Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Einstein auf den Prüfstand gestellt

07.10.2019

Albert Einstein gilt als einer der Gründungsväter der modernen Physik. Insbesondere seine allgemeine und spezielle Relativitätstheorie sowie seine grundlegenden Beiträge zur Quantenmechanik wirken bis heute nach. Anhand des berühmten Zwillingsparadoxons wollen Physikerinnen und Physiker aus Hannover und Ulm nun die Schnittstellen beider Theorien untersuchen. In der Fachzeitschrift „Science Advances“ haben die Forschenden nun die theoretische Vorarbeit zu einem Experiment veröffentlicht, mit dem eine quantenmechanische Variante des Zwillingsparadoxons überprüft werden kann. Umsetzen lässt sich das Experiment in einer zehn Meter hohen Atomfontäne, wie sie gerade in Hannover entsteht.

Eine der fundamentalen Herausforderungen der Physik ist die Vereinigung von Einsteins Relativitätstheorie und der Quantenmechanik. Die Notwendigkeit, diese beiden Säulen der modernen Physik kritisch zu hinterfragen, ergibt sich zum Beispiel aus extrem energiereichen Ereignissen im Kosmos, die sich bisher nur durch jeweils eine, nicht aber beide Theorien im Einklang erklären lassen. Daher fahnden Forschende weltweit nach Abweichungen von den Gesetzen der Quantenmechanik und der Relativitätstheorie, die Einblick in eine neue Physik eröffnen könnten.


Das entstehende Atominterferometer an der Universität Hannover: Installation des Haltegerüsts für die die VLBAI-Versuchskammer

Leibniz Universität Hannover


Grafische Darstellung der quantenmechanischen Variante des Zwillingsparadoxons

Alexander Friedrich, Universität Ulm

Für eine aktuelle Publikation haben sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Leibniz Universität Hannover und der Universität Ulm das aus Einsteins spezieller Relativitätstheorie bekannte Zwillingsparadoxon vorgenommen. Dieses Gedankenexperiment dreht sich um ein Zwillingspaar: Während ein Bruder ins Weltall reist, bleibt der andere auf der Erde zurück.

Für eine gewisse Zeit bewegen sich die Zwillinge also auf unterschiedlichen Bahnen im Raum. Treffen sich die beiden wieder, ist die Überraschung groß: Der Zwilling, der durchs All gereist ist, ist deutlich weniger gealtert als sein daheim gebliebener Bruder. Dieses Phänomen erklärt sich durch die von Einstein beschriebene Zeitdilation: Abhängig davon, mit welcher Geschwindigkeit und wo im Schwerefeld sich zwei Uhren relativ zueinander bewegen, ticken sie unterschiedlich schnell.

Für die Veröffentlichung in „Science Advances“ sind die Autorinnen und Autoren von einer quantenmechanischen Version des Zwillingsparadoxons mit nur einem „Zwilling“ ausgegangen. Dank des Überlagerungsprinzips der Quantenmechanik kann sich dieser zeitgleich auf zwei Pfaden bewegen. Im Gedankenexperiment der Forschenden wird der Zwilling durch eine Atomuhr repräsentiert.

„Solche Uhren nutzen die Quanteneigenschaften von Atomen, um Zeit hochgenau zu messen. Die Atomuhr ist also selbst ein quantenmechanisches Objekt, und kann sich aufgrund des Überlagerungsprinzips auf zwei Wegen gleichzeitig durch die Raumzeit bewegen. Gemeinsam mit Kollegen aus Hannover haben wir untersucht, wie sich diese Situation im Experiment umsetzen lässt“, erläutert Dr. Enno Giese, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Ulmer Institut für Quantenphysik. Hierzu haben die Forschenden auf Basis eines quantenphysikalischen Modells erstmals einen experimentellen Aufbau für dieses Szenario entwickelt.

Eine wesentliche Rolle spielt hierbei eine zehn Meter hohe „Atomfontäne“, die derzeit an der Leibniz Universität Hannover entsteht. Anhand von Quantenobjekten wie der Atomuhr können die Forschenden in diesem Atominterferometer relativistische Effekte überprüfen – so auch die im Zwillingsparadoxon beschriebene Zeitdilation.

„In einem Experiment würden wir eine Atomuhr in das Interferometer schicken. Die entscheidende Frage lautet dann: Unter welchen Umständen lässt sich nach dem Versuch, bei dem sich die Uhr ja auf zwei Bahnen gleichzeitig befindet, ein Zeitunterschied feststellen?“, erläutert Sina Loriani vom Institut für Quantenoptik der Leibniz Universität Hannover.

Die theoretischen Vorarbeiten der Physikerinnen und Physiker sind vielversprechend: Sie haben, wie beschrieben, ein quantenphysikalisches Modell für das Atominterferometer entwickelt, das die Wechselwirkung zwischen Lasern und Atomen ebenso berücksichtigt wie die Bewegung der Atome – selbstverständlich unter Beachtung relativistischer Korrekturen.

„Mithilfe dieses Modells können wir eine ,tickende‘ Atomuhr, die sich in einer räumlichen Überlagerung gleichzeitig entlang zweier Wege bewegt, beschreiben. Darüber hinaus weisen wir nach, dass ein Atominterferometer wie es in Hannover entsteht, den Effekt der speziell relativistischen Zeitdilation auf eine Atomuhr messen kann“, resümiert Alexander Friedrich, Doktorand am Ulmer Institut für Quantenphysik.

Aufgrund ihrer theoretischen Überlegungen können die Forschenden schon jetzt annehmen, dass sich eine einzelne Atomuhr wie im Zwillingsparadoxon vorhergesagt verhält: Relativitätstheorie und Quantenmechanik sind hier also gut miteinander vereinbar. Der von anderen Gruppen angenommene Einfluss der Gravitation lässt sich in einem experimentellen Vorschlag dieser Art aber wohl nicht nachweisen.

In wenigen Jahren kann das in der Theorie beschriebene Experiment voraussichtlich im neuen Atominterferometer in Hannover umgesetzt werden. Ganz praktisch könnten die Ergebnisse der Forschenden dabei helfen, auf Atominterferometern beruhende Anwendungen wie Navigation oder Beschleunigungs- und Rotationsmessungen zu verbessern.

Die Forschung der Ulmer und Hannoveraner Physikerinnen und Physiker ist im Zuge des Sonderforschungsbereichs DQ-mat und des Projekts QUANTUS entstanden und soll in Zusammenarbeit der neuen Institute des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Ulm und Hannover weitergeführt werden.

Hinweis an die Redaktion:
Für weitere Informationen steht Ihnen Sina Leon Loriani Fard, Institut für Quantenoptik, Leibniz Universität Hannover, unter Telefon +49 511 762-2211 oder per E-Mail unter loriani@iqo.uni-hannover.de gern zur Verfügung.

Originalpublikation:

Interference of Clocks: A Quantum Twin Paradox
Sina Loriani, Alexander Friedrich, Christian Ufrecht, Fabio Di Pumpo, Stephan Kleinert, Sven Abend, Naceur Gaaloul, Christian Meiners, Christian Schubert, Dorothee Tell, Étienne Wodey, Magdalena Zych, Wolfgang Ertmer, Albert Roura, Dennis Schlippert, Wolfgang P. Schleich, Ernst M. Rasel, Enno Giese
Science Advances Vol. 5, no. 10, eaax8966
DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.aax8966

Mechtild Freiin v. Münchhausen | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-hannover.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Rekord-Gammastrahlenblitz aus den Tiefen des Weltraums
20.11.2019 | Julius-Maximilians-Universität Würzburg

nachricht Kosmische Gammastrahlenblitze mit beispielloser Energie
20.11.2019 | Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

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: Kleine Teilchen, große Wirkung: Wie Nanoteilchen aus Graphen die Auflösung von Mikroskopen verbessern

Konventionelle Lichtmikroskope können Strukturen nicht mehr abbilden, wenn diese einen Abstand haben, der kleiner als etwa die Lichtwellenlänge ist. Mit „Super-resolution Microscopy“, entwickelt seit den 80er Jahren, kann man diese Einschränkung jedoch umgehen, indem fluoreszierende Materialien eingesetzt werden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Polymerforschung haben nun entdeckt, dass aus Graphen bestehende Nano-Moleküle genutzt werden können, um diese Mikroskopie-Technik zu verbessern. Diese Nano-Moleküle bieten eine Reihe essentieller Vorteile gegenüber den bisher verwendeten Materialien, die die Mikroskopie-Technik noch vielfältiger einsetzbar machen.

Mikroskopie ist eine wichtige Untersuchungsmethode in der Physik, Biologie, Medizin und vielen anderen Wissenschaften. Sie hat jedoch einen Nachteil: Ihre...

Im Focus: Small particles, big effects: How graphene nanoparticles improve the resolution of microscopes

Conventional light microscopes cannot distinguish structures when they are separated by a distance smaller than, roughly, the wavelength of light. Superresolution microscopy, developed since the 1980s, lifts this limitation, using fluorescent moieties. Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research have now discovered that graphene nano-molecules can be used to improve this microscopy technique. These graphene nano-molecules offer a number of substantial advantages over the materials previously used, making superresolution microscopy even more versatile.

Microscopy is an important investigation method, in physics, biology, medicine, and many other sciences. However, it has one disadvantage: its resolution is...

Im Focus: Mit künstlicher Intelligenz zum besseren Holzprodukt

Der Empa-Wissenschaftler Mark Schubert und sein Team nutzen die vielfältigen Möglichkeiten des maschinellen Lernens für holztechnische Anwendungen. Zusammen mit Swiss Wood Solutions entwickelt Schubert eine digitale Holzauswahl- und Verarbeitungsstrategie unter Verwendung künstlicher Intelligenz.

Holz ist ein Naturprodukt und ein Leichtbauwerkstoff mit exzellenten physikalischen Eigenschaften und daher ein ausgezeichnetes Konstruktionsmaterial – etwa...

Im Focus: Eine Fernsteuerung für alles Kleine

Atome, Moleküle oder sogar lebende Zellen lassen sich mit Lichtstrahlen manipulieren. An der TU Wien entwickelte man eine Methode, die solche „optischen Pinzetten“ revolutionieren soll.

Sie erinnern ein bisschen an den „Traktorstrahl“ aus Star Trek: Spezielle Lichtstrahlen werden heute dafür verwendet, Moleküle oder kleine biologische Partikel...

Im Focus: Atome hüpfen nicht gerne Seil

Nanooptische Fallen sind ein vielversprechender Baustein für Quantentechnologien. Forscher aus Österreich und Deutschland haben nun ein wichtiges Hindernis für deren praktischen Einsatz aus dem Weg geräumt. Sie konnten zeigen, dass eine besondere Form von mechanischen Vibrationen gefangene Teilchen in kürzester Zeit aufheizt und aus der Falle stößt.

Mit der Kontrolle einzelner Atome können Quanteneigenschaften erforscht und für technologische Anwendungen nutzbar gemacht werden. Seit rund zehn Jahren...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Chemnitzer Linux-Tage 2020: „Mach es einfach!“

18.11.2019 | Veranstaltungen

Humanoide Roboter in Aktion erleben

18.11.2019 | Veranstaltungen

1. Internationale Konferenz zu Agrophotovoltaik im August 2020

15.11.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Kleine Teilchen, große Wirkung: Wie Nanoteilchen aus Graphen die Auflösung von Mikroskopen verbessern

20.11.2019 | Materialwissenschaften

Eisberge als Nährstoffquelle - Führt der Klimawandel zu mehr Eisendüngung im Ozean?

20.11.2019 | Geowissenschaften

Gehen verändert das Sehen

20.11.2019 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics