Quantengravitation mit Licht simuliert

Ob und wie die Quantentheorie und die Einsteinsche Gravitationstheorie zusammenpassen, ist noch immer ein Rätsel. Vor allem fehlen Beobachtungen von Vorgängen, bei denen beide Theorien gefordert sind. So machen sich Quanteneffekte bisher nur in der Mikrowelt bemerkbar, wo die Gravitation keine Rolle spielt. Doch durch die Simulation mit optischen Systemen wollen Physiker den Effekten der Quantengravitation auf die Spur kommen. So hatten Forscher mit Lichtstrahlen in optisch nichtlinearem Glas die Entstehung der vom Physiker Stephen Hawking postulierten Strahlung Schwarzer Löcher simuliert – der sogenannten Hawking-Strahlung.

Jetzt haben israelische Forscher um Mordechai Segev am Technion in Haifa ebenfalls mit Lichtstrahlen in Glas die Schrödinger-Newton-Gleichung simuliert, die in der Quantengravitation eine Rolle spielt. Sie beschreibt, wie sich eine Materiewelle in einem Gravitationsfeld bewegt, das von dieser Welle und anderen erzeugt wird. Dabei ersetzt man vereinfachend das Einsteinsche Gravitationsfeld durch das Newtonsche Gravitationspotential.

Segev und seine Kollegen nutzen dabei aus, dass ein Lichtstrahl Bleiglas erwärmt und dadurch dessen Brechungsindex erhöht, sodass Selbstfokussierung auftreten kann. Selbstfokussierung ist ein Effekt der nichtlinearen Optik, bei dem sich der Querschnitt eines intensiven Lichtbündels verringert, wenn dieses durch ein bestimmtes nichtlineares Medium tritt. Da sich die Wärmeenergie im Glas ausbreitet, kann der Lichtstrahl auch andere, weiter entfernte Strahlen beeinflussen.

Bei ihren Experimenten haben die Forscher einen intensiven Gaußschen Lichtstrahl durch einen zwei Zentimeter langen Bleiglasblock laufen lassen. Durch seine thermisch-optische Wirkung spielte dieser Strahl die Rolle eines Gravitationszentrums, das benachbarte Massen anzieht. Ein weiterer Strahl lief zunächst parallel zum ersten durch den Block. Es handelte sich dabei um einen sogenannten Airy-Strahl, der selbstbeschleunigt war und sich normalerweise vom ersten Strahl auf einer Parabelbahn entfernt hätte. Doch unter dessen Anziehung blieb er in seiner Nähe. Der erste Strahl wirkte also wie eine Gravitationslinse.

Quer zur Strahlrichtung zeigte der Airy-Strahl ein charakteristisches Intensitätsmuster mit ausgeprägten Maxima. Unter dem Einfluss des Gauß-Strahls wurden diese Maxima unterschiedlich stark angezogen, sodass Gezeiteneffekte auftraten, die das Airy-Wellenpaket zusammenstauchten. Dabei verringerte sich der Abstand der Maxima, und die charakteristische Wellenlänge des Wellenpakets nahm ab. Es trat eine Blauverschiebung auf, wie man sie beim Abstieg in ein Gravitationspotential beobachtet. Unter geänderten Bedingungen konnten die Forscher auch eine Rotverschiebung feststellen.

Als sie die Intensität des Gauß-Strahls erhöhten, nahm die Stärke dieser „Gravitationseffekte“ zunächst erwartungsgemäß zu. Doch dann kam es überraschenderweise zu einer Sättigung: Auch bei einer Verdopplung der Strahlintensität wurde das Hauptmaximum des Airy-Wellenpakets nicht stärker verschoben. Verantwortlich dafür war der nichtlineare Einfluss, den der Airy-Strahl auf sich selbst wie auch die beiden Strahlen aufeinander hatten.

Segev und seine Kollegen planen, weitere Effekte der Quantengravitation durch optische Simulation zu studieren. Dazu wollen sie die Schrödinger-Newton-Gleichung in Post-Newtonscher Näherung simulieren und hoffen so, das Zusammenspiel von quantenmechanischen und relativistischen Effekten beobachten zu können.