Das Wort Unsicherheit wird in der Quantenmechanik häufig verwendet. Eine Denkrichtung ist, dass dies bedeutet, dass es irgendetwas auf der Welt gibt, über das wir unsicher sind. Die meisten Physiker glauben jedoch, dass die Natur selbst unsicher ist.

Die intrinsische Unsicherheit war von zentraler Bedeutung für die Art und Weise, wie der deutsche Physiker Werner Heisenberg, einer der Urheber der modernen Quantenmechanik, die Theorie vorstellte.

Er stellte fest Leiten Sie das Unsicherheitsprinzip weiter, das gezeigt hat, dass wir niemals alle Eigenschaften eines Partikels gleichzeitig kennen können.

Wenn wir beispielsweise die Position des Partikels messen, können wir seine Position kennen. Diese Messung würde jedoch notwendigerweise ihre Geschwindigkeit um einen Betrag stören, der umgekehrt proportional zur Genauigkeit der Positionsmessung ist.

War Heisenberg falsch?

Heisenberg verwendete das Unsicherheitsprinzip, um zu erklären, wie die Messung erfolgen würde zerstören dieses klassische Merkmal der Quantenmechanik, das Zwei-Spalt-Interferenzmuster (mehr dazu weiter unten).

Aber bereits in den 1990er Jahren behaupteten einige bedeutende Quantenphysiker, bewiesen zu haben, dass es möglich ist, zu bestimmen, welches der zwei Schlitze, durch die ein Teilchen geht, ohne seine Geschwindigkeit wesentlich zu stören.

Bedeutet das, dass Heisenbergs Erklärung falsch sein muss? In der gerade in Science Advances veröffentlichten Arbeit haben meine experimentellen Kollegen und ich gezeigt, dass es unklug wäre, zu dieser Schlussfolgerung zu gelangen.

Wir zeigen, dass es immer eine Geschwindigkeitsstörung gibt – von der Größe, die vom Unsicherheitsprinzip erwartet wird , in gewissem Sinne.

Bevor wir jedoch auf die Details eingehen, müssen wir kurz das Zwei-Spalt-Experiment erläutern.

Das Zwei-Spalt-Experiment

In dieser Art von Experiment gibt es ist eine Barriere mit zwei Löchern oder Schlitzen. Wir haben auch ein Quantenteilchen mit einer Positionsunsicherheit, die groß genug ist, um beide Schlitze abzudecken, wenn es an der Barriere abgefeuert wird.

Da wir nicht wissen können, durch welchen Schlitz das Teilchen geht, verhält es sich so, als ob es geht durch beide Schlitze. Die Signatur dafür ist das sogenannte „Interferenzmuster“: Wellen in der Verteilung, wo sich das Partikel wahrscheinlich auf einem Bildschirm im Fernfeld hinter den Schlitzen befindet, was einen langen Weg (oft mehrere Meter) hinter den Schlitzen bedeutet

Aber was ist, wenn wir eine Messung durchführen? Gerät in der Nähe der Barriere, um herauszufinden, durch welchen Schlitz das Partikel geht? Werden wir immer noch das Interferenzmuster sehen?

Wir wissen, dass die Antwort Nein lautet, und Heisenbergs Erklärung lautete, dass die Positionsmessung genau genug ist, um dies zu erkennen Durch welchen Schlitz das Teilchen durchläuft, wird seine Geschwindigkeit zufällig gestört, gerade groß genug, um zu beeinflussen, wo es endet s oben im Fernfeld, und so die Wellen der Interferenz auswaschen.

Die herausragenden Quantenphysiker haben erkannt, dass für die Ermittlung des Schlitzes, den das Teilchen durchläuft, keine Positionsmessung als solche erforderlich ist. Jede Messung, die unterschiedliche Ergebnisse liefert, je nachdem, welchen Schlitz das Partikel durchläuft, reicht aus.

Und sie haben ein Gerät entwickelt, dessen Wirkung auf das Partikel nicht die eines zufälligen Geschwindigkeitskicks beim Durchlaufen ist. Sie argumentierten daher, dass nicht Heisenbergs Unsicherheitsprinzip den Verlust von Interferenzen erklärt, sondern ein anderer Mechanismus.

Wie Heisenberg vorausgesagt hat

Wir müssen uns nicht auf das einlassen, was sie sind behauptet wurde der Mechanismus zur Zerstörung von Interferenzen, weil unser Experiment gezeigt hat, dass es einen Effekt auf die Geschwindigkeit des Partikels gibt, der nur die Größe hat, die Heisenberg vorhergesagt hat.

Wir haben gesehen, was andere übersehen haben, da diese Geschwindigkeitsstörung nicht auftritt, wenn das Partikel das Messgerät durchläuft. Vielmehr wird es verzögert, bis das Teilchen auf dem Weg zum Fernfeld weit hinter den Schlitzen ist.

Wie ist das möglich? Nun, weil Quantenteilchen nicht wirklich nur Teilchen sind. Sie sind auch Wellen.

Tatsächlich war die Theorie hinter unserem Experiment eine, in der sich sowohl die Wellen- als auch die Teilchennatur manifestieren – die Welle leitet die Bewegung des Teilchens gemäß der vom theoretischen Physiker David Bohm eingeführten Interpretation , eine Generation nach Heisenberg.

Lassen Sie uns experimentieren

In unserem neuesten Experiment folgten Wissenschaftler in China einer von mir 2007 vorgeschlagenen Technik, um die hypothetische Bewegung der Quantenteilchen von vielen verschiedenen möglichen Ausgangspunkten über beide zu rekonstruieren Schlitze und für beide Messergebnisse.

Sie verglichen die Geschwindigkeiten über die Zeit, wenn kein Messgerät vorhanden war, mit denen, als es vorhanden war, und bestimmten so die Änderung der Geschwindigkeiten als Ergebnis der Messung.

Das Experiment zeigte, dass die Wirkung der Messung auf die Geschwindigkeit der Partikel lange nach dem Löschen des Messgeräts durch die Partikel selbst bis zu einer Entfernung von 5 Metern fortgesetzt wurde.

Zu diesem Zeitpunkt war im Fernfeld die kumulative Änderung der Geschwindigkeit im Durchschnitt gerade groß genug, um die Wellen im Interferenzmuster auszuwaschen.

Am Ende triumphiert also Heisenbergs Unsicherheitsprinzip.

Die Botschaft zum Mitnehmen? Machen Sie keine weitreichenden Aussagen darüber, welches Prinzip ein Phänomen erklären kann oder nicht, bis Sie alle theoretischen Formulierungen des Prinzips berücksichtigt haben.

Ja, das ist eine abstrakte Botschaft, aber es sind Ratschläge, die in Bereichen gelten könnten, die weit von der Physik entfernt sind.