Kwantummechanica is een buitengewoon succesvolle manier om de fysieke wereld op extreem kleine schaal te begrijpen. Er doorheen, een handvol regels kan worden gebruikt om de meeste experimenteel waarneembare verschijnselen te verklaren. Zo nu en dan, echter, we stuiten op een probleem in de klassieke mechanica dat bijzondere moeilijkheden oplevert voor vertaling naar de kwantumwereld.

Een nieuwe studie gepubliceerd in Het European Physical Journal D heeft inzicht gegeven in een van hen:momentum. De auteurs, theoretisch fysici Fabio Di Pumpo en Matthias Freyberger van de Universiteit van Ulm, Duitsland, presenteren een elegant wiskundig model van kwantummomentum dat toegankelijk is via een ander klassiek concept:time-of-flight.

Veel mensen zullen zich de traditionele definitie van momentum uit de natuurkunde van de middelbare school herinneren als het product van de massa van een object en de snelheid waarmee het reist. In de kwantumtheorie wordt een object weergegeven door een golffunctie en kan de positie ervan niet worden bepaald tenzij de golffunctie in een enkele toestand wordt 'ingestort'. Dit is de essentie van meten in de kwantummechanica.

Klassiek momentum kan eenvoudig worden verkregen door de tijd te meten die een object nodig heeft om tussen twee stationaire detectoren te passeren ('time-of-flight'), de snelheid vinden en vermenigvuldigen met de massa. Di Pumpo en Freyberger hebben een model ontwikkeld van het kwantumequivalent van dit experiment waarin de rollen van tijd en afstand zijn omgekeerd:de tijdstippen zijn vast, en de probabilistische posities van een golffunctie op elk punt, en dus de afstand tussen hen, geschatte. Deze benadering maakt gebruik van aanvullende kwantumsystemen, pointers genaamd, die zijn gekoppeld aan een bewegend golfpakket met behulp van een methode die is ontwikkeld door von Neumann, met metingen naar de wijzers in plaats van naar de golf.

Di Pumpo en Freyberger konden zo een honkslag afleiden, meetbare hoeveelheid die een kwantumequivalent is van de klassieke vluchttijd, en om op basis hiervan het momentum van een kwantumdeeltje heel precies te berekenen. Ze sluiten het artikel af met suggesties om de nauwkeurigheid van de meting verder te verbeteren.