Os físicos têm procurado desvios da mecânica quântica padrão, testar se a mecânica quântica requer um conjunto mais complexo de regras matemáticas. Para fazer isso, uma equipe de pesquisa liderada por Philip Walther da Universidade de Viena projetou um novo experimento fotônico usando metamateriais exóticos, que foram fabricados na Universidade da Califórnia em Berkeley. Seu experimento apóia a mecânica quântica padrão e permite que os cientistas coloquem limites em teorias quânticas alternativas. Os resultados, que são publicados em Nature Communications , poderia ajudar a orientar o trabalho teórico na busca por uma versão mais geral da mecânica quântica.

A mecânica quântica é baseada em um conjunto de regras matemáticas, descrevendo como o mundo quântico funciona. Essas regras preveem, por exemplo, como os elétrons orbitam um núcleo em um átomo, e como um átomo pode absorver fótons, partículas de luz. As regras padrão da mecânica quântica funcionam extremamente bem, mas, dado que ainda existem questões em aberto sobre a interpretação da mecânica quântica, os cientistas não têm certeza se as regras atuais são a história final. Isso motivou alguns cientistas a desenvolver versões alternativas das regras matemáticas, que são capazes de explicar adequadamente os resultados de experimentos anteriores, mas fornecem uma nova visão sobre a estrutura subjacente da mecânica quântica. Algumas dessas regras matemáticas alternativas até prevêem novos efeitos, que requerem novos testes experimentais.

Experiência cotidiana de regras matemáticas

Na vida cotidiana, se caminharmos ao redor de um parque, acabamos voltando ao mesmo lugar, independentemente de escolhermos caminhar no sentido horário ou anti-horário. Os físicos diriam que essas duas ações comutam. Nem toda ação precisa se deslocar, no entanto. Se, em nossa caminhada pelo parque, nós andamos no sentido horário, e primeiro encontre o dinheiro no chão e depois encontre um sorveteiro, sairemos do parque revigorados. Contudo, se, em vez disso, viajarmos no sentido anti-horário, vamos ver o sorveteiro antes de encontrar o dinheiro necessário para comprar o sorvete. Nesse caso, podemos sair do parque nos sentindo decepcionados. Para determinar quais ações comutam ou não, os físicos fornecem uma descrição matemática do mundo físico.

Na mecânica quântica padrão, essas regras matemáticas usam números complexos. Contudo, recentemente, uma versão alternativa da mecânica quântica foi proposta que usa mais complexos, os chamados números "hiper-complexos". Essas são uma generalização de números complexos. Com as novas regras, os físicos podem replicar a maioria das previsões da mecânica quântica padrão. Contudo, regras hipercomplexas prevêem que algumas operações que comutam na mecânica quântica padrão não comutam realmente no mundo real.

Procurando por números hipercomplexos

Uma equipe de pesquisa liderada por Philip Walther agora testou para desvios da mecânica quântica padrão prevista pela teoria quântica hiper-complexa alternativa. Em seu experimento, os cientistas substituíram o parque por um interferômetro, um dispositivo que permite que um único fóton viaje em dois caminhos ao mesmo tempo. Eles substituíram o dinheiro e o sorvete por um material ótico normal e um metamaterial especialmente projetado. O material óptico normal diminuiu ligeiramente a velocidade da luz à medida que ela passava, enquanto o metamaterial acelerou ligeiramente a luz.

As regras da mecânica quântica padrão ditam que a luz se comporta da mesma forma, não importa se ela primeiro passa por um material normal e depois por um metamaterial ou vice-versa. Em outras palavras, a ação dos dois materiais na luz comuta. Na mecânica quântica hiper-complexa, Contudo, Isso pode não ser o caso. A partir do comportamento dos fótons medidos, os físicos verificaram que regras hipercomplexas não eram necessárias para descrever o experimento. "Conseguimos estabelecer limites muito precisos sobre a necessidade de números hiper-complexos para descrever nosso experimento, "diz Lorenzo Procopio, um dos principais autores do estudo. Contudo, os autores dizem que é sempre muito difícil descartar algo inequivocamente. Lee Rozema, outro autor do artigo, diz "ainda estamos muito interessados ​​em realizar experimentos em diferentes condições e com precisão ainda maior, para reunir mais evidências que apóiem ​​a mecânica quântica padrão. "Este trabalho estabeleceu limites rígidos sobre a necessidade de uma teoria quântica hiper-complexa, mas existem muitas outras alternativas que precisam ser testadas, e as ferramentas desenvolvidas recentemente fornecem o caminho perfeito para isso.