Wiener Physiker widerlegen alternative Quantentheorie

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.

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 gegenüber der APA.

Lichtrennen

Um die alternative Theorie zu testen, ersonnen 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.

Alles beim Alten

Zur Beschleunigung des Lichts (konkret der Phasengeschwindigkeit der Lichtwelle, die unter bestimmten Bedingungen schneller als die Lichtgeschwindigkeit sein kann) 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.