Beim Phänomen der Quantenüberlagerung ist der Quantenzustand eines Teilchens unbestimmt und es kann mehrere Zustände gleichzeitig einnehmen. Erst eine Messung lässt die Überlagerung kollabieren und legt den Zustand des Teilchens fest. Diese Superposition bildet die Grundlage für Quantencomputer und viele weitere quantenphysikalische Anwendungen. Sie wurde schon bei Atomen, Ionen, Molekülen und sogar Metallklümpchen aus tausenden Atomen nachgewiesen.
Doch warum funktioniert diese Überlagerung nicht auch bei „normalen“ Objekten? „Warum das Quantenverhalten, das Atome und Elementarteilchen bestimmt, in unserer makroskopischen Alltagswelt verschwindet, ist eine der grundlegendsten Fragen der modernen Physik“, erklärt Seniorautorin Catalina Curceanu vom italienischen Nationalinstitut für Kernforschung.
Das Gedankenexperiment von Schrödingers Katze: Das Tier sitzt mit radioaktivem Material und Gift in einer Box. Ereignet sich ein Kernzerfall, stirbt sie. Doch solange man nicht nachschaut, ist ihr Zustand unbestimmt – sie ist tot und lebendig zugleich. — © Dana Kulbayeva/ iStock
Ist die Raumzeit schuld?
Eine mögliche Ursache postulierte der ungarische Physiker Frigyes Károlyházy in den 1960er Jahren: Er vermutete, dass die Gravitation die Überlagerung in der makroskopischen Welt zum Kollaps bringt. Konkret nahm er an, dass die von Albert Einstein definierte Raumzeit im kleinsten Maßstab „schwammig“ ist und winzige Fluktuationen aufweist. Diese „erodieren“ die Kohärenz der Quantenüberlagerung vor allem bei größeren Objekten und führen zu einem Kollaps der Kohärenz.
Allerdings: Ob es diese Fluktuationen der Raumzeit wirklich gibt, ist unbekannt, denn sie lassen sich nicht direkt nachweisen. Aber es könnte indirekte Hinweise auf diesen Effekt geben – und nach diesen haben die Physiker um Curceanu nun gesucht. Der Theorie nach müssten geladene Teilchen auf diese Fluktuationen reagieren, sich bewegen und dabei eine extrem schwache elektromagnetische Strahlung freisetzen. Diese ist jedoch schwach, dass sie unter normalen Bedingungen im Hintergrundrauschen untergeht.
Messungen unter 1400 Metern Felsgestein
Doch es gibt einen Ort, an dem sich diese verräterische Strahlung messen lassen müsste: das Untergrundlabor von Gran Sasso in den Alpen. Die unterirdischen Hallen dieses Teilchenforschungslabors liegen abgeschirmt unter 1400 Meter Fels. „Die natürliche Abschirmung durch das Gestein macht es zu einem der ruhigsten Orte auf der Erde – gut geeignet, um extrem seltene physikalische Phänomene zu detektieren“, erklärt Curceanu.
Für ihr Experiment nutzten die Physiker eine durch mehrere Schichten Blei und Kupfer isolierte Messapparatur. Ihr Zentrum bildete ein hochreiner Germaniumkristall. Über 62 Tage hinweg zeichneten die Forschenden das Emissionsspektrum des Kristalls auf. Durch zusätzliche Messungen ermittelten sie das Hintergrundrauschen im Messblock – auch durch die für Abschirmung und Messung verwendeten Materialien – und zogen dieses von den gemessenen Strahlungswerten ab.
Fehlendes Signal widerlegt Károlyházys Theorie
Das Ergebnis: Nach Abzug aller Störfaktoren und der Hintergrundstrahlung blieb nichts übrig. Das von Károlyházys Theorie vorhergesagte Signal war nicht zu finden. „Dieses Fehlen des Signals ist ein wichtiges wissenschaftliches Ergebnis“ erklärt Curceanu. Denn wenn der Kollaps der Überlagerung durch die Gravitation und die von der Theorie angenommene Eigenheit der Raumzeit verursacht wird, dann müsste sich dies in diese Messungen zeigen.
„Unser Experiment widerlegt damit den von Károlyházy postulierten Dekohärenzmechanismus, selbst in seiner erweiterten Gaußschen Form“, berichten die Physiker. Das bedeutet zwar nicht, dass die Gravitation als Ursache ausscheidet, sie kann trotzdem entscheidend dafür sein, dass die Überlagerung bei makroskopischen Objekten zusammenbricht. Aber die Resultate schließen viele gravitationsbasierte Theorien nun aus und engen das Feld der möglichen Erklärungen weiter ein.
Und nun?
„Unsere Arbeit grenzt die Suche nach einer Theorie ein, die das Zusammenspiel von Gravitation und Quantenmechanik beschreibt“, sagt Curceanu. „Das bringt uns der Lösung eines der tiefsten Rätsel der Grundlagenphysik einen weiteren Schritt näher.“ Noch im Rennen ist unter anderem die gravitative Zeitdehnung als möglicher Urheber der Dekohärenz. Diesen Erklärungsansatz haben Physiker bereits im Jahr 2015 vorgestellt. Bisher fehlen jedoch die technischen Voraussetzungen für Tests dazu.
Quelle: Nicola Bortolotti (Universität Rom) et al., New Journal of Physics, 2026; doi: 10.1088/1367-2630/ae774c
