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Casimir-Effekt der Gravitation

Experiment soll Quantennatur der Gravitation offenbaren

Ist auch die Schwerkraft "gequantelt"? Eine seltsame Eigenschaft des Vakuums könnte die Antwort liefern - und damit zur Lösung des größten Physikrätsels unserer Zeit beitragen.
Quantengravitation

Seit Jahrzehnten beißen sich Physiker an der Verknüpfung von Relativitätstheorie und Quantenphysik die Zähne aus. Einem Ansatz liegt die Vorstellung zu Grunde, dass auch die Gravitation in Form von Quanten auftritt. Doch diese Eigenschaft ließ sich bislang nicht experimentell bestätigen.

Ein neues Experiment könnte nun jedoch den Nachweis dafür liefern – zumindest ist das die Hoffnung des Verfassers einer aktuellen theoretischen Studie, James Quach von der Universität Tokio. Quach schlägt darin vor, sich einen seltsamen quantenmechanischen Effekt zu Nutze zu machen, den Casimir-Effekt.

Der Casimir-Effekt bewirkt, dass sich zwei Metallplatten, die im Vakuum aneinander angenähert werden, ab einem bestimmten Abstand gegenseitig anzuziehen beginnen. Der Grund dafür ist, dass das Vakuum keineswegs so leer ist, wie man gemeinhin annimmt, sondern "gefüllt" von Fluktuationen elektromagnetischer Felder. Einige Wellen, die im Spalt zwischen den Platten entstehen, werden vom Metall reflektiert. Außerhalb davon breiten sie sich ungehindert aus. Die Folge ist eine Kraft, die die Platten aufeinander zudrückt.

Sollte auch die Gravitation eine Quantennatur aufweisen, müsste sich genau derselbe Effekt auch durch Wechselwirkung mit Gravitationswellen ergeben, erläutert "Physics"-Redakteur Matteo Rini in einem begleitenden Kommentar zur Veröffentlichung. Das sei die zentrale Idee hinter Quachs Vorschlag. Denn im Vakuum würden dann nicht nur elektromagnetische Fluktuationen, sondern auch solche der Gravitationswellen auftreten.

Supraleiter als Gravitationswellen-Reflektoren?

In seiner Studie hat Quach nun berechnet, dass – gesetzt den Fall, dass ein Gravitations-Casimir-Effekt tatsächlich auftritt – dessen Beitrag zur Attraktion der Metallplatten nicht unerheblich ist: Er überträfe die elektromagnetische Anziehungskraft um eine Größenordnung.

Die Sache hat jedoch einen gewichtigen Haken: Normale Metallplatten reflektieren die Gravitationswellen nicht wie gefordert, sondern werden schlichtweg von ihnen durchdrungen. Quach hofft jedoch, dass sich das Experiment doch noch durchführen lässt, und zwar mit Hilfe von Supraleitern. Zum Beispiel zeigen dünne Folien aus Blei, die bis nahe an den absoluten Temperaturnullpunkt abgekühlt wurden, den Effekt der Supraleitung, bei dem die Elektronen des Materials ungewöhnliche Zustände einnehmen, sie bilden so genannte Cooper-Paare.

Möglicherweise lassen sich Supraleitung oder ähnliche Zustände dazu nutzen, um Gravitationswellen aufzuspüren, und möglicherweise führt die Wechselwirkung mit den Gravitationswellen auch dazu, dass diese reflektiert werden, so zumindest legen es aktuelle Arbeiten nahe. Ob dem jedoch tatsächlich so ist, darüber wird in Fachkreisen seit Längerem gestritten. Die beste Lösung dürfte es daher sein, das Experiment, das sogar auf einem handelsüblichen Labortisch Platz fände, durchzuführen.

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