Co to jest efekt kwantowego Zeno?

The kwantowy efekt Zeno jest zjawiskiem w Fizyka kwantowa gdzie obserwacja cząsteczki zapobiega jej rozkładowi, tak jak w przypadku braku obserwacji.

Nazwa pochodzi od klasycznego logicznego (i naukowego) paradoksu przedstawionego przez starożytnego filozofa Zenona z Elei. W jednym z bardziej prostych sformułowań tego paradoksu, aby osiągnąć dowolny odległy punkt, musisz przekroczyć połowę odległości do tego punktu. Ale aby to osiągnąć, musisz przekroczyć połowę tej odległości. Ale najpierw połowa tej odległości. I tak dalej... tak więc okazuje się, że faktycznie masz nieskończoną liczbę półdystansów do przebycia, a zatem nigdy nie możesz tego zrobić!

Kwantowy efekt Zeno został pierwotnie zaprezentowany w artykule z 1977 r. „Paradoks Zenona w teorii kwantowej” (Journal of Mathematical Physics, PDF), napisane przez Baidyanaith Misra i George Sudarshan.

W artykule opisana sytuacja jest cząsteczką radioaktywną (lub, jak opisano w oryginalnym artykule, „niestabilnym układem kwantowym”). Zgodnie z teorią kwantową istnieje pewne prawdopodobieństwo, że cząstka (lub „układ”) ulegnie rozpadowi w pewnym okresie czasu w innym stanie niż ten, w którym się rozpoczęła.

Jednak Misra i Sudarshan zaproponowali scenariusz, w którym wielokrotna obserwacja cząsteczki faktycznie zapobiega przejściu w stan rozpadu. Może to z pewnością przypominać powszechny idiom „obserwowany garnek nigdy nie gotuje się”, chyba że zamiast zwykłej obserwacji jeśli chodzi o trudność cierpliwości, jest to rzeczywisty wynik fizyczny, który można (i potwierdzono) eksperymentalnie.

Fizyczne wyjaśnienie kwantowe fizyka jest złożony, ale dość dobrze zrozumiany. Zacznijmy od myślenia o sytuacji, która dzieje się normalnie, bez kwantowego efektu Zeno w działaniu. Opisany „niestabilny układ kwantowy” ma dwa stany, nazwijmy je stanem A (stan nierozłożony) i stanem B (stan zepsuty).

Jeśli system nie jest obserwowany, z czasem ewoluuje ze stanu niezgniatanego do superpozycja stanu A i B, z prawdopodobieństwem bycia w którymkolwiek z tych stanów na podstawie czas. Po dokonaniu nowej obserwacji funkcja falowa opisująca tę superpozycję stanów zapadnie się w stan A lub B. Prawdopodobieństwo, w jakim stanie się zapada, zależy od czasu, który upłynął.

To ostatnia część, która jest kluczem do kwantowego efektu Zeno. Jeśli wykonasz serię obserwacji po krótkim czasie, prawdopodobieństwo, że system będzie w stanie stan A podczas każdego pomiaru jest znacznie wyższy niż prawdopodobieństwo, że system będzie w stanie B. Innymi słowy, system zapada się z powrotem w stan nie zepsuty i nigdy nie ma czasu, aby ewoluować w stan zepsuty.

Choć brzmi to sprzecznie z intuicją, zostało to potwierdzone eksperymentalnie (podobnie jak następujący efekt).

Istnieją dowody przeciwnego efektu, który opisano w Jim Al-Khalili's Paradoks jako „kwantowy odpowiednik wpatrywania się w czajnik i sprawienia, by szybciej zaczął się gotować. Chociaż nadal są nieco spekulacyjne, takie badania trafiają do sedna jednych z najgłębszych prawdopodobnie ważne dziedziny nauki w XXI wieku, takie jak praca nad budowaniem tego, co jest nazywano go komputer kwantowy„Ten efekt został potwierdzone eksperymentalnie.