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| Einstein
und seine Theorien |
| Einsteins Äquivalenzprinzip besteht einen echten Quantentest |
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Im Quantenanalog des legendären Experiments von Galileo Galilei, der im 16. Jahrhundert durch Fallversuche vom Schiefen Turm von Pisa den Einfluss der Gravitation auf verschiedene Körper getestet haben soll, bestand das Äquivalenzprinzip einen echten Quantentest. In einer internationalen Kooperation massen ForscherInnen die durch die Gravitation verursachte Beschleunigung von Rubidium-Atomen, deren Gesamtmasse in einer Quantensuperposition überlagert war, und bestätigten die Gültigkeit des Äquivalenzprinzips mit einer relativen Genauigkeit von einigen Milliardstel.
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| Einsteins Äquivalenzprinzip ist für das Verständnis der Gravitation und der relativistischen Raumzeit von fundamentaler Bedeutung. Aus ihm folgt, dass unter dem Einfluss der Gravitation alle Körper in derselben Art und Weise fallen - sei es eine Vogelfeder oder ein Felsblock. Bis jetzt war dieses Prinzip nur für Systeme getestet worden, deren Gesamtmasse sich in einem klassischen Zustand befindet. Caslav Brukner von der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften stellte als Teil einer internationalen Kooperation unter der Leitung von Guglielmo Tino von der Universität Florenz das Einsteinsche Äquivalenzprinzip erstmals für Atome auf die Probe, deren Gesamtmasse in einer Quantensuperposition überlagert war. Die Publikation erscheint diese Woche im Fachjournal Nature Communications.
In einem sagenumwobenen Versuch liess der italienische Wissenschaftler Galileo Galilei im 16. Jahrhundert angeblich Kugeln unterschiedlicher Masse vom Schiefen Turm von Pisa fallen. Damit soll er gezeigt haben, dass unter dem Einfluss der Gravitation verschiedene Körper mit derselben Beschleunigung fallen. |
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Die Weiterentwicklung der Kernidee des Galileischen Versuchs durch Albert Einstein, Einsteins Äquivalenzprinzip, führte zur Entstehung einer der Grundsäulen moderner Naturwissenschaft, der Relativitätstheorie.
Nun hat ein internationales Team um Guglielmo Tino (Universität Florenz und INFN) ein Experiment realisiert, das als Quantenanalog des legendären Galileischen Tests betrachtet werden kann. Mit der Expertise von theoretischen PhysikerInnen der Universität Wien, der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Queensland konnten ForscherInnen der Universitäten Florenz und Bologna und der Europäischen Raumfahrtsbehörde ESA Aspekte der Relativitätstheorie und der Quantenphysik kombinieren, und so ein Schema zur Messung des Einsteinschen Äquivalenzprinzip für ein Quantensystem entwickeln und im Experiment testen.
Ein Quantenlabor ersetzt den Schiefen Turm von Pisa
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| In der klassischen Physik beschreibt die berühmte relativistische Formel E=mc2, wie die Gesamtmasse eines Systems von seiner Energie abhängt. Im Gegensatz zur klassischen Theorie muss in der Quantentheorie ein System jedoch nicht immer eine bestimmte Energie haben. Es kann gleichzeitig zwei oder mehrere unterschiedliche Energiezustände in einer sogenannten Quantensuperposition einnehmen. Ein Quantensystem kann daher verschiedene Masse-Energien in Superposition aufweisen.
Im aktuellen Versuch massen die ForscherInnen die durch die Gravitation verursachte Beschleunigung von Rubidium-Atomen. |
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Diese waren von den ForscherInnen in Quantensuperpositionen von verschiedenen inneren Energien gebracht und mittels Laserlicht auf ausserordentlich niedrige Temperaturen nahe dem Absoluten Nullpunkt gekühlt worden.
Um ihre Messungen durchzuführen, verwendeten die WissenschafterInnen ein neues Schema, das in der Gruppe in Florenz entwickelt wurde und auf einem Braggschen Atominterferometer beruht. Das Experiment bestätigte die Gültigkeit des Äquivalenzprinzips für Quantensuperpositionen mit einer relativen Genauigkeit von einigen Milliardstel.
"Das Experiment zeigt, dass die Körper, die keine wohl definierte Masse-Energie haben, in derselben Art und Weise fallen, wie jene mit einer bestimmten Masse-Energie. Damit ist die Gültigkeit des Einsteinschen Äquivalenzprinzips im Bereich der Quantenphysik überprüft", fasst Caslav Brukner, Co-Autor der Publikation, zusammen.
Mögliche Anwendungen
Das im Experiment umgesetzte Schema kann zur Entwicklung neuer Sensoren mit vielfältigen Anwendungen führen: in der Geodäsie, in Studien über Vulkanausbrüche und Erdbeben, bei der Suche nach Mineralvorkommen, in der Trägheitsnavigation sowie bei Präzisionsmessungen von Zeit, Frequenzen, Beschleunigungen und Rotationen, um die grundlegenden Gesetze der Physik auf der Erde und im Weltall zu testen.
Publikation in "Nature Communications"
"Quantum test of the equivalence principle for atoms in superpositions of internal energy eigenstates", G. Rosi, G. D'Amico, L. Cacciapuoti, F. Sorrentino, M. Prevedelli, M. Zych, C. Brukner, G. M. Tino, Nature Communications
DOI: 10.1038/NCOMMS15529
| Quelle:
Text Universität Wien, Institut für Quantenoptik und Quanteninformation Wien, 1. Juni 2017 |
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| Gravitations-konstante |
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| Gravitationskraft (Newtonsches Gravitationsgesetz) |
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| Erdbeschleunigung |
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| Freier Fall |
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| Fallgesetz |
Auf der Erde gilt für alle Körper, dass, unabhängig von ihrer Masse, alle Körper in einem Vakuum (d.h. ohne Luftreibung) gleich schnell fallen. Durch die Anziehungskraft der Erde werden die fallenden Körper beschleunigt.
In der Atmosphäre vermindert die Luftreibung die Fallbeschleunigung. Körper, auf welche die Luftreibungs- und die Falbeschleunigungskraft als gleich grosse, entgegengesetzte Kräfte wirken, fallen mit konstanter Geschwindigkeit. |
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| Quantenverschränkung ist unverwüstlich |
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Einsteins "spukhafte Fernwirkung" bleibt auch im freien Fall und bei hohen Beschleunigungen bestehen. Das konnten Forscher/innen der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Wien in einem neuen Experiment zeigen. Eine Quelle für verschränkte Photonenpaare wurde dabei starken Belastungen ausgesetzt. Die Verschränkung dieser Photonen überstand sowohl den Sturz in einem Fallturm in der Schwerelosigkeit als auch die 30-fache Erdbeschleunigung in einer Zentrifuge. Das berichten die Wiener Wissenschaftler/innen in der aktuellen Ausgabe von "Nature Communications". Das Experiment hilft die Quantenmechanik besser zu verstehen und ist für Quantenexperimente im Weltraum von Bedeutung.
Einsteins Relativitätstheorie und die Quantenmechanik sind zwei wichtige Säulen der modernen Physik. Auf dem Weg zur physikalischen "Weltformel" müssen diese beiden Theorien aber miteinander in Einklang gebracht werden. Das ist trotz grösster Anstrengungen bisher nicht gelungen, da sich Phänomene beider Theorien nur sehr schwer gleichzeitig beobachten lassen. Ein typisches quantenmechanisches Phänomen ist etwa die Verschränkung: Gemeint ist damit, dass in der Quantenwelt die Messung an einem von zwei Lichtteilchen, sogenannten Photonen, auch den bis dahin undefinierten Zustand des anderen Teilchens festlegt. Hohe Beschleunigungen können hingegen von der Relativitätstheorie beschrieben werden. Moderne Quantentechnologien ermöglichen es nun aber, diese beiden Phänomene vereint zu betrachten: Die Stabilität der quantenmechanischen Verschränkung von Photonenpaaren kann dadurch bei relativistisch relevanten Beschleunigungen getestet werden.
Quantenverschränkung erweist sich als äusserst robust
Dies haben Wissenschaftler/innen des Wiener Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und der Universität Wien in einer internationalen Kooperation nun zum ersten Mal systematisch untersucht, wie sie im Fachjournal "Nature Communications" berichten.
Bei einem Experiment konnten sie erstmals zeigen, dass die Verschränkung zwischen Photonen sogar dann überlebt, wenn die Quelle für verschränkte Photonenpaare mitsamt den zugehörigen Detektoren im freien Fall unterwegs ist oder mit bis zu 30-facher Erdschwerkraft beschleunigt wird. Damit haben die Wiener ForscherInnen zugleich experimentell eine Obergrenze festgelegt, ab der es bei einer gleichmässigen - in diesem Fall maximal angewandten - Beschleunigung zu Verschränkungsverlusten kommen könnte.
Für Quantenexperimente mit Satelliten wichtig
"Diese Experimente sollen nun dabei helfen, Relativitätstheorie und Quantenmechanik in einer gemeinsamen Theorie zu beschreiben", sagt Rupert Ursin, Gruppenleiter am IQOQI der ÖAW. Dass die Quantenverschränkung auch dann erhalten bleibt, wenn ein verschränktes System beschleunigt wird, ist etwa für Quantenexperimente im Weltraum von entscheidender Bedeutung. "Andernfalls könnten Quantenexperimente auf einem Satelliten oder einem beschleunigten Raumschiff nicht, oder nur eingeschränkt, durchgeführt werden", erklärt Matthias Fink, der Erstautor der neuen Studie.
Zwölf Meter Fallhöhe und 30-fache Erdbeschleunigung
Für den Nachweis, dass die Quantenverschränkung äusserst robust ist, montierten der Quantenphysiker Matthias Fink und seine KollegInnen eine Quelle für polarisationsverschränkte Photonenpaare in einem Gestell, das dann aus einer Höhe von zwölf Metern fallengelassen wurde, um Schwerelosigkeit während des Falls zu erzielen. Beim zweiten Teil des Versuchs wurde das Gestell dann am Arm einer Zentrifuge fixiert und einer Beschleunigung bis zu 30g, also der 30-fachen Erdbeschleunigung, ausgesetzt. Zum Vergleich: Bei einer Achterbahnfahrt können kurzfristig maximal 6g erreicht werden.
Detektoren, die in dem Gestell angebracht waren, überwachten die Verschränkung zwischen den Photonen während des Fluges. Aus den dabei gemachten Daten konnten die Physiker/innen eine Obergrenze der nachteiligen Auswirkungen auf die Verschränkung, die durch die Beschleunigung der Umgebung verursacht wurden, ableiten. Die Daten zeigten, dass der Qualitätsverlust bei der Verschränkung die zu erwartenden Werte eines Hintergrundrauschens nicht signifikant übersteigt. "Unsere nächste Herausforderung wird sein, den Aufbau wesentlich stabiler zu machen, um weit höheren Belastungen standzuhalten. Damit würde die Aussagekraft des Experimentes weiter steigen“, sagt Matthias Fink.
Publikation in Nature Communications
"Experimental test of photonic entanglement in accelerated reference frames“, Matthias Fink, Ana Rodriguez-Aramendia, Johannes Handsteiner, Abdul Ziarkash, Fabian Steinlechner, Thomas Scheidl, Ivette Fuentes, Jaques Pienaar, Tim C. Ralph, Rupert Ursin, Nature Communications, 2017'
DOI: 10.1038/NCOMMS15304
| Quelle:
Text Universität Wien, Institut für Quantenoptik und Quanteninformation Wien, 10. Mai 2017 |
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