Seit Jahrhunderten wissen Wissenschaftler, dass die Schwerkraft alle Objekte gleichermaßen beeinflusst, unabhängig von ihrer Masse oder Zusammensetzung. Dieses als schwaches Äquivalenzprinzip bekannte Prinzip ist ein Eckpfeiler von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie. Nun bestätigt ein bahnbrechendes Experiment, dass sich sogar Antimaterie – eine der exotischsten Substanzen im Universum – nach dieser Regel verhält und genauso nach unten fällt wie gewöhnliche Materie.
Der historische Kontext: Von Galileo bis Einstein
Das Konzept der universellen Gravitationsbeschleunigung geht auf Galileis Experimente zurück, in denen er zeigte, dass Objekte unterschiedlichen Gewichts im Vakuum mit der gleichen Geschwindigkeit fallen. Einstein hat nicht versucht zu erklären, warum die Schwerkraft alles gleichermaßen beeinflusst; er hat es einfach als Grundgesetz angenommen, als er seine allgemeine Relativitätstheorie formulierte. Diese Annahme galt bis vor kurzem für alle beobachtete Materie.
Das Antimaterie-Rätsel
Antimaterie, die der Physiker Paul Dirac in den 1920er Jahren als Folge der Vereinbarkeit von Quantenmechanik und spezieller Relativitätstheorie vorhersagte, stellt eine einzigartige Herausforderung für dieses Verständnis dar. Diracs Gleichungen legten nahe, dass es für jedes Teilchen ein Gegenstück mit entgegengesetzter Ladung, aber identischer Masse gibt. Wenn Materie und Antimaterie aufeinander treffen, vernichten sie sich gegenseitig und setzen Energie frei. Dies macht die Untersuchung des Gravitationsverhaltens von Antimaterie unglaublich schwierig.
Das ALPHA-g-Experiment am CERN
Wissenschaftler am ALPHA-g-Experiment des CERN überwanden diese Hürden, indem sie neutrale Antiwasserstoffatome erzeugten – indem sie Antiprotonen mit Positronen (Antielektronen) paarten. Diese neutralen Atome werden im Gegensatz zu geladener Antimaterie nicht durch elektromagnetische Kräfte beeinflusst. Um Antimaterie zu isolieren, verwendeten Forscher eine „Penning-Falle“ – eine Magnetflasche, um sie an Ort und Stelle zu halten – und kühlten die Antiatome auf nahezu den absoluten Nullpunkt ab, um die Bewegung zu minimieren.
Die Ergebnisse: Antimaterie fällt nach unten
Durch die allmähliche Abschwächung des Magnetfelds beobachtete das Team das Verhalten der eingefangenen Antiwasserstoffatome. Wenn Antimaterie dem schwachen Äquivalenzprinzip widersprochen hätte, wäre sie möglicherweise aufgrund einer unbekannten Abstoßung nach oben gedriftet. Stattdessen fielen etwa 80 % der Antiatome durch den Boden der Falle und vernichteten sich bei Kontakt mit den Behälterwänden. Dies bestätigt, dass Antimaterie wie gewöhnliche Materie durch die Schwerkraft nach unten gezogen wird.
Was das für die Physik bedeutet
Das Experiment beweist nicht, dass Schwerkraft und Quantenmechanik übereinstimmen – sie sprechen immer noch verschiedene Sprachen. Aber es untermauert Einsteins allgemeine Relativitätstheorie, indem es zeigt, dass sie sogar für Antimaterie gilt. Allerdings ist der Fall noch nicht ganz abgeschlossen. Forscher haben noch nicht festgestellt, ob Antimaterie mit der genau gleichen Beschleunigung abfällt wie Materie. Ein geringfügiger Unterschied, selbst 1 %, würde ein grundlegendes Umdenken in Bezug auf die Schwerkraft erfordern.
Vorerst bleibt das Universum konsistent: Hämmer, Federn und Antiwasserstoff fallen alle mit der gleichen Geschwindigkeit. Dies ist keine Revolution in der Physik, sondern eine beruhigende Bestätigung, dass sich das Universum so verhält, wie wir es erwarten.
