Laserinterferometer des Holometers. (Fermilab) In den kleinsten Raum- und Zeiteinheiten des Universums passiert nicht viel. Bei einer neuen Suche nach Quantenfluktuationen der Raumzeit auf Planck-Skalen haben Physiker herausgefunden, dass alles glatt ist.
Das bedeutet, dass wir – zumindest vorerst – immer noch keine Lösung finden können generelle Relativität mit Quantenmechanik.
Es ist eines der schwierigsten Probleme in unserem Verständnis des Universums.
Die Allgemeine Relativitätstheorie ist die Gravitationstheorie, die Gravitationswechselwirkungen im großräumigen physikalischen Universum beschreibt. Es kann verwendet werden, um Vorhersagen über das Universum zu treffen; Allgemeine Relativitätstheorie vorhergesagt Gravitationswellen , zum Beispiel, und einige Verhalten von Schwarzen Löchern .
Raumzeit unter Relativität folgt dem, was wir das nennen Prinzip der Lokalität - das heißt, Objekte werden nur durch ihre unmittelbare Umgebung in Raum und Zeit direkt beeinflusst.
Im Quantenbereich – auf atomarer und subatomarer Ebene – bricht die allgemeine Relativitätstheorie zusammen und die Quantenmechanik übernimmt die Oberhand. An einem bestimmten Ort oder zu einer bestimmten Zeit passiert nichts im Quantenbereich, bis es gemessen wird, und Teile eines Quantensystems, die durch Raum oder Zeit getrennt sind, können immer noch miteinander interagieren, ein Phänomen, das als bekannt ist Nichtlokalität .
Irgendwie existieren und interagieren die allgemeine Relativitätstheorie und die Quantenmechanik trotz ihrer Unterschiede. Aber bisher ist die Lösung des Unterschiede zwischen den beiden hat sich als äußerst schwierig erwiesen.
Hier kommt das Holometer am Fermilab ins Spiel – ein Projekt unter der Leitung des Astronomen und Physikers Craig Hogan von der University of Chicago. Hierbei handelt es sich um ein Instrument zur Erfassung von Quantenfluktuationen der Raumzeit in den kleinstmöglichen Einheiten – einer Planck-Länge von 10 -33 Zentimeter und Planck-Zeit, wie lange das Licht braucht, um eine Planck-Länge zurückzulegen.
Es besteht aus zwei identischen 40-Meter-Interferometern, die sich an einem Strahlteiler kreuzen. Ein Laser wird auf den Splitter abgefeuert und über zwei Arme zu zwei Spiegeln geschickt, um dort zur Rekombination zum Strahlteiler zurückgeworfen zu werden. Jegliche Schwankungen auf der Planck-Skala bedeuten, dass der zurückkommende Strahl sich von dem emittierten Strahl unterscheidet.
Vor einigen Jahren , hat das Holometer eine Nullerkennung von hin- und hergehenden Quantenjittern in der Raumzeit durchgeführt. Dies deutete darauf hin, dass die Raumzeit selbst, wie wir sie derzeit messen können, nicht quantisiert ist; das heißt, es könnte in diskrete, unteilbare Einheiten oder Quanten zerlegt werden.
Da die Arme des Interferometers gerade waren, konnten keine anderen Arten schwankender Bewegungen erfasst werden, beispielsweise wenn die Schwankungen rotatorisch wären. Und das könnte von großer Bedeutung sein.
„In der Allgemeinen Relativitätstheorie reißt rotierende Materie die Raumzeit mit sich.“ In Gegenwart einer rotierenden Masse dreht sich das lokale nichtrotierende System, gemessen mit einem Gyroskop, relativ zum fernen Universum, gemessen mit entfernten Sternen. Hogan schrieb auf der Fermilab-Website .
„Es könnte durchaus sein, dass die Quantenraumzeit eine Unsicherheit des lokalen Systems auf der Planck-Skala aufweist, was zu zufälligen Rotationsfluktuationen oder Verdrehungen führen würde, die wir in unserem ersten Experiment nicht entdeckt hätten und die viel zu klein sind, um sie in irgendeinem Normalen nachzuweisen.“ Gyroskop.'
Deshalb hat das Team das Instrument neu gestaltet. Sie fügten zusätzliche Spiegel hinzu, um jede rotierende Quantenbewegung erfassen zu können. Das Ergebnis war ein unglaublich empfindliches Gyroskop, das Rotationsdrehungen im Planck-Maßstab erkennen kann, die eine Million Mal pro Sekunde ihre Richtung ändern.
In fünf Beobachtungsläufen zwischen April 2017 und August 2019 sammelte das Team 1.098 Stunden Dual-Interferometer-Zeitreihendaten. In der ganzen Zeit gab es kein einziges Wackeln. Soweit wir wissen, ist die Raumzeit immer noch ein Kontinuum .
Aber damit ist nicht wie bisher das Holometer gemeint empfohlen von einigen Wissenschaftlern ist eine Zeitverschwendung. Es gibt kein vergleichbares Instrument auf der Welt. Die Ergebnisse, die es zurückgibt – egal ob null oder nicht – werden künftige Bemühungen zur Untersuchung der Schnittstelle von Relativitätstheorie und Quantenmechanik auf Planck-Skalen prägen.
„Wir werden vielleicht nie verstehen, wie die Quantenraumzeit ohne eine Messung als Orientierung für die Theorie funktioniert.“ sagte Hogan . „Das Holometer-Programm ist explorativ. Unser Experiment begann mit nur groben Theorien, die als Leitfaden dienten, und wir haben immer noch keine eindeutige Möglichkeit, unsere Nullergebnisse zu interpretieren, da es keine strenge Theorie darüber gibt, wonach wir suchen.
„Sind die Jitter nur etwas kleiner, als wir dachten, oder haben sie eine Symmetrie, die ein Muster im Raum erzeugt, das wir nicht gemessen haben?“ „Neue Technologien werden zukünftige Experimente besser ermöglichen als unsere und uns möglicherweise Hinweise darauf geben, wie Raum und Zeit aus einem tieferen Quantensystem entstehen.“
Die Forschung wurde veröffentlicht am arXiv .