22.08.2019

Die verschränkte Zeit der Quantengravitation

Die Vereinigung von Relativitätstheorie und Quantenmechanik ist eine der größten Herausforderungen der Physik. Einem internationalen Forschungsteam mit österreichischer Beteiligung gelang nun der Nachweis, dass die zeitliche Abfolge von Ereignissen sehr wohl Quanteneigenschaften aufweisen kann

Zur Veranschaulichung hilft ein Gedankenexperiment mit zwei Raumschiffen, die sich gleichzeitig gegenseitig beschießen. © Magdalena Zych

Der allgemeinen Relativitätstheorie zufolge verlangsamt die Anwesenheit eines schweren Körpers die Zeit – eine Uhr in der Nähe eines schweren Körpers läuft also langsamer als eine weiter entfernte. In der Quantentheorie hingegen finden Ereignisse zwar auf einer fixen Zeitskala statt, ein- und dieselbe Masse kann sich allerdings an zwei Orten „gleichzeitig“ aufhalten.

Was passiert nun, wenn ein Körper schwer genug ist, die Zeit zu beeinflussen und dabei in einen Überlagerungs- bzw. Superpositionszustand versetzt wird? Quantenphysiker/innen der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) stellten sich gemeinsam mit Kolleg/innen von Universität Wien, Universität Queensland und dem Stevens Institute of Technology (USA) diese Frage in einer theoretischen Studie, die nun im Fachjournal „Nature Communications“ veröffentlicht wurde.

Zeitfolge mit Quanteneigenschaften

Die Forscher/innen hatten ursprünglich damit gerechnet, auf Hindernisse zu stoßen. Tatsächlich stellen sie aber überrascht fest, dass Standardmethoden der Physik ausreichen, um den Prozess exakt zu beschreiben. In ihrer Theoriearbeit fanden sie heraus, dass die Positionierung eines schweren Körpers in einem Quantensuperpositionszustand in der Nähe mehrerer Uhren dazu führt, dass die von ihnen angezeigte Zeit – anders als in bisherigen Modellen – tatsächlich Quanteneigenschaften annimmt.

„Es lassen sich also auch kausale Zusammenhänge in eine Überlagerung bringen“, sagt Studienautor Časlav Brukner vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI Wien) der ÖAW. Er betont aber, dass die Szenarien, in denen die Zeitfolge Quanteneigenschaften aufweist, von unserer Alltagserfahrung stark abweichen.

Raumschiffe zur Veranschaulichung

Zur Veranschaulichung hilft ein Gedankenexperiment: Zwei Raumschiffe trainieren für eine Mission und beschießen sich zu einem bestimmten Zeitpunkt gegenseitig. Daraufhin starten sie augenblicklich ihre Triebwerke, um dem gegnerischen Angriff auszuweichen. Schießt eines der Schiffe zu früh, zerstört es das andere, wodurch eine eindeutige Zeitfolge zwischen den Schüssen geschaffen wird.

Würde nun jemand einen ausreichend schweren Körper wie etwa einen Planeten nahe einem der Schiffe positionieren, würde dies dessen Zeitmessung verlangsamen. Dadurch würde das dem Körper weiter entfernte Schiff zu früh schießen, um ein Ausweichen des anderen Schiffs zu ermöglichen. Die Gesetze der Quantenphysik und der Schwerkraft besagen, dass sich die Schiffe bei Herbeiführung eines Überlagerungszustands des Planeten in einer Superposition wiederfinden würden, in der eines der beiden zerstört würde. Einen solchen Überlagerungszustand zweier Systeme bezeichnet man als verschränkt.

Die Forscher/innen konnten somit zeigen, dass die zeitliche Abfolge von Ereignissen eine Superposition und eine Verschränkung aufweisen kann – beides also quantenmechanische Eigenschaften. Diese Ergebnisse sind wichtig, denn sie bilden ein theoretisches Versuchsfeld und bringen die Quantenphysiker/innen, so hoffen sie, einen Schritt näher an eine einheitliche Quantengravitationstheorie.

 

Die Publikation: 

"Bell’s theorem for temporal order"
M.Zych, F.Costa, I.Pikovski, and Č. Brukner. Nature Communications, Volume 10, Article number: 3772 (2019). 

 


Newsletter
Forschungs-News, Science Events & Co: Jetzt zum ÖAW-Newsletter anmelden!