- Unterschiedliche Bezugsrahmen führen zu verschiedenen Wahrnehmungen desselben Ereignisses. Die klassische Physik nutzte Bezugsrahmen für Bewegungsstudien, insbesondere durch Wissenschaftler wie Newton, Galilei und Einstein. In der Quantenphysik wird die Bedeutung von Bezugsrahmen zunehmend erkannt, da sie neue Perspektiven auf Phänomene wie Überlagerung und Verschränkung bieten. Quantenbezugsrahmen könnten neue Einsichten in die Quantengravitation liefern. Das Potenzial von Quantenbezugsrahmen könnte entscheidend sein, um Rätsel der Quantenphysik zu lösen.
Stellen Sie sich vor, Sie stehen auf einem Eisenbahnsteig und beobachten, wie ein Wagen vorbeifährt. Ein Mädchen im Wagen lässt einen leuchtend roten Ball fallen. Für sie fällt der Ball genau senkrecht herunter. Doch von Ihrem Standpunkt auf dem Bahnsteig aus sehen Sie, wie der Ball eine Bogenbahn beschreibt, bevor er auf den Boden des Wagens trifft. Beide nehmen Sie dasselbe Ereignis wahr, jedoch aus verschiedenen Bezugsrahmen: Einer ist an den Wagen gebunden, der andere an den Bahnsteig.
Historische Bedeutung der Bezugsrahmen
Die Idee der Bezugsrahmen hat eine bedeutungsvolle Geschichte in der klassischen Physik. Isaac Newton, Galileo Galilei und Albert Einstein haben sie allesamt für ihre Bewegungsstudien verwendet. Ein Bezugsrahmen ist im Wesentlichen ein Koordinatensystem, eine Methode, um Positionen und Zeiten relativ zu einem Nullpunkt oder “Ursprung” anzugeben, der selbst in Bewegung sein kann. Einstein nutzte Bezugsrahmen, um seine Relativitätstheorien zu entwickeln. Diese offenbarten, dass Raum und Zeit keine festen Bühnen des Universums sind, sondern vielmehr elastische Entitäten, die sich dehnen, schrumpfen und verkrümmen können.
Quantensicht auf Bezugsrahmen
Die Quantenphysik hat Bezugsrahmen größtenteils ignoriert. Alice und Bob, fiktive Beobachter in vielen Experimenten der Quantenphysik, haben typischerweise unterschiedliche physikalische Standorte. Dennoch wird angenommen, dass sie einen gemeinsamen Bezugsrahmen teilen. Doch dies ändert sich jetzt. Quantenphysiker erkennen, dass sie nicht ignorieren können, dass der Bezugsrahmen, an den Alice gebunden ist (vergleichbar mit dem Wagen oder dem Bahnsteig), möglicherweise viele Orte gleichzeitig einnehmen kann. Oder dass die Uhr, die Bob zur Zeitmessung verwendet, der Quantensicherheit unterliegen könnte.
„Im Quantenbereich sollten die Bezugsrahmen [auch] durch die Formalismen der Quantenmechanik beschrieben werden“, sagte ein theoretischer Physiker an der ETH Zürich. In einer Studie wurde gezeigt, dass Quantenbezugsrahmen eine neue Perspektive auf lang erforschte Quantenphänomene wie Überlagerung und Verschränkung bieten. Diese Entdeckungen bringen die Forscher zu der Vermutung, dass Quantenbezugsrahmen helfen können, einige der merkwürdigen Paradoxe zu lösen, die in quantenmechanischen Gedankenexperimenten auftreten.
Neue Horizonte durch Quantengravitation
Noch ehrgeiziger hoffen Physiker, dass das Durchdenken der Logik von Quantenbezugsrahmen neue Einsichten über die Quantengravitation liefern könnte—ein Forschungsprogramm, das versucht, die Gravitation in das gleiche theoretische Gefüge wie die anderen fundamentalen Kräfte zu integrieren. Mit diesem neuen Vorstoß in Quantenbezugsrahmen, erklärt ein Forscher, „stehen wir erst am Anfang von etwas sehr Großem.“
Die Einführung von Quantenbezugsrahmen fordert uns dazu auf, unser Denken über zwei wesentliche Quantenmerkmale—Überlagerung und Verschränkung—zu ändern. Stellen Sie sich zwei Bezugsrahmen vor; wir benennen sie A und B. Angenommen, der Ursprung von A ist an ein Quantenobjekt gebunden, das mit Wahrscheinlichkeiten an verschiedenen Stellen zu finden ist. Aus der Sicht von B ist die Position von A über eine Region verschmiert. Doch aus der Sicht von A ist der Abstand zu B verschwommen.
Ein neuer Blickwinkel für die Zukunft
Die Möglichkeit, den Bezugsrahmen zu wechseln, eröffnet faszinierende Perspektiven für das Verständnis der kräftezehrenden Natur der Gravitation. Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie—einer klassischen Gravitationstheorie—ist Gravitation die Verkrümmung der Raum-Zeit-Faser durch ein massives Objekt. Doch wie wird sich die Raum-Zeit verkrümmen, wenn das Objekt selbst sich in einer Überlagerung zweier Positionen befindet? Das ist mit den üblichen Ansätzen der Quantenphysik und Gravitation schwer zu beantworten. Ein Wechsel in einen Bezugsrahmen, dessen Ursprung sich selbst in einer Überlagerung befindet, könnte letztlich dabei helfen, die Szenarien so aufzubereiten, dass sie mit bekannter Physik gelöst werden können.
Diese Perspektiven machen deutlich, dass Quantenbezugsrahmen ein Schlüsselelement bei der Entmystifizierung der Quantenwelt darstellen könnten. Zwar gibt es noch ungelöste Probleme, etwa bei der Definition und Umrechnung zwischen verschiedenen Quantenbezugsrahmen, doch das Potenzial der Bezugsrahmen könnte sich als entscheidend erweisen, um die Rätsel der Quantenphysik zu lösen.
