Freigeist-Fellowship: Gravitating Quantum Systems

Quantenmechanik und Gravitation

Die Quantenmechanik findet vor allem auf der Größenskala von Atomen und Molekülen Anwendung. In Laboren werden aber auch quantenmechanische Effekte an immer größeren Systemen immer größerer Masse untersucht. Gravitationseffekte, die man dabei bislang vernachlässigte, könnten schon bald von Bedeutung sein. Dies eröffnet die Möglichkeit, unser Konzept von Raum, Zeit und Materie einer experimentellen Überprüfung zu unterziehen, und kann den Weg hin zu der noch unbekannten Theorie weisen, die Allgemeine Relativitätstheorie und Quantenmechanik vereint. Eine etablierte und unzweideutige theoretische Beschreibung der Gravitationswechselwirkung von Quantenmaterie muss allerdings erst gefunden werden.

Dekohärenz in Quantensystemen im Gravitationsfeld

Für ein Teilchen im Erdgravitationsfeld wurde die Newtonsche Gravitation bereits experimentell getestet, relativistische Korrekturen jedoch nicht. Gravitative Dekohärenzeffekte sind einer der erfolgversprechendsten Wege nach experimenteller Orientierung zu suchen. Eine systematische Auswertung dieser Effekte kann zeigen, welche davon das Ergebnis von klassischen Gravitationsfluktuationen sind und welche ihren Ursprung in einem quantenmechanisch zu beschreibendem Gravitationsfeld haben.

Das Gravitationsfeld von Quantenmaterie

Noch weniger ist darüber bekannt, wie Quantenmaterie als Quelle des Gravitationsfeldes wirkt. Man betrachte etwa das berühmte Doppelspaltexperiment, das mit einem schweren Teilchen durchgeführt wird. Ist das resultierende Gravitationsfeld eine Superposition zweier Felder – wie man es in Analogie zur Elektrodynamik erwarten würde – oder bleibt das geometrische Konzept der klassischen Raumzeit auch auf kleinen Skalen gültig, wie gelegentlich vorgeschlagen? Bisher wurde keine dieser Möglichkeiten widerlegt, weder experimentell noch anhand theoretischer Argumente. Beide Ansätze führen allerdings zu unterschiedlichen Vorhersagen für Laborexperimente, deren Durchführung schon in naher Zukunft möglich sein könnte.