[ad_1]
Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass Quanteneffekte der Universalität des freien Falls widersprechen und einen potenziellen experimentellen Weg zum Testen der Quantengravitation bieten.
Eine der Säulen unseres Verständnisses der Schwerkraft ist die Annahme, dass sich alle Teilchen, unabhängig von ihrer Masse, in einem Gravitationsfeld auf denselben Flugbahnen mit derselben Geschwindigkeit bewegen. Die ersten Experimente, um dieses Prinzip zu testen, waren ausgetragen von Galileo Galilei Ende des 16Th Jahrhundert, als er Kugeln aus unterschiedlichen Materialien und unterschiedlichem Gewicht von der Spitze des Schiefen Turms von Pisa in Italien fallen ließ und bestätigte, dass sie alle gleichzeitig die Erdoberfläche erreichten.
„Es ist ein Ergebnis zahlreicher Experimente, dass die Flugbahn eines frei fallenden Körpers unabhängig von seiner inneren Struktur und Zusammensetzung ist“, sagte Vyacheslav Emelyanov, Professor für theoretische Physik am Karlsruher Institut für Technologie in Deutschland, in einer E-Mail. „Dementsprechend fallen alle Körper mit der gleichen Beschleunigung auf die Erde. Dieses Ergebnis ist als Universalität des freien Falls bekannt.“
Das Universalitätsprinzip wurde zu einem integralen Bestandteil von Newtons Gravitationstheorie, die bereits im 17. Jahrhundert formuliert wurdeTh Jahrhundert und wurde in Einsteins später entwickelte allgemeine Relativitätstheorie einbezogen. Einsteins Theorie ist von entscheidender Bedeutung in Situationen, in denen sich gravitierende Körper mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen oder wenn Gravitationsfelder außergewöhnlich stark sind, wie sie beispielsweise von Schwarzen Löchern und Neutronensternen erzeugt werden.
Obwohl die Theorien von Newton und Einstein dazu beigetragen haben, die Schwerkraft auf der Skala von Planeten, Sternen, Galaxien und sogar dem Universum als Ganzes zu beschreiben, handelt es sich dabei um klassische Theorien, die Quanteneffekte nicht berücksichtigen, die für das Verständnis der Physik von entscheidender Bedeutung sind Atome und Elementarteilchen.
Fallen Teilchen auf die gleiche Weise?
In eine aktuelle Studie veröffentlicht in Annalen der PhysikEmelyanov versuchte zu verstehen, ob das Prinzip der Universalität für frei fallende Objekte auch auf diesen mikroskopischen Maßstäben gültig bleibt. Dazu analysierte er theoretisch die Flugbahnen der in einem Gravitationsfeld fallenden Elementarteilchen und kombinierte dabei klassische und Quantentheorien.
„Wir berücksichtigen, dass mikroskopische Körper am besten durch die Quantentheorie beschrieben werden, während die Schwerkraft immer noch auf die Krümmung der Raumzeit zurückzuführen ist [as predicted by general relativity],” er erklärte.
Der Quantenmechanik zufolge lassen sich Teilchen in vielerlei Hinsicht am besten nicht als punktförmige Objekte beschreiben, sondern als Wellen, die sich im Raum ausbreiten, was die Vorstellung einer Flugbahn eines Teilchens einigermaßen bedeutungslos macht, insbesondere wenn es frei in einem Gravitationsfeld fällt.
Emelyanov fand heraus, dass Wellen mit unterschiedlichen Massen nicht auf die gleiche Weise „fallen“, wie klassische Teilchen es erwarten würden. Stattdessen bewegen sie sich unter der Schwerkraft mit unterschiedlicher Beschleunigung und verstoßen damit gegen das Prinzip der Universalität des freien Falls.
„Ein Atom fällt schneller auf die Erde als ein Apfel“, sagte er. „Außerdem fallen verschiedene Atome mit unterschiedlichen Beschleunigungen, die von ihrer Zusammensetzung abhängen. Unsere Arbeit bietet somit einen neuartigen experimentellen Kanal zum Testen sowohl der Quantenphysik als auch der Schwerkraft.“
Die berechnete Korrektur der Beschleunigung eines makroskopischen Objekts zu messen, wenn es sich in einem Gravitationsfeld bewegt, ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Die Quantenkorrektur ist typischerweise so winzig, dass sie praktisch unmöglich zu erkennen ist, insbesondere angesichts der großen Beschleunigung selbst.
Beispielsweise ist die Korrektur für ein Gramm Eisen mehr als 75 Größenordnungen geringer als die Beschleunigung. Bei Atomen ändert sich die Situation jedoch, da deren deutlich geringere Massen die Korrektur vergleichsweise deutlicher machen. In diesem Zusammenhang wird die Messung der Korrektur zu einem potenziell lösbaren experimentellen Problem – mit dem richtigen Versuchsaufbau.
Zukünftige Beweise
„Die vielversprechendste Technologie zur Überprüfung unseres Ergebnisses ist die Atominterferometrie, da sie auf den Einsatz mikroskopischer Körper ausgelegt ist“, sagte Emelyanov. „Hier nutzt man die Wellennatur von Atomen, um hochpräzise Messungen der Universalität des freien Falls durchzuführen. Es ist jedoch derzeit schwer zu sagen, wann genau diese Technik weit genug fortgeschritten sein wird, um unsere Entdeckung mit ausreichender Genauigkeit zu testen, sei es am Boden oder im Weltraum.“
Emelyanovs Ergebnis prüft nicht nur das Prinzip der Universalität des freien Falls, sondern könnte auch zukünftige experimentelle Studien ermöglichen, die für unser Verständnis der Quanteneigenschaften grundlegender Wechselwirkungen von größter Bedeutung sind.
„Es gibt viele theoretische Argumente, die dafür sprechen, dass die Schwerkraft auch Quantennatur haben muss. Daher ist es von Interesse, Quantenaspekte der Schwerkraft durch eine in sich konsistente Beschreibung von Materie plus Schwerkraft zu berücksichtigen“, sagte Emelyanov.
„Insbesondere muss beschrieben werden, wie die Schwerkraft durch Quantenmaterie entsteht. Dies sollte den Weg zum experimentellen Verständnis der Quantengravitation im Labor ebnen“, schloss er.
Referenz: Viacheslav A. Emelyanov, Nichtuniversalität im freien Fall in der QuantentheorieAnnalen der Physik (2023), DOI: 10.1002/andp.202200386
Bildnachweis: Geralt auf Pixabay
[ad_2]
Source link
