Forskare vid universitetet i Wien studerar relevansen av kvantreferensramar för världens symmetrier

Enligt en av fysikens mest grundläggande principer, en observatör på ett tåg i rörelse använder samma lagar för att beskriva en boll på plattformen som en observatör som står på plattformen – fysiska lagar är oberoende av valet av referensram. Referensramar som tåget och plattformen är fysiska system och följer i slutändan kvantmekaniska regler. De kan vara, till exempel, i ett kvanttillstånd av överlagring av olika positioner samtidigt. Så, hur skulle beskrivningen av bollen se ut för en observatör på en sådan "kvantplattform"? Forskare vid universitetet i Wien och den österrikiska vetenskapsakademin bevisade att om ett objekt (i vårt exempel, bollen) visar kvantegenskaper beror på referensramen. De fysiska lagarna, dock, är fortfarande oberoende av det. Resultaten publiceras i Naturkommunikation .

Fysiska system beskrivs alltid i förhållande till en referensram. Till exempel, en boll som studsar på en järnvägsperrong kan observeras antingen från själva perrongen eller från ett passerande tåg. En grundläggande fysikprincip, principen om allmän samvariation, anger att fysikens lagar som beskriver bollens rörelse inte beror på betraktarens referensram. Denna princip har varit avgörande i beskrivningen av rörelse sedan Galileo och central för utvecklingen av Einsteins relativitetsteori. Det innebär information om symmetrierna i fysikens lagar sett från olika referensramar.

Referensramar är fysiska system, som i slutändan följer kvantmekaniska regler. En grupp forskare under ledning av Časlav Brukner vid universitetet i Wien och institutet för kvantoptik och kvantinformation (IQOQI-Wien) vid den österrikiska vetenskapsakademin har frågat sig om det är möjligt att formulera fysikens lagar utifrån vy av en observatör "fäst" till en kvantpartikel och för att introducera en kvantreferensram. De kunde visa att man kan betrakta vilket kvantsystem som helst som en kvantreferensram. I synnerhet när en observatör på tåget ser perrongen i en överlagring av olika positioner samtidigt, en observatör på perrongen ser tåget i en superposition. Som en konsekvens, det beror på observatörens referensram om ett föremål som bollen uppvisar kvantegenskaper eller klassiska egenskaper.

Forskarna visade att principen om kovarians är utvidgad till sådana kvantreferensramar. Detta innebär att fysikens lagar behåller sin form oberoende av valet av kvantreferensramen. "Våra resultat tyder på att världens symmetrier måste utvidgas till en mer grundläggande nivå, " säger Flaminia Giacomini, tidningens huvudförfattare. Denna insikt kan spela en roll vid samspelet mellan kvantmekanik och gravitation - en regim som för det mesta fortfarande är outforskad - eftersom det i den regimen förväntas att den klassiska uppfattningen om referensramar inte kommer att vara tillräcklig och att referensramar måste vara fundamentalt kvant.