Galileo Galilei ließ der Legende nach Kugeln vom Schiefen Turm von Pisa fallen, um den freien Fall zu ergründen. Mehr als 400 Jahre später hat ein internationales Physikerteam dieses Experiment in die Quantenwelt übertragen. Mit ultrakalten Rubidium-Atomen gelang erstmals die direkte Messung, wie die Schwerkraft die Quantenphase eines frei fallenden Objekts verändert. An der Studie beteiligt ist auch Nobelpreisträger Roger Penrose, und das Ergebnis berührt eine der tiefsten Fragen der Physik.
Die moderne Physik ruht auf zwei außerordentlich erfolgreichen, aber grundverschiedenen Theoriegebäuden. Die Quantenmechanik beschreibt das Verhalten von Atomen und Elementarteilchen, die sich wie Wellen ausbreiten und mehrere Wege gleichzeitig nehmen können. Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie erklärt dagegen die Gravitation als Krümmung von Raum und Zeit durch Masse und Energie. Beide Theorien wurden unzählige Male mit höchster Präzision bestätigt, doch wie sie sich zu einer einzigen Beschreibung der Natur vereinen lassen, ist seit rund einem Jahrhundert ungelöst. Ein Kernstück von Einsteins Theorie ist das Äquivalenzprinzip: Im freien Fall scheint die Schwerkraft zu verschwinden, weshalb alle Körper unabhängig von ihrer Masse gleich schnell fallen. Ob dieses Prinzip auch für Quantenobjekte gilt, die als Wellen mehrere Pfade zugleich durchlaufen, ließ sich bislang nicht direkt prüfen.
Genau hier setzt das neue Experiment an, das unter gemeinsamer Leitung der Ben-Gurion-Universität des Negev, der Universität Ulm und der Universität Oxford entstand und an dem unter anderem auch das Institut für Quantentechnologien des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt in Ulm, die Universität Southampton und die Texas A&M University beteiligt waren. Das Team um Ron Folman entwickelte dafür ein sogenanntes Quanten-Galileo-Interferometer. Kernstück der Apparatur ist ein an der Ben-Gurion-Universität gefertigter Atomchip, unter dem ultrakalte Rubidium-Atome in einer Vakuumkammer nahezu vollständig von Störungen abgeschirmt manipuliert werden. Bei Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt verhalten sich die Atome wie ausgedehnte Materiewellen und eignen sich damit ideal für Präzisionsmessungen an der Grenze beider Theorien.
Im Experiment spalteten die Forscher jedes Atom in zwei Quantenpfade auf, ein Kunststück, das nur die Quantenmechanik erlaubt. Ein Teil der Materiewelle wurde über dem Atomchip festgehalten, während der andere frei nach unten fiel, ganz wie Galileos Kugeln vom Turm. Anschließend führten die Physiker beide Pfade wieder zusammen und lasen aus dem entstehenden Überlagerungsmuster die sogenannte Phasendifferenz aus, eine Art innerer Taktunterschied der beiden Teilwellen. Die Theorie macht eine klare Vorhersage: Wendet man Einsteins Äquivalenzprinzip auf eine solche Quantenwelle an, muss der frei fallende Anteil eine ganz bestimmte Quantenphase ansammeln. Frühere Experimente hatten zwar bereits Quantenteilchen genutzt, um die Gravitation zu vermessen, doch die vorhergesagte Phase eines frei fallenden Objekts selbst war nie direkt bestimmt worden.
Das Ergebnis fiel eindeutig aus. Die gemessene Phase stimmt genau mit dem Wert überein, den Einsteins Prinzip für eine fallende Quantenwelle vorhersagt, wie das Team in der Fachzeitschrift Science Advances berichtet und damit eine mehr als hundert Jahre alte Lücke schließt. Das Äquivalenzprinzip bleibt demnach auch dann gültig, wenn das fallende Objekt kein fester Körper ist, sondern eine ausgedehnte Quantenwelle, die gewissermaßen an zwei Orten zugleich existiert. Studienleiter Folman spricht von einer ungewöhnlichen Arbeit, weil sie ein technisch extrem anspruchsvolles Experiment mit einer weitreichenden theoretischen Deutung zu einer der fundamentalsten Fragen der Physik verbindet: der nach einer gemeinsamen Beschreibung von Gravitation und Quantenwelt.
Bei aller Tragweite ordnen die Autoren ihr Resultat nüchtern ein. Das Experiment vereinigt die beiden großen Theorien nicht und beweist auch nicht, dass die Gravitation selbst quantenhafter Natur ist. Es zeigt vielmehr, dass sich beide Beschreibungen unter den getesteten Bedingungen widerspruchsfrei vertragen, ein wichtiger Konsistenztest an einer Stelle, an der viele Physiker Abweichungen für denkbar hielten. Gerade solche Abweichungen wären ein Hinweis auf neue Physik jenseits der etablierten Theorien gewesen. Dass keine auftraten, engt den Spielraum für alternative Gravitationsmodelle ein und liefert zugleich einen Präzisionsmaßstab, an dem sich künftige Experimente messen lassen müssen. Die Beteiligung von Roger Penrose ist dabei kein Zufall, denn der Nobelpreisträger arbeitet seit Jahrzehnten an der Frage, ob die Gravitation eine besondere Rolle beim Übergang von der Quantenwelt zur Alltagswelt spielt.
Für die Zukunft eröffnet die Methode einen klaren Fahrplan, wie die Universität Oxford in einer begleitenden Mitteilung erläutert. Die getesteten Massen und Zeitspannen reichen noch nicht aus, um jene Regime zu erreichen, in denen manche Theorien einen Einfluss der Gravitation auf die Quantenkohärenz erwarten. In der Arbeitsgruppe an der Ben-Gurion-Universität läuft deshalb bereits ein Nachfolgeexperiment, und langfristig wollen die Forscher die Technik auf deutlich schwerere Objekte wie Nanodiamanten übertragen. Gelänge es, auch solche makroskopischeren Teilchen in überlagerte Fallpfade zu bringen, ließe sich das Wechselspiel von Schwerkraft und Quantenmechanik in einem Bereich testen, der bislang reine Theorie ist. Das Rennen um die Vereinigung der beiden großen Weltbeschreibungen hätte damit erstmals ein präzises experimentelles Spielfeld.
Science Advances, Observation of the quantum phase of free fall and the consistency with the equivalence principle; doi:10.1126/sciadv.aec8045