Eine Illustration zeigt ein Quantenexperiment zur Untersuchung der Schwerkraft in winzigem Maßstab (Bildnachweis: Universität Southampton)
Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, die Schwerkraft auf mikroskopischer Ebene zu messen, was sie vielleicht der Bildung einer Theorie der „Quantengravitation“ und der Lösung einiger großer kosmischer Rätsel näher bringt.
Die Quantenphysik bietet Wissenschaftlern die beste Beschreibung des Universums auf winzigen Skalen, die kleiner als Atome sind. Albert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie hingegen liefert die beste Beschreibung der Physik auf riesigen, kosmischen Skalen. Doch selbst nach 100 Jahren, in denen beide Theorien eine Fülle von experimentellen Überprüfungen durchlaufen haben, fehlt etwas auf frustrierende Weise.
So robust und genau die beiden zu Beginn des 20. Jahrhunderts entwickelten Theorien auch geworden sind, sie haben sich geweigert, sich zu vereinigen.
Einer der Hauptgründe für dieses Dilemma ist, dass es für drei der vier fundamentalen Kräfte des Universums – Elektromagnetismus, starke Kernkraft und schwache Kernkraft – zwar Quantenbeschreibungen gibt, aber keine Quantentheorie für die vierte: die Gravitation.
Jetzt hat ein internationales Team jedoch Fortschritte bei der Behebung dieses Ungleichgewichts gemacht, indem es mit einer neuen Technik erfolgreich eine schwache Gravitationskraft auf ein winziges Teilchen nachgewiesen hat. Die Forscher glauben, dass dies der erste vorsichtige Schritt auf dem Weg zu einer Theorie der „Quantengravitation“ sein könnte.
„Ein Jahrhundert lang haben Wissenschaftler versucht zu verstehen, wie Schwerkraft und Quantenmechanik zusammenwirken, und sind dabei gescheitert“, so Tim Fuchs, Mitglied des Teams und Wissenschaftler an der Universität Southampton, in einer Erklärung. „Wenn wir die Quantengravitation verstehen, könnten wir einige der Rätsel unseres Universums lösen – etwa wie es entstanden ist, was im Inneren von Schwarzen Löchern passiert oder wie wir alle Kräfte in einer großen Theorie vereinen können.“
Gravitation erhält die „spukhafte“ Behandlung
Es ist vielleicht passend, dass die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenphysik sich nicht vertragen; schließlich hat sich Einstein mit der Quantenphysik nie wohlgefühlt. Denn die Quantenphysik hat zwar viele kontraintuitive Aspekte, aber einen fand er ganz besonders beunruhigend.
Es war der Begriff der Verschränkung. Mit dem Risiko einer Vereinfachung hat die Verschränkung damit zu tun, dass Teilchen so koordiniert werden, dass die Änderung der Eigenschaften eines Teilchens sofort die Eigenschaften eines verschränkten Partnerteilchens verändert, selbst wenn sich der Partner auf der anderen Seite des Universums befindet. Der lokale Realismus ist die Vorstellung, dass Objekte immer bestimmte Eigenschaften haben und dass die Wechselwirkungen zwischen diesen Objekten durch die Entfernung und die Lichtgeschwindigkeit begrenzt sind, eine universelle Geschwindigkeitsgrenze, die von Einstein als Grundlage der speziellen Relativitätstheorie eingeführt wurde. Die spezielle Relativitätstheorie ist in der Tat die Theorie, die zur Formulierung der allgemeinen Relativitätstheorie geführt hat. Doch trotz Einsteins Beteuerungen haben Wissenschaftler tatsächlich bewiesen, dass die Verschränkung und andere kontraintuitive Aspekte der Quantenphysik tatsächlich Faktoren der Realität im subatomaren Bereich sind.
Dieser Nachweis wurde mit einer Vielzahl von bahnbrechenden Experimenten erbracht. So treten Fuchs und Kollegen in die Fußstapfen von Physikern wie Alain Aspect, John Clauser und Anton Zeilinger, die 2022 den Nobelpreis für Physik für den experimentellen Nachweis der nichtlokalen Natur der Verschränkung erhielten.
In ihrem neuen Quantenexperiment haben die Forscher, zu denen auch Wissenschaftler der Universität Southampton, der Universität Leiden und des Instituts für Photonik und Nanotechnologien gehören, supraleitende magnetische „Fallen“ verwendet, um die schwache Anziehungskraft auf die kleinste Masse zu messen, die jemals auf diese Weise untersucht wurde.
Das winzige Teilchen wurde in der supraleitenden Falle bei Temperaturen von etwa -459,4 Grad Fahrenheit (-273 Grad Celsius) in der Schwebe gehalten, was nur wenige Hundertstel Grad über dem absoluten Nullpunkt liegt, der hypothetischen Temperatur, bei der jede atomare Bewegung zum Stillstand kommt. Diese kalte Temperatur war notwendig, um die Schwingungen der Teilchen auf ein Minimum zu beschränken. Das Team hat schließlich eine Anziehungskraft von 30 „attoNewton“ auf das Teilchen gemessen.
AttoNewtons sind ein Maß für die Kraft; um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, wie winzig die Gravitationskraft auf die untersuchten Teilchen war, ist ein Newton definiert als die Kraft, die erforderlich ist, um eine Masse von einem Kilogramm mit einer Beschleunigung von einem Meter pro Sekunde pro Sekunde zu versehen. Und 30 attoNewton entsprechen 0,00000000000000003 Newton!
„Jetzt, da wir erfolgreich Gravitationssignale bei der kleinsten jemals gemessenen Masse gemessen haben, sind wir einen Schritt näher an der Erkenntnis, wie es im Tandem funktioniert“, sagte Fuchs. „Von hier aus werden wir beginnen, die Quelle mit dieser Technik zu verkleinern, bis wir auf beiden Seiten die Quantenwelt erreichen.“
Teammitglied und Wissenschaftler der University of Southampton, Hendrik Ulbricht, sagte, dieses Experiment ebne den Weg für Tests mit noch kleineren Massen sowie für die Messung noch kleinerer Gravitationskräfte.
„Wir stoßen an die Grenzen der Wissenschaft, was zu neuen Entdeckungen über die Schwerkraft und die Quantenwelt führen könnte. Unsere neue Technik, bei der extrem kalte Temperaturen und Geräte zur Isolierung der Teilchenschwingung zum Einsatz kommen, wird sich wahrscheinlich als der Weg zur Messung der Quantengravitation erweisen“, schloss er. „Die Entschlüsselung dieser Rätsel wird uns helfen, weitere Geheimnisse über die Struktur des Universums zu lüften, von den kleinsten Teilchen bis hin zu den großartigsten kosmischen Strukturen.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden am Freitag (23. Februar) in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.
