Die Schwerkraft verhält sich in den vorgeschlagenen Experimenten nicht seltsam. Zumindest wissen wir das noch nicht.
Stellen Sie sich vor, Sie lassen einen Stein fallen. Stellen Sie sich nun vor, Sie platzieren es an zwei Orten gleichzeitig. Das ist die verblüffende Prämisse der Quantenüberlagerung, die auf Materie angewendet wird. Aber wenn sich ein massives Objekt gleichzeitig an mehreren Orten befinden kann, wie sieht dann die Schwerkraft aus, die es erzeugt? Beugt sich die Raumzeit selbst in mehrere Richtungen gleichzeitig?
Das ist der heilige Gral der Physik. Wir haben die Quantenmechanik für die winzigen Dinge. Wir haben die allgemeine Relativitätstheorie für die schweren Dinge. Sie verweigern den Händedruck.
Ein neues Papier, das in npj Quantum Information veröffentlicht wurde, legt nahe, dass wir den Handschlag vielleicht schon immer falsch betrachtet haben. Forscher der Universität Kyushu, Waterloo und Stockholm argumentieren, dass das, was wie ein Beweis für die Quantengravitation aussieht, in Wirklichkeit nur Quantenmaterie sein könnte, die sich durch die normale, klassische Schwerkraft bewegt.
Es ist keine Entlarvung. Es handelt sich um einen Warnhinweis.
Die Relativität von Raumzeitüberlagerungen
Die Studie stellt ein Konzept vor, das sie „Relativität von Raumzeitüberlagerungen“ nennen. Es klingt ausgefallen, ist aber ein praktisches Interpretationsproblem.
Stellen Sie sich das wie Kartenprojektionen vor. Sie können einen kugelförmigen Globus auf viele verschiedene Arten auf ein flaches Blatt projizieren. Die Mathematik ändert sich. Die Formen verzerren sich. Aber die Landmassen bleiben in den gleichen relativen Positionen.
In physikalischer Hinsicht kann das gleiche experimentelle Ergebnis auf zwei Arten interpretiert werden:
1. Die Schwerkraft befindet sich in einer Quantenüberlagerung (das, wonach wir suchen).
2. Materie befindet sich in einer Quantenüberlagerung und bewegt sich durch ein normales, klassisches Gravitationsfeld (das, von dem wir bereits wissen, dass es existiert).
Beide Modelle erzeugen genau die gleichen beobachtbaren Daten.
„Eine Interpretation beschreibt die Schwerkraft als in einer Quantensuperposition befindlich, während die andere Quantenteilchen beschreibt, die ein gewöhnliches Gravitationsfeld bewegen.“
Hier geht es nicht darum zu beweisen, dass die Schwerkraft klassisch ist. Es geht darum zuzugeben, dass unsere aktuellen Versuchsaufbauten nicht scharf genug sind, um zwischen beiden zu unterscheiden.
Warum dies den aktuellen Konsens bricht
Physiker haben sich auf den Weg gemacht, Experimente zu entwickeln, die endlich „die Quantengravitation nachweisen“ würden. Die Idee war einfach: Verschränken Sie zwei Massen, lassen Sie sie nur über die Schwerkraft interagieren und beobachten Sie, wie sie sich verschränken. Wenn ja, muss die Schwerkraft doch eine Quantengravitation sein, oder?
Falsch. Nicht unbedingt.
Nach dem neuen Rahmen könnte diese Verschränkung auch dann auftreten, wenn die Schwerkraft völlig klassisch bleibt. Die Teilchen wären Quanten. Die Raumzeit wäre klassisch. Aber das Ergebnis – eine Quantensignatur in dieser Materie – würde identisch mit einem Ergebnis aussehen, bei dem die Raumzeit selbst Quanten ist.
Dies stellt eine enorme Hürde für experimentelles Design dar. Man kann nicht einfach irgendeinen Quanteneffekt in einer Gravitationswechselwirkung zeigen, um die Theorie zu beweisen. Man muss die klassische Alternative mit brutaler Effizienz ausschließen.
So testen Sie die Quantengravitation, ohne sich täuschen zu lassen
Wie können wir das beheben? Wie entwirft man ein Experiment, das tatsächlich die Frage „Ist Schwerkraft ein Quantum“ beantwortet? ohne sich im Lärm klassischer Erklärungen zu verlieren?
Die Autoren schlagen einen strengeren Beweisstandard vor.
Wenn Sie einen Test entwerfen, müssen Sie sich fragen: Welche Signaturen der Quantengravitation können mit der gewöhnlichen Physik nicht erklärt werden?
Wenn Ihre Daten mithilfe der Standard-Raumzeitkrümmung in Kombination mit Quantenteilchen modelliert werden können, wurde in Ihrem Experiment die Quantengravitation nicht gefunden. Es hat etwas gefunden, das wir bereits verstehen, gekleidet in Quantenkleidung.
Dies erfordert die Isolierung spezifischer Effekte, die keine klassische Beschreibung reproduzieren kann. Es reicht nicht aus, die Verrücktheit der Quantenmechanik zu erkennen. Sie müssen beweisen, dass das Feld, das diese Verrücktheit trägt, selbst ein Quantenfeld ist.
Das Gesamtbild
Diese Studie zerstört nicht den Traum der Quantengravitation. Es macht es nur schwieriger zu sehen.
Es deckt die „Interpretationslücke“ in der modernen Physik auf. Wir versuchen, etwas Grundlegendes mit Werkzeugen zu messen, die nach den alten Regeln entwickelt wurden. Bis wir herausfinden, welche experimentellen Ergebnisse wirklich einzigartig für die Quantengravitation sind und welche nur klassische Tricks sind, stehen wir vor Schatten.
Die beteiligten Forscher – Foo, Suryaatmadja, Mann und Zych – geben den Experimentatoren im Wesentlichen eine Checkliste in die Hand. Bevor Sie eine Entdeckung feiern, stellen Sie sicher, dass Sie sich nicht nur ein Theaterstück ansehen.
Wir wissen immer noch nicht, was die Schwerkraft auf der Quantenebene bewirkt. Wir wissen nur, dass „quantenmäßig aussehen“ kein ausreichender Beweis mehr ist.
Und ganz ehrlich? Das ist eine Erleichterung. Wenn es einfach zu testen wäre, wäre es wahrscheinlich inzwischen gelöst. Die Tatsache, dass es erforderlich ist, klassische Geister aus Quantensignalen zu entwirren, erklärt, warum wir immer noch auf die Antwort warten.
Referenz:
„Relativität und Dekohärenz von Raumzeitüberlagerungen“ von Joshua Foo, Cendikiewan Suryaatmadja, Robert B. Mann und Magdalena Zych.
npj Quantum Information, 13. Mai 2024.
