Feynmans 80 år gamla kvantteori bekräftad i experiment

Ett grundläggande postulat inom kvantfysiken, formulerat av Richard Feynman för nästan 80 år sedan, har för första gången bekräftats direkt i ett experiment. Forskningen, som publicerades den 26 augusti i Science Advances, bekräftar att "vägintegralen", som förutsäger en kvantpartikels beteende genom att summera alla möjliga vägar den kan ta, fungerar exakt så som Feynman föreslog 1948.science+1

Experimentet

Shi-Liang Zhu och hans kollegor vid South China Normal University i Guangzhou, Kina, testade Feynmans vägintegral genom att sända enstaka fotoner genom en labyrint av små speglar, linser och kristaller. Forskargruppen mätte ett kvantobjekt känt som en propagator, vilket förutsäger hur en fotons kvanttillstånd förändras när den rör sig mellan punkter i experimentet.newscientist

Genom att mäta fem på varandra följande propagatorer för en given foton och multiplicera dem med varandra kunde forskarna rekonstruera vägintegralen från experimentella data. Processen gav 1 419 857 olika vägar, vilka alla sattes in i Feynmans formel. Förutsägelsen stämde med vad fotonen faktiskt gjorde.newscientist

"Den välkända frasen 'summa över alla vägar' var inte längre bara en symbolisk instruktion i en lärobok, vi kunde se dess konsekvenser växa fram direkt ur experimentella data", sade Zhu.newscientist

Varför det är viktigt

Feynmans vägintegral har varit en hörnsten i teoretisk fysik sedan den introducerades och ligger till grund för beräkningar inom kvantelektrodynamik, partikelfysik och kondenserade materiens fysik. Ändå hade den fram till nu aldrig testats direkt. Forskare utgick helt enkelt från att den fungerade eftersom teorierna som byggde på den gav exakta förutsägelser.newscientist

Jörg Götte vid University of Glasgow kallade experimentets precision för ett reellt vetenskapligt framsteg. Eftersom en fotons väg inte kan spåras direkt medan den rör sig visar arbetet på sofistikerade kvantmätnings- och kontrollmetoder, sade han. Om mätningen hade visat något annat skulle "hela ramverket för att använda vägintegralen för kvantberäkningar ha rasat".newscientist

Tekniska utmaningar

Zhu noterade att experimentet krävde förbättringar av "nästan varje aspekt" samtidigt. Det enorma antalet vägar skapade möjligheter för fel och experimentellt brus att ackumuleras över de fem propagatormultiplikationerna. Utan dessa förbättringar skulle de slutliga data ha framstått som nästan helt slumpmässiga.newscientist

Teamet hoppas att forskare inom andra områden kan anpassa deras experimentella tillvägagångssätt till andra kvantsystem, vilket potentiellt kan möjliggöra mer komplexa tester, som att direkt mäta hur vägar adderas när fotoner färdas genom material i stället för luft.newscientist