Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Eine Uhr mit zwei Zeitangaben: Wenn Quantenmechanik auf die allgemeine Relativitätstheorie trifft

19.10.2011
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 Èaslav Brukner der Universität Wien schlagen ein neuartiges Experiment vor, um genau dies zu tun. Die Ergebnisse erscheinen nun im Journal "Nature Communications".


In der allgemeinen Relativitätstheorie läuft die Zeit aufgrund der Deformation der Raumzeit durch massive Objekte unterschiedlich schnell an verschiedenen Orten. Eine Uhr, die in einer Quanten-Superposition zwischen zwei Orten ist, erlaubt es, Quanteninterferenzeffekte in Kombination mit der allgemeinen Relativitätstheorie zu erforschen.
(Bildrechte: Quantenoptik, Quantennanophysik, Quanteninformation, Universität Wien)

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.

Publikation:
"Quantum interferometric visibility as a witness of general relativistic proper time". M. Zych, F. Costa, I. Pikovski und C. Brukner. DOI: 10.1038/ncomms1498
Wissenschaftlicher Kontakt
Magdalena Zych, MA
Quantenoptik, Quantennanophysik, Quanteninformation
Universität Wien
Boltzmanngasse 5, 1090 Wien
T +43-1-4277-725 83
magdalena.zych@univie.ac.at
Rückfragehinweis
Petra Beckmannova
Quantenoptik, Quantennanophysik, Quanteninformation
Universität Wien
Boltzmanngasse 5, 1090 Wien
T +43-1-4277-295 56
arndt-office@univie.ac.at

Veronika Schallhart | Universität Wien
Weitere Informationen:
http://www.quantum.at/
http://www.quantumfoundations.weebly.com/
http://medienportal.univie.ac.at/presse/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Scharfe Röntgenblitze aus dem Atomkern
17.08.2017 | Max-Planck-Institut für Kernphysik, Heidelberg

nachricht Optische Technologien für schnellere Computer / „Licht“ mit Wespentaille
16.08.2017 | Universität Duisburg-Essen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Im Focus: Mit Barcodes der Zellentwicklung auf der Spur

Darüber, wie sich Blutzellen entwickeln, existieren verschiedene Auffassungen – sie basieren jedoch fast ausschließlich auf Experimenten, die lediglich Momentaufnahmen widerspiegeln. Wissenschaftler des Deutschen Krebsforschungszentrums stellen nun im Fachjournal Nature eine neue Technik vor, mit der sich das Geschehen dynamisch erfassen lässt: Mithilfe eines „Zufallsgenerators“ versehen sie Blutstammzellen mit genetischen Barcodes und können so verfolgen, welche Zelltypen aus der Stammzelle hervorgehen. Diese Technik erlaubt künftig völlig neue Einblicke in die Entwicklung unterschiedlicher Gewebe sowie in die Krebsentstehung.

Wie entsteht die Vielzahl verschiedener Zelltypen im Blut? Diese Frage beschäftigt Wissenschaftler schon lange. Nach der klassischen Vorstellung fächern sich...

Im Focus: Fizzy soda water could be key to clean manufacture of flat wonder material: Graphene

Whether you call it effervescent, fizzy, or sparkling, carbonated water is making a comeback as a beverage. Aside from quenching thirst, researchers at the University of Illinois at Urbana-Champaign have discovered a new use for these "bubbly" concoctions that will have major impact on the manufacturer of the world's thinnest, flattest, and one most useful materials -- graphene.

As graphene's popularity grows as an advanced "wonder" material, the speed and quality at which it can be manufactured will be paramount. With that in mind,...

Im Focus: Forscher entwickeln maisförmigen Arzneimittel-Transporter zum Inhalieren

Er sieht aus wie ein Maiskolben, ist winzig wie ein Bakterium und kann einen Wirkstoff direkt in die Lungenzellen liefern: Das zylinderförmige Vehikel für Arzneistoffe, das Pharmazeuten der Universität des Saarlandes entwickelt haben, kann inhaliert werden. Professor Marc Schneider und sein Team machen sich dabei die körpereigene Abwehr zunutze: Makrophagen, die Fresszellen des Immunsystems, fressen den gesundheitlich unbedenklichen „Nano-Mais“ und setzen dabei den in ihm enthaltenen Wirkstoff frei. Bei ihrer Forschung arbeiteten die Pharmazeuten mit Forschern der Medizinischen Fakultät der Saar-Uni, des Leibniz-Instituts für Neue Materialien und der Universität Marburg zusammen Ihre Forschungsergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift Advanced Healthcare Materials. DOI: 10.1002/adhm.201700478

Ein Medikament wirkt nur, wenn es dort ankommt, wo es wirken soll. Wird ein Mittel inhaliert, muss der Wirkstoff in der Lunge zuerst die Hindernisse...

Im Focus: Exotische Quantenzustände: Physiker erzeugen erstmals optische „Töpfe" für ein Super-Photon

Physikern der Universität Bonn ist es gelungen, optische Mulden und komplexere Muster zu erzeugen, in die das Licht eines Bose-Einstein-Kondensates fließt. Die Herstellung solch sehr verlustarmer Strukturen für Licht ist eine Voraussetzung für komplexe Schaltkreise für Licht, beispielsweise für die Quanteninformationsverarbeitung einer neuen Computergeneration. Die Wissenschaftler stellen nun ihre Ergebnisse im Fachjournal „Nature Photonics“ vor.

Lichtteilchen (Photonen) kommen als winzige, unteilbare Portionen vor. Viele Tausend dieser Licht-Portionen lassen sich zu einem einzigen Super-Photon...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

European Conference on Eye Movements: Internationale Tagung an der Bergischen Universität Wuppertal

18.08.2017 | Veranstaltungen

Einblicke ins menschliche Denken

17.08.2017 | Veranstaltungen

Eröffnung der INC.worX-Erlebniswelt während der Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung 2017

16.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Eine Karte der Zellkraftwerke

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Chronische Infektionen aushebeln: Ein neuer Wirkstoff auf dem Weg in die Entwicklung

18.08.2017 | Biowissenschaften Chemie

Computer mit Köpfchen

18.08.2017 | Informationstechnologie