Freier Fall in der Quantenwelt

Wenn im Vakuum ein Aufzug ungebremst zu Boden rast, wird eine Person in diesem Aufzug für kurze Zeit völlig schwerelos. Das ist die Folge des Äquivalenzprinzips, nach dem sich Schwerkraft und eine gleichmäßige Beschleunigung in ihrer Wirkung auf ein Objekt nicht voneinander unterscheiden lassen. Diesen fundamentalen Bestandteil von Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie überprüfte nun ein Team für ein Quantenobjekt mit dem Ergebnis: Auch in der Quantenwelt gehorcht der freie Fall Einsteins Vorhersage.

In der klassischen Welt großer Objekte fallen alle Körper gleich schnell – zumindest im Vakuum. Ob das ebenso in der Quantenwelt gilt, in der Teilchen auch als Welle beschrieben werden können, war bisher fraglich. Diesem Rätsel widmeten sich Ron Folman und seine Arbeitsgruppe mit etwa 20 000 Rubidiumatomen. Zunächst trennten sie einzelne Atome mit einem Mikrowellenpuls in jeweils zwei Pakete aus Materiewellen, also die Wellen, mit denen sich die Teilchen auch beschreiben lassen. Eines dieser Wellenpakete hielten die Forschenden mit einem Magnetfeld entgegen der Schwerkraft in der Schwebe. Das zweite Wellenpaket ließen sie über einen Zeitraum von etwa zwei Millisekunden einige Mikrometer frei fallen.

Überlagernde Wellen belegen Äquivalenzprinzip

Nach diesem freien Fall überlagerten sie die beiden Materiewellen wieder. Dabei kam es zu Interferenzeffekten, also einer gegenseitigen Auslöschung oder Verstärkung dieser Wellen. Die Messungen mit diesem Aufbau, dem sogenannten Quantum-Galileo-Interferometer, belegen eindeutig, dass sich auch die Materiewellen unter Einfluss der Schwerkraft genauso wie bei einer gleichmäßigen Beschleunigung verhalten.

Zwar liefert das Experiment einen Hinweis, dass Einsteins Äquivalenzprinzip auch in der Welt der Quanten gültig zu sein scheint. Ein endgültiger Beweis, dass das für alle Quantenobjekte und Quantenzustände gilt, ist das allerdings noch nicht.