Atominterferometer misst gravitationsbedingte Quantenphase

Die internationale Gruppe um Ron Folman hat die durch die Gravitation verursachte Quanten-Phasendifferenz zwischen zwei kohärenten Wegen ultrakalter Rubidiumatome direkt gemessen. Ein Atomzweig wurde magnetisch nahezu stationär gegen die Erdanziehung gehalten, während ein zweiter nach oben gestartet wurde und anschließend im freien Fall zurückkehrte. Die beim Wiedervereinigen sichtbare Interferenzverschiebung stimmte innerhalb der Präzision des Experiments mit der Phase überein, die sich aus Einsteins Äquivalenzprinzip für diese Wege ergibt. 24

So funktionierte der Versuch

Mikrowellenpulse erzeugten nahe eines Atomchips eine Überlagerung aus zwei internen Zuständen und damit verbundenen Bewegungsverläufen. Magnetfelder hielten einen Zweig gegen die Schwerkraft fest; der andere folgte einer ballistischen Bahn nach oben und wieder nach unten. Werden beide Zweige anschließend rekombiniert, wird ihre relative Phase als Interferenzsignal messbar. 24

Der entscheidende Punkt: Nicht nur eine klassische Flugbahn wurde vermessen. Das Experiment prüfte, wie sich die Gravitation in der Phase einer quantenmechanischen Überlagerung bemerkbar macht.

Was damit gezeigt ist – und was nicht

Das Ergebnis bestätigt im untersuchten Bereich einzelner Atome und des schwachen Schwerefelds der Erde, dass die gewöhnliche Quantenentwicklung mit der Vorhersage des Äquivalenzprinzips vereinbar ist. Es handelt sich um einen direkten Interferenztest der gravitationsbedingten Freifallphase. 24

Nicht gezeigt wurde dagegen eine Vereinigung von Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie. Der Versuch beweist weder, dass Gravitation selbst quantisiert ist, noch weist er Gravitonen nach oder entscheidet zwischen klassischer und Quantengravitation. Ein besonders aussagekräftiger Test für die Quantennatur der Gravitation wäre etwa der Nachweis, dass Gravitation zwei hinreichend gut isolierte Massen verschränken kann. 23

Warum Roger Penroses Idee schwerer testbar ist

Roger Penrose hat einen möglichen gravitationsbedingten objektiven Kollaps der Wellenfunktion vorgeschlagen. Vereinfacht gesagt: Befindet sich ein massives Objekt gleichzeitig an verschiedenen Orten, entsprächen die beiden Zweige unterschiedlich gekrümmten Raumzeit-Geometrien. Diese Überlagerung könnte nach Penroses Vorschlag instabil sein und ihre Kohärenz auf einer Zeitskala verlieren, die mit der Differenz der gravitativen Selbstenergie beider Massenverteilungen zusammenhängt. 9

Ein einzelnes Rubidiumatom ist für einen starken Test eines solchen masseabhängigen Effekts viel zu leicht. Dafür bräuchte es Interferometer mit schwereren Systemen, die über längere Zeit in deutlich getrennten räumlichen Überlagerungen gehalten werden – denkbar wären levitierte Nanodiamanten oder andere mesoskospische Teilchen. 19

Dann ließe sich nach einem unerklärten Verlust der Interferenz suchen, der den von Penrose-artigen Modellen vorhergesagten Abhängigkeiten von Masse, Abstand und Zeit folgt. Zuvor müssten jedoch gewöhnliche Ursachen für Dekohärenz, etwa Wechselwirkungen mit der Umgebung oder technische Störungen, rigoros ausgeschlossen werden. Eine länger als vorhergesagt erhaltene Kohärenz würde solche Modelle einengen; ein reproduzierbarer zusätzlicher Kohärenzverlust wäre nur dann ein Hinweis, wenn andere Rauschquellen überzeugend ausgeschlossen sind. 19