Die Suche nach Abweichungen von der Standard-Quantenmechanik

PHYSIK IM THEATER: Wie groß ist ein Proton? (08.09.2018) (Juni 2019).

Anonim

Physiker haben nach Abweichungen von der Standard-Quantenmechanik gesucht und getestet, ob die Quantenmechanik komplexere mathematische Regeln erfordert. Dazu entwickelte ein Forscherteam um Philip Walther von der Universität Wien ein neues photonisches Experiment mit exotischen Metamaterialien, das an der University of California Berkeley hergestellt wurde. Ihr Experiment unterstützt die Standard-Quantenmechanik und erlaubt es den Wissenschaftlern, alternative Quantentheorien zu begrenzen. Die Ergebnisse, die in Nature Communications veröffentlicht werden, könnten dazu beitragen, die theoretische Arbeit bei der Suche nach einer allgemeineren Version der Quantenmechanik zu unterstützen.

Die Quantenmechanik basiert auf einer Reihe mathematischer Regeln, die beschreiben, wie die Quantenwelt funktioniert. Diese Regeln sagen zum Beispiel voraus, wie Elektronen einen Atomkern umkreisen und wie ein Atom Photonen, Lichtteilchen, absorbieren kann. Die Standardregeln der Quantenmechanik funktionieren sehr gut, aber da es noch offene Fragen zur Interpretation der Quantenmechanik gibt, sind sich die Wissenschaftler nicht sicher, ob die aktuellen Regeln die letzte Geschichte sind. Dies hat einige Wissenschaftler dazu motiviert, alternative Versionen der mathematischen Regeln zu entwickeln, die in der Lage sind, die Ergebnisse früherer Experimente richtig zu erklären, aber neue Einblicke in die zugrunde liegende Struktur der Quantenmechanik liefern. Einige dieser alternativen mathematischen Regeln sagen sogar neue Effekte voraus, die neue experimentelle Tests erfordern.

Alltägliche Erfahrung mathematischer Regeln

Wenn wir im Alltag um einen Park herumlaufen, landen wir am selben Ort, egal ob wir im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn gehen. Physiker würden sagen, dass diese beiden Aktionen pendeln. Nicht jede Aktion muss jedoch pendeln. Wenn wir bei unserem Spaziergang durch den Park im Uhrzeigersinn laufen und zuerst Geld auf dem Boden liegen sehen und dann einem Eismann begegnen, werden wir den Park erfrischt verlassen. Wenn wir jedoch stattdessen gegen den Uhrzeigersinn fahren, werden wir den Eismann sehen, bevor wir das Geld finden, das benötigt wird, um das Eis zu kaufen. In diesem Fall können wir den Park enttäuscht verlassen. Um zu bestimmen, welche Aktionen pendeln oder nicht pendeln, liefern Physiker eine mathematische Beschreibung der physikalischen Welt.

In der Standard-Quantenmechanik verwenden diese mathematischen Regeln komplexe Zahlen. Kürzlich wurde jedoch eine alternative Version der Quantenmechanik vorgeschlagen, die komplexere, sogenannte "hyperkomplexe" Zahlen verwendet. Dies sind Verallgemeinerungen komplexer Zahlen. Mit den neuen Regeln können Physiker die meisten Vorhersagen der Standard-Quantenmechanik replizieren. Hyperkomplexe Regeln sagen jedoch voraus, dass einige Operationen, die in der Standard-Quantenmechanik pendeln, tatsächlich nicht in der realen Welt pendeln.

Suche nach hyperkomplexen Zahlen

Ein Forscherteam unter der Leitung von Philip Walther hat nun auf Abweichungen von der Standardquantenmechanik getestet, die von der alternativen hyperkomplexen Quantentheorie vorhergesagt wurden. In ihrem Experiment ersetzten die Wissenschaftler den Park durch ein Interferometer, ein Gerät, das es einem einzelnen Photon ermöglicht, zwei Wege gleichzeitig zurückzulegen. Sie ersetzten das Geld und die Eiscreme durch ein normales optisches Material und ein speziell entwickeltes Metamaterial. Das normale optische Material verlangsamte das Licht leicht, während das Metamaterial das Licht leicht beschleunigte.

Die Regeln der Standardquantenmechanik schreiben vor, dass Licht sich gleich verhält, egal ob es zuerst durch ein normales Material und dann durch ein Metamaterial oder umgekehrt läuft. Mit anderen Worten, die Wirkung der beiden Materialien auf das Licht pendelt. In der hyperkomplexen Quantenmechanik ist dies jedoch möglicherweise nicht der Fall. Aus dem Verhalten der gemessenen Photonen verifizierten die Physiker, dass hyperkomplexe Regeln zur Beschreibung des Experiments nicht erforderlich waren. "Wir konnten sehr genaue Grenzen für die Notwendigkeit hyperkomplexer Zahlen setzen, um unser Experiment zu beschreiben", sagt Lorenzo Procopio, ein Hauptautor der Studie. Die Autoren sagen jedoch, dass es immer sehr schwierig ist, etwas eindeutig zu entkräften. Lee Rozema, ein anderer Autor des Artikels, sagt: "Wir sind immer noch sehr daran interessiert, Experimente unter anderen Bedingungen und mit noch höherer Präzision durchzuführen, um mehr Beweise für die Unterstützung der Standard-Quantenmechanik zu sammeln." Diese Arbeit hat der Notwendigkeit einer hyperkomplexen Quantentheorie enge Grenzen gesetzt, aber es gibt noch viele andere Alternativen, die getestet werden müssen, und die neu entwickelten Werkzeuge bieten dafür den perfekten Weg.

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