A bizonytalanság szót sokat használják a kvantummechanikában. Az egyik gondolatmenet szerint ez azt jelenti, hogy van valami a világon, amiben bizonytalanok vagyunk. De a fizikusok többsége úgy véli, hogy maga a természet bizonytalan.

A belső bizonytalanság központi szerepet játszott abban, ahogy Werner Heisenberg német fizikus, a modern kvantummechanika egyik megalkotója bemutatta az elméletet.

Úgy fogalmazott továbbítsa a bizonytalansági elvet, amely azt mutatta, hogy soha nem ismerhetjük meg a részecske összes tulajdonságát egyszerre.

Például a részecske helyzetének mérése lehetővé tenné számunkra a helyzetének megismerését. De ez a mérés szükségszerűen megzavarná sebességét, a pozíciómérés pontosságával fordítottan arányos összeggel.

Heisenberg tévedett?

Heisenberg a bizonytalanság elvével magyarázta a mérés mikéntjét tönkretegye a kvantummechanika klasszikus jellemzőjét, a kétréses interferencia-mintát (erről bővebben alább).

De még az 1990-es években néhány jeles kvantumfizikus azt állította, hogy bebizonyította, meg lehet határozni, hogy melyik két résen átmegy egy részecske, anélkül, hogy jelentősen megzavarná annak sebességét.

Ez azt jelenti, hogy Heisenberg magyarázata téves? A Science Advances-ban nemrég megjelent munkában kísérleti kollégáimmal megmutattuk, hogy nem lenne okos erre a következtetésre jutni.

Megmutatjuk, hogy a sebességbiztonsági zavar – a bizonytalansági elvtől elvárt méretű – mindig fennáll , bizonyos értelemben.

De mielőtt belemennénk a részletekbe, röviden meg kell magyaráznunk a kétréses kísérletet.

A kétréses kísérlet

Az ilyen típusú kísérletekben két lyukú vagy réses gát. Van egy kvantumrészecskénk is, amelynek helyzetbizonytalansága elég nagy ahhoz, hogy mindkét rést ellepje, ha a sorompóra lőnek.

Mivel nem tudjuk, hogy a részecske melyik résen megy keresztül, úgy viselkedik, mintha megy mindkét résen át. Ennek az aláírása az úgynevezett “interferencia-minta”: hullámzik annak eloszlásában, ahol a részecske valószínűleg a réseken túli távoli mező képernyőjén található, ami hosszú (gyakran több méteres) utat jelent a réseken túl .

De mi van, ha mérést teszünk eszköz a sorompó közelében, hogy megtudja, melyik résen megy át a részecske? Látjuk-e még az interferencia-mintát?

Tudjuk, hogy a válasz nem, és Heisenberg magyarázata az volt, hogy ha a helyzetmérés elég pontos ahhoz, hogy megmondja melyik résen átmegy a részecske, véletlenszerűen megzavarja annak sebességét, ami elég nagy ahhoz, hogy befolyásolja a végét s fel a távoli mezőre, és így mossa ki az interferencia hullámait.

Amire a kiváló kvantumfizikusok rájöttek, hogy annak kiderítéséhez, hogy a részecske melyik résen megy keresztül, nincs szükség helyzetmérésre. Minden olyan mérés, amely különböző eredményeket ad attól függően, hogy a részecske melyik résen megy keresztül.

És előálltak egy olyan eszközzel, amelynek hatása a részecskére nem egy véletlenszerű sebességrúgás hatása. Ezért azt állították, hogy nem Heisenberg bizonytalansági elve magyarázza az interferencia elvesztését, hanem valamilyen más mechanizmus.

Ahogy Heisenberg megjósolta

Nem kell belemennünk abba, amit állítólag az interferencia megsemmisítésének mechanizmusa volt, mert kísérletünk kimutatta, hogy a Heisenberg által megjósolt méretnek van hatása a részecske sebességére.

Láttuk, amit mások elmulasztottak, mert ez a sebességzavar nem akkor következik be, amikor a részecske átmegy a mérőeszközön. Inkább késik, amíg a részecske túl van a réseken, a távoli mező felé vezető úton.

Hogyan lehetséges ez? Nos, mert a kvantumrészecskék valójában nem csak részecskék. Hullámok is.

Valójában a kísérletünk elmélete az volt, amelyben a hullám és a részecske jellege egyaránt nyilvánvaló – a hullám David Bohm elméleti fizikus által bevezetett értelmezés szerint irányítja a részecske mozgását. , egy generációval Heisenberg után.

Kísérletezzünk

Legfrissebb kísérletünk során a kínai tudósok egy általam 2007-ben javasolt technikát követtek, hogy rekonstruálják a kvantumrészecskék feltételezett mozgását, mindkét lehetséges kiindulópontból. rések, és a mérés mindkét eredményéhez.

Összehasonlították a sebességet az idő múlásával, amikor nem volt mérőeszköz, és a sebességváltozást, amikor a mérőeszköz volt, és így meghatározták a sebesség változását a mérés eredményeként.

A kísérlet kimutatta, hogy a mérés hatása a részecskék sebességére még jóval azután is folytatódott, hogy a részecskék kiürítették magát a mérőeszközt, akár 5 méterre is tőle.

Erre a pontra a távoli mezőben a sebesség kumulatív változása átlagosan éppen elég nagy volt ahhoz, hogy kimossa az interferencia mintázatának hullámait.

Tehát végül győzedelmeskedik Heisenberg bizonytalansági elve.

A hazavihető üzenet? Ne állítson messzemenő állításokat azzal kapcsolatban, hogy mi az az elv, amely meg tudja magyarázni a jelenséget, vagy sem, amíg nem veszi figyelembe az elv összes elméleti megfogalmazását.

Igen, ez egy kicsit elvont üzenet, de ez olyan tanács, amely alkalmazható a fizikától távol eső területeken.