Av Geoff Brumfiel av Naturmagasinet

I motsetning til hva mange studenter får opplæring, er det ikke sikkert at kvanteusikkerhet alltid er i øynene på betrakteren. Et nytt eksperiment viser at måling av et kvantesystem ikke nødvendigvis innfører usikkerhet. Studien styrter en felles klasseromsforklaring på hvorfor kvanteverdenen fremstår så uklar, men den grunnleggende grensen for hva som er kjent på de minste skalaene forblir uendret.

På grunnlag av kvantemekanikken ligger Heisenbergs usikkerhetsprinsipp. Enkelt sagt, prinsippet sier at det er en grunnleggende grense for hva man kan vite om et kvantesystem. Jo mer presist man kjenner en partikkels posisjon, jo mindre kan man vite om dens fremdrift, og omvendt. Grensen uttrykkes som en enkel ligning som er grei å bevise matematisk.

Heisenberg forklarte noen ganger usikkerhetsprinsippet som et problem å gjøre målinger. Hans mest kjente tankeeksperiment innebar å fotografere et elektron. For å ta bildet kan en forsker sprette en lyspartikkel av elektronens overflate. Det ville avsløre dets posisjon, men det ville også gi elektronen energi og få den til å bevege seg. Å lære om elektronens posisjon ville skape usikkerhet. i sin hastighet; og målehandlingen ville produsere den usikkerheten som trengs for å tilfredsstille prinsippet.

Fysikkstudenter blir fremdeles undervist i denne måleforstyrrelsesversjonen av usikkerhetsprinsippet i introduksjonsklasser, men det viser seg at det ikke alltid er Aephraim Steinberg fra University of Toronto i Canada og teamet hans har utført målinger på fotoner (lyspartikler) og vist at måling kan føre til mindre usikkerhet enn Heisenbergs prinsipp krever. Den totale usikkerheten om hva som kan være kjent om fotonets egenskaper forblir imidlertid over Heisenbergs grense.

Delikat måling
Steinbergs gruppe måler ikke posisjon og momentum, men snarere to forskjellige innbyrdes relaterte egenskaper til et foton : dens polariseringstilstander. I dette tilfellet er polarisasjonen langs det ene planet iboende bundet til polarisasjonen langs det andre, og etter Heisenbergs prinsipp er det en grense for sikkerheten som begge stater kan være kjent med.

Forskerne laget en ‘svak’ måling av fotonets polarisering i ett plan – ikke nok til å forstyrre den, men nok til å produsere en grov følelse av orienteringen. Deretter målte de polarisasjonen i det andre planet. Deretter foretok de en nøyaktig, eller «sterk» måling av den første polarisasjonen for å se om den hadde blitt forstyrret av den andre målingen.

Da forskerne gjorde eksperimentet flere ganger, fant de ut at måling av en polarisering forstyrret ikke alltid den andre staten så mye som usikkerhetsprinsippet forutsa. I sterkeste tilfelle var den induserte uklarheten så lite som halvparten av det som ville bli spådd av usikkerhetsprinsippet.

Ikke bli for spent: usikkerhetsprinsippet står fortsatt, sier Steinberg: «Til slutt , det er ingen måte du kan vite nøyaktig samtidig. ” Men eksperimentet viser at målehandlingen ikke alltid er det som forårsaker usikkerheten. «Hvis det allerede er mye usikkerhet i systemet, trenger det ikke å være noe støy fra målingen i det hele tatt,» sier han.

Det siste eksperimentet er det andre som lager en måling under grensen for usikkerhetsstøy. Tidligere i år målte Yuji Hasegawa, en fysiker ved Vienna University of Technology i Østerrike, grupper av nøytronspinn og avledet resultater godt under det som ville blitt forutsagt hvis målinger satte inn all usikkerheten i systemet.

Men de siste resultatene er det klareste eksemplet ennå på hvorfor Heisenbergs forklaring var feil. «Dette er den mest direkte eksperimentelle testen av Heisenbergs usikkerhetsprinsipp for måle-forstyrrelse,» sier Howard Wiseman, en teoretisk fysiker ved Griffith University in Brisbane, Australia «Forhåpentligvis vil det være nyttig for å utdanne lærebokforfattere slik at de vet at det naive forholdet mellom måling og forstyrrelse er feil.»

Det kan være vanskelig å riste den gamle måleusikkerhetsforklaringen. t, imidlertid. Selv etter å ha gjort eksperimentet inkluderte Steinberg fortsatt et spørsmål om hvordan målinger skaper usikkerhet på en nylig lekseroppgave for studentene sine. «Først da jeg graderte det, skjønte jeg at leksene mine var feil,» sier han. «Nå må jeg være mer forsiktig.»

Denne artikkelen er gjengitt med tillatelse fra tidsskriftet Nature. Artikkelen ble først publisert 11. september 2012.