Ein Atom fällt und bleibt zugleich stehen: Physiker testen Einstein in der Quantenwelt
Ein Atom fällt und bleibt zugleich stehen: Ein Quantenexperiment mit Rubidiumatomen prüft Einsteins Äquivalenzprinzip, mit überraschend klaren Ergebnissen.
Ein Gesamtüberblick über den Versuchsaufbau. Im Zentrum steht eine Vakuumkammer, in der dank Bedingungen, wie sie im Weltraum herrschen, Atome ungestört gehalten werden können. Links befindet sich ein 2D-MOT, eine Vorrichtung, die Atome in die Forschungskammer leitet, in der sich der Atomchip befindet. Um die Kammer herum befinden sich Antennen, Spulen und Glasfasern, mit deren Hilfe Atome eingefangen und gekühlt und anschließend auf zwei unterschiedliche Bahnen gelenkt werden können. Abschließend wird die relative Phase zwischen den beiden Pfaden gemessen.
Foto: Or Dobkowski
Etwa 20.000 ultrakalte Rubidiumatome, wenige Mikrometer Fallhöhe und rund zwei Millisekunden Zeit: Mit einem ungewöhnlichen Experiment haben Forschende untersucht, wie sich Einsteins Äquivalenzprinzip auf eine quantenmechanische Materiewelle übertragen lässt. Das Ergebnis stimmt mit der theoretischen Vorhersage überein. Eine Quantengravitation haben die Physiker damit allerdings nicht nachgewiesen.
Ein Atom fällt nach unten. So weit, so gewöhnlich. In einem neuen Experiment geschieht allerdings etwas, das in der klassischen Physik nicht möglich wäre: Ein Teil der Materiewelle des Atoms fällt frei, während ein anderer Teil gegenüber dem Labor nahezu an derselben Stelle bleibt.
Am Ende werden beide Teile wieder zusammengeführt. Aus ihrer Überlagerung können die Forschenden ablesen, wie sich ihre quantenmechanischen Phasen währenddessen auseinanderentwickelt haben.
Genau das hat ein internationales Team um Ron Folman von der Ben-Gurion-Universität des Negev untersucht. Beteiligt waren unter anderem die Universität Ulm, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), die University of Oxford, die University of Southampton und die Texas A&M University. Auch Physik-Nobelpreisträger Roger Penrose gehört zum Autorenteam.
Die Arbeit erschien am 2. September 2026 im Fachjournal „Science Advances“.
Inhaltsverzeichnis
Ein Atom auf zwei Wegen
Für den Versuch arbeitete das Team mit einer Wolke aus etwa 20.000 ultrakalten Rubidiumatomen. Die Atome wurden bis nahe an den absoluten Nullpunkt gekühlt und anschließend an einem speziellen Atomchip manipuliert.
Mit Mikrowellenpulsen brachten die Forschenden die Atome in eine Quantensuperposition. Vereinfacht gesagt lässt sich die Materiewelle eines Atoms danach durch zwei Wellenpakete beschreiben, die unterschiedliche Wege nehmen. Das bedeutet nicht, dass sich ein klassisches Atom in zwei Hälften teilt. Vielmehr befindet sich das Quantensystem in einer Überlagerung verschiedener Zustände.
Anschließend sorgten winzige Leiterbahnen auf dem Atomchip für genau abgestimmte Magnetfelder. Eines der beiden Wellenpakete befand sich in einem magnetisch empfindlichen Zustand. Auf dieses Paket wirkte eine Kraft nach oben, die die Erdanziehung weitgehend ausglich. Es blieb damit nahezu an derselben Stelle gegenüber dem Labor.
Das zweite Paket wurde zunächst nach oben beschleunigt. Danach versetzten die Forschenden es in einen Zustand, der kaum auf das Magnetfeld reagiert. Nun konnte es frei im Schwerefeld der Erde fliegen und wieder nach unten fallen. Der freie Fall dauerte nur rund zwei Millisekunden. Dabei legte das Wellenpaket lediglich einige Mikrometer zurück.
Ein Interferometer für den freien Fall
Den Versuchsaufbau nennt das Team „Quantum Galileo Interferometer“, kurz QGI. Der Name erinnert an Galileo Galilei und dessen Untersuchungen zum freien Fall.
Nach dem Manöver führten die Forschenden beide Wellenpakete wieder zusammen. Dabei überlagerten sich die Materiewellen. Je nachdem, wie ihre Wellenberge und Wellentäler zueinander liegen, verstärken oder schwächen sie sich gegenseitig. Aus diesem Interferenzsignal lässt sich die relative Phase der beiden Wellenpakete bestimmen.
Und genau darin liegt der interessante Teil des Experiments. Atominterferometer werden bereits seit Jahrzehnten verwendet, um die Erdbeschleunigung sehr genau zu messen. Das Team um Folman wollte etwas Spezielleres untersuchen: die Phase eines frei fallenden Wellenpakets gegenüber einem zweiten Paket, das im Labor gehalten wird. Nach Angaben der Forschenden gelang damit erstmals die direkte Messung der vorhergesagten Quantenphase eines frei fallenden Objekts.
Was hat das mit Einstein zu tun?
Hinter dem Experiment steht eines der wichtigsten Prinzipien von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie: das Äquivalenzprinzip.
Vereinfacht besagt es, dass sich die Wirkung eines homogenen Gravitationsfelds lokal nicht von der Wirkung einer entsprechenden Beschleunigung unterscheiden lässt. Ein Mensch in einem frei fallenden Aufzug würde deshalb für kurze Zeit Schwerelosigkeit erleben.
Für klassische Körper wurde das Äquivalenzprinzip mit enormer Genauigkeit überprüft. In der Quantenmechanik kommt jedoch eine zusätzliche Eigenschaft ins Spiel: Teilchen besitzen Welleneigenschaften und können sich in Superpositionen befinden. Das neue Experiment untersucht, wie sich das Prinzip auf einen solchen Quantenzustand anwenden lässt.
Die gemessene relative Phase entwickelte sich so, wie es die theoretische Beschreibung für den Versuchsaufbau vorhersagt. Die Autoren folgern daraus, dass das Äquivalenzprinzip im untersuchten Bereich mit der Quantenmechanik vereinbar ist.
Wer tiefer in die grundsätzliche Schwierigkeit einsteigen möchte, Gravitation und Quantenmechanik gemeinsam zu beschreiben, findet dazu auf ingenieur.de den Überblick „Dem großen Widerspruch der Schwerkraft auf der Spur“.
Keine Quantengravitation nachgewiesen
An dieser Stelle ist eine Abgrenzung wichtig. Das Experiment zeigt nicht, dass die Gravitation selbst quantisiert ist. Auch die seit Jahrzehnten gesuchte Verbindung zwischen Allgemeiner Relativitätstheorie und Quantenmechanik ist damit nicht gefunden. Im Versuch wird die Materie quantenmechanisch beschrieben, während das Gravitationsfeld klassisch bleibt.
Das Ergebnis ist deutlich enger: Die beobachtete Phasenentwicklung ist unter den getesteten Bedingungen mit der Anwendung des Äquivalenzprinzips auf die Materiewelle vereinbar.
Das ist trotzdem interessant. Experimente dieser Art bringen Effekte der Gravitation und kontrollierte Quantenzustände in einem Laboraufbau zusammen. Andere Forschungsgruppen verfolgen ähnliche Ziele mit Atomuhren und verschränkten Quantensystemen. Wie dabei sogar unterschiedliche relativistische Zeitverläufe in eine Quantensuperposition gebracht werden sollen, haben wir im Beitrag „Einstein trifft Quantenphysik: Wenn Zeit gleichzeitig schneller und langsamer läuft“ beschrieben.
Über die Interpretation wird diskutiert
Ganz unumstritten ist die Deutung des neuen Experiments allerdings nicht. Bereits 2025, als eine Vorabversion der Arbeit auf der Plattform arXiv erschien, veröffentlichten die Atominterferometrie-Forscher Peter Asenbaum und Chris Overstreet einen kritischen Kommentar.
Nach ihrer Berechnung lässt sich die gemessene Phasenverschiebung als Folge des magnetischen Rückstoßes im Interferometer erklären. Sie argumentieren, dass das Signal nicht direkt von der Stärke eines homogenen Gravitationsfelds abhängt und deshalb nicht als unmittelbarer Test des Äquivalenzprinzips interpretiert werden sollte.
Das Team um Folman widersprach. In einer eigenen Antwort rechneten die Forschenden vor, dass ihr Quantum Galileo Interferometer auch unter den von den Kritikern genannten Bedingungen empfindlich auf ein homogenes Gravitationsfeld sei.
Die nun in „Science Advances“ begutachtet veröffentlichte Arbeit formuliert ihre zentrale Aussage entsprechend vorsichtig: Gemessen wurde die Quantenphase des freien Falls und deren Konsistenz mit dem Äquivalenzprinzip.
Für die Einordnung heißt das: Die Phasenverschiebung selbst wurde experimentell gemessen. Wie weit sich daraus ein eigenständiger Quantentest des Äquivalenzprinzips ableiten lässt, ist Gegenstand der fachlichen Diskussion.
Penrose will schwerere Quantenobjekte untersuchen
Für Mitautor Roger Penrose führt das Experiment noch zu einer anderen Frage. Der Nobelpreisträger vertritt seit Langem die Hypothese, dass Quantensuperpositionen bei ausreichend großen Massen nicht unbegrenzt stabil bleiben könnten. Gravitation könnte nach dieser Vorstellung dazu beitragen, dass eine Superposition zusammenbricht.
Die Rubidiumatome des aktuellen Experiments sind viel zu leicht und die Messzeiten zu kurz, um diese Hypothese zu prüfen. Das Team will die Technik deshalb auf schwerere Systeme ausweiten. Als mögliches Testobjekt nennen die Forschenden Nanodiamanten. An einem entsprechenden Experiment werde an der Ben-Gurion-Universität bereits gearbeitet.
Quellen
- Science Advances: Or Dobkowski et al., „Observation of the quantum phase of free fall and the consistency with the equivalence principle“, veröffentlicht am 2. September 2026. doi.org/10.1126/sciadv.aec8045
- University of Oxford: Presseinformation zum Experiment und zur Einordnung der Ergebnisse. Scientists observe Einstein’s gravity in the quantum world
- Welt der Physik: Einordnung des Experiments mit Angaben zu Atomzahl, Fallzeit und Größenordnung der Fallstrecke. Freier Fall in der Quantenwelt
- Peter Asenbaum und Chris Overstreet: Fachlicher Kommentar zur Interpretation der gemessenen Phase. Magnetic recoil interferometer in a uniform gravitational field
- Or Dobkowski et al.: Antwort des Autorenteams auf die Kritik. Reply to comment on: Observation of the quantum equivalence principle for matter-waves
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