Slovo nejistota se v kvantové mechanice hodně používá. Jedna myšlenková myšlenka je, že to znamená, že na světě existuje něco, o čem si nejsme jisti. Ale většina fyziků věří, že příroda sama je nejistá.

Vnitřní nejistota byla ústředním bodem způsobu, jakým tuto teorii představil německý fyzik Werner Heisenberg, jeden z původců moderní kvantové mechaniky.

Uvedl předat Princip neurčitosti, který ukázal, že nikdy nemůžeme znát všechny vlastnosti částice současně.

Například měření polohy částice by nám umožnilo znát její polohu. Toto měření by však nutně narušilo jeho rychlost, a to o množství nepřímo úměrné přesnosti měření polohy.

Mýlil se Heisenberg?

Heisenberg použil princip nejistoty k vysvětlení, jak by měření zničit tuto klasickou vlastnost kvantové mechaniky, vzor interference dvou štěrbin (více o tom níže).

Ale v 90. letech někteří významní kvantoví fyzici tvrdili, že dokázali určit, který z dvěma štěrbinami, kterými částice prochází, aniž by významně narušila její rychlost.

Znamená to, že Heisenbergovo vysvětlení musí být špatné? V práci, která byla právě publikována v Science Advances, jsme s mými experimentálními kolegy ukázali, že by bylo nerozumné k tomuto závěru dospět.

Ukazujeme narušení rychlosti – o velikosti očekávané od principu nejistoty – vždy existuje , v jistém smyslu.

Ale než se dostaneme k podrobnostem, musíme krátce vysvětlit experiment se dvěma štěrbinami.

Experiment se dvěma štěrbinami

V tomto typu experimentu existuje je bariéra se dvěma otvory nebo štěrbinami. Máme také kvantovou částici s nejistotou polohy dostatečně velkou, abychom pokryli obě štěrbiny, pokud je vystřelena na bariéru.

Protože nemůžeme vědět, kterou štěrbinou část prochází, chová se, jako by skrz obě štěrbiny. Podpisem je takzvaný „interferenční vzor“: vlnění v distribuci místa, kde se částice pravděpodobně nacházejí na obrazovce ve vzdáleném poli za štěrbinami, což znamená dlouhou cestu (často několik metrů) za štěrbinami .

Ale co když dáme měření zařízení poblíž bariéry, abychom zjistili, kterou štěrbinou částice prochází? Budeme stále vidět interferenční vzor?

Víme, že odpověď je ne, a Heisenbergovo vysvětlení bylo, že pokud je měření polohy dostatečně přesné, aby kterou štěrbinou prochází částice, způsobí náhodné narušení její rychlosti, dostatečně velké, aby ovlivnilo, kde končí jsou vzhůru ve vzdáleném poli, a tak vymývají vlnění rušení.

Významní kvantoví fyzici si uvědomili, že zjištění, kterou štěrbinou prochází částice, nevyžaduje měření polohy jako takové. Jakékoli měření, které poskytne různé výsledky v závislosti na tom, kterou štěrbinou částice prochází, to udělá.

A přišli se zařízením, jehož účinek na částici není takový, jako kdyby při průchodu došlo k náhodné rychlosti. Tvrdili tedy, že ztrátu rušení nevysvětluje Heisenbergův princip nejistoty, ale nějaký jiný mechanismus.

Jak předpověděl Heisenberg

Nemusíme se dostat do toho, co tvrdil, byl mechanismus pro zničení interference, protože náš experiment ukázal, že existuje vliv na rychlost částice, jen o velikosti, kterou předpověděl Heisenberg.

Viděli jsme, co ostatním chybělo, protože k tomuto narušení rychlosti nedochází, když částice prochází měřicím zařízením. Spíše je zpožděno, dokud není částice dostatečně za štěrbinami, na cestě k vzdálenému poli.

Jak je to možné? Protože kvantové částice nejsou ve skutečnosti jen částice. Jsou to také vlny.

Teorie, která stála za naším experimentem, byla ve skutečnosti taková, že se projevuje jak vlnová, tak i částicová povaha – vlna řídí pohyb částice podle interpretace zavedené teoretickým fyzikem Davidem Bohmem , generace po Heisenbergovi.

Pojďme experimentovat

V našem nejnovějším experimentu se vědci v Číně řídili technikou, kterou jsem navrhl v roce 2007 k rekonstrukci předpokládaného pohybu kvantových částic z mnoha různých možných výchozích bodů napříč oběma štěrbinami a pro oba výsledky měření.

Porovnávali rychlosti v čase, kdy nebylo přítomno žádné měřicí zařízení, s těmi, když tam byly, a tak určily změnu rychlostí v důsledku měření.

Experiment ukázal, že účinek měření na rychlost částic pokračoval dlouho poté, co částice vyčistily samotné měřicí zařízení, až 5 metrů od něj.

V tomto bodě byla v dalekém poli kumulativní změna rychlosti v průměru jen dost velká na to, aby vymývala vlnky v interferenčním vzoru.

Takže nakonec se vítězný Heisenbergův princip nejistoty jeví jako vítězný.

Zpráva odnést domů? Nedávejte dalekosáhlá tvrzení o tom, jaký princip může nebo nemůže vysvětlit jev, dokud neuvažujete o všech teoretických formulacích principu.

Ano, je to tak trochu abstraktní zpráva, ale je to rada, která by mohla platit v oblastech daleko od fyziky.