Ein Gravitationsanalogon des elektrischen quantenmetrologischen Dreiecks

Die Gravitation könnte als Grundlage für die quantenphysikalische Realisierung von Größen dienen. Das zeigen jetzt Claus Lämmerzahl von der Universität Bremen und Sebastian Ulbricht von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt. „Einheiten wie das Kilogramm werden auf elektrische Einheiten zurückgeführt“, erläutert Lämmerzahl. „Es wäre aber auch möglich, sie anhand von Gravitation darzustellen. Denn was das elektromagnetische Feld für Ladungen ist, ist das Gravitationsfeld für Massen.“

Einheiten wie das Kilo, der Meter oder die Sekunde wurden früher häufig anhand eines Vergleichs mit Naturphänomenen oder konkreten Gegenständen bestimmt worden. So war etwa die Referenz für das Kilogramm das „Urkilogramm“, ein Metallzylinder, der in einem Safe bei Paris verwahrt wurde.

Heute werden die Einheiten auf Grundlage von Naturkonstanten definiert. Um eine Einheit wie das Kilogramm zu realisieren, das heißt zu bauen, damit man sie im Alltag verwenden kann, muss man sie auf diese Naturkonstanten zurückführen. Das geht zum Beispiel mit einer speziellen Waage, die sogenannte Kibble-Waage. Diese verbindet Masse mit elektrischen Größen. Sie misst die mechanische Leistung und damit auch das Gewicht eines Objekts, und gleicht diese mit einer elektrischen Leistung aus. Die resultierende elektrische Spannung und der elektrische Strom können anschließend mithilfe von Quanteneffekten, dem Quanten-Hall- und dem Josephson-Effekt, bestimmt und so auf elektrische Grundgrößen der Quantenphysik zurückgeführt werden.

Elektromagnetismus und Gravitation weisen interessante Parallelen auf: Beiden werden durch Felder beschrieben, die bestimmte fundamentale Wechselwirkungen in der Natur vermitteln Lämmerzahl und Ulbricht führen daher einen gravitativen Josephson und Quanten-Hall-Effekt ein. „Wir konnten die Hilfseffekte der Metrologie, die sich bisher nur auf elektromagnetische Felder bezogen, auf die Gravitationsfelder übertragen“, erläutert Lämmerzahl. Die Arbeit von Lämmerzahl und Ulbricht könnte also als Grundlage dienen, um mechanische Einheiten wie das Kilo auf Grundlage der Gravitationskraft zu realisieren.

U. Bremen / RK