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Einsteins Äquivalenzprinzip erstmals in der Quantenwelt beobachtet
Schwerkraft im Quantenmaßstab: Zum ersten Mal haben Physiker die vorhergesagte Quantenphase eines frei fallenden Objekts direkt gemessen. Mit rund 20.000 ultrakalten Rubidiumatomen stimmt die beobachtete Phasenentwicklung bis auf wenige Prozent mit den theoretischen Vorhersagen überein. Das stützt die Anwendung von Einsteins Äquivalenzprinzip auf Quantenwellen im getesteten Bereich, ohne damit die Gravitation selbst zu quantisieren.
Oxford (England). Quantenmechanik und Allgemeine Relativitätstheorie beschreiben ihre jeweiligen Bereiche der Natur außerordentlich erfolgreich, lassen sich aber bis heute nicht zu einer gemeinsamen Theorie zusammenfügen. Ein möglicher Berührungspunkt ist Einsteins Äquivalenzprinzip. Es besagt vereinfacht, dass sich die Wirkung eines homogenen Gravitationsfelds lokal nicht von einer gleichmäßigen Beschleunigung unterscheiden lässt. Für klassische Körper ist dieses Prinzip äußerst genau getestet, im Quantenbereich wird seine Anwendung jedoch kniffliger.
Der Grund liegt in der Wellennatur von Quantenobjekten. Ein Atom kann in einer Überlagerung verschiedene Wege zugleich nehmen und dabei eine messbare Phase ansammeln. Für ein frei fallendes Quantenobjekt sagt die Theorie eine besondere, mit der dritten Potenz der Fallzeit anwachsende Phase voraus. Ohne diesen Phasenbeitrag passen die quantenmechanische Beschreibung und der Wechsel in ein frei fallendes Bezugssystem nicht zusammen.
Ein internationales Team hat diese Phase nun mit einem neuartigen „Quantum Galileo Interferometer“ direkt gemessen. Dafür erzeugten die Forscher ein Bose-Einstein-Kondensat aus rund 20.000 Rubidium-87-Atomen und brachten jedes Atom in eine Überlagerung zweier interner Zustände. So entstanden zwei Wellenpakete mit unterschiedlichen Bahnen.
Eines der Wellenpakete wurde mit einem Magnetfeld relativ zum Labor festgehalten, sodass die magnetische Kraft die Erdanziehung ausglich. Das zweite Paket erhielt zunächst einen kurzen magnetischen Schubs nach oben und bewegte sich danach nahezu unbeeinflusst vom Magnetfeld auf einer freien ballistischen Bahn. Nach bis zu rund 2,4 Millisekunden führten die Forscher beide Wellenpakete wieder in Position und Impuls zusammen und lasen ihre Phasendifferenz über Interferenz aus.
„Dies ist eine einzigartige Arbeit, weil sie ein anspruchsvolles Experiment mit einer weitreichenden theoretischen Interpretation zu einer der grundlegendsten Fragen der Physik verbindet: Wie lassen sich die Gravitation, beschrieben durch Einsteins Relativitätstheorie, und die Quantentheorie zu einem Verständnis des Universums vereinen? Diese beiden Säulen der modernen Physik haben sich bisher allen Versuchen einer einheitlichen theoretischen Beschreibung entzogen, doch dieses komplexe Experiment liefert weitere Hinweise darauf, wie eine solche Vereinigung gelingen könnte“, sagt Prof. Ron Folman von der Ben-Gurion University of the Negev (BGU).
Die Messdaten zeigen etwa 13 vollständige Interferenzschwingungen und eine Phasenänderung von insgesamt rund 80 Radiant. Entscheidend ist die Form dieses Verlaufs: Die Phase wächst wie theoretisch erwartet im Wesentlichen mit der dritten Potenz der freien Fallzeit. Die Abweichung zwischen den Daten und einer dreidimensionalen numerischen Simulation lag über den gesamten Phasenbereich bei rund 2,5 Prozent.
Auch der vorhergesagte Vorfaktor der freien Fallphase passt zu den Daten. Die Autoren folgern daraus, dass die gemessene Quantenphase mit jener übereinstimmt, die sich ergibt, wenn das Äquivalenzprinzip auf die Quantenwelle angewandt wird. Sie betonen allerdings ausdrücklich, dass ihr Experiment nicht alle denkbaren Modelle ausschließt, in denen das Äquivalenzprinzip verletzt wäre. Manche könnten denselben Phasenverlauf vorhersagen.
„Wir haben keine konsistente Theorie, die uns sagt, warum die Quantenphysik versagen sollte. Dieses Experiment führt die Quantenmechanik an eine ihrer faszinierendsten Grenzen, die Gravitation, und zeigt, dass ihre Vorhersagen erneut Bestand