Einstein auf den Prüfstand gestellt

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.

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.

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