Es ist bekannt, dass alle fundamentalen Kräfte des Universums den Gesetzen der Quantenmechanik folgen, außer einer: der Schwerkraft. Wenn es gelänge, die Schwerkraft in die Quantenmechanik einzupassen, kämen die Wissenschaftler einer „Theorie von allem“, die die Funktionsweise des Kosmos von Grund auf erklären könnte, einen großen Schritt näher. Ein entscheidender erster Schritt auf der Suche nach der Quantenmechanik der Gravitation ist der Nachweis des seit langem postulierten Elementarteilchens der Gravitation, des Gravitons. Auf der Suche nach dem Graviton wenden sich die Physiker nun Experimenten mit mikroskopischen Supraleitern, frei fallenden Kristallen und dem Nachleuchten des Urknalls zu.

Die Quantenmechanik geht davon aus, dass alles aus Quanten oder Energiepaketen besteht, die sich sowohl wie Teilchen als auch wie Wellen verhalten können – Lichtquanten beispielsweise werden Photonen genannt. Der Nachweis von Gravitonen, den hypothetischen Quanten der Schwerkraft, würde beweisen, dass die Schwerkraft ein Quantenphänomen ist. Das Problem ist, dass die Schwerkraft außerordentlich schwach ist. Um die winzigen Auswirkungen eines Gravitons auf die Materie direkt beobachten zu können, so der Physiker Freeman Dyson, müsste ein Graviton-Detektor so massiv sein, dass er in sich zusammenfällt und ein schwarzes Loch bildet.

„Eines der Probleme mit den Theorien der Quantengravitation ist, dass ihre Vorhersagen in der Regel kaum experimentell überprüfbar sind“, sagt der Quantenphysiker Richard Norte von der Technischen Universität Delft in den Niederlanden. „Das ist der Hauptgrund, warum es so viele konkurrierende Theorien gibt und warum es uns nicht gelungen ist, zu verstehen, wie es tatsächlich funktioniert.“

Im Jahr 2015 schlug der theoretische Physiker James Quach, jetzt an der Universität von Adelaide in Australien, jedoch eine Möglichkeit vor, Gravitonen nachzuweisen, indem er sich ihre Quantennatur zunutze macht. Die Quantenmechanik geht davon aus, dass das Universum von Natur aus unscharf ist – so kann man beispielsweise niemals gleichzeitig die Position und den Impuls eines Teilchens genau kennen. Eine Folge dieser Unschärfe ist, dass ein Vakuum nie völlig leer ist, sondern stattdessen mit einem „Quantenschaum“ aus so genannten virtuellen Teilchen umherschwirrt, die ständig auftauchen und wieder verschwinden. Bei diesen geisterhaften Gebilden kann es sich um jede Art von Quanten handeln, auch um Gravitonen.

Wissenschaftler haben schon vor Jahrzehnten festgestellt, dass virtuelle Teilchen nachweisbare Kräfte erzeugen können. Der Casimir-Effekt zum Beispiel ist die Anziehung oder Abstoßung, die zwischen zwei nahe beieinander stehenden Spiegeln im Vakuum zu beobachten ist. Diese reflektierenden Oberflächen bewegen sich aufgrund der Kraft, die durch virtuelle Photonen erzeugt wird, die ein- und ausblinzeln. Frühere Forschungen legten nahe, dass Supraleiter Gravitonen stärker reflektieren könnten als normale Materie. Quach berechnete daher, dass die Suche nach Wechselwirkungen zwischen zwei dünnen supraleitenden Platten im Vakuum einen gravitativen Casimir-Effekt aufzeigen könnte. Die sich daraus ergebende Kraft könnte etwa 10-mal stärker sein als diejenige, die von dem auf virtuellen Photonen basierenden Casimir-Effekt erwartet wird.

Kürzlich entwickelten Norte und seine Kollegen einen Mikrochip, um dieses Experiment durchzuführen. Auf diesem Chip befanden sich zwei mikroskopisch kleine, aluminiumbeschichtete Platten, die fast auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt wurden, so dass sie supraleitend wurden. Eine Platte war an einem beweglichen Spiegel befestigt, auf den ein Laser geschossen wurde. Wenn sich die Platten aufgrund des gravitativen Casimir-Effekts bewegten, würde sich die Frequenz des vom Spiegel reflektierten Lichts messbar verschieben. Wie in der Online-Ausgabe der Physical Review Letters vom 20. Juli beschrieben, konnten die Wissenschaftler keinen gravitativen Casimir-Effekt feststellen. Dieses Nullergebnis schließt nicht notwendigerweise die Existenz von Gravitonen – und damit die Quantennatur der Gravitation – aus. Vielmehr könnte es einfach bedeuten, dass Gravitonen nicht so stark mit Supraleitern wechselwirken, wie in früheren Arbeiten angenommen wurde, sagt der Quantenphysiker und Nobelpreisträger Frank Wilczek vom Massachusetts Institute of Technology, der an dieser Studie nicht beteiligt war und von den Nullergebnissen nicht überrascht wurde. Dennoch, so Quach, war dies „ein mutiger Versuch, Gravitonen nachzuweisen“

Obwohl Nortes Mikrochip nicht herausfand, ob die Schwerkraft ein Quanteneffekt ist, verfolgen andere Wissenschaftler eine Vielzahl von Ansätzen, um Gravitationsquanteneffekte zu finden. So legten 2017 zwei unabhängige Studien nahe, dass die Schwerkraft, wenn sie ein Quanteneffekt ist, eine als „Verschränkung“ bekannte Verbindung zwischen Teilchen erzeugen könnte, so dass ein Teilchen ein anderes augenblicklich beeinflusst, unabhängig davon, wo sich beide im Kosmos befinden. Ein Tischexperiment, bei dem Laserstrahlen und mikroskopisch kleine Diamanten verwendet werden, könnte bei der Suche nach einer solchen auf Schwerkraft basierenden Verschränkung helfen. Die Kristalle würden in einem Vakuum gehalten, um Kollisionen mit Atomen zu vermeiden, so dass sie allein durch die Schwerkraft miteinander wechselwirken würden. Die Wissenschaftler würden diese Diamanten gleichzeitig fallen lassen, und wenn die Schwerkraft ein Quantum ist, könnte die Anziehungskraft, die jeder Kristall auf den anderen ausübt, sie miteinander verschränken.

Die Forscher würden nach der Verschränkung suchen, indem sie nach dem Fall mit Lasern in das Herz jedes Diamanten leuchten. Wenn sich die Teilchen in den Zentren der Kristalle in eine Richtung drehen, würden sie fluoreszieren, aber nicht, wenn sie sich in die andere Richtung drehen. Wenn die Spins in beiden Kristallen häufiger synchron sind, als der Zufall es vorhersagt, würde dies auf eine Verschränkung hindeuten. „Experimentatoren auf der ganzen Welt sind neugierig darauf, diese Herausforderung anzunehmen“, sagt der Quantengravitationsforscher Anupam Mazumdar von der Universität Groningen in den Niederlanden, Mitautor einer der Verschränkungsstudien.

Eine andere Strategie, um Beweise für die Quantengravitation zu finden, besteht darin, die kosmische Mikrowellen-Hintergrundstrahlung, das schwache Nachleuchten des Urknalls, zu untersuchen, sagt der Kosmologe Alan Guth vom M.I.T. Quanten wie Gravitonen fluktuieren wie Wellen, und die kürzesten Wellenlängen würden die stärksten Fluktuationen aufweisen. Als sich der Kosmos innerhalb eines Sekundenbruchteils nach dem Urknall in schwindelerregender Größe ausdehnte, hätten sich diese kurzen Wellenlängen nach Guths weithin unterstütztem kosmologischen Modell, der so genannten Inflation, auf längere Skalen im gesamten Universum ausgedehnt. Dieser Beweis für die Quantengravitation könnte als Wirbel in der Polarisation oder Ausrichtung der Photonen der kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung sichtbar sein.

Die Intensität dieser Wirbelmuster, die als B-Moden bezeichnet werden, hängt jedoch sehr stark von der genauen Energie und dem Zeitpunkt der Inflation ab. „Einige Versionen der Inflation sagen voraus, dass diese B-Moden bald gefunden werden sollten, während andere Versionen voraussagen, dass die B-Moden so schwach sind, dass es nie eine Hoffnung gibt, sie zu entdecken“, sagt Guth. „Aber wenn sie gefunden werden und die Eigenschaften mit den Erwartungen der Inflation übereinstimmen, wäre das ein sehr starker Beweis dafür, dass die Schwerkraft gequantelt ist.“

Eine weitere Möglichkeit, herauszufinden, ob die Schwerkraft gequantelt ist, besteht darin, direkt nach Quantenfluktuationen in Gravitationswellen zu suchen, von denen man annimmt, dass sie aus Gravitonen bestehen, die kurz nach dem Urknall entstanden sind. Das Laser-Interferometer-Gravitationswellen-Observatorium (LIGO) entdeckte 2016 erstmals Gravitationswellen, aber es ist nicht empfindlich genug, um die fluktuierenden Gravitationswellen im frühen Universum zu entdecken, die durch die Inflation auf kosmische Größenordnungen ausgedehnt wurden, sagt Guth. Ein Gravitationswellen-Observatorium im Weltraum, wie die Laser Interferometer Space Antenna (LISA), könnte diese Wellen möglicherweise aufspüren, fügt Wilczek hinzu.

In einem kürzlich von der Fachzeitschrift Classical and Quantum Gravity akzeptierten Artikel argumentiert der Astrophysiker Richard Lieu von der University of Alabama, Huntsville, dass LIGO bereits Gravitonen hätte aufspüren müssen, wenn sie so viel Energie tragen, wie einige aktuelle Modelle der Teilchenphysik vermuten lassen. Es könnte sein, dass das Graviton einfach weniger Energie hat als erwartet, aber Lieu meint, dass dies auch bedeuten könnte, dass das Graviton nicht existiert. „Wenn das Graviton überhaupt nicht existiert, wäre das für die meisten Physiker eine gute Nachricht, denn wir haben uns bei der Entwicklung einer Theorie der Quantengravitation so schwer getan“, sagt Lieu.

Dennoch ist es vielleicht nicht einfacher, Theorien zu entwickeln, die das Graviton eliminieren, als Theorien, die es erhalten. „Aus theoretischer Sicht ist es sehr schwer vorstellbar, wie die Gravitation nicht quantisiert werden könnte“, sagt Guth. „Mir ist keine vernünftige Theorie bekannt, wie die klassische Gravitation mit Quantenmaterie interagieren könnte, und ich kann mir nicht vorstellen, wie eine solche Theorie funktionieren könnte.“