Een uitbreiding van Heisenbergs onzekerheidsprincipe, dat grenzen stelt aan hoe precies je de eigenschappen van een object kunt meten, laat zien dat het echt onmogelijk is om de wetten van de quantumfysica te omzeilen.

De quantummechanica stelt dat het onmogelijk is om tegelijkertijd precies te weten waar je bent én precies te weten waar je naartoe gaat. Dit idee, het onzekerheidsprincipe van Heisenberg, is al bijna een eeuw bekend. Nu hebben natuurkundigen nog meer zekerheid vergaard over deze onzekerheid.

Voor de quantumfysica werd ontwikkeld, zochten onderzoekers die nauwkeuriger wilden meten gewoon naar betere meetinstrumenten. Maar in 1927 ontdekte Werner Heisenberg dat er op de quantumschaal een fundamentele limiet bestaat aan hoe nauwkeurig je bepaalde paren van meetwaarden, zoals de positie en de impuls, tegelijkertijd kunt meten.

Onderzoekers doen nog steeds allerlei wonderlijke ontdekkingen over ijs
LEES OOK

Onderzoekers doen nog steeds allerlei wonderlijke ontdekkingen over ijs

Vroeger zagen mensen ijs als iets wonderlijks, terwijl je het nu zelfs hartje zomer gewoon uit de vriezer haalt. Max Leonard vindt dat we dit bevroren ...

Botsende knikkers

Nu hebben twee Japanse natuurkundigen, Yui Kuramochi van de Universiteit van Kiushu en Hiroyasu Tajima van de Universiteit van Elektrocommunicatie in Tokio, bewezen dat een versie van Heisenbergs onzekerheidsprincipe ook van toepassing is bij het meten van slechts één variabele. Ze beschrijven hun bewijs in het wetenschappelijk vakblad Physical Review Letters.

Sinds de jaren 1950 hebben onderzoekers zich afgevraagd of Heisenbergs beschrijving aangepast moet worden voor systemen zoals twee botsende knikkers, waarbij de opgetelde impuls behouden blijft. Dat betekent dat de som van de impulsen van beide knikkers dezelfde waarde heeft vóór en nadat ze tegen elkaar botsen. Zou deze extra randvoorwaarde het mogelijk maken om het onzekerheidsprincipe te ontduiken, zodat je de positie van de twee ballen toch precies kunt meten?

Voor eenvoudige systemen, waar metingen discrete waarden zoals 0 of 1 opleveren, leek het antwoord ‘nee’ te zijn. Maar als het gaat om systemen als botsende knikkers, dan hebben positie en impuls continue waarden in plaats van discrete. Dat maakt de wiskunde veel ingewikkelder.

Compleet nieuwe benadering

Onderzoekers gingen er nog steeds van uit dat het niet mogelijk was om aan het onzekerheidsprincipe te ontsnappen, maar tot nu toe was het niet gelukt om dat ook te bewijzen. ‘Daarvoor was een compleet nieuwe benadering nodig, en die hebben we ontwikkeld’, zegt Kuramochi.

De wiskundige moeilijkheid was dat de natuurkundigen berekeningen en bewijzen moesten leveren voor een heel algemene opvatting van ‘positie’: omdat die oneindig veel waarden kan aannemen, moet die worden weergegeven door een oneindig groot raster van getallen. Om dit te omzeilen, gebruikten ze een slimme wiskundige truc. Daarmee verborgen ze dit oneindige raster in een ander wiskundig object, een functie. Ze konden deze functie gebruiken voor het grootste deel van het bewijs, en dan tegen het einde terugschakelen de rasterweergave van de positie, pas nadat ze alle berekeningen hadden uitgevoerd die anders onuitvoerbaar zouden zijn geweest.

Voor altijd

Theoretisch natuurkundige Leon Loveridge van de Universiteit van Zuidoost-Noorwegen zegt dat de conclusie door het nieuwe bewijs ‘volledig algemeen van toepassing is, in alle experimenten, alle meetinteracties, voor altijd’. Er is gewoon geen enkele manier om het te omzeilen en een nauwkeurigere meting van de positie van een quantumobject te krijgen, zegt hij.

Hoewel het werk ons begrip van de quantumaard van de werkelijkheid verdiept, is het op dit moment onduidelijk of het ook een rol speelt in toepassingen, zoals in quantumtechnologie, zegt Loveridge. Het meeteffect is subtiel, en het is moeilijk te bepalen is in welke experimenten het van toepassing is.

Quantumfysica is doordesemd van vragen over hoe meetinstrumenten de objecten die ze meten beïnvloeden, zegt hij. Hoewel natuurkundigen nu dus meer zekerheid hebben over onzekerheid, weten ze nog steeds niet zeker wat dat nu in de praktijk betekent.