Een van de fundamentele uitdagingen van de natuurkunde is de verzoening van Einsteins relativiteitstheorie en kwantummechanica. De noodzaak om deze twee pijlers van de moderne natuurkunde kritisch in vraag te stellen, ontstaat, bijvoorbeeld, van extreem energierijke gebeurtenissen in de kosmos, die tot nu toe slechts door één theorie tegelijk kan worden verklaard, maar niet beide theorieën in harmonie. Onderzoekers over de hele wereld zijn daarom op zoek naar afwijkingen van de wetten van de kwantummechanica en relativiteit die inzichten zouden kunnen openen in een nieuw veld van de natuurkunde.

Voor een recente publicatie, wetenschappers van de Leibniz Universiteit in Hannover en de Universiteit van Ulm hebben de tweelingparadox overgenomen die bekend is uit de speciale relativiteitstheorie van Einstein. Dit gedachte-experiment draait om een ​​tweeling:terwijl een broer de ruimte in reist, de andere blijft op aarde. Bijgevolg, gedurende een bepaalde tijdsperiode, de tweeling beweegt in verschillende banen in de ruimte. Het resultaat wanneer het paar elkaar weer ontmoet, is behoorlijk verbazingwekkend:de tweeling die door de ruimte heeft gereisd, is veel minder oud geworden dan zijn broer die thuis is gebleven. Dit fenomeen wordt verklaard door Einsteins beschrijving van tijdsdilatatie:Afhankelijk van de snelheid en waar in het zwaartekrachtsveld twee klokken ten opzichte van elkaar bewegen, ze tikken met verschillende snelheden.

Voor de publicatie in wetenschappelijke vooruitgang , de auteurs gingen uit van een kwantummechanische variant van de tweelingparadox met slechts één tweeling. Dankzij het superpositieprincipe van de kwantummechanica, deze tweeling kan zich tegelijkertijd langs twee paden bewegen. In het gedachte-experiment van de onderzoekers de tweeling wordt vertegenwoordigd door een atoomklok. “Dergelijke klokken gebruiken de kwantumeigenschappen van atomen om tijd met hoge precisie te meten. De atoomklok zelf is dus een kwantummechanisch object en kan door het superpositieprincipe op twee paden tegelijk door de ruimte-tijd bewegen. Samen met collega’s uit Hannover, we hebben onderzocht hoe deze situatie in een experiment kan worden gerealiseerd, " legt Dr. Enno Giese uit, onderzoeksassistent aan het Instituut voor Kwantumfysica in Ulm. Hiertoe, de onderzoekers hebben voor dit scenario een experimentele opstelling ontwikkeld op basis van een kwantumfysisch model.

Een 10 meter hoge atoomfontein, die momenteel wordt gebouwd aan de Leibniz University Hannover, speelt daarbij een essentiële rol. In deze atomaire interferometer en met behulp van kwantumobjecten zoals de atoomklok, onderzoekers kunnen relativistische effecten testen, inclusief de tijddilatatie die wordt beschreven in de tweelingparadox. "Bij een experiment we zouden een atoomklok in de interferometer sturen. De cruciale vraag is dan:onder welke omstandigheden kan een tijdsverschil worden gemeten na het experiment, waarbij de klok toch tegelijkertijd op twee banen staat, ", legt Sina Loriani uit van het Institute of Quantum Optics van de Leibniz University Hannover.

Het theoretische voorwerk van de natuurkundigen uit Ulm en Hannover is veelbelovend:zoals beschreven, ze hebben een kwantumfysisch model ontwikkeld voor de atomaire interferometer, die factoren in de interactie tussen lasers en atomen en de beweging van de atomen, terwijl ook rekening wordt gehouden met relativistische correcties. "Met behulp van dit model, we kunnen een "tikkende" atoomklok beschrijven die gelijktijdig langs twee paden in een ruimtelijke superpositie beweegt. Bovendien, laten we zien dat een atomaire interferometer, zoals die in Hannover wordt gebouwd, kan het effect van de speciale relativistische tijdsdilatatie op een atoomklok meten, " vat Alexander Friedrich samen, een doctoraal onderzoeker aan het Institute of Quantum Physics in Ulm. Op basis van hun theoretische overwegingen, de onderzoekers kunnen nu al aannemen dat een enkele atoomklok zich gedraagt ​​zoals voorspeld in de tweelingparadox:relativiteitstheorie en kwantummechanica zijn dus inderdaad verenigbaar in dit scenario. De invloed van de zwaartekracht zoals aangenomen door andere groepen, echter, lijkt niet verifieerbaar in een dergelijk experimenteel voorstel.

Het theoretisch beschreven experiment zal naar verwachting over enkele jaren worden getest in de nieuwe atomaire interferometer in Hannover. In praktijk, de bevindingen van de wetenschappers kunnen helpen bij het verbeteren van toepassingen op basis van atomaire interferometers zoals navigatie, of versnellings- en rotatiemetingen.