GeoffBrumfielによるネイチャーマガジン

多くの学生が教えられていることに反して、量子の不確定性は必ずしも見る人の目には見えないかもしれません。新しい実験は、量子システムの測定が必ずしも不確定性をもたらすとは限らないことを示しています。量子世界が非常に曖昧に見える理由についての教室での説明ですが、最小スケールで知ることができるものの基本的な限界は変わりません。

量子力学の基礎は、ハイゼンベルグの不確定性原理です。簡単に言えば、原理は、量子システムについて知ることができることには根本的な限界があると述べています。たとえば、粒子の位置を正確に知るほど、その運動量を知ることができなくなり、逆もまた同様です。限界は、数学的に証明するのが簡単な単純な方程式として表されます。

ハイゼンベルグは、不確定性原理を測定の問題として説明することがありました。彼の最もよく知られている思考実験は、電子の写真を撮ることでした。写真を撮るために、科学者は電子の表面で軽い粒子を跳ね返すかもしれません。それはその位置を明らかにしますが、それはまた電子にエネルギーを与えてそれを動かします。電子の位置について学ぶことは不確実性を生み出すでしょうその速度で;

物理学の学生は、入門クラスで不確定性原理のこの測定妨害バージョンをまだ教えられていますが、それが常にではないことが判明しました。 true。カナダのトロント大学のAephraimSteinbergと彼のチームは、光子（光の粒子）の測定を実行し、測定の行為がハイゼンベルグの原理で必要とされるよりも少ない不確定性を導入できることを示しました。ただし、光子の特性については、ハイゼンベルグの限界を超えたままです。

繊細な測定
スタインバーグのグループは、位置と運動量を測定するのではなく、光子の2つの異なる相互に関連する特性を測定します。 ：その分極状態。この場合、一方の平面に沿った分極は本質的にもう一方の平面に沿った分極に結び付けられ、ハイゼンベルグの原理により、両方の状態を知ることができる確実性には限界があります。

研究者は1つの平面での光子の偏光の「弱い」測定—それを乱すには十分ではありませんが、その方向の大まかな感覚を生み出すには十分です。次に、彼らは2番目の平面の偏光を測定しました。次に、最初の偏光を正確に、または「強力に」測定して、2番目の測定によって乱されたかどうかを確認しました。

研究者が実験を複数回行ったところ、1つの測定が分極は、不確定性原理が予測したほど、常に他の状態を乱すわけではありませんでした。最強のケースでは、誘発されたあいまいさは、不確定性原理によって予測されるものの半分程度でした。

興奮しすぎないでください。不確定性原理は依然として有効です、とスタインバーグは言います。 、「同時に正確に知る方法はありません。」しかし、実験は、測定の行為が必ずしも不確実性を引き起こすものではないことを示しています。 「システムにすでに多くの不確実性がある場合は、測定からのノイズはまったく必要ありません」と彼は言います。

最新の実験は2番目の実験です。今年の初め、オーストリアのウィーン工科大学の物理学者である長谷川雄二は、中性子スピンのグループを測定し、測定がすべての不確実性をシステムに挿入した場合に予測されるものをはるかに下回る結果を導き出しました。

しかし、最新の結果は、ハイゼンベルグの説明が正しくなかった理由の最も明確な例です。「これは、ハイゼンベルグの測定-外乱の不確かさの原理の最も直接的な実験的テストです」と、グリフィスの理論物理学者であるハワードワイズマンは言います。オーストラリアのブリスベンにある大学「教科書の執筆者が、素朴な測定と外乱の関係が間違っていることを知ってもらうのに役立つことを願っています。」

古い測定と不確かさの説明を揺るがすのは難しいかもしれません。ただし、t。実験を行った後でも、Steinbergは、測定値が生徒の最近の宿題にどのように不確実性をもたらすかについての質問を含めました。 「採点をしているときに初めて、宿題が間違っていることに気づきました」と彼は言います。 「今はもっと注意する必要があります。」

この記事は、Nature誌の許可を得て複製されています。この記事は2012年9月11日に最初に公開されました。