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News: Quanteneffekt der Gravitation

Nach gegenwärtiger Erkenntnis gehorchen alle fundamentalen Kräfte der Quantentheorie. Doch da sich ihre Effekte im Allgemeinen nur in mikroskopisch kleinen Systemen zeigen, war es bislang nicht möglich ihren Einfluss auf die Gravitation zu überprüfen. Denn deren Wirkung kommt erst bei großen Systemen so richtig zur Geltung. Nun gelang es Physiker aber doch, einen Quanteneffekt der Gravitation nachzuweisen.
Quanteneffekt der Gravitation
Die Quantenmechanik regiert die Welt der Atome und Moleküle. So besetzen die Elektronen eines Atoms beispielsweise nur Niveaus bestimmter Energie – Werte dazwischen sind ihnen verboten. Physiker gehen davon aus, dass nicht nur die elektromagnetische Kraft, sondern alle vier fundamentalen Wechselwirkungen der Quantenmechanik gehorchen, doch bei der Gravitation blieben sie diesen Nachweis bislang schuldig. Quanteneffekte ließen sich hier nicht beobachten, was vor allem daran liegt, dass diese verhältnismäßig schwache Kraft in erster Linie auf große Entfernungen wirkt – oder sich hier zumindest zweifelsfrei von den anderen, kurzreichweitigen Kräften trennen lässt.

Wie würde sich denn ein Quanteneffekt der Gravitation überhaupt äußern? Dazu könnte ein Teilchen beispielsweise in einem Potenzial gefangen sein. Denn auf kleinen Raum beschränkt, dürfte es nur bestimmte Energieniveaus einnehmen, wie die Elektronen im Atom. Damit man den Effekt dann auch wirklich der Gravitation zuschreiben kann, muss das Potenzial durch diese Kraft bestimmt sein, wobei die anderen Wechselwirkungen keine Rolle spielen dürfen.

In einem Experiment, das Wissenschaftler am Institut Laue-Langevin in Grenoble durchführten, gelang nun genau dies. Hier sorgte die Schwerkraft der Erde für ein Potenzial, in dem Neutronen nach unten fielen, wobei der Fall durch eine reflektierende Platte beschränkt wurde. An ihr prallten die Teilchen wieder ab, sodass sie im Raum oberhalb dieses Neutronenspiegels gefangen blieben – ganz so wie ein Tischtennisball, der auf einer Platte hüpft. In diesem Potenzial sollten die Neutronen nun tatsächlich bestimmte Energiewerte einnehmen. Denn die Teilchen lassen sich gemäß der Quantenmechanik auch als Wellenpakete auffassen – Wellenpakete, die sich im freien Fall nach unten bewegen, reflektiert werden und mit sich selbst interferieren.

So sollte sich eine stehende Welle oberhalb der reflektierenden Platte ausbilden, die Ausdruck der Aufenthaltswahrscheinlichkeit des Neutrons ist. Nun kann man nicht so einfach ein Neutron fallen lassen und eben jene Wahrscheinlichkeit als Funktion der Höhe messen. Das Experiment musste etwas anders aussehen: Die Physiker, die unter anderem auch von der Universität Heidelberg kamen, schickten stattdessen einen Strahl so genannter ultrakalter Neutronen horizontal über die Spiegelplatte. Dabei handelte es sich um Neutronen, die gerade mal zehn Meter pro Sekunde zurücklegten, was für diese Teilchen verhältnismäßig langsam ist. Unter dem Einfluss der Schwerkraft krümmte sich ihre Bahn einer Parabel gleich, sie trafen auf die Platten, wurden reflektiert und entfernten sich in einer ähnlichen Parabel wieder von der Platte.

Nur einige Mikrometer oberhalb des Neutronenspiegels befand sich eine zweite Platte, die jedoch nicht reflektierte, sondern die Neutronen absorbierte. So wurden Teilchen eingefangen, die eine zu große vertikale Geschwindigkeitskomponente besaßen. Die zweite Platte diente also quasi als Geschwindigkeits- oder Energiefilter. Ein Detektor am anderen Ende der Versuchsstrecke maß schließlich die Zahl der Teilchen, die passieren durften.

Normalerweise ginge man nun davon aus, dass mit zunehmendem Abstand der Platten auch mehr Neutronen am Ende ankommen. Die Physiker maßen jedoch zunächst einmal gar nichts. Erst ab einem Spalt von etwa 15 Mikrometern konnten sie die ersten Neutronen detektieren. Da Neutronen deutlich kleiner als 15 Mikrometer sind, sie also den Spalt leicht hätten passieren können, kommen eigentlich nur Quanteneffekte in Frage, die ihre Reise verhinderten. Offenbar entsprach die Höhe einer Energie, die kleiner als der Grundzustand der Neutronen in diesem Potenzial war – kleiner also, als ihre niedrigst mögliche Energie. Dies ist tatsächlich ein eindeutiger Effekt der Quantenmechanik.

Auch ein weiteres Merkmal hätte auftreten müssen, als die Forscher die Spaltbreite und damit die Energie erhöhten: Dabei dürfte die Zahl der Teilchen nicht kontinuierlich steigen, sondern nur in Sprüngen. Tatsächlich geben die Messdaten Hinweise auf ein solches Verhalten, doch sind die Sprünge nicht so deutlich ausgeprägt, wie die erste Stufe zu Beginn. Aber vielleicht lassen sich ja bei weiteren noch genaueren Messungen die folgenden Stufen besser nachweisen. Das erfordert jedoch eine enorme Messgenauigkeit, jenseits der schon jetzt unvorstellbar kleinen Energiebeträge von etwa einem Pikoelektronenvolt. Damit ließe sich dann in Zukunft unter anderem auch das Einstein'sche Äquivalenzprinzip, wonach schwere und träge Masse gleich sind, mit bislang unerreichter Genauigkeit überprüfen.

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