Forscher der Ben-Gurion University of the Negev, der deutschen Universität Ulm und der University of Oxford haben einen lange vorhergesagten Gravitationseffekt an einem frei fallenden Quantenobjekt direkt beobachtet. Das Experiment löst zwar nicht den jahrhundertealten Konflikt zwischen Quantenmechanik und Gravitation, bietet jedoch eine bemerkenswerte experimentelle Brücke zwischen den beiden Theorien.

Die moderne Physik ruht auf zwei außerordentlich erfolgreichen Fundamenten. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Gravitation, Planeten, Sterne, Schwarze Löcher und die Entwicklung des Universums. Die Quantenmechanik erklärt Atome, Elektronen und die mikroskopische Welt.

Beide Theorien arbeiten mit außerordentlicher Präzision. Das Problem besteht darin, dass Physiker immer noch keine vollständig konsistente Theorie besitzen, die Situationen beschreibt, in denen Gravitation und Quantenverhalten gleichzeitig wirken müssen.

Genau dies ist die Grenze, die das neue Experiment zu sondieren versucht.

Galileis fallendes Objekt – aber in der Quantenversion

Im Zentrum des Experiments steht ein Apparat, den die Forscher als „Quantum Galileo Interferometer“ bezeichnen – eine Anspielung auf Galileos berühmte Untersuchungen fallender Körper.

Anstatt jedoch Kanonenkugeln von einem Turm fallen zu lassen, verwendete das Team Wolken aus Rubidium-Atomen, die auf Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt abgekühlt wurden.

Bei solchen Temperaturen können Atome ihre Quantennatur extrem deutlich zeigen. Mithilfe von Mikrowellenpulsen versetzten die Forscher die Atome in einen Zustand, der als Quantensuperposition bekannt ist – was es der mit einem Atom verbundenen Quantenwelle effektiv ermöglicht, zwei verschiedenen Pfaden gleichzeitig zu folgen.

Ein Teil der Atomwelle wurde mithilfe sorgfältig kontrollierter Magnetfelder stationär gehalten. Der andere Teil wurde nach oben gestoßen und dann losgelassen, sodass er unter der Erdgravitation frei fallen konnte, ähnlich wie ein in die Luft geworfener Ball.

Die beiden Teile wurden später wieder zusammengeführt.

Da Quantenwellen miteinander interferieren, konnten die Forscher einen winzigen Unterschied in ihrer Quantenphase feststellen, der durch die Zeit des freien Falls verursacht wurde. Diese gemessene Änderung stimmte mit der Vorhersage überein, die durch Anwendung von Einsteins Äquivalenzprinzip auf das Quantensystem gewonnen wurde. (

Es ist nach Angaben der Forscher die erste direkte Messung dieser vorhergesagten Quantenphase, die durch freien Fall erzeugt wurde.

Einstein betritt die Quantenwelt

Einsteins Äquivalenzprinzip bildet das Herzstück der allgemeinen Relativitätstheorie.

In seiner einfachsten Form besagt es, dass jemand, der unter Gravitation frei fällt, lokal Schwerelosigkeit erfahren sollte. Stellen Sie sich vor, Sie stünden in einem Aufzug, dessen Kabel plötzlich reißt: Sowohl Sie als auch der Aufzug würden gemeinsam nach unten beschleunigen, wodurch Sie vorübergehend das Gefühl hätten, die Schwerkraft sei verschwunden.

Dieses Prinzip wurde mit gewöhnlicher Materie bereits mit außerordentlicher Genauigkeit getestet.

Quantenobjekte sind anders. Ein Quantenteilchen kann sich wie eine Welle verhalten, in Superposition existieren und effektiv mehr als einen Pfad gleichzeitig nehmen. Die Frage wird daher erheblich seltsamer: Was bedeutet Einsteins freier Fall, wenn ein Objekt gleichzeitig verschiedenen Quantenhistorien folgt?

Das neue Experiment deutet darauf hin, dass Einsteins Prinzip und die Quantenmechanik – zumindest unter den getesteten Bedingungen – kompatibel bleiben.

Professor Ron Folman von der Ben-Gurion University, der Hauptautor der Studie, beschreibt die Bedeutung darin, ein schwieriges Experiment mit einer der fundamentalsten theoretischen Fragen der Physik zusammenzuführen: wie Gravitation und Quantentheorie schließlich in einem einzigen Naturverständnis vereint werden könnten.

Was das Experiment nicht bewiesen hat

Das Ergebnis bedarf einer wichtigen Einschränkung.

Es beweist nicht, dass die Gravitation selbst quantenhaft ist.

Ebenso wenig hat das Team die lang gesuchte Theorie der Quantengravitation hervorgebracht, welche die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik versöhnen könnte.

Was es demonstriert, ist enger gefasst, aber dennoch wichtig: Das vorhergesagte Verhalten, wenn Einsteins Äquivalenzprinzip auf eine Quantenwelle angewendet wird, wurde experimentell beobachtet.

Diese Unterscheidung ist wichtig, da einige der größten Rätsel der Physik genau dort existieren, wo die beiden Theorien kollidieren.

Die allgemeine Relativitätstheorie sagt Phänomene wie Schwarze Löcher voraus, in denen enorme Konzentrationen von Materie Raum und Zeit krümmen. Die Quantenmechanik dominiert auf extrem kleinen Skalen. Nahe dem Zentrum eines Schwarzen Lochs – und vielleicht während der ersten Momente nach dem Urknall – sollten beide gleichzeitig eine Rolle spielen, doch unsere aktuellen Theorien können das Geschehen nicht zufriedenstellend beschreiben.

Penrose und das nächste Experiment

Einer der Co-Autoren der Studie ist der Oxforder Mathematiker und Physiker Sir Roger Penrose, Gewinner des Nobelpreises für Physik 2020.

Penrose argumentiert seit langem, dass ausreichend massereiche Objekte, die in Quantensuperpositionen versetzt werden, schließlich einen Zusammenbruch der herkömmlichen Quantenmechanik offenbaren könnten – möglicherweise weil die Gravitation selbst den Kollaps der Superposition verursacht.

Die Rubidium-Atome im aktuellen Experiment waren viel zu leicht und ihre Quantenzustände hielten zu kurz an, um diese Idee zu testen.

Aber dies könnte erst der Anfang sein.

Die Forscher geben an, dass ihre Methoden schließlich auf viel schwerere Objekte ausgeweitet werden könnten. Experimente mit Nanodiamanten werden bereits an der Ben-Gurion University verfolgt, um genau diese Grenze zu erforschen. (Oxford University)

An diesem Punkt wird die Geschichte besonders faszinierend.

Die Physik hat mehr als 100 Jahre lang mit zwei unterschiedlichen Beschreibungen der Realität gelebt: Einsteins glatter, gekrümmter Raumzeit und der unsicheren, probabilistischen Welt der Quantenmechanik.

Das „Quantum Galileo“-Experiment hat sie nicht vereint.

Aber für ein winziges Atom, das in Richtung Erde fällt, wurden Einstein und die Quantenphysik nun in dasselbe Experiment gebracht – und zumindest im Moment stimmen sie überein.