Het woord onzekerheid wordt veel gebruikt in de kwantummechanica. Eén manier van denken is dat dit betekent dat er iets in de wereld is waar we onzeker over zijn. Maar de meeste natuurkundigen geloven dat de natuur zelf onzeker is.

Intrinsieke onzekerheid stond centraal in de manier waarop de Duitse natuurkundige Werner Heisenberg, een van de grondleggers van de moderne kwantummechanica, de theorie presenteerde.

Hij stelde dat stuur het onzekerheidsprincipe door dat aantoonde dat we nooit alle eigenschappen van een deeltje tegelijkertijd kunnen kennen.

Door bijvoorbeeld de positie van het deeltje te meten, zouden we zijn positie kunnen kennen. Maar deze meting zou noodzakelijkerwijs zijn snelheid verstoren, met een hoeveelheid die omgekeerd evenredig is met de nauwkeurigheid van de positiemeting.

Had Heisenberg het bij het verkeerde eind?

Heisenberg gebruikte het onzekerheidsprincipe om uit te leggen hoe meting zou vernietig dat klassieke kenmerk van de kwantummechanica, het interferentiepatroon met twee spleten (meer hierover hieronder).

Maar in de jaren negentig beweerden enkele eminente kwantumfysici te hebben bewezen dat het mogelijk is om te bepalen welke van de twee spleten waar een deeltje doorheen gaat, zonder zijn snelheid significant te verstoren.

Betekent dit dat de verklaring van Heisenberg verkeerd moet zijn? In werk dat zojuist in Science Advances is gepubliceerd, hebben mijn experimentele collega’s en ik aangetoond dat het onverstandig zou zijn om tot die conclusie te springen.

We laten zien dat een snelheidsverstoring – van de omvang die wordt verwacht op basis van het onzekerheidsprincipe – altijd bestaat , in zekere zin.

Maar voordat we ingaan op de details, moeten we kort uitleggen over het experiment met twee delen.

Het experiment met twee delen

In dit type experiment is er is een barrière met twee gaten of spleten. We hebben ook een kwantumdeeltje met een positie-onzekerheid die groot genoeg is om beide spleten te bedekken als het op de barrière wordt afgeschoten.

Omdat we niet weten door welke spleet het deeltje gaat, doet het alsof het gaat door beide spleten. De handtekening hiervan is het zogenaamde “interferentiepatroon”: rimpelingen in de verdeling waar het deeltje waarschijnlijk te vinden is op een scherm in het verre veld voorbij de spleten, wat betekent een lange weg (vaak enkele meters) voorbij de spleten .

Maar wat als we apparaat in de buurt van de barrière om uit te zoeken door welke spleet het deeltje gaat? Zullen we nog steeds het interferentiepatroon zien?

We weten dat het antwoord nee is, en Heisenbergs verklaring was dat als de positiemeting nauwkeurig genoeg is om te zeggen door welke spleet het deeltje gaat, het zal een willekeurige verstoring van zijn snelheid geven, net groot genoeg om te beïnvloeden waar het eindigt s in het verre veld, en zo de rimpelingen van interferentie wegwassen.

Wat de eminente kwantumfysici beseften, is dat om erachter te komen door welke spleet het deeltje gaat, geen positiemeting als zodanig nodig is. Elke meting die verschillende resultaten geeft, afhankelijk van de spleet waar het deeltje doorheen gaat, is voldoende.

En ze kwamen met een apparaat waarvan het effect op het deeltje niet dat van een willekeurige snelheidsschop is als het erdoorheen gaat. Daarom, zo redeneerden ze, is het niet het onzekerheidsprincipe van Heisenberg dat het verlies van interferentie verklaart, maar een ander mechanisme.

Zoals Heisenberg voorspelde

We hoeven niet in te gaan op wat ze beweerde het mechanisme voor het vernietigen van interferentie, omdat ons experiment heeft aangetoond dat er een effect is op de snelheid van het deeltje, van precies de grootte die Heisenberg voorspelde.

We hebben gezien wat anderen hebben gemist omdat deze snelheidsverstoring niet optreedt wanneer het deeltje door het meetapparaat gaat. Het wordt eerder uitgesteld totdat het deeltje ver voorbij de spleten is, op weg naar het verre veld.

Hoe is dit mogelijk? Nou, omdat kwantumdeeltjes niet echt alleen deeltjes zijn. Het zijn ook golven.

In feite was de theorie achter ons experiment er een waarin zowel golf- als deeltjesaard aanwezig zijn – de golf leidt de beweging van het deeltje volgens de interpretatie die is geïntroduceerd door theoretisch natuurkundige David Bohm , een generatie na Heisenberg.

Laten we experimenteren

In ons laatste experiment volgden wetenschappers in China een techniek die ik in 2007 had voorgesteld om de veronderstelde beweging van de kwantumdeeltjes te reconstrueren, vanuit veel verschillende mogelijke uitgangspunten voor beide spleten, en voor beide resultaten van de meting.

Ze vergeleken de snelheden in de tijd als er geen meetinstrument aanwezig was met die toen ze er waren, en bepaalden zo de verandering in de snelheden als resultaat van de meting.

Het experiment toonde aan dat het effect van de meting op de snelheid van de deeltjes doorging lang nadat de deeltjes het meetapparaat zelf hadden vrijgemaakt, tot wel 5 meter ervan verwijderd.

Op dat punt, in het verre veld, was de cumulatieve verandering in snelheid gemiddeld net groot genoeg om de rimpelingen in het interferentiepatroon weg te wassen.

Dus uiteindelijk komt Heisenbergs onzekerheidsprincipe triomfantelijk naar voren.

De boodschap om mee naar huis te nemen? Maak geen verregaande beweringen over welk principe een fenomeen wel of niet kan verklaren voordat je alle theoretische formuleringen van het principe hebt overwogen.

Ja, dat is een beetje een abstracte boodschap, maar het is een advies dat van toepassing zou kunnen zijn op gebieden die ver buiten de natuurkunde liggen.