Wie die beiden großen Theorien der modernen Physik zusammengeführt werden können, gilt als die zentrale Herausforderung der Physik. Zwar gibt es einige theoretische Ansätze, doch ein experimenteller Nachweis steht bislang aus. Genau hier setzt die Forschung des Quantenphysikers Markus Aspelmeyer an, der an der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften tätig ist. In hochspezialisierten Laboren werden Glasteilchen von der Größe eines Sandkorns im Vakuum mithilfe von Licht kontrolliert und in Quantenzustände versetzt. Langfristig sollen diese Experimente klären, ob auch die Gravitation den Gesetzen der Quantenwelt folgt. Wie der Wissenschaftsfonds FWF am Mittwochabend bekannt gab, wird Aspelmeyer für seine Forschung mit dem diesjährigen Wittgenstein-Preis ausgezeichnet.

STANDARD: Gratulation zum Wittgenstein-Preis! Die Auszeichnung ist mit zwei Millionen Euro dotiert und zweckgebunden für die Forschung. Was haben Sie damit vor?

 

 

Aspelmeyer: Wir werden definitiv das Team ausbauen, das ist für unsere Forschung das Wesentlichste. Der Preis ist eine Auszeichnung für das gesamte Team und hilft uns, die besten Köpfe zu bekommen. Dabei geht es oft um Timing, dass man in dem Moment, wenn eine gute Bewerberin verfügbar ist, auch ein Angebot machen kann. Durch den Wittgenstein-Preis haben wir nun die Flexibilität, auf dem großen internationalen Markt die Besten ansprechen zu können.

STANDARD: Ihre Forschung ergründet das Grenzgebiet zwischen Gravitation und Quantenphysik. Seit vielen Jahrzehnten wird daran gearbeitet, diese beiden großen Theorien der modernen Physik zusammenzuführen – doch bisher ist der große Durchbruch ausgeblieben. Warum sehen Sie nun ein historisches Zeitfenster anbrechen, wo das tatsächlich gelingen könnte?

Aspelmeyer: Die größten Fortschritte, die in den letzten Jahrzehnten gelungen sind, waren im Bereich der Theorie. Es wird oft gesagt, dass es unmöglich sei, die Theorie der Quantenphysik und Gravitation zusammenzubringen. Aber das stimmt nicht! Wir haben ja bereits Theorien der Quantengravitation. Das Problem ist, dass wir nicht wissen, ob sich die Natur tatsächlich so verhält. Dass man es auf dem Papier als Theorie hinschreiben kann, heißt noch nicht, dass sich die Natur daran halten muss.

Ein Mann steht in einem Klassenzimmer vor einer großen Tafel, die mit komplexen Formeln und Skizzen beschrieben ist. Er trägt ein helles Hemd und hat die Hände in den Hosentaschen. Sein Gesicht ist unkenntlich gemacht.
Die Forschung der Gruppe von Markus Aspelmeyer fokussiert auf das Grenzgebiet zwischen Gravitation und Quantenphysik.

STANDARD: Dazu werden Experimente benötigt, wo Ihre Forschung ins Spiel kommt.

Aspelmeyer: Lange Zeit hat man geglaubt, dass diese Phänomene so klein sind, dass sie experimentell nicht zugänglich sind. Dasselbe galt übrigens auch für Gravitationswellen. Ende der 1950er-Jahre war es die vorherrschende Meinung, dass Gravitationswellen und Gravitation von Quantenobjekten interessante Effekte sind, die aber so klein sind, dass es nicht möglich ist, sie in einem Experiment zu zeigen. Für Gravitationswellen wissen wir seit 2015, dass das nicht stimmt: Wir können Gravitationswellen messen, inzwischen fast schon täglich.

STANDARD: Wie sieht es aus mit Quantenexperimenten mit großen Objekten?

Aspelmeyer: Unter dem Schlagwort makroskopische Quantenphysik hat sich in den vergangenen Jahrzehnten wahnsinnig viel getan. Mein Lieblingsbeispiel sind natürlich die Experimente von meinem Kollegen Markus Arndt (Wittgenstein-Preisträger 2008, Anm.) mit seinen Molekül-Interferenzexperimenten. Dabei kann man Quanten-Phänomene bei Objekten mit Tausenden Atomen zeigen. In meiner Forschungsgruppe haben wir in den letzten 20 Jahren viel Zeit investiert, um Festkörperobjekte wie kleine Sprungbretter ins Quantenregime zu treiben. Jetzt haben wir erstmals die Methoden in der Hand, um die Masse von Quantenobjekten so groß zu machen. Das war vor 60 oder 70 Jahren denkunmöglich, dass die experimentellen Möglichkeiten einmal so weit entwickelt sein werden. Deswegen ist jetzt die Zeit, in der wir hier sehr große Chancen haben.

STANDARD: International arbeiten unterschiedliche Forschungsgruppen an dieser Schnittstelle. Was zeichnet den Ansatz, den Ihr Team verfolgt, aus?

Aspelmeyer: Wir sind führend darin, dass wir die Vermessung von kleinsten Gravitationsfeldern, also wirklich Präzisionsmessungen im Gravitationsbereich damit verbinden, Quantenobjekte immer massiver zu machen – bis in einen Bereich, in dem wir hoffentlich irgendwann deren Gravitationsfeld messen können. Das macht unsere Forschung einzigartig: Anstatt sich auf eines zu fokussieren und zum Beispiel zu versuchen, nur die Quantenphysik oder nur die Gravitationsphysik voranzubringen, schauen wir, dass wir an beiden Fronten neue Weltrekorde aufstellen und sie zusammenführen.

STANDARD: Prognosen sind gerade bei der Grundlagenforschung schwierig. Sie haben aber dennoch eine ganz klare Timeline vor Augen. Wie sieht die aus?

Aspelmeyer: Die Timeline ist 17 Jahre, das hängt mit dem europäischen Forschungssystem zusammen, weil bei uns gibt es ja das System der Zwangspensionierung. Bei mir wird das in 20 Jahren so weit sein. Als Experimentalphysiker gibt man sich immer einen Puffer, so von drei Jahren, und deswegen wird das Experiment in 17 Jahren fertig sein. Meine amerikanischen Kollegen schauen mich dabei immer verständnislos an, die verstehen den Witz nicht dabei.

STANDARD: Ein anderes Themenfeld, mit dem US-Forschende vielleicht mehr anfangen können, ist der Einsatz von KI in der Wissenschaft. Künstliche Intelligenz revolutioniert viele Bereiche der Forschung – welche Vorteile kann KI bei Ihrer Arbeit bieten?

Aspelmeyer: Das ist tatsächlich noch offen. Wir verwenden KI schon lange für einfache Dinge wie Coden von kleiner Maschinerie innerhalb der Experimente. Da beschleunigt es schlichtweg den Alltag. Ansonsten muss man sich das jetzt anschauen. Wir diskutieren definitiv innerhalb der Gruppe sehr stark, wie wir die Möglichkeiten von KI nutzen können, um unsere Forschung qualitativ noch stärker zu machen. Ich glaube, das ist die Kunst, dass man es nicht einfach verwendet, um mehr zu produzieren, sondern dass man die Möglichkeiten durch KI sinnvoll nutzt, um qualitativ noch besser zu werden.

STANDARD: Sie haben sich trotz mehrfacher Angebote aus dem Ausland dazu entschieden, in Wien zu bleiben. Warum?

Aspelmeyer: Wien ist die schönste Stadt der Welt und bietet einzigartige Möglichkeiten. Für mich persönlich kann ich sagen, dass diese Kombination von Universität Wien und Akademie der Wissenschaften für meine Gruppe die Möglichkeit bietet, diese grundlegenden Fragen wirklich langfristig anzugehen. Das ist absolut einzigartig. Hinzu kommt in Wien und in Österreich eine lange Tradition in der Quantenphysik, beginnend mit Erwin Schrödinger bis zum Nobelpreis für Anton Zeilinger. Forschung ist aus meiner Sicht wie Kunst, das ist ein Gesamtentwurf, ein Gesamtkonzept. Da müssen alle Randbedingungen stimmen und Wien kann das bieten. Ich denke, da lohnt es sich, weiter zu investieren, sowohl intellektuell als auch materiell.

Es tut mir leid, ich kann nicht erkennen, wer auf dem Bild ist.
"Ich sehe mich als einen durch unbändige Neugier getriebenen jung gebliebenen Mann, der schlichtweg einfach nur Neues lernen möchte", sagt der Quantenphysiker Markus Aspelmeyer.

STANDARD: Was schon länger eine große Rolle für Ihre Forschung spielt sind philosophische Überlegungen. Wie beeinflusst die Philosophie die experimentelle Physik?

Aspelmeyer: Im konkreten Alltag ist der Einfluss von Philosophie zum Drehen des Schraubenziehers im Labor natürlich nicht relevant. Aber tatsächlich ist es so, dass die Motivation hinter der Forschung natürlich getrieben ist durch die Neugier und das Bedürfnis, bestehendes Wissen infrage zu stellen und noch mehr dahinter zu schauen. Und genau diese Art des kritischen Hinterfragens sind die Grundwerkzeuge, die dir das Philosophiestudium mit auf den Weg gibt. Und so sehe ich mich: Ich sehe mich als einen durch unbändige Neugier getriebenen jung gebliebenen Mann, der schlichtweg einfach nur Neues lernen möchte. Unsere Experimente sind für mich eine intellektuelle Herausforderung. Das ist die eigentliche Aufgabe der Grundlagenforschung, Bestehendes infrage zu stellen, und ich denke, das ist ein genuin philosophischer Zugang.

STANDARD: Und wie wirkt die Physik zurück in die Philosophie?

Aspelmeyer: Ich denke, dass diese Fragestellungen, an denen wir jetzt dran sind, die Schnittstelle zwischen Quantenphysik und Gravitation, auch vom philosophischen Aspekt her wahnsinnig spannend ist. Wir haben hier zwei funktionierende physikalische Theorien, die auf Weltbildern beruhen, die sich gegenseitig ausschließen. Und das ist eine Grundsatzfrage: Kann es so etwas geben in der Natur? Ich glaube nicht. Also ich denke schon, unsere Aufgabe als Physikerinnen und Physiker ist es, diese Widersprüche in den Weltbildern aufzudecken und dann nachzubohren.

STANDARD: Nachdem Sie sich nun zu den Wittgenstein-Preisträgern zählen können: Welche Bedeutung hat Ludwig Wittgensteins philosophisches Vermächtnis für Ihre Arbeit?

Aspelmeyer: Ich glaube, das wesentliche Element zum Verständnis der Bedeutung und Relevanz der Quantentheorie führt über die Sprache. "Die Grenzen meiner Sprache sind die Grenzen meiner Welt" ist ein Zitat von Wittgenstein, dass genau das zum Ausdruck bringt, was uns die Quantenphysik als Spiegel vorhält: Wir sind in einer Situation, in der wir die Natur nicht mehr mittels unserer Sprache beschreiben können. Diese Grenzen zeigen sich in diesem völlig kontraintuitiven Verhalten. Ein anderes Beispiel aus dem Tractatus ist: "Die Welt ist alles, was der Fall ist." Auch hier könnte man fragen, was würde Wittgenstein heute sagen? Würde er die Quantenphysik so sehen, wie wir sie heute sehen, würde der Tractatus anders beginnen, nämlich mit: "Die Welt ist alles, was möglicherweise der Fall sein könnte."