Fizikçiler, parçacıkların hem konumunu hem de momentumunu, Heisenberg'in ünlü belirsizlik ilkesini ihlal etmeden aynı anda ölçebilecekleri bir yöntem geliştirdi. Bu keşif, kuantum mekaniğinin temel prensiplerinden biriyle ilgili anlayışımızı derinleştiriyor.
Kuantum mekaniğinde, günlük nesnelerden farklı olarak, parçacıkların sabit özellikleri bulunmaz. Bunun yerine, ölçülene kadar bir olasılıklar bulutu içinde var olurlar. Belirli özellikler ölçüldüğünde ise diğerleri belirsiz hale gelir. Heisenberg'in belirsizlik ilkesine göre, bir parçacığın hem kesin konumunu hem de kesin momentumunu aynı anda bilmek mümkün değildir.
Ancak, Avustralyalı fizikçiler tarafından gerçekleştirilen yeni bir çalışma, bu kısıtlamanın etrafından dolaşmanın akıllıca bir yolunu gösteriyor. Ekip, doğrudan momentum ve konum ölçmek yerine, bu niceliklerin sabit bir ölçek içindeki göreceli değişimlerini yakalayan modüler gözlemlenebilirlere odaklanarak, bu iki temel özelliği aynı anda daha yüksek bir hassasiyetle ölçmeyi başardı.
Çalışmanın baş yazarı, konuya ilişkin yaptığı açıklamada, "Heisenberg'in belirsizlik ilkesini ihlal edemezsiniz," dedi. "Yaptığımız şey belirsizliği kaydırmak. İhtiyaç duymadığımız bazı bilgileri atarak, önem verdiğimiz şeyleri çok daha yüksek bir hassasiyetle ölçebiliyoruz."
Bu yöntemin temelindeki fikir, doğrudan konum ve momentum değerlerini değil, bu değerlerdeki küçük değişimleri ölçmektir. Bir cetvel örneğiyle açıklamak gerekirse, standart bir ölçümde hem santimetre hem de milimetre cinsinden değeri okurken, modüler ölçümde sadece son işaretten itibaren olan milimetre cinsinden fark önemlidir. Böylece, genel konum bilgisi atılır ve sadece küçük kaymalar takip edilir.
Bu tür bir ölçüm, özellikle kuantum algılama senaryolarında önem taşıyor. Çünkü bu alanlarda amaç genellikle zayıf kuvvetler veya alanların neden olduğu minik değişimleri tespit etmektir. Kuantum algılama, sıradan aletlerin kaçırdığı sinyalleri yakalamak için kullanılıyor. Bu yüksek hassasiyet, gelecekte navigasyon araçlarımızı daha güvenilir ve saatlerimizi daha doğru hale getirebilir.
Laboratuvar ortamında ekip, tek bir hapsedilmiş iyonu (elektromanyetik alanlarla sabit tutulan yüklü bir atom) kullandı. Ayarlanmış lazerler aracılığıyla iyon, bir ızgara durumunda kuantum bir desene sokuldu. Bu durumda iyonun dalga fonksiyonu, bir cetvel üzerindeki işaretler gibi eşit aralıklı zirveler halinde yayılıyor. Belirsizlik, zirveler arasındaki boşluklarda yoğunlaşıyor. Araştırmacılar, bu zirveleri referans noktaları olarak kullanarak, küçük bir kuvvet iyonu ittiğinde tüm ızgara deseninin hafifçe kaydığını gözlemlediler. Zirvelerin yana doğru küçük bir kayması konumdaki bir değişikliği gösterirken, ızgara desenindeki bir eğim momentumdaki bir değişikliği yansıtıyor. Ölçüm sadece zirvelere göre olan kaymaları dikkate aldığı için, hem konum hem de momentumdaki değişiklikler aynı anda okunabiliyor.
Fizikte kuvvet, zamanla momentumun değişmesine ve konumun kaymasına neden olan şeydir. Araştırmacılar, ızgara deseninin nasıl hareket ettiğini izleyerek iyon üzerindeki çok küçük bir itme kuvvetini ölçtüler. Elde edilen yaklaşık 10 yoktonewtonluk (10⁻²³ newton) kuvvet, dünya rekoru olmasa da, ekip, bu tür yüksek hassasiyete büyük ve maliyetli deneyler yerine, karmaşık olmayan ve ölçeklenebilir bir düzende tek bir atom kullanarak ulaşılabildiği için heyecan duyduklarını belirtiyor.
Ulaşılan kuvvet en düşük olmasa da, bilim insanlarının çok basit düzeneklerle bile aşırı düzeyde hassasiyet elde edebileceğini kanıtlıyor. Bu minik değişiklikleri algılama yeteneğinin bilim ve teknoloji alanında geniş çaplı etkileri olacak. Ultra hassas kuantum sensörler, GPS'in ulaşamadığı yerlerde, örneğin su altında, yer altında veya uzayda navigasyonu iyileştirebilir. Ayrıca biyolojik ve tıbbi görüntülemeyi de geliştirebilir.
Teknoloji dünyasının geleceğini şekillendirebilecek bu tür gelişmeler, bilimin sınırlarını zorlamaya devam ediyor.
