Quanten fallen anders
Magdalena Zych von der University of Queensland (Australien) und Caslav Brukner von der Universität Wien und der Akademie der Wissenschaften (ÖAW) machten sich Gedanken darüber, wie Einsteins Äquivalenzprinzip innerhalb der Quantenphysik auf eine neue Art und Weise getestet werden kann. „Das Prinzip hilft uns, die Gravitation als Raum-Zeit-Krümmung zu verstehen“, so Brukner.
Äquivalenzprinzip von Einstein
Der bekannteste Teil davon geht auf Galileo Galilei zurück. Er hatte schon im 16. Jahrhundert eindeutig festgestellt, dass auf alle Gegenstände die gleiche Erdbeschleunigung wirkt und diese daher gleich schnell fallen. Im Rahmen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie wurde diese Gesetzmäßigkeit als „schwaches Äquivalenzprinzip“ bezeichnet und - wie die gesamte Theorie selbst - bereits unzählige Male bestätigt.
Studie
”Quantum formulation of the Einstein equivalence principle”, Nature Physics, 13.8.2018
Dieses beruht auf der Annahme, „dass die schwere Masse und die träge Masse gleich sind“, sagte Brukner. Unter letzterer wird jene Masse verstanden, die wir spüren, wenn man ein träges Objekt aus seiner Ruhelage hieven möchte. Sie ist also das Maß für die Trägheit. Die schwere Masse ist wiederum ein Maß für die wechselseitige Anziehungskraft einer Masse mit einer anderen.
Ein zentraler Teil des „schwachen Äquivalenzsystems“ ist, dass beide Massen gleich sind. Ist das der Fall, trifft die Annahme zu, dass alle Objekte tatsächlich gleich schnell fallen. Was auch schon mit einzelnen Atomen nachgewiesen wurde.
Unerwartete Effekte
In der Welt der Quantenphysik ist es möglich, dass sich Teilchen zugleich an verschiedenen Orten aufhalten. Dieses Phänomen der „Superposition“ gibt es auch in Bezug auf die Masse bzw. Energie von Körpern. Brukner: "Die Masse oder Energie muss also in der Quantenmechanik nicht wohldefiniert sein.“ Für die aktuelle Studie hat er mit seiner Kollegin Zych Quantenobjekte untersucht, die sich in einem solchen Überlagerungszustand befinden, und geschaut, ob Einsteins Äquivalenzprinzip für sie noch immer gültig ist.
Fazit ihrer theoretischen Analyse im Fachblatt „Nature Physics“: Die notorische Unschärfe der Quantenwelt kann sich auch auf die Schwerkraft übertragen. „Unter diesen Umständen könnte ein solches Objekt anders fallen als herkömmliche Objekte“, erklärt Brukner. Wenn sich die Gravitationsmasse in einer Superposition befindet, könnte auch eine einzige Atomwolke verschiedene Beschleunigungen erfahren und gleichzeitig schnell und langsam fallen. Ob sich dieser seltsame Effekt auch im Experiment zeigen würde, bliebe noch nachzuweisen.
science.ORF.at/APA