Rekordexperiment Physiker messen bislang schwächste Anziehungskraft der Welt

Selbst zwischen winzigen Massen besteht eine natürliche Gravitation. Störeffekte wie Verkehrslärm machten es Fachleuten allerdings schwer, diese zu messen – bis jetzt.
Experiment mit Torsionspendel

Experiment mit Torsionspendel

Foto: Tobias Westphal

Quantenphysiker haben die Massenanziehung zwischen gerade einmal zwei Millimeter großen Goldkügelchen gemessen. Für ihr Experiment verwendeten Fachleute der Universität Wien ein spezielles Pendel, das unter erheblichem Aufwand gegen störende Einflüsse von außen abgeschirmt werden musste.

Das Ergebnis war ein neuer Rekord: die bislang schwächste nachgewiesene Gravitationskraft. Die Fachleute hoffen nun, mithilfe von noch erheblich kleineren Massen auch Quanteneffekten der Gravitation auf die Spur zu kommen.

»Die Gravitation ist die schwächste aller bekannten Naturkräfte – und sie stellt uns vor eine der wichtigsten offenen Fragen der modernen Physik«, schreiben Tobias Westphal und seine Kollegen im Fachblatt »Nature« . Das Problem: Die natürlich immer vorhandene Anziehung zwischen zwei Massen lässt sich bislang nicht mit dem Standardmodell der Teilchenphysik in Einklang bringen.

Grenze Quantenphysik

Dieses Standardmodell beschreibt alle Naturkräfte – etwa den Elektromagnetismus sowie die Wechselwirkung zwischen Elementarteilchen. Ein Bestandteil sind dabei auch quantenphysikalische Effekte – doch die Gravitation zwischen Massen lässt sich anhand dieser bislang nicht beschreiben oder erklären.

Physiker versuchen deshalb, die Anziehung immer kleinerer Massen zu untersuchen – und so schließlich in Bereiche vorzudringen, in denen Quanteneffekte eine Rolle spielen. Dort hoffen sie auf bislang unbekannte Phänomene zu stoßen, die schließlich zu einer einheitlichen Theorie sämtlicher Naturkräfte führen könnten.

Bislang waren allerdings nur Messungen der Anziehungskräfte zwischen Massen bis etwa ein Kilogramm möglich. Die in dem aktuellen Experiment verwendeten Goldkügelchen wiegen dagegen gerade einmal 90 Milligramm. Die Fachleute aus Wien befestigten die winzigen Objekte an einem sogenannten Torsionspendel.

Experiment mit verdrehbarem Pendel

Dieses besteht aus einem vier Zentimeter langen und einem halben Millimeter dicken Glasstab, der an einer Glasfaser mit einem Durchmesser von wenigen tausendstel Millimetern Durchmesser aufgehängt ist. An den beiden Enden des Stabs sind jeweils Goldkugeln befestigt.

Sehr nahe bei einer dieser Kugeln befindet sich eine weitere – und die Anziehungskraft zwischen diesen beiden Kugeln verdreht das Pendel. Die Verdrehung des Pendeldrahts – Torsion genannt – gleicht diese Kraft dann aus. Sie ist zunächst nicht zu erfassen. Bewegen die Fachleute jedoch eine dritte Goldkugel, so beginnt das Pendel durch deren Gravitationswirkung zu schwingen.

Aus der Messung dieser Schwingungen lässt sich mithilfe eines Laserstrahls die extrem schwache Anziehungskraft zwischen den Kugeln bestimmen. Verlässlich gelingt das allerdings nur, wenn keine anderen Kräfte die Bewegung beeinflussen.

Problem Fußgänger und Straßenbahnverkehr

»Der größte nicht gravitative Effekt in unserem Experiment stammt von seismischen Schwingungen, die durch Fußgänger und den Straßenbahnverkehr rund um unser Labor in Wien erzeugt werden«, so Co-Autor Hans Hepach. »Die besten Messdaten erhielten wir daher nachts und während der Weihnachtsfeiertage, als nur wenig Verkehr herrschte.«

Insgesamt weicht das Ergebnis der Messungen dennoch um etwa neun Prozent vom theoretischen Wert ab. »Aber diese Abweichung können wir vollständig durch die bekannten systematischen Unsicherheiten unseres Experiments erklären«, so die Fachleute.

Ihr Ziel ist es nun, die Massen der Kügelchen immer kleiner werden zu lassen, bis schließlich Quanteneffekte eine Rolle spielen. Bis dahin ist es allerdings noch ein weiter Weg. Als kritische Masse – die sogenannte Planck-Masse – für das Auftreten von Quantenphänomenen bei der Gravitation sehen Physiker eine Masse von etwa einem hundertstel Milligramm an.

jme/dpa
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