Πείραμα κβαντομηχανικής «κάμπτει» την Αρχή της Απροσδιοριστίας

Κανείς δεν ξέρει αν ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ (1901-1976) θα χαμογελούσε με τη νέα έρευνα...

Ουάσινγκτον

 

Είναι αδύνατο να γνωρίζει κανείς με ακρίβεια τη θέση και την ταχύτητα ενός φωτονίου, είπε ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ στην περίφημη αρχή της απροσδιοριστίας, η οποία άλλαξε την εικόνα μας για το Σύμπαν. Τώρα, όμως, διεθνής ομάδα ερευνητών αναφέρει ότι κατάφερε να υπολογίσει κατά μέσο όρο τις θέσεις και τις ταχύτητες φωτονίων, σε ένα πείραμα που μοιάζει να χαλαρώνει τον ασφυκτικό περιορισμό του Χάιζενμπεργκ.

Πριν από περίπου έναν αιώνα, ο Άλμπερτ Άινσταϊν έδειξε ότι το φως έχει διττή φύση: συμπεριφέρεται τόσο ως σωματίδιο, το γνωστό φωτόνιο, όσο και ως κύμα.

Η κυματική φύση του φωτός μπορεί να καταδειχθεί με το περίφημο πείραμα της διπλής σχισμής (ένθετη αριστερά), το οποίο πραγματοποιήθηκε για πρώτη φορά πριν από 200 χρόνια, αλλά παραμένει και σήμερα ένα από τα διασημότερα -και ίσως σημαντικότερα- πειράματα της φυσικής.

Αν το φως περάσει μέσα από ένα διάφραγμα με δύο παράλληλες σχισμές και πέσει σε μια οθόνη που βρίσκεται πίσω από αυτές, σχηματίζει ένα χαρακτηριστικό μοτίβο από εναλλάξ φωτεινές και σκοτεινές λωρίδες -είναι το μοτίβο συμβολής που θα περίμενε κανείς να σχηματίζει ένα κύμα.

Το εντυπωσιακό είναι ότι το μοτίβο συμβολής εμφανίζεται ακόμα κι αν χρησιμοποιηθεί στο πείραμα ένα και μοναδικό φωτόνιο. Αυτό σημαίνει ότι το φωτόνιο, που είναι σωματίδιο, συμπεριφέρεται ταυτόχρονα και ως κύμα.

Και το ένα και το άλλο

Μπορεί όμως να μετρήσει κανείς με ακρίβεια και τις θέσεις και τις ταχύτητες των φωτονίων που περνάνε από τη διπλή σχισμή; Όχι και τα δύο ταυτόχρονα, λέει η αρχή της απροσδιοριστίας: όσο αυξάνεται η ακρίβεια στη μέτρηση της θέσης, τόσο μειώνεται η ακρίβεια στη μέτρηση της ταχύτητας (στην πραγματικότητα βέβαια ο Χάιζενμπεργκ δεν μίλησε για τη θέση και την ταχύτητα, αλλά για τη θέση και την ορμή, η οποία όμως εξαρτάται από την ταχύτητα).

Τώρα, όμως, διεθνής ομάδα ερευνητών αναφέρει στο περιοδικό Science ότι μπόρεσε να «χαλαρώσει» τους περιορισμούς της αβεβαιότητας: δεν κατάφεραν μεν να μετρήσουν τη θέση και την ταχύτητα κάθε φωτονίου ξεχωριστά, μέτρησαν όμως αυτά τα μεγέθη κατά μέσο όρο. Η προσέγγιση αυτή ονομάζεται «ασθενής μέτρηση», δηλαδή μέτρηση στο περίπου.

Για να το κάνει αυτό, η ομάδα του Έφρεμ Στάινμπεργκ στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο χρησιμοποίησε τη διάταξη της διπλής σχισμής.

Για να μετρήσουν τις θέσεις των διερχόμενων φωτονίων, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ανιχνευτές ηλεκτρονίων τοποθετημένους σε διάφορες αποστάσεις από το διάφραγμα με τις σχισμές. Για να υπολογίσουν στο περίπου τις ταχύτητες (ορμές) έβαλαν μπροστά στις σχισμές κρυστάλλους ασβεστίτη, οι οποίοι εκτρέπουν λίγο τα φωτόνια (αλλάζουν την πολικότητα). Ο βαθμός εκτροπής χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια για τον υπολογισμό της ταχύτητας κατά προσέγγιση.

Τελικά, οι ερευνητές κατάφεραν να υπολογίσουν κατά μέσο όρο και τις τροχιές (θέσεις) των φωτονίων αλλά και τις ταχύτητες (ορμές).

Το αποτέλεσμα είναι εντυπωσιακό, ωστόσο οι ίδιοι ερευνητές επισημαίνουν ότι το πείραμα δεν παραβιάζει την αρχή της απροσδιοριστίας. Όπως όμως σχολιάζει ο Δρ Στάινμπεργκ στο δικτυακό τόπο του Nature, η μελέτη δείχνει ότι «δεν είναι απαραίτητο να ερμηνεύουμε την αρχή της απροσδιοριστίας τόσο αυστηρά όσο συχνά διδασκόμαστε να κάνουμε».

Δεδομένου μάλιστα ότι οι παρατηρήσεις βρίσκονται σε συμφωνία με ορισμένες ερμηνείες της κβαντομηχανικής, και να διαψεύδουν άλλες ερμηνείες, η μελέτη θα μπορούσε «να μας βοηθήσει να σκεφτόμαστε με νέους τρόπους» και να αξιοποιηθεί στην ανάπτυξη κβαντικών υπολογιστών.,

Ωστόσο άλλοι επιστήμονες δεν έχουν πειστεί ότι το πείραμα αλλάζει κάτι ουσιαστικό στην κβαντομηχανική, την επιστήμη που ασχολείται με τις αλληλεπιδράσεις σε υποατομικό σωματίδιο.

Όπως επισήμανε ο Ντέιβιντ Ντόιτς του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, οι μετρήσεις που παρουσιάζονται στην έρευνα «θα μπορούσαν να είχαν υπολογιστεί χρησιμοποιώντας απλά ένα κομπιούτερ και τις εξισώσεις της κβαντομηχανικής».

Newsroom ΔΟΛ