Erstmals Quanteneffekte der Schwerkraft beobachtet
Physikern der Universität Heidelberg ist es zusammen mit russischen und französischen Kollegen erstmals gelungen, Quanteneffekte der Gravitation experimentell nachzuweisen. Sie stellen ihr Experiment in der Fachzeitschrift Nature (Bd. 415, Nr. 6869, S. 297) vor.
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Das Paradebeispiel für die "Quantelung" physikalischer Größen ist das Atom. Quantelung bedeutet, dass bestimmte physikalische Größen nicht jeden beliebigen Wert annehmen können, sondern nur ganz bestimmte diskrete Werte, die vom jeweiligen System abhängen.
Bei einem Atom sorgt die elektromagnetische Kraft dafür, dass negativ geladene Elektronen den positiv geladenen Atomkern umkreisen. Während aber beispielsweise Satelliten die Erde in jeder beliebigen Höhe (bzw. mit jeder beliebigen Energie) umkreisen können, dürfen die Elektronen nur ganz bestimmte Energiewerte annehmen. Bahnen, deren Energiewert zwischen den erlaubten Energiewerten liegt, sind für die Elektronen tabu. Grund dafür sind die Quanteneffekte, die im Mikroskopischen, nicht aber in unserer makroskopischen Alltagswelt wirken.
Weil die Gravitation sehr viel schwächer ist als die anderen drei physikalischen Grundkräfte, lag der Nachweis von gravitativen Quanteneffekten bisher außerhalb der experimentellen Möglichkeiten. Hartmut Abele und seine Kollegen nutzten für ihr Experiment die Apparaturen des Instituts Laue-Langevin in Grenoble, mit denen sie ultrakalte Neutronen herstellten. Weil Neutronen keine elektrische Ladung tragen, werden die schwachen Gravitationskräfte nicht durch elektromagnetische Kräfte überdeckt. Ultrakalte Neutronen bewegen sich mit höchstens acht Metern pro Sekunde. Deshalb werden sie unabhängig vom Einfallswinkel immer von Spiegeln reflektiert.
In ihrem Experiment ließen die Physiker die Neutronen über einen horizontal liegenden Spiegel "hüpfen". Weil die Bewegungsenergie dieser Neutronen in der gleichen Größenordnung wie ihre Gewichtskraft liegt, kann man sich die Neutronen – zumindest in klassischer Näherung – tatsächlich wie hüpfende Gummibälle vorstellen: Die Schwerkraft zieht die Neutronen nach unten, ihre vertikale Geschwindigkeit wird dabei größer, sie treffen auf den Spiegel, werden nach oben reflektiert und ihre vertikale Geschwindigkeit nimmt unter dem Einfluss der Schwerkraft solange ab, bis sie wieder herunterfallen.
Die Höhe, die die Neutronen maximal erreichen können, ist durch ihre vertikale Anfangsgeschwindigkeit bzw. –energie begrenzt. Die Quantentheorie sagt nun voraus, dass die Neutronen unterhalb dieser Energiegrenze nicht jede beliebige Energie annehmen können, sondern nur ganz bestimmte Energiewerte. Abele und Kollegen rechneten aus, dass der niedrigste Energiewert, den die Neutronen gemäß der Quantentheorie annehmen dürfen, einer maximalen Vertikalgeschwindigkeit von 1,7 Zentimeter pro Sekunde entspricht bzw. einer maximalen "Hüpfhöhe" von 0,015 Millimeter.
Um dies nachzuprüfen, hängten die Physiker parallel über den Spiegel ein neutronenabsorbierendes Material, dessen Abstand zum Spiegel variiert werden konnte. Durch den Zwischenraum zwischen Spiegel und Absorber schickten die Forscher Neutronen verschiedener Energien. Solange der Abstand größer als 0,015 Millimeter war, konnten sie am anderen Ende der Anordnung Neutronen registrieren.
Doch sobald der Abstand diesen Wert unterschritt, konnten keine Neutronen mehr den Zwischenraum zwischen Spiegel und Absorber passieren. Wie es die Quantentheorie vorhergesagt hatte, konnten in dem Zwischenraum keine Neutronen existieren, die weniger hoch als 0,015 Millimeter hüpfen. Die Neutronen mussten einen der gequantelten Energiewerte annehmen, also mindestens eine Höhe von 0,015 Millimeter erreichen. Sie wurden deshalb vom Absorber "geschluckt".
Axel Tillemans
