Wie der freie Fall in der Quantenwelt abläuft

3. Juni 2017, 10:00
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Wiener Forscher überprüften, ob das Äquivalenzprinzip auch für Quantensysteme gilt

Wien – Bereits im 16. Jahrhundert hat Galileo Galilei eindeutig festgestellt, dass auf alle Gegenstände die gleiche Erdbeschleunigung wirkt. Heute wird dieser Zusammenhang an den Schulen meist anhand einer Glasröhre demonstriert: Ist der Luftwiderstand durch Evakuieren der Rohre erst eliminiert, werden die darin befindliche Feder und der Stein gleich schnell Richtung Erde beschleunigt – unabhängig von der jeweiligen Masse.

Im Rahmen von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie wird diese Gesetzmäßigkeit als Schwaches Äquivalenzprinzip bezeichnet und kann, wie die gesamte Theorie selbst, als bereits unzählige Male bestätigte Tatsache betrachtet werden – allerdings nur in der makroskopischen Welt und für wohldefinierte Massen. In der Welt des winzig Kleinen dagegen gelten die Gesetze der Quantenmechanik und die widerspruchslose Zusammenführung dieser beiden Theorien gilt nach wie vor als eine der größten Herausforderungen der modernen Physik.

Vom Makrokosmos in die Welt der Teilchen

"Wir wollten wissen, ob Einsteins Prinzip auch für Quantensysteme gilt", erklärt einer der Autoren der aktuellen Studie, Caslav Brukner von der Fakultät für Physik der Universität Wien und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW). "Und zwar speziell für Teilchen, deren Masse nicht genau bestimmt ist." Um der Frage nachzugehen, führten die Forscher Experimente durch, in denen sie den freien Fall ultrakalter Rubidiumatome beobachteten.

Dabei versetzten sie die Atome in einen sogenannten Überlagerungszustand. Dieser Effekt beruht darauf, dass ein quantenmechanisches System, in diesem Fall ein Atom, gleichzeitig in verschiedenen Zuständen mit unterschiedlichen Energien existieren kann. Gemäß Einsteins berühmter Formel E=mc2 hat es in diesem Fall auch gleichzeitig zwei verschiedene Massen oder anders ausgedrückt: Seine Masse ist nicht wohl definiert.

In ihren Experimenten verglichen die Forscher derartig präparierte Atome direkt mit solchen, deren Energie und Masse eindeutig definiert waren – und konnten trotz hoher Genauigkeit der Messung keinen Unterschied im freien Fall feststellen. "Ich persönlich habe dieses Ergebnis erwartet", sagt Brukner. "Dennoch war es wichtig, das Experiment zu machen." Nur so könne man feststellen, wie weit man Relativitätstheorie und Quantenmechanik ausweiten kann. (APA, red, 3. 6. 2017)

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