Ordet usikkerhed bruges meget i kvantemekanik. En tankegang er, at dette betyder, at der er noget derude i verden, som vi er usikre på. Men de fleste fysikere mener, at selve naturen er usikker.

Iboende usikkerhed var central for den måde, som den tyske fysiker Werner Heisenberg, en af ophavsmændene til moderne kvantemekanik, præsenterede teorien.

Han sagde videresend usikkerhedsprincippet, der viste, at vi aldrig kan kende alle partiklens egenskaber på samme tid.

For eksempel vil måling af partiklens position give os mulighed for at kende dens position. Men denne måling vil nødvendigvis forstyrre dens hastighed med en mængde, der er omvendt proportional med nøjagtigheden af positionsmålingen.

Var Heisenberg forkert?

Heisenberg brugte Usikkerhedsprincippet til at forklare, hvordan måling ville ødelægge det klassiske træk ved kvantemekanik, det to-spaltede interferensmønster (mere om dette nedenfor).

Men tilbage i 1990’erne hævdede nogle fremtrædende kvantefysikere at have bevist, at det er muligt at bestemme, hvilken af to spalter, som en partikel går igennem uden at forstyrre dens hastighed markant.

Betyder det, at Heisenbergs forklaring skal være forkert? I arbejde, der netop er offentliggjort i Science Advances, har mine eksperimentelle kolleger og jeg vist, at det ville være uklogt at komme til den konklusion.

Vi viser en hastighedsforstyrrelse – af den størrelse, der forventes fra Usikkerhedsprincippet – eksisterer altid i en vis forstand.

Men inden vi går ind i detaljerne, er vi nødt til at forklare kort om to-spalteeksperimentet.

To-spalteeksperimentet

I denne type eksperimenter er der er en barriere med to huller eller spalter. Vi har også en kvantepartikel med en positionssikkerhed, der er stor nok til at dække begge spalter, hvis den fyres mod barrieren.

Da vi ikke kan vide, hvilken spalte partiklen går igennem, fungerer den som om den går gennem begge slidser. Underskriften på dette er det såkaldte “interferensmønster”: krusninger i fordelingen af, hvor partiklen sandsynligvis findes på en skærm i det fjerne felt ud over spalterne, hvilket betyder en lang vej (ofte flere meter) forbi spalterne .

Men hvad hvis vi sætter en måling enhed nær barrieren for at finde ud af, hvilken spalte partiklen går igennem? Vil vi stadig se interferensmønsteret?

Vi ved, at svaret er nej, og Heisenbergs forklaring var, at hvis positionsmålingen er nøjagtig nok til at fortælle hvilken spalte partiklen går igennem, vil det give en tilfældig forstyrrelse af dens hastighed, der er lige stor nok til at påvirke, hvor den ender s op i det fjerne felt og vasker dermed interferensens krusninger ud.

Hvad de fremtrædende kvantefysikere indså, er at det at finde ud af, hvilken spalte partiklen går igennem, ikke kræver en positionsmåling som sådan. Enhver måling, der giver forskellige resultater, afhængigt af hvilken spalte partiklen går igennem, vil gøre.

Og de kom op med en enhed, hvis virkning på partiklen ikke er den af et tilfældigt hastighedsspark, når den går igennem. Derfor argumenterede de for, at det ikke er Heisenbergs usikkerhedsprincip, der forklarer tabet af interferens, men en anden mekanisme.

Som Heisenberg forudsagde

Vi behøver ikke komme ind på, hvad de hævdede var mekanismen til at ødelægge interferens, fordi vores eksperiment har vist, at der er en effekt på partikelhastigheden af den størrelse, som Heisenberg forudsagde.

Vi så, hvad andre har gået glip af, fordi denne hastighedsforstyrrelse ikke sker, når partiklen går gennem måleenheden. Det er snarere forsinket, indtil partiklen er godt forbi spalterne, på vej mod det fjerne felt.

Hvordan er dette muligt? Nå, fordi kvantepartikler ikke egentlig kun er partikler. De er også bølger.

Faktisk var teorien bag vores eksperiment en, hvor både bølge- og partikelnatur er manifesteret – bølgen styrer bevægelsen af partiklen i henhold til den fortolkning, der blev introduceret af den teoretiske fysiker David Bohm , en generation efter Heisenberg.

Lad os eksperimentere

I vores seneste eksperiment fulgte forskere i Kina en teknik, som blev foreslået af mig i 2007 til at rekonstruere den hypotese bevægelse af kvantepartiklerne fra mange forskellige mulige udgangspunkt på tværs af begge spalter, og for begge måleresultater.

De sammenlignede hastighederne over tid, hvor der ikke var nogen måleenhed til stede, til dem, der var, og bestemte således ændringen i hastighederne som et resultat af målingen.

Eksperimentet viste, at virkningen af målingen på partiklernes hastighed fortsatte længe efter, at partiklerne havde ryddet selve måleapparatet, så langt som 5 meter væk fra det.

På det tidspunkt, i det fjerne felt, var den kumulative hastighedsændring i gennemsnit lige stor nok til at vaske krusninger i interferensmønsteret.

Så i sidste ende fremstår Heisenbergs usikkerhedsprincip triumferende.

Medbringelsen om hjemmet? Foretag ikke vidtrækkende påstande om, hvilket princip der kan eller ikke kan forklare et fænomen, før du har overvejet alle teoretiske formuleringer af princippet.

Ja, det er lidt af en abstrakt besked, men det er råd, der kan gælde inden for områder langt fra fysik.