sunnuntai 9. syyskuuta 2012

Heisenbergin epätarkkuusperiaate epäilyksen alle


Werner Heisenbergin vuonna 1927 muotoilema epätarkkuusperiaate on eräs kvanttimekaniikan kulmakivistä. Sen mukaan emme voi tarkasti määrittää hiukkasen paikkaa vaikuttamatta sen nopeuteen.

Heisenbergin gammasädemikroskooppi elektronin paikannukseen (sininen). Elektroni hajottaa sisääntulevan gammasäteen (vihreä), joka leviää mikroskoopin aukkoon (punainen). Klassisen optiikan mukaan elektronin paikka voidaan määrittää vain tarkkuudella, johon vaikuttaa sisääntulevan valon aallonpituus.(Credit: By parri (Wikimedia commons)

Nyt näyttää kuitenkin siltä, että tämä kvanttimekaniikkaa vuosikymmeniä hallinnut periaate on vaakalaudaudalla, sillä Toronton yliopiston tutkijat ovat onnistuneet mittaamaan hiukkaselle aiheutetun häiriön ja siten osoittamaan, että Heisenberg oli liian pessimistinen.

"Me suunnittelimme laitteen, jolla voi mitata yksittäisen fotonin polarisaation. Sitten meidän piti mitata kuinka paljon laite aiheutti häiriötä fotoniin," kertoo tutkijaryhmän jäsen Lee Rozema. "Tämän vuoksi meidän täytyi mitata photonia ennen polarisaatiomittausta, mutta tämäkin mittaus häiritsisi fotonia."

Voittaakseen tämän esteen, Rozema kollegoineen käytti "heikkona mittauksena" tunnettua tekniikkaa, jossa mittalaitteen aiheuttama häiriö mittauskohteeseen on niin pieni, että sillä ei ole merkittävää vaikutusta. Ennenkuin fotoni lähetettiin mittalaitteeseen tutkijat mittasivat sen heikosti, sitten mittasivat sen uudestaan ja vertasivat tuloksia. He havaitsivat, että aiheutettu häiriö oli pienempi kuin Heisenbergin epätarkkuusperiaate olisi vaatinut.

"Jokainen mittaus antoi meille hiukan uutta tietoa häiriön vaikutuksesta ja toistamalla koe useita kertoja me saimme lopulta hyvän käsityksen häiriön suuruudesta," Rozema kertoo.

Tämä uusi tutkimus lisää viime aikoina ilmaantuneita epäilyksiä Heisenbergin periaatetta kohtaan. Nagoyan yliopiston fyysikko Masanao Ozawa ehdotti jo vuonna 2003, että Heisenbergin epätarkkuusperiaate ei vaikuta mittaukseen, mutta hän kykeni esittämään vain epäsuoran keinon ennusteensa tueksi. Viime vuonna Wienin  teknisessä korkeakoulussa Yuji Hasekawan johtama tutkijaryhmä onnistui suorittamaan hänen ehdottamansa kokeellinen todistuksen. Vuonna 2010 Griffith yliopiston tutkijat Austin Lund ja Howard Wiseman osoittivat, että heikkoa mittausta voidaan käyttää kvanttisysteemien mittausprosessien selvittämiseen.

Heisenbergin epätarkkuusperiaatteen on ajateltu olevan kvanttisysteemien yleinen ominaisuus eikä koskevan vain ihmisen suorittamia mittauksia. Nämä uudet havainnot kuitenkin osoittavat, että näin ei ole ja samalla ne kertovat heikon mittauksen tarkkuuden.

"Kvanttimaailma on vielä täynnä epävarmuutta, mutta yrityksemme ovat osoittaneet, että niiden ei tarvitse lisätä sitä niin paljon kuin olemme uskoneet," Rozema toteaa.

Kyllä tämä maailma on kohtalaisen mielenkiintoinen paikka. Ensin romahtaa "roska-DNA":na tunnettu ajatusrakennelma ja sitten kvanttimekaniikan pyhimpiin kuuluvan periaatteen ylle heitetään varjo. Kysymys on kuitenkin uskonpuhdistuksesta. Nyt ei kuitenkaan puhdisteta uskoa, vaan sitä poistetaan (tieteestä).


Lähde:

http://www.sciencedaily.com/releases/2012/09/120907125154.htm
.

Ei kommentteja:

Lähetä kommentti