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.
-
>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
Распады протекают постоянно, поэтому при постоянном облучении всегда найдутся ядра, которые будут "сразу после приготовления". Значит, эффект должен проявиться и в замедлении радиоактивного распада, например, при В-распаде. Если он там не проявится, значит дело в другом.
А еще в статье о фермионном газе говорилось о калии-40. Но ведь у него целочисленный спин.
Может там был калий-41?-
> Значит, эффект должен проявиться и в замедлении радиоактивного распада, например, при В-распаде.
Теоретически это возможно, а практически -- сомневаюсь. Дело в том, что облучать надо начать очень рано, на много порядков раньше периода полураспада, когда сам закон распада еще не стал экспоненциальным (любой закон распада неэкспоненциален на очень малых и на очень больших временах, и это принципиально для квантового эффекта Зенона). Я не знаю, сколько это составляет для бета-распада, но для альфа-распада это время, сравнимое с квазиклассическим периодом движения альфа-частицы в ядре, т.е. на ядерных временах. Хотя не исключено, что такое можно устроить импульсом какой-то сложной формы -- начало импульса переводит ядро в возбужденое состояние, а хвост импульса служит "измерителем". Но про какие-то конкретные предложения такого типа я не слышал.
> А еще в статье о фермионном газе говорилось о калии-40. Но ведь у него целочисленный спин. Может там был калий-41?
Целочисленный спин у ядра калия-40, а у атома он полуцелый.-
Если взять цепочку из последовательных двух В-распадов, то для какой-то части ядер облучение начнется как раз с начала второго распада.
Для них должно быть замедление распада?-
Я ж говорю -- теоретически, да, и делать это можно самыми разными способами, но реально получить сколько-нибудь заметный эффект не получится.
Хорошо наблюдаемый эффект удается пока достичь в системах, где свободная эволюция существенно неэкспоненциальна. Например, как в этом эксперименте -- вместо осцилляций туда-сюда между двумя состояниями с периодом 40 миллисекунд получили экспоненциальное затухание начльаного состояния с периодом полураспада около секунды.
-
-
-
2)"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." - a) Значит ли это, что если мы поместим как-то часть радиоактвного вещества внутрь счетчика Гейгера, мы не увидим никакого распада, так как, следуя той же логике, материал все время будет под наблюдением? b) Что принципиально изменится, если начинать 'наблюдать' нестабильную систему не сразу, а спустя какое-то время?
-
1. "Свободное" состояние там не зря стоит в кавычках. Это не настоящее свободное состояние, поскольку конденсат в любом случае находится в ловушке плюс внешние ЭМ поля. Это ***свободно эволюционирущее*** состояние -- т.е. состояние, над которым не производят измерения/наблюдения.
Осцилляции между двумя состояниями происходят не сами по себе, а во внешних ЭМ полях. Это называется осцилляции Раби.
Разница между тем ЭМ излучением, которое порождает осцилляции Раби, и теми импульсами, которые служат для наблюдения, состоит, по сути, в унитарности в первом случае и неунитарности во втором эволюции конденсата под действием этого излучения.
2а. Нет, я уже вышел описал. Наблюдать -- это не просто сидеть и ждать, это активно вмешиваться в эводюцию системы. Например, постоянно с высокой частотой посылая в нее импульсы. Счетчик Гейгера так не поступает -- он ждет, когда сквозь его объем пролетит частица, тогда только он её наблюдет. Это случится сущственно позже того времени, когда произошел сам распад.
2б. Про это я тоже уже говорил. Надо, чтобы свободная эволюция была неэкспоненциальной (а точнее, отличалась от линейной на начальном этапе), только тогда работает квантовый эффект Зенона. У осцилляций вся эволюция такова, а у радиоактивного распада -- только чрезвычайно маленький начальный этап, в который очень трудно засунуть "достаточно внимательное" наблюдение.
В общем, более глубоко это всё можно объяснить только на настощем квантово-механическом уровне: УШ, волновые функции и т.д. Кратко, точно и в общепонятных терминах эти все явления, мне кажется, уже не объяснишь.
Последние новости
