• Friday March 22,2019

Black Holes Bolster Case für die gruselige Action der Quantenphysik

Mit Hilfe zweier extrem heller Quasare, die sich mehr als 7 Milliarden Lichtjahre entfernt befinden, haben die Forscher kürzlich die Argumentation für Quantenverschränkung - ein Phänomen, das Einstein als "gruselige Fernwirkung" bezeichnet hat, durch die Beseitigung einer klassischen Alternative untermauert -Wahllücke.

Quantenverbindung

Eine der faszinierendsten Facetten der Quantenmechanik ist die Idee der Quantenverschränkung. Dies ist der Fall, wenn zwei Teilchen untrennbar miteinander verbunden sind, unabhängig von ihrer Trennung. Obwohl diese verschränkten Teilchen nicht physisch miteinander verbunden sind, können sie dennoch Informationen sofort miteinander austauschen, was scheinbar eine der strengsten Regeln der Physik verletzt: Keine Information kann schneller als die Lichtgeschwindigkeit übertragen werden.

Die Idee der Quantenverschränkung hat sich im Laufe der Jahre immer wieder bewiesen. Wenn Forscher zwei verschränkte Partikel erzeugen und ihre Eigenschaften unabhängig messen, stellen sie fest, dass das Ergebnis einer Messung die beobachteten Eigenschaften des anderen Partikels beeinflusst.

Was aber, wenn die scheinbare Beziehung zwischen Partikeln nicht auf Quantenverschränkung zurückzuführen ist, sondern auf ein verborgenes klassisches Gesetz der Physik zurückzuführen ist? Der Physiker John Bell beschäftigte sich 1964 mit dieser Frage, indem er eine theoretische Grenze berechnete, ab der Korrelationen nur durch Quantenverschränkung erklärt werden können, nicht durch klassische Physik. Aber wie so oft gibt es Schlupflöcher.

Wahlfreiheit?

Eine der störrischsten dieser Schlupflöcher ist die sogenannte „Freiheit der Wahl“, die darauf hindeutet, dass eine versteckte klassische Variable Einfluss darauf nehmen kann, wie ein Experimentator sich dazu entscheidet, scheinbar verwickelte Teilchen zu messen. Dies führt dazu, dass die Teilchen auch dann quantenmäßig korreliert erscheinen, wenn sie es nicht sind.

Um die Auswirkung der Entscheidungsfreiheit einzuschränken, verwendeten die Autoren der neuen Studie extrem entfernte Quasare (außergewöhnlich helle und energetische galaktische Kerne), um zu entscheiden, welche Eigenschaften der verschränkten Teilchen zu messen sind. Indem die Forscher das Quasarlicht "auswählen", welche Eigenschaften es messen soll, haben die Forscher die Wahllücke aus dem Experiment herausgenommen. Dies liegt daran, dass sich die Quasare 7, 8 und 12, 2 Milliarden Lichtjahre entfernt befinden, sodass das beobachtete Licht Milliarden von Jahren emittiert wurde, bevor die Forscher das Experiment überhaupt erst in Betracht zogen.

„Wenn eine Verschwörung auftritt, um die Quantenmechanik durch einen Mechanismus zu simulieren, der eigentlich klassisch ist, hätte dieser Mechanismus seine Operationen beginnen müssen - irgendwie weiß man genau, wann, wo und wie dieses Experiment durchgeführt werden sollte - mindestens 7, 8 Milliarden Jahre “, sagte der Mitautor Alan Guth, Physik-Professor am MIT, in einer Pressemitteilung. "Das erscheint unglaublich unplausibel, daher haben wir sehr gute Beweise dafür, dass die Quantenmechanik die richtige Erklärung ist."

Laut Guth liegt die Wahrscheinlichkeit, dass ein klassischer Prozess ihre Ergebnisse erklären könnte, bei etwa 1: 100 Milliarden.

"Die Erde ist ungefähr 4, 5 Milliarden Jahre alt. Daher würde ein alternativer Mechanismus - anders als die Quantenmechanik -, der unsere Ergebnisse durch Ausnutzung dieser Lücke erzielt haben könnte, schon lange vor der Entstehung eines Planeten Erde vorhanden sein", fügt er hinzu Co-Autor David Kaiser von MIT. "Also haben wir alternative Erklärungen in die kosmische Geschichte zurückgebracht."

Rot gegen Blau

Zur Durchführung der Studie nutzte das Team zwei 4 Meter breite Teleskope - das William Herschel Telescope und das Telescopio Nazionale Galileo -, die auf einem Berg in La Palma, Spanien, einen Kilometer voneinander entfernt sind. Beide Teleskope wurden auf verschiedenen, Milliarden Lichtjahre entfernten Quasaren trainiert.

Währenddessen erzeugten die Forscher an einer Station zwischen diesen beiden Teleskopen Paare scheinbar miteinander verflochtener Photonen - oder Lichtteilchen - und strahlten ein Mitglied jedes Paares zu einem Detektor an jedem Teleskop. Während die verschränkten Photonen zu den Detektoren wanderten, analysierten die Teleskope das Licht der Quasare und stellten fest, ob das Licht mehr Rot oder mehr Blau als eine Grundlinie war.

Abhängig von der Messung stellten die verschränkten Photonendetektoren automatisch den Winkel ihrer Polarisatoren ein. Hierbei handelt es sich um Geräte, die die Ausrichtung der elektrischen Photonenfelder messen. Dies erlaubte den Forschern zu testen, ob die Photonenpaare wirklich miteinander verbunden waren oder ob sie es nur vorgetäuscht hatten.

Im Verlauf von zwei 15-minütigen Experimenten (jeweils mit zwei verschiedenen Quasarpaaren) maßen die Forscher über 17.000 bzw. 12.000 Paare verschränkter Photonen. Laut der Studie zeigen die Ergebnisse, dass es äußerst unwahrscheinlich ist, dass ein klassischer Mechanismus für die beobachteten starken Korrelationen zwischen den Photonenpaaren verantwortlich ist. Dies bedeutet, dass die Photonenpaare tatsächlich quantenverschränkt waren.

Der nächste Schritt

Dieses Experiment ist nicht das erste Mal, dass die Lücke in der Entscheidungsfreiheit getestet wurde. Im vergangenen Februar führte das gleiche Forscherteam eine ähnliche Studie durch, bei der 600 Jahre altes Sternenlicht verwendet wurde, um die zu messenden Photoneneigenschaften zu bestimmen. Und obwohl in der neuen Forschung fast acht Milliarden Jahre älteres Licht verwendet wird, bleibt immer noch ein kleines Zeitfenster, in dem die Lücke der Wahlfreiheit durchschlüpfen kann. Um dieses Fenster vollständig zu schließen, planen die Forscher bereits einen weiteren Blick in die kosmische Zeit und konzentrieren sich auf das früheste Licht im Universum - die Photonen aus dem kosmischen Mikrowellenhintergrund.

"Es macht Spaß, über neue Arten von Experimenten nachzudenken, die wir in Zukunft entwerfen können. Wir sind jedoch sehr erfreut, dass wir dieses Schlupfloch so dramatisch angehen konnten", sagte Kaiser. „Unser Experiment mit Quasaren setzt verschiedenen Alternativen zur Quantenmechanik extrem enge Grenzen. So seltsam die Quantenmechanik auch sein mag, sie passt zu jedem experimentellen Test, den wir uns vorstellen können. “

Dieser Artikel erschien ursprünglich auf Astronomy.com .


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