Könnte eine vernachlässigte Quantentheorie dem Universum helfen, wieder Sinn zu machen?

In den 1920er Jahren, als die Quantenphysik noch in den Kinderschuhen steckte, hatte ein französischer Wissenschaftler namens Louis de Broglie eine faszinierende Idee.

Als Antwort auf die Verwirrung, ob Licht und Materie im Wesentlichen Teilchen oder Wellen seien, schlug er eine Alternative vor: Was wäre, wenn beides wahr wäre? Was wäre, wenn die Pfade von Quantenobjekten von etwas geleitet würden, das sich wie eine Meereswelle auf und ab bewegte?

Seine Hypothese war die Grundlage dessen, was später werden sollte Pilotwellentheorie, aber es war nicht ohne Probleme. Wie jede schöne Idee, die angesichts der Erfahrung ins Stocken geraten ist, wurde sie also schnell zu einem Relikt der Wissenschaftsgeschichte.

Heute vertritt die Mehrheit der Physiker das sogenannte „Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik “, die im Allgemeinen nur dann genaue Orte und Impulse an Teilchen gibt, wenn sie gemessen und damit beobachtet werden.

Die Pilotwellentheorie hingegen legt nahe, dass Teilchen jederzeit genaue Positionen haben, aber dafür muss die Welt auch in anderer Hinsicht seltsam sein – was viele Physiker zur Ablehnung dieser Idee veranlasst hat.

Doch etwas an De Broglies Brandungspartikeln macht es unmöglich, sie in Ruhe zu lassen, und im letzten Jahrhundert taucht die Idee immer mehr in der modernen Physik auf.

Für einige ist es ein Konzept, das dem Universum endlich helfen könnte, Sinn zu machen – von den kleinsten Quantenteilchen bis zu den größten Galaxien.

Was ist eine Pilotwelle?

Um besser zu verstehen, was eine Pilotwelle ist, hilft es zunächst zu verstehen, was sie nicht ist.

In den 1920er Jahren waren Physiker verblüfft über sehr genaue Experimente mit leichten und subatomaren Teilchen und warum ihr Verhalten eher einer Welle als einem Teilchen ähnelte.

Die Ergebnisse ließen sich am besten durch ein neues Gebiet der Mathematik erklären, das die Wahrscheinlichkeitstheorie in die Mechanik des Wellenverhaltens einbezog.

Für theoretische Physiker wie den dänischen Theoretiker Niels Bohr und seinen deutschen Kollegen Werner Heisenberg, die den Grundstein für die Kopenhagener Deutung legten, bestand die wirtschaftlichste Erklärung darin, die Wahrscheinlichkeit zu behandeln als elementarer Bestandteil der Natur. Was sich wie eine Welle verhielt, war eine inhärente Unsicherheit bei der Arbeit.

Es ist nicht nur die Unsicherheit, die mangelndes Wissen mit sich bringt. Laut Bohr war es so, als ob das Universum sich noch entscheiden müsste, wo ein Teilchen platziert werden soll, in welche Richtung es sich drehen soll und welche Art von Impuls es haben könnte. Von diesen Eigenschaften, argumentierte er, könne man nur sagen, dass sie existieren, nachdem eine Beobachtung gemacht worden sei.

Was das alles auf einer intuitiven Ebene bedeutet, ist schwer zu sagen. Vor der Quantenphysik war die Wahrscheinlichkeitsmathematik Werkzeuge, um das Rollen eines Würfels oder das Drehen eines Rades vorherzusagen. Wir können uns einen Stapel Spielkarten vorstellen, der verkehrt herum auf einem Tisch liegt, dessen versteckte Reihenfolge fest verschlossen ist. Mathematik räumt einfach mit unserer Unwissenheit auf, während die Realität mit 100-prozentiger Sicherheit im Hintergrund existiert.

Jetzt boten Physiker eine Art Wahrscheinlichkeit an, bei der es nicht um unsere Naivität ging. Und das ist nicht so leicht vorstellbar.

De Broglies Idee einer hypothetischen Welle sollte dem Begriff der Wahrscheinlichkeit eine Art Körperlichkeit verleihen. Die verstreuten Muster von Linien und Punkten, die in den Experimenten zu sehen sind, sind genau das, was sie zu sein 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 ist ein echtes Teilchen. Es hat eine reale Position, aber sein Schicksal liegt in den Händen der Veränderungen in der Strömung der Flüssigkeit, die es leitet.

Auf einer gewissen Ebene scheint diese Idee richtig zu sein. Es ist eine Metapher, mit der wir uns viel leichter identifizieren können als die eines zögerlichen Universums.

Aber experimentell war die Zeit für de Broglies einfache Idee noch nicht gekommen.

„Obwohl de Broglies Standpunkt vernünftiger erscheint, haben einige seiner anfänglichen Probleme die wissenschaftliche Gemeinschaft dazu veranlasst, Bohrs Ideen zu übernehmen“, 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 erklärte auch nicht ausreichend, warum Teilchen, die in der Vergangenheit miteinander wechselwirkten, bei späterer Beobachtung korrelierte Eigenschaften aufweisen, ein Phänomen, das als Verschränkung bezeichnet wird.

Wann wurde die Pilotwellentheorie aufgestellt?

Etwa ein Vierteljahrhundert lang blieb de Broglies Vorstellung von Teilchen, die auf Wellen der Möglichkeit reiten, im Schatten von Bohrs und Heisenbergs fundamentaler Unsicherheit. Dann 1952, kehrte der amerikanische theoretische Physiker David Bohm mit seiner Version, die er Pilotwelle nannte, auf das Konzept zurück.

Ähnlich wie in de Broglies Vorschlag kombinierte Bohms Pilotwellen-Hypothese Teilchen und Wellen als eine Partnerschaft, die unabhängig davon existierte, wer zusah. Stören Sie die Welle jedoch und ihre Eigenschaften ändern sich.

Im Gegensatz zu de Broglies Idee könnte dieser neue Vorschlag das komplizierte Schicksal mehrerer Teilchen, die durch Zeit und Entfernung getrennt sind, erklären, indem man sich auf das Vorhandensein eines Quanten-„Potentials“ zwischen den Teilchen beruft, das als Kanal für den Informationsaustausch diente.

Heute allgemein als de Broglie-Bohm-Theorie bezeichnet, haben Pilotwellen in den Jahrzehnten seither einen langen Weg zurückgelegt.

„Die wichtigste neue Annahme ist, dass die Quantenwelle physikalische Informationen codiert und als natürliches Rechengerät mit möglichen Zuständen fungiert“, sagt Castro.

„So kann man jede Überlagerung von Zuständen als physikalische Information in der dreidimensionalen Welle kodiert haben. Das Teilchen ändert seinen Zustand in einen anderen, indem es die entsprechende Information aus der Welle liest.“

Warum wird die Pilotwellentheorie nicht allgemein akzeptiert?

Aus philosophischer Sicht ist eine Theorie nur durch die experimentellen Ergebnisse, die sie erklären kann, und die Beobachtungen, die sie vorhersagen kann, gut. Egal wie attraktiv eine Idee ist, wenn sie keine genauere Geschichte erzählen kann als ihre Konkurrenz, wird sie wahrscheinlich nicht viele Fans gewinnen.

Pilotwellen reichen absolut nicht aus, um zu einem robusten Naturmodell beizutragen, das die Quantenphysik intuitiv erklärt, gerade genug, um weiterhin Aufmerksamkeit zu erregen, aber nicht genug, um das Blatt zu wenden.

Welche Beweise gibt es für die Pilotwellentheorie?

Beispielsweise, im Jahr 2005 Französische Forscher stellten fest, dass Öltröpfchen auf unheimliche Weise durch ein vibrierendes Ölbad sprangen und mit dem Medium in einer Rückkopplungsschleife wechselwirkten, die eher an de Broglies Wellenbrandungspartikel erinnerte. Eine gewisse Quantifizierung der Teilchenbewegungen war für ihre Beobachtungen von wesentlicher Bedeutung, ähnlich wie die strengen Messungen, die die Bewegungen von Elektronen um den Kern eines Atoms begrenzen.

Die Ähnlichkeiten zwischen diesen Wellen auf der Makroskala und den Quantenwellen waren faszinierend genug, um auf eine Art vereinheitlichender Mechanik hinzuweisen, die beantragte weitere Untersuchung.

Physiker des Niels-Bohr-Instituts der Universität Kopenhagen testeten dann eine der Entdeckungen vom Quantentyp hergestellt auf der Öltropfenanalogie basierend auf ihren Interferenzmustern durch ein klassisches Doppelspaltexperiment, und konnten ihre Ergebnisse nicht replizieren. Sie entdeckten jedoch einen „interessanten“ Interferenzeffekt in veränderten Wellenbewegungen, der uns mehr über Wellen einer Quantenvarietät sagen könnte.

In einem bemerkenswerten Glücksfall beteiligte sich auch Bohrs eigener Enkel – ein Fluidphysiker namens Tomas Bohr – an der Debatte. ein Gedankenexperiment vorschlagen was Pilotwellen effektiv ausschließt.

Während die Nullergebnisse und Gedankenexperimente die grundlegenden Lehren der aktuellen Version von de Broglie-Bohms Pilotwellen kaum widerlegen, verstärken sie die Herausforderungen, denen sich die Verteidiger gegenübersehen, ihre Modelle auf echten theoretischen Status zu bringen.

„Wellenquantenspeicher sind ein mächtiges 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 schmerzhafte Leere gibt, eine Leere, die eine intuitive Erklärung erfordert, warum die Realität zufällige Wellenmuster überspannt.

Es ist möglich, dass die Dualität von Wellen und Teilchen in unserer täglichen Erfahrung keine Analogie hat. Aber die Idee eines Wellenmediums, das als eine Art Rechengerät für die Physik fungiert, ist einfach zu verlockend, um es loszulassen.

Damit die Pilotwellentheorie triumphieren kann, müssen Physiker jedoch einen Weg finden, einen Surfer von seiner Quantenwelle zu entfernen und zu zeigen, dass die beiden unabhängig voneinander existieren können. Experimentell, das könnte erreicht werden indem er zwei Partikel aussendet und eines seiner Wege durch Messen trennt.

„Dann lassen wir diese leere Quantenwelle mit der Welle des anderen Teilchens interferieren, wodurch das Verhalten des zweiten Teilchens verändert wird“, sagt Castro. „Wir haben es bei der Premiere präsentiert Internationale Konferenz über Fortschritte in der Pilotwellentheorie. „

Konkret sollten die zur Erkennung eines solchen Ereignisses erforderlichen Geräte äußerst empfindlich sein. Es ist nicht außerhalb der Grenzen des Machbaren, aber es ist eine Aufgabe, die geduldig auf eine Gelegenheit wartet. Leere Pilotwellen könnten sogar der Schlüssel zur Lösung praktischer Quantencomputerprobleme sein, indem sie die Wellen weniger anfällig für Umgebungsgeräusche machen.

Künftige Physiker könnten schließlich auf Beobachtungen landen, die uns ein Universum eröffnen, das bis in seine Wurzeln Sinn macht. Wenn die Experimente etwas entdecken, ist dies ein solider Hinweis darauf, dass das Herz der Physik alles andere als leer schlägt. Auch wenn niemand zusieht.

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