Physiker haben einen Detektor weit unterhalb des italienischen Berges Gran Sasso platziert, und er hat nichts gefunden. Das Experiment suchte nach schwacher Strahlung, die aufzeigen könnte, ob die Gravitation Quantensuperpositionen zerstört, und hat diese nicht festgestellt. Das Team berichtete über keine Anzeichen des Signals, das es erwartete, nach 62 Tagen Messungen, und das Ergebnis wurde nun in der New Journal of Physics veröffentlicht.
Das Foundational Questions Institute (FQxi) finanzierte das Experiment, das eine der am längsten bestehenden Vorschläge darüber auf die Probe stellte, warum die Quantenmechanik im Alltag versagt. Der Vorschlag lässt sich auf den ungarischen Physiker Frigyes Károlyházy zurückführen, der in den 1960er Jahren vorschlug, dass die Gravitation selbst der Grund für den Kollaps von Quantensuperpositionen sein könnte.
Dekohärenz und die Katze
Eine Katze in einer Box in Schrödingers Gedankenexperiment ist gleichzeitig lebendig und tot, bis ein Beobachter die Box öffnet und hineinschaut. Dies veranschaulicht den eigentümlichen Zustand der Superposition, der nach Quantenmechanik Partikeln erlaubt, gleichzeitig in mehreren Zuständen zu existieren. In der alltäglichen Realität verhalten sich Objekte dagegen normal: eine Katze ist entweder lebendig oder tot, nicht beides.
Dekohärenz beschreibt den Übergang von der eigentümlichen Welt der Quantenphysik zur gewöhnlichen. Wissenschaftler sind seit Jahrzehnten darüber verwirrt, was diese verursacht, und eine mögliche Antwort deutet darauf hin, dass die Gravitation eine Rolle spielt. Károlyházys Vorschlag besagt, dass die Gravitation kleine, unvermeidliche Veränderungen in der Raumzeit bewirkt, und diese Veränderungen lassen Superpositionen allmählich zusammenbrechen.
Der Detektor im Fels
1,4 Kilometer unter der Erde, wo die Schichten oben einen Großteil der Hintergrundstrahlung abschirmen, die andernfalls ein so schwaches Signal überdecken würde, befindet sich das Gran Sasso National Laboratory. Darin steht der Detektor im Herzen des Experiments, der um ein kaffeetassen-großes Stück hochreinen Germaniumkristalls gebaut ist, der in Schichten aus Kupfer und Blei eingeschlossen ist.
62 Tage lang sammelten sie ihre Daten, dann entfernten sie die erwartete Hintergrundstrahlung. Was übrig blieb, wurde mit dem Signal verglichen, das das Károlyházy-Modell vorhersagte. Das Ergebnis war eindeutig: es erschien kein Signal.
Die Tatsache, dass das Instrument nichts festgestellt hat, ist an sich schon eine bedeutende wissenschaftliche Erkenntnis. Durch die Eliminierung eines der ältesten und natürlichsten Modelle für durch Gravitation verursachte Dekohärenz verengt die Forschung die Suche nach der Theorie, die erklärt, wie Gravitation und Quantenmechanik interagieren.
Die leiseste Umgebung der Erde
Die Leiterin des Forschungsteams und die Sprecherin der VIP-Zusammenarbeit am Nationalen Labor Frascati des Nationalen Instituts für Kernphysik (INFN-LNF) in Italien, Curceanu, beschrieb die Einrichtung direkt. Sie sagte, dass „die natürliche Abschirmung durch das Gestein eine der leisesten Umgebungen auf der Erde für die Detektion extrem seltener physikalischer Phänomene schafft“, sie nach einem Teilchen suchten, das inmitten unzähliger Neutrinos nahezu unsichtbar wäre, und dass das Experiment so konzipiert war, um jedes Zeichen davon zu fangen.
Der ganze Sinn der Einrichtung besteht aus dieser Ruhe. Das Experiment sucht nach einem Signal, das so empfindlich ist, dass es vollständig unter dem Rauschen aus anderen Quellen verschwinden könnte, darunter kosmische Strahlung. Das Gestein über dem Labor erledigt den Großteil der Arbeit und reduziert das Rauschen, das das Signal sonst überdecken würde.
Das Károlyházy-Modell
Angelo Bassi und sein Team haben die Idee von Károlyházy weiterhin beachtet und wurde kürzlich von FQxi verfeinert und umformuliert. Sie haben ein Modell entwickelt, das auf der Annahme beruht, dass es eine natürliche Grenze für die Präzision gibt, mit der wir die Position eines Objekts messen oder einen Abstand bestimmen können.
Seit der Vorschlag dieses Modells sind ähnliche Ideen in mehreren modernen Versuchen aufgetaucht, die Gravitation und Quantenmechanik vereinen wollen, darunter die Stringtheorie und die Schleifenquantengravitation. „Jeder Ansatz der Quantengravitation endet damit, die Existenz einer minimalen Länge vorherzusagen, die mit der Unsicherheit bei der Messung der Raumzeit verbunden ist“, sagt Kristian Piscicchia, ein Quantenphysiker am Enrico Fermi Forschungszentrum/INFN/VIP in Italien und der experimentelle Leiter der neuen Studie.
Das Modell sagt voraus, dass die Gravitation kleine, unvermeidliche Störungen in der Raumzeit verursacht. Im Laufe der Zeit würden diese Störungen allmählich Quantensuperpositionen unterbrechen. Dieser Mechanismus könnte eine Erklärung dafür bieten, warum große Objekte nicht in den bizarren Zustandscombinationen verbleiben, die durch die Quantenmechanik erlaubt sind.
Die Suche nach dem schwachen Signal
Obwohl die Raumzeitfluktuationen nicht direkt nachweisbar sind, würden sie eine beobachtbare Spur hinterlassen, wenn sie existieren.
- Elektrisch geladene Teilchen würden zufällig wandern und beschleunigen.
- Diese Teilchen würden extrem schwache elektromagnetische Strahlung aussenden.
Die Extraktion dieses schwachen Signals ist schwierig, da es unter der Strahlung anderer Quellen verloren gehen könnte, darunter kosmische Strahlung.
Daher erfüllt Gran Sasso seinen Zweck so gut. Das Labor ist unter 1,4 Kilometern Gestein vergraben, und dieses Gestein schirmt es vor Strahlung ab und blockiert einen Großteil des Hintergrundrauschens, das die Suche andernfalls erschweren würde.
Ein schmaler Weg vor uns
Dieses Ergebnis eliminiert eine potenzielle Erklärung, anstatt die Debatte zwischen Gravitation und Quantendekohärenz zu klären. Die Tatsache, dass kein Signal entdeckt wurde, ist an sich eine bedeutende wissenschaftliche Erkenntnis. Durch die Eliminierung eines der ältesten und natürlichsten Modelle für gravitationsbedingte Dekohärenz verengt die Forschung die Suche nach der Theorie, die erklärt, wie Gravitation und Quantenmechanik interagieren.
Diese Entdeckung beweist nicht, dass die Gravitation keinen Einfluss auf die Quantendekohärenz hat. Sie eliminiert eine bedeutende Erklärung für diese Verbindung und verengt die Grenzen dessen, was zukünftige Theorien über das Verhältnis der Gravitation zur Quantenmechanik beinhalten können.
Curceanu bezeichnete das Ergebnis als eine bedeutende wissenschaftliche Erkenntnis. Durch die Ablehnung eines der natürlichsten und ältesten Modelle für gravitationsbedingte Dekohärenz verengt die Arbeit die Suche nach der Theorie, die den Zusammenhang zwischen Gravitation und Quantenmechanik abbildet, und bringt uns einen Schritt näher an das Verständnis eines der tiefsten Rätsel der fundamentalen Physik.
Die Ergebnisse schließen eine prominente Erklärung aus, die mit der Gravitation zusammenhängt. Sie erschienen im Juni 2026 in der New Journal of Physics.
Das Experiment auf einen Blick
| Element | Detail |
|---|---|
| Modell | Károlyházys Modell, wiederbeleb durch Angelo Bassi und Kollegen |
| Detektor | Kaffeetassen-großer Germaniumkristall, umgeben von Kupfer und Blei |
| Standort | INFN Gran Sasso National Laboratory, unter 1,4 Kilometern Gestein |
| Messung | 62 Tage Daten, Hintergrundstrahlung entfernt |
| Ergebnis | Kein Signal festgestellt. |
Die Studie fand im INFN Gran Sasso National Laboratory (INFN-LNGS) statt, der weltweit größten unterirdischen Einrichtung für die Grundlagenphysik. Die Apparatur befindet sich innerhalb schwerer Abschirmung, und die Datenerfassung erstreckte sich über einen erheblichen Zeitraum, damit die Ermittler ihr Signal von der konstanten Hintergrundstrahlung trennen konnten, die es andernfalls verdecken würde.
Die Methode des Experiments war einfach. Gemäß dem Károlyházy-Modell verursacht Schwerkraft Schwankungen in der Raumzeit, die ein schwaches elektromagnetisches Signal von beschleunigenden Teilchen erzeugen sollten. Durch die Entfernung der erwarteten Hintergrundstrahlung konnten die Forscher vergleichen, was übrig blieb, mit dem prognostizierten Signal. Nichts stimmte überein.
Dieses Ergebnis macht das Fachgebiet voran, anstatt es zu beenden. Es zeigt, dass eine Version der Hypothese der Schwerkraft-Kohärenz fehlschlägt, und es gibt Physikern einen klareren Weg, andere Ideen in den kommenden Jahren zu testen.
Quellenmaterial: „Was Schrödinger’s Katze tötet? Schwerkraft ist möglicherweise nicht die Antwort“, ScienceDaily.
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