Zum Hauptinhalt springen

Der Physiker, der Einstein auf die Probe stellt

8 Min
Das Konzept des Ortes macht in der Quantenphysik keinen Sinn.
© Illustration: WZ, Bildquelle: Pexels

Muss Albert Einsteins Relativitätstheorie erweitert werden? Markus Aspelmeyer, Quantenphysiker und Gewinner des Wittgenstein-Preises 2026, stellt sich einer der größten Fragen der Physik und erklärt im Interview, was Quanten überhaupt sind.

    • Markus Aspelmeyer erforscht, ob die Gesetze der Quantenphysik auch für die Gravitation gelten und will dies experimentell nachweisen.
    • Quantenphänomene sind bei großen Objekten schwer nachweisbar, da sie schnell verschwinden und Isolation schwierig ist.
    • Ein besseres Verständnis der Quantenphysik könnte zu neuen Technologien wie Quantencomputern und fortschrittlicher medizinischer Bildgebung führen.
    • Quantenobjekte können an zwei Orten gleichzeitig existieren.
    • Quantenphänomene sind bei größeren Objekten kaum nachweisbar.
    • Kernspinresonanz und Laser sind Anwendungen der Quantenphysik.
    Mehr dazu in den Infos & Quellen
WZ I Eva Stanzl
Die Quantenphysik wirkt für viele Menschen sehr weit weg vom Alltag. Worum geht es in Ihrer Arbeit?
Markus Aspelmeyer
Quanten sind Objekte, die den Regeln der Quantenphysik folgen. Ihr Verhalten passt mit unserem Alltagsverständnis nicht zusammen. Die Quantenphänomene erlauben etwa, dass sich ein Objekt so verhält, als ob es an zwei Orten gleichzeitig wäre. Normalerweise ist ein Objekt entweder hier oder dort, rechts oder links, oben oder unten. Experimente aber zeigen, dass das auf Quantenobjekte nicht zutrifft. Das Konzept des Ortes macht in der Quantenphysik keinen Sinn.
WZ I Eva Stanzl
Mir erscheint mein Umfeld recht stabil: Ich sitze hier auf diesem Stuhl, vor mir auf dem Tisch steht eine Espressotasse. Warum ist das in der Quantenphysik - und damit bei den kleinsten Teilchen - anders?
Markus Aspelmeyer
Die Effekte der Quantenphysik treten dann auf, wenn ich prinzipiell nicht wissen kann, welchen der möglichen Zustände meine Quantenobjekte einnehmen. Das ist bei kleinen Teilchen leichter nachweisbar als bei großen Objekten wie dem Tisch. Jedenfalls kann die Natur viel mehr, als wir im Alltag bemerken oder erfahren. Die Quantenphysik ist verrückt und diese Verrücktheit können wir im Experiment nachweisen.
WZ I Eva Stanzl
Der Physiker Erwin Schrödinger wollte diese Zustände aber ausgerechnet anhand eines größeren Objekts veranschaulichen. Schrödingers Katze ist ein Gedankenexperiment, wonach das Weiterleben einer Katze, die sich in einem geschlossenen Kasten befindet, von einem durch die Quantenmechanik beschriebenen Vorgang abhängt. Warum sehen wir in unserem Alltag keine Katzen, die gleichzeitig lebendig und tot sind?
Markus Aspelmeyer
Die Effekte der Quantenphysik – auch Quantenphänomene genannt - sind subtil und kurzlebig. Sie verschwinden sehr schnell. Um sie sehen zu können, muss ich das Objekt von allen anderen Einflüssen isolieren. Bereits ein Gasmolekül oder ein Lichtteilchen würden stören. Deswegen befindet sich die Katze in einer blickdichten, verschlossenen Box. Die Box symbolisiert die Abgeschlossenheit des Quantensystems, das keine Wechselwirkung mit der Umgebung erlaubt. Je größer das Objekt allerdings wird, umso stärker muss ich es isolieren, und umso schwieriger wird es, den Quanteneffekt heraus zu kitzeln. Schrödinger bezeichnete daher die Lage seiner Katze als „burlesque“-Situation. Damit wollte er sich über die Quantenphysik lustig machen, indem er meinte, wenn wir sie auf die Katze anwenden würden, wäre sie zugleich tot und lebendig, was unmöglich ist. Er glaubte nicht daran, dass die Quantenphysik auch für große Objekte gelten könnte.
Markus Aspelmeyer: ,,Die Natur kann viel mehr, als wir im Alltag bemerken oder erfahren. Die Quantenphysik ist verrückt und diese Verrücktheit können wir im Experiment nachweisen."
Markus Aspelmeyer: ,,Die Natur kann viel mehr, als wir im Alltag bemerken oder erfahren. Die Quantenphysik ist verrückt und diese Verrücktheit können wir im Experiment nachweisen."
© Bild: FWF
WZ I Eva Stanzl
Und gelten die Gesetze der Quantenphysik auch für größere Objekte? Oder anders: Geht das auch mit mir?
Markus Aspelmeyer
Das Hauptproblem ist, dass man vermutlich alles, das größer ist als eine Espressotasse, sehr schwer von äußeren Einflüssen isolieren kann. Quantenphänomene sind zwar immer da, aber bei zunehmender Größe können wir sie nicht beobachten, und sie spielen dann auch keine Rolle mehr.
WZ I Eva Stanzl
Heißt das, dass ich mich damit zufriedengeben muss, bloß wahrnehmen zu können, dass ich fest auf meinem Stuhl sitze, obwohl meine kleinsten Teilchen in Wirklichkeit die ganze Zeit zugleich hier auf dem Stuhl und neben mir sitzen?
Markus Aspelmeyer
Ja, das kann man so sagen. Selbst für die besten Messgeräte sind die Quanteneffekte bei größeren Objekten irgendwann zu schnell verschwunden. Der Aufwand ist zu groß und die Zeit zu kurz. Aber das ist eine technische Frage, keine fundamentale.
WZ I Eva Stanzl
Zurück zu Ihnen: Was sind die grundlegenden Fragen Ihrer Arbeit?
Markus Aspelmeyer
Wir wollen wissen, ob die Gesetze der Quantenphysik auch für die Schwerkraft gelten. Dazu wollen wir Quantenobjekte gerade so groß machen, dass sie schwer genug sind, um ein Gravitationsfeld zu erzeugen. Ich möchte zeigen, dass die Skurrilität der Quantenphysik auch für immer größere Objekte gilt – und somit selbst für die Gravitation.
WZ I Eva Stanzl
Der Apfel fällt zu Boden. Planeten kreisen um ihre Sterne. Wie kommen die verrückten Gesetze der Quantenphysik bei diesem Grundgesetz ins Spiel?
Markus Aspelmeyer
Zwei Objekte ziehen einander durch Schwerkraft an. Laut Albert Einsteins Relativitätstheorie liegt das daran, dass Objekte die Raumzeit krümmen und einander durch diese gekrümmte Raumzeit näherkommen. Gravitation ist demnach ein Phänomen von Raum und Zeit. Allerdings wissen wir auch, dass auch Quantenobjekte sich im Gravitationsfeld bewegen. Aber wie sieht das Gravitationsfeld aus, das ein Quantenobjekt erzeugt?
WZ I Eva Stanzl
Es müsste sich wohl an zwei Orten zugleich befinden.
Wir wollen zeigen, dass das Gravitation an zwei Orten zugleich existieren kann.
Markus Aspelmeyer
Genau. Doch das konnte noch niemand beobachten. Wir wollen ein Experiment bauen, das das Gravitationsfeld selbst an zwei Orten gleichzeitig zeigt.
WZ I Eva Stanzl
Wäre dann etwa die Erde an zwei Orten gleichzeitig mit zwei Feldern, die Schwerkraft ausüben?
Markus Aspelmeyer
Da gibt es Vorstellungen. Eine führende Theorie in der Kosmologie zur Entstehung des Universums ist, dass die Quantenphysik am Anfang dominiert hat und spontane, kurzzeitige Änderungen des Energiezustands, die man Quantenfluktuationen nennt, in der ganz frühen Phase letztlich dazu geführt haben, dass sich überhaupt Galaxien bilden konnten.
WZ I Eva Stanzl
Wie bitte?
Markus Aspelmeyer
Wenn wir annehmen, dass es eine Quantengravitation gibt, haben wir eine Erklärung, warum es heute Strukturen gibt. Laut dieser Theorie waren am Anfang nur Quantenphysik und Gravitation relevant dafür, dass Galaxien, Sterne und Planeten mit Leben entstanden sind. Denn wenn am Anfang alles nur schön homogen gleich verteilt gewesen wäre, ohne Störung, ohne Wirbel, dann würde das Weltall sich heute gleich verteilt ausdehnen und wir hätten keine dieser Strukturen. Es brauchte also die kleinen Störungen aus der Quantenphysik, damit sich etwas bilden konnte. Sonst wäre heute nichts da. So lautet die Annahme. Und wir in unserem Team suchen ein Experiment, mit dem wir nicht nur annehmen, sondern auch zeigen können, dass sich die Gravitation in eine Quantenüberlagerung begibt. Denn das würde beweisen, dass sich Gravitation nicht mehr mit Einsteins Theorie beschreiben lässt, sondern dass wir die Regeln der Quantenphysik verwenden müssen, um die Schwerkraft zu beschreiben. Wenn es eine Quantengravitation gibt, dann kann ich erklären, warum es heute Strukturen gibt.
WZ I Eva Stanzl
Damit könnten Sie in die Geschichte eingehen als jener Forscher, der Einstein widerlegen konnte, und bekämen nach dem Wittgenstein-Preis vielleicht den Nobelpreis. Aber was verändert das für unser aller Leben?
Markus Aspelmeyer
Wir haben derzeit verschiedene Möglichkeiten, die Welt zu beschreiben, und in einer dieser Möglichkeiten wird die Schwerkraft durch die Einstein'sche Gravitationstheorie beschrieben. Diese Möglichkeit wollen wir testen und ich glaube, dass man sie ausschließen können wird. Das ist das Ziel. In Zukunft könnte man in der Schule lernen, dass Einstein eine tollte Theorie der Gravitation aufgestellt hat, die aber mittlerweile abgelöst ist durch eine Quantentheorie. Zugegeben: Viele von uns denken in der Schule, dass Physik sie eher nicht interessiert – außer, sie haben das Glück eines guten Lehrers. Dennoch werden viele von uns auch in der Schule mit jeder Einsicht, die wir lernen über die Natur, neugieriger. Es ändert sich durch neue grundlegende Erkenntnisse das Verständnis, wie die Welt funktioniert. Man macht Grundlagenforschung, um bestehendes Wissen zu hinterfragen, und sie produziert auf längeren Zeitskalen jene neuen Einsichten, die notwendig sind für Wirtschaftswachstum und neue Technologien.
WZ I Eva Stanzl
Gen Z wächst mit vielen technologische Revolutionen auf: Internet, Smartphones, soziale Medien und KI. Welche Technologie, die heute unmöglich erscheint, könnte durch ein besseres Verständnis der Quantenphysik in 20 Jahren selbstverständlich werden?
Markus Aspelmeyer
Ein sichtbarer Impact, den die Quantenphysik schon jetzt für alle geliefert hat, ist die Kernspinresonanz. Der Physiker Otto Stern bekam den Nobelpreis für die Untersuchung des Kernspins, und wir schauen heute in großem Detail in den Körper mit Hilfe dieser Technologie. Eine andere bekannte Anwendung ist der Laser. Quantenforschung heute untersucht in der Anwendung, wie man durch die Kontrolle einzelner Quantensysteme Dinge besser machen kann. Durch Kernspintomografie an einzelnen Zellen auf mikroskopischer Skala könnten wir unheimlich viel lernen über die Wirksamkeit von Medikamenten und die Abläufe in einzelnen Zellen. Auch sehr genaue Messungen von Gehirnströmen und der Funktionsweisen von Neuronen sind in neuen Messverfahren durch die immer bessere Kontrolle von Quantensystemen möglich. In diesen medizinischen bildgebenden Verfahren wird es große Sprünge geben. Und Quantencomputer sind freilich ein großes Thema. Sie rechnen bestimmte Probleme schneller und bieten großes Potenzial, komplexe Quantensysteme zu verstehen. Im gesamten Quantenbereich ist die Entwicklung derzeit atemberaubend schnell. Ich kann mir gut vorstellen, dass die Natur noch einige Überraschungen für uns auf Lager hat, auf die wir in den kommenden Jahren dadurch stoßen werden.

Dir hat dieser Beitrag besonders gut gefallen, dir ist ein Fehler aufgefallen oder du hast Hinweise für uns - sag uns deine Meinung unter feedback@wienerzeitung.at. Willst du uns helfen, unser gesamtes Produkt besser zu machen? Dann melde dich hier an.

Infos und Quellen

Gesprächspartner

  • Markus Aspelmeyer, geboren am 14. Juni 1974 in Schongau, Bayern, zählt zu den weltweit renommiertesten Forschenden auf dem Gebiet der Quantenoptik und Quantenoptomechanik. Nach dem Studium der Physik und Philosophie promovierte er 2002 in Physik an der Ludwig-Maximilians-Universität München. Danach wechselte er an die Uni Wien in die Forschungsgruppe des Nobelpreisträgers Anton Zeilinger. Seit 2009 ist Aspelmeyer Professor für Physik an der Universität Wien und seit 2019 Direktor am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) Wien der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Für seine wissenschaftlichen Leistungen erhielt der 52-Jährige vergangene Woche den FWF-Wittgenstein-Preis 2026, Die mit 2 Millionen Euro höchstdotierte Auszeichnung für Wissenschaft unterstützt die Forschung und garantiert Freiheit und Flexibilität bei der Durchführung.

Daten und Fakten

  • Quanten sind die kleinsten Bausteine der Natur. Die ganze Welt besteht aus Quanten, auch Menschen, Tiere, Pflanzen, Berge, die Meere und der Boden
  • Quanteneffekte: Vor rund 100 Jahren entdeckten Physiker die Quantenwelt, die sich nicht mit den Gesetzen der klassischen Physik beschreiben lässt: Die Bausteine der Materie – also Atome und deren Bestandteile: Protonen, Neutronen und Elektronen – zeigen ebenso wie Lichtteilchen ein gänzlich anderes Verhalten, als wir es aus dem Alltag kennen. Im Gegensatz zu sichtbaren Gegenständen besitzen Quantenteilchen neben ihren Teilcheneigenschaften auch Welleneigenschaften. So lassen sich etwa bei Elektronen, Atomen und sogar relativ großen Molekülen unter bestimmten Bedingungen typische Wellenphänomene wie Beugung oder Interferenz beobachten. Dieses Verhalten hat weitreichende Konsequenzen: Solange man nicht nachsieht, lässt sich beispielsweise nicht exakt angeben, wo sich ein Atom oder Elektron gerade befindet. Nicht, weil man es nicht weiß, sondern weil das Quantenteilchen gleichzeitig an verschiedenen Orten zu sein scheint. Man nennt diese Eigenschaften Quanteneffekte.
  • Die Quantenmechanik ist ein grundlegender Bereich der Physik, der das Verhalten von Materie und Energie im mikroskopischen Bereich – also auf der Ebene von Atomen und subatomaren Teilchen (wie Elektronen und Photonen) – beschreibt. Sie bricht mit den Gesetzen unseres alltäglichen Naturverständnisses.
  • Quantenfluktuation sind ständige, zufällige und extrem kurzzeitige Veränderungen der Energie an einem bestimmten Punkt im Raum, die das Universum in seinen Anfängen geprägt haben sollen.
  • Quantenphysik versus Gravitation: Zwei der wichtigsten Theorien der modernen Physik beschreiben die Welt äußerst erfolgreich – doch sie passen nicht zusammen: die Quantenmechanik und die Allgemeine Relativitätstheorie. Die Frage, ob beide Theorien vereinbar sind, zählt zu den größten wissenschaftlichen Herausforderungen unserer Zeit.
  • Die Allgemeine Relativitätstheorie, die Albert Einstein vor mehr als 100 Jahren entwickelte, erklärt die Gravitation. Sie beschreibt, wie Massen Raum und Zeit krümmen und dadurch die Anziehungskraft erzeugen, die Planeten auf ihren Bahnen hält oder Schwarze Löcher entstehen lässt. Die Theorie liefert bis heute präzise Vorhersagen für alle Phänomene der Gravitation, von Gravitationswellen bis hin zur Zeitverschiebung durch die Schwerkraft der Erde. Die Quantenmechanik beschreibt die Welt der kleinsten Teilchen. Anders als in der klassischen Physik bewegen sich Teilchen nicht auf eindeutig festgelegten Bahnen, sondern werden durch Wahrscheinlichkeiten beschrieben. Sie können mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen und zeigen Verhaltensweisen, die unserer Alltagserfahrung widersprechen. Dennoch wurde die Quantenmechanik in den vergangenen 100 Jahren in zahllosen Experimenten bestätigt und bildet die Grundlage moderner Technologien wie Halbleiterchips, Laser oder Quantensensorik und Quantencomputer. Das Problem: Beide Theorien funktionieren in ihren jeweiligen Bereichen hervorragend, widersprechen sich aber grundlegend. Während die Relativitätstheorie Raum und Zeit als fix vorgegeben beschreibt, legt die Quantenmechanik nahe, dass auch die Raumzeit in einer Überlagerung und von der beobachtenden Person abhängig sein muss. Welche Sichtweise richtig ist, ist bislang ungeklärt. Genau hier setzt die Forschung des Wiener Quantenphysikers Markus Aspelmeyer mit seinem Team an. Ziel ist es, Experimente zu entwickeln, die erstmals zeigen könnten, wie sich Gravitation und Quantenphysik tatsächlich zueinander verhalten.

Quellen

Das Thema in der WZ

Das Thema in anderen Medien


Ähnliche Inhalte