(kertlis/iStock/Getty Plus) In den 1920er Jahren, als das Gebiet der Quantenphysik noch in den Kinderschuhen steckte, hatte ein französischer Wissenschaftler namens Louis de Broglie eine faszinierende Idee.
Als Reaktion auf die Verwirrung darüber, ob Licht und Materie grundsätzlich Teilchen oder Wellen seien, schlug er eine Alternative vor: Was wäre, wenn beides wahr wäre? Was wäre, wenn die Wege, die Quantenobjekte nehmen, von etwas geleitet würden, das sich wie eine Meereswelle hob und senkte?
Seine Hypothese war die Grundlage dessen, was später werden sollte Pilotwellentheorie , aber es war nicht ohne Probleme. So wurde sie, wie jede schöne Idee, die angesichts des Experiments scheitert, schnell zu einem Relikt der Wissenschaftsgeschichte.
Heutzutage befürwortet die Mehrheit der Physiker das sogenannte „ Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik“, die im Allgemeinen den Teilchen erst dann genaue Orte und Impulse gibt, wenn sie gemessen und damit beobachtet werden.
Die Pilotwellentheorie hingegen legt nahe, dass Teilchen jederzeit präzise Positionen haben. Damit dies jedoch der Fall ist, muss die Welt auch in anderer Hinsicht seltsam sein – was dazu führte, dass viele Physiker diese Idee verwarfen.
Doch irgendetwas an den surfenden Teilchen von De Broglie macht es unmöglich, sie in Ruhe zu lassen, und im letzten Jahrhundert tauchte die Idee immer häufiger in der modernen Physik auf.
Für einige ist es ein Konzept, das es endlich könnte Helfen Sie dem Universum, einen Sinn zu finden – von den kleinsten Quantenteilchen bis zu den größten Galaxien.
Was ist eine Pilotwelle?
Um besser zu verstehen, was eine Pilotwelle ist, ist es hilfreich, zunächst zu verstehen, was sie nicht ist.
In den 1920er Jahren waren die Physiker verblüfft über hochpräzise Experimente mit Licht und subatomaren Teilchen und darüber, warum ihr Verhalten eher dem einer Welle als dem eines Teilchens ähnelte.
Die Ergebnisse ließen sich am besten durch ein neues Gebiet der Mathematik erklären, das die Wahrscheinlichkeitstheorie mit der Mechanik des Wellenverhaltens verknüpft.
Für theoretische Physiker wie den dänischen Theoretiker Niels Bohr und seinen deutschen Kollegen Werner Heisenberg, die die Grundlagen der Kopenhagener Interpretation legten, bestand die wirtschaftlichste Erklärung darin, die Wahrscheinlichkeit zu berücksichtigen als grundlegender Bestandteil der Natur . Was sich wie eine Welle verhielt, war eine inhärente Unsicherheit am Werk.
Dabei handelt es sich nicht nur um die Art von Unsicherheit, die mangelndes Wissen mit sich bringt. Laut Bohr war es so, als ob das Universum sich noch nicht entschieden hätte, wo es ein Teilchen platzieren sollte, in welche Richtung es sich drehen sollte und welche Art von Impuls es haben könnte. Von diesen Eigenschaften könne, so behauptete er, erst dann gesprochen werden, wenn eine Beobachtung gemacht worden sei.
Was das alles auf einer intuitiven Ebene bedeutet, ist schwer zu sagen. Vor der Quantenphysik war die Wahrscheinlichkeitsmathematik ein Werkzeug zur Vorhersage des Würfelwurfs oder der Drehung eines Rades. Wir können uns einen Stapel Spielkarten vorstellen, der kopfüber auf einem Tisch liegt und dessen verborgene Reihenfolge festgehalten ist. Die Mathematik ordnet lediglich unsere Unwissenheit, während im Hintergrund die Realität mit hundertprozentiger Sicherheit existiert.
Nun schlugen die Physiker eine Variante der Wahrscheinlichkeit vor, bei der es nicht um unsere Naivität ging. Und das ist nicht so einfach vorstellbar.
De Broglies Idee einer hypothetischen Welle sollte dem Begriff der Wahrscheinlichkeit eine Art Körperlichkeit zurückgeben. Die in Experimenten beobachteten verstreuten Muster aus Linien und Punkten sind genauso, wie sie scheinen – Folgen von Wellen, die durch ein Medium steigen und fallen, und unterscheiden sich kaum von einer Welle auf einem Teich.
Und irgendwo auf dieser Welle befindet sich ein tatsächliches Teilchen. Es hat eine tatsächliche Position, aber sein Schicksal hängt von Veränderungen im Fluss der Flüssigkeit ab, die es leitet.
Auf einer Ebene fühlt sich diese Idee richtig an. Es ist eine Metapher, mit der wir uns weitaus besser identifizieren können als mit der Metapher eines schwankenden Universums.
Aber experimentell war die Zeit für de Broglies einfache Idee nicht reif.
„Obwohl de Broglies Ansicht vernünftiger erscheint, führten einige seiner anfänglichen Probleme dazu, dass die wissenschaftliche Gemeinschaft Bohrs Ideen übernahm“, sagte Paulo Castro, Wissenschaftsphilosoph an der Universität Lissabon in Portugal, gegenüber Science Alert.
Bedeutender österreichischer Physiker Wolfgang Pauli , einer der Pioniere der Quantenphysik, wies damals darauf hin, dass das Modell von de Broglie beispielsweise Beobachtungen zur Teilchenstreuung nicht erkläre.
Es konnte auch nicht hinreichend erklärt werden, warum Partikel, die in der Vergangenheit miteinander interagiert haben, bei späterer Beobachtung korrelierende Eigenschaften aufweisen, ein Phänomen, das als bezeichnet wird Verstrickung .
Wann wurde die Pilotwellentheorie etabliert?
Etwa ein Vierteljahrhundert lang blieb de Broglies Vorstellung von Teilchen, die auf Wellen der Möglichkeiten reiten, im Schatten der grundlegenden Unsicherheit von Bohr und Heisenberg. Dann im Jahr 1952 Der amerikanische theoretische Physiker David Bohm kehrte mit seiner Version, die er Pilotwelle nannte, auf das Konzept zurück.
Ähnlich wie de Broglies Vorschlag kombinierte Bohms Pilotwellen-Hypothese Teilchen und Wellen als eine Partnerschaft, die unabhängig davon existierte, wer zuschaute. Wenn man jedoch in die Welle eingreift, verändern sich ihre Eigenschaften.
Im Gegensatz zu de Broglies Idee könnte dieser neue Vorschlag die verschlungenen Schicksale mehrerer durch Zeit und Entfernung getrennter Teilchen erklären, indem er sich auf das Vorhandensein eines Quantenpotentials beruft, das als Kanal für den Informationsaustausch zwischen Teilchen fungiert.
Pilotwellen, die heute allgemein als De-Broglie-Bohm-Theorie bezeichnet werden, haben in den vergangenen Jahrzehnten große Fortschritte gemacht.
„Die neue Haupthypothese ist, dass die Quantenwelle physikalische Informationen kodiert und als natürliches Rechengerät für mögliche Zustände fungiert“, sagt Castro.
„Man kann also jede beliebige Überlagerung von Zuständen als physikalische Informationen in der dreidimensionalen Welle kodieren.“ „Das Teilchen ändert seinen Zustand in einen anderen, indem es die richtigen Informationen aus der Welle liest.“
Warum wird die Pilotwellentheorie nicht allgemein akzeptiert?
Philosophisch gesehen ist eine Theorie nur so gut wie die experimentellen Ergebnisse, die sie erklären kann, und die Beobachtungen, die sie vorhersagen kann. So ansprechend eine Idee auch sein mag: Wenn sie nicht eine genauere Geschichte erzählen kann als ihre Konkurrenten, wird sie wahrscheinlich nicht viele Fans überzeugen.
Pilotwellen sind frustrierenderweise nicht in der Lage, zu einem robusten Modell der Natur beizutragen, da sie auf intuitive Weise gerade genug über die Quantenphysik erklären, um weiterhin Aufmerksamkeit zu erregen, aber nicht ganz genug, um das Drehbuch umzudrehen.
Welche Beweise gibt es für die Pilotwellentheorie?
Zum Beispiel, im Jahr 2005 Französische Forscher bemerkten, dass Öltröpfchen auf seltsame Weise über ein vibrierendes Ölbad hüpften und mit dem Medium in einer Rückkopplungsschleife interagierten, die eher an de Broglies wellenreitende Teilchen erinnerte. Entscheidend für ihre Beobachtungen war eine gewisse Quantisierung der Teilchenbewegungen, ähnlich den strengen Messungen, die die Bewegungen von Elektronen um den Atomkern begrenzen.
Die Ähnlichkeiten zwischen diesen Makrowellen und Quantenwellen waren faszinierend genug, um auf eine Art vereinheitlichende Mechanik hinzuweisen forderte weitere Untersuchungen .
Später testeten Physiker am Niels-Bohr-Institut der Universität Kopenhagen einer der quantenähnlichen Erkenntnisse basierend auf der Öltropfen-Analogie basierend auf ihren Interferenzmustern durch einen Klassiker Doppelspaltexperiment , Und konnten ihre Ergebnisse nicht reproduzieren . Sie entdeckten jedoch einen „interessanten“ Interferenzeffekt in den veränderten Bewegungen der Wellen, der uns mehr über Wellen einer Quantenart verraten könnte.
In einem bemerkenswerten Zufallsakt beteiligte sich auch Bohrs eigener Enkel – ein Fluidphysiker namens Tomas Bohr – an der Debatte: ein Gedankenexperiment vorschlagen Das schließt Pilotwellen effektiv aus.
Während Nullergebnisse und Gedankenexperimente die Grundprinzipien der heutigen Version der Pilotwellen von de Broglie-Bohm kaum widerlegen, verstärken sie die Herausforderungen, denen sich Befürworter gegenübersehen, wenn sie ihre Modelle zu einem echten Theoriestatus erheben.
„Der Wellenquantenspeicher ist ein leistungsstarkes Konzept, aber natürlich gibt es noch viel zu tun“, sagt Castro.
Könnte die Pilotwellentheorie die Zukunft der Quantenphysik sein?
Es ist klar, dass es im Herzen der Physik eine schmerzende Lücke gibt, eine Lücke, die nach einer intuitiven Erklärung dafür schreit, warum die Realität wellenartigen Mustern des Zufalls unterliegt.
Es ist möglich, dass die Dualität von Wellen und Teilchen in unserer täglichen Erfahrung keine Analogie hat. Aber die Idee eines wellenförmigen Mediums, das als eine Art Rechengerät für die Physik fungiert, ist einfach zu verlockend, um es in Ruhe zu lassen.
Damit die Pilotwellentheorie jedoch triumphieren kann, müssen Physiker einen Weg finden, einen Surfer aus seiner Quantenwelle herauszureißen und zu zeigen, dass die beiden unabhängig voneinander existieren können. Experimentell, das konnte erreicht werden indem man zwei Teilchen aussendet und eines durch Messung von seiner Umlaufbahn trennt.
„Dann lassen wir diese leere Quantenwelle mit der Welle des anderen Teilchens interferieren und verändern so das Verhalten des zweiten Teilchens“, sagt Castro. „Das haben wir zum ersten Mal vorgestellt Internationale Konferenz über Fortschritte in der Pilotwellentheorie .'
In der Praxis müssten die zur Erkennung eines solchen Ereignisses erforderlichen Geräte äußerst empfindlich sein. Dies liegt nicht außerhalb der Grenzen der Machbarkeit, aber es ist eine Aufgabe, die geduldig auf eine Gelegenheit wartet. Leere Pilotwellen könnten sogar der Schlüssel zur Lösung praktischer Probleme in der Quantenberechnung sein, indem sie die Wellen weniger anfällig für Umgebungsrauschen machen.
Zukünftige Physiker könnten irgendwann auf Beobachtungen stoßen, die uns den Zugang zu einem Universum eröffnen, das bis in seine Wurzeln Sinn ergibt. Sollten Experimente etwas entdecken, wäre das ein handfester Hinweis darauf, dass das Herz der Physik alles andere als leer, sondern pulsierend schlägt. Auch wenn niemand zuschaut.
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