Wien/Stanford. Relativitätstheorie und Quantenmechanik existieren weitgehend unabhängig voneinander. Einem amerikanischen Forscherteam unter Beteiligung eines österreichischen Physikers ist nun ein Experiment an einem der Schnittpunkte gelungen. Wie die Wissenschafter kürzlich im Fachjournal "Physical Review Letters" berichteten, konnten sie die Raumzeitkrümmung mithilfe eines Atom-Interferometers messen.

Die Entwicklung einer gemeinsamen Theorie, die Einsteins Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik vereint, gilt als eine der größten Herausforderungen in der Physik. Erstere beschreibt die Gravitation und erklärt Zusammenhänge im kosmischen Maßstab. Letztere wiederum beschäftigt sich mit der Physik des Allerkleinsten und beschreibt etwa die Abläufe im Inneren von Atomen. Dementsprechend rar sind Experimente, die beide Theorien einbeziehen und so Hinweise zu einer möglichen Verbindung liefern könnten.


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Phase Shift in an Atom Interferometer due to Spacetime Curvature across its Wave Function
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Überlagerung von Rubidiumatomen erzeugt

Um die Auswirkungen der Raumzeitkrümmung, die gemäß Einstein die Gravitation bestimmt, auf Quantensysteme zu untersuchen, erzeugten die Forscher zunächst eine quantenmechanische Überlagerung einzelner, ultrakalter Rubidiumatome. In einem solchen Zustand existiert ein Teilchen sozusagen gleichzeitig an verschiedenen Orten und ist dort unterschiedlich starken Schwerkräften ausgesetzt.

"Die technische Schwierigkeit besteht darin, räumlich ausgedehnte Quantenzustände herzustellen und auszulesen", erklärt der österreichische Physiker und Erstautor der aktuellen Studie, Peter Asenbaum, der zurzeit an der Universität Stanford tätig ist, gegenüber der APA. "Dazu benötigt man sehr präzise Interferometer und ausreichend Zeit frei von jeglicher Interaktion."

Um sich genügend Zeit für die Messung zu verschaffen, erzeugten die Forscher in einer zehn Meter hohen Vakuumröhre eine Art Springbrunnen, in dem sich die Atome fast drei Sekunden lang im freien Fall befanden. Auf ihrem Weg versetzten sie die Teilchen mithilfe von Laserlicht in den Überlagerungszustand, dessen zwei Bahnen bis zu zehn Zentimeter voneinander entfernt waren.

Schwere Bleigewichte sorgten dafür, dass sie entlang der verschiedenen Bahnen auch unterschiedlicher Gravitation ausgesetzt waren. Am Ende ihres Fluges wurden beide "Erfahrungen", die jedes einzelne Teilchen auf seinem Flug machte, mithilfe eines Interferometers verglichen und daraus der Einfluss der Bleigewichte ermittelt.

Anwendungen im "Gravity Imaging"

Die hohe Präzision der Messung empfiehlt die Methode neben der Grundlagenforschung auch für Anwendungen im sogenannten "Gravity Imaging", also der Verwendung von Atominterferometern zur Vermessung unterirdischer Dichteverteilungen. "So wie wir in unserem Experiment die Bleigewichte "aufgespürt" haben, könnten auch reale Anwendungen funktionieren", sagt Asenbaum. "Man müsste nur das Interferometer über dem Gebiet bewegen, das man untersuchen möchte."

So ließen sich theoretisch Hohlräume oder besonders dichte Materialien wie etwa Uran aufspüren. Mit seinen zehn Metern Höhe ist das Exemplar aus Stanford dafür allerdings wohl noch zu sperrig.