Wissenschaftler mehrerer Universitäten arbeiten gemeinsam an einem Experiment namens „MAST-QG“, um herauszufinden, ob die Schwerkraft Quanteneigenschaften hat. Das Experiment beinhaltet das Schweben von Mikrodiamanten in einem Zustand der Quantenüberlagerung und zielt darauf ab, allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik zu kombinieren. Obwohl die Forschung komplex ist, könnte sie unser Verständnis der Schwerkraft grundlegend verändern und weitreichende Auswirkungen auf die Physik haben.
Wissenschaftler entwickeln ein Experiment, um zu testen, ob die Schwerkraft Quanten ist – eine der tiefgreifendsten Fragen in unserem Universum. In der Quantenmechanik, die das Verhalten von Atomen und Molekülen beschreibt, verhalten sich Objekte anders als alles, was wir kennen: Sie können sich gleichzeitig in einer Quantenüberlagerung zweier Orte befinden. Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik sind unsere beiden grundlegendsten Beschreibungen der Natur. Die Allgemeine Relativitätstheorie erklärt die Schwerkraft auf großen Skalen, während die Quantenmechanik das Verhalten von Atomen und Molekülen erklärt.
Jetzt arbeiten Wissenschaftler daran, herauszufinden, ob sich die Schwerkraft auf diese Weise verhält, indem sie winzige Diamanten im Vakuum schweben lassen. Wenn es sich bei der Schwerkraft um eine Quantengravitation handelt, könnte sie Diamanten „verschränken“ – ein interessantes Phänomen, das zwei Objekte auf eine Weise fest miteinander verbinden kann, die im Alltag unwahrscheinlich vorkommt.
Diese Forschung wird den Menschen helfen, die Geheimnisse der Schwarzen Löcher, des Urknalls und des Universums zu verstehen.
Die Herausforderung einer einheitlichen Theorie
Die wohl wichtigste offene Frage in der Grundlagenphysik ist die richtige Kombination der beiden Theorien – die Bestimmung, ob die Schwerkraft auf der Quantenebene wirkt. Während theoretische Studien viele Möglichkeiten aufzeigen, sind Experimente erforderlich, um das Verhalten der Schwerkraft vollständig zu verstehen.
Hundert Jahre lang schienen Experimente zur Quantennatur der Schwerkraft unerreichbar, doch nun werden Wissenschaftler der University of Warwick, der University of London, Los Angeles, der Yale University (USA), der Northwestern University (USA) und der University of Groningen (Niederlande) ihre Kräfte bündeln, um dieses Rätsel zu untersuchen.
Ihre neue Idee besteht darin, zwei Mikrodiamanten im Vakuum schweben zu lassen, sodass sich jeder Diamant gleichzeitig in einer Quantenüberlagerung zweier Orte befindet. Dieses kontraintuitive Verhalten ist ein grundlegendes Merkmal der Quantenmechanik.
Jeder Diamant kann als kleinere Version von Schrödingers Katze betrachtet werden. Der leitende Forscher Professor Gavin Morley vom Fachbereich Physik der University of Warwick erklärte: „Schrödingers Katze war ein Gedankenexperiment, das nahelegte, dass es sehr seltsam wäre, wenn sich Alltagsgegenstände (und Haustiere!) gleichzeitig in einer Quantenüberlagerung zweier Orte befinden könnten, und wir wollten die Grenzen dieser Idee testen.“
Atome und Moleküle haben diesen Überlagerungszustand erfolgreich erreicht, wir wollten dies jedoch mit größeren Objekten tun. Unsere Diamanten bestehen aus einer Milliarde oder mehr Atomen. Um die Quantennatur der Schwerkraft zu testen, werden wir nach Gravitationswechselwirkungen zwischen zwei solchen Diamanten suchen.
Wäre die Schwerkraft eine Quantengravitation, könnte sie zwei Diamanten miteinander verschränken. Verschränkung ist ein einzigartiger Quanteneffekt, bei dem zwei Dinge enger miteinander verbunden sind als in unserem Alltag. Wenn sich beispielsweise zwei Münzen verheddern könnten, könnten Sie feststellen, dass sie jedes Mal, wenn Sie sie werfen, auf die gleiche Weise landen, obwohl es unmöglich ist, im Voraus zu wissen, ob es sich um Kopf oder Zahl handelt. "
Herausforderungen und Auswirkungen
Bei der Verwirklichung dieser Idee gibt es viele Herausforderungen, denen sich das Team im Laufe des Projekts widmen wird. „Wir müssen zum Beispiel alle Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln eliminieren, mit Ausnahme der Schwerkraft, die so schwach ist, dass das eine große Herausforderung darstellt“, sagte Dr. David Moore von der Yale University.
Professor Morley, Gründungsdirektor von Warwick Quantum, einer neuen interdisziplinären Initiative in der Quantentechnologieforschung, fügte hinzu: „Für mich besteht die derzeit wichtigste Frage in der Physik darin, ein Experiment zu entwickeln, das die Quanteneigenschaften der Schwerkraft testen kann. Dieses neue Projekt wird unseren Fortschritt in Richtung dieses Ziels beschleunigen.“
Professor Sujato-Bose von der University of London, Los Angeles, kommentierte: „Die Bedeutung von Experimenten, die die richtige Kombination von Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie erforschen können, kann für Physiker nicht genug betont werden. Menschen, die Quantengravitationstheorien wie die Stringtheorie studieren, konzentrieren sich normalerweise auf hochenergetische Schwarze Löcher, was in der Nähe und beim Urknall passiert ist. Im Gegensatz dazu wurde unsere Arbeit in einer Niedrigenergieumgebung auf der Erde durchgeführt, aber sie wird auch wertvolle Informationen darüber liefern, ob Schwerkraft Quantengravitation ist.“ Darüber hinaus kann dieses Experiment auch als Bestätigung der allgemeinen Vorhersagen jeder Quantengravitationstheorie bei niedrigen Energien angesehen werden.“
Anupam-Mazumdar, Professorin an der Universität Groningen, fügte hinzu: „Auf dem Weg zum Verständnis der Quantennatur der Schwerkraft können wir möglicherweise andere Aspekte der Grundlagenphysik testen, beispielsweise singuläre Abweichungen von der Newtonschen Schwerkraft im Nahbereich.“
„Dies ist ein herausforderndes Experiment, und dieses Projekt ist ein Wegbereiter für die Lösung einiger der wichtigsten technischen Herausforderungen, um diese Tests der Quantenaspekte der Schwerkraft Wirklichkeit werden zu lassen“, sagte Andrew Geraci, außerordentlicher Professor am Fachbereich Physik der Northwestern University.
Das Projekt trägt den Namen „MAST-QG: Zeuge der makroskopischen Überlagerung der Quantennatur der Schwerkraft“.
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily