Fallende Atome messen Einsteins vorhergesagte Quantenphase

Ein Forschungsteam um Ron Folman hat direkt gemessen, wie die Erdgravitation die Quantenphase ultrakalter Rubidiumatome verändert. Im Quantum Galileo Interferometer verglichen die Forschenden zwei kohärente Wege einer Atomwelle: Einer wurde durch ein Magnetfeld nahezu stationär gehalten, der andere zunächst nach oben gestartet und fiel dann frei. Beim Wiederzusammenführen zeigte das Interferenzsignal genau den relativen Phasenunterschied, den Einsteins Äquivalenzprinzip für die untersuchten Bedingungen erwarten lässt. 24

Was genau gemessen wurde

Quantenobjekte werden durch Wellenfunktionen beschrieben. Diese Wellen können im Lauf der Zeit eine Phase ansammeln – vereinfacht: eine Verschiebung in ihrem Schwingungsrhythmus. Für sich genommen ist sie nicht direkt sichtbar. Treffen jedoch zwei kohärente Wellenanteile wieder aufeinander, verändert ihre Phasendifferenz das Interferenzmuster.

Mikrowellenpulse versetzten die Atome nahe eines Atomchips in eine Überlagerung zweier möglicher Entwicklungswege. Magnetfelder glichen auf einem Weg die Schwerkraft weitgehend aus; der andere Wellenanteil nahm eine ballistische Bahn nach oben und zurück im freien Fall. Nach der Rekombination ließ sich die durch die Gravitation entstandene relative Phase aus dem Interferenzsignal bestimmen. 24

Der entscheidende Befund: Die gemessene Phasenverschiebung war innerhalb der experimentellen Präzision mit der Vorhersage des Äquivalenzprinzips vereinbar. Dieses Prinzip verbindet in Einsteins Gravitationstheorie lokal die Erfahrung eines freien Falls mit der Wirkung der Schwerkraft. 24

Warum das mehr ist als ein Fallversuch

Hier wurde nicht bloß die klassische Flugbahn eines fallenden Objekts verfolgt. Im Mittelpunkt stand eine kohärente Quanten-Materiewelle, die zwei alternative Wege zugleich beschreibt und beim Zusammenführen interferiert. Für ultrakalte Rubidiumatome im schwachen Gravitationsfeld der Erde stimmt diese Quantenentwicklung demnach mit der Vorhersage des Äquivalenzprinzips überein. 24

Das schafft eine wichtige empirische Verbindung zwischen zwei Theorien, die oft als schwer vereinbar dargestellt werden: Die Quantenmechanik beschreibt Überlagerung und Interferenz des Atoms; die Gravitation liefert die Phasendifferenz zwischen den beiden Wegen.

Was das Ergebnis nicht beweist

Die Messung ist keine Vereinigung von Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie. Sie zeigt nicht, dass Gravitation quantisiert ist, entdeckt keine Gravitonen und entscheidet nicht grundsätzlich zwischen einer quantenhaften und einer klassischen Beschreibung der Gravitation. 23

Ein direkterer Test des Quantenaspekts der Gravitation wäre der Nachweis, dass die Gravitation selbst zwei hinreichend gut isolierte massive Objekte verschränken kann. Vorgeschlagene Experimente wollen dazu räumliche Überlagerungen mikrometergroßer Kristalle erzeugen – möglicherweise Nanodiamanten mit eingebetteten Spins – und anschließend prüfen, ob ihre gegenseitige Gravitation Verschränkung hervorruft. 34

Wo Penroses Kollaps-Hypothese einzuordnen ist

Roger Penrose hat eine andere Möglichkeit vorgeschlagen: Befindet sich ein ausreichend massereiches Objekt gleichzeitig an verschiedenen Orten, entsprechen die Zweige der Überlagerung unterschiedlich gekrümmten Raumzeiten. Eine solche Überlagerung könnte nach seiner Hypothese nicht unbegrenzt kohärent bleiben. In verwandten Diósi-Penrose-Modellen hängt die erwartete Zerfallszeit von der Differenz der gravitativen Selbstenergie der überlagerten Massenverteilungen ab. 36

Das ist eine Hypothese über eine mögliche Grenze der üblichen Quantenmechanik – nicht das Ergebnis des Rubidiumexperiments. Ein einzelnes Atom ist kein großes, räumlich stark getrenntes System, bei dem sich solche Modelle besonders gut prüfen ließen.

Warum schwerere Quantenobjekte der nächste Schritt sind

Um Kollapsmodelle zu testen, müssten Forschende räumliche Überlagerungen von Objekten erzeugen, die viel schwerer als einzelne Atome sind, und nach einem Kohärenzverlust suchen, den gewöhnliche Umwelteinflüsse nicht erklären. Übersichtsarbeiten zu Kollapsmodellen sehen gerade solche massereichen räumlichen Überlagerungen als den unmittelbarsten Test: Die Modelle verbieten unter bestimmten Voraussetzungen Zustände, die die Standard-Quantenmechanik zulässt. 33

Interferometer mit mesoskopischen Teilchen – etwa schwebenden Nanodiamanten oder anderen kleinen Kristallen – müssten ihre Kohärenz bewahren und zugleich gewöhnliche Dekohärenz durch die Umgebung äußerst genau kontrollieren. Bleibt Interferenz länger erhalten, als ein Modell vorhersagt, würde das Modell eingeschränkt. Tritt dagegen ein reproduzierbarer zusätzlicher Kohärenzverlust mit der vorhergesagten Abhängigkeit von Masse, Abstand und Zeit auf, wäre das ein ernstzunehmender Hinweis – allerdings erst, nachdem Messrauschen und andere nicht-gravitative Erklärungen ausgeschlossen sind. 333436

Vorerst lässt sich das Ergebnis des Quantum Galileo Interferometers präzise so zusammenfassen: Im untersuchten Bereich sammelte eine frei fallende Quanten-Materiewelle die Gravitationsphase an, die Einsteins Äquivalenzprinzip vorhersagt. 24