Kirjoittaja Geoff Brumfiel Luonto-lehti

Päinvastoin kuin monille opiskelijoille opetetaan, kvanttiepävarmuus ei välttämättä aina ole katsojan silmissä. Uusi koe osoittaa, että kvanttijärjestelmän mittaaminen ei välttämättä tuo epävarmuutta. Tutkimus kaataa yleisen luokkahuoneessa selitys sille, miksi kvanttimaailma näyttää niin sumealta, mutta perusraja sille, mikä on tiedettävissä pienimmässä mittakaavassa, pysyy muuttumattomana.

Kvanttimekaniikan perustana on Heisenbergin epävarmuusperiaate. Yksinkertaisesti sanottuna periaate toteaa, että on olemassa perustavanlaatuinen rajoitus sille, mitä voi tietää kvanttijärjestelmästä. Esimerkiksi, mitä tarkemmin tuntee hiukkasen sijainnin, sitä vähemmän voi tietää sen vauhdista ja päinvastoin. Raja ilmaistaan yksinkertaisena yhtälönä, joka on helppo todistaa matemaattisesti.

Heisenberg selitti epävarmuusperiaatteen joskus ongelmana mittausten tekemisessä. Hänen tunnetuin ajatuskokeensa käsitti elektronin valokuvaamisen. Kuvan ottamiseksi tiedemies saattaa heijastaa valopartikkelin pois elektronin pinnalta. Se paljastaisi sen sijainnin, mutta se myös välittäisi elektronille energiaa, aiheuttaen sen liikkumisen. Elektronin sijainnin tunteminen aiheuttaisi epävarmuutta sen nopeudessa; ja mittaustoiminta tuottaisi epävarmuuden, joka tarvitaan periaatteen täyttämiseksi.

Fysiikan opiskelijoille opetetaan edelleen tätä epävarmuusperiaatteen mittaushäiriöversiota johdantoluokissa, mutta käy ilmi, että se ei aina ole Aephraim Steinberg Toronton yliopistosta Kanadasta ja hänen tiiminsä ovat suorittaneet mittauksia fotoneille (valohiukkasille) ja osoittaneet, että mittaustoiminto voi aiheuttaa vähemmän epävarmuutta kuin mitä Heisenbergin periaate vaatii. fotonin ominaisuuksista kuitenkin ylittää Heisenbergin rajan.

Herkkä mittaus
Steinbergin ryhmä ei mittaa sijaintia ja liikemäärää, vaan pikemminkin kahta erilaista fotonin toisiinsa liittyvää ominaisuutta : sen polarisaatiotilat. Tällöin yhden tason polarisaatio on luontaisesti sidottu toisen polarisaatioon, ja Heisenbergin periaatteella on varmuusraja, jolla molemmat tilat voidaan tunnistaa.

Tutkijat tekivät ”heikko” fotonin polarisaation mittaus yhdessä tasossa – ei riitä häiritsemään sitä, mutta tarpeeksi tuottamaan karkean käsityksen sen orientaatiosta. Seuraavaksi he mittaivat polarisaation toisessa tasossa. Sitten he tekivät tarkan tai ”vahvan” mittauksen ensimmäisestä polarisaatiosta nähdäkseen, onko toinen mittaus häirinnyt sitä.

Kun tutkijat tekivät kokeen useita kertoja, he havaitsivat yhden mittauksen polarisaatio ei aina häirinnyt toista tilaa niin paljon kuin epävarmuusperiaate ennusti. Vahvimmassa tapauksessa indusoitu sumeus oli vain puolet siitä, mitä epävarmuusperiaate ennustaa.

Älä innostu liikaa: epävarmuuden periaate on edelleen voimassa, Steinberg sanoo: ”Loppujen lopuksi Et voi mitenkään tietää tarkasti samanaikaisesti. ” Mutta kokeilu osoittaa, että mittaustoiminta ei aina aiheuta epävarmuutta. ”Jos järjestelmässä on jo paljon epävarmuutta, mittauksesta ei tarvitse olla mitään melua”, hän sanoo.

Viimeisin kokeilu on toinen, joka tekee Aikaisemmin tänä vuonna Yuji Hasegawa, fyysikko Wienin teknillisestä yliopistosta Itävallassa, mitasi neutronikierrosten ryhmiä ja johti tuloksiin, jotka olivat selvästi alle sen, mitä ennustettaisiin, jos mittaukset lisäisivät kaikki epävarmuudet järjestelmään.

Mutta viimeisimmät tulokset ovat vielä selkein esimerkki siitä, miksi Heisenbergin selitys oli virheellinen. ”Tämä on suorin kokeellinen testi Heisenbergin mittaus-häiriöepävarmuusperiaatteesta”, sanoo Griffithin teoreettinen fyysikko Howard Wiseman. University of Brisbane, Australia ”Toivottavasti siitä on hyötyä oppikirjoittajien kouluttamisessa, jotta he tietävät, että naiivi mittaus- ja häiriösuhde on väärä.”

Vanhan mittauksen ja epävarmuuden selityksen ravistelu voi olla vaikeaa t kuitenkin. Kokeilun jälkeen Steinberg sisälsi vielä kysymyksen siitä, kuinka mittaukset aiheuttavat epävarmuutta äskettäiseen kotitehtävään opiskelijoilleen. ”Vasta luokitellessani huomasin, että kotitehtäväni olivat väärät”, hän sanoo. ”Nyt minun on oltava varovaisempi.”

Tämä artikkeli on toistettu Nature-lehden luvalla. Artikkeli julkaistiin ensimmäisen kerran 11. syyskuuta 2012.