квантовый эффект зенона что это
Эффект Зенона подтверждён: атомы не двигаются, если на них смотреть
Аспиранты Корнелльского университета Йогеш Патил и Шриватсан Чакрам и профессор физики Мукунд Венгелатторе в лаборатории Ultracold Lab
Одно из самых странных предсказаний квантовой теории — что система не может измениться, пока вы наблюдаете за ней — подтверждён экспериментом в Корнелльском университете (США). Работа открывает двери к фундаментально новым способам контроля и управления квантовым состоянием атомов и может привести к созданию новых сенсоров.
Эксперименты были проведены в лаборатории сверххолодных материалов (Ultracold Lab) группой под руководством профессора физики Мукунд Венгелатторе (Mukund Vengalattore), который основал первую в университете программу по изучению свойств материалов, охлаждённых до 0,000000001ºK. Результаты работы опубликованы 2 октября 2015 года в журнале Physical Review Letters.
Аспиранты Йогеш Патил (Yogesh Patil) и Шриватсан Чакрам (Srivatsan Chakram) создали и охладили облако примерно из миллиарда атомов рубидия внутри вакуумной камеры между пересекающимися лазерными лучами. В таком состоянии атомы выстраиваются в упорядоченную решётку, словно твёрдый кристалл. В то же время на сверхнизких температурах проявляется эффект туннелирования, когда атомы перемещаются с одного в другое место в решётке. Знаменитый принцип неопределённости Гейзенберга говорит, что позиция и скорость частицы связаны и не могут быть одновременно точно измерены. Температура — это показатель скорости частиц. В экстремальных условиях вблизи абсолютного нуля скорость частиц минимальна, поэтому у них появляются большое разнообразие местоположений: если посмотреть на них, то атомы могут быть в одном месте решётки или в другом.
Исследователи доказали, что могут подавить квантовое туннелирование путём частых наблюдений за атомами. Так называемый квантовый эффект Зенона, названный в честь греческого философа, впервые предсказан в 1954 году Аланом Тьюрингом, в 1978 году американские физики Байдьянат Мизра и Джордж Сударшан описали эффект, назвав его именем древнегреческого мыслителя Зенона Элейского. Название эффекта восходит к апории Зенона о полёте стрелы.
Летящая стрела неподвижна, так как в каждый момент времени она занимает равное себе положение, то есть покоится; поскольку она покоится в каждый момент времени, то она покоится во все моменты времени, то есть не существует момента времени, в котором стрела совершает движение.
Такой странный феномен наблюдается в квантовом мире. В принципе, квантовую систему можно «заморозить» путём непрерывных часто повторяющихся наблюдений.
Предыдущие эксперименты доказывали наличие эффекта Зенона в спинах субатомных частиц, а это первая демонстрация эффекта на уровне атомов.
Профессор Венгелатторе пояснил, что во время эксперимента у них настолько хороший контроль над решёткой атомов, что они могут не только заморозить её состояние, но и «настроить» её работу, изменяя параметры наблюдения за атомами. Такая настройка позволяет вызвать эффект «возникающей классичности», когда атомы начинают вести себя согласно представлениям классической физики. Все квантовые эффекты исчезают.
Атомы наблюдали в микроскоп с лазерной подсветкой оригинальной разработки, которая заставляла атомы флуоресцировать для облегчения наблюдений. В отсутствие подсветки атомы свободно туннелировали, а как только лазер включался — туннелирование резко сокращалось. «Это даёт беспрецедентный контроль над квантовой системой, возможно, даже над отдельными атомами», — сказал Йогеш Патил, один из авторов научной работы. Атомы в таком состоянии исключительно чувствительны к внешнему воздействию, что можно использовать, например, для разработки нового поколения сверхчувствительных сенсоров.
Квантовый парадокс Зенона
Картинка для привлечения внимания, но относящаяся к теме.
Привет, хабр!
Хотите немного размять свои мозги? «Жили-были древние греки. Хорошо жили, потому что вместо них трудились рабы. И было древним грекам очень скучно: работать не привыкли, заняться нечем. Смастерили лиру для музицирования, придумали театр, геометрию, математику, философию и прочие науки, а развлечений всё равно не хватало.
И тут на помощь страждущим пришёл Зенон Элейский с его так называемыми апориями — парадоксами, предназначенными для изрядной нагрузки на мозги современников.
Современники возрадовались: теперь можно было не просто бездельничать, а долго и упорно размышлять над предложенными парадоксами, которые, к тому же, отчасти оправдывали лень».
В самом деле, если движения не существует в принципе, то зачем зря стараться, куда-либо идти и что-то делать, достаточно просто лежать на травке под акациями и мудрствовать лукаво над тайнами Вселенной.
Заинтересовало? Добро пожаловать под хабракат (привёл несколько ссылок на учебники квант.физики).
Почему движения не существует? Сие умозаключение проистекает из знаменитого парадокса, названного «стрела Зенона». Суть в том, что стрела в полёте остаётся неподвижной в каждый отдельно взятый момент времени. Как на фотографическом снимке. Значит, на самом деле… никуда не летит. А если и летит, то только с точки зрения наблюдающих за ней.
В 1958-м году в СССР о данном парадоксе вспомнил Леонид Халфин. В отличие от древних греков, Халфин занимался делом — исследовал вопросы квантовой физики. И выдвинул совершенно мистическую гипотезу. Сначала перескажу её «птичьим» языком. При условии дискретности энергетического спектра, распад квантовых состояний зависит от частоты измерений напрямую. Если наблюдать за нестабильной частицей достаточно часто, то она не распадётся вообще.
Теперь — нормальным языком. Если на нестабильную частицу никто не смотрит, то она обижается от отсутствия внимания к своей персоне и распадается. Но не распадётся до тех пор, пока хоть кому-нибудь интересна. Ибо сам факт наблюдения способствует продлению существования наблюдаемой сущности. Стрела Зенона является летящей до тех пор, пока мы видим, как она летит.
Через двадцать лет американцы решили продолжить исследования своего советского коллеги. В частности, физики Джордж Сударшан и Байдьянат Мизра. Именно они в 1978-м обозначили явление как «Квантовый парадокс Зенона», назвав так свою статью. А в 1989-м поползли слухи о том, что сей эффект якобы подтверждён экспериментально. Видимо, кто-то очень долго пялился на кванты, не позволяя им кануть в небытие.
Оказывается, действию эффекта подвержены не только квантовые состояния чего бы то ни было, но даже распад радиоактивных частиц. Якобы частица то ли распадается медленнее, то ли становится вообще вечной, если рядом с ней поместить счётчик Гейгера или подобный датчик.
Жаль, не хватило датчиков, дабы завалить ими Чернобыльскую АЭС и таким образом ликвидировать последствия аварии…»
Вот так пишут гуманитарии для гуманитариев. Про выводы я помолчу, если захотите, сами прочитаете здесь
Но там вспомнили про то, что Тесла верил в теорию эфира, говорят, что она верна, что теорию относительности ещё не доказали и что один никому не известный советский учёный всё уже доказал: «Учёные просто зарабатывают на коллайдере».
Ох, в действительности, подобное поведение следует из уравнения Шрёдингера.
Если рассматривать вероятность распада радиоактивной частицы, как мы привыкли: w=1 — exp(-t/T), то вероятность распада, если мы измеряем N раз — не меняется.
w=1 — exp(-t/NT)^N=1 — exp(-t/T).
Если же мы будем рассматривать поведение волновой функции в том же процессе, используя уравнение Шрёдингера, то мы увидим зависимость от числа измерений. Более того, при устремлении числа измерений к бесконечности (непрерывном измерении) частица не будет распадаться.
Есть ещё более простое объяснение, без математики, следующее из работ Джона фон Неймана, в частности из гипотезы о существовании редукции фон Неймана(коллапс волновой функции). Это явление мгновенного изменения волновой функции при измерении на собственный вектор.
Поэтому, если часто производить измерения, время на то, чтобы изменить состояние уменьшается, квантовая частица остаётся в своём состоянии.
К примеру, частица может перейти в возбуждённое состояние, тогда наблюдение уменьшит вероятность перехода.
Более сложный и интересный пример: атом переходит из возбуждённого состояния (1) в ещё более высокоэнергетичное (2), откуда может перейти в основное состояние (3) с испусканием фотона определённой частоты. Даже возможность наблюдать этот фотон, не обязательно его наблюдение, говорит о том, что чем вероятнее переход 2-3, тем менее вероятен переход 1-2. Можете прочитать это здесь
Эффект может быть применим для «заморозки» атома в нужном квантовом состоянии, чтобы квантовый компьютер мог считывать информацию, возможно использование для производства коммерческих атомных магнитометров.
Многие считают этот эффект основой мышления людей и уникальной особенности птиц ориентироваться по магнитному полю Земли.
Говорят, группа учёных решила его применить для передачи информации быстрее скорости света.
Кто-то мечтает с его помощью защищать информацию от прочтения третьими лицами. Про это вы можете прочитать, пройдя по этой ссылке. Вообще, это почти неисчерпаемая тема, ведь эта тема имеет множество отсылок к другим темам и говорить об этом можно почти бесконечно.
Спасибо за внимание.
UPD: Спасибо пользователю sheknitrtch за показ ошибки и за перессылку её в диалоги.
Random Science: как квантовый эффект Зенона останавливает время
Элейский Зенон – греческий философ, который предположил, что если время разделить на множество отдельных частей, то мир замрет. Оказалось, что Зенон был прав, если говорить о квантовой механике. Он делал это, предлагая серии парадоксов, среди которых было доказательство, что ничего никогда не двигается. И в случае с этим парадоксом, ученые только в 1977 г. смогли догнать безумные идеи Зенона.
Физики из Университета Техаса – Д. Сударашан и Б. Мишра, предложили доказательства эффекта Зенона, показав, что можно остановить распад атома просто наблюдая за ним достаточно часто.
Официальное название современной научной теории – квантовый эффект Зенона, и он основан на довольно известном Парадоксе Стрелы. Стрела летит в воздухе. Ее полет является серией состояний. Состояние определяется самым коротким промежутком времени из возможных. В любой момент состояния, стрела неподвижна. Если бы она не была неподвижна, то было бы два состояния, одно, в котором стрела находится в первой позиции, второе, где стрела находится во второй позиции. Это вызывает проблему. Не существует другого способа описать состояние, но если время состоит из множества состояний, и стрела не двигается ни в одном из них, то стрела не может двигаться вовсе.
Данная идея сокращения времени между наблюдениями движений заинтересовала двух физиков. Они поняли, что распадом некоторых атомов можно манипулировать при помощи Парадокса Стрелы. Атом Натрия, который не находится под наблюдением имеет потенциал к распаду, по крайней мере с точки зрения наблюдателя данный атом находится в состоянии суперпозиции. Он как разложился, так и нет. Проверить нельзя пока никто не посмотрит на него. Когда это происходит, атом переходит в одно из двух состояний. Это как подбросить монетку, шанс 50/50, что атом распался. В определенный момент времени, после того как он перешел в состояние суперпозиции, существует больший шанс, что он не распался при наблюдении за ним. В другие моменты наоборот, он скорее распадется.
Предположим, что атом скорее распался после трех секунд, но маловероятно, что распался после одной. Если проверить через три секунды, то атом скорее будет разложившимся. Однако Мишра и Сударашан предполагают, что если проверять атом три раза в секунду, то вероятность того, что он не распадется вырастает. На первый взгляд звучит как полный бред, но это именно то, что происходит. Исследователи проводили наблюдение за атомами: в зависимости от частоты измерений, они повышали или уменьшали шанс на распад, нежели в случае с обычной ситуацией.
“Усовершенствованный” распад является результатом квантового анти-эффекта Зенона. Если правильно подстроить частоту измерений, можно заставить систему распадаться быстрей или медленней. Зенон был прав. Мы действительно можем остановить мир, главное научиться смотреть на него правильно. В то же время, мы можем и привести к его разрушению, если не будем аккуратны.
Новые эксперименты с квантовым эффектом Зенона подтверждают теоретические предсказания
В экспериментах, проведенных в Массачусетском технологическом институте, наблюдалось тридцатикратное замедление распада нестабильной системы за счет квантового эффекта Зенона и впервые было проведено сравнение импульсного и непрерывного наблюдения за квантовой системой.
В квантовой физике есть так называемый квантовый эффект Зенона, получивший свое название из-за схожести с известной апорией Зенона «Ахиллес и черепаха». Суть этого эффекта состоит в том, что наблюдение за нестабильной частицей (то есть простая проверка — распалась или не распалась) вызывает замедление ее распада. В предельно жесткой формулировке утверждается, что непрерывное наблюдение за нестабильной частицей вообще не даст ей распасться.
Происхождение этого парадоксального явления можно в самых простых словах объяснить так. В квантовой механике любое измерение или даже наблюдение «возмущает» измеряемую частицу. Если она «пытается распадаться», то наблюдение возвращает ее (почти) в исходное квантовое состояние, из которого она пытается распасться снова. Именно поэтому слишком частое наблюдение за частицей существенно удлиняет время ее распада. Подробности см. в популярной статье Р. В. Ведринского Квантовый эффект Зенона // СОЖ, 1997, № 9, с. 71–77, а для более серьезного чтения рекомендуем статью Зураба Силагадзе «Zeno meets modern science» // physics/0505042.
Этот эффект был теоретически предсказан еще в 60-е годы советским физиком Л. А. Халфиным, затем — независимо от него — также американцами Мизрой (Baidyanaith Misra) и Сударшаном (George Sudarshan) (именно их обычно указывают как авторов этого эффекта), и только в 90-е годы был подтвержден в целом ряде экспериментов. Несмотря на то что квантовый эффект Зенона является уже установленным фактом, многие его свойства и особенности до сих пор не проверены в эксперименте. Одно из них — сравнение двух режимов наблюдения за частицей: импульсного (посмотрели, подождали, посмотрели, подождали. ) и слабого непрерывного (смотреть всегда, но «краешком глаза»). Теория предсказывает четкие соотношения между замедлением распада в этих двух случаях, но экспериментальная реализация этих режимов до сих пор была очень трудна.
В недавней статье E. W. Streed et al., Physical Review Letters 97, 260402 (27 December 2006), доступной также как cond-mat/0606430, описываются результаты филигранного эксперимента, выполненного группой физиков из Массачусетского технологического института под руководством нобелевского лауреата Вольфганга Кеттерле, которые полностью подтвердили ожидания теоретиков.
В своей работе авторы воспользовались развитой ими же методикой получения и измерения свойств бозе-эйнштейновского конденсата из сверххолодного облачка атомов рубидия. (Именно за получение бозе-конденсата Кеттерле получил свою треть Нобелевской премии по физике в 2001 году.) В качестве «нестабильной частицы», распад которой экспериментаторы замедляли, выступали атомы рубидия в возбужденном состоянии — они распадались на атомы в основном состоянии и фотоны.
В «свободном» состоянии, то есть без наблюдения, весь конденсат медленно переходил из основного состояния в возбужденное и обратно. Выждав момент, когда конденсат перейдет в полностью возбужденное состояние, экспериментаторы начинали его «наблюдать», просвечивая его «возмущающим» лазерным лучом в течение некоторого времени. После этого возмущение прекращалось, и физики измеряли, какой процент атомов оставался в возбужденном состоянии.
В соответствии с поставленной задачей, авторы провели две серии экспериментов: с импульсным и с непрерывным возмущающим воздействием. При импульсном воздействии облачко атомов облучалось «пулеметной очередью» из коротких и мощных световых импульсов, быстро следовавших друг за другом через равные промежутки времени. При непрерывном воздействии облачко в течение некоторого времени облучалось лучом малой, но постоянной мощности.
Результаты эксперимента показали, что при обоих типах воздействия имеет место замедление распада возбужденного состояния. Причем чем сильнее было воздействие (то есть чем чаще следовали импульсы в первом опыте и чем больше была мощность света во втором), тем существеннее было замедление — в полном согласии с теорией. Если до сих пор физикам удавалось изменить скорость распада нестабильной системы всего в два-три раза, то в этом эксперименте наблюдалось тридцатикратное замедление распада! Кроме того, утверждение теоретиков, что эти два способа «наблюдения» при соответствующих параметрах должны приводить к одинаковому квантовому эффекту Зенона, впервые получило экспериментальное подтверждение.
К сожалению, в этой заметке остаются за кадром очень интересные экспериментальные ухищрения, которые придумали авторы работы для преодоления многочисленных технических трудностей. Некоторое представление о них можно получить из популярных статей Вырожденный фермионный газ при сверхнизких температурах и За что же дана Нобелевская Премия по физике за 2001 год?.
Конечно, физиков этот эффект интересует прежде всего сам по себе, однако тут есть и практическая подоплека. Ожидается, что этот эффект поможет удержать в узде декогеренцию в будущих квантовых компьютерах (см. заметку Насколько опасно для квантовой системы взаимодействие с окружающим миром?) и позволит уменьшить дозы облучения при нейтронной томографии. Однако стоит подчеркнуть, что с его помощью вряд ли удастся изменить период полураспада радиоактивных материалов, поскольку начинать «наблюдать» нестабильную систему надо сразу после ее приготовления, а не спустя какое-то время. Тем не менее сейчас изучаются возможности наблюдения этого эффекта и в субатомном мире, например в свойствах нейтринных осцилляций.
Квантовый апокалипсис По мнению двух исследователей, астрономические наблюдения могли сократить срок жизни Вселенной
Три заявления
Австрийские физики Йоханнес Кофлер (Johannes Kofler) и Часлав Брукнер (Caslav Brukner) утверждают, что область применения удивительных и странных законов квантовой физики не ограничивается, как обычно считается, микромиром. По мнению исследователей, многое в привычном нам макромире также должно описываться не классической физикой, а квантовой. Мы этого не чувствуем из-за недостаточной точности наших измерений.
Группа ученых из Германии, США, Испании и России под руководством Рейнхарда Дернера (Reinhard Doerner) утверждает, что ей удалось уточнить условия, при которых электрон переходит от квантового поведения к классическому. Для этого достаточно, например, всего лишь присутствия рядом другого электрона.
Наконец, американские физики Лоуренс Краусс (Lawrence Krauss) и Джеймс Дент (James Dent) делают самое неожиданное предположение: наблюдение астрономами темной энергии в 1998 году, возможно, привело к тому, что вероятность «конца света» (второго Большого взрыва) многократно выросла. Это не главный вывод их работы, а лишь один из открытых вопросов, которые они перечисляют в конце, но именно он вызвал наибольшее внимание общества.
Ниже мы подробно рассмотрим предположение Краусса (читатель, заинтересовавшийся первыми двумя работами, может воспользоваться ссылками в конце статьи). За упрощенными объяснениями основных используемых понятий отсылаем читателя к статье «Квантовый ликбез».
Темная энергия
До последнего времени было неизвестно, с постоянной ли скоростью происходит расширение. Предполагалось, что оно замедляется за счет гравитационного взаимодействия разбегающихся галактик.
Предполагается, что антитяготение создается не обычным веществом и даже не темной материей, а особой космической энергией, в которую погружены все галактики. Как правило, ее называют темной энергией (dark energy).
Краусс придерживается гипотезы, что при Большом взрыве значительная часть существовавшей на тот момент в особой форме энергии перешла в материю, что и положило начало привычной нам Вселенной. Однако открытие темной энергии показывает, что часть первичной энергии не перешла в материю (говоря немного точнее, высокоэнергетичный «ложный вакуум» перешел не в обычный вакуум с нулевой энергией, а в другой «ложный вакуум» с меньшей, но ненулевой энергией).
Квантовый эффект Зенона
Эффект состоит в следующем: наблюдение за нестабильной частицей (проверка, распалась ли она) вызывает замедление ее распада. Непрерывное наблюдение должно привести к тому, что нестабильная частица вообще не распадется.
Именно квантовым эффектом Зенона Краусс объясняет свою гипотезу.
Казалось бы, при чем тут приближение конца света? Ведь эффект Зенона говорит об обратном: чем чаще наблюдаешь, тем медленнее идет распад. Дело в том, что, как показал еще Халфин, если нестабильная квантовая система просуществовала достаточно долго (очень долго), то ее вероятность уцелеть резко возрастает.
Иными словами, есть некоторая критическая точка, после которой вероятность распада становится значительно меньше. Так вот наша Вселенная (точнее, та ее часть, которую составляет темная энергия), по мнению Краусса и Дента, эту критическую точку уже миновала.
Достоверность
Действительно, суть эффекта Зенона, как и других особенностей измерений квантовых систем, связана с тем, что измерение, проводимое над квантовой системой (как правило, микрочастицей), представляет собой конечное по величине реальное воздействие измерительного прибора на частицу, которое и изменяет ее свойства. Неясно, как измерение земными приборами света, излученного далекими объектами миллионы лет назад, могло повлиять на эти объекты или на Вселенную в целом.