Seit Einsteins Arbeiten wird die Gravitation als eine Verzerrung der Raumzeit interpretiert, die durch Masse verursacht wird. Parallel dazu beschreibt die Quantenmechanik Wechselwirkungen auf subatomarer Ebene durch Quanten, wie das Photon für die elektromagnetische Kraft. Die Hypothese eines Gravitons, eines vermittelnden Teilchens der Schwerkraft, bleibt aufgrund der extrem schwierigen Nachweismöglichkeiten spekulativ.
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In den 1950er Jahren stellte sich Richard Feynman ein Gedankenexperiment vor, bei dem ein Objekt, wie ein Apfel, in eine Quantensuperposition versetzt wird und gleichzeitig in mehreren Zuständen existiert. Er schätzte, dass wenn dieses Objekt gravitativ mit einem anderen interagieren würde, dies die Quantennatur der Gravitation demonstrieren würde. Dieser Vorschlag hat lange Zeit die Forschung zur Vereinheitlichung der Theorien geleitet.
Joseph Aziz und Richard Howl von der Universität London haben kürzlich diese Auffassung erschüttert. Ihre Berechnungen deuten darauf hin, dass Quantenverschränkung zwischen Objekten selbst dann auftreten kann, wenn die Gravitation klassisch ist, ohne dass Gravitonen benötigt werden. Sie erwähnen virtuelle Materieprozesse, die durch Wechselwirkung mit dem Gravitationsfeld diese Verschränkung ermöglichen. Ihr Ansatz erweitert die Perspektiven auf fundamentale Wechselwirkungen.
In diesem Modell spielen virtuelle Teilchen, obwohl kurzlebig, eine Schlüsselrolle, indem sie die Verschränkung über klassische Gravitation ermöglichen. Diese temporären Entitäten, die durch Quantenprinzipien erlaubt sind, erzeugen Korrelationen zwischen den Objekten und imitieren teilweise die Effekte einer Quantengravitation. Allerdings ist die Stärke dieser Korrelationen geringer, was helfen könnte, die beiden Szenarien in zukünftigen Experimenten zu unterscheiden.
Die praktische Umsetzung von Feynmans Experiment stellt eine erhebliche technische Herausforderung dar, da Superpositionszustände hochgradig anfällig für Dekohärenz sind. Forschungsgruppen im Vereinigten Königreich, in Österreich und anderswo versuchen, diese Hindernisse zu überwinden, aber die Fortschritte sind langsam. Die Machbarkeit hängt von der Isolierung der Quantensysteme von externen Störungen ab, eine anspruchsvolle Aufgabe mit derzeitigen Technologien.
Die Ergebnisse von Aziz und Howl, veröffentlicht in Nature, bieten innovative Ansätze, um die Verbindungen zwischen Gravitation und Quanten zu erforschen. Obwohl sie die Möglichkeit einer Quantengravitation nicht ausschließen, beleuchten sie alternative Mechanismen der Verschränkung und bereichern die wissenschaftliche Debatte über die Harmonisierung der physikalischen Gesetze.
Die Quantensuperposition
Die Quantensuperposition ist ein grundlegendes Prinzip, bei dem ein Teilchen oder System gleichzeitig in mehreren Zuständen existiert, bis eine Messung durchgeführt wird. Dieser Zustand wird durch eine Wellenfunktion beschrieben, die die Wahrscheinlichkeiten der verschiedenen möglichen Konfigurationen darstellt. Zum Beispiel kann ein Elektron einen Spin gleichzeitig 'hoch' und 'runter' haben, und erst zum Zeitpunkt der Beobachtung realisiert sich eine der Möglichkeiten. Dieses Phänomen widerspricht der klassischen Intuition, bei der Objekte zu jedem Zeitpunkt wohldefinierte Eigenschaften haben.
Die Idee der Superposition geht auf die Anfänge der Quantenmechanik zurück, mit Experimenten wie Schrödingers Katze, die die mit diesem Zustand verbundenen Paradoxa veranschaulicht. In der Praxis werden Superpositionen in isolierten Systemen beobachtet, wie kalten Atomen oder supraleitenden Schaltkreisen. Sie ermöglichen Anwendungen wie Quantencomputing, bei dem Qubits diese Eigenschaft für parallele Berechnungen nutzen. Allerdings erfordert die Aufrechterhaltung der Superposition eine sehr kontrollierte Umgebung, um Dekohärenz zu vermeiden.
Dekohärenz tritt auf, wenn das Quantensystem mit seiner Umgebung interagiert, was zum Kollabieren der Wellenfunktion und zum Verlust der Superposition führt. Dieser Prozess erklärt, warum makroskopische Objekte, wie ein Apfel, im Alltag nicht in superponierten Zuständen zu sein scheinen. Physiker arbeiten daran, diese Wechselwirkungen in Laboren zu minimieren, indem sie Kühl- und Isolierungstechniken verwenden, um Quantenzustände länger zu erhalten.
Das Verständnis der Superposition ist entscheidend für Fortschritte in Bereichen wie Quantenkryptographie und ultrapräzisen Sensoren. Es ebnet den Weg für neue Technologien und wirft gleichzeitig philosophische Fragen über die Natur der Realität auf. Die Forschung geht weiter, um die Grenzen dieses Phänomens und seine Rolle im Universum auf verschiedenen Skalen zu erkunden.
Die Rolle virtueller Teilchen
Virtuelle Teilchen sind konzeptuelle Entitäten in der Quantenphysik, die kurzzeitig während Wechselwirkungen auftauchen, ohne eine dauerhafte Existenz zu haben. Sie sind durch die Heisenbergsche Unschärferelation erlaubt, die Energiefluktuationen über sehr kurze Zeiträume zulässt. Im Rahmen der Quantenfeldtheorie vermitteln diese Teilchen die fundamentalen Kräfte, wie den Elektromagnetismus, bei dem virtuelle Photonen die Wechselwirkung zwischen elektrischen Ladungen ermöglichen.
Im Gegensatz zu realen Teilchen können virtuelle nicht direkt nachgewiesen werden, da sie den Erhaltungssätzen für Energie und Masse über längere Zeiträume nicht gehorchen. Ihre Präsenz erklärt Phänomene wie den Casimir-Effekt, bei dem sie eine anziehende Kraft zwischen zwei nahen Metallplatten erzeugen. Sie erklären auch bestimmte Eigenschaften des Quantenvakuums, das nicht leer, sondern mit permanenten Fluktuationen gefüllt ist.
Was die Gravitation betrifft, wären, wenn sie quantisiert wäre, virtuelle Gravitonen für die Vermittlung der Wechselwirkung verantwortlich. Jüngste Arbeiten deuten jedoch darauf hin, dass selbst mit einer klassischen Gravitation ähnliche Effekte wie Verschränkung auftreten können. Diese virtuellen Teilchen interagieren mit den Quantenfeldern der Objekte und erzeugen Korrelationen, ohne Gravitonen zu benötigen. Dies erweitert die Möglichkeiten der Wechselwirkung in einem nichtquantischen Rahmen.
Die Erforschung virtueller Teilchen hilft, tiefgreifende Aspekte der Physik zu verstehen, wie die Hawking-Strahlung oder dunkle Materie. Obwohl konzeptionell, haben sie praktische Auswirkungen auf die Entwicklung neuer Theorien und Technologien. Die Forschung wird fortgesetzt, um ihre Natur und ihren Einfluss auf das beobachtbare Universum besser zu erfassen.