Af Geoff Brumfiel af Nature magazine

I modsætning til hvad mange studerende undervises i, er kvanteusikkerhed muligvis ikke altid i øjnene af betragteren. Et nyt eksperiment viser, at måling af et kvantesystem ikke nødvendigvis indebærer usikkerhed. Undersøgelsen vælter en fælles klasseværelse forklaring på, hvorfor kvanteverdenen ser så uklar ud, men den grundlæggende grænse for, hvad der er kendt på de mindste skalaer, forbliver uændret.

Grundlaget for kvantemekanikken er Heisenbergs usikkerhedsprincip. Kort sagt, princippet siger, at der er en grundlæggende grænse for, hvad man kan vide om et kvantesystem. Jo mere præcist man kender en partikels position, desto mindre kan man vide om dens momentum, og omvendt. Grænsen udtrykkes som en simpel ligning, der er ligetil at bevise matematisk.

Heisenberg forklarede undertiden usikkerhedsprincippet som et problem med at foretage målinger. Hans mest kendte tankeeksperiment involverede fotografering af en elektron. For at tage billedet kan en videnskabsmand sprænge en lyspartikel af elektronens overflade. Det ville afsløre dets position, men det ville også give elektronen energi og få den til at bevæge sig. At lære om elektronens position ville skabe usikkerhed i dens hastighed og målehandlingen ville producere den usikkerhed, der er nødvendig for at tilfredsstille princippet.

Fysikstuderende undervises stadig i denne måleforstyrrelsesversion af usikkerhedsprincippet i indledende klasser, men det viser sig, at det ikke altid er Aephraim Steinberg fra University of Toronto i Canada og hans team har udført målinger på fotoner (lyspartikler) og vist, at målehandlingen kan indføre mindre usikkerhed end krævet af Heisenbergs princip. Den samlede usikkerhed om, hvad man kan kende om fotonets egenskaber forbliver dog over Heisenbergs grænse.

Delikat måling
Steinbergs gruppe måler ikke position og momentum, men snarere to forskellige indbyrdes relaterede egenskaber for en foton : dens polariseringstilstande. I dette tilfælde er polariseringen langs det ene plan iboende bundet til polarisationen langs det andet, og af Heisenbergs princip er der en grænse for den sikkerhed, som begge stater kan være kendt med.

Forskerne lavede en ‘svag’ måling af fotonets polarisering i et plan – ikke nok til at forstyrre det, men nok til at producere en grov fornemmelse af dets orientering. Dernæst målte de polarisationen i det andet plan. Derefter foretog de en nøjagtig eller “stærk” måling af den første polarisering for at se, om den var blevet forstyrret af den anden måling.

Da forskerne gjorde eksperimentet flere gange, fandt de, at måling af en polarisering forstyrrede ikke altid den anden tilstand så meget som usikkerhedsprincippet forudsagde. I stærkeste tilfælde var den inducerede uklarhed så lidt som halvdelen af det, der ville blive forudsagt af usikkerhedsprincippet.

Bliv ikke for ophidset: usikkerhedsprincippet står stadig, siger Steinberg: “I sidste ende , der er ingen måde, du kan vide præcist på samme tid. ” Men eksperimentet viser, at målehandlingen ikke altid er årsagen til usikkerheden. “Hvis der allerede er meget usikkerhed i systemet, behøver der slet ikke være nogen støj fra målingen,” siger han.

Det seneste eksperiment er det andet, der laver en måling under usikkerhedsstøjgrænsen. Tidligere i år målte Yuji Hasegawa, en fysiker ved Vienna University of Technology i Østrig, grupper af neutronsnurr og afledte resultater langt under, hvad der ville blive forudsagt, hvis målinger indsatte al usikkerhed i systemet.

Men de nyeste resultater er det klareste eksempel endnu på, hvorfor Heisenbergs forklaring var forkert. “Dette er den mest direkte eksperimentelle test af Heisenbergs usikkerhedsprincip for måle-forstyrrelse,” siger Howard Wiseman, en teoretisk fysiker ved Griffith Universitet i Brisbane, Australien “Forhåbentlig vil det være nyttigt at uddanne lærebogsforfattere, så de ved, at det naive forhold mellem måling og forstyrrelse er forkert.”

Det kan være vanskeligt at ryste den gamle måleusikkerhedsforklaring. t dog. Selv efter at have gjort eksperimentet indeholdt Steinberg stadig et spørgsmål om, hvordan målinger skaber usikkerhed om en nylig lektieopgave for hans studerende. “Først da jeg vurderede det, indså jeg, at min lektieopgave var forkert,” siger han. ”Nu skal jeg være mere forsigtig.”

Denne artikel er gengivet med tilladelse fra magasinet Nature. Artiklen blev først offentliggjort den 11. september 2012.