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It is found that the differential cross section of photon-photon scattering is a function of the degree of polarization entanglement of the two-photon state. A reduced general expression for the differential cross section of photon-photon scattering is derived by applying simple symmetry arguments. An explicit expression is obtained for the example of photon-photon scattering due to virtual electron-positron pairs in quantum electrodynamics. It is shown how the effect in this explicit example can be explained as an effect of quantum interference and that it fits with the idea of distance-dependent forces.
We revisit the Haake-Lewenstein-Wilkens approach to Edwards-Anderson (EA) model of Ising spin glass (SG) (Haake et al 1985 Phys. Rev. Lett. 55 2606). This approach consists in evaluation and analysis of the probability distribution of configurations of two replicas of the system, averaged over quenched disorder. This probability distribution generates squares of thermal copies of spin variables from the two copies of the systems, averaged over disorder, that is the terms that enter the standard definition of the original EA order parameter, qEA 0 0
Portal Wissen = Zeit
(2014)
„Was ist also 'Zeit'?“ seufzt Augustinus von Hippo im 11. Buch seiner „Confessiones“ melancholisch, und fährt fort „Wenn mich niemand danach fragt, weiß ich es; will ich einem Fragenden es erklären, weiß ich es nicht.“ Auch heute, 1584 Jahre nach Augustinus, erscheint 'Zeit' immer noch rätselhaft. Abhandlungen über das Wesen der Zeit füllen Bibliotheken. Oder eben dieses Heft.
Wesensfragen sind den modernen Wissenschaften allerdings fremd. Zeit ist – zumindest in der Physik – unproblematisch. „Time is defined so that Motion looks simple“ erkärt man kurz und trocken, und verabschiedet sich damit vom Augustinischen Rätsel oder der Newtonschen Vorstellung einer absoluten Zeit, deren mathematischen Fluss man durch irdische Instrumente eh immer nur näherungsweise erfassen kann.
In der Alltagssprache, selbst in den Wissenschaften, reden wir zwar weiterhin vom Fluss der Zeit, aber Zeit ist schon lange keine natürliche Gegebenheit mehr. Zeit ist vielmehr ein konventioneller Ordnungsparameter für Änderung und Bewegung. Geordnet werden Prozesse, indem eine Klasse von Prozessen als Zählsystem dient, um andere Prozesse mit ihnen zu vergleichen und anhand der temporären Kategorien „vorher“, „während“ und „nachher“ anzuordnen.
Zu Galileis Zeiten galt der eigene Pulsschlag als Zeitstandard für den Flug von Kanonenkugeln. Mit zunehmender Verfeinerung der Untersuchungsmethoden erschien das zu unpraktisch: Die Weg-Zeit-Diagramme frei fliegender Kanonenkugeln erweisen sich in diesem Standard ziemlich verwackelt, schlecht reproduzierbar, und keineswegs „simpel“. Heutzutage greift man zu Cäsium-Atomen. Demnach dauert ein Prozess eine Sekunde, wenn ein 133Cs-Atom genau 9 192 631 770 Schwingungen zwischen zwei sogenannten Hyperfeinzuständen des Grundzustands vollführt hat. Und ein Meter ist die Entfernung, die Licht im Vakuum in exakt 1/299 792 458 Sekunden zurücklegt. Glücklicherweise sind diese Daten im General Positioning System GPS hart kodiert, so dass der Nutzer sie nicht jedes Mal aufs Neue eingeben muss, wenn er wissen will, wo er ist. Aber schon morgen muss er sich vielleicht ein Applet runterladen, weil der Zeitstandard durch raffinierte Übergänge in Ytterbium ersetzt wurde.
Der konventionelle Charakter des Zeitbegriffs sollte nicht dazu verführen zu glauben, alles sei irgendwie relativ und daher willkürlich. Die Beziehung eines Pulsschlags zu einer Atomuhr ist absolut, und genauso real, wie die Beziehung einer Sanduhr zum Lauf der Sonne. Die exakten Wissenschaften sind Beziehungswissenschaften. Sie handeln nicht vom Ding an sich, was Newton und Kant noch geträumt haben, sondern von Beziehungen – worauf schon Leibniz und später Mach hingewiesen haben.
Kein Wunder, dass sich für andere Wissenschaften der physikalische Zeit-Standard als ziemlich unpraktisch erweist. Der Psychologie der Zeitwahrnehmung entnehmen wir – und jeder wird das bestätigen können – dass das gefühlte Alter durchaus verschieden ist vom physikalischen Alter. Je älter man ist, desto kürzer erscheinen einem die Jahre.
Unter der einfachen Annahme, dass die gefühlte Dauer umgekehrt proportional zum physikalischen Alter ist, und man als Zwanzigjähriger ein physikalisches Jahr auch psychologisch als ein Jahr empfindet, ergibt sich der erstaunliche Befund, dass man mit 90 Jahren 90 Jahre ist. Und – bei einer angenommenen Lebenserwartung von 90 Jahren – mit 20 (bzw. 40) physikalischen Jahren bereits 67 (bzw. 82) Prozent seiner gefühlten Lebenszeit hinter sich hat.
Bevor man angesichts der „Relativität von Zeit“ selbst in Melancholie versinkt, vielleicht die Fortsetzung des Eingangszitats von Augustinus: „Aber zuversichtlich behaupte ich zu wissen, dass es vergangene Zeit nicht gäbe, wenn nichts verginge, und nicht künftige Zeit, wenn nichts herankäme, und nicht gegenwärtige Zeit wenn nichts seiend wäre.“ Tja – oder mit Bob Dylan „The times they're a changing“.
Ich wünsche Ihnen eine spannende Zeit bei der Lektüre dieser Ausgabe.
Prof. Dr. Martin Wilkens
Professor für Quantenoptik
Portal Wissen = Time
(2014)
“What then is time?”, Augustine of Hippo sighs melancholically in Book XI of “Confessions” and continues, “If no one asks me, I know; if I want to explain it to a questioner, I don’t know.” Even today, 1584 years after Augustine, time still appears mysterious. Treatises about the essence of time fill whole libraries – and this magazine.
However, questions of essence are alien to modern sciences. Time is – at least in physics – unproblematic: “Time is defined so that motion looks simple”, briefly and prosaically phrased, waves goodbye to Augustine’s riddle and to the Newtonian concept of absolute time, whose mathematical flow can only be approximately recorded with earthly instruments anyway.
In our everyday language and even in science we still speak of the flow of time but time has not been a natural condition for quite a while now. It is rather a conventional order parameter for change and movement. Processes are arranged by using a class of processes as a counting system in order to compare other processes and to organize them with the help of the temporary categories “before”, “during”, and “after”.
During Galileo’s time one’s own pulse was seen as the time standard for the flight of cannon balls. More sophisticated examination methods later made this seem too impractical. The distance-time diagrams of free-flying cannon balls turned out to be rather imprecise, difficult to replicate, and in no way “simple”. Nowadays, we use cesium atoms. A process is said to take one second when a caesium-133 atom completes 9,192,631,770 periods of the radiation corresponding to the transition between two hyperfine levels of the ground state. A meter is the length of the path travelled by light in a vacuum in exactly 1/299,792,458 of a second. Fortunately, these data are hard-coded in the Global Positioning System GPS so users do not have to reenter them each time they want to know where they are. In the future, however, they might have to download an app because the time standard has been replaced by sophisticated transitions to ytterbium.
The conventional character of the time concept should not tempt us to believe that everything is somehow relative and, as a result, arbitrary. The relation of one’s own pulse to an atomic clock is absolute and as real as the relation of an hourglass to the path of the sun. The exact sciences are relational sciences. They are not about the thing-initself as Newton and Kant dreamt, but rather about relations as Leibniz and, later, Mach pointed out.
It is not surprising that the physical time standard turned out to be rather impractical for other scientists. The psychology of time perception tells us – and you will all agree – that the perceived age is quite different from the physical age. The older we get the shorter the years seem. If we simply assume that perceived duration is inversely related to physical age and that a 20-year old also perceives a physical year as a psychological one, we come to the surprising discovery that at 90 years we are 90 years old. With an assumed life expectancy of 90 years, 67% (or 82%) of your felt lifetime is behind you at the age of 20 (or 40) physical years.
Before we start to wallow in melancholy in the face of the “relativity of time”, let me again quote Augustine. “But at any rate this much I dare affirm I know: that if nothing passed there would be no past time; if nothing were approaching, there would be no future time; if nothing were, there would be no present time.” Well, – or as Bob Dylan sings “The times they are a-changin”.
I wish you an exciting time reading this issue.
Prof. Martin Wilkens
Professor of Quantum Optics
We consider a dilute homogeneous mixture of bosons and spin-polarized fermions at zero temperature. We first construct the formal scheme for carrying out systematic perturbation theory in terms of single particle Green's functions. We introduce a new relevant object, the renormalized boson-fermion T-matrix which we determine to second order in the boson-fermion s-wave scattering length. We also discuss how to incorporate the usual boson-boson T-matrix in mean-field approximation to obtain the total ground state properties of the system. The next order term beyond mean- field stems from the boson-fermion interaction and is proportional to $a_{scriptsize BF}k_{scriptsize F}$. The total ground-state energy-density reads $E/V =epsilon_{scriptsize F} + epsilon_{scriptsize B} + (2pihbar^{2}a_{
m BF}n_{scriptsize B}n_{scriptsize F}/m) [1 + a_{scriptsize BF}k_{scriptsize F}f(delta)/pi]$. The first term is the kinetic energy of the free fermions, the second term is the boson-boson mean-field interaction, the pre-factor to the additional term is the usual mean-field contribution to the boson-fermion interaction energy, and the second term in the square brackets is the second-order correction, where $f(delta)$ is a known function of $delta= (m_{scriptsize B} - m_{scriptsize F})/(m_{scriptsize B} + m_{scriptsize F})$. We discuss the relevance of this new term, how it can be incorporated into existing theories of boson-fermion mixtures, and its importance in various parameter regimes, in particular considering mixtures of $^{6}$Li and $^{7}$Li and of $^{3}$He and $^{4}$He.
We compute the shift of the critical temperature Tc with respect to the ideal case for a weakly interacting uniform Bose gas. We work in the framework of the canonical ensemble, extending the criterion of condensation provided by the canonical particle counting statistics for the zero-momentum state of the uniform ideal gas. The perturbative solution of the crossover equation to lowest order in power of the scattering length yields (Tc - Tc0)/Tc0=-0,93ap 1/3, where Tc0 is the transition temperature of the corresponding ideal Bose gas , a is the scattering length, and p is the particle number density. This is at vaiance with the standard grand canonical prediction of a null shift of the critical temperature in the lowest perturbative order. The non-equevalence of statistical ensemble for the ideal Bose gas is thus confirm (at the lowestperturbative level) also in the presence of interactions.
We calculate the phonon excistation spectrum in a zero-temperature dilute boson-fermion gaseous mixture. We show how the sound velocity changes due to the boson-fermion interaction, and we determine the dynamical stability regime of a homogeneous mixture. We identify a resonant phonon-exchange interaction between the fermions as the physical mechanism leading to the instability.
We investigate the notion of Bose-Einstein condensation of interacting particles. The definition of the condensate is based on the existence of the dominant eigenvalue of the single-particle density matrix. The statistical properies and the characteristics temperature are computed exactly in the soluble models of two interacting atoms.