Braucht Gravitation eine Quantentheorie?

Herr Aspelmeyer, in Ihrer Forschung gehen Sie der Frage nach, ob Gravitation den Gesetzen der Quantenwelt folgt. Können Sie die Stoßrichtung Ihrer Arbeit kurz skizzieren?

Markus Aspelmeyer: In der Quantenwelt können sich Objekte so verhalten, als wären sie an zwei Orten gleichzeitig. Dieses Phänomen der Quantenüberlagerung oder auch Superposition widerspricht unserer Alltagserfahrung vollständig, ist in Experimenten aber nachweisbar. Gleichzeitig wissen wir, dass jede Masse eine Quelle von Gravitation ist. Albert Einstein hat gezeigt, dass sich die Raumzeit um Masse krümmt und diese Krümmung für die Gravitationseffekte verantwortlich ist.

Die Frage, die allerdings noch offen ist, lautet: Was passiert mit dem Gravitationsfeld eines Objekts, das sich in Quantenüberlagerung befindet? Wir nehmen an, dass die Raumzeit selbst ebenfalls in Überlagerung sein muss. Jedoch haben wir bisher keinen experimentellen Nachweis dafür. Wir möchten also herausfinden, ob es Gravitationsexperimente gibt, die sich nicht mehr durch Einsteins Relativitätstheorie erklären lassen, sondern für die eine Quantentheorie der Gravitation nötig ist.

Wie kann man sich ein Experiment dieser Art vorstellen?

Aspelmeyer: In den letzten 20 Jahren haben wir Methoden entwickelt, mit denen wir Festkörper in der Größe eines Sandkorns so manipulieren können, dass sie mit den Gesetzen der Quantenphysik beschrieben werden müssen. Diese Quantenobjekte bestehen aus vielen Milliarden Atomen und sind teilweise bereits mit freiem Auge sichtbar. Damit sind sie groß genug, um die Frage zu stellen, ob man ihr Gravitationsfeld messen kann. 

Einerseits wollen wir diese Objekte noch größer machen. Andererseits entwickeln wir extrem präzise Messsysteme, um die Gravitation von kleinsten Massen erfassen zu können. Noch trennen uns mehrere Größenordnungen davon, diese beiden Welten zusammenzuführen. Eine zweite Aufgabe ist noch schwieriger: Wir müssen die Quantenobjekte in Überlagerung bringen und die Gravitationsfelder der beiden Überlagerungszustände separat messen können. 

Inwiefern kommt man damit einer "Weltformel" näher, die Relativitätstheorie und Quantenmechanik zusammenführt?

Aspelmeyer: Schon Einstein hat angemerkt, dass die Allgemeine Relativitätstheorie nicht ausreicht, um alle Gravitationsphänomene zu beschreiben. Er ging davon aus, dass mit einer Quantentheorie auch die damals neue Gravitationstheorie modifiziert werden müsse. Sind wir erfolgreich, würde sich diese Vermutung bestätigen. Wir wären dann sicher, dass es auch eine Quantentheorie der Gravitation geben muss. Am Papier existieren theoretische Erklärungsmodelle. Wir wissen aber nicht, ob sie tatsächlich die Natur beschreiben – weil es bisher nicht möglich war, sie zu testen.

Nobelpreisträger Anton Zeilinger hat durch seine quantenoptischen Durchbrüche die Quantenphysik revolutioniert. Inwiefern bauen Sie bei Ihrer Arbeit auch auf seiner Grundlagenforschung auf?

Aspelmeyer: Ohne Zeilinger wäre ich nicht dort, wo ich jetzt bin. Er hatte den Mut, mich in seine Gruppe aufzunehmen, obwohl ich aus einem ganz anderen Forschungsfeld – der Festkörperphysik – komme. Das hat mich zu meiner langjährigen Beschäftigung mit Quanteneigenschaften von Festkörperobjekten geführt. Ich war damals Teil einer neu gegründeten Nachwuchsgruppe in Wien und habe von Zeilinger volle Freiheit bekommen, meine Ideen zu verfolgen. Der nächste Schritt war dann der Schwenk hin zur Gravitation – ein weiterer thematischer Bruch in meiner Forschungslaufbahn.

Für Experimente im Bereich der Quantenphysik müssen oft aufwendige Instrumente neu entwickelt werden, die auch für eine weitere Anwendungsforschung interessant sind. Kann sich aus Ihrer Forschungsarbeit auch eine kommerzielle Nutzbarkeit ergeben? 

Aspelmeyer: Ja, durchaus. Der Bereich der Sensorik ist naheliegend. Wir müssen bei unseren Instrumenten in Bereiche vordringen, die bisher nicht messbar waren – etwa um Gravitation auf kleinsten Skalen zu erfassen. Diese Art von Quantensensoren müssen wir von Grund auf entwickeln. Es ist nicht ausgeschlossen, dass es dafür auch einen Markt gibt. Wenn Bedarf da ist und es Leute mit Interesse an Anwendungsforschung in der Gruppe gibt, steht einer Kommerzialisierung nichts entgegen. In Österreich gibt es dafür ja viele attraktive Möglichkeiten.

Der Wittgenstein-Preis verleiht Ihrer Forschungsgruppe neuen Freiraum. Welche Auswirkungen wird das auf Ihre Arbeit und das Erreichen des Forschungsziels haben?

Aspelmeyer: Die neue Finanzierung wird unsere Forschung definitiv nach vorne katapultieren. Wir sind derzeit die einzige Gruppe weltweit, die mit kleinen Massen sowohl Gravitations- als auch Quantenexperimente macht. In beiden Bereichen versuchen wir, Rekorde zu brechen. Der Wittgenstein-Preis gibt uns Unabhängigkeit und Momentum, um unseren einzigartigen Ansatz voranzutreiben. Wir spielen mit unserer Forschung in der Champions League und die Auszeichnung ist ein wichtiger Schritt Richtung Meisterschaft. 

Wie sehen nun erste weitere Schritte aus? 

Aspelmeyer: Unsere wichtigste Ressource ist das Personal. Wir haben ein gutes internationales Bewerberfeld und wir werden uns bemühen, dass wir herausragende Forscher*innen aus aller Welt ins Team hineinbekommen. Die Gruppe ist schon jetzt sehr international mit Leuten aus 17 Nationen. Wir müssen zudem genau überlegen, wo wir bei den bereits laufenden Experimenten nachschärfen, wo wir die Gangart ändern. Mir wurde einmal gesagt, die schwierigste Entscheidung sei, welches Experiment man aufhört, nicht welches man anfängt. Da ist etwas dran. 

Ist das Wettrennen nach dem Heiligen Gral der Physik – herauszufinden, wie Relativitätstheorie und Quantenwelt zusammenhängen – Ihr eigentlicher Antrieb, oder hat sich dieses Ziel organisch aus Ihrer bisherigen Forschung ergeben?

Aspelmeyer: Auf jeden Fall Letzteres. Ich habe immer nur das gemacht, was mich interessiert hat. Unsere Motivation ist intrinsisch. Ich habe mehr als einmal die Erfahrung gemacht, dass der Wettbewerb erst nach dem Erfolg kommt: Man schafft als Erstes ein tolles Experiment, generiert dadurch Aufmerksamkeit und andere Forschungsgruppen beginnen sich für das Thema zu interessieren. Es ist aber eine "friendly competition": Man lernt voneinander, hält sich auf dem Laufenden und treibt gemeinsam das Forschungsfeld voran. Letztlich gibt es kaum etwas Schöneres, als zu beobachten, wie eine Community heranwächst – wie aus ein paar Ideen, die man ursprünglich verfolgt hat, eine ganze Gemeinschaft entsteht.

Interview von Alois Pumhösel FWF-Magazin scilog; Videos: Universität Wien