Słowo niepewność jest często używane w mechanice kwantowej. Jedna ze szkół mówi, że oznacza to na świecie coś, czego nie jesteśmy pewni. Jednak większość fizyków uważa, że sama natura jest niepewna.

Wewnętrzna niepewność była kluczowa dla sposobu, w jaki niemiecki fizyk Werner Heisenberg, jeden z twórców współczesnej mechaniki kwantowej, przedstawił teorię.

naprzód zasadę nieoznaczoności, która pokazała, że nigdy nie możemy poznać wszystkich właściwości cząstki w tym samym czasie.

Na przykład zmierzenie położenia cząstki pozwoliłoby nam poznać jej położenie. Ale ten pomiar z konieczności zakłóciłby jego prędkość o wartość odwrotnie proporcjonalną do dokładności pomiaru pozycji.

Czy Heisenberg się mylił?

Heisenberg użył zasady nieoznaczoności, aby wyjaśnić, w jaki sposób pomiar mógłby zniszczyć tę klasyczną cechę mechaniki kwantowej, dwuszczelinowy wzór interferencji (więcej na ten temat poniżej).

Jednak w latach 90. niektórzy wybitni fizycy kwantowi twierdzili, że udowodnili, że możliwe jest określenie, który dwie szczeliny, przez które przechodzi cząstka, nie zaburzając znacząco jej prędkości.

Czy to oznacza, że wyjaśnienie Heisenberga musi być błędne? W pracy właśnie opublikowanej w Science Advances, moi koledzy eksperymentalni i ja wykazaliśmy, że nierozsądne byłoby przeskakiwanie do tego wniosku.

Pokazujemy, że zaburzenie prędkości – o wielkości oczekiwanej od zasady nieoznaczoności – zawsze istnieje w pewnym sensie.

Ale zanim przejdziemy do szczegółów, musimy krótko wyjaśnić eksperyment z dwiema szczelinami.

Eksperyment z dwoma szczelinami

W tego typu eksperymencie to bariera z dwoma otworami lub szczelinami. Mamy również cząstkę kwantową z niepewnością położenia wystarczająco dużą, aby pokryć obie szczeliny, jeśli zostanie wystrzelona w barierę.

Ponieważ nie możemy wiedzieć, przez którą szczelinę przechodzi cząstka, zachowuje się tak, jakby przechodziła przez obie szczeliny. Sygnaturą tego jest tak zwany „wzór interferencji”: zmarszczki w rozkładzie, w którym cząstka prawdopodobnie znajduje się na ekranie w dalekim polu poza szczelinami, co oznacza długą drogę (często kilka metrów) za szczelinami .

Ale co by było, gdybyśmy urządzenie w pobliżu bariery, aby dowiedzieć się, przez którą szczelinę przechodzi cząstka? Czy nadal będziemy widzieć wzór interferencji?

Wiemy, że odpowiedź brzmi nie, a Heisenberga wyjaśnił, że jeśli pomiar pozycji jest wystarczająco dokładny, aby stwierdzić przez które szczelina przechodzi cząstka, spowoduje to przypadkowe zakłócenie jej prędkości, na tyle duże, że wpłynie na to, gdzie się kończy znajduje się w dalekim polu, a tym samym zmywa zmarszczki interferencji.

Wybitni fizycy kwantowi zdali sobie sprawę, że ustalenie, przez którą szczelinę przechodzi cząstka, nie wymaga pomiaru pozycji jako takiego. Każdy pomiar, który daje różne wyniki w zależności od tego, przez którą szczelinę przechodzi cząstka, będzie wystarczający.

I wymyślili urządzenie, którego wpływ na cząstkę nie jest efektem przypadkowego kopnięcia z prędkością, przez którą przechodzi. Dlatego argumentowali, że to nie Zasada Nieoznaczoności Heisenberga wyjaśnia utratę zakłóceń, ale jakiś inny mechanizm.

Zgodnie z przewidywaniami Heisenberga

Nie musimy wchodzić w to, co oni twierdził, że był to mechanizm niszczenia interferencji, ponieważ nasz eksperyment wykazał, że istnieje wpływ na prędkość cząstki, o wielkości przewidzianej przez Heisenberga.

Widzieliśmy to, co przeoczyli inni, ponieważ to zaburzenie prędkości nie występuje, gdy cząstka przechodzi przez urządzenie pomiarowe. Jest raczej opóźnione, dopóki cząstka nie znajdzie się daleko poza szczelinami, w drodze w kierunku dalekiego pola.

Jak to jest możliwe? Cóż, ponieważ cząstki kwantowe to nie tylko cząstki. Są też falami.

W rzeczywistości teoria stojąca za naszym eksperymentem była taka, w której manifestuje się zarówno natura fali, jak i cząstek – fala kieruje ruchem cząstki zgodnie z interpretacją wprowadzoną przez fizyka teoretycznego Davida Bohma , pokolenie po Heisenbergu.

Poeksperymentujmy

W naszym ostatnim eksperymencie naukowcy w Chinach zastosowali technikę zasugerowaną przeze mnie w 2007 roku, aby zrekonstruować hipotetyczny ruch cząstek kwantowych z wielu różnych możliwych punktów początkowych w obu szczeliny i dla obu wyników pomiaru.

Porównali prędkości w czasie, kiedy nie było urządzenia pomiarowego, z tymi, kiedy było, i określili w ten sposób zmianę prędkości w wyniku pomiaru.

Eksperyment wykazał, że wpływ pomiaru na prędkość cząstek utrzymywał się na długo po tym, jak cząstki opróżniły samo urządzenie pomiarowe, aż do 5 metrów od niego.

W tym momencie, w dalekim polu, skumulowana zmiana prędkości była średnio na tyle duża, aby zmyć zmarszczki we wzorze interferencji.

Ostatecznie Zasada Nieoznaczoności Heisenberga okazuje się triumfalna.

Przesłanie do domu? Nie rób daleko idących twierdzeń na temat tego, jaka zasada może lub nie może wyjaśnić zjawisko, dopóki nie rozważysz wszystkich teoretycznych sformułowań tej zasady.

Tak, to trochę abstrakcyjna wiadomość, ale jest to rada, która może mieć zastosowanie w dziedzinach odległych od fizyki.