MIT-Wissenschaftler erklären das Quantenverhalten von Teilchen mithilfe klassischer Physikwerkzeuge

Das Streifenmuster zeigt, dass die beiden

Das Streifenmuster zeigt, dass die beiden interferierenden Pfade des Photons wellenartig sind, was auch darauf hindeutet, dass ein Quantenteilchen sehr wie eine Welle verhält. Selbst der bekannte Physiker Richard Feynman hatte Schwierigkeiten, dieses Verhalten zu erklären.

Feynman hatte gesagt, um dies zu erklären, müsse man jeden einzelnen theoretischen Pfad berücksichtigen und mitteln, den ein Photon nehmen könnte, sei es eine gerade Linie oder ein Zickzack, was jedem klassischen glatten Pfad widerspricht. Was machten die MIT-Forscher anders?

Die Forscher Slotine und Lohmiller erkannten, dass die Quantenüberlagerung es dem Photon ermöglicht, mehrere Pfade zu nehmen, und dass die klassische Physik dies berücksichtigen könnte.

Was die Studie zeigt

Anstatt eine unendliche Anzahl, schlugen die Forscher vor, „nach der kleinsten Wirkung“ klassische Pfade zu berechnen, die das gleiche Ergebnis liefern könnten.

Sie verwendeten die Hamilton-Jacobi-Gleichung, die nahelegt, dass ein Objekt, wenn es von A nach B geworfen wird, einem tatsächlichen Pfad folgt, bei dem seine Wirkung an jedem einzelnen Punkt des Pfades minimiert ist.

Im Falle eines geworfenen Balls ist die minimierte Wirkung die Summe über die Zeit der Differenz zwischen seiner kinetischen und potenziellen Energie.

Was die Studie zeigt

Durch die Zugabe der Dichte, einem Bestandteil der klassischen Physik, zum Doppelspaltexperiment veränderten die Forscher das Hamilton-Jacobi-Experiment und fanden heraus, dass sie nur zwei klassische Pfade durch die Spalten berücksichtigen mussten, anstatt der unendlichen Pfade, die Feynman vorgeschlagen hatte.

Die Berechnungen der Forscher erzeugten eine Wellenfunktion, die die Verteilung der möglichen Pfade des Photons zeigte und die Vorhersage der Schrödinger-Gleichung traf.

„Wir zeigen, dass die Schrödinger-Gleichung der Quantenmechanik und die Hamilton-Jacobi-Gleichung der klassischen Physik bei einer geeigneten Berechnung der Dichte tatsächlich identisch sind“, sagte Slotine in einer Pressemitteilung. „Das ist ein rein mathematisches Ergebnis.

Wir sagen nicht, dass Quantenphänomene auf klassischen Skalen auftreten. Wir sagen, man kann dieses quantenmechanische Verhalten mit sehr einfachen klassischen Werkzeugen berechnen.“