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Gravitationskonstante: Physikern gelingt mit Atomen extrem präzise Messung der Schwerkraft

Die Genauigkeit ihres ungewöhnlichen Versuchsaufbaus übersteigt bisherige Experimente deutlich. Zudem lassen sich damit Hypothesen zur Dunklen Energie überprüfen.
Schematische Darstellung des Gitter-Atominterferometrie-Versuchs zur Bestimmung der Gravitationskonstanten
Mit dem Versuchsaufbau (schematische Darstellung) kann man sehr feine Gravitationseffekte messen, weil sich jedes Atom in eine räumliche Überlagerung von zwei quantenphysikalischen Zuständen versetzen lässt.

Ob Isaac Newton wirklich ein Apfel auf den Kopf fiel und ihm so die Idee zur Theorie der Schwerkraft kam, ist fraglich. Unbestritten ist hingegen, dass er irgendwann um das Jahr 1665 herum erkannte, dass sich Gegenstände anziehen. Inzwischen ist das Phänomen der Gravitation bestens bekannt und die dazugehörigen Theorien recht gut untersucht. Doch obwohl die Gravitation auf großen Skalen die vorherrschende Kraft der Natur ist, lässt sie sich experimentell nur schwer messen. Noch immer sind viele Fragen offen, etwa wie sie sich auf kleinen Skalen verhält oder welche Rolle sie bei Effekten spielt, die der Dunklen Materie und der Dunklen Energie zugeschrieben werden. Physiker der University of California in Berkeley haben nun das bisher präziseste Experiment aufgebaut, um nach geringfügigen Abweichungen von der anerkannten Theorie der Schwerkraft zu suchen. Sie berichten davon in der Fachzeitschrift »Nature«.

Für das Experiment hat das Forschungsteam ein Atominterferometer mit einem optischen Gitter kombiniert. Ein Atominterferometer ist ein spezielles Messgerät, das die Welleneigenschaften von Atomen ausnutzt, um die Gravitationskonstante mit hoher Genauigkeit zu bestimmen. Ein optisches Gitter ist eine räumlich periodische Struktur aus zwei überkreuzten Laserstrahlen, in der Atome oder Moleküle gefangen werden können. Das Laserlicht erzeugt in jedem der Atome ein elektrisches Dipolmoment, wodurch das Atom durch die elektromagnetische Strahlung eine Kraft erfährt. Die Kombination von Atominterferometer und optischem Gitter ermöglicht den Forschern, Cäsiumatome für etliche Sekunden statt Millisekunden festzuhalten. So lassen sich Gravitationseffekte noch besser untersuchen als zuvor – und zwar um den Faktor drei bis fünf, schreibt das Team.

Doch obwohl sie zunächst keine Abweichung von den Vorhersagen der von Isaac Newton vor 400 Jahren aufgestellten Theorie finden konnten, hilft die deutlich verbesserte Präzision womöglich etwa dabei, die Gravitationskraft auf der Quantenebene zu erforschen, sagt Holger Müller, Physikprofessor an der UC Berkeley, laut einer Pressemitteilung seiner Universität. Denn während Physiker die Quantennatur von drei der vier Naturkräfte – Elektromagnetismus sowie die starke und schwache Wechselwirkung – bereits gut belegen können, konnte die Quantennatur der Gravitationskraft bislang noch nicht nachgewiesen werden.

Experimenteller Beweis für die Quantennatur der Schwerkraft fehlt

»Die meisten Theoretiker sind sich wahrscheinlich einig, dass die Schwerkraft quantenhaft ist. Doch niemand hat jemals einen experimentellen Beweis dafür gesehen«, sagt Müller. »Weil aber die Empfindlichkeit unseres Experiments mit der Haltezeit der Atome exponentiell ansteigt, haben wir eine gesteigerte Chance, den experimentellen Beweis zu finden.«

Und das Forschungsteam hat noch eine weitere Hoffnung: Sie wollen mit ihrem Experiment der Dunklen Energie auf die Spur kommen, jener geheimnisvollen Kraft, die das Universum immer schneller auseinandertreibt. Die Erkenntnis, dass sich das Universum beschleunigt ausdehnt, ergab sich vor mehr als 25 Jahren aus der Beobachtung von Supernovae, die sich alle von uns entfernen – und zwar immer schneller. Einer von vielen Vorschlägen zur Erklärung dieser Beobachtung besagt, dass die Dunkle Energie eine fünfte, abstoßende Grundkraft ist, die viel schwächer als die Schwerkraft wirkt und durch ein hypothetisches Teilchen namens »Chamäleon« vermittelt wird. In der Leere des Weltraums könnte dieses Teilchen den Raum auseinanderdrücken. In einem Labor auf der Erde, wo es von Materie abgeschirmt ist, hätte es dagegen eine extrem geringe Reichweite. Doch bislang konnte dieses Teilchen noch nicht entdeckt werden.

Mit dem Versuchsaufbau kann man sehr feine Gravitationseffekte messen, weil sich jedes Atom in eine räumliche Überlagerung von zwei quantenphysikalischen Zuständen versetzen lässt. Das bedeutet, dass sich die einzelnen Atome gewissermaßen an zwei Orten gleichzeitig befinden. Bringt man sie in die Nähe eines Wolframgewichts, erfährt der Zustand, der sich näher an dem Gewicht befindet, eine stärkere Anziehungskraft, wodurch sich die Phase des Atoms ändert. Sobald die Wellenfunktion des Atoms kollabiert, zeigt der Phasenunterschied den Unterschied in der Gravitationsanziehung zwischen ihnen. Dadurch lassen sich selbst kleinste Diskrepanzen auflösen, die in anderen Messungen untergehen würden.

»Atominterferometrie ist die Kunst, die Quanteneigenschaften eines Teilchens zu nutzen, also die Tatsache, dass es sich sowohl wie ein Teilchen als auch wie eine Welle verhält«Holger Müller, Physiker

»Atominterferometrie ist die Kunst, die Quanteneigenschaften eines Teilchens zu nutzen, also die Tatsache, dass es sich sowohl wie ein Teilchen als auch wie eine Welle verhält. Wir spalten die Welle auf, so dass das Teilchen zwei Wege gleichzeitig geht, und überlagern sie dann am Ende wieder«, erklärt Müller. »Die Wellen können entweder gleichphasig sein und sich addieren, oder sie können außer Phase sein und sich gegenseitig aufheben. Der Trick ist, dass die Phase sehr empfindlich von einigen Größen abhängt, die man messen möchte, wie zum Beispiel Beschleunigung, Schwerkraft, Rotation oder Grundkonstanten.«

Falls es die vorhergesagten Chamäleon-Teilchen gibt, dann äußert sich das in der Art und Weise, wie die Atome vom Wolframgewicht angezogen werden. Es müsste also kleine Abweichungen von den gängigen Gravitationstheorien geben. Da die Experimentatoren keine solche Abweichung erkennen konnten, waren sie in der Lage, den Energiebereich, in dem man nach Chamäleon-Teilchen suchen kann, deutlich einzuschränken. Inzwischen arbeiten die Physiker bereits daran, das Gitter-Atominterferometer noch weiter zu verbessern, damit es empfindlich genug wird, um die Quanteneigenschaften der Schwerkraft nachzuweisen – und damit eine der drängendsten Fragen des Fachs zu beantworten.

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