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Zwillingsparadoxon

Quantenzwilling auf Einsteins Reise

| Redakteur: Christian Lüttmann

Das Zwillingsparadoxon ist ein Gedankenexperiment zu den Folgen von Einsteins Relativitätstheorie. Demnach würde ein schnell im All reisender Zwilling nach seiner Rückkehr jünger sein, als sein auf der Erde gebliebener Bruder. Dieses Phänomen wollen Forscher aus Ulm und Hannover nun experimentell nachstellen – mit einer einzelnen Atomuhr statt reisenden Zwillingen.

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In der quantenmechanischen Version des Zwillingsparadoxons bewegt sich ein Zwilling dank des Überlagerungsprinzips zeitgleich auf zwei Pfaden: Kreuzen sich seine Wege wieder, so stellt er fest, gleichzeitig jung und alt zu sein.
In der quantenmechanischen Version des Zwillingsparadoxons bewegt sich ein Zwilling dank des Überlagerungsprinzips zeitgleich auf zwei Pfaden: Kreuzen sich seine Wege wieder, so stellt er fest, gleichzeitig jung und alt zu sein.
(Bild: Alexander Friedrich, Universität Ulm)

Hannover, Ulm – 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 Forscher weltweit nach Abweichungen von den Gesetzen der Quantenmechanik und der Relativitätstheorie, die Einblick in eine neue Physik eröffnen könnten.

Unterschiedlich alte Zwillinge

Wissenschaftler der Leibniz Universität Hannover und der Universität Ulm haben sich nun das aus Einsteins spezieller Relativitätstheorie bekannte Zwillingsparadoxon vorgenommen. Dieses Gedankenexperiment dreht sich um ein Zwillingspaar, das sich auf eine besondere Reise begibt: Während ein Bruder ins Weltall fliegt, 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. Vereinfacht gesagt, vergeht die Zeit langsamer, je schneller der Reisende sich im All bewegt und je größer die Gravitation ist, die er dabei erfährt. Beim Fallen in ein Schwarzes Loch wäre es von außen betrachtet sogar so, als würde die Zeit nahezu still stehen.

Quantenmechanische Version des Paradoxons

In ihrer neuen Arbeit sind die 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 Forscher 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“, sagt Dr. Enno Giese, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Ulmer Institut für Quantenphysik. Hierzu haben die Forscher auf Basis eines quantenphysikalischen Modells erstmals einen experimentellen Aufbau für dieses Szenario entwickelt.

Eine Atomuhr auf zwei Pfaden

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 Wissenschaftler 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 Physiker sind vielversprechend: Ihr quantenphysikalisches Modell für das Atominterferometer berücksichtigt die Wechselwirkung zwischen Lasern und Atomen ebenso wie die Bewegung der Atome – selbstverständlich unter Beachtung relativistischer Korrekturen. „Mithilfe dieses Modells können wir eine ,tickende‘ Atomuhr beschreiben, die sich in einer räumlichen Überlagerung gleichzeitig entlang zweier Wege bewegt. Darüber hinaus weisen wir nach, dass ein Atominterferometer wie es in Hannover entsteht, den Effekt der speziell relativistischen Zeitdilation auf eine Atomuhr messen kann“, sagt Alexander Friedrich, der als Doktorand am Ulmer Institut für Quantenphysik forscht.

Von der Theorie zur Praxis

Aufgrund ihrer theoretischen Überlegungen können die Wissenschaftler schon jetzt annehmen, dass sich eine einzelne Atomuhr wie im Zwillingsparadoxon vorhergesagt verhält. Relativitätstheorie und Quantenmechanik sind hier also voraussichtlich 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 soll das in der Theorie beschriebene Experiment im neuen Atominterferometer in Hannover umgesetzt werden. Ganz praktisch könnten die Ergebnisse dabei helfen, auf Atominterferometern beruhende Anwendungen wie Navigation oder Beschleunigungs- und Rotationsmessungen zu verbessern.

Originalpublikation: 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: Interference of Clocks: A Quantum Twin Paradox, Science Advances Vol. 5, no. 10; DOI: 10.1126/sciadv.aax8966

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