Forskere udvikler kvantemekanisk variant af tvillingeparadokset

En af fysikkens grundlæggende udfordringer er forsoning af Einsteins relativitetsteori og kvantemekanik. Nødvendigheden af ​​kritisk at stille spørgsmålstegn ved disse to søjler i moderne fysik opstår, for eksempel, fra ekstremt højenergibegivenheder i kosmos, som hidtil kun nogensinde kan forklares med en teori ad gangen, men ikke begge teorier i harmoni. Forskere rundt om i verden søger derfor efter afvigelser fra lovene i kvantemekanik og relativitet, der kan åbne indsigt i et nyt fysikfelt.

For en nylig publikation, forskere fra Leibniz University Hannover og Ulm University har taget det tvillingeparadoks, der kendes fra Einsteins særlige relativitetsteori. Dette tankeeksperiment kredser om et par tvillinger:Mens en bror rejser ud i rummet, de andre rester på Jorden. Følgelig, i en bestemt periode, tvillingerne bevæger sig i forskellige kredsløb i rummet. Resultatet, når parret mødes igen, er ret forbløffende:Tvillingerne, der har rejst gennem rummet, har ældet meget mindre end hans bror, der blev hjemme. Dette fænomen forklares ved Einsteins beskrivelse af tidsudvidelse:Afhængig af hastigheden og hvor i tyngdefeltet to ure bevæger sig i forhold til hinanden, de tikker i forskellige hastigheder.

Til udgivelsen i Videnskab fremskridt , forfatterne antog en kvantemekanisk variant af tvillingeparadokset med kun en tvilling. Takket være kvantemekanikkens overlejringsprincip, denne tvilling kan bevæge sig langs to stier på samme tid. I forskernes tankeeksperiment, tvillingen repræsenteres af et atomur. "Sådanne ure bruger atomernes kvanteegenskaber til at måle tiden med høj præcision. Atomuret i sig selv er derfor et kvantemekanisk objekt og kan bevæge sig gennem rumtiden på to veje samtidigt på grund af overlejringsprincippet. Sammen med kolleger fra Hannover, vi har undersøgt, hvordan denne situation kan realiseres i et eksperiment, "forklarer Dr. Enno Giese, forskningsassistent ved Institute of Quantum Physics i Ulm. Til denne ende, forskerne har udviklet et eksperimentelt setup til dette scenario på grundlag af en kvantefysisk model.

Et 10 meter højt atomfontæne, som i øjeblikket bygges på Leibniz University Hannover, spiller en væsentlig rolle i denne indsats. I dette atominterferometer og ved brug af kvanteobjekter, såsom atomuret, forskere kan teste relativistiske effekter - herunder den tidsudvidelse, der er beskrevet i tvillingeparadokset. "I et eksperiment, vi ville sende et atomur ind i interferometeret. Det afgørende spørgsmål er så:Under hvilke betingelser kan en tidsforskel måles efter forsøget, hvor uret samtidig er på to baner, "forklarer Sina Loriani fra Institute of Quantum Optics ved Leibniz University Hannover.

Det teoretiske forarbejde fra fysikerne fra Ulm og Hannover er meget lovende:Som beskrevet, de har udviklet en kvantefysisk model for atominterferometeret, hvilke faktorer i samspillet mellem lasere og atomer samt atomernes bevægelse - samtidig med at der tages hensyn til relativistiske korrektioner. "Ved hjælp af denne model, vi kan beskrive et "tikkende" atomur, der bevæger sig samtidigt langs to stier i en rumlig superposition. I øvrigt, vi demonstrerer, at et atominterferometer, såsom den, der bygges i Hannover, kan måle effekten af ​​den særlige relativistiske tidsudvidelse på et atomur, "opsummerer Alexander Friedrich, en forsker ved Institute of Quantum Physics i Ulm. Baseret på deres teoretiske overvejelser, forskerne kan allerede antage, at et enkelt atomur opfører sig som forudsagt i tvillingeparadokset:Relativitetsteori og kvantemekanik er derfor virkelig forenelige i dette scenario. Tyngdekraftens indflydelse som antaget af andre grupper, imidlertid, synes ikke verificerbar i et eksperimentelt forslag af denne art.

Det teoretisk beskrevne eksperiment forventes at blive afprøvet i det nye atominterferometer i Hannover om et par år. I praksis, forskernes fund kunne bidrage til at forbedre applikationer baseret på atominterferometre såsom navigation, eller målinger af acceleration og rotation.