Ordet osäkerhet används mycket i kvantmekanik. En tankegång är att det betyder att det finns något där ute i världen som vi är osäkra på. Men de flesta fysiker tror att naturen i sig är osäker.

Inneboende osäkerhet var central för hur den tyska fysikern Werner Heisenberg, en av upphovsmännen för modern kvantmekanik, presenterade teorin.

Han uttryckte vidarebefordra osäkerhetsprincipen som visade att vi aldrig kan känna till alla egenskaper hos en partikel samtidigt.

Till exempel skulle mätning av partikelns position låta oss få veta dess position. Men denna mätning skulle nödvändigtvis störa dess hastighet, med en mängd omvänt proportionell mot positionsmätningens noggrannhet.

Var Heisenberg fel?

Heisenberg använde osäkerhetsprincipen för att förklara hur mätning skulle förstöra det klassiska inslaget i kvantmekanik, interferensmönstret med två slitsar (mer om detta nedan).

Men tillbaka på 1990-talet hävdade några framstående kvantfysiker att ha visat att det är möjligt att bestämma vilken av två slitsar som en partikel går igenom utan att väsentligt störa dess hastighet.

Betyder det att Heisenbergs förklaring måste vara fel? I arbete som just har publicerats i Science Advances har mina experimentella kollegor och jag visat att det vore oklokt att komma till den slutsatsen.

Vi visar en hastighetsstörning – av den storlek som förväntas av osäkerhetsprincipen – existerar alltid , i en viss mening.

Men innan vi går in i detaljerna måste vi kort förklara om två-slits experimentet.

Två-slits experimentet

I denna typ av experiment finns är en barriär med två hål eller slitsar. Vi har också en kvantpartikel med en positionssäkerhet som är tillräckligt stor för att täcka båda slitsarna om den avfyras på barriären.

Eftersom vi inte kan veta vilken slits partikeln går igenom, fungerar den som om den går genom båda slitsarna. Signaturen på detta är det så kallade ”interferensmönstret”: krusningar i fördelningen av var partikeln sannolikt kommer att hittas vid en skärm längst bortom slitsarna, vilket betyder en lång väg (ofta flera meter) förbi slitsarna .

Men vad händer om vi lägger en mätning enhet nära barriären för att ta reda på vilken slits partikeln går igenom. Kommer vi fortfarande att se störningsmönstret?

Vi vet att svaret är nej, och Heisenbergs förklaring var att om positionsmätningen är noggrann för att säga vilken slits partikeln går igenom, kommer det att ge en slumpmässig störning av dess hastighet som är tillräckligt stor för att påverka var den slutar s uppe i det avlägsna fältet och tvätta därmed krusningar av störningar.

Vad de framstående kvantfysikerna insåg är att det att ta reda på vilken slits partikeln går igenom inte kräver en positionsmätning som sådan. Varje mätning som ger olika resultat beroende på vilken slits partikeln går igenom kommer att göra.

Och de kom fram till en enhet vars effekt på partikeln inte är den av en slumpmässig hastighetsspark när den går igenom. Därför hävdade de att det inte är Heisenbergs osäkerhetsprincip som förklarar förlusten av störningar utan någon annan mekanism.

Som Heisenberg förutspådde

Vi behöver inte komma in på vad de hävdade var mekanismen för att förstöra störningar, eftersom vårt experiment har visat att det finns en effekt på partikelns hastighet, av den storlek som Heisenberg förutspådde.

Vi såg vad andra har missat eftersom denna hastighetsstörning inte händer när partikeln går genom mätanordningen. Snarare fördröjs det tills partikeln är väl förbi slitsarna, på väg mot det bortre fältet.

Hur är detta möjligt? Tja, för kvantpartiklar är egentligen inte bara partiklar. De är också vågor.

Faktum är att teorin bakom vårt experiment var en där både våg- och partikelnaturen är uppenbar – vågorna styr partikelns rörelse enligt den tolkning som introducerats av den teoretiska fysikern David Bohm , en generation efter Heisenberg.

Låt oss experimentera

I vårt senaste experiment följde forskare i Kina en teknik som jag föreslog 2007 för att rekonstruera kvantpartiklarnas hypotesrörelse, från många olika möjliga utgångspunkter över båda slitsar, och för båda resultaten av mätningen.

De jämförde hastigheterna över tiden när det inte fanns någon mätanordning med de när de fanns, och bestämde så förändringen i hastigheterna som ett resultat av mätningen.

Experimentet visade att mätningens effekt på partiklarnas hastighet fortsatte långt efter att partiklarna hade rensat själva mätanordningen, så långt som 5 meter från den.

Vid den punkten, i det avlägsna fältet, var den kumulativa hastighetsförändringen bara tillräckligt stor för att tvätta krusningarna i störningsmönstret.

Så i slutändan framträder Heisenbergs osäkerhetsprincip triumferande.

Hemma-meddelandet? Gör inte långtgående påståenden om vilken princip som kan eller inte kan förklara ett fenomen förrän du har beaktat alla teoretiska formuleringar av principen.

Ja, det är lite av ett abstrakt meddelande, men det är råd som kan gälla inom områden långt ifrån fysik.