Neues Quanten-Experiment: Vergeht Zeit gleichzeitig langsamer und schneller?

Zeit ist eines der komplexesten Konzepte in der Physik. Laut Einsteins Relativitätstheorie beschreibt die Zeit, wie lange ein Objekt von A nach B braucht. Dabei gibt es den Effekt der Zeitdilatation, nach dem Faktoren wie Geschwindigkeit und Schwerkraft die Zeit beeinflussen.

Ein beliebtes Beispiel dafür ist das Zwillings-Paradoxon: 2 identische Menschen altern verschieden, wenn einer von ihnen auf der Erde bleibt und der andere in einem Hochgeschwindigkeitsraumschiff durch das Universum rast. Die Person, die schnell unterwegs ist, altert demnach langsamer, denn je schneller sich ein Objekt bewegt, desto langsamer vergeht die Zeit für dieses Objekt.

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Bis hierhin ist Zeit noch relativ verständlich. Doch jetzt bringt ein Forscherteam um Igor Pikovski von der Privatuniversität Stevens Institute of Technology aus New Jersey Quanten ins Spiel. Und plötzlich wird das Zwillings-Paradoxon mit Schrödingers Katze gemischt. Das Ergebnis: Die Katze ist gleichzeitig jünger und älter. 

Experiment mit optischer Atomuhr 

Ein neues Paper im Fachmagazin The Physical Review Letters beschreibt ein theoretisches Experiment, mit dem diese Quantenzeit nachweisbar werden soll. Dafür nutzen sie eine optische Atomuhr, genauer gesagt einen Ionenkäfig. Darin wird ein elektrisch geladenes Atom, also ein Ion, gefangen. Meist wird hier Aluminium oder Ytterbium verwendet. 

Das Atom wird in einer Vakuumkammer so still wie möglich in der Schwebe gehalten und auf fast auf dem absoluten Nullpunkt (-273,15 Grad Celsius) gekühlt. Ein Laser bestrahlt das Ion mit der exakten Frequenz, in der das Elektron darin in einen höheren Energiezustand übergeht. Diese Frequenz ist das „Pendel“ der Uhr, das den Takt vorgibt. Die Uhr wird „optisch“ genannt, weil die Frequenz, mit der der Laser strahlt, im Bereich sichtbarer Lichtwellenlängen liegt. 

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Für das Experiment wurde das Atom mit dem Laser aber in eine Quanten-Superposition gebracht. Das heißt, es wird mit einer Frequenz bestrahlt, mit der die Elektronen in eine Art „Übergangsbereich“ gehen und gleichzeitig angeregt und nicht angeregt sind. Der Zustand der Elektronen treibt das Atom an und es schwingt dadurch gleichzeitig schnell und langsam. Dann wird der Laser ausgeschaltet und das Atom bleibt in der Superposition - die sogenannte Dunkelphase.

Anschließend wird der Laser wieder eingeschaltet und fragt damit den Zustand des Atoms ab. Dann entscheidet es sich für einen der beiden Zustände. Das wird sehr häufig wiederholt, um zu messen, wie häufig sich das Atom für „schnell“ oder „langsam“ entscheidet. So erhält man ein Verhältnis, z.B. 60 zu 40. Überprüft wird das Ergebnis indem man den Versuchsaufbau leicht verändert, z.B. durch eine längere Dunkelphase. Dann müsste das Ergebnis abweichen, z.B. 70 zu 30. 

Quantenunschärfe eliminieren

Auch wenn man versucht das Ion im Vakuum still zu halten, existiert immer ein unvermeidbares Quantenzittern bzw. die Quantenunschärfe. Grund dafür ist die Heisenbergsche Unschärferelation. Demnach lassen sich nicht 2 Eigenschaften eines Quantensystems gleichzeitig präzise messen. Man kann also entweder den Ort oder die Geschwindigkeit eines Teilchens messen, aber nie beides gleichzeitig. 

Für den Versuchsaufbau im Ionenkäfig ist es nur wichtig, dass die Forscher die Geschwindigkeit des Ions kennen, sein genauer Ort ist egal. Damit die Geschwindigkeit genau gemessen werden kann, wird eine Technik angewandt, die man z.B. auch beim Erfassen von Gravitationswellen nutzt: das Quetschen. Dabei wird das Atom mit Lichtenergie so beeinflusst, dass man die Unschärfe verschiebt: Während der genaue Ort unklar ist, lässt sich die Geschwindigkeit genau bestimmen. 

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Geschwindigkeit mit Laser gemessen

Man könnte sich an dieser Stelle fragen, warum bei einer Geschwindigkeitsmessung der Ort egal sein kann. Das liegt am Versuchsaufbau. Man weiß, das Atom befindet sich im Ionenkäfig und man weiß, dass es dort nicht wild herumflitzt, sondern in einem relativ überschaubaren Radius zittert oder vibriert. Man trifft es also mit dem Laser auf jeden Fall. 

Die Geschwindigkeit wird dann nicht direkt am Atom gemessen: Sie ergibt sich aus der Lichtfrequenz, mit der man es anregt. Der Takt, also die Vibration des Atoms, ergibt sich aus seinen Auswirkungen auf den Laserstrahl.

Präzisere Quanten-Uhren

Damit hat das Team alle Voraussetzungen erarbeitet, um das „Quanten-Zwilling-Paradox“ experimentell nachzuweisen. Ihre theoretischen Überlegungen zeigen, wie das mit aktuell verfügbaren Ionenkäfigen am National Institute of Standards and Technology (NIST) möglich wäre. In einem nächsten Schritt soll das Experiment wirklich durchgeführt werden. 

Das Experiment dient dabei nicht nur der Erforschung von Quantentheorien. Sobald Atomuhren wie Ionenkäfige ein kritisches Level an Präzision erreicht haben, müssen Quanteneffekte, wie die Zeitdilatation, einkalkuliert werden. Damit würden extrem genaue Zeitmessungen möglich, die unter anderem Satellitennavigation viel exakter machen könnten.