Het woord onzekerheid wordt veel gebruikt in de kwantummechanica. Een denkrichting is dat dit betekent dat er iets in de wereld is waar we onzeker over zijn. Maar de meeste natuurkundigen geloven dat de natuur zelf onzeker is.

Intrinsieke onzekerheid stond centraal in de manier waarop de Duitse natuurkundige Werner Heisenberg, een van de grondleggers van de moderne kwantummechanica, de theorie gepresenteerd.

Hij bracht het onzekerheidsprincipe naar voren dat aantoonde dat we nooit alle eigenschappen van een deeltje tegelijk kunnen kennen.

Bijvoorbeeld, het meten van de positie van het deeltje zou ons in staat stellen zijn positie te kennen. Maar deze meting zou noodzakelijkerwijs de snelheid ervan verstoren, met een hoeveelheid die omgekeerd evenredig is met de nauwkeurigheid van de positiemeting.

Had Heisenberg ongelijk?

Heisenberg gebruikte het onzekerheidsprincipe om uit te leggen hoe meting dat klassieke kenmerk van de kwantummechanica zou vernietigen, het interferentiepatroon met twee spleten (meer hierover hieronder).

Maar in de jaren negentig, enkele eminente kwantumfysici beweerden te hebben bewezen dat het mogelijk is om te bepalen door welke van de twee spleten een deeltje gaat, zonder de snelheid aanzienlijk te verstoren.

Betekent dit dat Heisenbergs uitleg fout moet zijn? In werk dat zojuist is gepubliceerd in Science Advances, mijn experimentele collega's en ik hebben aangetoond dat het onverstandig zou zijn om die conclusie te trekken.

We laten zien dat een snelheidsverstoring - van de grootte die wordt verwacht op basis van het onzekerheidsprincipe - altijd bestaat, in zekere zin.

Maar voordat we ingaan op de details, moeten we kort uitleggen over het twee-spletenexperiment.

Het twee-spleten experiment

In dit type experiment is er een barrière met twee gaten of spleten. We hebben ook een kwantumdeeltje met een positieonzekerheid die groot genoeg is om beide spleten te bedekken als het op de barrière wordt afgevuurd.

Omdat we niet kunnen weten door welke spleet het deeltje gaat, het werkt alsof het door beide spleten gaat. De signatuur hiervan is het zogenaamde "interferentiepatroon":rimpelingen in de verdeling van waar het deeltje waarschijnlijk zal worden gevonden op een scherm in het verre veld voorbij de spleten, dat wil zeggen een heel eind (vaak enkele meters) voorbij de spleten.

Maar wat als we een meetinstrument bij de barrière zetten om te zien door welke spleet het deeltje gaat? Zullen we het interferentiepatroon nog zien?

We weten dat het antwoord nee is, en Heisenbergs verklaring was dat als de positiemeting nauwkeurig genoeg is om te bepalen door welke spleet het deeltje gaat, het zal een willekeurige verstoring van zijn snelheid geven die net groot genoeg is om te beïnvloeden waar het in het verre veld terechtkomt, en zo de rimpelingen van interferentie wegspoelen.

Wat de eminente kwantumfysici zich realiseerden, is dat om erachter te komen door welke spleet het deeltje gaat, geen positiemeting als zodanig nodig is. Elke meting die verschillende resultaten geeft, afhankelijk van de spleet waar het deeltje doorheen gaat, is voldoende.

En ze kwamen met een apparaat waarvan het effect op het deeltje niet dat is van een willekeurige snelheidsschop als het erdoorheen gaat. Vandaar, ze hadden ruzie, het is niet het onzekerheidsprincipe van Heisenberg dat het verlies van interferentie verklaart, maar een ander mechanisme.

Zoals Heisenberg voorspelde

We hoeven niet in te gaan op wat volgens hen het mechanisme was om interferentie te vernietigen, omdat ons experiment heeft aangetoond dat er een effect is op de snelheid van het deeltje, van precies de grootte die Heisenberg voorspelde.

We hebben gezien wat anderen hebben gemist omdat deze snelheidsverstoring niet optreedt als het deeltje door het meetapparaat gaat. Het wordt eerder uitgesteld totdat het deeltje ver voorbij de spleten is, op weg naar het verre veld.

Hoe is dit mogelijk? We zullen, omdat kwantumdeeltjes niet echt alleen maar deeltjes zijn. Het zijn ook golven.

In feite, de theorie achter ons experiment was er een waarin zowel de golf- als de deeltjesaard manifest zijn - de golf leidt de beweging van het deeltje volgens de interpretatie geïntroduceerd door theoretisch fysicus David Bohm, een generatie na Heisenberg.

Laten we experimenteren

In ons laatste experiment, wetenschappers in China volgden een door mij in 2007 voorgestelde techniek om de veronderstelde beweging van de kwantumdeeltjes te reconstrueren, vanuit veel verschillende mogelijke startpunten over beide spleten, en voor beide resultaten van de meting.

Ze vergeleken de snelheden in de tijd toen er geen meetapparaat aanwezig was met die toen er, en zo de verandering in de snelheden als resultaat van de meting bepaald.

Het experiment toonde aan dat het effect van de meting op de snelheid van de deeltjes aanhield lang nadat de deeltjes het meetapparaat zelf hadden verwijderd, tot op 5 meter afstand.

Op dat punt, in het verre veld, de cumulatieve verandering in snelheid was net groot genoeg, gemiddeld, om de rimpelingen in het interferentiepatroon weg te spoelen.

Dus, uiteindelijk, Het onzekerheidsprincipe van Heisenberg komt triomfantelijk naar voren.

Het thuisbericht? Doe geen verstrekkende beweringen over welk principe een fenomeen wel of niet kan verklaren voordat je alle theoretische formuleringen van het principe hebt overwogen.

Ja, dat is een beetje een abstracte boodschap, maar het is een advies dat van toepassing kan zijn op gebieden die ver van de natuurkunde liggen.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.