Verrückte Physik: Neue Unsicherheit über die Unschärferelation


Einer der am häufigsten zitierten, aber wenigsten verstanden, Grundsätze der Physik ist die Unschärferelation.

Von dem deutschen Physiker Werner Heisenberg 1927 formuliert, die Regel besagt, dass je genauer Sie messen ein Partikel Position, desto weniger genau werden Sie in der Lage, ihren Schwung zu bestimmen und umgekehrt.

Das Prinzip wird oft angerufen außerhalb des Bereichs der Physik zu beschreiben, wie der Akt der Beobachtung etwas ändert sich das, was beobachtet wird, oder darauf hinweisen, dass es eine Grenze, wie gut wir wirklich jemals das Universum zu verstehen.

Während die Feinheiten der Unschärferelation oft auf Nonphysicists verloren sind, es stellt sich heraus die Idee wird von Experten, auch häufig missverstanden. Aber eine kürzlich durchgeführten Experiment werfen ein neues Licht auf die Maxim und führte zu einer neuartigen Formel beschreibt, wie die Unschärferelation wirklich funktioniert.

Verblüffende Logik

Die Unschärferelation gilt nur im Quantum mechanische Bereich sehr klein, auf Skalen von subatomaren Teilchen. Seine Logik ist verwirrend, den menschlichen Geist, die in der makroskopischen Welt gewöhnt ist wo die Messungen nur durch die Qualität unserer Instrumente begrenzt werden.

Aber in der mikroskopischen Welt, es wirklich ein Limit, wie viel wir jemals aufzulesen können Informationen über ein Objekt ist.

Zum Beispiel, wenn Sie eine Messung machen um herauszufinden, wo genau ein Elektron ist, werden nur Sie in der Lage, eine trübe Vorstellung davon, wie schnell es in Bewegung ist. Oder möglicherweise möchten Sie ein Elektron Schwung ziemlich genau zu bestimmen, aber dann haben Sie nur eine vage Vorstellung von der Lage. [Grafik: kleinsten Teilchen der Natur erklärt]

Heisenberg erklärte ursprünglich die Begrenzung mit einem Gedankenexperiment. Stellen Sie sich vor, strahlendes Licht auf ein bewegtes Elektron. Wenn ein Photon oder Lichtteilchen, das Elektron trifft, wird es wieder auf die Beine und seine Stellung aufnehmen, doch dabei hat es dem Elektron einen Kick, verändert dadurch seine Geschwindigkeit gegeben.

Die Wellenlänge des Lichts bestimmt, wie genau die Messung erfolgen kann. Die kleinste Wellenlänge des Lichts, genannt Gammastrahlen-Licht, kann genauesten Messungen machen, aber es trägt auch die meiste Energie, so dass eine Auswirkungen auf Gamma-Ray Photon einem stärkeren Kick auf das Elektron dadurch stören ihren Schwung am meisten liefern wird.

Obwohl nicht so viel Störung des Elektrons Dynamik vermitteln, würde keine längere Wellenlänge des Lichts so präzise eine Messung ermöglichen.

Murmeln und Billardkugeln

"In den frühen Tagen der Quantenmechanik, interpretiert die Unschärferelation in Bezug auf solche Rücken-Reaktionen des Messverfahrens," sagte Physiker Georg Sulyok Institut der Atomenergie und subatomare Physik in Österreich. "Diese Erklärung ist aber nicht 100 Prozent richtig."

Sulyok arbeitete mit einem Forschungsteam unter der Leitung von Physikern Masanao Ozawa Nagoya Universität Japans und Yuji Hasegawa der TU Wien in Österreich, zu berechnen und experimentell zeigen, wieviel die Unschärferelation ist aufgrund der Auswirkungen der Messung und wie viel ist einfach aufgrund der grundlegenden Quantum Unsicherheit aller Teilchen.

In der Quantenmechanik Teilchen können nicht gedacht werden als Murmeln oder Billard-Kugeln – winzige, physisch unterschiedliche Objekte, die entlang einer geraden Linie von Punkt A nach Punkt b zu reisen Stattdessen Partikel können wie Wellen Verhalten, und können nur beschrieben werden, in Bezug auf die Wahrscheinlichkeit, die sie bei Punkt A, Punkt B oder irgendwo dazwischen liegen.

Dies gilt auch für ein Teilchen die anderen Eigenschaften wie Dynamik, Energie und Spin.

Diese probabilistischen Natur der Teilchen bedeutet, es wird immer Ungenauigkeit in Quanten-Messung, egal wie wenig, dass die Messung das System stört es die Messung ist.

"Dies hat nichts mit Fehler oder Störungen durch ein Messvorgang zu tun, aber ist eine grundlegende fundamentale Eigenschaft, die jede mechanische Quantenteilchens hat", sagte Sulyok LiveScience. "Um die grundlegende Unsicherheit zusammen mit Messfehlern und Störungen zu beschreiben, Partikel- und Messung Gerät in aufeinander folgenden Messungen haben im Rahmen der Quantentheorie behandelt werden."

Berechnung der Unsicherheit

Um zu testen, wie viel diese grundlegende Eigenschaft trägt zur allgemeinen Verunsicherung, entwickelten die Forscher ein Versuchsaufbau zur Messung des Spin ein Neutron in zwei senkrechten Richtungen. Diese Mengen sind verwandt, so wie Ort und Impuls, so dass eines der weniger präzise desto genauer die Messung vorgenommen wird, die eine Messung des anderen erfolgen kann.

Die Physiker benutzt Magnetfelder zu manipulieren und messen die Neutronen Spin und führte eine Reihe von Messungen, wo sie systematisch die Parameter des Messgerätes geändert.

"Sie haben diese grundlegende Unsicherheit, und fügen Sie dann messen Sie eine zusätzliche Unsicherheit", sagte Sulyok. "Aber mit einem Gerät zwei aufeinander folgenden Messungen durchführen, können Sie die verschiedenen Beiträge identifizieren."

Unter Verwendung ihrer Daten, konnten die Physiker berechnen, wie die verschiedenen Arten von Unsicherheit fügen Sie zusammen und beeinflussen sich gegenseitig. Ihre neue Formel ändert nicht den Abschluss der Heisenbergsche Unschärferelation, aber es zwicken die Begründung.

"Die Erklärung, die Heisenberg gab sehr intuitiv," sagte Sulyok. "Auf einer populärwissenschaftlichen Ebene ist es überhaupt kaum unterscheiden, und manchmal ist es gar nicht richtig in den Lehrbüchern der Universität erklärt. Die Quanten-mechanisch korrekte Berechnung verstärkt durch unsere experimentellen Daten ist ein wertvoller Schritt bei der Erreichung einer mehr einheitlichen Sicht auf die Unschärferelation."

Die Ergebnisse der Studie wurden im Januar 2012 in der Fachzeitschrift Nature Physics veröffentlicht.

LiveScience Redakteur Clara Moskowitz Twitter @ClaraMoskowitz verfolgt werden können. Für weitere Wissenschaftsnachrichten, LiveScience auf Twitter folgen @livescience.

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