When do quantum systems source gravity and how can we test it?

Die Gravitation ist die Kraft, die unsere Füße auf dem Boden hält und die Planeten auf ihren Umlaufbahnen hält, aber sie ist auch das hartnäckigste Rätsel der modernen Physik. Seit über einem Jahrhundert versuchen Wissenschaftler, zwei große Theorien zu vereinen: die allgemeine Relativitätstheorie, die die Gravitation als eine glatte Krümmung von Raum und Zeit durch massive Objekte beschreibt, und die Quantenmechanik, die das chaotische, probabilistische Verhalten der winzigsten Teilchen beschreibt. Das Problem ist, dass diese beiden Theorien unterschiedliche Sprachen sprechen. Wenn Physiker versuchen, sie zu kombinieren, bricht die Mathematik oft zusammen und liefert unendliche Werte und unsinnige Ergebnisse. Dies hat viele zu der Annahme geführt, dass die Gravitation selbst aus winzigen, diskreten Teilchen bestehen muss, so wie Licht aus Photonen besteht. Es gibt jedoch eine andere Möglichkeit, die lange Zeit abgetan wurde: dass die Gravitation eine glatte, klassische Kraft bleibt, aber erst dann „eingeschaltet“ wird, wenn Quantensysteme auf eine bestimmte Weise mit ihrer Umgebung interagieren.

Francisco Pipa, ein Forscher an der University of Queensland, schlägt einen neuen Weg vor, um dieses Rätsel zu lösen. Seine Arbeit legt nahe, dass die Gravitation nicht als ein konstantes Feld existiert, das von jedem Quantenteilchen zu jeder Zeit erzeugt wird. Stattdessen argumentiert er, dass ein Quantensystem nur dann ein Gravitationsfeld erzeugt – das heißt, nur dann eine Anziehungskraft ausübt –, wenn es an einer spezifischen Kette von Interaktionen teilnimmt, die zu einem definiten Ergebnis führt. In der Welt der Quanten existieren Teilchen oft in einem Zustand der Superposition, in dem sie an mehreren Orten oder in mehreren Zuständen gleichzeitig sind. Pipa schlägt vor, dass ein Teilchen, solange es in diesem isolierten, superponierten Zustand verbleibt, keine Gravitation erzeugt. Erst wenn das Teilchen mit anderer Materie interagiert, was eine „Dekohärenz“ verursacht – einen Prozess, bei dem die Umgebung das Teilchen dazu zwingt, sich für einen einzigen, definiten Zustand zu entscheiden –, beginnt es, als Quelle der Gravitation zu wirken. Diese Idee stellt die Standardansicht in Frage, dass Masse immer Gravitation erzeugt, unabhängig davon, ob diese Masse isoliert ist oder interagiert.

Die Arbeit skizziert ein Framework, in dem die Gravitation aus einer Kette von Ursache-Wirkungs-Ereignissen hervorgeht. Pipa nennt diese Ketten „stabile Bestimmungsketten“ (stable determination chains). Stellen Sie sich eine Sequenz vor, in der ein Quantensystem mit einem anderen interagiert, wodurch ein Protokoll dieser Interaktion entsteht, welches wiederum es einem dritten System ermöglicht, mit dem ersten zu interagieren, und so weiter. Nur innerhalb dieser Ketten, in denen Informationen weitergegeben werden und definite Ergebnisse etabliert werden, tritt das Gravitationsfeld auf. Wenn ein System vollständig von solchen Ketten isoliert ist, entwickelt es sich, ohne seine eigene Gravitation zu erzeugen, selbst wenn es Masse besitzt. Dieser Ansatz vermeidet die Notwendigkeit, die Gravitation in Teilchen zu quantisieren. Stattdessen behandelt er die Gravitation als ein konditionales Phänomen, das daraus entsteht, wie Quantenmaterie durch Interaktion in definite Zustände übergeht.

Um diese radikale Idee zu testen, schlägt Pipa mehrere Experimente vor, die seine Theorie von bestehenden unterscheiden könnten. Ein wesentlicher Vorschlag betrifft das Bose-Marletto-Vedral-Experiment, einen Versuchsaufbau, der darauf ausgelegt ist zu sehen, ob die Gravitation zwei Teilchen verschränken kann. In diesem Experiment werden zwei Massen in einer Superposition verschiedener Orte platziert. Wenn die Gravitation eine Quantenkraft ist, sollte sie in der Lage sein, die beiden Massen miteinander zu verknüpfen und einen gemeinsamen Quantenzustand zu erzeugen. Pipas Theorie liefert die Aussage für die Nullhypothese in diesem Experiment: Er sagt voraus, dass die Massen, da sie isoliert sind und nicht Teil einer Dekohärenz induzierenden Kette sind, überhaupt kein Gravitationsfeld erzeugen sollten. Daher sollten sie sich nicht verschränken, und das Experiment sollte keinen Gravitationseffekt zeigen. Wenn das Experiment jedoch eine Verschränkung zeigt, wäre Pipas Theorie widerlegt. Wenn die Massen hingegen unverschränkt bleiben, würde dies die Idee stützen, dass die Gravitation konditional ist.

Das Paper schlägt zudem einen direkteren Test mittels Quantenschaltkreisen vor. Forscher könnten einen Schaltkreis bauen, in dem sie exakt kontrollieren, wann ein System in eine „Bestimmungskette“ eintritt. Indem sie ein System isolieren und es dann selektiv zulassen, mit einer Kette anderer Systeme zu interagieren, könnten sie das Gravitationsfeld des Systems an- und ausschalten. Wenn die Theorie korrekt ist, sollte das System nur dann eine messbare Gravitationskraft erzeugen, wenn es aktiv Teil der Kette ist. Dies würde es Wissenschaftlern ermöglichen, Quantencomputer zu nutzen, um den Akt des Erzeugens von Gravitation zu steuern – eine Fähigkeit, die bisher noch nie demonstriert wurde.

Pipas Arbeit befasst sich auch mit der Natur des Universums auf großer Skala. Wenn die Gravitation nur aus diesen Interaktionsketten entsteht, dann hätte das Vakuum des Weltraums, das frei von solchen Interaktionen ist, kein eigenes Gravitationsfeld. Dies führt zu einem neuen Verständnis der kosmologischen Konstante, jener mysteriösen Kraft, die die Expansion des Universums vorantreibt. Das Paper legt nahe, dass der Wert dieser Konstante nicht fix sein muss, sondern sich im Laufe der Zeit ändern könnte, wenn sich die Anzahl der Interaktionen im Universum ändert. Dies könnte erklären, warum die Dunkle Energie zunehmend schwächer wird, ein Phänomen, mit dem aktuelle Theorien Schwierigkeiten haben.

Die Stärke dieses Vorschlags liegt in seiner Fähigkeit, langjährige Paradoxien zu lösen, ohne neue Teilchen oder Kräfte zu erfinden. Er legt nahe, dass die „Seltsamkeit“ der Quantenmechanik und die „Glätte“ der Gravitation nicht im Konflikt stehen; vielmehr ist die Gravitation schlicht das Resultat der Art und Weise, wie Quantensysteme durch Interaktion in definite Zustände übergehen. Das Paper behauptet nicht, diese Theorie bereits bewiesen zu haben. Stattdessen liefert es eine klare Menge an Regeln und Vorhersagen, die im Labor getestet werden können. Durch den Vorschlag spezifischer Experimente, wie des kontrollierten Quantenschaltkreises und des modifizierten Bose-Marletto-Vedral-Aufbaus, bietet Pipa einen Weg auf, um Wissenschaftlern zu ermöglichen zu bestimmen, ob die Gravitation eine fundamentale Kraft ist, die überall existiert, oder ein konditioneller Effekt, der nur erscheint, wenn die Quantenwelt mit sich selbst interagiert.

Die Implikationen dieser Arbeit sind tiefgreifend. Wenn die Gravitation konditional ist, bedeutet dies, dass das Gefüge der Raumzeit keine statische Bühne ist, auf der Ereignisse stattfinden, sondern eine dynamische Struktur, die aus den Interaktionen der Materie hervorgeht. Es deutet darauf hin, dass das Universum nicht mit einem konstanten Gravitationsfeld gefüllt ist, sondern dass die Gravitation ein Phänomen ist, das sich durch ein Netzwerk von Interaktionen ausbreitet, ähnlich wie ein Signal, das durch eine Kette von Menschen weitergegeben wird. Diese Sichtweise könnte das Problem der Singularitäten lösen, jener unendlich dichten Punkte im Zentrum von Schwarzen Löchern. Wenn die Gravitation nur dort existiert, wo Interaktionen stattfinden, dann würde die Gravitation im tiefsten Kern eines Schwarzen Lochs, wo Interaktionen möglicherweise aufhören, einfach verschwinden und anstelle einer Singularität einen flachen, leeren Raum hinterlassen.

Letztlich lädt uns dieses Paper dazu ein, das Verhältnis zwischen der Quantenwelt und dem Kosmos neu zu überdenken. Es schlägt vor, dass die Kraft, die Sterne und Galaxien formt, keine konstante Hintergrundpräsenz ist, sondern eine Konsequenz daraus, wie Materie zur Realität wird. Indem er sich auf die Bedingungen konzentriert, unter denen die Gravitation erscheint, bietet Pipa eine frische Perspektung, die die Lücke zwischen dem sehr Kleinen und dem sehr Großen schließen könnte. Der nächste Schritt ist der Bau der Experimente, die diese Ideen bestätigen oder widerlegen können, um eine theoretische Möglichkeit in eine physische Realität zu verwandeln.