Feynmans 80 år gamle kvanteteori bekreftet i eksperiment

Et grunnleggende postulat i kvantefysikken, formulert av Richard Feynman for nesten 80 år siden, har for første gang blitt bekreftet direkte gjennom eksperiment. Forskningen, som ble publisert 26. august i Science Advances, bekrefter at vei-integralet, som forutsier oppførselen til en kvantepartikkel ved å summere alle mulige veier den kan ta, fungerer nøyaktig slik Feynman foreslo i 1948.science+1

Eksperimentet

Shi-Liang Zhu og kolleger ved South China Normal University i Guangzhou i Kina testet Feynmans vei-integral ved å sende enkeltfotoner gjennom en labyrint av små speil, linser og krystaller. Teamet målte et kvanteobjekt kjent som en propagator, som forutsier hvordan fotonets kvantetilstand endres når det beveger seg mellom punkter i eksperimentet.newscientist

Ved å måle fem etterfølgende propagatorer for et gitt foton og multiplisere dem med hverandre, rekonstruerte forskerne vei-integralet fra eksperimentelle data. Prosessen ga 1 419 857 ulike veier, som alle ble satt inn i Feynmans formel. Forutsigelsen stemte med hva fotonet faktisk gjorde.newscientist

«Det kjente uttrykket 'sum over alle veier' var ikke lenger bare en symbolsk instruksjon i en lærebok, vi kunde se konsekvensene vokse frem direkte fra eksperimentelle data,» sa Zhu.newscientist

Hvorfor det er viktig

Feynmans vei-integral har vært en hjørnestein i teoretisk fysikk siden det ble introdusert, og ligger til grunn for beregninger innen kvanteelektrodynamikk, partikkelfysikk og kondenserte fasers fysikk. Likevel har det frem til nå aldri blitt testet direkte. Forskere har ganske enkelt antatt at det fungerte fordi teoriene som bygger på det ga nøyaktige forutsigelser.newscientist

Jörg Götte ved University of Glasgow kaller presisjonen i eksperimentet et reelt vitenskapelig fremskritt. Siden veien til et foton ikke kan spores direkte mens det beveger seg, viser arbeidet avanserte metoder for kvantemåling og kontroll, sa han. Hvis målingen hadde vist noe annet, ville «hele rammeverket for å bruke vei-integralet til kvanteberegninger ha kollapset».newscientist

Tekniske utfordringer

Zhu bemerket at eksperimentet krevde forbedringer av «nær sagt alle aspekter» samtidig. Det enorme antallet veier ga muligheter for at feil og eksperimentell støy kunne akkumuleres over de fem propagatormultiplikasjonene. Uten disse forbedringene ville de endelige dataene ha fremstått som nesten helt tilfeldige.newscientist

Teamet håper at forskere fra andre felt kan tilpasse eksperimentmetoden til andre kvantesystemer, noe som potensielt kan muliggjøre mer komplekse tester, som å måle direkte hvordan veier summeres når fotoner beveger seg gjennom materialer i stedet for luft.newscientist