Der Macht der Schwerkraft gehorcht alles in unserem Universum. Sie hält ganze Galaxien zusammen, Planeten werden von ihr auf ihre Bahnen gezwungen. Und selbst Neutrinos, die Lausbuben der Teilchenwelt, die sonst so ziemlich allen äußeren Einflüssen entwischen, bekommen sie zu spüren.

Doch obwohl oder gerade weil die Schwerkraft auf alles wirkt, ist es nicht einfach, ihr Wesen zu erforschen. Isaac Newton hat zwar bereits 1686 sein berühmtes Gravitationsgesetz aufgestellt, der Legende nach fiel es ihm ein, nachdem ihm ein Apfel auf den Kopf gefallen war. Die entscheidende Konstante G aus seiner Formel bereitet Physikern aber nach wie vor Kopfschmerzen. Sie definiert die Stärke der Schwerkraft und ist bis heute schwer zu messen.

Ein italienisches Forscherteam um Gabriele Rosi von der Universität Florenz hat darum eine ausgefallene Methode entwickelt und einige Merkwürdigkeiten der Quantenphysik ausgenutzt, um die scheinbar banale Schwerkraft neu zu untersuchen.

Freier Fall für kalte Atome

Zunächst kühlten die Physiker mithilfe eines Lasers kleinere Gruppen von Rubidium-Atomen nahezu auf den absoluten Nullpunkt herunter. Das geht, weil Wärme physikalisch gesehen nichts anderes als Bewegung ist. Ein "warmes Atom" ist also eines, das beständig durch die Gegend saust. Schießt man nun mit einem Laser immer wieder Lichtteilchen auf ein solches Atom, bremst es langsam ab und wird heruntergekühlt. Ab einem gewissen Punkt sind Atome so langsam, das sich an ihnen merkwürdige Quanteneffekte beobachten lassen. Sie sind dann zum Beispiel weder wirklich in Bewegung noch stehen sie vollständig still. Dieser Zwischenzustand lässt sich nur noch über Wahrscheinlichkeiten beschreiben.

Die Physiker nahmen nun diese tiefgekühlten Rubidium-Atome, ließen sie durch ein massives Rohr fallen und schauten sich an, wie sich dadurch ihr Verhalten veränderte. Wirkten nämlich vor dem Fallen oben am Rohr noch Gravitationskräfte der Erde und des Rohres auf die Atome, gerieten sie nach dem Durchfallen zwischen die Fronten eines kleinen Wettstreits: Die Schwerkraft der Erde ließ sie nach unten sausen, während die Gravitation des Rohrs sie zu sich zog.

Natürlich hat selbst das massivste Rohr keine Chance gegen die Masse der Erde. Zumindest aber kann sein Gezerre ein Atom ein winziges bisschen abbremsen. Dadurch verändert sich auch dessen Quantenzustand, von dem vorher die Rede war. Misst man ihn, gibt er Aufschluss darüber, wie stark die Schwerkraft auf das Atom wirkt und wie groß also die Konstante G ist.

Das Ergebnis dieser Hightech-Messung, das Gabriele Rosi und seine Kollegen nun im Magazin Nature präsentieren, wirkt auf den ersten Blick enttäuschend (Rosi et al. 2014). Die Daten der Italiener rütteln weder fundamental an Newtons Formel, noch sind sie sonderlich präzise. Mit Messmethoden, die weitgehend auf einem Verfahren aus dem 18. Jahrhundert basieren, lässt sich die Konstante wesentlich genauer bestimmen. Wieso also der ganze Aufwand?