Ein Spiegel, um die Quantengravitation zu testen

Symbolbild
(c) EPA (Nasa/Esa/Hubble Heritage Team /H)

Wiener und Londoner Forscher schlagen ein Experiment vor, mit dem man die Theorien prüfen könnte, die Quantenmechanik und Relativitätstheorie zusammenbringen sollen.

Zwei ganz unterschiedliche Theorien haben im 20. Jahrhundert die Physik revolutioniert: die Quantentheorie (QT) und die Allgemeine Relativitätstheorie (ART). Diese erklärt die Welt im Großen und die Schwerkraft, die sie zusammenhält; mit jener lässt sich der atomare und subatomare Bereich beschreiben. Diese hat das Konzept von Raum und Zeit verändert; jene hat uns u. a. beigebracht, dass man über ein Teilchen nie zugleich genau sagen kann, wo es ist und wie schnell es ist. Das nennt man die Unschärferelation.

Bis heute gibt es keine allgemein anerkannte Theorie, die Quanten- und Relativitätstheorie vereint, die also so etwas wie eine Quantengravitation beschreibt. Aber es gibt viele Ansätze, am berühmtesten sind wohl die Superstringtheorien. Das notorische Problem solcher Theorien ist, dass sie – bisher – nicht experimentell prüfbar sind. Die Energien, die man dafür brauchte, sind viel zu groß bzw. die Längen viel zu klein.

Denn wenn sich QT und ART versöhnen lassen, dann im Extremen: etwa bei winzigen Längen. Man spricht von der Planck-Länge, sie liegt zirka bei 10–35 Meter (25 Größenordnungen unter einem Atom), in diesem Bereich soll, wie manche Physiker lässig sagen, die Raumzeit körnig werden. Dort kommt keine Messung hin. Es gibt aber nicht nur eine Planck-Länge, sondern auch eine Planck-Masse, und die ist zwar riesig, aber nur für atomare Verhältnisse. Sie beträgt ca. 20 Mikrogramm, so schwer ist ungefähr ein Staubkorn.

Kann man Objekte, die so schwer sind, (noch) als Quantenobjekte behandeln resp. untersuchen? Markus Aspelmeyer, Physiker an der Uni Wien, sagt Ja. Und er tut es. Ihm ist z. B. gelungen, einen winzigen Spiegel zu bauen, den Licht schwingen lässt. Nun hat er sich mit Theoretikern zusammengetan, um ein Experiment zu entwerfen, mit dem man Theorien der Quantengravitation prüfen könnte.

Auf die Reihenfolge kommt es an

Grundlage ist die vorhin erwähnte Unschärferelation. Sie lässt sich auch so formulieren: Es ist nicht egal, ob man zuerst den Ort (x) eines Teilchens misst und dann den Impuls (p) oder umgekehrt. Die Differenz (xp-px) nennt man den Kommutator. In der „normalen“ Quantentheorie hängt er nicht von der Masse des Teilchens ab, in den meisten Theorien der Quantengravitation sehr wohl. Wobei z. B. unter Stringtheoretikern durchaus keine Einigkeit darüber besteht, wie der Kommutator von der Masse abhängt. Genau das soll man messen, meinen Aspelmeyer & Co. in einer Arbeit in Nature Physics (19. 3.) – und zwar genau mit solchen winzigen, im Vergleich zur Planck-Masse aber riesigen Spiegeln, wie sie in den Wiener Labors verwendet werden. Wie man diese mittels Laserpulsen so manipuliert, dass man den Kommutator herausbekommt, wird in der Arbeit genau beschrieben. „Jede Abweichung vom erwarteten quantenmechanischen Ergebnis wäre sehr spannend“, meint Hauptautor Igor Pikovski, und, ja, er rechne damit, dass das Experiment auch in Wien wirklich versucht wird.

Es handle sich um ein „table-top quantum optics experiment“, steht stolz und zugleich bescheiden in der Arbeit. Die Blamagen an der Riesenanlage des CERN – zuletzt mit der angeblich überschrittenen Lichtgeschwindigkeit – haben ja die Idee, neue Theorien der Grundlagenphysik durch Experimente zu prüfen, in den letzten Jahren in ein etwas schlechtes Licht gerückt. Könnte gut sein, dass kleinere, bescheidenere, aber gut durchdachte Experimente nicht nur billiger, sondern auch erfolgreicher sind.