IJzeren quantumwet omzeild met slim experiment

In de wetenschap draait het erom zoveel mogelijk te weten komen over de wereld om ons heen, maar soms zitten de natuurwetten in de weg. Zeker bij de kleinste deeltjes, de atomen waaruit onze wereld is opgebouwd. De Duitse quantumfysicus Werner Heisenberg ontdekte in 1927 dat je nooit alles van een deeltje kan weten. Óf je weet zijn positie exact, of je weet precies wat zijn snelheid is. Heisenbergs stelling vormt een van de hoekstenen van de vaak tegenintuïtieve wetten van de quantummechanica. Het limiteert ook de precisie van meetsystemen zoals MRI-scanners en atoomklokken.

Wetenschappers van het Barcelona Institute of Science and Technology zijn Heisenberg nu te slim af. Ze wisten méér informatie uit een verzameling gevangen rubidium-atomen te persen dan de theorie lijkt toe te staan. Ze richtten zich op de draairichting van deze atomen. Door de ingebakken quantumonzekerheid in een ‘onbelangrijk deel’ van de draaiing te stoppen wisten ze de wél relevante informatie met een grotere precisie dan ooit te bepalen. Ze publiceerden hun resultaten deze week in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.

Quantumwet omzeilen

Maar voor we verder gaan: ja, de quantummechanica staat nog steeds. Het natuurkundige bouwwerk van formules hoeft niet de prullenbak in. Het Spaanse experiment houdt zich keurig aan wat Heisenberg voorspelde: er is een limiet aan wat je van een elementair deeltje kan weten.

Giorgio Colangelo en collega’s omzeilden de quantumwet met een zogenoemde optische val waarin ze bijna twee miljoen geladen rubidium-atomen vasthielden. De gevangen deeltjes draaiden onder invloed van een magneetveld, als minuscule tolletjes waarvan de draairichting een bepaalde kant op wijst.

In het experiment van Colangelo gaat het om de draairichting van de gevangen deeltjes, de spin. Om de draairichting te beschrijven gebruiken wetenschappers drie verschillende richtingscomponenten (zie uitleg afbeelding). Met een laser kun je ieder van die componenten precies meten, maar die meting zelf verstoort volgens het principe van Heisenberg onvermijdelijk de twee andere richtingscomponenten. Je hebt dus nóóit het totaalplaatje van de spinrichting.

Met een slimme serie metingen wisten de wetenschappers er echter voor te zorgen dat alle ‘onderzekerheid’ van de spin in slechts een van de drie richtingscomponenten komt te zitten. Het gevolg daarvan is dat de twee overgebleven richtingen wél met een zeer grote precisie te bepalen zijn. In die twee ‘relevante’ richtingen haalden de wetenschappers een precisie die bijna twee keer hoger ligt dan de theorie voorschrijft. Dat terwijl Heisenberg zich niet hoeft om te draaien in zijn graf.