Quantengravitation im Spiegel sehen?

Diese Skala ist jedoch so weit von experimentellen Möglichkeiten entfernt, dass es als unmöglich gilt, die Quantengravitation zu testen. Eine Kollaboration zwischen Èaslav Brukner und Markus Aspelmeyer, beide Quantenphysik-Physiker an der Universität Wien, sowie Myungshik Kim vom Imperial College London, hat jetzt ein Experiment mit Spiegeln auf der Skala der Planck-Masse vorgeschlagen, mit dem man einige Quantengravitationstheorien im Labor überprüfen könnte. Die Resultate erscheinen aktuell in „Nature Physics“.

Eine seit langem ungelöste Aufgabe
Eine der wichtigsten und spannendsten Aufgaben der modernen Physik ist die Suche nach einer Theorie, die die Quantenmechanik mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vereinigt. Die Quantenmechanik beschreibt die Physik, die sich auf den Größenordnungen von einzelnen Teilchen, Atomen und Molekülen zeigt. Andererseits zeigt sich Einsteins allgemeine Relativitätstheorie vor allem bei großen Massen. Eine vereinheitlichte Theorie der Quantengravitation erwartet man erst auf der so genannten Planck-Skala von extrem großen Energien und sehr kleinen Entfernungen.

Die Planck-Länge ist gerade mal 1,6 x 10-35 Meter groß: Würde man diese Länge als 1 Meter definieren, so wäre ein Atom so groß wie das gesamte sichtbare Universum. Und auch die Planck-Energie ist so groß, dass selbst der Large Hadron Collider des CERN nur einen winzigen Bruchteil dieser Energie erreicht.

Um nahe an die Planck-Energie zu kommen, müsste ein Teilchenbeschleuniger eine astronomische Größe haben. Die Planck-Skala kann auch durch die Planck-Masse beschrieben werden: Ein Staubkorn hat etwa diese Masse, was im Vergleich zu Atomen extrem schwer ist, sodass Quanteneffekte für solche Massen als nicht beobachtbar gelten. Die Planck-Skala ist somit so weit von Experimenten entfernt, dass es als nahezu unmöglich gilt, Theorien der Quantengravitation zu testen. Trotzdem haben Physiker jetzt einen Weg gefunden, Vorhersagen mancher Theorien der Quantengravitation im Experiment mit massiven Spiegeln zu testen.

Die Reihenfolge macht den Unterschied

Die Quantenmechanik verbietet es, die Position und die Geschwindigkeit eines Teilchens gleichzeitig zu kennen. Trotzdem sind aufeinanderfolgende Messungen vom Ort und vom Impuls möglich: Entweder man misst zuerst den Ort und dann den Impuls oder umgekehrt. In der Quantenphysik erhält man unterschiedliche Resultate, je nachdem welche Reihenfolge man wählt. Viele Theorien zur Quantengravitation besagen jedoch, dass sich dieser Unterschied abhängig von der Masse ändert, denn die Planck-Länge begrenzt die Messgenauigkeit vom Ort. Die Forscher in Wien und in London haben jetzt gezeigt, dass trotz dieser nur sehr kleinen Änderung ein messbarer Effekt bei sehr massiven Quantensystemen auftreten kann.

Neue Theorien mit beweglichen Spiegeln testen

Die Idee der Forscher besteht darin, diese Differenz zwischen den beiden Messreihenfolgen in neuen Quantensystemen zu testen: Mit neuen Techniken und Quantentechnologien ist es seit kurzem möglich, massive, bewegliche Spiegel in Quantenzustände zu bringen und diese mit sehr hoher Präzision auszumessen. Die Forscher schlagen vor, vier Wechselwirkungen zwischen einem Laserpuls und einem beweglichen Spiegel zu nutzen, um genau diesen Unterschied zwischen der Reihenfolge der Messungen des Orts und des Impulses zu untersuchen. Indem man die Wechselwirkungen ganz genau zeitlich koordiniert und präzise implementiert, ist es möglich, diesen Effekt auf den Laserpuls zu übertragen und ihn dann mit quantenoptischen Methoden auszulesen. „Jegliche Abweichung von dem erwarteten quantenmechanischen Ergebnis wäre sehr spannend“, sagt Igor Pikovski, Hauptautor der Forschungsarbeit, „und selbst wenn man keine Abweichung misst, erhält man eine Einschränkung für mögliche neue Theorien“. In der Tat machen einige der Theorien zur Quantengravitation von der Quantenmechanik abweichende Vorhersagen für das Ergebnis des Experiments. Die Forscher zeigen mit ihrer Arbeit, dass es möglich sein kann, einige Vorhersagen der immer noch unerforschten Quantengravitation direkt auf dem Labortisch zu testen.

Publikation in „Nature Physics“:
Probing Planck-scale physics with quantum optics: I. Pikovski, M. R. Vanner, M. Aspelmeyer, M. S. Kim and C. Brukner. Nature Physics (2012) DOI: 10.1038/NPHYS2262

Wissenschaftlicher Kontakt
Dipl.-Phys. Igor Pikovski
Quantum Optics, Quantum Nanophysics, Quantum Information
Universität Wien
1090 Wien, Boltzmanngasse 5
T +43-1-4277-725 83
M +43-699-172 071 81
igor.pikovski@univie.ac.at

Rückfragehinweis
Petra Beckmannova
(Büro Prof. Èaslav Brukner)
Quantum Optics, Quantum Nanophysics, Quantum Information
Universität Wien
1090 Wien, Boltzmanngasse 5
T +43-1-4277-512 05
arndt-office@univie.ac.at