Geoff Brumfiel z Magazyn Nature

W przeciwieństwie do tego, czego uczy się wielu uczniów, obserwator nie zawsze widzi niepewność kwantową. Nowy eksperyment pokazuje, że pomiar układu kwantowego niekoniecznie wprowadza niepewność. Badanie obala wyjaśnienie w klasie, dlaczego świat kwantowy wydaje się tak niewyraźny, ale podstawowa granica tego, co jest poznawalne w najmniejszej skali, pozostaje niezmieniona.

U podstaw mechaniki kwantowej leży zasada nieoznaczoności Heisenberga. Mówiąc najprościej, zasada stwierdza, że istnieje podstawowa granica tego, co można wiedzieć o układzie kwantowym, np. im dokładniej poznaje się położenie cząstki, tym mniej można wiedzieć o jej pędzie i odwrotnie. Granica jest wyrażona jako proste równanie, które można łatwo udowodnić matematycznie.

Heisenberg czasami wyjaśniał zasadę nieoznaczoności jako problem dokonywania pomiarów. Jego najbardziej znany eksperyment myślowy polegał na sfotografowaniu elektronu. Aby zrobić zdjęcie, naukowiec może odbijać cząstkę światła od powierzchni elektronu. To ujawniłoby jego położenie, ale także przekazałoby energię elektronowi, powodując jego ruch. Poznanie położenia elektronu spowodowałoby niepewność w jego prędkości; a akt pomiaru wytworzyłby niepewność potrzebną do spełnienia tej zasady.

Studenci fizyki nadal uczą się tej zasady nieoznaczoności z pomiarami zakłóceń na zajęciach wprowadzających, ale okazuje się, że nie zawsze tak jest to prawda. Aephraim Steinberg z University of Toronto w Kanadzie i jego zespół przeprowadzili pomiary fotonów (cząstek światła) i wykazali, że pomiar może wprowadzić mniej niepewności niż wymaga tego zasada Heisenberga. Całkowita niepewność tego, co można poznać o właściwościach fotonu, jednak pozostaje powyżej granicy Heisenberga.

Delikatny pomiar
Grupa Steinberga nie mierzy położenia i pędu, ale raczej dwie różne wzajemnie powiązane właściwości fotonu : jego stany polaryzacji. W tym przypadku polaryzacja na jednej płaszczyźnie jest nieodłącznie związana z polaryzacją na drugiej, a zgodnie z zasadą Heisenberga istnieje granica pewności, z jaką można poznać oba stany.

„słaby” pomiar polaryzacji fotonu w jednej płaszczyźnie – nie na tyle, aby go zakłócić, ale na tyle, aby uzyskać zgrubne poczucie jego orientacji. Następnie zmierzyli polaryzację w drugiej płaszczyźnie. Następnie dokonali dokładnego lub „silnego” pomiaru pierwszej polaryzacji, aby sprawdzić, czy została ona zakłócona przez drugi pomiar.

Kiedy naukowcy przeprowadzali eksperyment wiele razy, stwierdzili, że polaryzacja nie zawsze zakłócała inny stan tak bardzo, jak przewidywała zasada nieoznaczoności. W najsilniejszym przypadku wywołana niejasność stanowiła zaledwie połowę tego, co przewidywałaby zasada nieoznaczoności.

Nie ekscytuj się zbytnio: zasada nieoznaczoności nadal obowiązuje, mówi Steinberg: „W końcu , nie ma sposobu, abyś mógł wiedzieć dokładnie w tym samym czasie. Ale eksperyment pokazuje, że akt pomiaru nie zawsze jest tym, co powoduje niepewność. „Jeśli w systemie jest już dużo niepewności, to w ogóle nie musi być żadnego szumu z pomiaru” – mówi.

Najnowszy eksperyment jest drugim, pomiar poniżej progu niepewności Wcześniej w tym roku Yuji Hasegawa, fizyk z Uniwersytetu Technicznego w Wiedniu w Austrii, zmierzył grupy spinów neutronów i uzyskał wyniki znacznie poniżej tego, co można by przewidzieć, gdyby pomiary wprowadzały całą niepewność do systemu.

Jednak najnowsze wyniki są jak dotąd najwyraźniejszym przykładem tego, dlaczego wyjaśnienie Heisenberga było błędne. „Jest to najbardziej bezpośredni eksperymentalny test zasady niepewności pomiaru zakłóceń Heisenberga” – mówi Howard Wiseman, fizyk teoretyczny z Griffith Uniwersytet w Brisbane w Australii „Mam nadzieję, że przyda się to do edukacji autorów podręczników, aby wiedzieli, że naiwny stosunek pomiaru do zakłócenia jest zły”.

Potrząsanie starym wyjaśnieniem pomiaru i niepewności może być trudne t jednak. Nawet po przeprowadzeniu eksperymentu Steinberg nadal zadawał pytanie, w jaki sposób pomiary powodują niepewność w ostatnim zadaniu domowym dla jego uczniów. „Dopiero gdy je oceniałem, zdałem sobie sprawę, że moje zadanie domowe było złe” – mówi. „Teraz muszę być bardziej ostrożny.”

Ten artykuł został przedrukowany za zgodą magazynu Nature. Artykuł został opublikowany po raz pierwszy 11 września 2012 r.