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Uhren im Wechselspiel zwischen zwei fundamentalen Theorien moderner
Physik
Wien (universität) - PhysikerInnen der Universität Wien und der Österreichischen Akademie
der Wissenschaften um Caslav Brukner haben herausgefunden, dass die Genauigkeit der Zeitmessung fundamental eingeschränkt
ist: Je genauer eine bestimmte Uhr arbeitet, umso mehr "verwischt" sie den Zeitfluss, den benachbarte
Uhren messen. Infolgedessen ist die Zeit, die die Uhren anzeigen, nicht länger klar definiert. Diesen Nachweis
erbrachten sie, indem sie Aspekte der Quantenmechanik und Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie kombinierten.
Ihre Ergebnisse veröffentlichen die ForscherInnen in "PNAS".
Aus dem Alltag sind wir damit vertraut, dass wir Eigenschaften eines bestimmten Objekts mit beliebiger Genauigkeit
bestimmen können. In der Quantenmechanik, einer der bedeutendsten Theorien der modernen Physik, erklärt
jedoch die Heisenberg’sche Unschärferelation, dass es eine grundsätzliche Grenze der Genauigkeit gibt,
mit der bestimmte physikalische Eigenschaften, z.B. die Energie und die Zeitangabe einer Uhr, gepaart sind: Je
genauer eine Uhr geht, desto größer ist die Unschärfe in ihrer Energie. Eine beliebig genaue Uhr
würde daher eine unbeschränkte Unschärfe in ihrer Energie aufweisen.
Ein weiteres Phänomen, das Energie und Zeit verbindet, wird von Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie,
der anderen grundlegenden Theorie der Physik, vorhergesagt. In der Allgemeinen Relativitätstheorie wird der
Zeitfluss durch vorhandene Massen oder Energiequellen verändert. Dieser Effekt – die gravitationsbedingte
Zeitdilatation – hat zur Folge, dass die Zeit nahe eines Objekts mit großer Energie langsamer läuft
als in der Nähe eines Objekts mit kleinerer Energie.
Die Puzzlesteine zusammenfügen
Durch die Kombination dieser Grundsätze aus der Quantenmechanik und der Allgemeinen Relativitätstheorie
zeigten ForscherInnen unter der Leitung von Caslav Brukner von der Universität Wien und dem Institut für
Quantenoptik und Quanteninformation der ÖAW einen neuen Effekt in diesem Wechselspiel. Gemäß der
Quantenmechanik weist eine sehr genaue Uhr eine sehr große Unschärfe in ihrer Energie auf; je größer
die Unschärfe in ihrer Energie ist, desto größer ist die Unschärfe im Zeitfluss nahe der Uhr
– so die Allgemeine Relativitätstheorie. Die ForscherInnen fügten diese Puzzlesteine zusammen und zeigten
dadurch, dass sich nebeneinander angeordnete Uhren zwangsläufig gegenseitig stören müssen, was zu
einem "verwischten" Zeitfluss führt.
Diese Einschränkung in der Genauigkeit der Zeitmessung ist unabhängig vom zugrundeliegenden Mechanismus
oder vom Material der Uhren und ist in diesem Sinne allgemein gültig. "Unsere Ergebnisse deuten darauf
hin, dass wir unsere Vorstellungen über die Natur der Zeit neu überdenken müssen, sobald Quantenmechanik
und Allgemeine Relativitätstheorie gemeinsam berücksichtigt werden", fasst Esteban Castro, Erstautor
der Publikation, zusammen.
Publikation in PNAS: "Entanglement
of quantum clocks through gravity" Esteban Castro-Ruiz, Flaminia Giacomini, Caslav Brukner PNAS DOI: 10.1073/pnas.1616427114
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