Beim Aharonov-Bohm-Effekt „spürt“ ein Teilchen die Existenz eines elektromagnetischen Feldes, obwohl es laut klassischer Messmethode gar nicht in dessen Einflussbereich ist. Wiener Physiker haben den Effekt mit US-Kollegen und Kolleginnen nun erstmals mit einem Gravitationsfeld nachgewiesen. Wie sie im Fachjournal „Science“ berichten, spielt demnach auch die Schwerkraft nach Quantenregeln.
Solch präzise Effekte lassen sich mit Hilfe der Interferometrie nachweisen. Diese Messmethode nutzt beispielsweise die Interferenzen, die Überlagerungen also, von Lichtwellen. Dazu werden Wellen geteilt, über zwei Bahnen geführt und am Ende wieder vereinigt. Beeinflusst irgendetwas die Welle auf ihrem Weg, sieht man dies bei der Wiedervereinigung anhand des Interferenzmusters.
So lassen sich etwa Gravitationswellen nachweisen, die von gewaltigen kosmischen Ereignissen wie der Kollision Schwarzer Löcher ausgelöst werden.
Schon 1959 vorausgesagt
Mit einem Interferometer wurde auch der Aharonov-Bohm-Effekt nachgewiesen, den der US-Physiker David Bohm und seine Israelischer Kollege Yakir Aharonov 1959 vorausgesagt haben. Die Methode zeigt eindeutig den Einfluss eines Magnetfeldes auf ein Elektroneninterferometer, obwohl dieser Einfluss mit Messmethoden der klassischen Physik gar nicht vorhanden sein dürfte. Dennoch verschiebt sich die Phase der Elektronen proportional zur eingestellten Stärke des Magnetfeldes.
Erklärt wird dieses quantenmechanische Phänomen dadurch, dass das Elektroneninterferometer effektiv das elektromagnetische Potenzial des Feldes „spürt“ – was nach klassischer Physik eigentümlich anmutet.
Wirkt Schwerkraft auf ein Quantensystem?
Denn diese hat zwar diese Potenziale „als mathematisches Hilfswerkzeug schon immer verwendet, weil die Gleichungen für Potenziale einfacher als jene für Felder sind. Messen konnte sie diese Potenziale direkt aber nicht“, erklärt Peter Asenbaum vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW).
Gemeinsam mit Forschenden von der Universität Stanford, wo der Physiker bis Anfang 2021 tätig war, versuchte Asenbaum herauszufinden, ob die Schwerkraft analog zur elektromagnetischen Wechselwirkung auf ein Quantensystem wirkt.
Erstmals beobachtet
Tatsächlich konnten sie mit einem Materiewellen-Interferometer eine entsprechende gravitative Phasenverschiebung an einem Atom feststellen. Ausgelöst wurde sie durch eine ein Kilogramm schwere Masse aus Wolfram. Erstmals wurde damit ein durch Gravitation ausgelöster Aharonov-Bohm-Effekt beobachtet.
Das ist insofern bedeutsam als sich die Gravitation – im Gegensatz zu den anderen drei Grundkräften der Physik – einer Beschreibung durch eine Quantenfeldtheorie entzieht. Aus diesem Grund versuchen weltweit Forscherinnen und Forscher, gravitativ interagierende Quantensysteme zu untersuchen.
Atom „spürt“ Schwerkraft
Asenbaums Quantensystem besteht aus einzelnen Atomen, die sich in einem Überlagerungszustand von zwei Aufenthaltsorten befinden. In der Quantenwelt lässt sich die Position eines Teilchens nicht ganz genau bestimmen, man kann nur die Wahrscheinlichkeiten seines Aufenthaltsorts mit der Schrödinger-Gleichung als Wellenfunktion berechnen.
Mit gezielten Laserpulsen können die Physiker diese Wellenfunktion des Atoms in zwei Teile zerteilen und strecken. Dadurch konnten sie den Abstand zwischen den möglichen Aufenthaltsorten des Atoms auf 25 Zentimeter ausdehnen.
Der Weg der beiden möglichen Aufenthaltsorte des Atoms bildet die zwei Arme eines Interferometers. Lässt man nun dieses örtlich „unscharfe“ Atom an einem Wolfram-Gewicht mit ein Kilo Masse vorbeifliegen, „spürt“ es die Schwerkraft der Masse nur an einer der beiden möglichen Positionen. Dadurch kommt es nur an einem der beiden Arme des Interferometer zu einer Beeinflussung und dadurch zu einer Verschiebung der Phase.
„Regeln gelten auch für Gravitation“
Dass in dem Experiment keine von der Wolfram-Masse verursachte Gravitationsbeschleunigung auf das große Quantensystem gemessen werden kann, ist für die Physiker der Beleg dafür, „dass die Regeln der Quantenmechanik auch für die Gravitation halten“, so Asenbaum.
Feststellbar ist nur die Gravitationsenergie zwischen Atom und Wolfram-Masse, die die Verschiebung der Phase verursacht. Und während in der klassischen Gravitationsbeschleunigung die Masse des Atoms keine Rolle spielt, ist die Gravitationsenergie von der Masse des Atoms abhängig.