Wie bringt man die Kräfte, die bei kleinsten Teilchen wirken, mit jenen der großen Strukturen der Welt in einer umfassenden Theorie zusammen? Quantenmechanik und Gravitation in einem physikalischen Weltbild zu vereinen ist eine der bedeutendsten Aufgaben der modernen Physik. Auf dieser Suche nach einem "missing link" zwischen den beiden Welten ist es hilfreich, wenn man mit hochgenauen Experimenten die Wirkung der Schwerkraft überprüft. Würde die Gravitationstheorie verletzt, wäre das ein Hinweis auf eine neue Theorie.

Bei dieser Art von Messungen steht oft das sogenannte Äquivalenzprinzip als eine der Grundlagen der Gravitationstheorie im Zentrum der Überlegungen. "Das Äquivalenzprinzip besagt: Je lokaler eine Messung durchgeführt wird, desto weniger Auswirkungen der Gravitation kann man sehen.

Theorien, die Gravitation und die anderen fundamentalen Wechselwirkungen zusammenbringen, sind kaum ohne eine Verletzung dieses Prinzips vorstellbar", sagt Peter Asenbaum. Der Quantenphysiker konnte mit Kollegen in einer Studie, die im Fachjournal "Physical Review Letter" erschien, die Messgenauigkeit gegenüber früheren Versuchen stark verbessern.

Von Stanford nach Wien

Die Studie erschien während seiner mehr als sechsjährigen Forschungstätigkeit am Department of Physics der Stanford University in Kalifornien. Mittlerweile ist Asenbaum zurück in Wien und als Post-doc-Forscher in der Gruppe von Markus Aspelmeyer am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften tätig.

Für seine Studie in Stanford wurde Asenbaum kürzlich mit dem Ascina-Award in der Kategorie "Young Scientist" ausgezeichnet. Das Netzwerk Ascina (Austrian Scientists and Scholars in North America) prämiert, unterstützt vom Wissenschaftsministerium, exzellente Publikationen von Nachwuchsforschenden, die während eines Aufenthaltes an einer nordamerikanischen Forschungseinrichtung verfasst wurden.

"Kern unseres Experiments zur Prüfung des Äquivalenzprinzips war ein Vergleich, ob sich die Quantenzustände auf einem atomaren Level im freien Fall wirklich ident und ununterscheidbar verhalten", sagt Asenbaum, der mit seinem Team diese absolute Parallelität auf ein hundertstel Nanometer genau – und damit um den Faktor 10.000 besser als bisherige vergleichbare Messungen – bestätigen konnte. Der nächste Schritt ist nun, nicht die Quantenzustände von Atomen bei dieser Art von Experimenten anzusehen, sondern jene makroskopischer Elemente, die also aus tausenden Atomen bestehen.

Der 1986 geborene Wiener hat 2014 am Doktoratskolleg Complex Quantum Systems der Uni Wien promoviert. "Was anderes als Physik zu studieren, wäre mir nicht eingefallen", sagt Asenbaum. Nach einem Seminarvortrag in Stanford lud ihn ein Professor zu einer Bewerbung ein.

Die Rückkehr nach Wien sei einer Mischung aus beruflichen und familiären Gründen geschuldet. Mitgebracht hat er auch seine neu entfachte Liebe zum Tennis – Asenbaum: "Ich vermisse an Stanford, dass man dort ganz einfach in jedem Park spielen konnte." (Alois Pumhösel, 6.10.2021)