Die Relativitätstheorie kann zur Erklärung kosmischer Ereignisse wie Gravitationswellen verwendet werden, die bei der Kollision von Schwarzen Löchern auftreten. Die Quantentheorie eignet sich gut zur Beschreibung von Phänomenen auf Teilchenskala, beispielsweise der Bewegung einzelner Elektronen in einem Atom. Allerdings ist es bisher nicht gelungen, beides völlig zufriedenstellend zu kombinieren. Die Suche nach einer „Quantentheorie der Schwerkraft“ ist eines der wichtigen Probleme, die die Wissenschaft noch immer nicht gelöst hat.
Dies liegt daran, dass dieses Feld mathematisch recht komplex ist. Es ist auch schwierig, entsprechende Experimente durchzuführen. Weil es notwendig ist, Situationen zu schaffen, in denen sowohl die Phänomene der Relativitätstheorie (z. B. die Krümmung der Raumzeit durch schwere Massen) als auch Quanteneffekte (z. B. die duale Natur des Lichts, in dem es Teilchen- und Welleneigenschaften aufweist) auftreten wichtig.
GEKRÜMMTE RAUM-ZEIT IM QUANTENSIMULATOR
Zu diesem Zweck wurde an der TU Wien in Wien, Österreich, eine neue Methode entwickelt. Als Grundlage für solche Fragestellungen dient ein „Quantensimulator“. Anstatt das verwandte System, nämlich die Quantenteilchen in der gekrümmten Raumzeit, direkt zu untersuchen, wird ein „Modellsystem“ erstellt und durch Analogie können Informationen über das verwandte System gewonnen werden. Forscher haben nun gezeigt, dass dieser Quantensimulator perfekt funktioniert. Universität Kreta, Technische Universität Nanyang und
Physiker der FU Berlin haben die Ergebnisse dieser internationalen Zusammenarbeit in den Proceedings der US National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.
Informationen von einem System über ein anderes System abrufen
Das Grundprinzip des Quantensimulators ist klar: Viele physikalische Systeme ähneln einander. Auf einer tieferen Ebene gehorchen diese Systeme möglicherweise denselben Gesetzen und Gleichungen. Dabei kann es sich um völlig unterschiedliche Arten von Teilchen handeln oder um physikalische Systeme unterschiedlichen Maßstabs, die auf den ersten Blick wenig miteinander zu tun haben. Somit ist sichergestellt, dass man durch die Untersuchung eines anderen Systems etwas über ein anderes System lernen kann.
Professor des Atominstituts der TU Wien. „Wir nehmen in Experimenten ein Quantensystem, von dem wir wissen, dass wir es sehr gut steuern und abstimmen können“, sagte Jörg Schmiedmayer. sagt. „In unserem Fall handelt es sich um ultrakalte Atomwolken, die von einem Atomchip mit elektromagnetischen Feldern gehalten und manipuliert werden.“ er addiert. Angenommen, diese Atomwolken sind richtig abgestimmt, sodass ihre Eigenschaften auf ein anderes Quantensystem übertragen werden können. In diesem Fall können aus der Messung eines Atomwolkenmodellsystems Informationen über ein anderes System gewonnen werden. Beispielsweise Informationen über die Schwingung eines Pendels aus der Schwingung einer an einer Metallfeder befestigten Masse: Diese beiden Systeme sind getrennt. Eines der physikalischen Systeme kann in ein anderes umgewandelt werden.
Gravitationslinseneffekt
„Wir konnten nun zeigen, dass wir auf diese Weise Effekte erzeugen können, mit denen sich die Krümmung der Raumzeit simulieren lässt“, sagte Mohammadamin Tajik vom Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) – TU Wien. sagt. Licht breitet sich im Raum entlang des sogenannten „Lichtkegels“ aus. Sie entspricht der Lichtgeschwindigkeit. Das heißt, Licht legt in gleichen Zeitintervallen in alle Richtungen die gleiche Strecke zurück. Aber diese Lichtkegel biegen sich, wenn das Licht durch schwere Massen beeinflusst wird, etwa durch die Schwerkraft der Sonne. Lichtwege in gekrümmten Raumzeiten sind nicht genau gerade. Dies wird als „Schwerkraftlinseneffekt“ bezeichnet.
Atomwolken können jetzt dasselbe zeigen. Anstelle der Lichtgeschwindigkeit wird die Schallgeschwindigkeit untersucht. „Wir haben jetzt ein System, in dem es einen Effekt gibt, der einer Raum-Zeit-Krümmung oder einem Gravitationslinseneffekt entspricht“, sagte Mohammadamin Tajik. Es gibt aber auch ein Quantensystem, das man mit Quantenfeldtheorien beschreiben kann.“ sagt. „Damit verfügen wir über ein völlig neues Werkzeug, um den Zusammenhang zwischen Relativitätstheorie und Quantentheorie zu untersuchen.“
Ein Modellsystem für die Quantengravitation
Experimente haben gezeigt, dass die Form von Lichtkegeln, Linseneffekten, Reflexionen und anderen Phänomenen in Atomwolken genau so dargestellt werden kann, wie man es in relativistischen kosmischen Systemen erwarten würde. Es ist nicht nur von Interesse, neue Daten für die theoretische Grundlagenforschung zu generieren. Gleichzeitig stehen die Festkörperphysik und die Suche nach neuen Materialien vor ähnlichen Fragen und können durch solche Experimente Lösungen liefern.
Jörg Schmiedmayer. „Wir wollen diese Atomwolken kontrollieren, um umfassendere Daten zu identifizieren. Wechselwirkungen zwischen Partikeln können immer noch sehr gezielt manipuliert werden.“ Sie sagt. Auf diese Weise kann der Quantensimulator physikalische Zustände rekonstruieren, die zu komplex sind, als dass selbst Supercomputer sie berechnen könnten.
Somit ist der Quantensimulator; Es wird zu einer neuen Informationsquelle für die Quantenforschung wie direkte Experimente, theoretische Berechnungen und Computersimulationen. Bei der Untersuchung atomarer Wolken hofft das Forschungsteam auf neue Phänomene, die bisher völlig unbekannt waren, aber auch im kosmischen Maßstab auftreten. Ohne die Hilfe winziger Teilchen wären diese Phänomene möglicherweise nie entdeckt worden.
Quelle: Brücke zwischen Quantentheorie und Relativität: Gekrümmte Raumzeit in einem Quantensimulator (scitechdaily.com)
Zusammengestellt von: Esra Tasci
Günceleme: 21/05/2023 23:01