di Geoff Brumfiel di Rivista Nature

Contrariamente a quanto viene insegnato a molti studenti, l’incertezza quantistica potrebbe non essere sempre negli occhi di chi guarda. Un nuovo esperimento mostra che la misurazione di un sistema quantistico non introduce necessariamente l’incertezza. Lo studio rovescia un comune spiegazione in classe del motivo per cui il mondo quantistico sembra così sfocato, ma il limite fondamentale a ciò che è conoscibile alle scale più piccole rimane invariato.

Alla base della meccanica quantistica c’è il principio di indeterminazione di Heisenberg. In poche parole, il principio afferma che c’è un limite fondamentale a ciò che si può sapere su un sistema quantistico. Ad esempio, più precisamente si conosce la posizione di una particella, meno si può conoscere la sua quantità di moto e viceversa. Il limite è espresso come una semplice equazione che è semplice da dimostrare matematicamente.

Heisenberg a volte spiegava il principio di indeterminazione come un problema di misurazione. Il suo esperimento mentale più noto prevedeva la fotografia di un elettrone. Per scattare la foto, uno scienziato potrebbe far rimbalzare una particella di luce sulla superficie dell’elettrone. Ciò rivelerebbe la sua posizione, ma impartirebbe anche energia all’elettrone, facendolo muovere. Apprendere la posizione dell’elettrone creerebbe incertezza nella sua velocità; e l’atto di misurazione produrrebbe l’incertezza necessaria per soddisfare il principio.

Agli studenti di fisica viene ancora insegnata questa versione di disturbo della misurazione del principio di indeterminazione nelle classi introduttive, ma si scopre che non è sempre vero. Aephraim Steinberg dell’Università di Toronto in Canada e il suo team hanno eseguito misurazioni sui fotoni (particelle di luce) e hanno dimostrato che l’atto di misurare può introdurre meno incertezza di quanto richiesto dal principio di Heisenberg. L’incertezza totale di ciò che può essere conosciuto sulle proprietà del fotone, tuttavia, rimane al di sopra del limite di Heisenberg.

Misurazione delicata
Il gruppo di Steinberg non misura la posizione e la quantità di moto, ma piuttosto due diverse proprietà correlate di un fotone : i suoi stati di polarizzazione. In questo caso, la polarizzazione lungo un piano è intrinsecamente legata alla polarizzazione lungo l’altro e, per il principio di Heisenberg, c’è un limite alla certezza con cui entrambi gli stati possono essere conosciuti.

I ricercatori hanno realizzato un misura “debole” della polarizzazione del fotone su un piano – non abbastanza da disturbarlo, ma abbastanza da produrre un senso approssimativo del suo orientamento. Successivamente, hanno misurato la polarizzazione nel secondo piano. Quindi hanno effettuato una misurazione esatta, o “forte”, della prima polarizzazione per vedere se era stata disturbata dalla seconda misurazione.

Quando i ricercatori hanno fatto l’esperimento più volte, hanno scoperto che la misurazione di una la polarizzazione non ha sempre disturbato l’altro stato tanto quanto previsto dal principio di indeterminazione. Nel caso più forte, la sfocatura indotta era appena la metà di quanto sarebbe stato previsto dal principio di indeterminazione.

Non eccitarti troppo: il principio di indeterminazione è ancora valido, afferma Steinberg: “Alla fine , non è possibile sapere con precisione allo stesso tempo “. Ma l’esperimento mostra che l’atto di misurazione non è sempre ciò che causa l’incertezza. “Se c’è già molta incertezza nel sistema, allora non è necessario che ci sia alcun rumore dalla misurazione”, dice.

L’ultimo esperimento è il secondo a fare un misurazione al di sotto del limite di rumore di incertezza. All’inizio di quest’anno, Yuji Hasegawa, un fisico dell’Università di tecnologia di Vienna in Austria, ha misurato gruppi di rotazioni di neutroni e ha ottenuto risultati ben al di sotto di quanto sarebbe stato previsto se le misurazioni avessero inserito tutta l’incertezza nel sistema.

Ma gli ultimi risultati sono ancora l’esempio più chiaro del motivo per cui la spiegazione di Heisenberg non era corretta. “Questo è il test sperimentale più diretto del principio di indeterminazione del disturbo di misura di Heisenberg”, afferma Howard Wiseman, fisico teorico di Griffith Università di Brisbane, Australia “Si spera che sia utile per istruire gli scrittori di libri di testo in modo che sappiano che l’ingenua relazione misurazione-disturbo è sbagliata.”

Scuotere la vecchia spiegazione dell’incertezza di misurazione può essere difficile t, tuttavia. Anche dopo aver fatto l’esperimento, Steinberg ha ancora incluso una domanda su come le misurazioni creano incertezza su un recente compito a casa per i suoi studenti. “Solo durante la valutazione mi sono reso conto che il mio compito a casa era sbagliato”, dice. “Adesso devo stare più attento.”

Questo articolo è riprodotto con il permesso della rivista Nature. L’articolo è stato pubblicato per la prima volta l’11 settembre 2012.