Abstract Interferenzexperimente mit Neutronen und Atomen sind die bisher einzigen Laborversuche, die die Kopplung quantenmechanischer Materie an die Gravitation und an die Trägheit nachweisen. Hierbei ist die Atominterferometrie durch ihre hohe Genauigkeit und durch ihre theoretische und experimentelle Klarheit ausgezeichnet. In dieser kurzen Übersicht werden die bisher durchgeführten Experimente beschrieben, und es wird auch auf Vorschläge für weitere Experimente eingegangen. Die Bedeutung dieser Experimente für die Gravitationstheorie im Quantenbereich wird kurz diskutiert.
Abstract Interferenzexperimente mit Neutronen und Atomen sind die bisher einzigen Laborversuche, die die Kopplung quantenmechanischer Materie an die Gravitation und an die Trägheit nachweisen. Hierbei ist die Atominterferometrie durch ihre hohe Genauigkeit und durch ihre theoretische und experimentelle Klarheit ausgezeichnet. In dieser kurzen Übersicht werden die bisher durchgeführten Experimente beschrieben, und es wird auch auf Vorschläge für weitere Experimente eingegangen. Die Bedeutung dieser Experimente für die Gravitationstheorie im Quantenbereich wird kurz diskutiert.
Quantenmechanik und allgemeine Relativitätstheorie sind zwei grundsätzlich verschiedene physikalische Theorien, welche unabhängig voneinander mit sehr hoher Präzission experimentell geprüft wurden. Die Theorie der Quantenmechanik beschreibt Naturprozesse auf kleinen Skalen während die allgemeine Relativitätstheorie Beschreibungen auf großen Skalen ermöglicht. Jedoch ist es auch nach einem Jahrhundert intensiver Forschung nicht gelungen, ein Zusammenspiel dieser verschiedenen Theorien experimentell zu erforschen. Die andauernde Suche nach einer vereinheitlichten Theorie, welche alle bekannten Naturkräfte vereint, wird durch diese fehlende experimentelle Führung erheblich erschwert. Selbst Prozesse in denen die Quantenmechanik ihre Anwedung findet und die Gravitation klassisch beschrieben wird, wurden noch nicht im Labor überprüft. Diese Arbeit untersucht verschiedene Möglichkeiten, um die Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie auf dem Niveau einzelner Photonen zu testen. Diese Quantensysteme prüfen sowohl den Einfluss von gravitativen als auch nicht-inertialen Bewegungen auf Interferenz-Effekte durch den Einsatz verschiedener Interferometer deren Arme verschiedenen gravitativen und zentripetalen Potentialen unterliegen. Diese Potentialunterschiede erlauben es, je nach experimenteller Anordnung, das Äquivalenzprinzip zwischen träger/schwerer Masse und Energie zu überprüfen, was den Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit darstellt. Zu diesem Zweck werden, nach einer kurzen Einleitung in die benötigten Grundlagen, die Eigenschaften und experimentellen Beschränkungen von optischen Lichtwellenleitern studiert, welche als Arme der Interferometer fungieren. Es wird gezeigt, dass sich Michelson Interferometer bestens zur Untersuchung von Trägheitseffekten von Einzelphotonen eignen, während sie sich für den Nachweis gravitativ induziierter Phasenschübe als nicht vorteilhaft erweisen. Weiters werden verschiedene Anordnungen eines Mach-Zehnder Interferometers zur Erforschung der Äquivalenz von Energie und träger/schwerer Masse studiert und die experimentellen Beschränkungen aufgezeigt. Wie die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, ist es aufgrund technischer Einschränkungen überaus schwierig Phasenschübe durch gravitativen Einfluss auf die Wellenfunktion eines einzelnen Teilchens nachzuweisen. Weisen die Arme eines Interferometers jedoch unterschiedliche Gravitations- und/oder Zentripetalpotentiale auf, so ist es im Rahmen heutiger technologischer Standards möglich die Masse-Energie Äquivalenz zu testen. Solche Tests können einen ausgezeichneten Leitfaden für Experimente darstellen, welche allgemein relativistische Effekte auf einzelne Quantensysteme nachweisen wollen, die im Rahmen der klassichen Gravitationstheorie nicht erklärt werden können.
Im Jahr 1991 wurde erstmals die Interferenz von Atomen experimentell nachgewiesen. Seitdem wird dieses Phänomen in vielen Bereichen der Grundlagenforschung angewendet, unter anderem zur Bestimmung von Naturkonstanten mit bisher unerreichter Genauigkeit oder für Tests des Äquivalenzprinzips. Grundsätzlich können auch geophysikalische Vermessungen des Schwerefeldes der Erde von dieser neuen Technik profitieren, allerdings waren Atominterferometrie-Experimente aufgrund ihrer Komplexität bisher nur in Laboren möglich. Erst kürzlich wurde mit der Entwicklung mobiler Atominterferometer begonnen, die nun die hochpräzise Messung von Rotationen, Gravitationsgradienten sowie der absoluten Schwerebeschleunigung außerhalb von Laboren ermöglichen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein absolutes Gravimeter entwickelt, konstruiert und getestet. Es basiert auf Rb87-Atomen, die in einer Vakuumumgebung gefangen, gekühlt und senkrecht entgegen der Erdanziehung beschleunigt werden. Während des anschließenden freien Falls werden die atomaren Ensembles durch drei Raman Lichtpulse aufgespalten und rekombiniert. Die lokale Schwerebeschleunigung kann aus den resultierenden Interferenzmustern bestimmt werden, die abhängig von der Bewegung der Atome in einem Gravitationspotential sind. Wir haben den Wert der lokalen Schwerebeschleunigung, g, mit einer Auflösung von 1 : 10^10 bei einer Integrationszeit von 12 Stunden vermessen. Dies entspricht 2,2 * 10^-7 m/s^2/Sqrt(Hz). Mit dieser Genauigkeit konnten bereits zeitliche Veränderungen des lokalen Schwerefeldes registriert werden, hervorgerufen durch eine Vielzahl an Effekten wie Erd- und Ozeangezeiten oder atmosphärischen Variationen. In einem Vergleich unter ähnlichen Messbedingungen konnte unser Instrument die lokale Schwerebeschleunigung mit einer um fast eine Größenordnung höheren Genauigkeit bestimmen als ein herkömmliches Gravimeter.
In dieser Arbeit sollen Gedankenexperimente über Quantenmechanik und Gravitation formuliert und analysiert werden. Wir wollen untersuchen welche Möglichkeiten im Rahmen eines Gedankenexperimentes bestehen mehr über die Beziehung von Quantenmechanik und Gravitation zu lernen. Diese Gedankenexperimente sollen auch auf Ihre Realisierbarkeit untersucht werden. In einem ersten Gedankenexperiment wird einer Überlegung Werner Heisenbergs zur Suche nach Unschärferelationen gefolgt und diese auf die Gravitation angewendet. Dabei wird ein Weg gezeigt Unschärferelationen für linearisierte Gravitationsfelder (gravitoelektromagnetische Felder) zu finden. In einem zweiten Gedankenexperiment wird die Dekohärenz bei Interferenzexperimenten durch gravitative Wechselwirkung untersucht und welche Auswirkungen dies für verschiedene Modelle des spontanen Wellenkollapses hat. Es werden zwei Gedankenexperimente mit Mach-Zehnder Interferometern formuliert, die eine Unterscheidung zwischen Alternativmodellen und der Quantenmechanik ermöglichen. Wie gezeigt wird, sind diese Experimente mit dem momentanen Stand der Experimental-Technik nicht zu realisieren und dienen der Anschauung.
Diese Dissertation beschäftigt sich in einem weiten Sinn mit der Wechselwirkung von Atomen und Strahlungsfeld in nichtinertialen Bezugssystemen und in Anwesenheit von Gravitationsfeldern sowie den daraus folgenden Konsequenzen in der Atominterferometrie. Ausgehend von kovarianten Feldgleichungen werden allgemein-relativistische Korrekturterme zu den wichtigsten Gleichungen und Methoden der Quantenoptik hergeleitet. Im einzelnen sind dies die Pauli-Gleichung, die Dipolkopplung zwischen Atom und Strahlungsfeld, die Reduktion des atomaren Hilbert-Raumes auf wenige Zustände und die Quantisierung des Maxwell-Feldes. Dieser Formalismus wird dann dazu verwendet, die durch Beschleunigung, Rotation und Raum-Zeit-Krümmung verursachte Phasenverschiebung in Atominterferometern herzuleiten. Die dabei verwendete Methode ist rein algebraisch und baut auf der unitären Zeitentwicklung der Atome auf. Das Ergebnis gibt die Phasenverschiebung für beliebige Atominterferometer an, die Laser als Strahlteiler verwenden. Insbesondere ergibt sich, daß die durch die Beschleunigung induzierte Phasenverschiebung unabhängig vom Anfangszustand der Atome und linear in der Beschleunigung ist. Für das Ramsey- Interferometer wird diese Methode für eine umfangreiche Klasse äußerer Potentiale mit der WKB-Methode verglichen. Eine detaillierte Abschätzung für existierende Interferometer und leichter Modifikationen davon zeigt schließlich, daß diese Geräte dazu geeignet sein sollten, den bislang noch nicht experimentell abgesicherten Einfluß der Raum-Zeit-Krümmung auf Atome nachzuweisen. In einem anderen Teil dieser Arbeit wird der Begriff der Fermi-Koordinaten in der Relativitätstheorie untersucht. Der allgemeine Ausdruck für die Metrik in den Fermi-Koordinaten eines Beobachters im schwachen Gravitationsfeld wird hergeleitet. Da Fermi-Koordinaten nur in einer Umgebung des Beobachters konstruiert werden können, kommen sie nicht als Definition des Bezugssystems
Übergeordneter Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Wirkung zeitabhängiger, räumlich beschränkter Magnetfelder auf die Wellenfunktion eines Neutrons mit spezieller Berücksichtigung ihrer Anwendung in der Neutronen-Interferometrie. Für beliebig zeitperiodische Felder wird die entsprechende Schrödingergleichung analytisch gelöst. Es wird gezeigt, wie der dabei auftretende Austausch von Energiequanten zwischen dem Neutron und den Moden des Magnetfeldes anhand der zeitlichen Modulation des Interferenzbildes von ungestörter und vom Magnetfeld veränderter Wellenfunktion bestimmt werden kann. Durch Fourieranalyse des zeitaufgelösten Interferenzmusters lassen sich die Übergangswahrscheinlichkeiten für alle möglichen Energietransfers bestimmen. Messergebnisse für Felder, die bis zu fünf Moden beinhalten, werden präsentiert. Ein erweiterter theoretischer Ansatz, in dem auch das Feld quantisiert wird, gewährt zusätzliche Einblicke in die zugrunde liegenden physikalischen Vorgänge und führt für den kohärenten Feldzustand mit hoher mittlerer Photonenzahl wieder auf die Resultate der Rechnung mit klassischen Feldern.Wird die Anzahl der im Magnetfeld vorkommenden Frequenzen, deren relative Phasenlage völlig zufällig zueinander ist, weiter erhöht, bewegt man sich in Richtung Rauschfelder. Mit ihnen kann man Dekohärenz im Neutroneninterferometer modellieren. Theoretisch und experimentell wird gezeigt, auf welche Weise diese Modellierung zu verstehen ist, welche Möglichkeiten sie bietet und wo ihre Grenzen liegen. Die Untersuchungen beziehen sich dabei auf Rauschquellen in einem oder beiden Interferometerpfaden, auf die Stärke und den Frequenzbereich der Rauschfelder, ihre Lage zueinander und auf den Einfluss der räumlichen Trennung der Neutronen-Wellenpakete. Letzteres führt auf die sogenannten Schrödingerschen Katzenzustände, die aufgrund ihrer makroskopischen Abmessungen in der Dekohärenztheorie eine besondere Rolle spielen.