Experiment bestätigt Einsteins Relativitätstheorie in der Quantenwelt
Physiker haben erstmals einen winzigen Quanteneffekt gemessen, den ein Teilchen beim freien Fall im Schwerefeld der Erde aufbaut. Damit konnten sie eine fast 100 Jahre alte Vorhersage zu Einsteins Relativitätsprinzip experimentell bestätigen.
Auf einem dieser Wege wurde das Atom tatsächlich dem freien Fall überlassen. Der zweite Teil blieb dagegen an nahezu derselben Position in der Schwebe. Dazu nutzten die Forscher magnetische Kräfte, die die Erdanziehung exakt ausglichen. Nach einer kurzen Zeit wurden die beiden Zustände wieder zusammengeführt.
Der entscheidende Messwert war dann die sogenannte Phase der Materiewelle. Sie beschreibt vereinfacht, an welcher Stelle sich die Wellenberge und Wellentäler eines Quantenzustands befinden. Werden zwei solche Zustände wieder kombiniert, erzeugt eine unterschiedliche Phase ein Interferenzmuster. Genau dieses Muster verriet den Forschern, welchen winzigen Einfluss der freie Fall hatte.
Eine entsprechende Veränderung der Phase war bereits 1927 von Charles Galton Darwin und Earle Kennard vorhergesagt worden. Demnach sollte der Effekt mit der dritten Potenz der Fallzeit wachsen. Verdoppelt sich die Zeit, sollte sich die messbare Veränderung also verachtfachen.
Das Ergebnis ist vor allem für die Verbindung von Quantenmechanik und Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie interessant. Das Äquivalenzprinzip besagt, dass sich Gravitation und Beschleunigung lokal nicht voneinander unterscheiden lassen. Die neue Messung zeigt, dass dieses Grundprinzip auch bei einem Quantensystem funktioniert.
Allerdings schließt das Experiment nicht jede mögliche Abweichung vom Äquivalenzprinzip aus. Die Wissenschaftler wollen deshalb weitere Varianten untersuchen, unter anderem in rotierenden Bezugssystemen. Langfristig könnte die Methode sogar helfen, die bislang ungeklärte Frage zu erforschen, ob die Gravitation selbst quantenmechanischen Regeln folgt.
Siehe auch:
Atome auf doppeltem Weg
Für das Experiment kühlten die Forscher um Ron Folman von der israelischen Ben-Gurion-Universität rund 20.000 Rubidiumatome auf extrem niedrige Temperaturen ab. Dabei entstand ein Bose-Einstein-Kondensat. Anschließend versetzten die Wissenschaftler die Atome in eine sogenannte Superposition: Jedes Atom befand sich gleichzeitig in zwei unterschiedlichen Zuständen und nahm damit gewissermaßen zwei Wege.Auf einem dieser Wege wurde das Atom tatsächlich dem freien Fall überlassen. Der zweite Teil blieb dagegen an nahezu derselben Position in der Schwebe. Dazu nutzten die Forscher magnetische Kräfte, die die Erdanziehung exakt ausglichen. Nach einer kurzen Zeit wurden die beiden Zustände wieder zusammengeführt.
Der entscheidende Messwert war dann die sogenannte Phase der Materiewelle. Sie beschreibt vereinfacht, an welcher Stelle sich die Wellenberge und Wellentäler eines Quantenzustands befinden. Werden zwei solche Zustände wieder kombiniert, erzeugt eine unterschiedliche Phase ein Interferenzmuster. Genau dieses Muster verriet den Forschern, welchen winzigen Einfluss der freie Fall hatte.
Eine entsprechende Veränderung der Phase war bereits 1927 von Charles Galton Darwin und Earle Kennard vorhergesagt worden. Demnach sollte der Effekt mit der dritten Potenz der Fallzeit wachsen. Verdoppelt sich die Zeit, sollte sich die messbare Veränderung also verachtfachen.
Mehr Experimente geplant
Die Forscher beobachteten den Effekt nun bei Fallzeiten von bis zu rund 2,4 Millisekunden. In 633 Messungen über einen Zeitraum von 5,3 Stunden registrierten sie 13 vollständige Schwingungen des Interferenzsignals. Die gemessene Entwicklung stimmte bis auf etwa 2,5 Prozent mit der theoretischen Vorhersage überein.Das Ergebnis ist vor allem für die Verbindung von Quantenmechanik und Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie interessant. Das Äquivalenzprinzip besagt, dass sich Gravitation und Beschleunigung lokal nicht voneinander unterscheiden lassen. Die neue Messung zeigt, dass dieses Grundprinzip auch bei einem Quantensystem funktioniert.
Allerdings schließt das Experiment nicht jede mögliche Abweichung vom Äquivalenzprinzip aus. Die Wissenschaftler wollen deshalb weitere Varianten untersuchen, unter anderem in rotierenden Bezugssystemen. Langfristig könnte die Methode sogar helfen, die bislang ungeklärte Frage zu erforschen, ob die Gravitation selbst quantenmechanischen Regeln folgt.
Zusammenfassung
- Forscher bestätigten Einsteins Prinzip erstmals in der Quantenwelt
- Ein israelisches Team nutzte ein Kondensat aus vielen Rubidiumatomen
- Jedes Atom befand sich zeitgleich im freien Fall und in einer Schwebe
- Gemessene Interferenzmuster zeigten die genaue Phase der Materiewelle
- Messwerte bestätigen eine Vorhersage aus dem Jahr 1927 sehr präzise
- Künftige Experimente sollen die Quantennatur der Gravitation prüfen
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