Die ersten dokumentierten Messungen der Gravitation zwischen zwei Objekten im Labor fanden vor bereits mehr als 200 Jahren statt. Besonders berühmt ist das Experiment, das nach seinem Erfinder Henry Cavendish benannt wurde. Damit sich Cavendishs Torsionswaage verdrehen und er so die Gravitationwirkung auf die Probekörper bestimmen konnte, brauchte es jedoch äußerst schwere Bleikugeln von mehr als 150 Kilogramm. Forscher um Jonas Schmöle vom Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) in Wien haben nun ein neuartiges Experiment vorgeschlagen, mit dem sich die Schwerkraft zwischen Massen von wenigen Milligramm messen lassen soll. Das wäre eine Verbesserung um gleich mehrere Größenordnungen.

Dieser mögliche Sprung in der Messgenauigkeit verdankt sich vor allem großen Fortschritten auf dem Feld der Mikromechanik. "In den vergangenen zwei Jahrzehnten haben sich Herstellung und Leistungsvermögen von nano- und mikromechanischen Apparaten drastisch verbessert", schreiben Schmöle und seine Kollegen. Mit solchen mikromechanischen Sensoren ist es schon gelungen, Kräfte im Bereich von 10-21 Newton zu messen. Die Gewichtskraft eines ein Kilogramm schweren Körpers auf der Erde beträgt knapp 10 Newton. Die hohe Präzision und Güte der heute verfügbaren Mikrobauteile brachte die Forscher auf die Idee, die Gravitationswirkung zwischen zwei winzigen Objekten zu messen.

Mikromechanik für Gravitationsmessungen
© Schmöle, J. et al.: A micromechanical proof-of-principle experiment for measuring the gravitational force of milligram masses. In: arXiv:1602.07539v1 [physics.ins-det], fig. 1
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Ein Goldkügelchen als Quellmasse M oszilliert an einem Kolben und erzeugt so ein zeitlich variables Gravitationsfeld am Ort der Testmasse m. Die Schwingung von m lässt sich mit einem Laserinteferometer bestimmen.

Die Physiker aus Wien schlagen einen Aufbau mit zwei kleinen, leichten Goldkugeln vor. Diese Kügelchen sollen einen Radius von lediglich einem Millimeter haben, entsprechend wiegen sie je nur etwas mehr als 80 Milligramm. Der bisherige Rekord für die geringste auf ihre Gravitation untersuchte Masse liegt bei etwa 90 Gramm. In dem mikromechanischen Versuchsmodell von Schmöle und Co befinden sich die Goldkügelchen nur wenige Millimeter voneinander entfernt: die eine Kugel, als Quellmasse bezeichnet, am Ende eines Kolbens, der sich periodisch vor- und zurückfahren lässt; die andere, die Testmasse, auf einer schwingungsfähigen Unterlage. Dazwischen schirmt eine dünne Membran die beiden Kugeln voreinander ab.

Alternativer Weg zur Bestimmung der Gravitationskonstanten

Der Kolben bewegt nun die Quellmasse periodisch immer wieder auf die Testmasse zu und von ihr weg, mit einer Frequenz, die nahe der Resonanzfrequenz des Systems aus schwingungsfähiger Unterlage und Testmasse jenseits der Membran liegt. Der minimale Abstand soll lediglich einen halben Millimeter betragen. Durch die Bewegung der Quellmasse entsteht am Ort der Testmasse ein zeitlich veränderliches Gravitationsfeld. Dieses soll die Testmasse und ihre Unterlage, die man sich wie ein Mikrotrampolin vorstellen kann, zur Schwingung anregen. Auf die Rückseite des Trampolins zielt ein Laser. Das Trampolin reflektiert seinen Strahl. Fängt es nun unter dem Einfluss des veränderlichen Gravitationsfelds der Quellmasse an zu schwingen, lässt sich das aus dem reflektierten Laserstrahl auslesen. Das Stichwort für solche hochpräzisen Abstandsmessungen lautet Interferometrie.

Mit dieser Art Mikrosensor sollte dann problemlos die Gravitation von Objekten messbar werden, die 1000-mal leichter sind als bisherige Testmassen, schreiben die Forscher. Sie gehen in ihrem Entwurf auf verschiedene Störfaktoren ein und schätzen ihren Einfluss mathematisch ab. Die Berechnungen, die sie anstellen, seien sogar noch konservativ. Mit diesem Ansatz ließe sich Newtons Gravitationskonstante G auf eine neue Weise ermitteln, die Probleme bisheriger, "makroskopischer" Methoden, die zu Fehlern führen können, reduzieren. Heutige Experimente zur Gravitationskonstante ergeben relativ stark unterschiedliche Ergebnisse für den absoluten Wert von G, obwohl die Messungen in sich recht präzise reproduzierbar sind.

Die Gravitation von Quantenobjekten messen

Noch spannender allerdings klingt eine Idee, die die Forscher erst ganz am Ende ihrer Studie näher erläutern. Mit dem empfindlichen Mikroaufbau könnte man in nicht allzu ferner Zeit in ein Regime vordringen, in dem Quanteneffekte eine Rolle spielen. Das würde, zumindest theoretisch, völlig neuartige Experimente zur Quantengravitation ermöglichen. Die Forscher schreiben, im optimistischsten Fall könne man so beispielsweise durch Gravitation erzeugte Verschränkungszustände untersuchen. Vorausgesetzt, man kann ein Quantenobjekt so gut kontrollieren, dass es als Quellmasse zur Verfügung steht.

Sabine Hossenfelder, Expertin für die Phänomenologie der Quantengravitation am Frankfurt Institute for Advanced Studies zeigt sich in ihrem Blog begeistert von der Studie. Man habe bereits Quanteneffekte bei Objekten im Nanogrammbereich festgestellt. Damit sei man nur noch sechs Größenordnungen von der Messempfindlichkeit entfernt, die die Wiener Forscher zu erzielen hoffen und nicht mehr mindestens 30 wie bei vielen anderen Vorschlägen zu Experimenten in der Quantengravitation. Am bemerkenswertesten daran sei, so Hossenfelder, dass diese Entwicklung auf Technologien beruht, über die in der Quantengravitation bis vor wenigen Jahren niemand auch nur gesprochen habe. Diese Möglichkeit habe schlicht keiner "auf dem Radar" gehabt.