Søgningen efter afvigelser fra standard kvantemekanik

Fysikere har søgt efter afvigelser fra standard kvantemekanik, teste om kvantemekanik kræver et mere komplekst sæt matematiske regler. For at gøre dette designede et forskerhold under ledelse af Philip Walther ved universitetet i Wien et nyt fotonisk eksperiment ved hjælp af eksotiske metamaterialer, som blev fremstillet ved University of California Berkeley. Deres eksperiment understøtter standard kvantemekanik og giver forskerne mulighed for at sætte grænser for alternative kvanteteorier. Resultaterne, som udgives i Naturkommunikation , kunne hjælpe med at guide teoretisk arbejde i en søgning efter en mere generel version af kvantemekanik.

Kvantemekanik er baseret på et sæt matematiske regler, beskriver hvordan kvanteverdenen fungerer. Disse regler forudsiger, for eksempel, hvordan elektroner kredser om en kerne i et atom, og hvordan et atom kan absorbere fotoner, lyspartikler. Standardreglerne for kvantemekanik fungerer ekstremt godt, men, i betragtning af at der stadig er åbne spørgsmål vedrørende fortolkningen af ​​kvantemekanik, forskere er ikke sikre på, om de nuværende regler er den sidste historie. Dette har motiveret nogle forskere til at udvikle alternative versioner af de matematiske regler, som er i stand til korrekt at forklare resultaterne af tidligere eksperimenter, men giver ny indsigt i kvantemekanikkens underliggende struktur. Nogle af disse alternative matematiske regler forudsiger endda nye effekter, som kræver nye eksperimentelle tests.

Daglig oplevelse af matematiske regler

I hverdagen, hvis vi går hele vejen rundt i en park, ender vi tilbage samme sted, uanset om vi vælger at gå med eller mod uret. Fysikere vil sige, at disse to handlinger pendler. Ikke alle handlinger behøver at pendle, selvom. Hvis, på vores tur rundt i parken, vi går med uret, og først finde penge liggende på jorden og derefter støde på en ismand, vi forlader parken og føler os forfriskede. Imidlertid, hvis vi i stedet rejser mod uret, vi vil se ismanden, inden vi finder de penge, der er nødvendige for at købe isen. I det tilfælde, vi kan forlade parken og føle os skuffede. For at afgøre, hvilke handlinger der pendler eller ikke pendler, giver fysikere en matematisk beskrivelse af den fysiske verden.

I standard kvantemekanik, disse matematiske regler bruger komplekse tal. Imidlertid, for nylig blev der foreslået en alternativ version af kvantemekanik, der bruger mere kompleks, såkaldte "hyperkomplekse" tal. Disse er en generalisering af komplekse tal. Med de nye regler, fysikere kan replikere de fleste forudsigelser af standard kvantemekanik. Imidlertid, hyperkomplekse regler forudsiger, at nogle operationer, der pendler i standard kvantemekanik, faktisk ikke pendler i den virkelige verden.

Søger efter hyperkomplekse tal

Et forskerhold ledet af Philip Walther har nu testet for afvigelser fra standard kvantemekanik forudsagt af den alternative hyperkompleks kvante teori. I deres eksperiment erstattede forskerne parken med et interferometer, en enhed, der gør det muligt for en enkelt foton at rejse to stier på samme tid. De erstattede penge og is med et normalt optisk materiale og et specialdesignet metamateriale. Det normale optiske materiale bremsede lyset lidt, da det passerede igennem, der henviser til, at metamaterialet øgede lyset lidt.

Reglerne for standard kvantemekanik dikterer, at lys opfører sig det samme, uanset om det først passerer gennem et normalt materiale og derefter gennem et metamateriale eller omvendt. Med andre ord, virkningen af ​​de to materialer på lyset pendler. I hyperkompleks kvantemekanik, imidlertid, det er måske ikke tilfældet. Ud fra de målte fotons adfærd verificerede fysikerne, at hyperkompleks regler ikke var nødvendige for at beskrive eksperimentet. "Vi var i stand til at sætte meget præcise grænser for behovet for hyperkomplekse tal for at beskrive vores eksperiment, "siger Lorenzo Procopio, en hovedforfatter af undersøgelsen. Imidlertid, forfatterne siger, at det altid er meget svært at utvetydigt udelukke noget. Lee Rozema, en anden forfatter til papiret, siger "vi er stadig meget interesserede i at udføre eksperimenter under forskellige forhold og med endnu højere præcision, at indsamle flere beviser, der understøtter standard kvantemekanik. "Dette arbejde har sat stramme grænser for behovet for en hyperkompleks kvanteteori, men der er mange andre alternativer, der skal testes, og de nyudviklede værktøjer giver den perfekte vej til dette.