Door Geoff Brumfiel van Nature magazine

In tegenstelling tot wat veel studenten leren, is kwantumonzekerheid niet altijd in de ogen van de toeschouwer. Een nieuw experiment toont aan dat het meten van een kwantumsysteem niet noodzakelijkerwijs onzekerheid introduceert. De studie werpt een uitleg in de klas waarom de kwantumwereld zo wazig lijkt, maar de fundamentele grens van wat kenbaar is op de kleinste schaal blijft ongewijzigd.

Aan de basis van de kwantummechanica ligt het Heisenberg-onzekerheidsprincipe. Simpel gezegd, het principe stelt dat er een fundamentele limiet is aan wat men kan weten over een kwantumsysteem. Hoe nauwkeuriger men bijvoorbeeld de positie van een deeltje kent, hoe minder men kan weten over zijn momentum, en vice versa. De limiet wordt uitgedrukt als een eenvoudige vergelijking die eenvoudig wiskundig te bewijzen is.

Heisenberg legde soms het onzekerheidsprincipe uit als een probleem bij het uitvoeren van metingen. Zijn meest bekende gedachte-experiment was het fotograferen van een elektron. Om de foto te maken, zou een wetenschapper een lichtdeeltje van het oppervlak van het elektron kunnen weerkaatsen. Dat zou zijn positie onthullen, maar het zou ook energie aan het elektron geven, waardoor het beweegt. Leren over de positie van het elektron zou onzekerheid creëren. in zijn snelheid; en het meten zou de onzekerheid produceren die nodig is om aan het principe te voldoen.

Natuurkundestudenten krijgen nog steeds deze meet-verstoringsversie van het onzekerheidsprincipe geleerd in inleidende klassen, maar het blijkt dat dit niet altijd waar. Aephraim Steinberg van de Universiteit van Toronto in Canada en zijn team hebben metingen verricht aan fotonen (lichtdeeltjes) en toonden aan dat het meten minder onzekerheid kan introduceren dan vereist is door het principe van Heisenberg. De totale onzekerheid van wat bekend kan zijn over de eigenschappen van het foton, blijft echter boven de limiet van Heisenberg.

Gevoelige meting
Steinbergs groep meet geen positie en momentum, maar eerder twee verschillende onderling gerelateerde eigenschappen van een foton : zijn polarisatietoestanden. In dit geval is de polarisatie langs het ene vlak intrinsiek verbonden met de polarisatie langs het andere, en volgens het principe van Heisenberg is er een grens aan de zekerheid waarmee beide toestanden bekend kunnen worden.

De onderzoekers hebben een ‘zwakke’ meting van de polarisatie van het foton in één vlak – niet genoeg om het te verstoren, maar voldoende om een ruw gevoel van zijn oriëntatie te produceren. Vervolgens maten ze de polarisatie in het tweede vlak. Vervolgens maakten ze een exacte, of ‘sterke’ meting van de eerste polarisatie om te zien of deze verstoord was door de tweede meting.

Toen de onderzoekers het experiment meerdere keren deden, vonden ze die meting van één polarisatie verstoorde de andere staat niet altijd zo erg als het onzekerheidsprincipe voorspelde. In het sterkste geval was de geïnduceerde wazigheid slechts de helft van wat zou worden voorspeld door het onzekerheidsprincipe.

Raak niet te opgewonden: het onzekerheidsprincipe blijft bestaan, zegt Steinberg: “Uiteindelijk , is er geen manier waarop u tegelijkertijd nauwkeurig kunt weten. ‘ Maar het experiment laat zien dat het meten niet altijd de oorzaak is van de onzekerheid. ‘Als er al veel onzekerheid in het systeem zit,’ hoeft er helemaal geen ruis van de meting te komen ‘, zegt hij.

Het laatste experiment is het tweede dat een meting onder de onzekerheidsruisgrens Eerder dit jaar mat Yuji Hasegawa, een natuurkundige aan de Technische Universiteit van Wenen in Oostenrijk, groepen neutronenspins en afgeleide resultaten ver onder wat zou worden voorspeld als metingen alle onzekerheid in het systeem zouden invoegen.

Maar de laatste resultaten zijn het duidelijkste voorbeeld tot nu toe waarom Heisenbergs uitleg onjuist was. “Dit is de meest directe experimentele test van het Heisenberg-meet-verstoringsonzekerheidsprincipe”, zegt Howard Wiseman, een theoretisch fysicus bij Griffith Universiteit in Brisbane, Australië “Hopelijk zal het nuttig zijn om schrijvers van studieboeken op te leiden, zodat ze weten dat de naïeve relatie tussen meting en verstoring verkeerd is.”

Het schudden van de oude verklaring van meetonzekerheid kan moeilijk zijn t echter. Zelfs nadat hij het experiment had gedaan, voegde Steinberg nog een vraag toe over hoe metingen onzekerheid creëren over een recente huiswerkopdracht voor zijn studenten. ‘Pas toen ik aan het beoordelen was, realiseerde ik me dat mijn huiswerkopdracht niet klopte’, zegt hij. “Nu moet ik voorzichtiger zijn.”

Dit artikel is overgenomen met toestemming van het tijdschrift Nature. Het artikel is voor het eerst gepubliceerd op 11 september 2012.