Eksperiment bekræfter ny formulering af Heisenbergs usikkerhedsrelation
Heisenberg tog fejl, da han formulerede sin berømte usikkerhedsrelation. Nyt eksperiment viser, at kvantepartikler opfører sig endnu mere besynderligt, end mange forestiller sig.
Heisenbergs usikkerhedsrelation er en tand mere kompliceret, end denne simple ligning umiddelbart tyder på, fremgår det af et nyt eksperiment i Wien.
Læs også
-
Kvantemekanisk gennembrud: Fotonens vej gennem to spalter kortlagt
Læs mere om
Dokumentation
Fysikerne har længe erkendt, at Werner Heisenbergs oprindelige forklaring af sin berømte usikkerhedsrelation fra 1927 var noget forsimplet, men nu viser det sig også, at selv en mere indgående statistisk formulering af begrebet få år efter på visse måder kan siges at være mangelfuld.
Den japanske forsker Masanao Ozawa fra universitet i Nagoya omformulerede Heisenbergs usikkerhedsrelation i 2003.
Nu viser nye målinger ved Technische Universität Wien (TU Wien), at hans beskrivelse er korrekt.
Målefejl fører til forstyrrelser
Heisenbergs usikkerhedsrelation siger, at det ikke er muligt at bestemme en partikels position og bevægelsesmængde på samme tid.
Det var under et ophold på Niels Bohrs institut i København, at Werner Heisenberg i februar 1927 beskrev sit ’nye’ princip i et brev til Wolfgang Pauli og senere i en videnskabelig artikel.
Heisenberg forklarede ud fra et tankeeksperiment, at hvis man brugte lys til at bestemme positionen af en elektron, så ville en del af lysets bevægelsesmængde blive overført til elektronen. Derfor ville elektronens bevægelsesmængde (og dermed dens hastighed) være ubestemt.
Denne formulering beskriver, at en lille fejl i en måling giver anledning til en stor forstyrrelse i en anden måling.
Heisenberg fandt frem til, at produktet af usikkerheden i position (delta-x) og usikkerheden af bevægelsesmængde (delta-p) ville være større eller lig med Plancks konstant h divideret med fire gange pi (eller h-streg divideret med 2).
Den amerikanske matematiker og fysiker Howard Percy Robertson generaliserede denne beskrivelse allerede 1929 i en artikel i Physical Review, så usikkerhedsrelationen ikke var hængt op på sammenhængen mellem måling og observation.
Fundamental kvantebegrænsning
Den japanske forsker Masanao Ozawa fra universitetet i Nagoya fremsatte i 2003 en ny formulering af Heisenbergs usikkerhedsrelation, som tager hensyn til, at kvantepartikler ikke er punktformede objekter med en velbestemt hastighed.
De skal betragtes som bølger, og for en bølge kan position og bevægelsesmængde aldrig blive defineret nøjagtigt på samme tid. Bølgen vil så at sige ikke selv ’kende’ sin position og sin hastighed – uanset om den bliver målt eller ej.
Ozawas formulering af usikkerhedsrelationen indeholder flere former for usikkerhed. Der er dels usikkerheden, der stammer fra målingen (som i Heisenbergs oprindelige beskrivelse) og dels den fundamentale usikkerhed, der skyldes egenskaberne i ethvert kvantesystem.
Målinger af neutroners spin
Forskerne ved TU Wien har nu i samarbejde med Masanao Ozawa vist, at denne formulering er korrekt, ved eksperimenter på neutroner.
I stedet for måling af position og bevægelsesmængde har forskerne målt neutronens spin i to retninger vinkelret på hinanden – disse målinger er også begrænset af usikkerhedsrelationen.
Forskerholdets leder Yogi Hasegawa forklarer, at jo mindre fejlen er i en spin-måling, des større vil forstyrrelsen være i den anden spin-måling – som i Heisenbergs oprindelige beskrivelse.
Men målingerne bekræfter, at produktet af målefejl og direkte forstyrrelse kan være meget mindre, end Heisenbergs oprindelige formulering af usikkerhedsrelationen tillader.
Der vil dog stadig være en usikkerhed i kvantesystemet, som stammer fra kvantebeskrivelsen af systemet, og som gør det umuligt at bestemme begge størrelser samtidigt.
Forsøget er den første eksperimentelle test af Ozawas teori, oplyser Howard Wiseman fra Griffith University i Australien til Physicsworld.
Han håber, at eksperimentet kan være med til fjerne den misforståelse, mange stadig har om, at det udelukkende er måling af en størrelse X, der giver anledning til en forstyrrelse i anden størrelse Y.
