Galileo Galilei beobachtete es, Isaac Newton formulierte es aus und Albert Einstein machte es zu einem Grundpfeiler seiner Allgemeinen Relativitätstheorie: Das Äquivalenzprinzip besagt, dass Gravitation und Beschleunigungen in Abwesenheit anderer Kräfte auf alle Objekte gleich wirken – unabhängig von deren Masse und Zusammensetzung. Dadurch fallen beispielsweise eine Feder und eine Bleikugel im Vakuum gleich schnell.
Verbindung gesucht: Einstein und die Quantenmechanik
Aber gilt das Äquivalenzprinzip auch in der Quantenwelt? „Bisher stehen die beiden Grundpfeiler der Physik – Quantenmechanik und Allgemeine Relativität – unvereinbar nebeneinander“, erklären Or Dobkowski von der Ben-Gurion-Universität des Negev und seine Kollegen. „Sie zu verbinden, bleibt eine der wichtigsten offenen Fragen der Physik.“ Entsprechend intensiv suchen Physiker nach Schnittstellen zwischen beiden.
Theoretische Modelle sagen voraus, dass der freie Fall ein Quanten-Wellenpaket in bestimmter Weise beeinflussen müsste – sofern das Äquivalenzprinzip auch in der Quantenwelt gilt. Verglichen mit einem statischen, unbewegten Quantenteilchen müsste ein unter dem Einfluss der Erdschwerkraft fallendes Quantenobjekt hinterher eine bestimmte Phasenverschiebung zeigen. „Erstaunlicherweise ist diese Phase aber noch nie gemessen worden“, berichten die Physiker.
Verschränkte Wellenpakete im freien Fall
Dieses Experiment haben Dobkowski und seine Kollegen nun nachgeholt. Dafür kühlten sie eine Wolke Rubidiumatome bis knapp über dem absoluten Nullpunkt ab und platzierten sie in einer Vakuumkammer. Mithilfe von Mikrowellen brachten sie die Atome dann in den Zustand der quantenphysikalischen Verschränkung. Quantenphysikalisch lassen sich die Atome auch als verschränkte Wellenpakete beschreiben.
Nun folgte der Falltest, für den die Physiker ein neuartiges Messinstrument entwickelten. Dieses sogenannte Quantum Galileo Interferometer (QGI) nutzt einen Atomchip, um genau dosierte Magnetpulse und Magnetgradienten zu erzeugen. Gleichzeitig kann es die Phasen der quantenphysikalischen Wellenpakete mittels Interferenz vergleichen – und damit die theoretischen Vorhersagen überprüfen.
Für den Test blieb eines der verschränkten Wellenpakete vom Magnetfeld gehalten in der Schwebe. Dieses Wellenpaket diente als Referenz. Das andere Wellenpaket wurde durch einen Magnetpuls erst in die Höhe gehoben, dann fallengelassen. Dieses Quantenobjekt befand sich dadurch kurze Zeit im freien Fall, bevor es wieder auf Höhe des Referenz-Wellenpakets ankam. Nun verglichen die Physiker die Phasen beider Wellenpakete.
Schematischer Aufbau des Experiments. Von zwei quantenphysikalisch verschränkten Wellenpaketen wird eins statische halten, das andere durchläuft eine ballistische Kurve und in dessen zweiter Hälfte einen freien Fall. — © Dobkowski et al./ Science Advances, CC-by-nc 4.0
Phasenmessung bestätigt Äquivalenzprinzip bei Quanten
Bei den Messungen zeigte sich tatsächlich eine winzige Veränderung, deren Wert dem theoretisch Vorhergesagten entsprach. „Wir haben mit hoher Zuverlässigkeit die Phase bestätigt, die für die Gültigkeit des Äquivalenzprinzips bei einem frei fallenden Wellenpaket spricht“, berichten Dobkowski und seine Kollegen. „Unser Experiment fungiert damit als grundlegender Test an der Schnittstelle zwischen Quantentheorie und Gravitation.“
Die Physiker folgern daraus: „Die Natur scheint – zumindest bei diesen geringen Massen und Energien – die Quantenmechanik und das Äquivalenzprinzip miteinander vereinbaren zu können“, erklären sie. Ob dies jedoch auch dann gilt, wenn die verschränkten Quantenobjekte schwerer und energiereicher sind, ist noch offen. Dobkowski und sein Team sehen ihr Experiment aber als wichtigen Schritt, um künftig auch dies zu testen.
Zartes Bindeglied getrennter Welten
Zwar bleiben Quantenmechanik und Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie auch nach diesem Experiment noch zwei getrennte „Säulen“ unseres physikalischen Weltbilds. Aber die Tatsache, dass das Äquivalenzprinzip sich auch auf die Quantenwelt übertragen lässt, zeigt zumindest einige Berührungspunkte – und mögliche Ansatzstellen für die lange gesuchte Verbindung zwischen beiden, wie das Team erklärt.
„Unser Experiment liefert Hinweise darauf, wie eine solche Vereinigung dieser Säulen der modernen Physik in einem theoretischen Gesamtkonzept gelingen könnte“, sagt Seniorautor Ron Folman von der Ben-Gurion-Universität.
Quelle: Or Dobkowski (Ben-Gurion University of the Negev, Be’er Sheva) et al., Science Advances, 2026; doi: 10.1126/sciadv.aec8045
