אתר מורי פיזיקה - עמוד הבית

• New fundamental limitation restricts position accuracy of quantum objects, Physorg.com
•  Position Measurements Obeying Momentum Conservation, Cornell University Library

עקרון אי הוודאות הוא אחד העקרונות הידועים ביותר המדגימים מגבלות יסודיות במדידות קוונטיות. לפי עקרון זה, אין אפשרות למדוד במדויק את המיקום של חלקיק אם ידוע התנע שלו, ולהפך. אבל עקרון זה איננו היחידי.

כל מערכת פיזיקלית מאופיינת על ידי גדלים שאינם משתנים עם הזמן. גדלים אלו מצייתים לחוקי שימור, למשל - חוק שימור האנרגיה המיכנית המוכר לנו מהמכניקה הניוטונית. העובדה שישנם גדלים שלא יכולים לשנות את ערכיהם עם הזמן מעלה את האפשרות שיכולות להיות מגבלות לגבי הדרכים בהם מכשיר מדידה יכול לקבל מידע מגוף קוונטי, כי העובדה שישנו גודל נשמר מפחיתה את הוודאות בידיעת הגודל השני.

ציפייה זו אוששה בתיאוריה הנקראת תיאורית וויגנר-ארקאי-ינאס (WAY) שפותחה בשנות השישים של המאה העשרים. תיאוריה זו טוענת שישנם גדלים מסוימים שאם הם נשמרים עבור מכשיר המדידה ועבור הגוף הקוונטי הנמדד, אזי לא ניתן למדוד במדויק גדלים אחרים הקשורים לגוף. במחקר חדש, הרחיבו חוקרים תיאוריה זו והראו שאם מתקיים שימור תנע כולל של גוף קוונטי ושל מכשיר המדידה, אזי קיים גבול יסודי לגבי מידת הדיוק במדידת מיקומו של הגוף הקוונטי.

פרופסור פול בוש ותלמיד המחקר לאון לוברידג', פיזיקאים מאוניברסיטת יורק שבאנגליה, פרסמו מחקר זה בגיליון האחרון של כתב העת היוקרתי Physical Review Letters.

כאמור, ההוכחה הקיימת במחקר המקורי של WAY הוגבלה לסוג מסוים של גדלים נשמרים. מאז פרסומה ניסו חוקרים להבין אם היא ישימה גם במקרה של מדידת מיקומו של גוף קוונטי. בשנת 1991, פיתח פיזיקאי בשם מאשנו אוסווה מאוניברסיטת הרווארד שבארה"ב מודל שגרס, בניגוד לתיאוריה של WAY, שמיקומו של גוף ניתן להימדד במידת דיוק שרירותית (כלומר - ברמת דיוק רצויה לנו), וכן ניתן למדידה חוזרת (תכונה זו נקראת הדירות), אפילו כאשר המדידה נעשית באופן ששומר את התנע של הגוף ושל מכשיר המדידה קבוע. כלומר – ניתן לדעת את מיקומו של גוף קוונטי ברמת דיוק גבוהה אפילו אם התנע הכללי נשמר. לכאורה סותרת הנחה זו את עקרון אי הוודאות, משום שאם נמדוד את מיקומו של חלקיק, לא נדע בוודאות את התנע שלו, ולכן בפעם הבאה שנמדוד את מיקומו הוא עשוי להיות בכל מקום שהוא, כתלות בתנע (או במהירות) שלו, שאותו אין אנו יודעים. לעומת זאת, טען אוסאווה שניתן לערוך 2 מדידות של מיקומו של חלקיק, ולקבל במידת דיוק רצויה לנו את אותו המיקום.

במחקרם ניתחו פרופסור בוש ולאון לוברידג' את המודל של אוסאווה ומצאו ששימור התנע למעשה מגביל את הדיוק וההדירות במדידת מיקומו של גוף קוונטי. זאת בניגוד למה שחזה המודל של אוסאווה. הם מצאו שדיוק והדירות טובים מושגים רק את מכשיר המדידה גדול מספיק. החוקרים פיתחו מודל חלופי לפיו אם היה מותר להתעלם מתנאי מסוים במודל של WAY, אזי ניתן למדוד את מיקומו של גוף במידת דיוק שרירותית והדירה כרצוננו גם אם מכשיר המדידה קטן. במקרה זה, תהיה אי וודאות במדידת מיקומו של מכשיר המדידה עצמו.