Наблюдаемые атомы распадаются быстрее
Одним из самых удивительных открытий современной физики является то, что простое наблюдение за микросистемами может влиять на их свойства. Теоретически достаточно быстро повторяемые измерения должны даже останавливать квантово-механические процессы, такие как радиоактивный распад, однако, согласно новым расчетам, этот так называемый квантовый эффект Зенона является не правилом, а всего лишь исключением. В большинстве случаев наблюдение даже ускоряет процесс. Греческий философ Зенон Старший, живший в пятом веке до нашей эры, был известен своей любовью к логическим головоломкам. Один из парадоксов, который до сих пор носит его имя, касается влияния наблюдения на скорость происходящих процессов: если, например, движение летящей стрелы разделить на бесконечное число отрезков, то она, конечно, должна была бы остановиться в течение всего времени. каждое бесконечно короткое мгновение. Однако, поскольку сумма бесконечного числа нулей снова равна нулю, наблюдаемая стрелка фактически не должна двигаться - таков парадоксальный вывод. Другими словами, кто-то, бросая многократные молниеносные взгляды на летящий дротик, должен быть в состоянии остановить его в воздухе.
Зенон даже выводил из этого, что никакого движения вообще нет, - оказываясь верным учеником своего учителя Парменида, согласно которому всякое предполагаемое изменение в природе есть не что иное, как человеческая иллюзия.
Но такое мировоззрение не нравилось даже Аристотелю, а в 19 веке также было формально доказано, что внутри отдельных участков бесконечно мало делимой траектории могут быть скорости, не равные нулю - что допускает цепочку рассуждений Зенона рухнуть в решающий момент.
Удивительно, но древний парадокс наблюдения повторился в 20 веке - в ходе развития квантовой механики. Так называемый квантовый парадокс Зенона основан на знании того, что наблюдение может влиять на поведение микрофизических систем. Ярким примером в этом контексте является радиоактивный распад, который можно формально описать линейной суперпозицией различных атомных состояний. Возбужденное состояние атома в вакууме представляет собой суперпозицию с устойчивым основным состоянием, включая испущенный электрон. Теперь процесс измерения, в котором определяется, распался уже атом или нет, отбрасывает его обратно в исходное состояние. Физики говорят о проекции суперпозиции на начальное состояние. Это как в пародии: официант так часто спрашивает гостя, нравится ли ему суп, что тот даже не успевает его попробовать. Грубо говоря, вывод состоит в том, что если скорость наблюдения постоянно настолько высока, что время между двумя последовательными измерениями меньше, чем естественное время жизни возбужденного состояния, то атом никогда не может распасться.
Два физика из Израильского института Вейцмана, Гершон Куризки и Абрахам Кофман, еще раз теоретически рассмотрели зависимость квантово-механических систем от скорости измерения (Nature от 1 июня 2000 г.). Они также описывают радиоактивный распад как сопряжение состояний так называемого резервуара, между которыми возможны переходы. Измерение влияет на колебания системы, которые из-за соотношения неопределенности энергия-время уширяют энергетические уровни начального состояния. Тогда частота затухания существенно зависит от положения энергетических уровней различных состояний резервуара и от энергетического уширения..
Квантовый эффект Зенона должен проявляться, когда разброс энергии от повторных измерений становится большим по сравнению с определенными размерами системы. Однако обычно это не так. Разброс энергии, связанный с измерением, обычно будет довольно небольшим. Результатом является, так сказать, «анти-зеноновский эффект»: чем дальше увеличивается скорость измерения и, следовательно, увеличивается энергетический разброс неустойчивого состояния, тем большее число достижимых состояний-резервуаров, к которым может иметь место переход. Другими словами: чем чаще измерение, тем больше вероятность распада!
Как выразился Курицкий: «Если провести аналогию между объектом, изменяющимся во времени, скажем, распадающимся ядром или возбужденным атомом, и летящей стрелой Зенона, то стрела ускоряется тем чаще, чем быстрее. наше исследование состоит в том, что эффект анти-Зенона может проявляться во всех процессах распада, в то время как исходный эффект Зенона требует условий, которые редко существуют в таких процессах».
Согласно Курицки и Кофману, обычный квантовый эффект Зенона можно ожидать только в сравнительно небольшом классе систем - и даже там нет, потому что скорости измерения, которые были бы необходимы для достижения эффекта, были бы системой немедленно разбить.