Geoff Brumfiel z Časopis Nature

Na rozdíl od toho, co se mnoho studentů učí, nemusí být kvantová nejistota vždy v očích pozorovatele. Nový experiment ukazuje, že měření kvantového systému nemusí nutně představovat nejistotu. Studie svrhne běžnou vysvětlení učebny, proč se kvantový svět jeví jako nejasný, ale základní hranice toho, co je možné poznat na nejmenších stupnicích, se nemění.

Základem kvantové mechaniky je Heisenbergův princip neurčitosti. Jednoduše řečeno, princip uvádí, že existuje zásadní omezení toho, co člověk může vědět o kvantovém systému. Například čím přesněji člověk zná polohu částice, tím méně může vědět o její hybnosti a naopak. Limita je vyjádřena jako jednoduchá rovnice, kterou lze přímo matematicky dokázat.

Heisenberg někdy vysvětlil princip neurčitosti jako problém měření. Jeho nejznámější myšlenkový experiment zahrnoval fotografování elektronu. Při pořízení snímku by vědec mohl odrazit světelnou částici od povrchu elektronu. To by odhalilo jeho polohu, ale také by to dodalo elektronu energii, což by způsobilo jeho pohyb. Učení o poloze elektronu by vytvořilo nejistotu ve své rychlosti; a akt měření by vyvolal nejistotu potřebnou k uspokojení principu.

Studenti fyziky se v této úvodní třídě stále učí této měřící-rušivé verzi principu neurčitosti, ale ukázalo se, že to není vždy Aephraim Steinberg z University of Toronto v Kanadě a jeho tým provedli měření na fotonech (částice světla) a prokázali, že akt měření může přinést menší nejistotu, než jak vyžaduje Heisenbergův princip. Celková nejistota toho, co lze znát o vlastnostech fotonu však zůstává nad Heisenbergovým limitem.

Jemné měření
Steinbergova skupina neměří polohu a hybnost, ale spíše dvě různé vzájemně související vlastnosti fotonu : jeho polarizační stavy. V tomto případě je polarizace podél jedné roviny vnitřně svázána s polarizací podél druhé a podle Heisenbergova principu existuje omezení jistoty, se kterou mohou být oba státy známy.

Vědci vytvořili „slabé“ měření polarizace fotonu v jedné rovině – nestačí k jeho narušení, ale k vytvoření hrubého pocitu jeho orientace. Dále měřili polarizaci ve druhé rovině. Poté provedli přesné nebo „silné“ měření první polarizace, aby zjistili, zda bylo narušeno druhým měřením.

Když vědci provedli experiment vícekrát, zjistili, že měření jednoho polarizace ne vždy narušila druhý stav natolik, jak předpovídal princip neurčitosti. V nejsilnějším případě byla indukovaná neurčitost jen polovinou toho, co by předpovídal princip nejistoty.

Nenechte se příliš vzrušovat: princip nejistoty stále platí, říká Steinberg: „Nakonec , neexistuje způsob, jak byste to mohli přesně vědět současně. “ Experiment však ukazuje, že nejistota není vždy činem měření. „Pokud v systému již existuje velká nejistota, nemusí z měření vůbec vycházet žádný hluk,“ říká.

Nejnovější experiment je druhým provedením měření pod mezní hodnotou nejistoty. Na začátku letošního roku měřil Yuji Hasegawa, fyzik na Vídeňské technické univerzitě v Rakousku, skupiny neutronových spinů a odvozené výsledky hluboko pod to, co by se dalo předvídat, kdyby měření vnesla do systému veškerou nejistotu.

Ale nejnovější výsledky jsou dosud nejjasnějším příkladem, proč bylo Heisenbergovo vysvětlení nesprávné. „Toto je nejpřímější experimentální test Heisenbergova principu nejistoty měření a poruchy,“ říká Howard Wiseman, teoretický fyzik z Griffithu University in Brisbane, Australia „Doufejme, že to bude užitečné pro vzdělávání autorů učebnic, aby věděli, že naivní vztah měření a rušení je špatný.“

Otřesení starým vysvětlením nejistoty měření může být obtížné t, nicméně. Dokonce i po provedení experimentu Steinberg stále zahrnoval otázku o tom, jak měření vytvářejí nejistotu na nedávném domácím úkolu pro jeho studenty. „Až při hodnocení jsem si uvědomil, že můj domácí úkol byl špatný,“ říká. „Nyní musím být opatrnější.“

Tento článek je reprodukován se svolením časopisu Nature. Článek byl poprvé publikován 11. září 2012.