Wacky Physics: Nieuwe Onzekerheid Over Het Onzekerheidsbeginsel

{h1}

Het onzekerheidsprincipe van heisenberg, dat stelt dat de positie en het momentum van een deeltje niet tegelijkertijd nauwkeurig gekend kunnen worden, is ingewikkelder dan gedacht, laat nieuw onderzoek zien.

Een van de meest geciteerde, maar minst begrepen, grondbeginselen van de fysica is het onzekerheidsbeginsel.

Geformuleerd door de Duitse natuurkundige Werner Heisenberg in 1927, stelt de regel dat hoe nauwkeuriger je de positie van een deeltje meet, hoe minder nauwkeurig je zijn momentum kunt bepalen, en omgekeerd.

Het principe wordt vaak buiten het domein van de natuurkunde ingeroepen om te beschrijven hoe de handeling van het observeren van iets het waargenomen ding verandert, of om erop te wijzen dat er een grens is aan hoe goed we het universum ooit echt kunnen begrijpen.

Hoewel de subtiliteiten van het onzekerheidsprincipe vaak verloren gaan bij niet-fysiotherapeuten, blijkt het idee vaak ook door deskundigen verkeerd begrepen. Maar een recent experiment wierp een nieuw licht op de stelregel en leidde tot een nieuwe formule die beschrijft hoe het onzekerheidsbeginsel echt werkt.

Verbijsterende logica

Het onzekerheidsbeginsel is alleen van toepassing op het kwantummechanische domein van de zeer kleine, op schalen van subatomaire deeltjes. De logica ervan is verwarrend voor de menselijke geest, die is geacclimatiseerd in de macroscopische wereld, waar metingen alleen worden beperkt door de kwaliteit van onze instrumenten.

Maar in de microscopische wereld is er echt een limiet aan hoeveel informatie we ooit over een voorwerp kunnen verzamelen.

Als u bijvoorbeeld een meting uitvoert om precies te achterhalen waar een elektron zich bevindt, kunt u alleen een vaag idee krijgen van hoe snel het beweegt. Of je zou ervoor kunnen kiezen het momentum van een elektron vrij precies te bepalen, maar dan heb je alleen een vaag idee van de locatie. [Afbeelding: de kleinste deeltjes van de natuur verklaard]

Heisenberg verklaarde oorspronkelijk de beperking met behulp van een gedachte-experiment. Stel je voor dat je licht schijnt op een bewegend elektron. Wanneer een foton of een deeltje van licht het elektron raakt, kaatst het terug en neemt het zijn positie op, maar tijdens het proces heeft het het elektron een schop gegeven, waardoor het zijn snelheid veranderde.

De golflengte van het licht bepaalt hoe precies de meting kan worden uitgevoerd. De kleinste golflengte van licht, gammastraling genoemd, kan de meest precieze metingen uitvoeren, maar het draagt ​​ook de meeste energie, dus een impacterend gammaflitsenfoton zal een sterkere schop leveren aan het elektron, waardoor het zijn momentum het meest verstoort.

Hoewel er niet zoveel verstoring aan het momentum van het elektron wordt verleend, zou een langere golflengte van licht niet zo precies een meting toestaan.

Knikkers en biljartballen

"In de begintijd van de kwantummechanica interpreteerden mensen de onzekerheidsrelatie in termen van dergelijke terugreacties van het meetproces", zei natuurkundige Georg Sulyok van het Instituut voor Atoom- en Subatomaire Fysica in Oostenrijk. "Maar deze verklaring is niet 100 procent correct."

Sulyok werkte samen met een onderzoeksteam onder leiding van natuurkundigen Masanao Ozawa van Nagoya University in Japan en Yuji Hasegawa van de Technische Universiteit van Wenen in Oostenrijk, om te berekenen en experimenteel aan te tonen hoeveel van het onzekerheidsprincipe te wijten is aan de effecten van meten, en hoeveel gewoon vanwege de fundamentele kwantumonzekerheid van alle deeltjes.

In de kwantummechanica kunnen deeltjes niet worden gezien als knikkers of biljartballen - kleine, fysiek verschillende objecten die een rechte koers volgen van punt A naar punt B. In plaats daarvan kunnen deeltjes zich gedragen als golven en kunnen ze alleen in termen worden beschreven van de kans dat ze zich op punt A of punt B bevinden of ergens daar tussenin.

Dit geldt ook voor de andere eigenschappen van een deeltje, zoals het momentum, energie en spin.

Deze probabilistische aard van deeltjes betekent dat er altijd een onnauwkeurigheid zal zijn in elke kwantummeting, ongeacht hoe weinig die meting het systeem dat het meet, verstoort.

"Dit heeft niets te maken met fouten of storingen als gevolg van een meetproces, maar het is een fundamentele eigenschap die elk quantummechanisch deeltje heeft," vertelde Sulyok WordsSideKick.com. "Om de basisonzekerheid samen met meetfouten en verstoringen te beschrijven, moeten zowel deeltjes als meetapparatuur in een opeenvolgende meting worden behandeld in het kader van de kwantumtheorie."

De onzekerheid berekenen

Om te testen hoeveel deze fundamentele eigenschap bijdraagt ​​aan de algehele onzekerheid, bedachten de onderzoekers een experimentele opstelling om de spin van een neutron in twee loodrechte richtingen te meten. Deze grootheden zijn gerelateerd, net zoals positie en momentum zijn, zodat hoe preciezer een meting van één wordt gedaan, hoe minder nauwkeurig een meting van de ander kan worden gemaakt.

De natuurkundigen gebruikten magnetische velden om de rotatie van de neutronen te manipuleren en te meten, en voerden een reeks metingen uit waarbij ze de parameters van het meetapparaat systematisch veranderden.

"Je hebt deze fundamentele onzekerheid, en dan door te meten, voeg je een extra onzekerheid toe," zei Sulyok. "Maar met een apparaat dat twee opeenvolgende metingen uitvoert, kun je de verschillende bijdragen identificeren."

Met behulp van hun gegevens konden de natuurkundigen berekenen hoe de verschillende soorten onzekerheid elkaar toevoegen en elkaar beïnvloeden. Hun nieuwe formule verandert niets aan de conclusie van het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, maar het past wel de redenering erachter aan.

"De uitleg die Heisenberg gaf is heel intuïtief," zei Sulyok."Op een populair wetenschappelijk niveau wordt het bijna nooit onderscheiden en soms wordt het zelfs niet correct uitgelegd in de handboeken van universiteiten." De kwantummechanisch correcte berekening die wordt versterkt door onze experimentele gegevens is een waardevolle stap in het bereiken van een meer consistente kijk op het onzekerheidsbeginsel.."

De resultaten van de studie werden in januari 2012 gepubliceerd in het tijdschrift Nature Physics.

Je kunt WordsSideKick.com senior schrijver Clara Moskowitz volgen op Twitter @ClaraMoskowitz. Voor meer wetenschapsnieuws, volg WordsSideKick.com op twitter @wordssidekick.


Video Supplement: .




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com