Wissenschaftler näher an der Entdeckung einer Quantengravitationstheorie, nachdem sie die Schwerkraft auf mikroskopischer Ebene gemessen haben

23. Februar 2024

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von Universität Southampton

Wissenschaftler sind einen Schritt näher daran, die geheimnisvollen Kräfte des Universums zu entschlüsseln, nachdem sie herausgefunden haben, wie man die Schwerkraft auf mikroskopischer Ebene messen kann.

Experten haben nie vollständig verstanden, wie die Kraft, die von Isaac Newton entdeckt wurde, in der winzigen Quantenwelt funktioniert. Selbst Einstein war von der Quantenschwerkraft verblüfft und sagte in seiner allgemeinen Relativitätstheorie, dass es kein realistisches Experiment gebe, das eine Quantenversion der Schwerkraft zeigen könnte.

Aber jetzt haben Physiker der Universität Southampton, zusammen mit Wissenschaftlern in Europa, eine schwache Gravitationskraft an einem winzigen Partikel erfolgreich nachgewiesen, indem sie eine neue Technik verwendet haben.

Sie behaupten, dass dies den Weg zur Entdeckung der vermissten Quantenschwerkraft-Theorie ebnen könnte.

Das in Science Advances veröffentlichte Experiment verwendete schwebende Magneten, um die Schwerkraft auf mikroskopische Partikel zu detektieren - klein genug, um an der Grenze zur Quantenwelt zu liegen.

Der Hauptautor Tim Fuchs von der Universität Southampton sagte, die Ergebnisse könnten Experten helfen, das fehlende Puzzleteil in unserem Bild der Realität zu finden.

Er fügte hinzu: "Seit einem Jahrhundert haben Wissenschaftler versucht und sind gescheitert zu verstehen, wie Schwerkraft und Quantenmechanik zusammenwirken. Jetzt, da wir erfolgreich gravitative Signale bei der kleinsten jemals gemessenen Masse gemessen haben, sind wir einen Schritt näher daran, endlich herauszufinden, wie es im Einklang funktioniert.

"Von hier aus werden wir die Quelle mit dieser Technik verkleinern, bis wir die Quantenwelt auf beiden Seiten erreichen. Durch das Verständnis der Quantenschwerkraft könnten wir einige der Rätsel unseres Universums lösen - wie es begann, was in Schwarze Löcher passiert oder alle Kräfte in eine große Theorie zu vereinen."

Die Regeln der Quantenwelt sind immer noch nicht vollständig von der Wissenschaft verstanden - aber es wird angenommen, dass sich Partikel und Kräfte auf mikroskopischer Ebene anders verhalten als regelmäßige Objekte.

Akademiker aus Southampton führten das Experiment mit Wissenschaftlern der Universität Leiden in den Niederlanden und dem Institut für Photonik und Nanotechnologien in Italien durch.

In ihrer Studie verwendeten sie einen ausgeklügelten Aufbau mit supra-leitenden Geräten, sogenannten Fallen, mit magnetischen Feldern, empfindlichen Detektoren und fortschrittlicher Vibrationsisolierung. Sie maßen eine schwache Zugkraft von nur 30aN an einem winzigen Partikel mit 0,43 mg Größe, indem sie es bei Frosttemperaturen einhundertstel Grad über dem absoluten Nullpunkt - etwa -273 Grad Celsius - schweben ließen.

Die Ergebnisse öffnen die Tür für zukünftige Experimente zwischen noch kleineren Objekten und Kräften, sagte auch Professor für Physik Hendrik Ulbricht von der Universität Southampton.

Er fügte hinzu: "Wir stoßen an die Grenzen der Wissenschaft, die zu neuen Entdeckungen über Schwerkraft und die Quantenwelt führen könnten.

"Unsere neue Technik, die extrem kalte Temperaturen und Geräte zur Isolierung der Vibration des Partikels verwendet, wird wahrscheinlich den Weg für die Messung der Quantenschwerkraft weisen.

"Die Entschlüsselung dieser Rätsel wird uns helfen, mehr Geheimnisse über die Struktur des Universums zu entschlüsseln, von den winzigsten Partikeln bis zu den grandiosesten kosmischen Strukturen."

Journal-Informationen: Science Advances

Bereitgestellt von: Universität Southampton