211service.com
Super Physics Smackdown: Relativiteit v Quantum Mechanics…In Space
Een van de grote raadsels van de moderne wetenschap is dat de wetten die het universum op de grootste schaal beheersen, totaal anders zijn dan die op de kleinste schaal.
Dat is vreemd, want al onze intuïtie over het universum is dat het intern consistent zou moeten zijn in plaats van op gespannen voet te staan met zichzelf. Dit is de reden waarom natuurkundigen onlosmakelijk verbonden zijn met het idee dat relativiteit en kwantummechanica manifestaties moeten zijn van een groter en beter idee dat ze allebei omvat.
De verschillen tussen de algemene relativiteitstheorie en de kwantummechanica zijn zo groot dat elke poging om ze met elkaar te verzoenen tot nu toe is mislukt. Deze pogingen waren echter volledig theoretisch en dat geeft ze een beperkt nut.
Natuurkundigen meten bijvoorbeeld routinematig het kwantumfenomeen verstrengeling door verstrengelde fotonenparen van de ene locatie naar de andere te sturen. Bij deze experimenten moeten zender en ontvanger beide de polarisatie van de fotonen meten, bijvoorbeeld verticaal of horizontaal. Maar dat kan alleen als beide partijen weten welke kant het op is.
Dat is eenvoudig aan te geven als ze dicht bij elkaar staan. Maar het wordt veel moeilijker als ze worden gescheiden door afstanden waarover de kromming van de ruimtetijd een rol speelt. Het probleem hier is dat het antwoord dubbelzinnig is en afhangt van het pad dat elk foton door de ruimtetijd neemt.
De onderzoekers kunnen dit achterhalen door het pad van elk foton terug te traceren naar hun gemeenschappelijke bron, als deze bekend is. Maar hoe ‘kent’ elk foton dan het pad dat de ander heeft genomen? Theoretici kunnen alleen maar gissen.
Een ander probleem ontstaat wanneer dit soort experimenten worden gedaan met zender en ontvanger die met relativistische snelheden reizen. Dit introduceert het bekende probleem van het bepalen van de volgorde van gebeurtenissen, dat volgens Einstein afhangt van het gezichtspunt van de waarnemers.
Dat staat in schril contrast met de voorspelling van de kwantummechanica. Hier bepaalt de meting van het ene verstrengelde foton onmiddellijk het resultaat van een toekomstige meting aan het andere, ongeacht de afstand ertussen.
Als de speciale relativiteitstheorie ervoor zorgt dat de volgorde van gebeurtenissen dubbelzinnig is, wat geeft dat dan? Nogmaals, theoretici zijn op een verlies.
De manier om deze vragen te beantwoorden is natuurlijk door ze te testen en te zien.
Vandaag schetsen David Rideout van de Universiteit van Californië, San Diego en een paar vrienden verschillende manieren om deze noten te kraken en ze zeggen dat dit soort experimenten in de nabije toekomst mogelijk zouden moeten zijn.
Dat komt grotendeels omdat de vereiste experimentele uitrusting standaard is in veel optische laboratoria, dus het zou eenvoudig moeten zijn om deze te kwalificeren voor gebruik in de ruimte.
Twee groepen hebben al voorgesteld om dit soort experimenten in de ruimte te doen. De ene groep wil een pakket dat verstrengelde fotonen kan produceren op het internationale ruimtestation ISS plaatsen om terug naar de aarde te stralen. Een ander wil de kwantumapparatuur op de grond houden en fotonen weerkaatsen van een eenvoudige microsatelliet in een lage baan om de aarde, een optie die volgens hen goedkoper, gemakkelijker en beter zal zijn.
Geen van beide groepen heeft een lanceringsdatum in gedachten of zelfs de gegarandeerde fondsen om hun uitrusting te bouwen. Maar dat zou kunnen veranderen, gezien de toenemende belangstelling voor dit gebied en de mogelijkheid dat Chinees werk westerse inspanningen zou kunnen overslaan.
Daarnaast zijn er op langere termijn opties om fotonen van verder weg te stralen, bijvoorbeeld van de maan of interplanetaire ruimtevaartuigen.
Het grotere plaatje is dat om nieuwe fysica te vinden, wetenschappers experimenten tot nieuwe grenzen moeten drijven. Natuurkundigen hebben de algemene relativiteitstheorie niet kunnen testen op de kwantumschaal (dwz de Planck-schaal van 10^-34m). Er worden nu echter pogingen ondernomen om deze schaal te verkennen met behulp van atoominterferometers.
En tot nu toe hebben natuurkundigen de kwantummechanica niet kunnen testen op de schaal van de algemene relativiteitstheorie, omdat de afstanden waarover de kromming van de ruimtetijd significant wordt zo groot zijn. We hebben slechts een paar weken geleden gezien dat het record voor het teleporteren van kwantumobjecten slechts 150 km is, wat te weinig is voor de algemene relativiteitstheorie om zijn magie te bewerken.
Rideout en co zeggen dat dit de komende jaren zal veranderen. De paradoxen van de kwantummechanica werden voor het eerst besproken door Einstein, Bohr en anderen in de jaren twintig en dertig. Maar om verschillende redenen, waaronder blinde vooroordelen tegen dit soort werk, begonnen natuurkundigen ze pas in de jaren zeventig en tachtig experimenteel te testen.
De paradoxen die ontstaan door de ontmoeting van kwantummechanica en relativiteit zijn net zo oud en aantoonbaar dieper. En toch moeten natuurkundigen nog beginnen met een gezamenlijke inspanning om ze experimenteel te onderzoeken.
Hoog tijd om deze brandnetel vast te pakken.
Referentie: arxiv.org/abs/1206.4949 : Fundamentele experimenten met kwantumoptica denkbaar met satellieten die relativistische afstanden en snelheden bereiken