De onderzoekers bij hun meetopstelling (afb: ICFO)

Als je van vastigheid houdt moet je de wetenschap mijden. Zekerheden zijn er net zo lang houdbaar tot ze onderuitgeschopt worden. Zo wordt de lichtsnelheid beschouwd als de bovengrens van de snelheid waar deeltjes zich mee kunnen voortbewegen, zouden er geen temperaturen onder 0 K mogelijk moeten zijn en kunnen snelheid (of eigenlijk impuls) van een deeltje en positie niet allebei tegelijkertijd precies worden bepaald. Dat laatste is de onzekerheidsrelatie van Heisenberg. Onderzoekers uit Catalonië ontwikkelden een techniek die de gevoeligheid van apparaten als mri-scanners en atoomklokken aanzienlijk zou kunnen verbeteren. Daarmee lijkt het alsof de onderzoekers de onzekerheidsrelatie van Heisenberg hebben kunnen omzeilen. Lijkt.
Meetapparatuur die je nodig hebt in mri-apparaten of atoomklokken zijn tegenwoordig akelig nauwkeurig. Op het eerste gezicht lijken die apparaten weinig met elkaar gemeen te hebben, maar dat hebben ze wel degelijk. Beide technieken zijn gebaseerd op de precieze meting van de kernspin.
Een kernspin kun je je het best voorstellen als een gyroscopische beweging, zoals ook de aarde die heeft. Door het meten van die vele kernspinnen van atomen in een weefsel, en dat is een verdomd nauwkeurig werkje, kom je er achter waar in welk weefsel welk atoom zit. Uit die gegevens kun je dan een beeld destilleren.

De truc is te bedenken dat zo’n kernspin niet een richthoek heeft maar twee. De truc van de onderzoekers was alle onzekerheid in die ene richthoek te stoppen, die niet gemeten wordt. Dat zou dan inhouden dat je geen last van onzekerheid hebt zonder de wetmatigheid van Heisenberg geweld aan te doen. De onderzoekers maten de hoekamplitude met ongeëvenaarde nauwkeurigheid zonder kwantumonzekerheid.

Frustrerend

“Voor wetenschappers is die onzekerheidsrelatie erg frustrerend”, zegt Morgan Mitchell van instituut voor fotonica (IFCO) in Barcelona. “We willen graag alles weten, maar Heisenberg zegt dat dat niet kan. In dit geval hebben we een manier gevonden alles te weten te komen dat we belangrijk vonden.”
Bij hun onderzoek koelden de wetenschappers een plukje atomen af tot een paar duizendste graden Kelvin. Daar lieten ze vervolgens een magneetveld op los om resonantie te krijgen met de kernspinnen. Ze zagen dat ze zowel de spinhoek als de onzekerheid konden meten met een gevoeligheid die Heisenberg leek onderuit te halen (zonder dat te doen).

“We hebben eerst een theoretisch model ontwikkeld om te kijken wat wij wilden ook mogelijk was”, zegt medeonderzoeker Giorgio Colangelo. “Vervolgens moesten we constateren dat niet alle technologie die we nodig hadden ook te koop was. Zo hebben we een speciale detector moeten ontwerpen en ontwikkelen, die snel genoeg was en weinig last van ruis had. We moesten ook de manier waarop we de atomen ‘prepareerden’ aanpassen en een manier vinden om het dynamische bereik van de detector efficiënt te gebruiken. Het was een strijd tegen de donkere kant van kwantummechanica, maar we hebben gewonnen.”
De onderzoekers denken nu dat deze ontwikkeling allerlei gevoelige meetapparatuur nog eens gevoeliger kan maken. Mijn vraag is dan of die techniek geschikt is om in een praktisch apparaat toe te passen. Als een mri-apparaat met temperaturen vlak boven het absolute nulpunt, dan is dat voor ziekenhuizen niet erg bruikbaar (dunkt me). We wachten het af.

Bron: Science Daily