孪生悖论的量子力学变体图示
物理学的基本挑战之一是爱因斯坦的相对论和量子力学的调和。对现代物理学的这两大支柱提出批判性质疑的必要性来自于宇宙中的极高能量事件。到目前为止，只能一次用一种理论来解释这些事件，而不能同时用两种理论来解释。因此，世界各地的研究人员都在寻找偏离量子力学和相对论定律的理论，这可能会为物理学带来一个新的领域。
在最近的一篇文章中，来自莱布尼兹大学汉诺威分校和乌尔姆大学的科学家们讨论了爱因斯坦相对论中的孪生悖论。这个思维实验围绕着一对双胞胎展开：双胞胎兄弟一个进入太空，另一个留在地球上。因此，在一段时间内，这对双胞胎在太空中以不同的轨道运行。当这对双胞胎再次见面时，结果是相当惊人的，在外太空旅行的那个人比他在地球的哥哥年轻得多。爱因斯坦对时间膨胀的描述解释了这一现象：不同的速度和不同的应力场，时间流逝的快慢是不同的。
在《科学进展》杂志上发表的论文中，作者假设了双胞胎悖论的一个量子力学变体，即只有一个双胞胎。由于量子力学的叠加原理，双生子可以同时沿着两条路径移动。在研究人员的思维实验中，双胞胎以原子钟为代表。这种时钟利用原子的量子特性来精确测量时间。因此，原子钟本身是一个量子力学物体，由于叠加原理，它可以同时在两条路径上穿越时空。“我们和汉诺威的同事一起，研究了如何在实验中实现这种情况。”乌尔姆量子物理研究所的研究助理恩诺·吉斯博士解释说。为此，研究人员在量子物理模型的基础上开发了一套实验装置。
带磁屏蔽的原子干涉仪
目前正在汉诺威莱布尼茨大学建造的一座10米高的原子干涉仪，这一设备在他们的理论中起着关键作用。在这个原子干涉仪中，利用诸如原子钟之类的量子物体，研究人员可以测试相对论效应，包括孪生佯谬中描述的时间膨胀。“在实验中，我们将把一个原子钟送入干涉仪。关键的问题是：在实验之后，在什么条件下可以测量时差，毕竟在实验期间时钟是同时在两个轨道上运行的。”研究人员解释道。
在这个模型的帮助下，科学家可以描述一个“滴答”的原子钟，它在空间叠加中沿着两条路径同时移动。此外，他们还建造了原子干涉仪，可以测量特殊相对论时间膨胀对原子钟的影响。基于他们的理论考虑，研究人员已经可以假设单个原子钟的行为与孪生悖论中预测的一样：相对论和量子力学在这种情况下确实是可以调和的。
