Zusammenfassung:
Warum können Atome und Elementarteilchen seltsame Quantenverhalten zeigen, während die makroskopischen Objekte, mit denen wir täglich interagieren, bekannten klassischen physikalischen Gesetzen folgen? Physiker versuchen schon lange, dieses Rätsel zu lösen. Kürzlich wurde in einem unterirdischen Labor in Italien eine neue Studie durchgeführt, die eine in den 1960er Jahren vorgeschlagene Theorie eingehend überprüfte. Die Forscher haben 62 Tage lang ununterbrochen gemessen, konnten jedoch nicht das von der Theorie vorhergesagte schwache Strahlungssignal finden und schlossen daher dieses spezifische Modell als Erklärung für den Mechanismus des Verschwindens von Quantenphänomenen aus.
Diese Forschung wurde von relevanten Forschern des italienischen Nationalen Instituts für Kernphysik abgeschlossen und die Forschungsergebnisse wurden am 19. Juni 2026 im „New Journal of Physics“ veröffentlicht. Der Artikel trägt den Titel „Experimenteller Ausschluss eines generalisierten Karoi-Hazy-Schwerkraft-induzierten Dekohärenzmodells“. Die Forschungsergebnisse bedeuten nicht, dass es keinen Zusammenhang zwischen Schwerkraft und Quantenmechanik gibt, aber sie eliminieren einen theoretischen Weg, der die Aufmerksamkeit der Physikgemeinschaft auf sich gezogen hat, um zu verstehen, warum die makroskopische Welt keine offensichtlichen Quanteneffekte aufweist.
Die Forschung beinhaltet eines der berühmtesten Gedankenexperimente der Quantenphysik – Schrödingers Katze.
Im Jahr 1935 schlug der österreichische Physiker Erwin Schrödinger ein Gedankenexperiment vor: Eine Katze in eine geschlossene Kiste mit radioaktiven Atomen, Giftgasgeräten usw. zu setzen. Wenn die Atome zerfallen, setzt das Gerät giftige Gase frei und die Katze stirbt; Wenn die Atome nicht zerfallen, überlebt die Katze. Gemäß der Beschreibung des gesamten Systems durch die Quantenmechanik kann sich das System vor der Messung in einer Quantenüberlagerung verschiedener Zustände befinden, was zu dem berühmten Paradoxon führt, dass eine Katze sowohl lebendig als auch tot ist.
Schrödinger schlug dieses Gedankenexperiment nicht vor, um zu behaupten, dass Katzen tatsächlich im alltäglichen Sinne gleichzeitig leben und sterben können, sondern um die tiefgreifenden Probleme aufzuzeigen, mit denen die Anwendung der Quantentheorie auf die makroskopische Welt konfrontiert ist.
In der mikroskopischen Welt können sich Teilchen in einer Überlagerung mehrerer möglicher Zustände befinden und Quanteneigenschaften wie Interferenz aufweisen. Allerdings weisen Gegenstände des Alltagslebens nicht das gleiche offensichtliche Phänomen auf. Physiker bezeichnen den Prozess, bei dem Quanteninterferenzmerkmale immer schwieriger zu beobachten sind, nachdem ein Quantensystem mit seiner Umgebung interagiert, als „Dekohärenz“.
Umweltwechselwirkungen können erklären, warum viele makroskopische Objekte den Gesetzen der klassischen Physik zu folgen scheinen, aber welche Beziehung zwischen Quantenmechanik und Schwerkraft besteht und ob die Schwerkraft auch aktiv die Quantenüberlagerung zerstört, sind in der Grundlagenphysik noch offene Fragen.
In den 1960er Jahren schlug der ungarische theoretische Physiker Frijesh Karojhazy eine Theorie vor, die dieses Problem zu erklären versuchte. Er glaubt, dass es extrem kleine Fluktuationen in Raum und Zeit geben kann, die nicht vollständig vermieden werden können, und dass diese Fluktuationen den Überlagerungszustand des Quantensystems allmählich zerstören können, was es für große Objekte schwierig macht, weiterhin Quantenverhalten zu zeigen.
Dieser Gedankengang versucht, eine Verbindung zwischen der Quantenmechanik und Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie herzustellen. Die Allgemeine Relativitätstheorie beschreibt die Schwerkraft als Ergebnis der Krümmung der Raumzeit, und Karoljhazys Theorie geht noch weiter und geht davon aus, dass es in der Raumzeit selbst möglicherweise winzige Unsicherheiten gibt, die die Entwicklung von Quantensystemen beeinflussen könnten.
Jahrzehnte nachdem diese Theorie vorgeschlagen wurde, haben relevante Forscher sie neu formuliert und verbessert, um ihre Vorhersagen strengeren experimentellen Tests zu unterziehen. Die Forscher wollen experimentell feststellen, ob die hypothetischen Schwankungen in der Raumzeit tatsächlich messbare Auswirkungen auf die Materie haben.
Das Problem besteht darin, dass die von der Theorie vorgesehenen Raum-Zeit-Fluktuationen äußerst schwach sind und nicht direkt und routinemäßig gemessen werden können. Wenn diese Schwankungen jedoch existieren und geladene Teilchen zufällig beschleunigen können, sollten die Teilchen extrem schwache elektromagnetische Strahlung erzeugen.
Mit anderen Worten: Forscher müssen die Raumzeit selbst nicht direkt beobachten, sondern einfach nach den theoretisch vorhergesagten Strahlungssignalen suchen, um das Modell zu testen. Wenn das Signal existiert, wird es die Theorie stützen; Wenn die experimentelle Empfindlichkeit hoch genug ist, aber das erwartete Signal nie gefunden wird, können Forscher die entsprechenden theoretischen Parameter und Modelle einschränken oder sogar ausschließen.
Um dieses Experiment abzuschließen, wählte das Forschungsteam das Gran Sasso National Laboratory in Italien. Das Labor liegt etwa 1,4 Kilometer unter der Erde im Gran Sasso-Gebirge und ist eines der größten unterirdischen Labore für physikalische Grundlagenforschung weltweit.
Unterirdische Felsformationen können eine große Menge an kosmischer Strahlung und anderer Hintergrundstrahlung abschirmen und so externe Störungen reduzieren. Diese natürliche Abschirmung ist wichtig bei der Suche nach extrem schwachen Signalen, da die Strahlung aus der Umgebung weitaus stärker sein kann als das Zielsignal, das die Forscher einfangen möchten.
Im Experiment verwendeten die Forscher einen hochreinen Germaniumkristall als Kernkomponente des Detektors, der etwa die Größe einer Kaffeetasse hat. An der Außenseite des Detektors ist außerdem eine mehrschichtige Abschirmstruktur aus Kupfer und Blei angebracht, um den Einfluss der Hintergrundstrahlung weiter zu reduzieren.
Das Forschungsteam sammelte an 62 aufeinanderfolgenden Tagen Daten, analysierte und subtrahierte dann die erwartete Hintergrundstrahlung von den Messergebnissen und überprüfte dann, ob die verbleibenden Daten das vom Karoljhazy-Modell vorhergesagte spezifische Strahlungssignal enthielten.
Letztendlich fanden die Forscher keine Signale, die mit den Vorhersagen des Modells übereinstimmten.
Dieses Ergebnis bedeutet, dass das experimentell getestete Karoyhazy-Modell der schwerkraftinduzierten Dekohärenz nicht durch die Beobachtungsergebnisse gestützt werden kann. Damit schlossen die Forscher diese spezielle Version der Theorie aus und setzten neue Einschränkungen für zukünftige Studien, die versuchen, den Zusammenhang zwischen Quantendekohärenz und Schwerkraft zu erklären.
Catarina Curceanu, Mitglied des Forschungsteams und Forschungsleiterin am Frascati National Laboratory des italienischen Nationalinstituts für Kernphysik, wies darauf hin, dass das Fehlen des erwarteten Signals selbst ein wichtiges wissenschaftliches Ergebnis sei. Durch den Ausschluss eines seit langem etablierten und repräsentativen Modells der schwerkraftinduzierten Dekohärenz konnten die Forscher ihre Suche nach dem relevanten physikalischen Mechanismus weiter eingrenzen.
Diese Studie beweist jedoch nicht, dass die Schwerkraft niemals Quantensysteme beeinflussen kann, noch löst sie das größere Problem, wie Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie zu vereinen sind.
Verschiedene Theorien könnten die Schwerkraft über andere Mechanismen mit der Quantendekohärenz in Verbindung bringen, und ob diese Mechanismen wahr sind, bedarf noch einer weiteren experimentellen Überprüfung. Was dieses Experiment ausschließen konnte, waren bestimmte getestete Modelle, nicht alle Vorstellungen darüber, wie die Schwerkraft das Quantenverhalten beeinflusst.
Die Bedeutung der Forschung besteht auch darin, dass sie den Prozess grundlegender physikalischer Theorien zeigt, der sich allmählich von mathematischen Schlussfolgerungen zu präzisen experimentellen Tests entwickelt. In der Vergangenheit stützten sich einige Theorien zur Struktur von Raumzeit und Quantengravitation hauptsächlich auf mathematische Analysen und konzeptionelle Forschung, was es schwierig machte, Experimente zu entwerfen, die ihre Vorhersagen direkt überprüfen konnten. Da sich die Empfindlichkeit der Detektoren weiter verbessert, liefern einige Theorien allmählich konkrete Vorhersagen, die anhand experimenteller Daten überprüft werden können.
Karoyhazys Gedanken beschäftigen sich auch mit einer weiteren wichtigen Frage: ob Menschen Entfernungen und Positionen in Raum und Zeit mit unendlicher Genauigkeit messen können.
Im klassischen physikalischen Bild kann man sich im Allgemeinen vorstellen, die Position von Objekten mit zunehmender Genauigkeit zu messen. In der theoretischen Forschung zur Vereinheitlichung von Quantenmechanik und Schwerkraft hat jedoch die Frage, ob die Raumzeit noch über kontinuierliche Eigenschaften verfügt, die auf extrem kleinen Maßstäben mit unendlicher Präzision gemessen werden können, immer große Aufmerksamkeit erregt. Einige Bereiche der Quantengravitationsforschung, darunter die Stringtheorie und die Schleifenquantengravitation, beinhalten ein neues Verständnis der Struktur der Raumzeit auf extrem kleinen Skalen, aber verschiedene Theorien behandeln dieses Problem unterschiedlich.
Der Quantenphysiker Christian Pischia, der an dem Experiment beteiligt war, wies darauf hin, dass viele Ideen in der Quantengravitationsforschung das Konzept minimaler Längenskalen im Zusammenhang mit der Unsicherheit von Raum-Zeit-Messungen beinhalten. Dieses Experiment beweist jedoch nicht, ob die Mindestlänge tatsächlich existiert, sondern begrenzt vielmehr ein spezifisches Modell, das versucht, Raum-Zeit-Unsicherheit mit Quantendekohärenz zu verknüpfen.
Forscher glauben, dass Präzisionsexperimente nach und nach in der Lage werden, einige physikalische Hypothesen zu testen, die lange im Stadium theoretischer Spekulationen verblieben sind. Mit der Weiterentwicklung der experimentellen Technologie wird von Wissenschaftlern erwartet, dass sie in der Lage sind, genauer zu beurteilen, welche Theorien die reale Welt beschreiben können und welche Theorien überarbeitet oder aufgegeben werden müssen.
Von Schrödingers Katze über Raumzeitfluktuationen bis hin zur Quantengravitation enthüllt diese Forschung nicht direkt alle Geheimnisse, warum die makroskopische Welt die Gesetze der klassischen Physik aufweist, aber sie beseitigt eine Theorie, von der einst angenommen wurde, dass sie dieses Phänomen möglicherweise erklären könnte. Es dient als Erinnerung daran, dass der Wert wissenschaftlicher Theorien nicht nur in ihrer Fähigkeit liegt, überzeugende Erklärungen vorzuschlagen, sondern auch in ihrer Fähigkeit, klare, überprüfbare Vorhersagen zu treffen, die durch experimentelle Ergebnisse überprüft werden können.
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