Vereinfachtes Schema des Experiments
Physiker aus Großbritannien haben ein Experiment aufgebaut, das die klassischen Effekte der Quantenmechanik und der Speziellen Relativitätstheorie kombiniert. Dazu stellten die Wissenschaftler das Hong-U-Mandela-Interferometer auf eine rotierende Plattform und zeigten, dass sich die in diesem Effekt gemessene Mindestwahrscheinlichkeit entsprechend dem Sagnac-Effekt verschiebt. Darüber hinaus schlugen die Forscher ein Schema für ein ähnliches Experiment vor, das Quantenmechanik mit der Allgemeinen Relativitätstheorie kombiniert. Der Artikel wurde in Physical Review Letters veröffentlicht, kurz von Physics berichtet, ein Vorabdruck der Arbeit ist auf der Website arXiv.org veröffentlicht.
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts diskreditierte sich die klassische Mechanik endgültig und wurde von zwei wichtigsten Theorien der modernen Physik abgelöst – der Quantenmechanik (QM) und der Allgemeinen Relativitätstheorie (GR). Beide Theorien reproduzieren die klassische Mechanik im Grenzfall schwacher Gravitationsfelder, kleiner Geschwindigkeiten und großer Skalen, erweitern sie jedoch weit von dieser Grenze auf unterschiedliche Weise. Einerseits beschreiben die Quantenmechanik und ihr Nachfolger, die Quantenfeldtheorie, alle Arten von Quanteneffekten vor dem Hintergrund einer flachen Raumzeit. Andererseits verknüpft die Allgemeine Relativitätstheorie Gravitation und Raumzeitgeometrie, vernachlässigt aber Quanteneffekte.
Eine logische Fortsetzung dieser Theorien ist die hypothetische Theory of Everything, die Quanten- und Gravitationseffekte in einer universellen Sprache beschreibt und in Grenzfällen in QM und GR übergeht. Leider wurde eine solche Theorie noch nicht entwickelt. Darüber hinaus sehen Experimentatoren keine Hinweise auf die Theorie von allem - es ist zu schwierig, ein System zu schaffen, in dem Quanten- und Gravitationseffekte gleich stark sind. Natürlich gibt es solche Systeme theoretisch - die bekanntesten Beispiele sind Schwarze Löcher und das junge Universum, in dem der Krümmungsradius der Raumzeit mit der Planck-Länge vergleichbar ist. Größtenteils dienen sie jedoch immer noch der Belustigung von Theoretikern, die versuchen, in ihrem Verhalten schwache Hinweise auf eine einheitliche Theorie zu erkennen. Es ist unmöglich, die Singularitäten eines Schwarzen Lochs oder des Urknalls in einem Labor zu reproduzieren.
Bisher haben Wissenschaftler nur zwei reale Experimente aufgebaut, die Quantenmechanik und Spezielle Relativitätstheorie (ein Sonderfall der Allgemeinen Relativitätstheorie) kombinieren. Im ersten Experiment haben Physiker die quantenmechanische Phasenverschiebung von interferierenden Neutronen gemessen, die sich in einem Gravitationsfeld mit schwachem Gradienten befinden. Im zweiten Experiment beobachteten die Forscher die Interferenz von Photonen in einem sich gleichmäßig beschleunigenden System. Für subtilere Experimente ist es in der Regel notwendig, schwache Gravitationskräfte genau zu messen und daher auf dem aktuellen Stand der Technik nicht umzusetzen.
Eine Gruppe von Physikern unter der Leitung von Miles Padgett hat ein weiteres Experiment entwickelt, dessen Ergebnis sowohl von den Effekten der Quantenmechanik als auch der Speziellen Relativitätstheorie beeinflusst wird. Das neue Experiment basiert auf dem klassischen Hong-U-Mandela-Effekt zum Testen der Quantennatur des Lichts, der 1987 erstmals durchgeführt wurde. In diesem Experiment werden zwei Photonen auf einen Strahlteiler gelenkt, in dem jedes Photon mit gleicher Wahrscheinlichkeit passieren oder reflektiert werden kann. Wenn die Photonen klassische Teilchen sind, dann beträgt die Wahrscheinlichkeit, dass beide gleichzeitig auf denselben Ausgang treffen, ½. Wenn die Photonen Bosonen sind, verlassen sie den Strahlteiler immer gemeinsam.
Damit die Photonen nicht voneinander zu unterscheiden sind, ist es zwar notwendig, dass ihr Weg von der Quelle zum Detektor gleich lang ist. Daher wird das Experiment normalerweise modifiziert, indem eine Zeitverzögerung zwischen Photonen hinzugefügt und die Wahrscheinlichkeit einer gleichzeitigen Detektion von Photonen durch zwei verschiedene Detektoren gemessen wird. Wenn Photonen der Quantenstatistik gehorchen, wird diese Abhängigkeit mit null Wahrscheinlichkeit ein charakteristisches Minimum haben (Photonen treffen immer auf denselben Detektor).
Padgetts Gruppe wiederholte das Hong-U-Mandela-Experiment in der obigen Formulierung, platzierte den Aufbau auf einer rotierenden Plattform und verband die Photonenquelle mit dem Strahlteiler mit einer 100 Meter langen Glasfaser, die in 35 Runden verlegt wurde. So kombinierten Physiker das klassische quantenmechanische Experiment mit dem klassischen Experiment der Speziellen Relativitätstheorie – dem Sagnac-Effekt, der die Phasendifferenz zwischen Photonen vorhersagt, die entlang eines Ringinterferometers in entgegengesetzte Richtungen laufen. Insbesondere für die gebaute Anlage sagt SRT eine Verschiebung von etwa 170 Grad pro Hertz voraus.
Schema eines Versuchsaufbaus mit einem rotierenden Hong - U - Mandela Interferometer
Schema eines Versuchsaufbaus zum Testen des Sagnac-Effekts
Erwartungsgemäß hat sich aufgrund der durch die Rotation des Interferometers verursachten Phasenverschiebung auch das Wahrscheinlichkeitsminimum im Hong-U-Mandela-Effekt "eingeschlichen". Im Durchschnitt betrug die Verschiebung etwa 200 ± 12 Nanometer pro Hertz. Berücksichtigt man, dass der Brechungsindex des Glasfaserglases n ≈ 1,5 beträgt und die Wellenlänge des im Experiment verwendeten Lasers λ ≈ 652 Nanometer beträgt, stimmt diese Verschiebung hervorragend mit der von der SRT vorhergesagten Verschiebung überein.
Wahrscheinlichkeit der gleichzeitigen Detektion von Photonen durch gegenüberliegende Detektoren in Abhängigkeit von der Differenz der optischen Weglängen der Photonen
Verschiebung des Verteilungsminimums gegenüber dem vorherigen Bild in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit der Plattform
Die Autoren des Artikels betonen, dass ihr Experiment gleichzeitig die Effekte von QM und STR erfasst, obwohl das Ergebnis eher trivial ist. Darüber hinaus stellen Wissenschaftler fest, dass es unter Berücksichtigung der Auswirkungen der Allgemeinen Relativitätstheorie leicht auf einen komplexeren Fall verallgemeinert werden kann. Dazu schlagen Physiker vor, die rotierende Plattform durch drei Satelliten zu ersetzen, die Photonen um die Erde schicken. In diesem Fall wird die Phasenverschiebung durch die Entfernung zum Erdmittelpunkt und den Drehimpuls ihrer Rotation bestimmt und ihr Wert unterscheidet sich nur um eine Größenordnung von der Verschiebung, die im Experiment mit einer rotierenden Plattform gemessen wurde. Daher kann ein solches Experiment jetzt durchgeführt werden.
Im Mai dieses Jahres nutzten chinesische Physiker den Hong-Wu-Mandela-Effekt, um die Quantennatur von thermischen Photonen zu beweisen, die von unabhängigen Quellen emittiert werden. Als Wärmequellen nutzten die Wissenschaftler die Sonne und einen künstlichen Quantenpunkt. Aufgrund des komplexen Spektrums der Sonne gelang es den Wissenschaftlern jedoch nicht, eine echte Verschränkung zu erreichen: Im Experiment verließ ein Photonenpaar zusammen mit einer Wahrscheinlichkeit von etwa p = 0,796 den Strahlteiler. Dieser Wert erreicht nicht eins, wie es sich für nicht unterscheidbare Photonen gehört, aber deutlich über der klassischen Wahrscheinlichkeit (p = 0,5) liegt.
