Observing relativistic trajectories of single photons
Dit artikel reconstrueert experimenteel relativistische Bohmiaanse trajecten van een enkel foton in een Michelson-Sagnac-interferometer, waarbij voorspelde subluminale en superluminale kenmerken worden waargenomen om de eerste operationele toegang tot de relativistische Bohmiaanse mechanica te bieden.
Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer
In de wereld van de klassieke fysica is het pad van een bewegend object een rechtlijnig verhaal. Als je weet waar een bal zich bevindt en hoe snel deze op een enkel moment beweegt, kun je precies berekenen waar hij een seconde later zal zijn, of over een jaar. Het universum is in dit beeld een uurwerk waarbij elk deeltje een welbepaald, voorspelbaar pad volgt. De kwantummechanica, het regelboek voor het zeer kleine, verbrijzelde deze zekerheid. In de standaardwijze waarop natuurkundigen de kwantumtheorie bijna een eeuw lang hebben begrepen, hebben deeltjes zoals fotonen geen enkel, echt pad. In plaats daarvan bestaan ze als een uitgespreide golf van mogelijkheden, en de vraag "waar is het deeltje op dit moment?" wordt beschouwd als een betekenisloze vraag totdat het moment van meting aanbreekt. Dit heeft geleid tot een langlopende discussie over de vraag of deeltjes werkelijk zonder kaart ronddwalen, of dat ze simpelweg een verborgen pad volgen dat onze huidige instrumenten niet kunnen zien.
Een specifieke interpretatie van de kwantumtheorie, bekend als de Bohmiaanse mechanica, stelt dat deeltjes wel degelijk definitieve trajecten hebben, ook al zijn ze moeilijk te vinden. Echter, decennialang worstelde dit idee om aan te sluiten bij Einsteins relativiteitstheorie, die bepaalt hoe objecten bewegen bij de hoogste snelheden. Onlangs kwam er een nieuw theoretisch kader naar voren dat deze twee werelden succesvol heeft verenigd, door een manier voor te stellen om de snelheid en het pad van een enkel foton te berekenen, zelfs wanneer het met de lichtsnelheid beweegt. Deze nieuwe theorie voorspelde iets vreemds: dat het pad van een foton op sommige plaatsen trager dan het licht en op andere plaatsen sneller dan het licht kan lijken te bewegen, afhankelijk van hoe de golfachtige natuur van het foton met zichzelf interfereert. Tot nu toe bleef dit een wiskundige curiositeit, ongetest in de echte wereld.
Een team onderzoekers aan de University of Queensland, werkend samen met collega's van de University of Sydney en Macquarie University, heeft deze theorie nu naar het laboratorium gebracht. Ze zetten zich het doel om het werkelijke pad van een enkel foton te reconstrueren terwijl het door een gespecialiseerd apparaat bewoog, een Michelson-Sagnac-interferometer. In deze opstelling wordt een enkel foton in twee delen gesplitst die in tegengestelde richtingen reizen voordat ze elkaar weer ontmoeten. De onderzoekers probeerden het foton niet direct te volgen, wat onmogelijk is zonder het te vernietigen. In plaats daarvan gebruikten ze een slimme techniek waarbij gebruik wordt gemaakt van "zwakke metingen" (weak measurements). Stel je voor dat je probeert de snelheid van een spook te bepalen door er heel voorzichtig langs te strijken zonder de vlucht te verstoren; dit is in essentie wat het team deed. Ze voerden een reeks zachte, niet-invasieve controles uit op het momentum van het foton, gevolgd door een laatste, sterke controle op de uiteindelijke positie van het foton. Door dit proces duizenden keren te herhalen met vele identieke fotonen, waren ze in staat om een gemiddeld pad te reconstrueren dat de fotonen leken te volgen.
De resultaten bevestigden de voorspellingen van de nieuwe relativistische theorie. Terwijl de fotonen door het interferentiepatroon reisden dat werd gecreëerd door hun twee tegengestelde paden, vertoonden de gereconstrueerde trajecten van de fotonen een bizar gedrag. In regio's waar de golven elkaar versterkten, leken de fotonen langzamer te bewegen dan de lichtsnelheid. In regio's waar de golven elkaar ophefden, leken de fotonen sneller te bewegen dan het licht. Dit betekent niet dat de fotonen de universele snelheidslimiet hebben doorbroken of informatie terug in de tijd hebben gestuurd; het onthult eerder een contra-intuïtieve eigenschap van het Bohmiaanse pad zelf. De onderzoekers ontdekten dat een enkel foton, waarvan de standaardfysica zegt dat het één pad neemt, effectief afwisselt tussen deze sub-licht en super-licht snelheden terwijl het de interferentievormen doorkruist.
Het experiment werd uitgevoerd met behulp van enkelvoudige fotonen gegenereerd door een laser, waarbij zorgvuldig werd gecontroleerd om te garanderen dat ze zich als individuele deeltjes gedragen. Het team gebruikte een reeks spiegels en beam splitters om het licht te leiden, en een specifiek type halfgolfplaat om het momentum van het foton via polarisatie net genoeg te coderen om de nodige gegevens te verzamelen zonder de natuur van de golf te laten instorten. De verzamelde gegevens toonden aan dat het gedrag van het foton, hoewel radicaal anders dan onze alledaagse ervaring, perfect past binnen een klassiek relativistisch kader wanneer men het bekijkt door de lens van de Bohmiaanse mechanica. De studie biedt de eerste experimentele toegang tot deze relativistische trajecten, waarmee wordt bewezen dat de ongewone, contra-intuïtieve eigenschappen die door deze specifieke interpretatie van de kwantummechanica worden voorspeld, niet slechts theoretische artefacten zijn, maar echte kenmerken van de fysieke wereld. Door deze paden in kaart te brengen, hebben de onderzoekers een nieuw venster geopend naar het begrijpen van hoe deeltjes bewegen op de uiterste grenzen van snelheid en ruimte, wat een concrete manier biedt om een versie van de realiteit te verkennen waarin deeltjes altijd een plek hebben om te zijn, zelfs als die plek moeilijker te definiëren is dan we ons ooit hadden voorgesteld.
Verdrinkt u in papers in uw vakgebied?
Ontvang dagelijkse digests van de nieuwste papers die bij uw onderzoekswoorden passen — met technische samenvattingen, in uw taal.