Юджи Хасегава (Yuji Hasegawa) и коллеги возмущают нейтроны
Yuji Hasegawa and colleagues disturbing a few neutrons
Нейтроны возрождают первый вариант принципа неопределенности Гейзенберга
Физики в Австрии и Японии оказались первыми, кто измерил две физические величины, которые были использованы в 1927 году Вернером Гейзенбергом в ранней формулировке квантовой механики, - но потом он отказался, потому что параметры, как показалось, не согласуются с быстро развивающейся теорией. Нейтронный эксперимент проверяет переформулировку известного принципа неопределенности Гейзенберга от 2003 года, где вновь вводится понятия ошибки и возмущения.
Когда Гейзенберг впервые предложил принцип неопределенности, то смысл его рассматривался с точки зрения обратного влияния измерения на очень маленький объект. Его идея кристаллизовалась как раз в «микроскопе Гейзенберга» - мысленный эксперимент, в котором фотон используется для определения местоположения электрона. Фотон рассеивается на электроне, а затем обнаруживается.
Гейзенберг отметил, что такое измерение должно бороться с присущей неопределенностью в определении положения, при котором происходит рассеяние - называется «ошибка» - и присущей неопределенностью того, как импульс электрона изменяется процессом рассеяния. Последнее называется «возмущением» и Гейзенберг показал, что для квантовой системы, произведение этих двух величин должно быть не менее определенного значения - которое мы в настоящее время признаем имеющем отношение к постоянной Планка.
Глубже статистической значимости
Понятия ошибки и возмущения вскоре вышли из моды, поскольку стало очевидно, что существует более глубокая статистическая интерпретация неопределенности в квантовой механике. В результате, идеи Гейзенберга, не могут быть согласованы с математическим выражением квантовой механики.
Гейзенберг и другие начали выражать принцип неопределенности с использованием статистических понятий - произведение стандартных отклонений координаты и импульса должна быть не меньше определенного значения. Хотя эта формулировка дает более универсальное определение принципа неопределенности, всегда оставался не преходящий интерес среди физиков к оригинальным идеям Гейзенберга об ошибке и возмущении.
И вот в 2003 году, Масанао Озава (Masanao Ozawa) из университета Нагои в Японии вывел новое универсальное выражение принципа неопределенности, который включает в себя ошибки и возмущения, - а также стандартные отклонения параметров. Теперь, Масаноа Озава объединил свои усилия с Юджи Хасегава (Yuji Hasegawa) и его коллегами из Венского технологического университета для подтверждения расчетов с использованием спин-поляризованных нейтронов. Вместо того, чтобы смотреть на координату и импульс, в эксперименте измеряют две ортогональные компоненты спина нейтрона — параметры, которые также управляются принципом неопределенности.
Поляризованные нейтроны
Эксперимент начинается с пучком моноэнергетических тепловых нейтронов от исследовательского реактора - вроде нейтронов, которые обычно используются в нейтрон-дифракционных исследованиях твердых тел. Пропуская пучок через поляризационный фильтр, спины нейтронов выстроены в Z-направлении. Луч затем направляется в аппарат, который определяет стандартное отклонение при измерении X-поляризации, а затем на аналогичный аппарат, который определяет стандартное отклонение Y-поляризации.
Ошибка и возмущение созданы «отстройкой» первого аппарата так, что он измеряет поляризацию в X-Y плоскости, то есть с небольшим угловым отклонением от X-оси. Это создает четко определенную ошибку в измерении X-поляризации; вращение также вызывает четко определенное возмущение в Y-поляризации.
Ошибка и возмущение, определяются с помощью данных от двух измерений поляризации - и согласуется с теорией Одзавы.
Сколь угодно малое
«Чем меньше ошибка в одном измерении, тем больше возмущение в другом - это правило остается в силе», объясняет Хасегава. Тем не менее, он отмечает, что эксперимент подтверждает результат Озава о том, что произведение ошибки и возмущения может быть сделано сколь угодно малым, подтверждая, что Гейзенберг был прав, отказавшись от своей первоначальной формулировки.