Von Geoff Brumfiel von Naturmagazin

Im Gegensatz zu dem, was vielen Schülern beigebracht wird, liegt die Quantenunsicherheit möglicherweise nicht immer im Auge des Betrachters. Ein neues Experiment zeigt, dass die Messung eines Quantensystems nicht unbedingt zu Unsicherheit führt. Die Studie stürzt eine gemeinsame Erklärung im Klassenzimmer, warum die Quantenwelt so verschwommen erscheint, aber die grundlegende Grenze dessen, was auf kleinsten Skalen erkennbar ist, bleibt unverändert.

Grundlage der Quantenmechanik ist das Heisenberg-Unsicherheitsprinzip. Einfach ausgedrückt, das Prinzip stellt fest, dass es eine grundlegende Grenze für das gibt, was man über ein Quantensystem wissen kann. Je genauer man beispielsweise die Position eines Teilchens kennt, desto weniger kann man über seinen Impuls wissen und umgekehrt. Die Grenze wird als einfache Gleichung ausgedrückt, die sich leicht mathematisch beweisen lässt.

Heisenberg erklärte manchmal das Unsicherheitsprinzip als ein Problem bei der Durchführung von Messungen. Sein bekanntestes Gedankenexperiment war das Fotografieren eines Elektrons. Um das Bild aufzunehmen, könnte ein Wissenschaftler ein Lichtteilchen von der Oberfläche des Elektrons abprallen lassen. Dies würde seine Position offenbaren, aber es würde dem Elektron auch Energie verleihen, wodurch es sich bewegt. Das Lernen über die Position des Elektrons würde Unsicherheit erzeugen in seiner Geschwindigkeit; und der Akt des Messens würde die Unsicherheit erzeugen, die erforderlich ist, um das Prinzip zu erfüllen.

Physikstudenten wird diese Messstörungsversion des Unsicherheitsprinzips noch in Einführungsklassen beigebracht, aber es stellt sich heraus, dass dies nicht immer der Fall ist Aephraim Steinberg von der University of Toronto in Kanada und sein Team haben Messungen an Photonen (Lichtteilchen) durchgeführt und gezeigt, dass das Messen weniger Unsicherheit mit sich bringen kann, als es das Heisenbergsche Prinzip erfordert. Die Gesamtunsicherheit dessen, was bekannt sein kann über die Eigenschaften des Photons bleibt jedoch über der Heisenbergschen Grenze.

Feinmessung
Steinbergs Gruppe misst nicht Position und Impuls, sondern zwei verschiedene miteinander verbundene Eigenschaften eines Photons : seine Polarisationszustände. In diesem Fall ist die Polarisation entlang einer Ebene untrennbar mit der Polarisation entlang der anderen Ebene verbunden, und nach dem Heisenbergschen Prinzip gibt es eine Grenze für die Sicherheit, mit der beide Zustände bekannt sein können.

Die Forscher haben a ’schwache‘ Messung der Polarisation des Photons in einer Ebene – nicht genug, um es zu stören, aber genug, um ein grobes Gefühl für seine Ausrichtung zu erzeugen. Als nächstes maßen sie die Polarisation in der zweiten Ebene. Dann machten sie eine genaue oder „starke“ Messung der ersten Polarisation, um festzustellen, ob sie durch die zweite Messung gestört worden war.

Als die Forscher das Experiment mehrmals durchführten, fanden sie diese Messung von einer Die Polarisation störte den anderen Zustand nicht immer so sehr wie das vorhergesagte Unsicherheitsprinzip. Im stärksten Fall war die induzierte Unschärfe nur die Hälfte dessen, was das Unsicherheitsprinzip vorhersagen würde.

Seien Sie nicht zu aufgeregt: Das Unsicherheitsprinzip bleibt bestehen, sagt Steinberg: „Am Ende gibt es keine Möglichkeit, genau gleichzeitig zu wissen. Das Experiment zeigt jedoch, dass der Messvorgang nicht immer die Unsicherheit verursacht. „Wenn das System bereits sehr unsicher ist, muss es überhaupt kein Rauschen bei der Messung geben“, sagt er.

Das neueste Experiment ist das zweite, bei dem a durchgeführt wird Messung unterhalb der Unsicherheitsrauschgrenze Anfang dieses Jahres hat Yuji Hasegawa, Physiker an der Technischen Universität Wien in Österreich, Gruppen von Neutronenspins gemessen und Ergebnisse abgeleitet, die weit unter denen liegen, die vorhergesagt würden, wenn Messungen die gesamte Unsicherheit in das System einfügen würden.

Die neuesten Ergebnisse sind jedoch das bisher klarste Beispiel dafür, warum Heisenbergs Erklärung falsch war: „Dies ist der direkteste experimentelle Test des Heisenberg-Prinzips der Messstörungsunsicherheit“, sagt Howard Wiseman, theoretischer Physiker bei Griffith Universität in Brisbane, Australien „Hoffentlich ist es nützlich, um Schulbuchautoren zu unterrichten, damit sie wissen, dass die naive Beziehung zwischen Messung und Störung falsch ist.“

Das Schütteln der alten Erklärung zur Messunsicherheit kann schwierig sein t jedoch. Auch nach dem Experiment stellte Steinberg noch die Frage, wie Messungen bei seinen Schülern zu Unsicherheiten bei einer kürzlich durchgeführten Hausaufgabe führen. „Erst als ich benotete, wurde mir klar, dass meine Hausaufgabe falsch war“, sagt er. „Jetzt muss ich vorsichtiger sein.“

Dieser Artikel wurde mit Genehmigung der Zeitschrift Nature reproduziert. Der Artikel wurde erstmals am 11. September 2012 veröffentlicht.