Gravitationswellen hinterlassen Spuren in Quantensystemen

Patrick Bardelli

18.4.2026

Nicht nur in riesigen Gravitationswellendetektoren machen sich Schwingungen in der Raumzeit bemerkbar. Sie beeinflussen offenbar auch Quantenfelder.

Wenn in mehreren Lichtjahren Entfernung zwei Schwarze Löcher verschmelzen, erschüttert der Zusammenprall der massereichen Objekte die Raumzeit. Diese Wellen machen sich auf der Erde in den kilometerlangen Armen der hochpräzisen LIGO- und VIRGO-Gravitationswellendetektoren bemerkbar. Aber womöglich nicht nur dort: Wie Fachleute um den Physiker Jerzy Paczos von der Universität Stockholm in einer bei «Physical Review Letters» erschienenen Arbeit nahegelegt haben, könnten die kosmischen Signale sogar in allerkleinsten Dimensionen Spuren hinterlassen, nämlich in Quantenfeldern.

Das Zusammenspiel von Quanten und Schwerkraft ist schwer zu untersuchen. In den Bereichen, in denen die Regeln der Quantenphysik gelten, macht sich die Schwerkraft kaum bemerkbar. Umgekehrt spielt die Quantenphysik bei grossen, massereichen Objekten meist nur eine untergeordnete Rolle.

Nach einer vereinheitlichten Theorie, die beide Säulen der Physik umfasst, suchen Fachleute seit mehr als 100 Jahren erfolglos. Um sich einer solchen Quantengravitationstheorie zu nähern, betrachten sie Quantenfelder in gekrümmter Raumzeit. Auf die Weise lässt sich zumindest untersuchen, wie ein Gravitationsfeld Quantensysteme beeinflusst – der umgekehrte Effekt wird ignoriert.

Paczos und sein Team berechneten, wie vorbeiziehende Gravitationswellen ein Quantensystem beeinflussen. Hierzu modellierten sie ein einzelnes Atom, das von einem angeregten in den Grundzustand übergeht. Bei dieser sogenannten spontanen Emission gibt das Atom die überschüssige Energie in Form eines Photons ab.

Den Berechnungen zufolge macht sich die Raumzeitwelle im Spektrum des ausgestrahlten Lichts bemerkbar. Die periodische Veränderung der Raumzeit wirkt wie ein äusserer Antrieb auf den Emissionsprozess. Dadurch hängt die Photonenenergie nicht mehr nur von der atomaren Übergangsenergie ab, sondern auch vom Abstrahlwinkel relativ zur Ausbreitungsrichtung der Gravitationswelle. Zudem spiegelt sich deren charakteristisches, quadrupolförmiges Muster in der Emission wider: Senkrecht zur Ausbreitung der Gravitationswelle gibt es Richtungen, in denen die Frequenzverschiebung stärker oder schwächer ausfällt. Das Muster könnte dabei helfen, diesen Effekt von anderen äusseren Störungen zu unterscheiden.

Die Gesamtzahl der abgestrahlten Photonen sollte sich nicht verändern. Das heisst, dass die Gravitationswelle nicht den Zustand des Atoms beeinflusst, sondern das Quantenfeld des Gesamtsystems. Dieses wiederum codiert die Information im Emissionsspektrum. Somit detektiert nicht das einzelne Atom die Gravitationswelle, sondern das Quantenfeld insgesamt.

Paczos und sein Team erklären in ihrer Arbeit, dass sich der Effekt schon heute in Experimenten mit ultrakalten Atomen nachweisen liesse. Dafür müsste man Millionen davon herunterkühlen und vermessen. Das ist in der Vergangenheit bereits gelungen. So liesse sich das Zusammenspiel von Quantenfeldern und gekrümmter Raumzeit direkt im Labor untersuchen.

Originalartikel auf Spektrum

Patrick Bardelli

Senior Editor

Patrick.Bardelli@digitecgalaxus.ch

Vom Radiojournalisten zum Produkttester und Geschichtenerzähler. Vom Jogger zum Gravelbike-Novizen und Fitness-Enthusiasten mit Lang- und Kurzhantel. Bin gespannt, wohin die Reise noch führt.

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