Die Superposition beschreibt in der (Quanten-)Physik die Überlagerung gleicher physikalischer Größen wie etwa Wellen, Schwingungen oder Felder. Sie ist eines der Markenzeichen der Quantentheorie und stellt Physiker immer wieder vor knifflige Fragen. Vor allem die Übertragung in unsere (erfahrbare) Welt stellte bislang ein nicht unwesentliches Problem dar, das nun jedoch endlich gelöst worden sein könnte.

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Superposition: Ein Durchbruch der Quantenphysik

Lange Zeit schlugen sich Physiker mit einem über alle Maßen verwirrenden Rätsel herum: Wie können diese seltsamen Quanteneffekte in die klassische Welt übergehen, mit der wir alle vertraut sind? „Die Experimente von Markus Arndt und seinem Team an der Universität Wien nähern sich dieser Frage in der auf dem direktest möglichen Weg, d.h. durch das Zeigen von Quanteninterferenz mit immer massereicheren Objekten“, heißt es in einer Pressemitteilung der Uni Wien.

Während es Wissenschaftlern bislang lediglich gelang, das Superpositionsprinzip an den kleinsten bekannten Partikeln wie beispielsweise Elektronen, Photonen und Atomen zu untersuchen, haben sie nun einen neuen Durchbruch erzielt. „Eines der größten Moleküle, das durch das Interferometer geschickt wurde, C707H260F908N16S53Zn4, besteht aus mehr als 40.000 Protonen, Neutronen und Elektronen, mit einem de Broglie-Wellenlänge, die tausendmal kleiner ist als der Durchmesser auch nur eines einzelnen Wasserstoffatoms.“

Marcel Mayor und sein Team von der Universität Basel nutze spezielle Techniken, um solch massive Moleküle zu synthetisieren, die stabil genug seien, um im Ultrahochvakuum einen Molekularstrahl zu bilden. Der Nachweis der Quantennatur dieser Teilchen habe zudem ein Materiewellen-Interferometer mit einer zwei Meter langen Basislinie erfordert, das eigens zu diesem Zweck in Wien gebaut worden sei.

Was zeigen die Experimente?

„Die Experimente, die wir durchführen, zeigen, dass sehr komplexe Dinge in Zuständen vorbereitet werden können, von denen Sie nie glauben würden, dass sie existieren, wenn Sie sie für eine Billardkugel, einen Mann oder ein Auto gesehen hätten“, zitierte Popular Mechanics den Physiker bereits 2019. „Aber warum sollte die Natur im Kleinen anders sein? Ist die Quantenphysik makroskopisch nicht gültig?“

Im Experiment sehe man makroskopische Quantensuperpositionen, erklärt Arndt nun gegenüber futurezone.de. Auch komplexe Materie könne sich im Experiment über einige 100 Newtonmeter (nm) delokalisieren. „Die Komplexität und Masse der Teilchen in Quantenüberlagerungen (ca. 2000 Atome und 25 kDa) setzt derzeit einen Rekord“, so Arndt.

Was bedeutet das Experiment für die weitere Forschung?

Etwas weiter gedacht könnte das Superpositionsprinzip dazu genutzt werden, die Raumzeit zu krümmen. Doch handelt es sich bei diesem Gedanken wohl weniger um Science, als eher um Fiction. Menschen wäre es zumindest in der Theorie möglich, sich durch den Kosmos zu bewegen, ohne Rücksicht auf den Verlauf der Zeit nehmen zu müssen – sie könnten also Zeitreisen. Es gibt schließlich zwei Arten von Zeitreisen – und eine davon ist möglich.

Markus Arndt selbst schätzt die Konsequenzen seines Experiments hingegen wesentlich wissenschaftlicher ein und erklärt: „Unsere Forschung wird keine Zeitreise ermöglichen und absehbar auch nicht die Grundlage dafür sein.“