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Die Entdeckung der Quantenwelt könnte die bekannten Gesetze der Physik neu schreiben
Ein kürzlich durchgeführtes Experiment wirft ein neues Licht auf die Funktionsweise der Quantenwelt: Wissenschaftler haben Photonen erzeugt, die sich in 37 verschiedenen Dimensionen gleichzeitig beschreiben lassen. Diese Entdeckung verschiebt nicht nur die Grenzen dessen, was derzeit in der Quantenphysik bekannt ist, sondern zeigt auch, dass die Realität weitaus komplexer ist, als die klassische Physik uns glauben macht.
Im Laufe der Geschichte der Physik hat es immer wieder Entdeckungen gegeben, die unser Verständnis der Realität grundlegend in Frage stellen. Wie in einem Artikel von Popular Mechanics hervorgehoben wird, ist der Quantenbereich genau ein solcher Bereich: eine unsichtbare, aber alles durchdringende Ebene der Existenz, in der die üblichen Regeln nicht immer gelten.
Hier sind Teilchen nicht unbedingt dort, wo sie sein “sollten”, die Beziehung zwischen Ursache und Wirkung kann verschwimmen und es treten Phänomene auf, die aus der Perspektive der klassischen Physik einfach unvorstellbar sind. Die Forschung der letzten Jahre zeigt zunehmend, dass die Quantenwelt nach einer Logik funktioniert, die sich von der Realität, die wir tagtäglich erleben, stark unterscheidet.
Das Aufeinandertreffen von klassischer und Quantenphysik
Die klassische Physik beschreibt die Welt als vorhersehbar und von festen Gesetzen beherrscht. Objekte werden von ihrer unmittelbaren Umgebung beeinflusst, und kausale Beziehungen sind eindeutig und nachvollziehbar – ganz im Gegensatz zur Quantenwelt.
Eines der bekanntesten Beispiele ist die Quantenverschränkung. Dieses Phänomen zeigt, dass zwei Teilchen unabhängig von der Entfernung, die sie voneinander trennt, miteinander verbunden werden können. Eine Zustandsänderung des einen Teilchens kann sich sofort auf das andere auswirken, als ob die Entfernung keine Rolle spielen würde – eine Merkwürdigkeit, die allein schon tiefgreifende Fragen über die Natur der Realität aufwirft.
Nichtlokalität und die Paradoxien der Quantenwelt
Die Quantenverschränkung führt direkt zu einem der grundlegenden Konzepte der Quantenphysik: der Nichtlokalität. Nichtlokalität bedeutet, dass sich Teilchen nicht nur unter dem Einfluss ihrer unmittelbaren Umgebung verhalten, sondern dass sie sich auch über eine gewisse Entfernung hinweg gegenseitig beeinflussen können.
Dieses Paradoxon wird durch das Greenberger-Horne-Zeilinger-Paradoxon (GHZ-Paradoxon) veranschaulicht, das zeigt, dass die Quantentheorie nicht auf eine lokal realistische Weise erklärt werden kann. In einigen Fällen führen mathematische Beschreibungen zu scheinbar absurden Schlussfolgerungen, bei denen die klassische Logik völlig versagt – manchmal wird sogar mathematisch suggeriert, dass 1 gleich -1 ist. Solche Paradoxa spielen eine Schlüsselrolle für das Verständnis, wie anders die Quantenwelt funktioniert.
37 Dimensionen in einem einzigen Teilchen
Eine der jüngsten Studien zielte darauf ab, die Grenzen des nicht-klassischen Verhaltens in der Quantenwelt zu erkunden. Die Wissenschaftler schufen Photonen, die in 37 verschiedenen Dimensionen beschrieben werden können. Diese Dimensionen stellen keine neuen physikalischen Welten dar, sondern vielmehr verschiedene Quantenzustände und Referenzparameter, anhand derer das Verhalten der Teilchen untersucht werden kann.
So wie die menschliche Erfahrung auf drei räumlichen Dimensionen und einer zeitlichen Dimension aufbaut, existierten diese Photonen entlang mehrerer, paralleler Beschreibungsachsen. Der Unterschied besteht darin, dass die Quantendimensionen abstrakt sind und eher an mathematische und physikalische Parameter als an direkt wahrnehmbare Richtungen gebunden sind.
Bei dem Experiment wurde eine Variante des GHZ-Paradoxons in kohärentes Licht kodiert. Die Einheitlichkeit der Farbe und Wellenlänge des Lichts ermöglichte es, die Photonen mit außergewöhnlicher Präzision zu manipulieren. So gelang es den Forschern, den unkonventionellsten Quantenzustand zu reproduzieren, der bisher beobachtet wurde.
Was sagt dies über die Quantenwelt aus?
Den Forschern zufolge deuten die Ergebnisse darauf hin, dass die Quantenphysik noch lange nicht vollständig verstanden ist. Obwohl die Theorie bereits seit über einem Jahrhundert existiert, ist es gut möglich, dass wir nur an der Oberfläche gekratzt haben, wie die Quantenwelt wirklich funktioniert.
Die Untersuchung hochdimensionaler Quantenzustände könnte neue Wege der Forschung eröffnen und uns helfen, die den Quantenphänomenen zugrunde liegenden Prinzipien besser zu verstehen. Die Wissenschaftler hoffen, dass diese Erkenntnisse den Weg für noch erstaunlichere – und wirklich bemerkenswerte – Entdeckungen in der Zukunft ebnen werden.