Die vorliegende Arbeit präsentiert ein konsistentes, lokal-realistisches Modell zur Eliminierung der konzeptionellen Brüche zwischen der Quantenmechanik und der Allgemeinen Relativitätstheorie. Anstatt den physikalischen Raum als elastisches, krümmbares Kontinuum (Riemannsche Geometrie) oder die Quantenwelt durch nicht-lokale Wahrscheinlichkeitswellen (Kopenhagener Interpretation) zu beschreiben, wird ein starrer, euklidischer Hyperraum postuliert. Elementarteilchen werden als starre, höherdimensionale (5D/6D) geometrische Strukturen definiert, die strikt orthogonal auf der klassischen 4D-Raumzeit stehen. Es wird gezeigt, dass Phänomene wie die Quantenverschränkung, der Wellen-Teilchen-Dualismus sowie die relativistische Zeitdilatation und Gravitations-Rotverschiebung keine dynamischen oder stochastischen Prozesse sind, sondern mathematisch zwingende Projektionseffekte orthogonaler Verankerungen und Kopplungen. Dieses Modell stellt Einsteins Forderung nach einem deterministischen, lokal-realistischen Universum wieder her, indem es die phänomenologische Realität rein geometrisch auflöst.
Die vorliegende Arbeit präsentiert ein konsistentes, lokal-realistisches Modell zur Eliminierung der konzeptionellen Brüche zwischen der Quantenmechanik und der Allgemeinen Relativitätstheorie. Anstatt den physikalischen Raum als elastisches, krümmbares Kontinuum (Riemannsche Geometrie) oder die Quantenwelt durch nicht-lokale Wahrscheinlichkeitswellen (Kopenhagener Interpretation) zu beschreiben, wird ein starrer, euklidischer Hyperraum postuliert. Elementarteilchen werden als starre, höherdimensionale (5D/6D) geometrische Strukturen definiert, die strikt orthogonal auf der klassischen 4D-Raumzeit stehen. Es wird gezeigt, dass Phänomene wie die Quantenverschränkung, der Wellen-Teilchen-Dualismus sowie die relativistische Zeitdilatation und Gravitations-Rotverschiebung keine dynamischen oder stochastischen Prozesse sind, sondern mathematisch zwingende Projektionseffekte orthogonaler Verankerungen und Kopplungen. Dieses Modell stellt Einsteins Forderung nach einem deterministischen, lokal-realistischen Universum wieder her, indem es die phänomenologische Realität rein geometrisch auflöst.
Die geometrische Phase zeigt, wie schon die Vorhersagen der Standard-Quantenmechanik von der Geometrie des zugrundeliegenden Hilbertraumes beeinflusst werden. In der Quantenmechanik wird durch eine nicht triviale Topologie des Zustandsraumes eine Phasendifferenz zwischen Anfangs- und Endzustand des Systems induziert. Diese geometrische Phase hängt - im Gegensatz zur dynamischen Phase - nur vom Pfad ab und nicht von der benötigten Entwicklungszeit oder der Energie des Zustandes. Die vorliegende Dissertation behandelt einige Aspekte dieser geometrischen Phase. Zum einen werden sogenannte nicht-diagonale geometrische Phasen für gemischte Zustände definiert, welche Information über die Topologie des Zustandsraumes bietet, falls die gewöhnliche geometrische Phase nicht wohldefiniert ist. Im zweiten Teil taucht die geometrische Phase im Kontext der Neutroneninterferometrie auf. Ein Interferometer mit zwei Kreisen wird verwendet, um die in einem Kreis generierte Phase relative zu einem Referenzstrahl zu messen. Der Zustand in diesem Kreis kann durch geeignete Wahl eines Absorbers und eines Phasenschiebers so verändert werden, dass schlussendlich nur eine geometrische Phase gemessen wird. Diese folgt wiederum aus der Geometrie des sphärischen Zustandsraumes. Schließlich wird die Frage des Einflusses von äußeren Störungen auf die geometrische Phase aufgegriffen. Einige theoretische Überlegungen kommen zum Schluss, dass diese gut geeignet sei um quantenmechanische Schaltungen zu realisieren. Dieses Verhalten könnte mit ultrakalten Neutronen getestet werden. Numerische Simulationen in Hinblick auf ein zukünftiges Experiment werden präsentiert.
Das Phänomen der Verschränkung hat eine grundlegende Bedeutung in der Quantenphysik. Mathematisch is Verschränkung definiert durch die Inseparabilität von Quantenzuständen, die verwendet werden um Quantenobjekte zu beschreiben. Zustände, die nicht separabel sind, werden verschränkt genannt. Diese können räumlich getrennte Objekte oder verschiedene Eigenschaften desselben Objektes sein, welche nur durch einen gemeinsamen mathematischen Zustandvektor beschrieben werden können. Für die einzelnen Objekte gibt es keine separable Beschreibung. Physikalisch äußert sich Verschränkung zum Beispiel in nichtlokalen Eigenschaften, die auch experimentell nachgewiesen werden können. Klassische, lokale Konzepte, wie z.B. die Bell-Ungleichungen, werden durch Voraussagen der Quantenmechanik und aufgrund von Verschränkung verletzt, was man auch experimentell nachweisen kann. Man kann zeigen, dass klassische Konzepte der Lokalität und Realität hinderlich sind für ein besseres Verständnis der Natur. Verschiedene Anwendungen der Verschränkungstheorie haben breite Forschungsfelder eröffnet, wie zum Beispiel Quanteninformations-Theorie und -Verarbeitung und Quantenkryptographie. Die (spezielle) Relativitätstheorie ist eine klassische Theorie, die die Transformationseigenschaften zwischen Inertialsystemen beschreibt, in welchen die Gesetze der Physik unverändert bleiben. Diese Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Verbindung von Verschränkung und Relativitätstheorie, beziehungsweise, bietet eine Einleitung in beide Felder und die neueren Forschungsgegenstände der relativistischen Verschränkungstheorie. Frühere Arbeiten auf diesem Gebiet haben gezeigt, dass Verschränkung im Allgemeinen nicht Beobachter-unabhängig oder Lorentz-invariant ist, wenn verschiedene Partitionen des Hilbertraumes betrachtet werden. Dies wurde anhand von zwei verschränkten Spin-1/2 oder zwei verschränkten Spin-1 Teilchen für verschiedene Quantenzustände gezeigt. Weiters präsentiert diese Diplomarbeit auch ein neues Beispiel für drei verschränkte Spin-1 Teilchen. Ihre relativistischen Transformationseigenschaften werden im letzten Kapitel untersucht. Es wird ebenfalls die Detektion von Vielkörperverschränkung für verschiedene inertiale Beobachter diskutiert.
Es werden niedrig-Energie Quantensysteme theoretisch studiert, um vor allem der Frage nachzugehen, wie solche Systeme experimentelle Untersuchungen der Wechselwirkung zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie ermöglichen können. Die Arbeit konzentriert sich auf Quantensysteme, die genau kontrolliert und gemessen werden können, und die Untersuchungen der Quantenmechanik auf neuen Längen- und Massenskalen erlauben. Opto-mechanische Systeme werden erforscht und es wird gezeigt, wie mit kurzen Lichtpulsen Quantenzustände eines schweren Resonators präpariert und ausgelesen werden können, und wie sich mögliche phänomenologische Modelle der Quantengravitation messen lassen. Außerdem werden Effekte der gravitativen Zeitdilatation auf Quanteninterferenzexperimente mit Photonen und Materiewellen studiert. Es wird gezeigt, dass aufgrund der Zeitdilatation Verschränkung zwischen den internen Zuständen und der Schwerpunktskoordinate entsteht, welche zur Dekohärenz aller zusammengesetzten Quantensystemen führt. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass die Wechselwirkung zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie Auswirkungen auf Quantensysteme selbst bei niedrigen Energien hat, und dass neue Phänomene auftreten die experimentell gemessen werden können.
ZUSAMMENFASSUNG (deutsch) Diese Arbeit stellt ein neuartiges Klassifikationsmodell für Quantenzustände vor, das auf einer hierarchischen Expansion räumlicher Koordinaten basiert und als "Binary Cascade of Entities" bezeichnet wird. Im Gegensatz zur traditionellen Auffassung des Spins als abstrakte intrinsische Rotation interpretiert das Modell Spin-Zustände als direkte Folge der Kopplung quantischer Entitäten an höhere räumliche Dimensionen (0D bis 6D). Durch die Einführung eines systematischen binären Vorzeichencodes (+/–) wird eine 64 Zustände-Matrix der Ebene F konstruiert, die eine vollständige und deterministische Abbildung des Hilbertraums für Mehrteilchensysteme ermöglicht. Das Modell zeigt, dass jeder bekannte Quantenzustand – von elementaren Leptonen (1D) und Baryonen (3D) bis hin zu exotischen Pentaquarks (5D) – eine spezifische geometrische Position innerhalb dieses dimensionalen Rahmens einnimmt. Dieser Ansatz bietet eine strukturell geschlossene Alternative zu statistischen Beschreibungen der Quantenmechanik und eröffnet eine neue geometrische Grundlage für die Wechselwirkung zwischen Materie und der vierten räumlichen Dimension. Bei Kollisionsexperimenten ist zu erwarten, dass Hexaquark-Resonanzen genau in jenen Konfigurationen stabil detektiert werden die diesen hochsymmetrischen Adressen in der 8x8-Matrix entsprechen. ZUSAMMENFASSUNG (englisch) Dieses Papier präsentiert ein neuartiges Klassifikationsmodell für Quantenzustände, das auf der hierarchischen Expansion räumlicher Koordinaten basiert und als "Binary Cascade of Entities" bezeichnet wird. Abweichend von der traditionellen Auffassung von Spin als abstrakte intrinsische Rotation interpretiert dieses Modell Spin-Zustände als direkte Folge der Kopplung von Quantenentitäten zu höheren räumlichen Dimensionen (0D bis 6D). Durch die Einführung eines systematischen binären Vorzeichencodes (+/-) wird eine 64-Zustands-Matrix (Stufe F) konstruiert, die eine vollständige und deterministische Abbildung des Hilbertraums für Mehrteilchensysteme liefert. Das Modell zeigt, dass jeder bekannte Quantenzustand, von elementaren Leptonen (1D) und Baryonen (3D) bis hin zu exotischen Pentaquarken (5D), innerhalb dieses dimensionalen Rahmens eine spezifische geometrische Position einnimmt. Dieser Ansatz bietet eine strukturell vollständige Alternative zu statistischen Quantenbeschreibungen und stellt eine neue geometrische Grundlage für die Wechselwirkung zwischen Materie und der vierten räumlichen Dimension dar. In Kollisionsexperimenten wird erwartet, dass Hexaquark-Resonanzen stabil genau in jenen Konfigurationen detektiert werden, die den hochsymmetrischen Adressen innerhalb der 8×8-Matrix entsprechen.
In den letzten Jahren bekam der Gedanke von indefiniten kausalen Strukturen viel Aufmerksamkeit. Die Idee ist es, sehr generelle Prozesse zu beschreiben, welche lokale Labore in eine globale Struktur einbetten und dadurch die Korrelationen zwischen den Laboren bestimmen. Mittels des Prozessmatrizenformalismus wurde ein mathematischer Formalismus gefunden, der genau diese Idee, unter der Annahme, dass die Quantenmechanik lokal Gültigkeit besitzt, verwirklicht. In der Definition von Prozessmatrizen ist bereits jedem lokalen Labor ein Eingangs- und Ausgangshilbertraum zugeordnet. Im Gegenteil dazu, beinhaltet ein Zustand in der normalen Quantenmechanik keine Information bezüglich einer Faktorisierung des globalen Hilbertraumes. Daher stellt sich die Frage was es für Auswirkungen hätte, wenn man diese Annahme lockert und stattdessen bloß fordert, dass alle Labore lokal separiert sind, man jedoch keine Faktorisierung fixiert. Führt dies zu einer modifizierten Menge an erlaubten Prozessen? Diese Arbeit beantwortet diese Frage, indem gezeigt wird, dass Quantenzustände die einzigen Quantenprozesse beschreiben, welche kompatibel mit der gelockerten Annahme sind. Im zweiten Teil der Arbeit wird ein Gedankenexperiment präsentiert, welches ein Bell-artiges Szenario in Superposition von zeitlichen Abläufen beschreibt. Auf den ersten Blick scheint es, dass dieses Szenario Non-Signaling-Korrelationen zulässt, welche allgemeiner sind als Quanten-Korrelationen - sogenannte Almost-Quantum-Korrelationen. Jedoch wird für verschiedene Konfigurationen des Szenarios gezeigt, dass die ursprüngliche Vermutung nicht hält: alle Korrelationen sind Quanten-Korrelationen. Zusätzlich wird ein Theorem bewiesen, welches eine notwendige Bedingung für Bell-artige Szenarien darstellt um Almost-Quantum-Korrelationen zu generieren.
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.