Группа физиков экспериментально показала несостоятельность распространенной интерпретации фундаментального для квантовой механики принципа неопределенности Гейзенберга. Обычно он понимается в том смысле, что измерение одного параметра квантовой системы изменяет ее состояние таким образом, что измерить другой параметр не представляется возможным (подробное пояснение ниже). Новые исследования показали, что неопределенность не обязательно должна быть связана с процессом наблюдения.

Принцип неопределенности Гейзенберга в квантовой механике — фундаментальное неравенство (соотношение неопределенностей), устанавливающее предел точности одновременного определения пары характеризующих квантовую систему физических величин. Фактически, суть принципа заключается в том, что существует предел того, что мы можем узнать о квантовой системе. Например, чем точнее мы измеряем положение частицы, тем меньше мы можем узнать о ее импульсе, и наоборот. Собственно, именно этот случай первоначально и рассматривался Гейзенбергом.

Иногда Гейзенберг объяснял суть своего принципа как проблему измерения. Известный мысленный эксперимент Гейзенберга описывал проблему фотографирования электрона. Чтобы это сделать, ученому необходимо, чтобы об электрон ударился о фотон, который затем отскочил бы на  фотопленку. Это позволит узнать, где расположен электрон, но, вместе с тем, повлияет на его энергию, заставив его двигаться. То есть, измерение местоположения создаст неопределенность в отношении скорости движения электрона.

Анекдот в тему:
Специалиста по квантовой физике останавливает на шоссе полицейский и спрашивает:
— Вы знаете, как быстро Вы ехали, сэр?
На что физик отвечает:
— Нет, но я точно знаю, где я!

Эфраим Штейнберг из Университета Торонто (Канада) и его исследовательская группа провели ряд измерений состояний фотона и показали, что акт измерения может вносить меньше неопределенности, чем требуется в соответствии принципом Гейзенберга. При этом общее количество неопределенности остается неизменным — следовательно, она не является результатом измерения.

Группа Штейнберга измеряла не координату и импульс, а два других связанных свойства фотона: его поляризационные состояния. В данном случае, поляризация вдоль одной плоскости связана с поляризацией вдоль другой. По Гейзенбергу, существует предел точности, с которой можно измерить оба этих параметра.

Сначала исследователи выполнили «слабое» измерение поляризации фотона в одной плоскости — недостаточное для того, чтобы повлиять на фотон, но давшее грубое представление о значении параметра. Затем они измерили поляризацию во второй плоскости. Наконец, с помощью точного («сильного») измерения, они снова измерили первую поляризацию, чтобы узнать, была ли она нарушена вторым измерением.

Многократное повторение измерений показало, что измерение одной поляризации не всегда вносило нарушение во второе состояние в той мере, в которой это предсказывает принцип неопределенности Гейзенберга. В самом худшем случае, измерение вносило только половину от неопределенности, ожидаемой «по Гейзенбергу».

Но радоваться рано: по словам Штейнберга «принцип неопределенности все еще в силе, ведь, в конце концов, не существует способа узнать оба квантовых состояния точно и одновременно». Но эксперимент показал, что акт измерения не всегда является причиной неопределенности. «В самой системе неопределенности уже достаточно, нет необходимости вносить дополнительную за счет измерения», — поясняет Штейнберг.

На фото: Вернер Гейзенберг

 

Иван Шпикуляк

Материал сайта noos.com.ua. Публикация в Physical Review Letters.