物理学家用量子力学双子悖论对爱因斯坦进行了测试

孪生悖论的量子力学变体的图示。

乌尔姆最著名的儿子爱因斯坦（Albert Einstein）被视为现代物理学的奠基人之一。特别是，他的广义相对论和狭义相对论，以及他对量子力学的基本贡献，至今仍具有重要意义。然而，他一世纪的天才在他的一生中都因量子力学的哲学后果而苦苦挣扎。

来自爱因斯坦故乡乌尔姆（Ulm）和汉诺威（Hannover）的物理学家已经面临研究相对论和量子力学相交的挑战。为此，他们借鉴了著名的孪生悖论，这是相对论的直接结果。在《科学进展》杂志上，研究人员现已为测试孪生悖论的量子力学变体的实验发表了理论基础。汉诺威目前正在建造的10米高的原子喷泉特别适合实现该实验。

汉诺威莱布尼兹大学正在建造原子干涉仪。

物理学的基本挑战之一是爱因斯坦相对论和量子力学理论的和解。批判性地质疑现代物理学的这两个支柱的必要性，例如源于宇宙中极高能量的事件，到目前为止，一次只能用一种理论来解释，而不能同时用两种理论来解释。因此，世界各地的研究人员正在寻找与量子力学和相对论定律的偏差，这可能会为物理学的新领域开辟见解。

在手头的出版物中，乌尔姆大学和汉诺威莱布尼兹大学的科学家采用了爱因斯坦狭义相对论所知的孪生悖论。这个思想实验围绕一对双胞胎：当一个兄弟进入太空时，另一个仍然留在地球上。因此，在一定的时间段内，双胞胎在空间中沿着不同的路径运动。两人再次见面时的结果令人震惊：这对一直在太空旅行的双胞胎的年龄要比他的哥哥在家里的年龄要小得多。爱因斯坦对时间膨胀的描述解释了这种现象：根据速度和两个重力钟在重力场中的相对位置，它们会以不同的速率滴答。

对于《科学进展》上的出版物，作者假设孪生悖论的量子力学变体只有一个“孪生”。由于量子力学的叠加原理，这种“孪生”可以同时沿着两条路径运动。在研究人员的思想实验中，双胞胎用原子钟表示。‘这样的时钟利用原子的量子特性来高精度地测量时间。因此，原子钟本身就是一个量子力学的物体，由于叠加原理，它可以同时在两条路径上穿越时空。乌尔姆量子物理研究所的研究助理Enno Giese博士解释说，我们与汉诺威的同事一起研究了如何通过实验实现这种情况。为此，研究人员提出了一种基于量子物理模型的实验方案。

带有磁屏蔽的原子喷泉的真空室。

汉诺威莱布尼兹大学目前正在建造的10米高的“原子喷泉”在这项工作中起着至关重要的作用。在这种原子干涉仪中，并通过使用诸如原子钟之类的量子对象，研究人员可以测试相对论效应，包括引起孪生悖论的时间膨胀。‘在实验中，我们将原子钟发送到干涉仪中。关键的问题是：汉诺威莱布尼兹大学量子光学研究所的Sina Loriani解释说，在什么条件下可以在实验后测量时差，毕竟时钟在两个路径上同时移动。

乌尔姆和汉诺威的物理学家在理论上的初步工作非常有前途：如前所述，他们为原子干涉仪开发了量子物理模型，该模型将激光与原子之间的相互作用以及原子的运动考虑在内，同时还考虑了相对论校正。‘借助该模型，我们可以描述一个“滴答”原子钟，该原子钟在空间叠加中沿两条路径同时移动。此外，我们证明了原子干涉仪，例如汉诺威正在建造的干涉仪，可以测量特殊相对论时间膨胀对原子钟的影响。

基于他们的理论考虑，研究人员已经可以假设单个原子钟的行为与孪生悖论所预测的相同：因此，在这种特殊情况下，相对论和量子力学的确可以调和。但是，在此特定情况下，似乎无法验证其他小组所假定的引力影响。

理论上描述的实验有望在几年后在汉诺威的新型原子干涉仪中进行测试。实际上，科学家的发现可能有助于改进基于原子干涉仪的应用，例如导航或加速度和旋转测量。乌尔姆和汉诺威的物理学家进行的研究是QUANTUS项目和DQ-mat合作研究中心（汉诺威）的结果。最近，量子物理研究所所长Wolfgang Schleich教授成功地为德国航空航天中心（Deutsches ZentrumfürLuft- und Raumfahrt）建立了一个新研究所。DLR）前往乌尔姆（Ulm）。新成立的DLR QT研究所致力于发展空间应用量子技术，并将继续与汉诺威同时成立的姊妹研究所DLR SI一起开展工作。

在乌尔姆大学，量子技术是指定的战略发展领域之一。在集成量子科学与技术中心（IQST），来自乌尔姆（Ulm）和斯图加特（Stuttgart）的跨学科研究人员将量子技术物理学的发现转化为实践：他们开发了新颖的传感器并优化了成像过程，等等。在这种背景下，乌尔姆大学建立了量子生物科学的新研究领域。

阅读《量子悖论实验》使爱因斯坦接受测试，并可能为该实验提供更多准确的时钟和传感器。

参考：“时钟干扰：量子孪生悖论”，作者：新浪·洛里安尼，亚历山大·弗里德里希，克里斯蒂安·乌弗雷希特，法比奥·迪·泵浦，斯蒂芬·克莱纳特，斯文·阿本德，纳赛尔·加洛尔，克里斯蒂安·迈纳斯，克里斯汀·舒伯特，多萝西·泰尔，埃蒂安·沃迪，马格达莱纳·齐奇，沃尔夫冈·埃特默，艾伯特·罗拉，丹尼斯Schlippert，Wolfgang P.Schleich，Ernst M.Rasel和Enno Giese，2019年10月4日，科学进展。
10.1126 / sciadv.aax8966