Cuvântul incertitudine este folosit mult în mecanica cuantică. O școală de gândire este că acest lucru înseamnă că există ceva în lume despre care suntem incerti. Dar majoritatea fizicienilor cred că natura însăși este incertă.

Incertitudinea intrinsecă a fost esențială pentru modul în care fizicianul german Werner Heisenberg, unul dintre inițiatorii mecanicii cuantice moderne, a prezentat teoria.

transmiteți principiul incertitudinii care a arătat că nu putem cunoaște niciodată toate proprietățile unei particule în același timp.

De exemplu, măsurarea poziției particulei ne-ar permite să cunoaștem poziția acesteia. Dar această măsurare i-ar perturba neapărat viteza, cu o cantitate invers proporțională cu acuratețea măsurării poziției.

Heisenberg s-a înșelat?

Heisenberg a folosit principiul incertitudinii pentru a explica modul în care măsurarea ar fi distruge acea trăsătură clasică a mecanicii cuantice, modelul de interferență cu două fante (mai multe despre acest lucru mai jos).

Dar în anii 1990, unii fizicieni cuanți eminenți au susținut că au dovedit că este posibil să se determine care dintre două fante prin care trece o particulă, fără a-i perturba în mod semnificativ viteza.

Înseamnă că explicația lui Heisenberg trebuie să fie greșită? În lucrarea care tocmai a fost publicată în Science Advances, eu și colegii mei experimentali am arătat că nu ar fi înțelept să trecem la această concluzie.

Arătăm o perturbare a vitezei – de dimensiunea așteptată de la principiul incertitudinii – există întotdeauna , într-un anumit sens.

Dar înainte de a intra în detalii trebuie să explicăm pe scurt despre experimentul cu două fante.

Experimentul cu două fante

În acest tip de experiment există este o barieră cu două găuri sau fante. Avem, de asemenea, o particulă cuantică cu o incertitudine de poziție suficient de mare pentru a acoperi ambele fante dacă este trasă la barieră.

Deoarece nu putem ști prin ce fanta trece particula, acționează ca și cum ar merge prin ambele fante. Semnătura acestui lucru este așa-numitul „model de interferență”: ondulații în distribuția locului unde particula este probabil să fie găsită la un ecran în câmpul îndepărtat dincolo de fante, ceea ce înseamnă un drum lung (adesea la câțiva metri) dincolo de fante. .

Dar dacă punem o măsurare dispozitiv lângă barieră pentru a afla prin ce fantă trece particula? Vom vedea în continuare modelul de interferență?

Știm că răspunsul este nu și explicația lui Heisenberg a fost că, dacă măsurarea poziției este suficient de precisă pentru a spune prin care trece particula, va da o perturbare aleatorie vitezei sale suficient de mare pentru a afecta unde se termină se află în câmpul îndepărtat și astfel spălați undele de interferență.

Ceea ce și-au dat seama eminenții fizicieni cuantici este că a afla prin ce fantă trece particula nu necesită o măsurare a poziției ca atare. Orice măsurătoare care dă rezultate diferite, în funcție de fanta prin care trece particula, va face.

Și au venit cu un dispozitiv al cărui efect asupra particulei nu este cel al unei lovituri aleatorii de viteză pe măsură ce trece. Prin urmare, au susținut ei, nu Principiul de incertitudine al lui Heisenberg explică pierderea interferenței, ci un alt mecanism.

După cum a prezis Heisenberg

Nu trebuie să intrăm în ceea ce ei S-a afirmat că a fost mecanismul de distrugere a interferențelor, deoarece experimentul nostru a arătat că există un efect asupra vitezei particulei, de mărimea exactă pe care Heisenberg o prezisese.

Am văzut ceea ce alții au ratat, deoarece această perturbare a vitezei nu se întâmplă pe măsură ce particula trece prin dispozitivul de măsurare. Mai degrabă este întârziată până când particula trece bine de fante, în drum spre câmpul îndepărtat.

Cum este posibil acest lucru? Ei bine, pentru că particulele cuantice nu sunt de fapt doar particule. De asemenea, ele sunt unde.

De fapt, teoria din spatele experimentului nostru a fost una în care atât natura undelor cât și a particulelor sunt manifeste – unda ghidează mișcarea particulei în conformitate cu interpretarea introdusă de fizicianul teoretic David Bohm , o generație după Heisenberg.

Să experimentăm

În ultimul nostru experiment, oamenii de știință din China au urmat o tehnică sugerată de mine în 2007 pentru a reconstitui mișcarea ipotezată a particulelor cuantice, din multe puncte de plecare posibile diferite din ambele pentru ambele rezultate ale măsurătorii.

Au comparat vitezele de-a lungul timpului când nu exista niciun dispozitiv de măsurare prezent cu cele când existau și astfel au determinat schimbarea vitezelor ca urmare a măsurării.

Experimentul a arătat că efectul măsurării asupra vitezei particulelor a continuat mult timp după ce particulele au eliminat dispozitivul de măsurare în sine, până la 5 metri distanță de acesta.

În acel moment, în câmpul îndepărtat, schimbarea cumulativă a vitezei a fost suficient de mare, în medie, pentru a spăla undele din modelul de interferență.

Deci, în cele din urmă, Principiul de incertitudine al lui Heisenberg apare triumfător.

Mesajul de acasă? Nu faceți afirmații de anvergură cu privire la ce principiu poate sau nu poate explica un fenomen până când nu ați luat în considerare toate formulările teoretice ale acestui principiu.

Da, acesta este un mesaj cam abstract, dar este un sfat care s-ar putea aplica în domenii departe de fizică.