Kvantefysisk eksperiment viser, at Heisenberg havde ret i usikkerhed, i en vis forstand

Ordet usikkerhed bruges meget i kvantemekanikken. En tankegang er, at det betyder, at der er noget derude i verden, som vi er usikre på. Men de fleste fysikere mener, at selve naturen er usikker.

Iboende usikkerhed var central for den måde, den tyske fysiker Werner Heisenberg, en af ​​ophavsmændene til moderne kvantemekanik, præsenterede teorien.

Han fremsatte usikkerhedsprincippet, der viste, at vi aldrig kan kende alle egenskaberne af en partikel på samme tid.

For eksempel, måling af partikelens position ville give os mulighed for at kende dens position. Men denne måling ville nødvendigvis forstyrre dens hastighed, med en mængde, der er omvendt proportional med positionsmålingens nøjagtighed.

Tog Heisenberg fejl?

Heisenberg brugte usikkerhedsprincippet til at forklare, hvordan måling ville ødelægge det klassiske træk ved kvantemekanikken, interferensmønsteret med to spalter (mere om dette nedenfor).

Men tilbage i 1990'erne, nogle fremtrædende kvantefysikere hævdede at have bevist, at det er muligt at bestemme, hvilken af ​​de to slidser en partikel går igennem, uden at forstyrre dens hastighed væsentligt.

Betyder det, at Heisenbergs forklaring må være forkert? I arbejde netop offentliggjort i Science Advances, mine forsøgskolleger og jeg har vist, at det ville være uklogt at springe til den konklusion.

Vi viser en hastighedsforstyrrelse - af den størrelse, der forventes af Usikkerhedsprincippet - eksisterer altid, i en vis forstand.

Men før vi går ind i detaljerne, skal vi kort forklare om eksperimentet med to spalter.

Eksperimentet med to spalter

I denne type forsøg er der en barriere med to huller eller slidser. Vi har også en kvantepartikel med en positionsusikkerhed, der er stor nok til at dække begge spalter, hvis den affyres mod barrieren.

Da vi ikke kan vide, hvilken spalte partiklen går igennem, det virker som om det går gennem begge spalter. Signaturen herfor er det såkaldte "interferensmønster":krusninger i fordelingen af, hvor partiklen sandsynligvis vil blive fundet på en skærm i det fjerne felt ud over slidserne, altså et langt stykke (ofte flere meter) forbi spalterne.

Men hvad nu hvis vi placerer et måleinstrument nær barrieren for at finde ud af, hvilken spalte partiklen går igennem? Vil vi stadig se interferensmønsteret?

Vi ved, at svaret er nej, og Heisenbergs forklaring var, at hvis positionsmålingen er nøjagtig nok til at fortælle, hvilken spalte partiklen går igennem, det vil give en tilfældig forstyrrelse af dens hastighed lige stor nok til at påvirke, hvor den ender i det fjerne felt, og dermed vaske krusninger af forstyrrelser ud.

Hvad de fremtrædende kvantefysikere indså, er, at det ikke kræver en positionsmåling som sådan at finde ud af, hvilken spalte partiklen går igennem. Enhver måling, der giver forskellige resultater afhængigt af, hvilken spalte partiklen går igennem, vil duge.

Og de kom op med en enhed, hvis effekt på partiklen ikke er en tilfældig hastighedsspark, når den går igennem. Derfor, de argumenterede, det er ikke Heisenbergs Usikkerhedsprincip, der forklarer tabet af interferens, men en anden mekanisme.

Som Heisenberg forudsagde

Vi behøver ikke at komme ind på, hvad de hævdede var mekanismen til at ødelægge interferens, fordi vores eksperiment har vist, at der er en effekt på partikelhastigheden, af lige den størrelse Heisenberg forudsagde.

Vi så, hvad andre har savnet, fordi denne hastighedsforstyrrelse ikke sker, når partiklen går gennem måleenheden. Det er snarere forsinket, indtil partiklen er godt forbi slidserne, på vej mod det fjerne felt.

Hvordan er det muligt? Godt, fordi kvantepartikler egentlig ikke bare er partikler. De er også bølger.

Faktisk, teorien bag vores eksperiment var en, hvor både bølge- og partikelnaturen er manifeste - bølgen styrer partiklens bevægelse ifølge den fortolkning, som den teoretiske fysiker David Bohm introducerede, en generation efter Heisenberg.

Lad os eksperimentere

I vores seneste eksperiment, videnskabsfolk i Kina fulgte en teknik, jeg foreslog i 2007 for at rekonstruere den hypotetiske bevægelse af kvantepartiklerne, fra mange forskellige mulige udgangspunkt på tværs af begge slidser, og for begge måleresultater.

De sammenlignede hastighederne over tid, hvor der ikke var nogen måleenhed til stede, når der var, og således bestemte ændringen i hastighederne som et resultat af målingen.

Forsøget viste, at effekten af ​​målingen på partiklernes hastighed fortsatte længe efter, at partiklerne havde ryddet selve måleapparatet, så langt som 5 meter væk fra den.

På det tidspunkt, i det fjerne felt, den kumulative ændring i hastighed var lige stor nok, gennemsnitlig, at vaske krusningerne ud i interferensmønsteret.

Så, til sidst, Heisenbergs Usikkerhedsprincip træder triumferende frem.

Beskeden med hjem? Kom ikke med vidtrækkende påstande om, hvilket princip der kan eller ikke kan forklare et fænomen, før du har overvejet alle teoretiske formuleringer af princippet.

Ja, det er lidt af en abstrakt besked, men det er råd, der kunne gælde inden for områder langt fra fysik.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.