Zwei bedeutende Theorien der Physik erklären, wie unsere Welt im Großen und Kleinen funktioniert: Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie bezieht sich auf kosmische Dimensionen und das Phänomen der Gravitation; die Quantenmechanik dagegen beschreibt Prozesse auf Ebene einzelner Teilchen. Beide Theorien gelten als hervorragend belegt und wurden über rund hundert Jahre hinweg immer wieder mit Experimenten bestätigt. Das Problem: Die beiden Theorien scheinen sich zu widersprechen. Trotz jahrzehntelanger Forschung ist es noch nicht gelungen, sie zu vereinen.
100 Jahre alte Technik neu genutzt
Einen bedeutenden Schritt in diese Richtung hat nun ein Team um Raffaele Silvestri von der Universität Wien gemacht. Mit einem raffinierten Versuchsaufbau haben die Forschenden die Auswirkungen der Erdrotation auf verschränkte Lichtquanten gezeigt. Grundlage des Experiments ist ein sogenanntes Sagnac-Interferometer, benannt nach dem französischen Physiker Georges Sagnac (1869-1926).
Bereits vor mehr als 100 Jahren, im Jahr 1913, hatte Sagnac einen Effekt nachgewiesen, der später nach ihm benannt wurde: Wenn zwei Lichtstrahlen in einem rotierenden System in entgegengesetzter Richtung auf einer Kreisbahn gelenkt werden, braucht der Lichtstrahl, der entgegen der Rotationsrichtung läuft, etwas länger als der Strahl, der in Richtung der Rotation läuft – wie von der Relativitätstheorie vorhergesagt. Das System ist so empfindlich, dass selbst die Rotation der Erde den einen Strahl minimal verzögert. Bis heute gelten Sagnac-Interferometer, die genau diese Verzögerung messen, als die präzisesten Geräte zur Bestimmung der Erdrotation.
Verschränkte Lichtteilchen auf gegenläufiger Bahn
Silvestri und sein Team haben nun den gleichen Versuchsaufbau genutzt. Doch statt normaler Lichtstrahlen nutzten sie zwei quantenmechanisch verschränkte Lichtteilchen. Die solcherart gekoppelten Teilchen verhalten sich wie ein einziges Teilchen, das gleichzeitig in die eine und in die andere Richtung läuft. Das Forschungsteam schickte die Paare verschränkter Photonen durch ein Sagnac-Inferometer mit einer Gesamtfläche von über 700 Quadratmetern. Das Kernstück bildete eine 1,40 Meter große Spule, umwickelt mit zwei Kilometern Glasfaserkabel. Am Ende der Bahn registrierte ein Detektor, wann die Photonen dort eintrafen.
Tatsächlich kamen die verschränkten Lichtteilchen leicht versetzt am Detektor an – ähnlich wie bei einem mit normalem Licht arbeitenden Sagnac-Interferometer. Um nachzuweisen, dass dies wirklich auf den Effekt der Erdrotation zurückzuführen ist, standen die Forschenden allerdings vor einer Herausforderung: Sie brauchten einen Vergleichswert ohne die Rotation der Erde. „Wir können die Erdrotation aber natürlich nicht stoppen“, sagt Silvestri. Stattdessen nutzte das Team einen Trick: „Wir haben die Glasfaser in zwei gleich lange Spulen aufgeteilt und diese über einen optischen Schalter miteinander verbunden“, erklärt Silvestri. Der Schalter ermöglicht, die Rotationsrichtung auf der Hälfte des Weges umzukehren, sodass die Teilchen unabhängig vom tatsächlichen Rotationszustand immer zeitgleich am Ausgangspunkt ankommen müssten. „Wir haben dem Licht im Grunde genommen vorgegaukelt, dass es sich in einem nicht rotierenden Universum befindet“, so Silvestri.
