Ein Experiment, das gerade eine Finanzierung des Europäischen Forschungsrats erhalten hat, könnte der erste direkte Beweis dafür sein, dass der Raum selbst eine Struktur hat – und dass diese Struktur quantenhaft ist.
Seit über hundert Jahren existiert die Physik mit einem stillen Widerspruch in ihrem Kern. Einsteins allgemeine Relativitätstheorie beschreibt das Universum im kosmischen Maßstab mit atemberaubender Genauigkeit – die Bewegung von Planeten, die Krümmung von Licht, die Wellen der Raumzeit von kollidierenden Schwarzen Löchern. Die Quantenmechanik leistet dasselbe im kleinsten Maßstab – das Verhalten von Teilchen, die Struktur von Atomen, die Natur des Lichts. Beide Theorien funktionieren. Beide sind unfehlbar. Und doch sind sie fundamental unvereinbar. Ihre Vereinigung gilt als eine der größten ungelösten Herausforderungen der Wissenschaft. Das könnte sich nun ändern.
Vor ein paar Wochen kündigte die Universität Cardiff an, dass Professor Hartmut Grote vom Institute for Gravitational Research einen großen Grant des Europäischen Forschungsrats erhalten hat, um ein bahnbrechendes Experiment mit einem einzigen Ziel durchzuführen: den ersten experimentellen Nachweis der Quantengravitation zu finden. Die Idee hinter dem Projekt ist ebenso elegant wie radikal. Die Raumzeit – das Gewebe des Universums – ist möglicherweise nicht glatt und kontinuierlich, wie Einstein sie sich vorstellte. Sie könnte körnig, pixelig sein. Sie könnte aus diskreten Quanteneinheiten in einem Maßstab bestehen, der so klein ist, dass er noch nie direkt gemessen wurde: der Planck-Länge – eine Distanz, die etwa zwanzig Größenordnungen kleiner ist als ein Proton. Das sind keine Pixel, die man sehen kann. Aber unter den richtigen Bedingungen sagt die Theorie voraus, dass sie eine Art Quantenunschärfe erzeugen – ein kaum wahrnehmbares Flattern in den Positionen der Objekte um uns herum.
Professor Grote's Team plant, genau dieses Flattern zu entdecken. Mit einem Tischlaser-Interferometer – einem Gerät, das so empfindlich ist, dass es Längenänderungen messen kann, die kleiner sind als ein Milliardstel eines Atoms – werden sie zwei fortschrittliche Quantentechnologien kombinieren, die noch nie zuvor zusammen eingesetzt wurden: Komprimiertes Licht, das das Quantenrauschen bei Laserinterferometrie-Messungen über klassische Grenzen hinaus reduziert, und Einzelphotonen-Detektion, die bei nahezu null Rauschen eine beispiellose Präzision bietet. Das Experiment mit dem Namen Single Photon Detection Interferometry for Quantum Gravity baut direkt auf Technologien auf, die für LIGO und Virgo entwickelt wurden – Gravitationswellendetektoren, die bereits die Fähigkeit bewiesen haben, die kleinsten Wellen der Raumzeit von kollidierenden Schwarzen Löchern in Milliarden von Lichtjahren Entfernung zu detektieren.
„Der Nachweis von Quantensignaturen der Raumzeit wäre eine epochale Errungenschaft. Es würde unser Verständnis der Realität auf der grundlegendsten Ebene verändern und völlig neue Forschungsrichtungen eröffnen. Über hundert Jahre, nachdem Einstein unser Verständnis von Raum und Zeit neu definierte, könnte dieses Projekt uns einen Schritt näher an die Fertigstellung seines Bildes bringen. Ich denke, er wäre begeistert.“ – sagt Professor Hartmut Grote von der Cardiff University.
Wenn das Experiment erfolgreich ist, werden die Auswirkungen weit über eine einzelne Entdeckung hinausgehen. Eine quantisierte Raumzeit würde bestätigen, dass das Universum nicht aus glatten Feldern und kontinuierlicher Geometrie besteht – sondern aus etwas, das der Information ähnelt: diskret, zählbar, fundamental quantenhaft. Es würde theoretische Konzepte bestätigen, die sich über Jahrzehnte hinweg still entwickelt haben – vom holographischen Prinzip bis zur Idee, dass die Geometrie der Raumzeit aus Quantenverschränkung entsteht. Es würde bedeuten, dass das, was wir als physische Realität bezeichnen – Raum, Zeit, Materie – nicht die Grundlage des Universums ist. Es ist, wie die Quanteninformation des Universums aus unserer Perspektive aussieht. Als Bonus könnte das gleiche Experiment Spuren von Dunkler Materie und primordialen Gravitationswellen aufdecken, Echos der frühesten Momente des Universums. Wissenschaft, so Professor Grote, meldet sich nicht immer lautstark an. Manchmal kommt sie als kaum wahrnehmbares Flattern eines Laserstrahls auf einem Labortisch.
