Ordet usikkerhet brukes mye i kvantemekanikk. En tankegang er at dette betyr at det er noe der ute i verden som vi er usikre på. Men de fleste fysikere mener naturen i seg selv er usikker.

Iboende usikkerhet var sentral i måten den tyske fysikeren Werner Heisenberg, en av opphavsmennene til moderne kvantemekanikk, presenterte teorien på.

Han sa videresend usikkerhetsprinsippet som viste at vi aldri kan vite alle egenskapene til en partikkel samtidig.

For eksempel vil måling av partikkelens posisjon tillate oss å kjenne dens posisjon. Men denne målingen vil nødvendigvis forstyrre hastigheten, med en mengde omvendt proporsjonal med nøyaktigheten til posisjonsmålingen.

Var Heisenberg feil?

Heisenberg brukte Usikkerhetsprinsippet for å forklare hvordan måling ville ødelegge det klassiske trekk ved kvantemekanikk, det to-spalte interferensmønsteret (mer om dette nedenfor).

Men tilbake på 1990-tallet hevdet noen fremtredende kvantefysikere at de hadde bevist at det er mulig å bestemme hvilken av to spalter en partikkel går gjennom, uten å forstyrre hastigheten vesentlig.

Betyr det at Heisenbergs forklaring må være feil? I arbeidet som nettopp er publisert i Science Advances, har mine eksperimentelle kolleger og jeg vist at det ville være uklokt å komme til den konklusjonen.

Vi viser en hastighetsforstyrrelse – av størrelsen som forventes fra Usikkerhetsprinsippet – eksisterer alltid , i en viss forstand.

Men før vi kommer inn i detaljene, må vi forklare kort om to-spalteeksperimentet.

To-spalteeksperimentet

I denne typen eksperimenter er det er en barriere med to hull eller spalter. Vi har også en kvantepartikkel med en posisjonsusikkerhet som er stor nok til å dekke begge spaltene hvis den blir avfyrt mot barrieren.

Siden vi ikke kan vite hvilken spalte partikkelen går gjennom, fungerer den som om den går gjennom begge spaltene. Signaturen til dette er det såkalte «interferensmønsteret»: krusninger i fordelingen av hvor partikkelen sannsynligvis blir funnet på en skjerm i det fjerne feltet utenfor spaltene, noe som betyr en lang vei (ofte flere meter) forbi spaltene. .

Men hva om vi setter en måling enhet nær barrieren for å finne ut hvilken spalte partikkelen går gjennom. Vil vi fremdeles se forstyrrelsesmønsteret?

Vi vet at svaret er nei, og Heisenbergs forklaring var at hvis posisjonsmålingen er nøyaktig nok til å fortelle som spalten partikkelen går igjennom, vil den gi en tilfeldig forstyrrelse av hastigheten like stor nok til å påvirke hvor den ender s oppe i det fjerne feltet, og dermed vaske ut forstyrrelser.

Det de fremtredende kvantefysikerne skjønte, er at å finne ut hvilken spalte partikkelen går gjennom, ikke krever en posisjonsmåling som sådan. Enhver måling som gir forskjellige resultater avhengig av hvilken spalte partikkelen går gjennom, vil gjøre.

Og de kom opp med en enhet hvis effekt på partikkelen ikke er den av et tilfeldig hastighetsspark når den går gjennom. Derfor argumenterte de for at det ikke er Heisenbergs usikkerhetsprinsipp som forklarer tapet av forstyrrelser, men noen annen mekanisme.

Som Heisenberg forutsa

Vi trenger ikke å komme inn på det de hevdet var mekanismen for å ødelegge forstyrrelser, fordi eksperimentet vårt har vist at det er en effekt på hastigheten til partikkelen, av akkurat den størrelsen Heisenberg forutsa.

Vi så hva andre har savnet fordi denne hastighetsforstyrrelsen ikke skjer når partikkelen går gjennom måleenheten. Snarere blir den forsinket til partikkelen er godt forbi spaltene, på vei mot det fjerne feltet.

Hvordan er dette mulig? Vel, fordi kvantepartikler egentlig ikke bare er partikler. De er også bølger.

Faktisk var teorien bak vårt eksperiment en som både bølge- og partikkelnatur er manifest – bølgen styrer bevegelsen til partikkelen i henhold til tolkningen introdusert av teoretisk fysiker David Bohm , en generasjon etter Heisenberg.

La oss eksperimentere

I vårt siste eksperiment fulgte forskere i Kina en teknikk som ble foreslått av meg i 2007 for å rekonstruere den hypotesede bevegelsen til kvantepartiklene, fra mange forskjellige mulige utgangspunkt på tvers av begge spalter, og for begge resultatene av målingen.

De sammenlignet hastighetene over tid når det ikke var noe måleinstrument til stede med de når det var, og bestemte så endringen i hastighetene som et resultat av målingen.

Eksperimentet viste at målingens effekt på partikkelenes hastighet fortsatte lenge etter at partiklene hadde ryddet selve måleinstrumentet, så langt som 5 meter fra det.

På det tidspunktet, i det fjerne feltet, var den kumulative hastighetsendringen i gjennomsnitt bare stor nok til å vaske ut krusninger i interferensmønsteret.

Så til slutt kommer Heisenbergs Usikkerhetsprinsipp triumferende.

Hjemme-meldingen? Ikke gjør vidtrekkende påstander om hvilket prinsipp som kan eller ikke kan forklare et fenomen før du har vurdert alle teoretiske formuleringer av prinsippet.

Ja, det er litt av en abstrakt melding, men det er råd som kan gjelde innen felt langt fra fysikk.