Wenn Sie abergläubisch sind, bringt eine schwarze Katze in Ihrem Weg Pech, selbst wenn Sie Abstand halten. Ebenso können Teilchen in der Quantenphysik den Einfluss von Magnetfeldern spüren, mit denen sie niemals in direkten Kontakt kommen. Jetzt haben Wissenschaftler gezeigt, dass dieser unheimliche Quanteneffekt nicht nur für Magnetfelder gilt, sondern auch für die Schwerkraft – und das ist kein Aberglaube.
Um den Einfluss eines Magnetfelds zu spüren, müsste normalerweise ein Teilchen es passieren. Aber 1959 sagten die Physiker Yakir Aharonov und David Bohm voraus, dass die herkömmliche Weisheit in einem bestimmten Szenario scheitern würde. Ein in einem zylindrischen Bereich enthaltenes Magnetfeld kann Teilchen – in ihrem Beispiel Elektronen – beeinflussen, die niemals in den Zylinder eintreten. In diesem Szenario haben die Elektronen keine wohldefinierten Orte, sondern befinden sich in „Überlagerungen“, Quantenzuständen, die durch die Wahrscheinlichkeit beschrieben werden, dass ein Teilchen an zwei verschiedenen Orten materialisiert. Jedes gebrochene Teilchen nimmt gleichzeitig zwei verschiedene Wege um den Magnetzylinder herum. Obwohl es die Elektronen nie berührt und daher keine Kraft auf sie ausübt, verschiebt das Magnetfeld das Muster, wo Teilchen am Ende dieser Reise gefunden werden, wie verschiedene Experimente bestätigt haben (SN: 1.3.86).
In dem neuen Experiment spielt die gleiche unheimliche Physik für Gravitationsfelder eine Rolle, berichten Physiker am 14. Januar Wissenschaft. „Jedes Mal, wenn ich mir dieses Experiment anschaue, denke ich: ‚Es ist erstaunlich, dass die Natur so ist’“, sagt der Physiker Mark Kasevich von der Stanford University.
Kasevich und Kollegen schleuderten Rubidiumatome in eine 10 Meter hohe Vakuumkammer, trafen sie mit Lasern, um sie in Quantenüberlagerungen zu bringen, die zwei verschiedene Wege verfolgten, und beobachteten, wie die Atome fielen. Bemerkenswerterweise befanden sich die Teilchen nicht in einer gravitationsfeldfreien Zone. Stattdessen wurde das Experiment so konzipiert, dass die Forscher die Auswirkungen der Gravitationskräfte herausfiltern und den unheimlichen Aharonov-Bohm-Einfluss aufdecken konnten.
Die Studie enthüllt nicht nur einen berühmten physikalischen Effekt in einem neuen Kontext, sondern zeigt auch das Potenzial, subtile Effekte in Gravitationssystemen zu untersuchen. Beispielsweise wollen Forscher mit dieser Art von Technik die Newtonsche Gravitationskonstante G besser messen, die die Stärke der Schwerkraft angibt und derzeit weniger genau bekannt ist als andere fundamentale Naturkonstanten (SN: 29.08.18).
Ein Phänomen namens Interferenz ist der Schlüssel zu diesem Experiment. In der Quantenphysik verhalten sich Atome und andere Teilchen wie Wellen, die addieren und subtrahieren können, so wie zwei im Ozean verschmelzende Wellen eine größere Welle erzeugen. Am Ende des Atomflugs kombinierten die Wissenschaftler die beiden Wege der Atome neu, sodass ihre Wellen interferierten, und maßen dann, wo die Atome ankamen. Die Ankunftsorte reagieren sehr empfindlich auf Änderungen, die verändern, wo die Spitzen und Täler der Wellen landen, bekannt als Phasenverschiebungen.
Oben in der Vakuumkammer platzierten die Forscher ein Stück Wolfram mit einer Masse von 1,25 Kilogramm. Um den Aharonov-Bohm-Effekt zu isolieren, führten die Wissenschaftler dasselbe Experiment mit und ohne diese Masse und für zwei verschiedene Sätze von gestarteten Atomen durch, von denen eines nahe an der Masse und das andere tiefer flog. Jeder dieser beiden Atomsätze wurde in Überlagerungen aufgeteilt, wobei ein Pfad näher an der Masse vorbeiführte als der andere, getrennt durch etwa 25 Zentimeter. Andere Sätze von Atomen mit Überlagerungen, die über kleinere Entfernungen verteilt sind, rundeten die Crew ab. Der Vergleich, wie die verschiedenen Atomgruppen interferierten, sowohl mit als auch ohne die Wolframmasse, zeigte eine Phasenverschiebung, die nicht auf die Gravitationskraft zurückzuführen war. Stattdessen stammte diese Optimierung von der Zeitdilatation, einem Merkmal von Einsteins Gravitationstheorie, der Allgemeinen Relativitätstheorie, die dazu führt, dass die Zeit in der Nähe eines massiven Objekts langsamer vergeht.
Die beiden Theorien, die diesem Experiment zugrunde liegen, die Allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik, passen nicht gut zusammen. Wissenschaftler wissen nicht, wie sie sie kombinieren sollen, um die Realität zu beschreiben. Für Physiker, sagt Guglielmo Tino von der Universität Florenz, der nicht an der neuen Studie beteiligt war, „ist die Untersuchung der Schwerkraft mit einem Quantensensor meiner Meinung nach wirklich eine der … wichtigsten Herausforderungen im Moment.“