14.11.2011

Universität Wien

Wenn Quantenmechanik auf die allgemeine Relativitätstheorie trifft

Die Vereinigung der Quantenmechanik mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist eine wichtige offene Frage der modernen Physik. Die allgemeine Relativitätstheorie, welche die Gravitation, den Raum und die Zeit beschreibt, tritt auf großen Skalen, also bei Sternen und Galaxien, zum Vorschein. Auf der anderen Seite machen sich die fragilen Quanteneffekte bei den kleinsten Teilchen bemerkbar. Deswegen ist es schwer, Effekte zu erforschen, wo beide Theorien zusammenwirken. Theoretische PhysikerInnen unter der Leitung von Časlav Brukner der Universität Wien schlagen ein neuartiges Experiment vor, um genau dies zu tun. Die Ergebnisse erscheinen nun im Journal "Nature Communications".

Zeit in der allgemeinen Relativitätstheorie

Eine der wichtigsten Vorhersagen von Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist die Deformierung der Zeit. Die Theorie sagt voraus, dass Uhren in der Nähe eines massiven Objekts langsamer laufen, und dass sie schneller laufen, je weiter sie von der Masse entfernt sind. Dieser Effekt resultiert im sogenannten "Zwillingsparadoxon": Wenn einer von zwei identischen Zwillingen auf einer höher gelegenen Ebene lebt, so altert er schneller als der andere Zwilling. Dieser Effekt wurde in klassischen Experimenten bestätigt, jedoch nicht im Zusammenhang mit Quanteneffekten, welches das Ziel des neuartigen Experimentes sein soll.

Quanteninterferenz und Komplementarität

Die Wiener Forschungsgruppe möchte den außergewöhnlichen Quanteneffekt ausnutzen, bei dem ein Teilchen nicht mehr genau lokalisierbar ist. In der Quantenmechanik nennt man diesen Zustand "Superposition", und er ermöglicht Welleneffekte, also Interferenz, eines einzigen Teilchens. Wenn der Ort des Teilchens jedoch beobachtet wird, so geht dieser Effekt verloren: Es ist nicht möglich, Interferenzeffekte zu beobachten und gleichzeitig die Position des Teilchens zu kennen. Solch eine Verbindung zwischen Information und Interferenz ist ein Beispiel für das Prinzip der Quanten-Komplementarität, welches zuerst von Niels Bohr formuliert wurde. Das jetzt in "Nature Communications" vorgeschlagene Experiment nutzt dieses Prinzip in Verbindung mit dem "Zwillingsparadoxon" aus.

Einsteins "Zwillingsparadoxon" für ein "Quanten-Einzelkind"

Das Team an der Universität Wien beschreibt eine einzige Uhr (ein beliebiges Teilchen mit einem internen Freiheitsgrad), welche in eine Superposition von zwei Orten gebracht wird – ein Ort näher und ein Ort weiter von der Erdoberfläche entfernt. Aufgrund der allgemeinen Relativitätstheorie würde die Uhr unterschiedlich schnell an beiden Orten laufen – so wie die Zwillinge unterschiedlich altern. Da jedoch die Zeit, die durch die Uhr gemessen wird, Information darüber angibt, an welchem Ort die Uhr ist, gehen die Interferenz und die Wellennatur der Uhr verloren. "Es ist das 'Zwillings-Paradoxon' des 'quantenmechanischen Einzelkindes' und verbindet Quanteneffekte mit denen der allgemeinen Relativitätstheorie. Dies wurde noch nie zuvor in Experimenten beobachtet", sagt Magdalena Zych, Erstautorin der Publikation und Mitglied des Wiener FWF-Doktoratskollegs CoQuS. Es wäre daher das erste Experiment, welches es ermöglicht, die Zeit wie sie in der allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben wird, in Verbindung mit der Quanten-Komplementarität zu erforschen.

Die Arbeit wurde unterstützt durch den Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF), das Foundational Questions Institute (FQXi) und die Europäische Kommission.

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