Wiener Physiker widerlegen Alternative zur Quantentheorie

7. Mai 2017, 11:02
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Experiment unter Einsatz eines speziellen Metamaterials bestätigt Standardtheorie

Wien – Die Quantenmechanik ist zwar eine der am besten bestätigten Theorien in der Physik, dennoch wird sie fortlaufend von Wissenschaftern auf die Probe gestellt und mit möglichen alternativen Ansätze verglichen. Wiener Physiker haben nun ein Experiment durchgeführt, das einen dieser Ansätze stark eingrenzt und die Standardtheorie bestätigt, wie die Forscher im Fachjournal "Nature Communicatons" berichten.

Das Grundgerüst jeder physikalischen Theorie ist die Mathematik. Während die einfacheren Zahlenmodelle noch Teil des Lehrstoffs in den Schulen sind, gibt es auch wesentlich kompliziertere Varianten, die im Alltag so gut wie keine Rolle mehr spielen. Eine davon sind sogenannte hyperkomplexe Zahlen, eine Verallgemeinerung der komplexen Zahlen.

Quantentheorie in hyperkomplexen Zahlen

Bereits in den 1930er Jahren haben Physiker gezeigt, dass die Quantentheorie, die standardmäßig durch komplexe Zahlen beschrieben wird, auch mithilfe hyperkomplexer Zahlen formuliert werden kann. "So etwas ist grundsätzlich sehr interessant, weil es die Möglichkeit birgt, unser Verständnis der Quantenwelt zu erweitern", erklärt Philip Walther, Leiter der Gruppe für Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation an der Universität Wien und Mitautor der aktuellen Studie.

Um die alternative Theorie zu testen, entwickelten Walther und seine Kollegen nun ein Experiment, das die Unterschiede zwischen den beiden zugrunde liegenden Zahlenmodellen besonders stark zum Ausdruck bringen sollte. Dazu ließen sie einen Lichtstrahl hintereinander und in verschiedener Reihenfolge zwei möglichst unterschiedliche physikalische Prozesse durchlaufen.

"Man kann sich das Experiment vorstellen wie eine Straße mit unterschiedlichen Streckenabschnitten", erklärt Walther. "Es gibt einen Teil, in dem man die Geschwindigkeit reduzieren muss, etwa eine Baustelle, und einen anderen Teil, in dem man mit besonders hoher Geschwindigkeit fahren kann." Im Normalfall sollte es keinen Unterschied machen, in welcher Reihenfolge die Streckenabschnitte durchlaufen werden – man ist immer gleich schnell am Ziel. Eine der Aussagen der alternativen Theorie wäre dagegen gewesen, dass ein Vertauschen der Reihenfolge auch zu einem anderen Ergebnis führt.

Metamaterial mit speziellen Eigenschaften

Zur Änderung der Phasengeschwindigkeit der Lichtwelle verwendeten die Forscher eine künstlich hergestellte Nanostruktur – ein sogenanntes Metamaterial, das besondere Eigenschaften aufweist, die in natürlich vorkommenden Materialien nicht auftreten. Zur Verlangsamung wiederum schickten sie den Strahl durch einen Flüssigkristall.

Obwohl es sich um zwei völlig unterschiedliche physikalische Prozesse handelte, zeigte das Experiment keine Abhängigkeit von der Reihenfolge, in der sie durchlaufen wurden. Die Quantentheorie kann also – zumindest vorerst – so bleiben wie sie ist. (APA, red, 7.5.2017)

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