Natuurkundigen hebben gezocht naar afwijkingen van de standaard kwantummechanica, testen of de kwantummechanica een complexere reeks wiskundige regels vereist. Om dit te doen ontwierp een onderzoeksteam onder leiding van Philip Walther van de Universiteit van Wenen een nieuw fotonisch experiment met exotische metamaterialen, die werden vervaardigd aan de University of California Berkeley. Hun experiment ondersteunt de standaard kwantummechanica en stelt de wetenschappers in staat grenzen te stellen aan alternatieve kwantumtheorieën. De resultaten, die zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie , zou kunnen helpen om theoretisch werk te begeleiden bij het zoeken naar een meer algemene versie van de kwantummechanica.

Kwantummechanica is gebaseerd op een reeks wiskundige regels, beschrijven hoe de kwantumwereld werkt. Deze regels voorspellen, bijvoorbeeld, hoe elektronen om een ​​kern in een atoom draaien, en hoe een atoom fotonen kan absorberen, deeltjes licht. De standaardregels van de kwantummechanica werken buitengewoon goed, maar, aangezien er nog openstaande vragen zijn over de interpretatie van de kwantummechanica, wetenschappers weten niet zeker of de huidige regels het laatste verhaal zijn. Dit heeft sommige wetenschappers gemotiveerd om alternatieve versies van de wiskundige regels te ontwikkelen, die de resultaten van eerdere experimenten goed kunnen verklaren, maar bieden nieuw inzicht in de onderliggende structuur van de kwantummechanica. Sommige van deze alternatieve wiskundige regels voorspellen zelfs nieuwe effecten, waarvoor nieuwe experimentele tests nodig zijn.

Dagelijkse ervaring met wiskundige regels

In het dagelijkse leven, als we helemaal rond een park lopen, komen we terug op dezelfde plek, ongeacht of we ervoor kiezen om met de klok mee of tegen de klok in te lopen. Natuurkundigen zouden zeggen dat deze twee acties pendelen. Niet elke actie hoeft te pendelen, Hoewel. Indien, tijdens onze wandeling door het park, wij lopen met de klok mee, en eerst geld vinden dat op de grond ligt en dan een ijscoman tegenkomen, we zullen het park verfrist verlaten. Echter, als we in plaats daarvan tegen de klok in reizen, we zullen de ijsman zien voordat we het geld vinden dat nodig is om het ijs te kopen. In dat geval, we kunnen het park verlaten met een teleurgesteld gevoel. Om te bepalen welke handelingen pendelen of niet pendelen geven natuurkundigen een wiskundige beschrijving van de fysieke wereld.

In de standaard kwantummechanica, deze wiskundige regels gebruiken complexe getallen. Echter, onlangs werd een alternatieve versie van de kwantummechanica voorgesteld die gebruikmaakt van complexere, zogenaamde "hypercomplexe" getallen. Dit is een generalisatie van complexe getallen. Met de nieuwe regels, natuurkundigen kunnen de meeste voorspellingen van de standaard kwantummechanica repliceren. Echter, hypercomplexe regels voorspellen dat sommige operaties die pendelen in de standaard kwantummechanica niet echt pendelen in de echte wereld.

Zoeken naar hypercomplexe getallen

Een onderzoeksteam onder leiding van Philip Walther heeft nu getest op afwijkingen van de standaard kwantummechanica voorspeld door de alternatieve hypercomplexe kwantumtheorie. In hun experiment vervingen de wetenschappers het park door een interferometer, een apparaat waarmee een enkel foton twee paden tegelijk kan afleggen. Ze vervingen het geld en het ijs door een normaal optisch materiaal en een speciaal ontworpen metamateriaal. Het normale optische materiaal vertraagde het licht enigszins terwijl het erdoorheen ging, terwijl het metamateriaal het licht iets versnelde.

De regels van de standaard kwantummechanica schrijven voor dat licht zich hetzelfde gedraagt, ongeacht of het eerst door een normaal materiaal gaat en vervolgens door een metamateriaal of omgekeerd. Met andere woorden, de werking van de twee materialen op het licht pendelt. In hypercomplexe kwantummechanica, echter, dat is misschien niet het geval. Aan de hand van het gedrag van de gemeten fotonen hebben de natuurkundigen vastgesteld dat er geen hypercomplexe regels nodig waren om het experiment te beschrijven. "We waren in staat om zeer precieze grenzen te stellen aan de behoefte aan hypercomplexe getallen om ons experiment te beschrijven, " zegt Lorenzo Procopio, een hoofdauteur van de studie. Echter, de auteurs zeggen dat het altijd heel moeilijk is om iets eenduidig ​​uit te sluiten. Lee Rozema, een andere auteur van het artikel, zegt:"we zijn nog steeds erg geïnteresseerd in het uitvoeren van experimenten onder verschillende omstandigheden en met nog hogere precisie, om meer bewijs te verzamelen dat de standaard kwantummechanica ondersteunt." Dit werk heeft strikte grenzen gesteld aan de noodzaak van een hypercomplexe kwantumtheorie, maar er zijn veel andere alternatieven die moeten worden getest, en de nieuw ontwikkelde tools bieden hiervoor de perfecte mogelijkheid.