Vad är kvant Zeno-effekten?

De kvant Zeno-effekt är ett fenomen i kvantfysik där observationen av en partikel hindrar den från att ruttna som den skulle göra i frånvaro av observationen.

Namnet kommer från den klassiska logiska (och vetenskapliga) paradoxen som presenterades av den antika filosofen Zeno från Elea. I en av de mer enkla formuleringarna av denna paradox måste du korsa hälften av avståndet till den punkten för att nå någon avlägsen punkt. Men för att nå det måste du korsa halva avståndet. Men först halva avståndet. Och så vidare... så att det visar sig att du faktiskt har ett oändligt antal halvavstånd att korsa och därför kan du faktiskt aldrig nå det!

Den kvanta Zeno-effekten presenterades ursprungligen i uppsatsen från 1977 "Zenos paradox in Quantum Theory" (Journal of Mathematical Physics, PDF), skriven av Baidyanaith Misra och George Sudarshan.

I artikeln är den beskrivna situationen en radioaktiv partikel (eller, som beskrivs i den ursprungliga artikeln, ett "instabilt kvantsystem"). Enligt kvantteorin finns det en viss sannolikhet att denna partikel (eller "system") kommer att gå igenom en förfall under en viss tidsperiod till ett annat tillstånd än den där den började.

Misra och Sudarshan föreslog emellertid ett scenario där upprepad observation av partikeln faktiskt förhindrar övergången till sönderfallstillståndet. Detta kan säkert påminna om det vanliga formspråket "en bevakad kruka kokar aldrig", utom i stället för en ren observation om svårigheten med tålamod är detta ett faktiskt fysiskt resultat som kan (och har) bekräftats experimentellt.

Den fysiska förklaringen i kvantitet fysik är komplex, men ganska väl förstått. Låt oss börja med att tänka på situationen eftersom det bara händer normalt, utan den kvanta Zeno-effekten på jobbet. Det "instabila kvantsystemet" som beskrivs har två tillstånd, låt oss kalla dem tillstånd A (det obestämda tillståndet) och tillstånd B (det förfallna tillståndet).

Om systemet inte observeras kommer det med tiden att utvecklas från det obestämda tillståndet till ett superposition av tillstånd A och tillstånd B, med sannolikheten att vara i endera tillståndet baserat på tid. När en ny observation görs kommer vågfunktionen som beskriver denna superposition av tillstånd att kollapsa i antingen tillstånd A eller B. Sannolikheten för i vilket tillstånd den kollapsar är baserad på hur lång tid som har gått.

Det är den sista delen som är nyckeln till kvant Zeno-effekten. Om du gör en serie observationer efter korta perioder är sannolikheten för att systemet kommer att vara i tillstånd A under varje mätning är dramatiskt högre än sannolikheten för att systemet kommer att vara i tillstånd B. Med andra ord, systemet fortsätter att kollapsa tillbaka till det obestämda tillståndet och har aldrig tid att utvecklas till det förfallna tillståndet.

Så lika intuitivt som det låter, detta har bekräftats experimentellt (liksom följande effekt).

Det finns bevis för en motsatt effekt, som beskrivs i Jim Al-Khalilis Paradox som "kvantekvivalenten av att stirra på en vattenkokare och få den att koka snabbare. Även om det fortfarande är något spekulativt, går sådan forskning till hjärtat i några av de mest djupgående och kanske viktiga vetenskapsområden under det tjugoförsta århundradet, till exempel att arbeta för att bygga det som är kallas a kvantdator. "Denna effekt har varit experimentellt bekräftat.