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Cristofano Allori zu öffentliche Angelegenheiten
In seiner Forschung stellt der Physiker Aspelmeyer die Gravitation auf den Prüfstand der Quantenphysik. Denn die Gravitation entzieht sich als einzige der vier fundamentalen Wechselwirkungen der Physik den Regeln der Quantenphysik. Für unser Verständnis der Welt sei eine Theorie der Quantengravitation jedoch unerlässlich, sagt Aspelmeyer gegenüber science.ORF.at.
Den mit zwei Millionen Euro dotierten Wittgenstein-Preis des Wissenschaftsfonds FWF erhalte der Quantenphysiker laut der internationalen Fachjury nicht nur als Auszeichnung seiner herausragenden wissenschaftlichen Karriere, es handle sich auch um eine Investition in die Zukunft.
Investition in ambitioniertes Vorhaben
Die Vergabe des „Austronobelpreises“ an Aspelmeyer ist laut Jury „eine Investition in eines der ambitioniertesten Vorhaben in der modernen Physik, das Österreichs erfolgreiche Tradition in der Quantenforschung um ein weiteres vielversprechendes Kapitel bereichert“. Für Aspelmeyer selbst ist der Wittgenstein-Preis eine Auszeichnung für sein gesamtes Team, mit dem er als Leiter des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) sowie als Professor für Physik an der Universität Wien forscht.
Konkret geht es dabei um aufwendige Experimente, die untersuchen, ob die Regeln der Quantenphysik auch für die von Albert Einstein beschriebene Raumzeit gelten. Das Konzept der Raumzeit ist ein Baustein der Allgemeinen Relativitätstheorie. „Raum und Zeit werden gekrümmt durch Massen“, erklärt Aspelmeyer. Diese Krümmung hängt also mit der Gravitation zusammen. Doch gelten hier auch die Regeln der Quantenphysik?
Gravitation vs. Quantenphysik
„Wir wissen, dass sich in der Quantenphysik Objekte so verhalten können, als ob sie an zwei Orten gleichzeitig sind“, so Aspelmeyer. Wenn nun also eine Masse die Raumzeit krümmt, die sich so verhält, als ob sie an zwei Orten gleichzeitig wäre, ist die Raumzeit dann auch zweifach vorhanden? „Es sind Fragen wie diese, die wir experimentell beantworten wollen“, sagt Aspelmeyer. Die Einstein’sche Gravitationstheorie sagt, es kann nur eine Raumzeit geben – die Quantenphysik sagt, dass das so nicht stimmen kann.
Der diesjährige Wittgenstein-Preisträger untersucht diese Frage im Labor etwa anhand eines „großen“ Quantenobjektes. Es handelt sich um eine Glaskugel in der Größe eines Sandkorns, aufgebaut aus ca. einer Milliarde Atomen. Die Kugel mit einem halben Mikrometer Durchmesser wird mit einem Laser in einer Vakuumkammer gehalten und gleichzeitig so gekühlt, dass ihre Bewegungsenergie minus 273 Grad Celsius entspricht und sie Quanteneigenschaften zeigt. In diesem Experiment, mit dem größten Quantenobjekt des Forschungsteams, wird das Quantensystem selbst untersucht.
Anziehungskraft kleinster Objekte
Auf der anderen Seite gebe es Gravitationsexperimente, sagt Aspelmeyer. „Da ist die kleinste Masse, von der man bislang ein Gravitationsfeld messen konnte, eine ein Millimeter große Goldkugel“, so der Physiker. Betrachte man diese Goldkugel als einen kleinen Planeten, dann habe der eine Anziehung, also eine Schwerkraft, die 30 Milliarden mal kleiner ist als die Schwerkraft der Erde, erklärt Aspelmeyer.
Beim Ziel der Verkleinerung gelang dem Team um Aspelmeyer 2021 damit ein Rekord: Sie konnten so die kleinste jemals bestimmte Gravitationskraft messen, also die Anziehungskraft dieses 90 Milligramm schweren Goldkügelchens, das etwa so schwer ist wie ein Marienkäfer und andere Objekte mit einer Beschleunigung anzieht, die eben 30 Milliarden Mal kleiner ist als jene der Erde.
Nun sollen diese Experimente zusammengeführt werden – die kleine Glaskugel soll größer werden und die Gravitationsexperimente mit der Goldkugel kleiner. „Letztlich wird es ein so kleines Objekt sein, das man gerade noch mit freiem Auge sehen kann und das dann Quanteneffekte hat, dessen Gravitationsfeld wir allerdings noch messen können“, sagt Aspelmeyer. „Da soll die Reise hingehen“, sagt der Physiker zuversichtlich.
Weiter Weg zur Quantengravitation
2020 hat Aspelmeyer gemeinsam mit Innsbrucker und Zürcher Kollegen einen mit 13 Mio. Euro dotierten „Synergy Grant“ des Europäischen Forschungsrats ERC erhalten, um Überlagerungszustände an die äußerste Grenze zu treiben: Ein aus Milliarden von Atomen bestehender Festkörper soll an zwei Orten gleichzeitig positioniert werden.
Bis zur Quantengravitation ist es dann noch immer ein weiter Weg: „Wenn wir im Quantenbereich die Größe verhundertfachen können und im Gravitationsbereich ebenso um den Faktor 100 verkleinern können, dann sind wir am Ziel“, so Aspelmeyer. Wann das der Fall sein wird, weiß er genau: „In 17 Jahren – weil vorher ist es unrealistisch, und länger kann es aufgrund des europäischen Systems der Zwangspensionierung nicht dauern, weil ich dann in Pension gehen muss“, so der Physiker mit Augenzwinkern.
Philosoph der Quantenphysik
Der aus Bayern stammende Physiker, der 2002 als Postdoc von München zur Gruppe Anton Zeilinger – Nobelpreisträger 2022 – an die Uni Wien wechselte, hat auch einen Abschluss in Philosophie. „Der hilft jetzt nicht beim Schraubenzieherdrehen im Labor, aber Philosophie ist ja eigentlich die Kunst des kritischen Hinterfragens, und in der Grundlagenforschung geht es immer auch darum, existierendes Wissen infrage zu stellen“, sagt Aspelmeyer.
Seine quantenphysikalischen Experimente hätten jedenfalls auch eine philosophische Dimension, so der Physiker. „Denn die Gravitation und die Quantenphysik, also beide Theorien zusammen, ruhen auf Weltbildern, die sich gegenseitig ausschließen, und das ist einfach ein gefundenes Fressen für einen Philosophen“, sagt Aspelmeyer.
Doppelrolle als Vorteil
Der ausgezeichnete Forscher hebt zudem seine Doppelrolle als Uniprofessor und Leiter eines ÖAW-Instituts hervor, die es ihm ermöglicht, solch langfristige Forschungsprojekte anzugehen. Auch die zwei Millionen Euro des Wittgenstein-Preises will Aspelmeyer den Arbeiten an der Schnittstelle von Quantenphysik und Gravitation widmen, „weil das so ein langfristiges Unterfangen ist“. Der Preis sei ein „riesiger Motivationsschub und eine Auszeichnung für sein ganzes Team“, das er mit dem Preisgeld auch entsprechend ausbauen will.
