I fisici hanno cercato deviazioni dalla meccanica quantistica standard, testare se la meccanica quantistica richiede un insieme più complesso di regole matematiche. Per fare ciò un gruppo di ricerca guidato da Philip Walther dell'Università di Vienna ha progettato un nuovo esperimento fotonico utilizzando metamateriali esotici, che sono stati fabbricati presso l'Università della California Berkeley. Il loro esperimento supporta la meccanica quantistica standard e consente agli scienziati di porre limiti a teorie quantistiche alternative. I risultati, che sono pubblicati in Comunicazioni sulla natura , potrebbe aiutare a guidare il lavoro teorico nella ricerca di una versione più generale della meccanica quantistica.

La meccanica quantistica si basa su un insieme di regole matematiche, descrivendo come funziona il mondo quantistico. Queste regole prevedono, Per esempio, come gli elettroni orbitano attorno a un nucleo in un atomo, e come un atomo può assorbire fotoni, particelle di luce. Le regole standard della meccanica quantistica funzionano molto bene, ma, dato che ci sono ancora questioni aperte riguardanti l'interpretazione della meccanica quantistica, gli scienziati non sono sicuri se le regole attuali siano la storia finale. Ciò ha motivato alcuni scienziati a sviluppare versioni alternative delle regole matematiche, che siano in grado di spiegare adeguatamente i risultati di esperimenti passati, ma forniscono nuove informazioni sulla struttura sottostante della meccanica quantistica. Alcune di queste regole matematiche alternative prevedono addirittura nuovi effetti, che richiedono nuove prove sperimentali.

Esperienza quotidiana di regole matematiche

Nella vita di tutti i giorni, se facciamo tutto il giro di un parco torniamo nello stesso posto indipendentemente dal fatto che scegliamo di camminare in senso orario o antiorario. I fisici direbbero che queste due azioni commutano. Non tutte le azioni devono essere commutate, anche se. Se, durante la nostra passeggiata nel parco, camminiamo in senso orario, e prima trova i soldi per terra e poi incontra un gelataio, usciremo dal parco riposati. Però, se invece viaggiamo in senso antiorario, vedremo il gelataio prima di trovare i soldi necessari per comprare il gelato. In quel caso, potremmo uscire dal parco sentendoci delusi. Per determinare quali azioni commutano o non commutano i fisici forniscono una descrizione matematica del mondo fisico.

Nella meccanica quantistica standard, queste regole matematiche usano numeri complessi. Però, recentemente è stata proposta una versione alternativa della meccanica quantistica che utilizza più complessi, i cosiddetti numeri "ipercomplessi". Queste sono una generalizzazione dei numeri complessi. Con le nuove regole, i fisici possono replicare la maggior parte delle previsioni della meccanica quantistica standard. Però, regole iper-complesse prevedono che alcune operazioni che commutano nella meccanica quantistica standard in realtà non commutano nel mondo reale.

Alla ricerca di numeri ipercomplessi

Un gruppo di ricerca guidato da Philip Walther ha ora testato le deviazioni dalla meccanica quantistica standard prevista dalla teoria quantistica iper-complessa alternativa. Nel loro esperimento gli scienziati hanno sostituito il parco con un interferometro, un dispositivo che consente a un singolo fotone di percorrere due percorsi contemporaneamente. Hanno sostituito i soldi e il gelato con un normale materiale ottico e un metamateriale appositamente progettato. Il normale materiale ottico rallentava leggermente la luce al suo passaggio, mentre il metamateriale ha leggermente accelerato la luce.

Le regole della meccanica quantistica standard impongono che la luce si comporti allo stesso modo, indipendentemente dal fatto che passi prima attraverso un materiale normale e poi attraverso un metamateriale o viceversa. In altre parole, l'azione dei due materiali sulla luce commuta. Nella meccanica quantistica ipercomplessa, però, potrebbe non essere così. Dal comportamento dei fotoni misurati i fisici hanno verificato che non erano necessarie regole ipercomplesse per descrivere l'esperimento. "Siamo stati in grado di stabilire limiti molto precisi sulla necessità di numeri ipercomplessi per descrivere il nostro esperimento, "dice Lorenzo Procopio, un autore principale dello studio. Però, gli autori dicono che è sempre molto difficile escludere in modo univoco qualcosa. Lee Rozema, un altro autore del saggio, afferma "siamo ancora molto interessati a eseguire esperimenti in condizioni diverse e con una precisione ancora maggiore, per raccogliere più prove a sostegno della meccanica quantistica standard." Questo lavoro ha posto stretti limiti alla necessità di una teoria quantistica iper-complessa, ma ci sono molte altre alternative che devono essere testate, e gli strumenti di nuova concezione forniscono la strada perfetta per questo.