Das klassische Prinzip der geringsten Wirkung existiert jetzt im Quantenbereich

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Forscher haben bewiesen, dass im Quantenbereich ein grundlegendes Gesetz der Physik gilt.

Das Prinzip der geringsten Aktion besagt, dass sich Objekte (sofern sie nicht gestört werden) immer entlang der Route bewegen, die die geringste Aktion erfordert.

Nicht jede Regel der Alltagsphysik gilt für Quantenteilchen, aber laut den schwierig durchzuführenden Messungen einer neuen Studie trifft diese Regel durchaus zu.

Der kürzeste Abstand zwischen zwei Punkten ist eine gerade Linie, aber der kürzeste Abstand bedeutet nicht immer die geringste Arbeit. Was ist, wenn diese Strecke direkt bergauf oder durch schwieriges Gelände führt? Wenn Sie möglichst wenig Arbeit leisten möchten, ist eine gerade Linie möglicherweise nicht immer die beste Wahl.

Menschen suchen möglicherweise nicht immer nach dem einfachsten Weg. Aber wenn es um natürliche Bewegungen in Systemen geht, besagt eines der Grundgesetze der Physik, dass sich Objekte immer entlang der Route bewegen, die die geringste Aktion erfordert. In der Physik hat „Aktion“ mit Dingen wie Energie, Impuls, Entfernung und Zeit zu tun.

Grundsätzlich bewegen sich Objekte ohne Eingreifen von außen auf dem Weg des geringsten Widerstands und der geringsten Veränderung. Dies wird als Prinzip der geringsten Wirkung bezeichnet. Wir wissen, dass es in unserer Alltagswelt gilt, und jetzt – dank einer neuen Studie – wissen wir, dass es auch in der Quantenwelt gilt.

„Der ultimative Traum eines Physikers besteht darin, die Geheimnisse des gesamten Universums auf ein kleines Blatt Papier zu schreiben, und das Prinzip der geringsten Wirkung muss auf der Liste stehen“, sagte Shi-Liang, einer der Forscher des Projekts, in einem Artikel für Neuer Wissenschaftler. „Unser Ziel war es, [das Prinzip] in einem Quantenexperiment zu ‚sehen‘.“

Leichter gesagt als getan. Das Forschungsteam der South China Normal University musste sich mit der Tatsache auseinandersetzen, dass nicht nur alles im Quantenbereich klein und schwer zu erkennen ist, sondern dass die Bewegungen von Quantenteilchen auch kompliziert sind – wirklich kompliziert. Zum einen ändern sich Quantenzustände, wenn sie gemessen werden. Und zum anderen lassen sie sich nur mit sehr komplizierter Mathematik abbilden.

Um ihr Verhalten am besten zu beschreiben, verwenden Wissenschaftler eine Kombination aus zwei Dingen: einer Wellenfunktion und einem Propagator. Wellenfunktionen beschreiben den Zustand des Teilchens und Propagatoren beschreiben, wie sich dieser Zustand im Verlauf der Bewegung eines Teilchens in einem System ändert. Das Problem ist, dass Wellenfunktionen und Propagatoren rein mathematisch sind und das Verhalten von Quantenteilchen zwar gut beschreiben können, dies jedoch häufig mithilfe imaginärer Zahlen. Imaginäre Zahlen sind in der Mathematik in Ordnung, aber per Definition unmöglich zu messen.

Um dieses Problem zu umgehen, nutzte das Team eine Technik, die einige Jahre zuvor entwickelt worden war. Bei dieser Technik werden im Grunde einzelne Quantenlichtteilchen, sogenannte Photonen, durch ein Labyrinth aus Spiegeln, Kristallen und Linsen reflektiert und gefiltert. Letztendlich werden die Teile des Photonenverhaltens, die durch die imaginären Zahlen beschrieben werden, tatsächlich messbaren Eigenschaften entsprechen. Auch die Teile, die ursprünglich durch normale reelle Zahlen beschrieben wurden, werden messbar sein, und die Forscher können die Wellenformen und Propagatoren aus tatsächlich gemessenen Daten rekonstruieren.

Nachdem das Labyrinth gebaut war, kombinierten die Forscher diese Technik mit einer neuen, die sie entwickelt hatten, um das Problem der „Quantenzustandsänderung bei Beobachtung“ weitgehend zu vermeiden. Dann schickten sie einzelne Photonen durch das Labyrinth und verglichen ihr Verhalten mit dem Verhalten, das durch das Prinzip der geringsten Wirkung vorhergesagt wurde. Dabei stellten sie fest, dass die Realität mit der Theorie übereinstimmte – ein Beweis dafür, dass Quantenteilchen tatsächlich dem Prinzip folgen.

„Die Messungen in diesem Experiment sind ziemlich unglaublich und stellen unser derzeitiges Verständnis der Quantenphysik nicht in Frage“, sagte Jonathan Leach, ein Quantenforscher, der nicht an der Studie beteiligt war, in einem Artikel von New Scientist. „Es ist schön zu sehen, wie diese Theorie in einem Experiment Wirklichkeit wird.“

Es gibt viele Orte, an denen die Quantenwelt und die Alltagswelt nicht zusammenpassen. Dies ist einer der Gründe, warum Forscher immer noch versuchen, das aktuelle Standardmodell der Physik zu verbessern. Aber in ihrem Wunsch, Handlungen so weit wie möglich zu vermeiden, sind das Quantum und das Alltägliche perfekt synchron.

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