Zum ersten Mal haben Wissenschaftler einen Gravitationseffekt an einem Quantenobjekt direkt beobachtet, der mit Einsteins Vorhersagen übereinstimmt und damit eine Lücke zwischen zwei Säulen der modernen Physik schließt. Das Experiment unter der Leitung eines internationalen Teams, zu dem auch der Nobelpreisträger Sir Roger Penrose gehört, wurde in Israel durchgeführt und am 2. September in Science Advances veröffentlicht.
Ein Quantenobjekt fällt so, wie Einstein es vorhergesagt hat
Das Forschungsteam der Ben-Gurion-Universität des Negev, der Universität Ulm und der Universität Oxford baute ein Gerät namens Quantum Galileo Interferometer. Dieses Instrument ermöglichte es ihnen, die Quantenwelle eines Atoms in zwei Pfade zu teilen: einen, der stillgehalten wurde, und einen, der unter dem Einfluss der Schwerkraft frei fiel. Als die beiden Teile wieder zusammengeführt wurden, entsprach der winzige Unterschied, der durch die Gravitation verursacht wurde, Einsteins Äquivalenzprinzip, das besagt, dass die Gravitation für einen Beobachter im freien Fall lokal verschwindet.
Ultrakalte Rubidiumatome auf einem Chip
Das Experiment fand an der Ben-Gurion-Universität statt und verwendete Rubidiumatome, die auf nahe den absoluten Nullpunkt gekühlt wurden. Die Atome wurden mithilfe von Mikrowellenimpulsen in eine Quantenüberlagerung versetzt, wodurch jedes Atom effektiv zwei Pfade gleichzeitig verfolgen konnte. Winzige elektrische Drähte auf einem speziell entwickelten Atomchip erzeugten Magnetfelder, um die Atome zu steuern. Ein Teil der Welle wurde an Ort und Stelle gehalten, während der andere fiel, und dann wurden sie wieder zusammengeführt, um den Gravitationseffekt zu messen.
Dieser Test ist wichtig, weil Einsteins Äquivalenzprinzip zwar mit gewöhnlicher Materie bestätigt wurde, aber nie direkt mit Quantenobjekten getestet worden war, die sich wie Wellen verhalten und mehrere Pfade gleichzeitig verfolgen können. Das Ergebnis zeigt, dass sich die Gravitation auch in diesem Quantenbereich wie vorhergesagt verhält, und bietet ein neues experimentelles Fenster in das Rätsel, wie Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie zusammenpassen.
Die Entdeckung löst das seit langem bestehende Rätsel der Quantengravitation nicht, liefert aber eine konkrete, reproduzierbare Beobachtung, die zukünftige Theorien berücksichtigen müssen. Indem das Experiment zeigt, dass Einsteins Prinzip in der Quantenwelt gilt, schränkt es die Möglichkeiten ein, wie eine vollständige Theorie der Physik entstehen könnte.
