One of the most fundamental principles of physics states that a ball bouncing on a platform can be described by an observer in a passing train and an observer waiting at the platform using the same laws – the laws of nature are independent of the choice of reference frame.
Reference frames such as the train and the platform are physical systems and are ultimately subject to quantum mechanical laws. Therefore, they can, in principle, be in quantum superposition, for example. However, what would the description of the ball look like for an observer on such a “quantum platform”?, the University of Vienna explains the initial situation and main result in its press release.
Researchers from the University of Vienna and the Austrian Academy of Sciences claim to have proven that whether an object exhibits quantum properties depends on the reference frame. However, the research group emphasizes that the laws of physics remain independent of this.
From a philosophical perspective, one could further ask: can physical laws of nature also be understood as a reference frame subject to quantum mechanics? In other words, a universality of quantum mechanics.
This question can be answered with a fundamental principle of physics that has been valid to date: general covariance. It states that the physical laws that describe the motion of the ball do not depend on the observer’s reference frame.
This principle has been crucial for describing motion since Galileo and is central to the development of Einstein’s theory of relativity. It contains information about symmetries of physical laws from the perspective of different reference frames, according to the research group. But what if these are not symmetries after all and are also “relative,” thus constituting a meta-reference frame?
This question can also be unravelled from the perspective of the reference frame as an object, i.e., by formulating the laws of physics from the perspective of an observer “attached” to the quantum particle and thereby introducing a quantum reference frame. The research group was able to show that any quantum system can be considered a quantum reference frame.
In particular, they found that if an observer on a moving train sees the platform in a quantum superposition of different positions simultaneously, an observer waiting on the platform sees the train in a quantum superposition of the same kind. Consequently, the researchers reasoned that whether an object like a ball exhibits quantum or classical properties depends on the observer’s reference frame.
This means that the laws of physics retain their form regardless of the choice of quantum reference frame, but under the assumption that an object can behave either way: once classically, once quantum mechanically. However, if one considers laws themselves as a reference frame, then all objects would behave only quantum mechanically. This would simplify the thesis.
In any case, so far: “Our results indicate that the symmetries of the world need to be extended to a more fundamental level,” says Flaminia Giacomini, the lead author of the publication.
The relevance of this question is revealed by the fact that this insight could become relevant in the interplay of quantum mechanics and gravity—an area that is still largely unexplored. There, it is expected that the classical concept of a reference frame is insufficient and that reference frames must fundamentally be quantum.
This leaves the door open: Can laws themselves be reference frames?
DEUTSCH
Eines der grundlegendsten Prinzipien der Physik besagt, dass ein auf einem Bahnsteig hüpfender Ball von einem Beobachter in einem vorbeifahrenden Zug und einem am Bahnsteig wartenden Beobachter mit denselben Gesetzen beschrieben werden können – die Naturgesetze seien unabhängig von der Wahl eines Bezugssystems.
Bezugssysteme wie der Zug und der Bahnsteig sind physikalische Systeme und unterliegen letztlich quantenmechanischen Gesetzen. Daher können sie sich beispielsweise im Prinzip auch in einer Quantensuperposition befinden.
Wie würde jedoch die Beschreibung des Balls für einen Beobachter auf einem solchen “Quanten-Bahnsteig” aussehen?, so erläutert die Universität Wien in ihrre Pressemitteilung die Ausgangssituation und Hauptergebnis.
Forscherinnen der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften wollen nachgewiesen haben, dass es vom Bezugssystem abhängt, ob ein Objekt Quanteneigenschaften aufweist. Die physikalischen Gesetze seien allerdings weiterhin davon unabhängig, so betont die Forschergruppe.
Aus philosophischer Sicht könnte man weiter fragen, können physikalische Naturgesetze auch als ein Bezugssystem verstanden werden, das der Quantenmechanik unterworfen ist? Also, eine Universalität der Quantenmechanik.
Hier lässt sich mit einem bis dato gültigen Grundprinzip der Physik antworten: Allgemeine Kovarianz. Es besagt, dass die physikalischen Gesetze, die die Bewegung des Balls beschreiben, nicht vom Bezugssystem des Beobachters abhängen.
Dieses Prinzip war seit Galileo entscheidend für die Beschreibung von Bewegung und zentral für die Entwicklung von Einsteins Relativitätstheorie. Es beinhaltet Informationen über Symmetrien der physikalischen Gesetze aus der Sicht verschiedener Bezugssysteme, so die Forscherinnengruppe. Was aber, wenn es doch keine Symmetrien sind und diese ebenso “relativ”, also ein Meta-Bezugssystem konstituieren?
Man kann diese Frage auch vom Bezugssystem als Objekt aufdröseln, also die Gesetze der Physik aus der Sicht eines am Quantenteilchen “klebenden” Beobachters zu formulieren und darüber ein Quantenbezugssystem einzuführen. Die Fortscherinnengruppe konnten zeigen, dass man jedes Quantensystem als Quantenbezugssystem betrachten kann.
Insbesondere stellten sie fest, dass – wenn ein Beobachter im fahrenden Zug den Bahnsteig in einer Quantenüberlagerung verschiedener Positionen zugleich sieht – eine auf dem Bahnsteig wartender Beobachter den Zug in einer eben solchen Quantenüberlagerung sieht. Folglich hängt es vom Bezugssystem des Beobachters ab, ob ein Objekt wie der Ball Quanten- oder klassische Eigenschaften aufweist, so die Argumentation der Forscherinnengruppe.
Das bedeutet, dass die Gesetze der Physik unabhängig von der Wahl des Quantenbezugssystems ihre Form behalten, aber unter der Annahme, dass ein Objekt mal so oder so sich verhalten kann: Einmal klassisch, einmal quantenmechanisch. Wenn man nun aber Gesetze selber als Bezugssystem betrachtet, dann würde sich alle Objekte nur mehr quantenmechanisch verhalten. Die These würde sich so vereinfachen.
Jedenfalls gilt bis dato: “Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Symmetrien der Welt auf eine grundlegendere Ebene erweitert werden müssen“, sagt Flaminia Giacomini, die Hauptautorin der Publikation.
Über die Relevanz dieser Fragestellung erfährt man: Diese Erkenntnis könnte im Zusammenspiel von Quantenmechanik und Gravitation relevant werden – ein Gebiet, das größtenteils noch unerforscht ist. Denn dort wird erwartet, dass der klassische Begriff des Bezugssystems nicht ausreicht und dass Bezugssysteme grundsätzlich Quanten sein müssen.
Damit bleibt das Tor offen: Können Gesetze selbst Bezugssysteme sein?
Originalpublikation: Publikation in Nature Communications “Quantum mechanics and the covariance of physical laws in quantum reference frames”, F. Giacomini, E. Castro-Ruiz, and Č. Brukner, Nature Communications (2019), DOI: 10.1038/s41467-018-08155-0