Но знаете ли вы, что если заглядывать в кошачью будку часто — тысячи раз в секунду — вы можете либо отложить судьбоносный выбор, либо, наоборот, ускорить его? Задержка известна как квантовый эффект Зенона, а ускорение — как квантовый эффект антизенона.
Квантовый эффект Зенона был назван по аналогии с парадоксом стрелы, придуманным греческим философом Зеноном: в любой момент времени летящая стрела неподвижна; как тогда он может двигаться? Точно так же, если бы атом можно было постоянно измерять, чтобы видеть, находится ли он все еще в своем начальном состоянии, он всегда был бы в этом состоянии.И эффекты Зенона, и эффекты антизенона реальны и происходят с реальными атомами.
Но как это работает? Как измерение может задержать или ускорить распад радиоактивного атома? В любом случае, что такое «измерение»?
Ответ физика состоит в том, что для получения информации о квантовой системе она должна быть прочно связана с окружающей средой в течение короткого периода времени. Таким образом, цель измерения — получить информацию, но сильная связь с окружающей средой означает, что акт измерения также обязательно нарушает квантовую систему.
Но что, если система была нарушена, но информация во внешний мир не передавалась? Что тогда будет? Будет ли атом по-прежнему проявлять эффекты Зенона и антизенона?
Группа Катер Марч из Вашингтонского университета в Сент-Луисе изучает эти вопросы с помощью искусственного атома, называемого кубитом. Чтобы проверить роль измерения в эффектах Зенона, они изобрели новый тип измерительного взаимодействия, которое беспокоит атом, но ничего не узнает о его состоянии, что они называют «квазизмерением».
В выпуске Physical Review Letters от 14 июня 2017 года они сообщают, что квазизмерения, как и измерения, вызывают эффекты Зенона. Потенциально новое понимание природы измерения в квантовой механике могло бы привести к новым способам управления квантовыми системами.Эта проблемаКвантовый эффект Зенона был впервые предложен в качестве мысленного эксперимента британским математиком Аланом Тьюрингом в 1958 году, хотя он не был строго описан до 1977 года и наблюдался в лаборатории до 1989 года.
Первоначальное объяснение эффекта Зенона заключалось в том, что измерение атома в возбужденном состоянии коллапсирует его обратно в возбужденное состояние, сбрасывая часы процесса его распада. Таким образом, если атом измеряется достаточно часто, он никогда не распадется до состояния с более низкой энергией, а вместо этого останется «замороженным» в своем возбужденном состоянии.Противоположный эффект, при котором частые измерения ускоряют распад, не был сформулирован до 1997 года.
Но этот эффект анти-Зенона на самом деле гораздо более распространен в природе. Например, частые измерения радиоактивного атомного ядра или возбужденной молекулы ускоряют испускание излучения или света.Между тем появилось другое объяснение эффекта. «Скорость распада атома зависит от плотности возможных энергетических состояний или электромагнитных мод при данной энергии, — сказал Марч. — Чтобы атом распался, он должен испустить фотон в одну из этих мод. Больше мод означает больше. способы распадаться, и, следовательно, быстрее распадаться ".
Измерение нарушает энергетические уровни атома, и это возмущение сдвигает энергетические уровни таким образом, что существует меньше электромагнитных мод с соответствующей энергией, что приводит к эффекту Зенона, или больше мод с соответствующей энергией, что приводит к анти- Эффект Зенона.«Что выделяется в этом объяснении,« Мерч саджд », — это то, что к эффектам Зенона приводит возмущение, а не коллапс.
«Измерение — это получение информации о системе, но измерение неизменно связано с помехами», — сказал Марч. «Таким образом, измерение означает накопленную информацию и помехи (обратное действие)».ЭкспериментыГруппа Марча, в которую входили аспиранты Патрик Харрингтон и Джонатан Монро, провела эксперименты, чтобы вызвать эффекты Зенона и определить роль информации и помех в их создании.Они использовали термальную ванну из фотонов с определенной энергией, чтобы уменьшить или увеличить плотность электромагнитных состояний, доступных их искусственному атому.
Затем они использовали стандартные измерения для проверки состояния атома раз в микросекунду.Когда термостат фотонов был сосредоточен на той же энергии, что и энергия перехода атома, нарушение измерения уменьшало среднее количество электромагнитных мод при энергии перехода, замедляя распад.
Когда термостат фотонов был сосредоточен на энергии, отличной от энергии перехода атома, измерения увеличили количество доступных для атома электромагнитных мод, ускоряя распад.«Эти измерения представляют собой первое наблюдение двух эффектов Зенона в одной квантовой системе», — сказал Марч.Чтобы изучить роль информации в эффектах Зенона, физики обратились к «квазизмерениям», новому типу измерительного взаимодействия, которое только мешает.Могут ли квазиизмерения вызывать эффекты Зенона? «Согласно первоначальной концепции эффекта Зенона, они не должны, потому что не происходит коллапса обратно в возбужденное состояние.
Но объяснение эффектов, основанных на плотности доступных состояний, предсказывает, что они все же должны иметь место», — сказал Марч.«Честно говоря, мы не были полностью уверены в том, что мы обнаружим. Но дни сбора данных убедительно показали, что квазизмерения вызывали эффекты Зенона так же, как и обычные измерения.
Это означает, что это действительно нарушение измерения, а не коллапс волновой функции, который приводит к этим эффектам ».Что это значит для кота Шредингера? «Эффект Зенона говорит, что если мы проверим кошку, мы сбрасываем часы распада атома, сохраняя кошку жизнь», — сказал Харрингтон. «К несчастью для кошки, частые проверки могут также ускорить распад атома, быстрее убивая кошку». Другими словами, кошка подвержена эффектам Зенона.
«Однако хитрость заключается в том, что, поскольку эффекты Зенона связаны с возмущением, а не с информацией, — сказал Харрингтон, — даже не нужно заглядывать внутрь коробки, чтобы спровоцировать их. Те же эффекты будут возникать, если вы просто встряхнете. коробка."