Sanaa epävarmuus käytetään paljon kvanttimekaniikassa. Yksi ajattelutapa on, että tämä tarkoittaa, että maailmassa on jotain, mistä olemme epävarmoja. Mutta useimmat fyysikot uskovat, että luonto itsessään on epävarma.

Luonnollinen epävarmuus oli keskeistä tapaa, jolla saksalainen fyysikko Werner Heisenberg, yksi modernin kvanttimekaniikan alullepanijoista, esitteli teoriaa.

Hän sanoi välitä epävarmuusperiaate, joka osoitti, että emme voi koskaan tietää kaikkia hiukkasen ominaisuuksia samanaikaisesti.

Esimerkiksi hiukkasen sijainnin mittaaminen antaisi meille mahdollisuuden tietää sen sijainti. Mutta tämä mittaus välttämättä häiritsisi sen nopeutta määrällä, joka on kääntäen verrannollinen sijainnin mittauksen tarkkuuteen.

Oliko Heisenberg väärässä?

Heisenberg käytti epävarmuusperiaatetta selittääkseen, kuinka mittaus olisi tuhota kvanttimekaniikan klassinen piirre, kaksirivinen häiriökuvio (lisätietoja tästä alla).

Mutta jo 1990-luvulla jotkut tunnetut kvanttifyysikot väittivät osoittaneen, että on mahdollista määrittää, mikä kaksi rakoa hiukkanen kulkee läpi häiritsemättä merkittävästi sen nopeutta.

Tarkoittaako tämä, että Heisenbergin selityksen on oltava väärä? Äskettäin Science Advances -lehdessä julkaistussa työssä kokeelliset kollegani ja minä olemme osoittaneet, että ei olisi viisasta siirtyä tähän johtopäätökseen.

Osoitamme, että nopeushäiriö – koko on epävarmuusperiaatteelta odotettavissa – on aina olemassa , tietyssä mielessä.

Mutta ennen yksityiskohtiin pääsemistä meidän on kerrottava lyhyesti kahden uran kokeesta.

Kahden uran kokeilu

Tämäntyyppisessä kokeessa on este, jossa on kaksi reikää tai rakoa. Meillä on myös kvanttihiukkanen, jonka sijainnin epävarmuus on riittävän suuri peittämään molemmat rakot, jos se ammutaan estettä kohti.

Koska emme voi tietää, minkä raon hiukkanen kulkee, se toimii kuin menisi molempien rakojen läpi. Tämän allekirjoitus on niin sanottu ”häiriökuvio”: aaltoilu jakautumisessa, missä hiukkanen todennäköisesti löytyy ruudun takana olevalla kaukana olevan kentän näytöllä, mikä tarkoittaa pitkää (usein useita metrejä) rakojen ohi .

Mutta entä jos asetamme mittauksen laitteen lähellä esteen selvittämiseksi, mikä rako hiukkanen kulkee? Näemmekö silti häiriökuvion?

Tiedämme, että vastaus on ei, ja Heisenbergin selitys oli, että jos sijainnin mittaus on riittävän tarkka kertomaan mikä rako hiukkasen läpi menee, se antaa satunnaisesti häiriön sen nopeudelle, joka on riittävän suuri vaikuttamaan mihin se päättyy s ylös kaukaiselle kentälle ja pese siten pois häiriöiden aallot.

Huomattavat kvanttifyysikot tajusivat, että sen selvittäminen, mikä rako hiukkanen käy läpi, ei vaadi sijainnin mittaamista sinänsä. Mittaus, joka antaa erilaisia tuloksia riippuen siitä, minkä raon hiukkanen käy läpi.

Ja he keksivät laitteen, jonka vaikutus hiukkaseen ei ole satunnaisen nopeuden potkun vaikutus sen läpi. Siksi he väittivät, ettei Heisenbergin epävarmuusperiaate selitä häiriöiden menetystä, vaan jokin muu mekanismi.

Kuten Heisenberg ennusti

Meidän ei tarvitse päästä siihen, mihin he väitettiin olevan häiriöiden tuhoamismekanismi, koska kokeemme on osoittanut, että vaikutus hiukkasen nopeuteen on vain Heisenbergin ennustaman koon.

Näimme, mitä muut ovat menettäneet, koska tätä nopeushäiriötä ei tapahdu, kun hiukkanen kulkee mittauslaitteen läpi. Pikemminkin se viivästyy, kunnes hiukkanen on reiän ohi, matkalla kohti kaukaa kenttää.

Kuinka tämä on mahdollista? No, koska kvanttihiukkaset eivät oikeastaan ole vain hiukkasia. Ne ovat myös aaltoja.

Itse asiassa kokeilumme taustalla oli teoria, jossa sekä aalto että hiukkasluonto ovat ilmeisiä – aalto ohjaa hiukkasen liikettä teoreettisen fyysikon David Bohmin esittämän tulkinnan mukaisesti. , sukupolvi Heisenbergin jälkeen.

Kokeilemme

Viimeisimmässä kokeessamme kiinalaiset tutkijat seurasivat minun vuonna 2007 ehdottamaa tekniikkaa rekonstruoidakseen kvanttihiukkasten oletetun liikkeen monista erilaisista lähtökohdista molemmissa rakoja ja molempia mittaustuloksia varten.

He vertailivat nopeuksia ajan mittaan, kun mittauslaitetta ei ollut läsnä, kun nopeutta oli, ja määrittelivät siten nopeuden muutoksen mittauksen seurauksena.

Kokeessa kävi ilmi, että mittauksen vaikutus hiukkasten nopeuteen jatkui kauan sen jälkeen, kun hiukkaset olivat tyhjentäneet itse mittauslaitteen, jopa 5 metrin päähän siitä.

Siihen mennessä kaukaisessa kentässä nopeuden kumulatiivinen muutos oli keskimäärin juuri tarpeeksi suuri huuhtelemaan häiriökuvion aallot.

Joten loppujen lopuksi Heisenbergin epävarmuusperiaate nousee voittoisaksi.

Kotiin viemistä koskeva viesti? Älä esitä kauaskantoisia väitteitä siitä, mikä periaate voi tai ei voi selittää ilmiötä, ennen kuin olet tarkastellut kaikkia periaatteen teoreettisia muotoiluja.

Kyllä, se on vähän abstrakti viesti, mutta neuvoa voidaan soveltaa kaukana fysiikasta.