Observing relativistic trajectories of single photons

In der Welt der klassischen Physik ist die Bahn eines sich bewegenden Objekts eine geradlinige Geschichte. Wenn man weiß, wo sich ein Ball befindet und wie schnell er sich in einem bestimmten Moment bewegt, kann man genau berechnen, wo er eine Sekunde später oder in einem Jahr sein wird. Das Universum ist in dieser Sichtweise eine wie ein Uhrwerk funktionierende Maschine, in der jedes Teilchen einer definiten, vorhersehbaren Linie folgt. Die Quantenmechanik, das Regelwerk für das allerkleinste, zertrümmerte diese Gewissheit. In der Standardweise, wie Physiker die Quantentheorie seit fast einem Jahrhundert verstehen, besitzen Teilchen wie Photonen keine einzelne, reale Bahn. Stattdessen existieren sie als eine ausgebreitete Welle von Möglichkeiten, und die Frage „Wo ist das Teilchen gerade?“ gilt als bedeutungslos, bis der Moment der Messung eintritt. Dies hat zu einer lang anhaltenden Debatte darüber geführt, ob Teilchen wirklich ohne Landkarte umherwandern oder ob sie einfach einem verborgenen Pfad folgen, den unsere derzeitigen Werkzeuge nicht sehen können.

Eine spezifische Interpretation der Quantentheorie, bekannt als Bohmsche Mechanik, argumenttiert, dass Teilchen definierte Trajektorien besitzen, selbst wenn diese schwer zu finden sind. Doch über Jahrzehnte hinweg hatte diese Idee Schwierigkeiten, mit Einsteins Relativitätstheorie zu vereinbar sein, welche regelt, wie sich Dinge bei den höchsten Geschwindigkeiten bewegen. Kürzlich entstand ein neuer theoretischer Rahmen, der diese beiden Welten erfolgreich vereinte, indem er einen Weg vorschlug, die Geschwindigkeit und den Pfad eines einzelnen Photons zu berechnen, selbst wenn es sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Diese neue Theorie sagte etwas Seltsames voraus: dass der Pfad eines Photons an manchen Stellen langsamer als das Licht und an anderen Orten schneller als das Licht zu sein scheinen kann, abhängig davon, wie seine wellenartige Natur mit sich selbst interferiert. Bis jetzt blieb dies eine mathematische Kuriosität, die in der realen Welt ungetestet war.

Ein Team von Forschern der University of Queensland, das mit Kollegen der University of Sydney und der Macquarie University zusammenarbeitete, hat diese Theorie nun in das Labor gebracht. Sie gingen die Aufgabe an, den tatsächlichen Pfad eines einzelnen Photons zu rekonstruieren, während es durch eine spezialisierte Vorrichtung namens Michelson-Sagnac-Interferometer reiste. In diesem Aufbau wird ein einzelnes Photon in zwei Teile gespalten, die in entgegengesetzte Richtungen wandern, bevor sie wieder aufeinandertreffen. Die Forscher versuchten nicht, das Photon direkt zu verfolgen, was unmöglich wäre, ohne es zu zerstören. Stattdessen nutzten sie eine clevere Technik, die auf „schwachen Messungen“ basiert. Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, die Geschwindigkeit eines Geistes zu bestimmen, indem Sie sanft an ihm vorbeistreichen, ohne seinen Flug zu stören; im Wesentlichen ist dies das, was das Team tat. Sie führten eine Reihe von sanften, nicht-invasiven Überprüfungen des Impulses des Photons durch, gefolgt von einer abschließenden, starken Überprüfung dessen, wo das Photon landete. Durch die Wiederholung dieses Prozesses tausendfach mit vielen identischen Photonen konnten sie einen durchschnittlichen Pfad zusammensetzen, dem die Photonen zu folgen schienen.

Die Ergebnisse bestätigten die Vorhersagen der neuen relativistischen Theorie. Während die Photonen durch das Interferenzmuster reisten, das durch ihre zwei entgegengesetzten Pfade erzeugt wurde, zeigten ihre rekonstruierten Trajektorien ein bizarres Verhalten. In Regionen, in denen sich die Wellen verstärkten, schien sich das Photon langsamer als die Lichtgeschwindigkeit zu bewegen. In Regionen, in denen die Wellen einander auslöschten, schien sich das Photon schneller als das Licht zu bewegen. Dies bedeutet nicht, dass die Photonen die universelle Geschwindigkeitsbegrenzung brachen oder Informationen in der Zeit zurückschickten; vielmehr offenbart es eine kontraintuitive Eigenschaft der Bohmschen Bahn selbst. Die Forscher fanden heraus, dass ein einzelnes Photon, von dem die Standardphysik sagt, dass es einen Pfad nimmt, effektiv zwischen diesen unterlichtschnellen und überlichtschnellen Geschwindigkeiten wechselt, während es die Interferenzstreifen durchquert.

Das Experiment wurde unter Verwendung von Einzelphotonen durchgeführt, die aus einem Laser generiert wurden, wobei sorgfältig kontrolliert wurde, dass sie sich als einzelne Teilchen verhalten. Das Team nutzte eine Reihe von Spiegeln und Strahlteilern, um das Licht zu leiten, sowie eine spezifische Art von Halbwellenplatte, um den Impuls des Photons durch Polarisation gerade so sanft zu kodieren, dass die notwendigen Daten gesammelt werden konnten, ohne seine Wellennatur kollabieren zu lassen. Die gesammelten Daten zeigten, dass das Verhalten des Photons, obwohl es radikal anders ist als unsere alltägliche Erfahrung, perfekt innerhalb eines klassischen relativistischen Rahmens liegt, wenn man es durch die Linse der Bohmschen Mechanik betrachtet. Die Studie bietet den ersten experimentellen Zugang zu diesen relativistischen Trajektorien und beweist, dass die ungewöhnlichen, kontraintuitiven Eigenschaften, die diese spezifische Interpretation der Quantenmechanik vorhersagt, nicht nur theoretische Artefakte sind, sondern reale Merkmale der physischen Welt. Durch die Kartierung dieser Pfade haben die Forscher ein neues Fenster zum Verständnis dessen geöffnet, wie sich Teilchen an den Grenzen von Geschwindigkeit und Raum bewegen, und bieten einen konkreten Weg, eine Version der Realität zu erforschen, in der Teilchen immer einen Ort haben, an dem sie sein können, auch wenn dieser Ort schwieriger zu definieren ist, als wir es uns je vorgestellt haben.