Experimentelle Suche nach Quanteneffekten in der Gravitation durch Verschränkung

Die Quantisierung der Gravitation, der einzigen fundamentalen Kraft, die sich der Beschreibung durch die Quantenmechanik bisher entzieht, bleibt ein zentrales ungelöstes Problem der modernen Physik. Während Elektromagnetismus, starke und schwache Wechselwirkung konsistent in Quantenfeldtheorien erfasst sind, folgt die Gravitation, formuliert als Raumzeitkrümmung in Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie, klassischen Gesetzen. Physiker suchen seit über einem Jahrhundert nach einer vereinheitlichten Theorie der Quantengravitation, wobei aktuelle Forschungsexperimente darauf abzielen, Indizien für Quantenphänomene in der Gravitation zu detektieren.

Ein vielversprechender experimenteller Ansatz, der auf Richard Feynmans Überlegungen von 1957 basiert, untersucht, ob die Gravitation eine Quantenverschränkung zwischen zwei winzigen Massen induzieren kann. Die erfolgreiche Demonstration einer solchen Verschränkung würde ein starkes Argument für eine Quantennatur der Gravitation liefern. Feynman diskutierte diese Idee bereits auf der Chapel Hill Konferenz 1957, um die Notwendigkeit der Quantisierung zu untermauern, falls Widersprüche mit der Unschärferelation vermieden werden sollen. Forschungsgruppen arbeiten intensiv daran, diesen Test im Labor durchzuführen, indem sie extrem kleine Materieobjekte in tiefgekühlte, quantenmechanische Zustände versetzen.

Wissenschaftler in Wien planen beispielsweise, winzige Glaskügelchen von etwa 150 Nanometer Größe mittels Laserstrahlung so stark abzukühlen, dass sie sich als quantenmechanische Wellenpakete verhalten. Diese Experimente erfordern höchste Präzision und eine Umgebung mit nahezu perfektem Vakuum, um Störungen der empfindlichen Quantenzustände oder der potenziellen Verschränkung durch einzelne Moleküle zu verhindern. Forscher um Markus Aspelmeyer an der Universität Wien nutzen Prinzipien des Cavendish-Experiments, um die Gravitationswechselwirkung zwischen sehr kleinen Objekten zu messen, wobei einige Teams Massen von nur wenigen Mikrogramm anvisieren. Aspelmeyers Projekt an der Universität Wien hat bereits einen wichtigen Schritt vollzogen, indem es die Messung des Gravitationsfeldes der bislang kleinsten Quelle, einer 90 mg schweren Goldkugel, demonstrierte.

Die Interpretation der Messergebnisse wird durch neue theoretische Entwicklungen erschwert, die darauf hindeuten, dass selbst rein klassische Gravitation unter spezifischen Bedingungen eine Form der Verschränkung zwischen Massen hervorrufen könnte. Ein Team um Richard Howl und Joseph Aziz von der Royal Holloway, University of London, kam zu dem Schluss, dass klassische Gravitation möglicherweise durch sogenannte virtuelle Materiepropagatoren eine Verschränkung erzeugen kann. Dies stellt die traditionelle Annahme in Frage, dass klassische Gravitation keine Quanteninformationen übertragen kann.

Parallel zu den direkten Experimenten schreitet die theoretische Forschung voran. Die Emmy Noether Junior Research Group unter der Leitung von Dr. Max Wiesner an der Universität Hamburg, gefördert mit rund 1,9 Millionen Euro durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft, verfolgt neue theoretische Methoden, um schwer zugängliche Bereiche der Quantengravitation zu erschließen. Ein zentrales Anliegen dieser theoretischen Arbeit ist die bessere Beschreibung fundamentaler Phänomene wie der Dunklen Energie. Die globale Forschungsanstrengung konzentriert sich weiterhin auf das Hauptziel: die Vereinheitlichung der Allgemeinen Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik. Fortschritte in der Experimentalphysik, wie die Fähigkeit der Forscher der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften, Verschränkung selbst unter den extremen Bedingungen eines Parabelfluges der ESA zu demonstrieren, zeigen die wachsende Robustheit quantenphysikalischer Methoden außerhalb streng kontrollierter Laborumgebungen.