Quelle: Leibniz Universität Hannover (LUH) 16. November 2023.

16. November 2023 – Der Erfolg ist ein weiterer Schritt auf dem Weg, die bisher nur auf der Erde verfügbaren Quantentechnologien ins All zu bringen. Physiker der Leibniz Universität Hannover (LUH) lieferten im Rahmen einer Zusammenarbeit mit Professor Nicholas Bigelow von der Universität Rochester die dafür notwendigen theoretischen Berechnungen. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler jetzt in der Fachzeitschrift Nature.

Die Forschungsergebnisse machen es nun möglich, nicht nur die Quanteneigenschaften einzelner Atomsorten zu untersuchen, sondern auch die Quantenchemie, die sich damit befasst, wie Isotope verschiedener Elemente miteinander interagieren und sich in einem Quantenzustand verbinden. Forschende können mit dem Cold Atom Lab jetzt eine breitere Palette von Experimenten durchführen und feiner ermitteln, wie sie unter Bedingungen der Mikrogravitation, also annähernder Schwerelosigkeit ablaufen.

Quantenchemie
Die physikalische Welt um uns herum beruht darauf, dass Atome und Moleküle nach festen Regeln miteinander verbunden bleiben. Diese Regeln können jedoch unterschiedlich stark ausgeprägt sein – abhängig von der Umgebung, in der sich die Atome und Moleküle befinden, beispielsweise in Schwerelosigkeit. Mit dem Cold Atom Lab können Szenarien erforscht werden, in denen die Quantennatur der Atome ihr Verhalten dominiert. Das kann bedeuten, dass sich Atome und Moleküle nicht mehr wie feste Kugeln, sondern eher wie Wellen verhalten.

In einem dieser Szenarien können die Atome in zwei- oder dreiatomigen Molekülen zwar aneinander gebunden bleiben, sich aber immer weiter voneinander entfernen, fast so, als würden sich die Moleküle aufplustern. Um diese Zustände zu untersuchen, müssen zunächst die Atome verlangsamt werden. Dazu werden sie auf Bruchteile eines Grades über der niedrigsten Temperatur abgekühlt, die Materie erreichen kann und die weit kälter ist als alles, was im natürlichen Universum vorkommt: der absolute Nullpunkt oder minus 273 Grad Celsius.

Auf der Erde konnten diese aufgeplusterten Moleküle in Experimenten mit ultrakalten Atomen bereits erzeugt werden, sie sind jedoch extrem fragil und brechen entweder schnell auseinander oder kollabieren wieder in einen normalen molekularen Zustand. Aus diesem Grund sind vergrößerte Moleküle mit drei Atomen noch nie direkt abgebildet worden. In Mikrogravitation können die empfindlichen Moleküle länger existieren und möglicherweise größer werden. Entsprechende Versuche sind nun mit dem Cold Atom Lab möglich.

Eine der großen Fragen der Physik
„Wir haben jetzt zum Beispiel völlig neue Möglichkeiten, das Äquivalenzprinzip von Einstein zu testen, eine der grundlegendsten Annahmen der Physik“, sagt Naceur Gaaloul vom Institut für Quantenoptik der LUH und Mitautor der neuen Studie. Das berühmte Prinzip besagt, dass die Schwerkraft auf alle Objekte unabhängig von ihrer Masse gleich wirkt. Physiklehrerinnen und -lehrer demonstrieren dieses Prinzip häufig, indem sie eine Feder und einen Hammer in eine versiegelte Vakuumkammer legen und zeigen, dass die beiden Objekte bei fehlender Luftreibung gleich schnell fallen.

Das Äquivalenzprinzip ist Teil von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, dem Rückgrat der modernen Gravitationsphysik, die beschreibt, wie sich große Objekte, wie Planeten und Galaxien, verhalten. Eine der großen Frage der modernen Physik ist jedoch, warum die Gesetze der Schwerkraft nicht mit den Gesetzen der Quantenphysik übereinzustimmen scheinen, die das Verhalten kleiner Objekte wie Atome beschreiben. Beide Bereiche haben sich in ihrem jeweiligen Größenbereich immer wieder als richtig erwiesen, bisher konnten sie aber nicht zu einer einzigen Beschreibung des Universums als Ganzes vereint werden.

Weltführend in ultrakalter Quantenphysik
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Leibniz Universität Hannover gehören zu den international führenden Expertinnen und Experten in der Quantenforschung bei extrem tiefen Temperaturen – sowohl auf der Erde als auch im Weltraum. So entwickelt die Topical Group „Cold Atoms in Space“ des Exzellenzclusters QuantumFrontiers neue Ideen für die fundamentale Quantenphysik. An den Anlagen Very Long Baseline Atom Interferometer und Einstein Elevator sind ultrakalte Atome das zentrale Element für bahnbrechende Experimente in der Atomoptik mit Anwendungen in der hochgenauen absoluten Gravimetrie und Tests der fundamentalen Physik.

Derzeit laufen auch die Vorbereitungen für den Start der Raketenmission MAIUS-2, die die Erzeugung von Mischungen von Quantengasen im Weltraum untersuchen wird und deren Ergebnisse die Grundlage für ehrgeizige Interferometrie-Missionen zusammen mit der NASA auf der Internationalen Raumstation ab 2027 bilden werden.

Originalartikel
Quantum Gas Mixtures and Dual-Species Atom Interferometry in Space
Elliott, E.R.; Aveline, D.C.; Bigelow, N.P. et al.
Nature 7987, 623 (2023)
DOI: doi.org/10.1038/s41586-023-06645-w
https://www.nature.com/articles/s41586-023-06645-w

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Quelle: Leibniz Universität Hannover und ZARM 13. Juli 2023.

13. Juli 2023 – Eine der grundlegendsten Annahmen in der fundamentalen Physik besagt, dass die verschiedenen Eigenschaften von Masse – Schwere, Trägheit und Anziehungskraft – im Verhältnis zueinander immer gleich bleiben. Wäre diese Äquivalenz nicht gegeben, würde das der Einsteinschen Relativitätstheorie widersprechen und unsere aktuellen Physikbücher müssten umgeschrieben werden. Obwohl alle bisherigen Messungen das Äquivalenzprinzip bestätigen, müsste es aus quantentheoretischer Sicht eigentlich eine Verletzung geben. Diese Unvereinbarkeit zwischen der Einsteinschen Gravitationsphysik und der modernen Quantentheorie ist der Grund, warum immer genauere Tests des Äquivalenzprinzips einen so hohen Stellenwert haben. Einem Team des Zentrums für angewandte Raumfahrttechnologie und Mikrogravitation (ZARM) der Universität Bremen ist es nun zusammen mit dem Institut für Erdmessung (IfE) der Leibniz Universität Hannover gelungen, mit 100-facher verbesserter Genauigkeit nachzuweisen, dass schwere und anziehende Masse immer gleich – also äquivalent – sind, unabhängig von der speziellen Zusammensetzung der jeweiligen Massen. Diese Forschungsergebnisse entstanden im Rahmen des Exzellenzclusters „QuantumFrontiers“ und wurden heute in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ als Highlight-Artikel veröffentlicht.

Physikalischer Hintergrund
Die träge Masse widersetzt sich der Beschleunigung und sorgt z. B. dafür, dass man beim Anfahren eines Autos nach hinten in den Sitz gedrückt wird. Die schwere Masse reagiert auf die Gravitation und sorgt auf der Erde für unser Gewicht. Die anziehende Masse bezieht sich auf die Anziehungskraft, die ein Körper ausübt, genauer gesagt die Größe seines Gravitationsfeldes. Für die Allgemeine Relativitätstheorie ist die Äquivalenz dieser Eigenschaften von grundlegender Bedeutung. Daher wird sowohl die Gleichheit von träger und schwerer Masse als auch die Gleichheit von schwerer und anziehender Masse mit immer höherer Genauigkeit getestet.

Was wurde untersucht?
Würde man hypothetisch davon ausgehen, dass schwere und anziehende Masse nicht gleich wären – ihr Verhältnis also vom Material abhängt – würden sich Objekte, die aus verschiedenen Materialien mit unterschiedlichen Massenmittelpunkten bestehen, selbst beschleunigen. Da der Mond aus einer Aluminiumhülle und einem Eisenkern besteht, deren Massenmittelpunkte gegeneinander versetzt sind, müsste sich dann eine Beschleunigung des Mondes ergeben. Diese hypothetische Geschwindigkeitsänderung könnte man dank des „Lunar Laser Ranging“ mit hoher Genauigkeit ausmessen. Dabei werden Laser von der Erde auf die Spiegel ausgerichtet, die von den Apollo-Missionen und dem sowjetischen Luna-Programm auf dem Mond platziert wurden. Seitdem werden die Laufzeiten der Laserstrahlen aufgezeichnet. Das Forschungsteam konnte nun die Daten des „Lunar Laser Ranging“ von über 50 Jahren, d. h. von 1970 bis 2022, analysieren und auf solche „Massenungleichheits“-Effekte untersuchen. Da kein Effekt zu finden war, bedeutet dies, dass die schwere und anziehende Masse bis auf ca. 14 Nachkommastellen gleich ist. Das ist eine um zwei Größenordnungen bessere Abschätzung gegenüber der bisher besten Untersuchung von 1986.

Weltweit führend
Über diese neuesten Forschungsergebnisse zur Gleichheit der schweren und anziehenden Masse hinaus war das ZARM auch wesentlich an verbesserten Resultaten zu Gleichheit der trägen und schweren Masse beteiligt. Damit hat das Forschungsinstitut an der Universität Bremen bei allen Experimenten zum Äquivalenzprinzip maßgeblich dazu beigetragen, die Präzision der Ergebnisse erheblich zu verbessern.

Publikation:
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.021401.
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.021401.

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