Wie die Zwillings-Paradoxon zu testen, ohne ein Raumschiff (Op-Ed)

Dieser Artikel erschien ursprünglich in The Conversation. Die Publikation beigetragen Artikel Leben Wissenschaft Experten stimmen: Op-Ed & Einblicke.

Vergessen Sie Anti-Aging-Cremes und Haarkuren. Wenn Sie jung bleiben möchten, erhalten Sie ein schnelles Raumschiff. Das ist, was vor einem Jahrhundert Einsteins Relativitätstheorie vorhergesagt, und es ist allgemein bekannt als "Zwillings-Paradoxon".

Stellen Sie sich zwei Einzelbetten. Sie sind identisch, außer einer Sache, einer von ihnen hat eine sehr fortschrittliche und teure Raumschiff. Der erste Zwilling bleibt auf der Erde, während die anderen Reisen zu einem fernen Stern und zurück bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit.

Wenn sie sich wieder treffen, hat die Erde-Wohnung Twin viel mehr als der Reisende Zwilling im Alter. Dies nennt man wegen was Einstein Zeitdilatation. Er sagte voraus, dass Uhren erleben unterschiedliche Beschleunigungen mal anders messen. Rätselhaft, wie es scheinen mag, diese Zeitdilatation Effekte wurden im Labor oft getestet und werden regelmäßig durch das Global Positioning System (GPS) berücksichtigt.

Das GPS ist in der Lage, Sie mit Ihrer Position durch Timing sehr genau die Signale von Satelliten ausgestrahlt, und zu diesem Zweck muss die Zeitdilatation durch die unterschiedlichen Beschleunigungen der Satelliten berücksichtigen. Während GPS eines der präzisesten Systeme, die wir haben ist, finden sie Ihr Smartphone mit einer Fehlerquote von wenigen Metern.

Die Präzision könnte verbessert werden, mithilfe der genauesten Uhren, die wir kennen auf der Erde, bekannt als Quanten-Uhren, weil sie durch die Gesetze der Quantenmechanik beherrscht werden. Es gibt Pläne Raumfahrtagenturen finanziert, diese Uhren in den Orbit zu starten. Es ist natürlich zu denken, dass ein GPS-Gerät, bestehend aus Quanten-Uhren auch Konto relativistische Effekte berücksichtigen müssten. Allerdings verstehen wir nicht vollständig, Quantenmechanik und Relativitätstheorie verbinden. Die Unfähigkeit der Vereinigung beider Theorien bleibt als eine der größten Herausforderungen der modernen Wissenschaft.

Quantenverschränkung

Vorhersagen in den 1970er Jahren gesagt, es ist ein physikalisches Phänomen, das sowohl Quantum ist und relativistische die dynamische Casimir-Effekt bezeichnet. Aber es war nicht bis 2011, dass ein Versuchsaufbau entwickelt werden könnte, um die Vorhersage zu testen.

Hier ist, was die Theorie vorausgesagt: Wenn Licht ist gefangen zwischen den spiegeln, die bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen, dann sie mehr Licht erzeugt als im System vorhanden ist. Auch wenn zunächst gibt es kein Licht zwischen den spiegeln, nur Vakuum, Lichtshows weil der Spiegel das Quantenvakuum in Partikel verwandelt.

Dies soll geschehen, weil Vakuum auf der Quantenebene ist wie ein Meer aus Paaren von Teilchen, die ständig emittieren und absorbieren Licht. Sie tun dies bei unglaublichen Geschwindigkeiten, sondern bewegt sich, wenn der Spiegel, dass auch schnell einige dieser Partikel von den Spiegel, bevor er verschwand reflektiert werden und beobachtet werden. Aber ein solches System einrichten erwies sich als schwierig.

Im Jahr 2011 wurde diese Schwierigkeit in der von pro Delsing bei Chalmers University of Technology in Schweden durchgeführte Experiment umgangen. In diesem Fall waren die Spiegel unterschiedlich. Sie waren Magnetfelder im Inneren ein Superconducting Quantum interferometrischen Gerät (Tintenfisch), aber sie benahm sich genau wie Spiegel, die leicht hüpfen hin und her. Im Gegensatz zu physikalischen Spiegel könnte diese Magnetfelder mit unglaublichen Geschwindigkeiten bewegt werden.

Einstein pflegte zu Uhren so leicht hin und her zwischen Spiegel denken. Zeit kann abgeleitet werden, aus der Distanz zwischen den spiegeln, geteilt durch die Lichtgeschwindigkeit, die egal was konstant bleibt. Aber er hätte nie gedacht, über Partikel entstehen durch Bewegung, eine Vorhersage, die viele Jahre nach seinem Tod vorgenommen wurde.

Relativistische Spiegel

In den letzten Arbeiten haben wir mit Kollegen an der University of Nottingham, Chalmers Universität und Universität von Warschau, Inspiration aus dem Experiment 2011 getroffen. Wir schlagen vor, ein ähnliches Setup verwenden, um verschiedene Aspekte der Zwillings-Paradoxon mit Hilfe eines physikalischen Systems zu testen, die bisher nicht getestet worden. Obwohl dabei menschliche Zwillinge werden nicht ermöglicht die Möglichkeit einer enormen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen die Beobachtung der Zeitdilatation in unmittelbarer Nähe.

Darüber hinaus haben alle bisherigen Experimente, die die Theorie getestet haben Atomuhren, beteiligt, die sind "Punkt-Uhren" – das heißt, wann Maßnahmen in diese Atomuhren auf einen winzigen Punkt im Raum beschränkt ist. Unser Experiment würde stattdessen etwas verwenden, endlichen Länge. Dies ist wichtig, weil zusammen mit Zeit, Einsteins Theorie vorhersagt, Länge des Objekts ändert sich zu. Wir glauben, dass unser Experiment würde diesen Aspekt der Theorie zum ersten Mal zu testen.

Wir haben festgestellt, dass Partikelerstellung durch Bewegung, die im Jahr 2011 zu beobachten war, hat einen Einfluss auf die zeitliche Differenz zwischen der Uhr, die verschoben werden und die eine, die statisch ist. Mit diesem Setup während wir können bestätigen, dass Zeitdilatation auftritt, die weitere interessante Anwendung wäre, Build Quantum Uhren, durch ein besseres Verständnis des Zusammenspiels zwischen Quanten- und relativistische Effekte besser zu helfen.

Carlos Sabin erhält Mittel EPSRC.

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