes Atom in eine Quantenüberlagerung – einen Zustand, in dem ein einzelnes Teilchen zwei Pfade gleichzeitig beschreitet.
Durch einen magnetischen Impuls wurde eine Hälfte des Atoms nach oben geschlagen. Ein weiterer Impuls sorgte dafür, dass dieser Teil unempfindlich gegenüber Magnetfeldern wurde und folglich allein unter dem Einfluss der Schwerkraft frei fiel. Die andere Hälfte blieb hingegen magnetisch sensitiv, sodass eine genau auf die Gravitation abgestimmte Kraft sie an Ort und Stelle hielt. An der Spitze des Bogens standen die beiden Hälften eines Atoms rund 7,5 Mikrometer auseinander, ehe sie für den Nachweis wieder zusammengeführt wurden.
Messungen und wissenschaftliche Einordnung
Über insgesamt 633 Durchläufe innerhalb von 5,3 Stunden registrierte das Team 13 vollständige Schwingungen der Quantenphase. Das gemessene Wachstum folgte dabei exakt der Kubikwurzel der Fallzeit und entsprach dem theoretischen Modell mit einer Abweichung von nur etwa 2,5 Prozent.
Dies ist ein einzigartiges Papier in dem Sinne, dass es ein hartes Experiment mit einer weit reichenden theoretischen Interpretation verbindet, erklärte Teamleiter Professor Ron Folman von der Ben-Gurion University of the Negev. Co-Autor Professor Vlatko Vedral von der University of Oxford betonte zudem: Wir haben keine konsistente Theorie, die uns sagt, warum die Quantenphysik versagen sollte. Die Ergebnisse zeigen stattdessen, dass Einsteins Vorhersagen auch an dieser grenzwertigen Schnittstelle standhalten.
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