Standardtheorie bestätigt

Physiker widerlegen Alternative zur Quantentheorie

D. Lenz

Immer wieder stellen Physiker die Quantenmechanik durch neue Experimente auf die Probe. Ein neues Experiment unter dem Einsatz eines besonderen Metamaterials bestätigte nun erneut die Standardtheorie.

Wien (Österreich). In der Physik können Wissenschaftler nicht sagen was richtig ist, sondern nur was nicht falsch ist. Die Physiker sprechen hier von der Falsifikation. Aus diesem Grund werden Standardtheorien auch immer wieder neu getestet. Die Quantenmechanik gehört zwar mit zu den am besten bestätigten Theorien in der Physik, dennoch haben Wiener Physiker sie kürzlich erneut durch ein Experiment verifizieren können und dabei die Falschheit einer alternativen Theorie bestätigen können, wie die Physiker im Fachmagazin Nature berichten.

Von komplexen und hyperkomplexen Zahlen

Die Mathematik ist das Fundament jeder physikalischen Theorie. Zwar sind einfache Zahlenmodelle Teil des Grundstoffes in den schulischen Lehrbüchern, aber die Mathematik bietet noch wesentlich kompliziertere Varianten, die im normalen Alltag der meisten Menschen keine Rolle mehr spielt. Eine dieser mathematischen Varianten sind die sogenannten hyperkomplexen Zahlen, eine Verallgemeinerung der komplexen Zahlen.

Schon in den 1930er Jahren haben Physiker gezeigt, dass sich die Quantentheorie nicht nur durch komplexe Zahlen, sondern auch durch hyperkomplexe Zahlen beschreiben lässt. „So etwas ist grundsätzlich äußerst interessant, weil es die Möglichkeit birgt, unser Verständnis der Quantenwelt zu erweitern“, erläutert der Leiter der Gruppe für Quantenoptik, Quantennanophysik und Quanteninformation Philip Walther von der Universität Wien.

Um eine alternative Quantentheorie zu testen haben Walther und seine Kollegen ein Experiment entwickelt, dass die Unterschiede zwischen den beiden Zahlenmodellen eindrucksvoll zum Ausdruck bringen sollte. Dazu ließen die Physiker einen Lichtstrahl hintereinander und in unterschiedlichen Reihenfolgen zwei möglichst unterschiedliche Prozesse durchlaufen.

„Man kann sich das Experiment wie eine Straße mit unterschiedlichen Streckenabschnitten vorstellen“, beschreibt 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.“ Normalerweise sollte es keinen Unterschied machen, in welcher Reihenfolge das Licht die Streckenabschnitte passiert – das Licht ist immer nach der selben Zeit am Ziel. Eine Aussage der alternativen Quantentheorie wäre gewesen, dass das Verändern der Reihenfolge der Hindernisse auch zu einem anderen Ergebnis führt.

Metamaterial ermöglichte das Experiment

Um die Phasengeschwindigkeit der Lichtwelle zu ändern, verwendeten die Physiker für ihr Experiment ein spezielles Metamaterial mit einer besonderen Nanostruktur, welche so in der Natur nicht auftritt. Zur Verlangsamung der Lichtwelle nutzten die Wissenschaftler hingegen eine Flüssigkeit.

Obwohl das Durchlaufen der beiden Materialien mit völlig unterschiedlichen physikalischen Prozessen verbunden ist, zeigte das Experiment keine Abhängigkeit der Reihenfolge, in der sie passiert wurden. Somit hat sich an der Standardquantentheorie nicht geändert – vorerst.

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