En av fysikens grundläggande utmaningar är att förena Einsteins relativitetsteori och kvantmekanik. Nödvändigheten att kritiskt ifrågasätta dessa två pelare i modern fysik uppstår, till exempel, från extremt högenergihändelser i kosmos, som hittills bara kan förklaras av en teori i taget, men inte båda teorierna i harmoni. Forskare runt om i världen söker därför efter avvikelser från kvantmekanikens och relativitetens lagar som kan öppna insikter om ett nytt fysikfält.

För en färsk publikation, forskare från Leibniz University Hannover och Ulm University har tagit sig an den tvillingparadox som är känd från Einsteins speciella relativitetsteori. Detta tankeexperiment kretsar kring ett tvillingpar:Medan en bror reser ut i rymden, den andra finns kvar på jorden. Följaktligen, under en viss tid, tvillingarna rör sig i olika banor i rymden. Resultatet när paret träffas igen är ganska häpnadsväckande:Tvillingarna som har rest genom rymden har åldrats mycket mindre än sin bror som stannade hemma. Detta fenomen förklaras av Einsteins beskrivning av tidsdilatation:Beroende på hastigheten och var i gravitationsfältet två klockor rör sig i förhållande till varandra, de tickar i olika hastigheter.

För publiceringen i Vetenskapliga framsteg , författarna antog en kvantmekanisk variant av tvillingparadoxen med endast en tvilling. Tack vare superpositionsprincipen inom kvantmekaniken, denna tvilling kan röra sig längs två vägar samtidigt. I forskarnas tankeexperiment, tvillingen representeras av en atomur. "Sådana klockor använder atomernas kvantegenskaper för att mäta tid med hög precision. Atomklockan i sig är därför ett kvantmekaniskt objekt och kan röra sig genom rymdtid på två vägar samtidigt på grund av överlagringsprincipen. Tillsammans med kollegor från Hannover, vi har undersökt hur denna situation kan realiseras i ett experiment, " förklarar Dr. Enno Giese, forskningsassistent vid Institutet för kvantfysik i Ulm. För detta ändamål, forskarna har utvecklat en experimentell uppsättning för detta scenario utifrån en kvantfysisk modell.

En 10 meter hög atomfontän, som för närvarande byggs vid Leibniz University Hannover, spelar en väsentlig roll i denna strävan. I denna atominterferometer och med användning av kvantobjekt som atomklockan, forskare kan testa relativistiska effekter – inklusive tidsutvidgningen som beskrivs i tvillingparadoxen. "I ett experiment, vi skulle skicka en atomklocka in i interferometern. Den avgörande frågan är då:Under vilka förhållanden kan en tidsskillnad mätas efter experimentet, då klockan trots allt är i två banor samtidigt, " förklarar Sina Loriani från Institute of Quantum Optics vid Leibniz University Hannover.

Det teoretiska förarbetet av fysikerna från Ulm och Hannover är mycket lovande:Som beskrivs, de har utvecklat en kvantfysisk modell för atominterferometern, som tar hänsyn till interaktionen mellan lasrar och atomer samt atomernas rörelse — samtidigt som man tar hänsyn till relativistiska korrigeringar. "Med hjälp av denna modell, vi kan beskriva en "tickande" atomur som rör sig samtidigt längs två vägar i en rumslig superposition. Dessutom, vi visar att en atominterferometer, som den som byggs i Hannover, kan mäta effekten av den speciella relativistiska tidsdilatationen på en atomklocka, " sammanfattar Alexander Friedrich, doktorand vid Institutet för kvantfysik i Ulm. Baserat på deras teoretiska överväganden, forskarna kan redan göra antagandet att en enda atomklocka beter sig som förutspått i tvillingparadoxen:Relativitetsteori och kvantmekanik är därför verkligen förenliga i detta scenario. Tyngdkraftens inflytande enligt andra grupper, dock, förefaller inte verifierbart i ett försöksförslag av detta slag.

Det teoretiskt beskrivna experimentet förväntas sättas på prov i den nya atomära interferometern i Hannover om några år. I praktiken, forskarnas resultat kan hjälpa till att förbättra applikationer baserade på atominterferometrar som navigering, eller accelerations- och rotationsmätningar.