Title (eng)
Interferometric tests of quantum physics on curved space-time
Parallel title (deu)
Interferometrische Untersuchungen der Quantenmechanik in gerümmter Raumzeit
Parallel title (eng)
Interferometric tests of quantum physics on curved space-time
Author
Christopher Karl Hilweg
Advisor
Philip Walther
Assessor
Philip Walther
Abstract (deu)
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.
Abstract (eng)
Quantum mechanics and general relativity are two fundamentally different theories and have both been tested independently with very high precision. Quantum mechanics allows to describe nature at very small scales whereas general relativity gives access to descriptions at very large scales. But even after a century of research, an interplay of these two very different theories has never been tested experimentally. The ongoing search for a unified framework, capable of combining all known forces of nature, suffers from this lack of experimental guidance. Even regimes where quantum mechanics applies and general relativity is treated classically has not been verified experimentally. This work investigates experimental possibilities that probe the interface of quantum mechanics and general relativity at the level of single photons. Those ideally suited quantum systems examine the influence of both, gravity and non-inertial motion, on interference effects. This can be achieved by using different types of interferometers whose paths are subject to different gravitational or centripetal potentials. Those potential differences allows to test, depending on the experimental configuration, the gravitational or inertial mass-energy equivalence which is the main focus of this thesis. To this end, after a short introduction to basic principles, the work starts by investigating properties of optical fibers substituting the arms of the interferometers and the limitations they impose on experimental results. It is shown that Michelson interferometers are ideally suited to test inertial effects on single photons, but are not beneficial to reveal gravitationally induced relative phases. Several schemes of Mach-Zehnder interferometers for testing the inertial and gravitational mass-energy equivalence principle are studied and the feasibility and limitations of those set-ups is discussed.
The results of this thesis show that gravitationally induced phase shifts in single particle wave functions are due to technical limitations hard to observe. If the arms of the interferometers are subject to different gravitational and inertial potentials however, present day technology allows to test for mass-energy equivalence and provides furthermore a experimental guideline towards testing genuine general relativistic effects on single quantum systems.
Keywords (eng)
general relativityquantum mechanicsinterferometryoptical fibers
Keywords (deu)
Allgemeine RelativitätstheorieQuantenmechanikInterferometrieGlasfaser
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1311551
rdau:P60550 (deu)
110 S. : Ill., graph. Darst.
Number of pages
112
Association (deu)
Title (eng)
Interferometric tests of quantum physics on curved space-time
Parallel title (deu)
Interferometrische Untersuchungen der Quantenmechanik in gerümmter Raumzeit
Parallel title (eng)
Interferometric tests of quantum physics on curved space-time
Author
Christopher Karl Hilweg
Abstract (deu)
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.
Abstract (eng)
Quantum mechanics and general relativity are two fundamentally different theories and have both been tested independently with very high precision. Quantum mechanics allows to describe nature at very small scales whereas general relativity gives access to descriptions at very large scales. But even after a century of research, an interplay of these two very different theories has never been tested experimentally. The ongoing search for a unified framework, capable of combining all known forces of nature, suffers from this lack of experimental guidance. Even regimes where quantum mechanics applies and general relativity is treated classically has not been verified experimentally. This work investigates experimental possibilities that probe the interface of quantum mechanics and general relativity at the level of single photons. Those ideally suited quantum systems examine the influence of both, gravity and non-inertial motion, on interference effects. This can be achieved by using different types of interferometers whose paths are subject to different gravitational or centripetal potentials. Those potential differences allows to test, depending on the experimental configuration, the gravitational or inertial mass-energy equivalence which is the main focus of this thesis. To this end, after a short introduction to basic principles, the work starts by investigating properties of optical fibers substituting the arms of the interferometers and the limitations they impose on experimental results. It is shown that Michelson interferometers are ideally suited to test inertial effects on single photons, but are not beneficial to reveal gravitationally induced relative phases. Several schemes of Mach-Zehnder interferometers for testing the inertial and gravitational mass-energy equivalence principle are studied and the feasibility and limitations of those set-ups is discussed.
The results of this thesis show that gravitationally induced phase shifts in single particle wave functions are due to technical limitations hard to observe. If the arms of the interferometers are subject to different gravitational and inertial potentials however, present day technology allows to test for mass-energy equivalence and provides furthermore a experimental guideline towards testing genuine general relativistic effects on single quantum systems.
Keywords (eng)
general relativityquantum mechanicsinterferometryoptical fibers
Keywords (deu)
Allgemeine RelativitätstheorieQuantenmechanikInterferometrieGlasfaser
Subject (deu)
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1311552
Number of pages
112
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