Super Physics Smackdown: Relativity vs Quantum Mechanics…In Space

Eines der großen Rätsel der modernen Wissenschaft besteht darin, dass sich die Gesetze, die das Universum im größten Maßstab regieren, völlig von denen unterscheiden, die im kleinsten Maßstab regieren.



Das ist seltsam, denn unsere ganze Intuition über das Universum ist, dass es innerlich konsistent sein sollte und nicht im Widerspruch zu sich selbst steht. Aus diesem Grund sind Physiker untrennbar mit der Idee verbunden, dass Relativität und Quantenmechanik Manifestationen einer größeren und besseren Idee sein müssen, die beide umfasst.

Die Unterschiede zwischen der Allgemeinen Relativitätstheorie und der Quantenmechanik sind so groß, dass bisher jeder Versuch, sie in Einklang zu bringen, gescheitert ist. Diese Versuche waren jedoch rein theoretisch und das verleiht ihnen einen begrenzten Nutzen.





Physiker messen beispielsweise routinemäßig das Quantenphänomen der Verschränkung, indem sie verschränkte Photonenpaare von einem Ort zum anderen senden. Bei diesen Experimenten müssen Sender und Empfänger beide die Polarisation der Photonen messen, sei es beispielsweise vertikal oder horizontal. Aber das kann nur passieren, wenn beide Parteien wissen, in welche Richtung es geht.

Das ist einfach anzugeben, wenn sie nahe beieinander liegen. Aber es wird viel schwieriger, wenn sie durch Distanzen getrennt sind, über die die Krümmung der Raumzeit ins Spiel kommt. Das Problem dabei ist, dass die Antwort mehrdeutig ist und von dem Weg abhängt, den jedes Photon durch die Raumzeit nimmt.

Die Experimentatoren können dies herausfinden, indem sie den Weg jedes Photons zurück zu ihrer gemeinsamen Quelle verfolgen, falls diese bekannt ist. Aber woher „kennt“ dann jedes Photon den Weg, den das andere genommen hat? Theoretiker können nur vermuten.



Ein weiteres Problem entsteht, wenn diese Art von Experimenten mit relativistischen Geschwindigkeiten von Sender und Empfänger durchgeführt wird. Dies führt zu dem bekannten Problem der Bestimmung der Reihenfolge der Ereignisse, das Einstein bekanntlich gezeigt hat, hängt von den Standpunkten der Beobachter ab.

Das steht im krassen Gegensatz zu den Vorhersagen der Quantenmechanik. Hier bestimmt die Messung eines verschränkten Photons sofort das Ergebnis einer zukünftigen Messung des anderen, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen.

Wenn die spezielle Relativitätstheorie dafür sorgt, dass die Reihenfolge der Ereignisse mehrdeutig ist, was gibt es dann? Wieder einmal sind die Theoretiker ratlos.

Natürlich können Sie diese Fragen beantworten, indem Sie sie testen und sehen.



Heute skizzieren David Rideout von der University of California in San Diego und ein paar Freunde verschiedene Möglichkeiten, diese Nüsse zu knacken, und sie sagen, dass solche Experimente in naher Zukunft möglich sein sollten.

Das liegt vor allem daran, dass die erforderliche experimentelle Ausrüstung in vielen Optiklabors Standard ist, sodass die Qualifizierung für den Einsatz im Weltraum einfach sein sollte.

Zwei Gruppen haben bereits vorgeschlagen, solche Experimente im Weltraum durchzuführen. Eine Gruppe will ein Paket, das in der Lage ist, verschränkte Photonen zu produzieren, auf die Internationale Raumstation ISS bringen, um sie zur Erde zurückzubeamen. Ein anderer möchte die Quantenausrüstung am Boden lassen und Photonen von einem einfachen Mikrosatelliten in einer niedrigen Erdumlaufbahn abprallen lassen, eine Option, die ihrer Meinung nach billiger, einfacher und besser ist.

Keine Gruppe hat einen Starttermin im Sinn oder sogar die garantierten Mittel, um ihre Ausrüstung zu bauen. Aber das könnte sich ändern, angesichts des zunehmenden Interesses an diesem Bereich und der Möglichkeit, dass die chinesische Arbeit westliche Bemühungen überholen könnte.

Darüber hinaus gibt es längerfristige Möglichkeiten, Photonen von weiter weg zu bestrahlen – zum Beispiel vom Mond oder interplanetaren Raumfahrzeugen.

Das Gesamtbild ist, dass Wissenschaftler, um neue Physik zu finden, Experimente an neue Grenzen bringen müssen. Physiker konnten die Allgemeine Relativitätstheorie nicht auf der Quantenskala (dh der Planck-Skala von 10^-34m) testen. Inzwischen gibt es jedoch Bestrebungen, diese Größenordnung mit Atominterferometern zu erforschen.

Und Physiker konnten die Quantenmechanik im Maßstab der Allgemeinen Relativitätstheorie bisher nicht testen, weil die Entfernungen, über die die Krümmung der Raumzeit signifikant wird, so groß sind. Wir haben erst vor wenigen Wochen gesehen, dass der Rekord für das Teleportieren von Quantenobjekten nur 150 km beträgt, was für die Allgemeine Relativitätstheorie zu wenig ist, um ihre Magie zu entfalten.

die Menschheit ist dem Untergang geweiht

Rideout und Co. sagen, dass sich das in den nächsten Jahren ändern wird. Die Paradoxien der Quantenmechanik wurden erstmals in den 1920er und 30er Jahren von Einstein, Bohr und anderen diskutiert. Aber aus verschiedenen Gründen, nicht zuletzt aus blinden Vorurteilen gegenüber dieser Art von Arbeiten, begannen Physiker erst in den 1970er und 1980er Jahren, sie experimentell zu testen.

Die Paradoxien, die durch das Zusammentreffen von Quantenmechanik und Relativität aufgeworfen wurden, sind ebenso alt und wohl tiefer. Und doch müssen Physiker noch eine konzertierte Anstrengung unternehmen, um sie experimentell zu erforschen.

Höchste Zeit, diese Brennnessel zu greifen.

Ref: arxiv.org/abs/1206.4949 : Grundlegende Quantenoptik-Experimente mit Satelliten denkbar, die relativistische Entfernungen und Geschwindigkeiten erreichen

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