Av Geoff Brumfiel av Naturmagasinet

I motsats till vad många studenter får lära sig kanske kvantosäkerhet inte alltid är i betraktarens ögon. Ett nytt experiment visar att mätning av ett kvantsystem inte nödvändigtvis medför osäkerhet. Studien störter en gemensam klassrumsförklaring av varför kvantvärlden verkar så otydlig, men den grundläggande gränsen för vad som är känt på de minsta skalorna förblir oförändrad.

Grunden för kvantmekaniken ligger i Heisenbergs osäkerhetsprincip. säger att det finns en grundläggande gräns för vad man kan veta om ett kvantsystem. Till exempel, ju mer exakt man känner till en partikels position, desto mindre kan man veta om dess momentum, och vice versa. Gränsen uttrycks som en enkel ekvation som är enkel att bevisa matematiskt.

Heisenberg förklarade ibland osäkerhetsprincipen som ett problem att göra mätningar. Hans mest kända tankeexperiment handlade om att fotografera en elektron. För att ta bilden kan en forskare studsa en ljuspartikel från elektronens yta. Det skulle avslöja dess position, men det skulle också ge elektronen energi och få den att röra sig. Att lära sig om elektronens position skulle skapa osäkerhet. i dess hastighet; och mätningen skulle producera den osäkerhet som behövs för att tillfredsställa principen.

Fysikstudenter lär fortfarande ut den här mätstörningsversionen av osäkerhetsprincipen i introduktionskurser, men det visar sig att det inte alltid är Aephraim Steinberg från University of Toronto i Kanada och hans team har utfört mätningar på fotoner (ljuspartiklar) och visat att mätningen kan införa mindre osäkerhet än vad som krävs av Heisenbergs princip. Den totala osäkerheten om vad som kan vara känt om fotonens egenskaper förblir dock över Heisenbergs gräns.

Delikat mätning
Steinbergs grupp mäter inte position och momentum utan snarare två olika inbördes relaterade egenskaper hos en foton : dess polariseringstillstånd. I det här fallet är polarisationen längs ett plan i sig bunden till polarisationen längs det andra, och av Heisenbergs princip finns det en gräns för den säkerhet med vilken båda staterna kan vara kända.

Forskarna gjorde en ’svag’ mätning av fotonens polarisering i ett plan – inte tillräckligt för att störa den, men tillräckligt för att producera en grov känsla av dess orientering. Därefter mätte de polarisationen i det andra planet. Sedan gjorde de en exakt eller ”stark” mätning av den första polarisationen för att se om den hade störts av den andra mätningen.

När forskarna gjorde experimentet flera gånger, fann de att mätningen av en polarisering stör inte alltid det andra tillståndet så mycket som osäkerhetsprincipen förutspådde. I starkaste fall var den inducerade oklarheten så lite som hälften av vad som skulle förutses av osäkerhetsprincipen.

Bli inte för upphetsad: osäkerhetsprincipen står fortfarande, säger Steinberg: ”I slutändan , det finns inget sätt du kan veta exakt samtidigt. ” Men experimentet visar att mätningen inte alltid är orsaken till osäkerheten. ”Om det redan finns mycket osäkerhet i systemet, behöver det inte vara något ljud från mätningen alls”, säger han.

Det senaste experimentet är det andra som gör en mätning under osäkerhetsgränsen. Tidigare i år mätte Yuji Hasegawa, en fysiker vid Vienna University of Technology i Österrike, grupper av neutronsnurr och härledde resultat långt under vad som skulle förutses om mätningar införde all osäkerhet i systemet.

Men de senaste resultaten är det tydligaste exemplet ännu på varför Heisenbergs förklaring var felaktig. ”Detta är det mest direkta experimentella testet av Heisenbergs osäkerhetsprincip för mätstörningar”, säger Howard Wiseman, en teoretisk fysiker vid Griffith University i Brisbane, Australien ”Förhoppningsvis kommer det att vara användbart för att utbilda lärobokförfattare så att de vet att den naiva mätningsstörningsrelationen är fel.”

Det kan vara svårt att skaka den gamla mätosäkerhetsförklaringen t, dock. Till och med efter att ha gjort experimentet inkluderade Steinberg fortfarande en fråga om hur mätningar skapar osäkerhet om en läxuppgift nyligen för hans elever. ”Först när jag betygsatte det insåg jag att mina hemuppgifter var fel”, säger han. ”Nu måste jag vara mer försiktig.”

Den här artikeln återges med tillstånd från tidningen Nature. Artikeln publicerades först den 11 september 2012.