Die Idee der „Theory of Everything“ ist verlockend – dass wir das alles irgendwie erklären könnten. Die Stringtheorie wird seit den 1960er Jahren vorgeschlagen, um die Quantenmechanik und die allgemeine Relativitätstheorie in eine solche Erklärung zu bringen. Der größte Kritikpunkt an der String-Theorie ist jedoch, dass sie nicht testbar ist. Doch nun entdeckte ein Forscherteam unter der Leitung von Wissenschaftlern des Imperial College London unerwartet, dass diese Stringtheorie auch das Verhalten verschränkter Quantenteilchen vorherzusagen scheint. Da diese Vorhersage im Labor getestet werden kann, können die Forscher nun die Stringtheorie testen.
„Wenn Experimente beweisen, dass unsere Vorhersagen über die Quantenverschränkung richtig sind, wird dies zeigen, dass die Stringtheorie ‚funktioniert‘, um das Verhalten verschränkter Quantensysteme vorherzusagen“, sagte Professor Mike Duff, Hauptautor der Studie.
Die Stringtheorie wurde ursprünglich entwickelt, um die fundamentalen Teilchen und Kräfte zu beschreiben, aus denen unser Universum besteht, und ist ein beliebter Anwärter unter Physikern, um uns zu ermöglichen, das, was wir über das unglaublich Kleine aus der Teilchenphysik wissen, mit unserem Verständnis des sehr Großen in Einklang zu bringen unser Studium der Kosmologie. Die Verwendung der Theorie zur Vorhersage des Verhaltens verschränkter Quantenteilchen bietet die erste Möglichkeit, die Stringtheorie experimentell zu überprüfen.
Aber – zumindest vorerst – werden die Wissenschaftler nicht bestätigen können, dass die Stringtheorie tatsächlich der Weg ist, all das zu erklären, nur wenn sie tatsächlich funktioniert.
„Dies wird kein Beweis dafür sein, dass die Stringtheorie die richtige ‚Theorie von allem‘ ist, die von Kosmologen und Teilchenphysikern gesucht wird“, sagte Duff. „Allerdings wird es für Theoretiker sehr wichtig sein, weil es zeigen wird, ob die Stringtheorie funktioniert oder nicht, auch wenn ihre Anwendung in einem unerwarteten und nicht verwandten Gebiet der Physik liegt.“
Die Stringtheorie ist eine Gravitationstheorie, eine Erweiterung der Allgemeinen Relativitätstheorie, und die klassische Interpretation von Strings und Branes ist, dass sie quantenmechanisch vibrierende, ausgedehnte geladene Schwarze Löcher sind. Die Theorie geht davon aus, dass die Elektronen und Quarks innerhalb eines Atoms nicht 0- dimensionale Objekte, aber 1-dimensionale Strings. Diese Saiten können sich bewegen und vibrieren und geben den beobachteten Partikeln ihren Geschmack, Ladung, Masse und Spin. Die Strings bilden geschlossene Schleifen, es sei denn, sie treffen auf Oberflächen, sogenannte D-Branes, wo sie sich zu eindimensionalen Linien öffnen können. Die Endpunkte der Schnur können die D-Brane nicht abbrechen, aber sie können darauf herumrutschen.
Duff sagte, er säße auf einer Konferenz in Tasmanien, wo ein Kollege die mathematischen Formeln vorstellte, die die Quantenverschränkung beschreiben, als ihm etwas klar wurde. „Ich erkannte plötzlich, dass seine Formeln denen ähnlich waren, die ich ein paar Jahre zuvor entwickelt hatte, als ich die Stringtheorie zur Beschreibung von Schwarzen Löchern benutzte. Als ich nach Großbritannien zurückkehrte, überprüfte ich meine Notizbücher und stellte fest, dass die Mathematik aus diesen sehr unterschiedlichen Bereichen tatsächlich identisch war.“
Duff und seine Kollegen stellten fest, dass die mathematische Beschreibung des Verschränkungsmusters zwischen drei Qubits der mathematischen Beschreibung einer bestimmten Klasse von Schwarzen Löchern in der Stringtheorie ähnelt. Durch die Kombination ihres Wissens über zwei der seltsamsten Phänomene im Universum, Schwarze Löcher und Quantenverschränkung, erkannten sie, dass sie die Stringtheorie verwenden konnten, um eine Vorhersage zu treffen, die getestet werden konnte. Mithilfe der Stringtheorie-Mathematik, die Schwarze Löcher beschreibt, sagten sie das Verschränkungsmuster voraus, das auftritt, wenn vier Qubits miteinander verschränkt sind. (Die Antwort auf dieses Problem wurde bisher noch nicht berechnet.) Obwohl es technisch schwierig ist, könnte das Verschränkungsmuster zwischen vier verschränkten Qubits im Labor gemessen und die Genauigkeit dieser Vorhersage getestet werden.
Die Entdeckung, dass die Stringtheorie Vorhersagen über die Quantenverschränkung zu treffen scheint, ist völlig unerwartet, aber da die Quantenverschränkung im Labor gemessen werden kann, bedeutet dies, dass Forscher endlich Vorhersagen auf der Grundlage der Stringtheorie testen können.
Aber, sagte Duff, es gibt keinen offensichtlichen Zusammenhang, um zu erklären, warum eine Theorie, die entwickelt wird, um die grundlegende Funktionsweise unseres Universums zu beschreiben, nützlich ist, um das Verhalten verschränkter Quantensysteme vorherzusagen. „Dies sagt uns vielleicht etwas sehr Tiefes über die Welt, in der wir leben, oder es kann nur ein skurriler Zufall sein“, sagte Duff. 'So oder so, es ist nützlich.'
Quelle: Imperial College London