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Klaziumionen in der Ionenfalle.

Quantenmechanik soll Relativitätstheorie treffen

Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt Gravitation, Raum und Zeit und lässt sich v. a. bei großen Maßstäben - etwa bei Galaxien - beobachten. Die Gesetze der Quantenmechanik wiederum machen sich primär bei den kleinsten Teilchen bemerkbar. Bei einem Experiment, das nun Wiener Physiker vorschlagen, könnten beide zusammenwirken.

Physik 19.10.2011

Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Messung der Zeit auf Quantenebene, wie die Forscher in einer Studie berichten. Die Vereinigung von Quantenmechanik mit Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ist eine der wichtigsten offenen Fragen der modernen Physik.

Die Studie:

"Quantum interferometric visibility as a witness of general relativistic proper time" von Magdalena Zych und Kollegen ist in "Nature Communications" erschienen.

Zeit verläuft unterschiedlich

Laut Allgemeiner Relativitätstheorie laufen Uhren in der Nähe eines massiven Objekts langsamer als solche, die weiter von der Masse entfernt sind. Dieser Effekt zeigt sich schön im sogenannten Zwillingsparadoxon: Wenn ein Zwilling auf einer höher gelegenen Ebene lebt, so altert er schneller als der tiefer lebende andere Zwilling.

Dieser Effekt wurde in klassischen Experimenten bestätigt, jedoch nicht im Zusammenhang mit Quanteneffekten. Genau das ist das Ziel des neuartigen Experiments, das die Wissenschaftler um Caslav Brukner von der Gruppe Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation der Uni Wien nun vorschlagen.

Quantenkomplementarität trifft Zwillingsparadoxon

Die Wissenschaftler möchten den außergewöhnlichen Quanteneffekt der "Superposition" ausnutzen, bei dem ein Teilchen nicht mehr genau lokalisierbar ist. Dieser Zustand ermöglicht Welleneffekte, also Interferenz, eines einzigen Teilchens. Sobald aber der Ort des Teilchens beobachtet wird, geht dieser Effekt verloren: Es ist nicht möglich, Interferenzeffekte zu beobachten und gleichzeitig die Position des Teilchens zu kennen.

Die Wiener Physiker schlagen nun ein Experiment vor, das dieses Prinzip (Quanten-Komplementarität) in Verbindung mit dem "Zwillingsparadoxon" ausnutzt. Dazu soll ein einzelnes Teilchen, etwa ein Atom, in eine "Superposition" von zwei Orten gebracht werden - ein Ort näher und ein Ort weiter von der Erdoberfläche entfernt.

Gleichzeitig wird das Teilchen als Uhr genutzt, etwa durch seinen sogenannten Spin. Aufgrund von Quanteneffekten ist das Teilchen sowohl nahe als auch weiter entfernt von der Erde, aufgrund der allgemeinen Relativitätstheorie geht die Teilchen-Uhr gleichzeitig langsam und schneller.

Experimenteller Nachweis steht noch aus

"Das ist das 'Zwillings-Paradoxon' des 'quantenmechanischen Einzelkindes' und verbindet Quanteneffekte mit denen der allgemeinen Relativitätstheorie. Dies wurde noch nie zuvor in Experimenten beobachtet", so die Erstautorin der Publikation, Magdalena Zych.

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. Allerdings sei es derzeit noch nicht möglich, die geringe Zeitdifferenz zwischen den beiden Orten genau zu messen. "Mit den derzeit bestehenden Geräten sind wir davon noch fünf bis sechs Größenordnungen entfernt", erklärte Mitautor Caslav Brukner gegenüber science.ORF.at. Nötig wären präzisere Uhren und größere Interferometer.

science.ORF.at/APA

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