Wissenschaftler schlagen Test für Hypothese des Nobelpreisträgers Steven Weinberg vor

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Steven Weinberg
Steven Weinberg

Quantenmechanik auf dem Prüfstand

Seit fast 100 Jahren ist die Quantenmechanik eine der tragenden Säulen der modernen Physik. Mit ihr ließen sich Vorgänge in der mikroskopischen subatomaren Welt, also etwa im Inneren von Atomen, erstmals sehr genau und treffend beschreiben. Und doch ist die Quantenmechanik unvollständig - zum Beispiel behandelt sie Atome im Grunde als isolierte Systeme und ist ferner nicht mit der Relativitätstheorie vereinbar, die Vorgänge auf makroskopischen Skalen korrekt beschreiben kann. Der im letzten Jahr verstorbene Nobelpreisträger Steven Weinberg versuchte die Unzulänglichkeiten der Quantenmechanik zu beheben und sie so zu einer konsistenten Theorie zu machen. Dazu erdachte er verschiedene Möglichkeiten und schlug eine prinzipielle Idee vor, wie diese getestet werden können. Diese Idee sieht eine sehr genaue und separate Vermessung von drei bestimmten, zusammenhängenden Energieübergängen in Atomen vor - auf der präzisen Vermessung solcher Übergänge in Atome beruhen auch Atomuhren. Jetzt haben drei Wissenschaftler - Prof. Dr. Dmitry Budker vom Exzellenzcluster PRISMA+ an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) und vom Helmholtz-Institut Mainz (HIM), Prof. Mark G. Raizen von der University of Texas, Austin, und Gerald Gilbert vom MITRE Quantum Information Science Research Project am Campus der Princeton University - Weinbergs Hypothese en Detail neu analysiert und in der Fachzeitschrift Physical Review A ein konkretes Experiment mit Ytterbiumatomen vorgeschlagen, um sie zu testen. Nach eingehendem Studium der Eigenschaften des Ytterbium-Atoms mit der Massenzahl 171 kommen die Forscher zu dem Schluss, dass drei passende Übergänge existieren, die extrem genau gemessen werden können - ähnlich wie bestimmte Übergänge in anderen Atomen, die die Basis der genauesten Atomuhren bilden.

"Nach der aktuell gültigen Quantenmechanik sollte die Summe der beiden Übergänge 1 und 2 Übergang 3 ergeben", erläutert Experimentalphysiker Prof. Mark G. Raizen. "Wenn Weinbergs Idee stimmt, sollte sie sich darin manifestieren, dass die Summe der Übergänge 1 und 2 eben nicht gleich dem Übergang 3 ist. Und mit dem Ytterbium-System sollten wir erstmals die nötige Genauigkeit erreichen können, die zum Nachweis einer minimalen Abweichung nötig ist."

Da Steven Weinbergs Theorie keine Aussagen darüber macht, wie groß der vorhergesagte Effekt ist, sind darüber hinaus Tests in verschiedenen Systemen sinnvoll - auch um systematisch Grenzen für den Effekt zu setzen. In der Literatur haben die Forscher zwei weitere Systeme mit passenden Übergängen gefunden. Basierend auf Radium und Calcium wurden bereits entsprechende Messungen durchgeführt, aber nicht immer im Zusammenhang mit der Weinberg-Hypothese. Daher möchten die Forscher zusätzlich zu dem neuen von ihnen vorgeschlagenen Ytterbium-System auch die Messungen an diesen bekannten Systemen verbessern, um den gesuchten Effekt systematisch einzuschränken.

Das große Ziel beschreibt der experimentelle Physiker Dmitry Budker wie folgt: "Generell bin ich der Überzeugung, dass wir unsere Annahmen immer an den Grenzen des technisch Machbaren testen sollten. Am besten ist es, wenn es eine in sich konsistente Theorie gibt, wie die von Weinberg, die solche Tests anleitet. Wenn wir experimentell nachweisen könnten, dass die Vorhersagen einer solchen Theorie in der Natur tatsächlich realisiert werden, könnte sie eine allgemeinere, umfassendere Theorie sein, die die 'normale' Quantenmechanik als eine ihrer Grenzen hat, so wie Galileos Mechanik eine Grenze von Einsteins relativistischer Mechanik ist."