Die seltsame Bewegung von Neutronen beweist, dass die Natur grundsätzlich seltsam ist: ScienceAlert

Die seltsame Bewegung von Neutronen beweist, dass die Natur grundsätzlich seltsam ist: ScienceAlert

Auf den kleinsten Skalen gilt unsere intuitive Sicht auf die Realität nicht mehr. Es ist, als wäre die Physik grundsätzlich nicht schlüssig, eine Tatsache, die umso schwerer zu ignorieren ist, je näher wir den Teilchen kommen, die unser Universum in Pixel unterteilen.

Um es besser zu verstehen, mussten Physiker kreativ werden Ein völlig neues Framework Die Quantentheorie ist eine Theorie, die auf Wahrscheinlichkeit und nicht auf Gewissheit basiert. Das ist Quantentheorie und sie beschreibt alle Arten von Phänomenen, von der Verschränkung bis zur Überlagerung.

Aber trotz eines Jahrhunderts an Experimenten, die gezeigt haben, wie nützlich die Quantentheorie zur Erklärung dessen ist, was wir sehen, ist es schwierig, von unserer „klassischen“ Ansicht loszukommen, dass die Bausteine ​​des Universums verlässliche Bestandteile von Zeit und Raum sind. Selbst dann können wir uns nicht vorstellen, dass die Quantentheorie zur Erklärung dessen, was wir sehen, nützlich ist. Einstein wurde gezwungen Um einen Physikerkollegen zu fragen: „Glauben Sie wirklich, dass der Mond nicht existiert, wenn Sie ihn nicht betrachten?“

Viele Physiker fragen sich seit Jahrzehnten, ob die Physik, die wir zur Beschreibung makroskopischer Experimente verwenden, irgendwie zur Erklärung der gesamten Quantenphysik genutzt werden kann.

Eine neue Studie hat auch herausgefunden, dass die Antwort ein klares „Nein“ ist.

Konkret werden Neutronen in einen Strahl geschossen Neutroneninterferometer Es kann an zwei Orten gleichzeitig existieren, was in der klassischen Physik unmöglich ist.

Der Test basiert auf einer mathematischen Behauptung namens Ungleichheit im Leggett-Garg-Theorem, was besagt, dass sich das System immer in einem von zwei verfügbaren Zuständen befindet. Im Wesentlichen ist Schrödingers Katze entweder lebendig oder tot, und wir können bestimmen, in welchem ​​Zustand sie sich befindet, ohne dass unsere Messungen einen Einfluss auf das Ergebnis haben.

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Große Systeme – solche, die wir allein mit der klassischen Physik zuverlässig verstehen können – gehorchen der Leggett-Garg-Ungleichung. Aber Systeme in der Quantenwelt verstoßen dagegen. Die Katze ist gleichzeitig lebendig und tot, was eine Analogie zur Quantenüberlagerung darstellt.

„Die Idee dahinter ähnelt der bekannteren Bellsche Ungleichung„, für die 2022 der Nobelpreis für Physik verliehen wurde“, sagt die Physikerin Elizabeth Kreuzgruber Von der Technischen Universität Wien.

„Die Bellsche Ungleichung betrifft jedoch die Frage, wie stark das Verhalten eines Teilchens mit einem anderen quantenverschränkten Teilchen zusammenhängt. Die Leggett-Garg-Ungleichung betrifft nur ein Objekt und stellt die Frage: Wie hängt sein Zustand zu bestimmten Zeitpunkten mit dem zusammen?“ Zustand desselben Objekts zu anderen bestimmten Zeitpunkten?

Bei der Neutroneninterferometrie wird ein Neutronenstrahl auf ein Ziel abgefeuert. Während das Paket das Gerät durchläuft, teilt es sich in zwei Teile auf, wobei jedes Ende des Pakets separate Pfade nimmt, um später wieder zusammengesetzt zu werden.

Der Satz von Leggett und Garg besagt, dass eine Messung an einem einfachen Binärsystem tatsächlich zwei Ergebnisse liefern kann. Wenn Sie es in der Zukunft erneut messen, werden diese Ergebnisse korrelieren, jedoch nur bis zu einem bestimmten Punkt.

Ein Diagramm des Experiments, das zeigt, wie der Neutronenstrahl vor der Rekombination in zwei Hälften geteilt wird. (Technische Universität Wien)

Für Quantensysteme gilt der Satz von Leggett und Garg nicht mehr, sodass Korrelationen über diesem Schwellenwert möglich sind. Tatsächlich würde dies Forschern eine Möglichkeit geben, zu unterscheiden, ob ein System Quantentheorie benötigt, um es zu verstehen.

„Allerdings ist es nicht einfach, dieses Problem experimentell zu untersuchen“ sagt der Physiker Richard Wagner Von der Technischen Universität Wien. „Wenn wir den makroskopischen Realismus testen wollen, brauchen wir ein Objekt, das in gewissem Sinne makroskopisch ist, also in seiner Größe der Größe unserer üblichen Alltagsgegenstände ähnelt.“

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Um dies zu erreichen, liegt der Abstand zwischen den beiden Teilen des Neutronenstrahls im Interferometer auf einer Skala, die größer als eine Quantenskala ist.

„Die Quantentheorie besagt, dass sich jedes Neutron gleichzeitig auf beiden Wegen bewegt.“ Sagt der Physiker Niels Gerrits Von der Technischen Universität Wien. „Allerdings sind die beiden Teilstrahlen mehrere Zentimeter voneinander entfernt. Wir haben es gewissermaßen mit einem Quantenobjekt zu tun, das für Quantenmaßstäbe massereich ist.“

Mithilfe verschiedener Messmethoden untersuchten die Forscher die Neutronenstrahlen zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Tatsächlich waren die Messungen zu eng miteinander verknüpft, um klassische Regeln auf die Gesamtrealität anzuwenden. Ihre Messungen deuten darauf hin, dass sich die Neutronen tatsächlich gleichzeitig auf zwei getrennten Bahnen bewegten, die mehrere Zentimeter voneinander entfernt waren.

Es ist nur die neueste Version in Eine lange Reihe von Liggett-Garg-Experimenten Dies zeigt, dass wir tatsächlich die Quantentheorie brauchen, um das Universum, in dem wir leben, zu beschreiben.

„Unser Experiment zeigt, dass die Natur tatsächlich so seltsam ist, wie die Quantentheorie behauptet.“ sagt der Physiker Stefan Sponar Von der Technischen Universität Wien. „Egal welche realistische klassische Theorie man sich ausdenkt: Sie wird die Realität nie erklären können. Ohne Quantenphysik geht es nicht.“

Die Forschung wurde veröffentlicht in Materialbewertungsschreiben.

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