Von Pesach Benson und Omer Novoselsky • 3. September 2026

Jerusalem, 3. September 2026 (TPS-IL) — Seit mehr als einem Jahrhundert haben Albert Einsteins Theorie der allgemeinen Relativitätstheorie und die Quantenmechanik unzählige Tests bestanden, doch Physiker haben Schwierigkeiten, die beiden zu vereinen. Nun haben Wissenschaftler in Israel und im Ausland einen neuen Schritt unternommen, um zu verstehen, wie sie interagieren, indem sie direkt gemessen haben, wie die Schwerkraft ein Quantenobjekt beim Fallen verändert.

Die Ergebnisse könnten schließlich zu empfindlicheren Quantensensoren für die Messung von Schwerkraft und Beschleunigung beitragen, mit potenziellen Anwendungen in der Vermessung, geologischen Kartierung und Navigation ohne GPS.

Der Fortschritt besteht nicht einfach darin, dass Wissenschaftler die Schwerkraft mit Quantenatomen gemessen haben; solche Experimente wurden bereits zuvor durchgeführt. Stattdessen haben die Forscher direkt eine spezifische Änderung der „Phase“ einer Quantenwelle gemessen, während ein Atom unter Schwerkrafteinfluss frei fiel – ein Effekt, der durch Einsteins Äquivalenzprinzip vorhergesagt wurde.

Ben Gurion University of the Negev in Beer-Sheva am 8. Juni 2026. Foto: Yoav Dudkevitch/TPS-IL

Das Experiment wurde von der Ben-Gurion-Universität des Negev, der Universität Ulm und der Universität Oxford geleitet, wobei der Nobelpreisträger Sir Roger Penrose zu den beteiligten Forschern gehörte. Es wurde in der Fachzeitschrift Science Advances veröffentlicht.

„Die Quantenmechanik sagt uns, dass ein Teilchen auch eine Welle ist“, sagte Prof. Ron Folman vom Ilse Katz Institute for Nanoscale Science and Technology der Ben-Gurion-Universität gegenüber The Press Service of Israel. „Wellen, ob Meereswellen, Schallwellen, Lichtwellen oder Quantenwellen, haben eine Eigenschaft namens Phase.“

„Während die Beschleunigung frei fallender Objekte seit Galileo gemessen wurde, hat noch niemand die Quanteneigenschaften eines frei fallenden Quantenobjekts gemessen, und insbesondere, wie sich seine Phase durch den freien Fall ändert“, sagte er.

Ein fallendes Atom, zwei Wege

Das Äquivalenzprinzip, ein Eckpfeiler der allgemeinen Relativitätstheorie, besagt, dass die Auswirkungen der Schwerkraft für einen Beobachter im freien Fall lokal verschwinden können – eine Person, die in einem Aufzug frei fällt, würde beispielsweise Schwerelosigkeit erfahren. Das Prinzip wurde mit gewöhnlicher Materie mit außergewöhnlicher Präzision getestet. Quantenobjekte können sich jedoch wie Wellen verhalten und effektiv zwei Wege gleichzeitig nehmen.

„In unserem Experiment haben wir diese Regel genutzt, um ein Atom an zwei Orten und auf zwei Trajektorien gleichzeitig zu bringen. Auf einer Trajektorie fiel es frei, auf der anderen war es relativ zur Erde statisch, wobei letztere als Referenz diente“, erklärte Folman.

Die Forscher kühlten Rubidium-Atomwolken auf Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt und manipulierten sie in der Nähe eines speziell entwickelten Atomchips. Magnetfelder hielten einen Teil der atomaren Welle stationär, während der andere Teil frei fallen durfte. Die beiden Teile wurden dann wieder zusammengeführt, und ihre Wellen interferierten, was es den Forschern ermöglichte, den winzigen Unterschied in der Quantenphase zu messen, der sich zwischen dem fallenden und dem stationären Teil angesammelt hatte. Die gemessene Phasendifferenz entsprach dem von Einsteins Äquivalenzprinzip für ein Quantenobjekt vorhergesagten Wert.

Folman sagte, das Experiment sei bedeutsam, da Wissenschaftlern immer noch eine Theorie fehle, die erkläre, wie Schwerkraft und Quantenmechanik zusammenwirken. „Beide haben sich als funktionierend erwiesen, aber Wissenschaftler konnten nie eine Theorie formulieren, die beschreibt, wie beide im selben Universum zusammenarbeiten“, sagte er TPS-IL.

Das Experiment zeigt nicht, dass die Schwerkraft selbst quantenhaft ist, noch etabliert es eine einheitliche Theorie der Schwerkraft und Quantenmechanik. Stattdessen demonstriert es, dass unter den getesteten Bedingungen Einsteins Äquivalenzprinzip mit der Quantensuperposition vereinbar ist. Es testet auch nicht Penrose’s Vorschlag, dass die Quantenmechanik für ausreichend massive Objekte, die lange genug in Quantensuperpositionen gehalten werden, zusammenbrechen könnte.

Auf dem Weg zu neuer Physik

Die Forscher hoffen jedoch, die Technik mit viel schwereren Objekten anwenden zu können. „Unser Experiment hat die Tür für zukünftige, aufwendigere Experimente geöffnet, um die Schnittstelle zwischen den beiden Theorien zu testen“, sagte Folman gegenüber TPS.

Das Team entwickelt bereits ein Experiment, das anstelle eines Atoms einen Nanodiamanten verwendet. Ein ausreichend massives Objekt, das in eine Quantensuperposition gebracht wird, könnte es Forschern ermöglichen zu untersuchen, ob Quantenmechanik und Schwerkraft in einer Skala, in der ihre Wechselwirkung ausgeprägter wird, unterschiedlich verhalten. „Sobald es in eine Superposition gebracht wird, wird es eine Superposition der Raumzeit selbst erzeugen, und hier könnten wir völlig neue Physik sehen“, sagte Folman.

Sollten solche Experimente erfolgreich sein, könnten sie neue Wege zur Untersuchung der ungelösten Beziehung zwischen Quantenmechanik und Schwerkraft eröffnen. Die Forscher sehen auch langfristiges Potenzial für die zugrundeliegenden Techniken in Quantensensoren, die extrem präzise Messungen von Schwerkraft und Beschleunigung ermöglichen, einschließlich Anwendungen in der Vermessung, geologischen Kartierung und Navigation, wo GPS-Signale nicht verfügbar sind.