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Quantenatome im freien Fall und Myoniumstrahlen: Neue Tests für Einstein
Das Quantum Galileo Interferometer maß die Gravitationsphase ultrakalter Rubidium Atome in einer Überlagerung aus freiem Fall und einem im Labor gehaltenen Zustand – im Einklang mit Einsteins Äquivalenzprinzip. ETH Zürich und PSI erzeugten einen kalten, intensiven Myoniumstrahl.
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Forschungsantwort
Wichtige Erkenntnisse
- Das Quantum Galileo Interferometer maß die Gravitationsphase ultrakalter Rubidium Atome in einer Überlagerung aus freiem Fall und einem im Labor gehaltenen Zustand – im Einklang mit Einsteins Äquivalenzprinzip.
- ETH Zürich und PSI erzeugten einen kalten, intensiven Myoniumstrahl. Damit könnte die Fallbeschleunigung eines Atoms mit einem Antimaterie Myon erstmals direkt und mit etwa 1 % Genauigkeit gemessen werden.
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Zwei aktuelle Experimente verschieben die Grenzen, in denen sich Einsteins Gravitationstheorie und Quantenmechanik praktisch prüfen lassen. Das eine misst direkt, welche Quantenphase die Schwerkraft einer frei fallenden Atomwelle aufprägt. Das andere liefert den bislang fehlenden, kontrollierten Strahl für einen Fallversuch mit Myonium – einem exotischen und extrem kurzlebigen Atom.
Beide Ergebnisse sind wichtig. Sie sind aber kein Beweis dafür, dass die Gravitation selbst quantisiert ist, und sie lösen den grundlegenden Konflikt zwischen allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenphysik nicht.
Eine Atomwelle fällt – und ihre Phase verrät die Schwerkraft
Im Quantum Galileo Interferometer (QGI) arbeiten Forschende mit ultrakalten Rubidiumatomen nahe einem Atomchip. Das Gerät teilt die Materiewelle eines Atoms in zwei kohärente Wege auf: Ein Anteil bleibt im Bezugssystem des Labors effektiv festgehalten, der andere befindet sich im freien Fall. Werden beide Wege wieder zusammengeführt, erzeugen sie ein Interferenzsignal. Daraus lässt sich die relative Quantenphase bestimmen, die sich zwischen den beiden Wegen aufgebaut hat. 10
Der entscheidende Punkt: Hier wurde nicht nur die Beschleunigung eines Atoms gemessen. Das Experiment greift direkt auf die Phase zu, die zu einer frei fallenden Quantenwelle gehört. Die gemessene Phase stimmt unter den Bedingungen des Versuchs mit der Vorhersage überein, die sich ergibt, wenn man Einsteins Äquivalenzprinzip auf Quantenmaterie anwendet. 10
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Was das QGI-Ergebnis zeigt
Das Resultat stützt die Vereinbarkeit von gewöhnlicher Quantenkohärenz und Äquivalenzprinzip im Bereich schwacher Erdgravitation und atomarer Skalen. Ein Quantenobjekt kann demnach in einer kohärenten Überlagerung von Entwicklungswegen bleiben, die sich in ihrer gravitativen Bewegung unterscheiden. Die Interferenz trägt dabei genau die erwartete Gravitationsphase.
Was es nicht zeigt
Das Experiment weist nicht nach, dass die Gravitation quantisiert ist. Es entdeckt keine Gravitonen, liefert keine Quantentheorie der Raumzeit und vereinigt weder allgemeine Relativitätstheorie noch Quantenmechanik. In diesem Regime lässt sich die Erdgravitation vielmehr als klassischer Hintergrund behandeln, in dem sich Quantenmaterie bewegt. 10
Auch Modelle, nach denen die Gravitation Quantenüberlagerungen bei größeren Massen oder räumlichen Trennungen zum Kollaps bringen könnte – darunter Ideen, die mit Roger Penrose verbunden sind –, werden dadurch nicht abschließend entschieden. Das QGI untersucht einen eng abgegrenzten Bereich mit einzelnen Atomen und schwacher Gravitation. Es zeigt, dass dort normale Quanteninterferenz erhalten bleibt; es ist kein endgültiger Test jeder vorgeschlagenen Abwandlung der Quantenmechanik.
Der Myonium-„Atomkanone“ gelingt der nächste technische Schritt
Ein Team der ETH Zürich und des Paul Scherrer Instituts (PSI) hat einen intensiven, kalten und gut kontrollierten Strahl aus Myonium erzeugt. Myonium ist ein neutrales exotisches Atom aus einem positiven Myon und einem Elektron. Das positive Myon ist ein Antimaterieteilchen und gehört als Lepton zur zweiten Teilchengeneration. Damit unterscheidet sich Myonium grundlegend von gewöhnlichen Atomen.
Für die Herstellung schießen die Forschenden positive Myonen in eine dünne Schicht supraflüssigen Heliums. Dort werden die Teilchen abgebremst und fangen Elektronen ein: Myonium entsteht. Wegen seines chemischen Potenzials im Helium wird es aus der Flüssigkeit ins Vakuum hinausgedrängt. Beim Austritt wird diese Energie in Bewegungsenergie umgewandelt – das Atom erhält einen Schub nach oben. Daher die bildhafte Bezeichnung „Atomkanone“. 6
Gemessen wurde die Gravitation von Myonium damit noch nicht. Der Fortschritt besteht darin, dass nun ein kalter, intensiver und kontrollierter Strahl verfügbar ist, der sich für Interferometrie eignen soll.
Warum ein Fallversuch mit Myonium so schwierig ist
Die elektrische Neutralität von Myonium ist ein großer Vorteil: Elektromagnetische Störeinflüsse, die eine winzige gravitative Ablenkung überdecken könnten, werden deutlich reduziert. Doch es gibt ein hartes Zeitlimit: Das Myon zerfällt nach rund 2,2 Mikrosekunden.
Ein brauchbarer Gravitationsversuch braucht daher ausreichend viele Atome, eine geringe Geschwindigkeit und einen eng gebündelten Strahl. Nur dann kann vor dem Zerfall ein messbares Interferenz- oder Ablenkungssignal entstehen.
Ein direkter Test würde die Universalität des freien Falls für ein System mit einem Antimaterieteilchen der zweiten Generation überprüfen. Außerdem wäre es der erste derartige Test mit einem rein leptonischen System – also ohne die Protonen und Neutronen, die den größten Teil der Masse gewöhnlicher Atome ausmachen.
Geplant: Interferometrie mit Genauigkeit im Prozentbereich
Der neue Aufbau soll Myonium mit einer Rate von etwa (10^5) Atomen pro Sekunde liefern. Nach Einschätzung des Teams könnte dies eine interferometrische Messung der Fallbeschleunigung mit einer relativen Genauigkeit von ungefähr 1 % ermöglichen – möglicherweise nach rund 100 Tagen Messzeit.
Als nächstes muss der eigentliche Gravitationsaufbau realisiert werden. In einem vorgeschlagenen Gitterinterferometer würde die Schwerkraft das Interferenzmuster minimal verschieben. Um diese Verschiebung zu erfassen, müssten die Gitter auf der Pikometer-Skala extrem stabil ausgerichtet und kalibriert werden. Hinzu kommen die Kontrolle von Untergründen und elektromagnetischen systematischen Effekten.
Falls die daraus bestimmte Beschleunigung innerhalb der Unsicherheit mit (g) übereinstimmt, wäre dies eine direkte Ausweitung der experimentellen Unterstützung für die Universalität des freien Falls auf Myonium. Eine Abweichung wäre hingegen folgenreich: Laut ETH Zürich könnte eine unterschiedliche Gravitationswirkung auf gewöhnliche und exotische Materie auf eine zusätzliche, bislang unbekannte Kraft hindeuten.
Zwei unterschiedliche Fragen an die Schwerkraft
Die beiden Projekte testen das Äquivalenzprinzip auf komplementäre Weise:
- Das QGI prüft Quantenkohärenz: Erhält eine Materiewelle in einer Überlagerung aus freiem Fall und einem stationären Weg die vom Äquivalenzprinzip erwartete Gravitationsphase? Das Ergebnis ist damit vereinbar.
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- Das Myonium-Projekt prüft die Teilchenidentität: Wirkt die Gravitation auf ein neutrales Atom mit einem Antimaterie-Myon der zweiten Generation in der erwarteten Weise? Der neue Strahl macht den ersten direkten Test technisch greifbar – die Messung selbst steht aber noch aus.
Zusammen erweitern die Studien den experimentell zugänglichen Bereich der Gravitationsforschung. Die offene Kernfrage bleibt jedoch bestehen: Beide Experimente untersuchen Quantenmaterie im klassischen Gravitationsfeld der Erde. Ungeklärt ist weiterhin, wie sich die Physik verhält, wenn die Gravitation selbst als quantischer, dynamischer Teil des Systems behandelt werden muss.
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Wie lautet die kurze Antwort auf „Quantenatome im freien Fall und Myoniumstrahlen: Neue Tests für Einstein“?
Das Quantum Galileo Interferometer maß die Gravitationsphase ultrakalter Rubidium Atome in einer Überlagerung aus freiem Fall und einem im Labor gehaltenen Zustand – im Einklang mit Einsteins Äquivalenzprinzip.
Was sind die wichtigsten Punkte, die zuerst validiert werden müssen?
Das Quantum Galileo Interferometer maß die Gravitationsphase ultrakalter Rubidium Atome in einer Überlagerung aus freiem Fall und einem im Labor gehaltenen Zustand – im Einklang mit Einsteins Äquivalenzprinzip. ETH Zürich und PSI erzeugten einen kalten, intensiven Myoniumstrahl. Damit könnte die Fallbeschleunigung eines Atoms mit einem Antimaterie Myon erstmals direkt und mit etwa 1 % Genauigkeit gemessen werden.
Quellen
martincid.comA falling atom obeyed Einstein’s gravity rule in the quantum ...