De Geoff Brumfiel din Revista Nature

Contrar a ceea ce sunt învățați mulți studenți, incertitudinea cuantică poate să nu fie întotdeauna în ochii privitorului. Un nou experiment arată că măsurarea unui sistem cuantic nu introduce neapărat incertitudine. explicația în clasă a motivului pentru care lumea cuantică pare atât de neclară, dar limita fundamentală a ceea ce este cunoscut la cele mai mici scale rămâne neschimbată.

La baza mecanicii cuantice se află principiul incertitudinii Heisenberg. Pur și simplu, principiul afirmă că există o limită fundamentală a ceea ce se poate ști despre un sistem cuantic. De exemplu, cu cât mai precis se cunoaște poziția unei particule, cu atât se poate ști mai puțin despre impulsul ei și invers. Limita este exprimată ca o ecuație simplă, care este ușor de demonstrat matematic.

Heisenberg a explicat uneori principiul incertitudinii ca o problemă a efectuării măsurătorilor. Cel mai cunoscut experiment de gândire al său a implicat fotografierea unui electron. Pentru a face poza, un om de știință ar putea sări o particulă de lumină de pe suprafața electronului. Aceasta ar dezvălui poziția sa, dar i-ar conferi și energie electronului, determinându-l să se miște. Învățarea despre poziția electronului ar crea incertitudine în viteza sa; iar actul de măsurare ar produce incertitudinea necesară pentru a satisface principiul.

Studenții la fizică sunt învățați încă această versiune de perturbare a măsurării principiului incertitudinii în clasele introductive, dar se dovedește că nu este întotdeauna adevărat. Aephraim Steinberg de la Universitatea din Toronto din Canada și echipa sa au efectuat măsurători pe fotoni (particule de lumină) și au arătat că actul de măsurare poate introduce mai puțină incertitudine decât este cerut de principiul Heisenberg. Incertitudinea totală a ceea ce poate fi cunoscut despre proprietățile fotonului, totuși, rămâne peste limita lui Heisenberg.

Măsurarea delicată
Grupul lui Steinberg nu măsoară poziția și impulsul, ci mai degrabă două proprietăți diferite legate de un foton : stările sale de polarizare. În acest caz, polarizarea de-a lungul unui plan este legată intrinsec de polarizarea de-a lungul celuilalt și, prin principiul lui Heisenberg, există o limită a certitudinii cu care ambele stări pot fi cunoscute.

Cercetătorii au făcut o măsurare „slabă” a polarizării fotonului într-un singur plan – nu suficient pentru a-l perturba, dar suficient pentru a produce un sentiment aproximativ al orientării sale. Apoi, au măsurat polarizarea în al doilea plan. Apoi au făcut o măsurare exactă sau „puternică” a primei polarizări pentru a vedea dacă aceasta a fost perturbată de a doua măsurare.

Când cercetătorii au făcut experimentul de mai multe ori, au descoperit că măsurarea uneia dintre ele polarizarea nu a deranjat întotdeauna cealaltă stare la fel de mult cum a prezis principiul incertitudinii. În cel mai puternic caz, încețoșarea indusă a fost la fel de mică ca jumătate din ceea ce ar fi prezis prin principiul incertitudinii.

Nu vă excitați prea mult: principiul incertitudinii rămâne în continuare, spune Steinberg: „În final , nu există nicio modalitate de a ști cu precizie în același timp. ” Dar experimentul arată că actul de măsurare nu este întotdeauna ceea ce provoacă incertitudinea. „Dacă există deja o mulțime de incertitudine în sistem, atunci nu trebuie să existe deloc zgomot din măsurare”, spune el.

Ultimul experiment este al doilea care face un măsurare sub limita de zgomot de incertitudine. La începutul acestui an, Yuji Hasegawa, fizician la Universitatea de Tehnologie din Viena din Austria, a măsurat grupuri de rotiri de neutroni și a obținut rezultate mult sub ceea ce s-ar prevedea dacă măsurătorile ar insera toată incertitudinea în sistem.

Dar ultimele rezultate sunt cel mai clar exemplu încă de ce explicația lui Heisenberg a fost incorectă. „Acesta este cel mai direct test experimental al principiului Heisenberg de măsurare-perturbare a incertitudinii”, spune Howard Wiseman, fizician teoretic la Griffith Universitatea din Brisbane, Australia „Sperăm că va fi utilă pentru educarea scriitorilor de manuale, astfel încât să știe că relația naivă măsurare-perturbare este greșită.”

Agitarea vechii explicații de măsurare-incertitudine poate fi dificilă cu toate acestea. Chiar și după ce a făcut experimentul, Steinberg a inclus încă o întrebare despre modul în care măsurătorile creează incertitudine pe o temă recentă pentru studenții săi. „Doar pe măsură ce o notam, mi-am dat seama că misiunea mea pentru teme era greșită”, spune el. „Acum trebuie să fiu mai atent.”

Acest articol este reprodus cu permisiunea revistei Nature. Articolul a fost publicat pentru prima dată pe 11 septembrie 2012.