Äquivalenzprinzip auch für atomaren Bereich gültig?

Ich staune immer wieder, welche beeindruckenden Fortschritte die Naturwissenschaft, insbesondere die Quanten-Physik macht. Dieser Tage bin ich auf eine Pressemitteilung der Universität Wien vom 1.Juni 2017 gestoßen, die Erstaunliches mitzuteilen hatte.

Die vollständige Pressemitteilung teilt dem Interessierten mit, dass es einem internationalen Wissenschaftlerteam gelungen ist, die Gültigkeit des Einsteinschen Äquivalentprinzips mit einer relativen Genauigkeit von einigen Milliardstel  (10 hoch -9) für durch Gravitation beschleunigte Rubidium-Atome nachzuweisen.

Galilei lies angeblich vom schiefen Turm zu Pisa Kugeln unterschiedlicher Masse fallen, um den Nachweis zu führen, das unter dem Einfluss der Gravitation verschiedene Körper mit derselben Beschleunigung fallen.  Wir dürfen heute davon ausgehen, dass die Genauigkeit der Zeitmesser zu Galileis Zeiten diesen Versuch hätten scheitern lassen. Aber die Ausführung des adäquaten Versuchs bei einer Apollo-Mission vor über 40 Jahren mit einem Hammer und einer Gänsefeder hat gezeigt, dass alle Körper gleich schnell fallen – ohne Luftreibung – und Galilei somit Recht hatte.

Die Kernidee von Galileis Versuch wurde von Albert Einstein zu seinem Äquivalenzprinzip weiter entwickelt und ist seit mehr als hundert Jahren als Allgemeine Relativitätstheorie eine der Grundsäulen der modernen Naturwissenschaft.

Nunmehr haben es Wissenschaftler der Universität Wien, der Österreichischen Akademie der Wissenschaften,  der Universitäten Florenz und Bologna, der Universität  Queensland und der Europäischen Raumfahrtbehörde ESA unter Leitung von Prof. Guglielmo Tino von der Florenzer Uni geschafft, Aspekte der Relativitätstheorie und der Quantenphysik zu kombinieren und damit ein Verfahren zur Messung des Einsteinschen Äquivalenzprinzips für ein Quantensystem zu entwickeln und dieses im Experiment zu erproben. Ein beeindruckendes Video zeigt den enormen gerätetechnischen Aufwand für dieses Experiment.

Das Neue gegenüber der klassischen Physik, wo Einsteins berühmte relativistische Formel E = mc² gilt und die Gesamtmasse eines Systems von seiner Energie abhängt, ist, dass in der Quantentheorie ein System nicht immer nur eine bestimmte Energie haben muss. Ein Quantensystem kann mehrere unterschiedliche Energiezustände in einer Quantensuperposition einnehmen und daher verschiedene Masse-Energien in Superposition aufweisen, wie die Pressemitteilung erläutert.

Um im Experiment die durch Gravitation verursachte Beschleunigung von Rubidium-Atomen messen zu können, waren von den Forschern diese Atome in Quantensuperpositionen von verschiedenenen inneren Energien gebracht worden. Mittels Laser wurden die Rubidium-Atome dabei auf nahezu Null Kelvin abgekühlt. Von der Florenzer Wissenschaftlergruppe wurde ein neues Verfahren, welches auf einem Braggschen Atominterferometer beruht, entwickelt und eingesetzt.

Die Gültigkeit des Einsteinschen Äquivalenzprinzips wurde erstmalig für Quantensuperpositionen mit einer relativen Genauigkeit von einigen Milliardstel bestätigt – also  für Bereiche sehr schwacher Gravitationsfelder. Es wurde gezeigt, dass auch Körper ohne eine wohl definierte Masse-Energie in gleicher Weisen fallen, wie die Körper mit einer bestimmten Masse-Energie. Prof. Caslav Brukner – Co-Autor der Publikation – fasste zusammen, dass nun die Gültigkeit des Einsteinschen Äquivalenzprinzips im Bereich der Quantenphysik überprüft ist. Eine ungeheuer wichtige Erkenntnis, zu der man dem internationalen Wissenschaftlerteam gratulieren und danken muss. Vielleicht ist diese Leistung ein Anwärter für einen der nächsten Nobelpreise?

Zahlreiche Anwendungen der Ergebnisse dieses mehr als beeindruckenden Experiments, sind heute bereits absehbar. Die Präzisionsmessungen von Zeit, Frequenz, Beschleunigungen und Rotationen dürften für Gravitationsforscher wohl am interessantesten sein.

Das internationale Wissenschaftlerteam hat eine Publikation in „Nature Communications“
„Quantum test of the equivalence principle for atoms in superpositions of internal energy eigenstates“, G. Rosi, G. D’Amico, L. Cacciapuoti, F. Sorrentino, M. Prevedelli, M. Zych, C. Brukner, G. M. Tino, Nature Communications
DOI: 10.1038/NCOMMS15529

vorgenommen. Diese ist unter https://www.nature.com/articles/ncomms15529 zu finden.

Ich danke Frau Mag. Frey vom Pressebüro der Universität Wien für die Erlaubnis, die Pressemitteilung für diesen Artikel verwenden zu dürfen.

Gert Weigelt, Dresden