Hva er Quantum Zeno-effekten?

De kvante Zeno-effekt er et fenomen i kvantefysikk hvor observasjon av en partikkel forhindrer at den forfaller slik den ville gjort i fravær av observasjonen.

Navnet kommer fra det klassiske logiske (og vitenskapelige) paradokset presentert av eldgamle filosofen Zeno fra Elea. I en av de mer enkle formuleringene av dette paradokset, for å nå et fjernt punkt, må du krysse halvparten av avstanden til det punktet. Men for å nå det, må du krysse halvparten av avstanden. Men først, halvparten av den distansen. Og så videre... slik at det viser seg at du faktisk har et uendelig antall halvdistanser å krysse, og derfor kan du faktisk aldri klare det!

Kvante Zeno-effekten ble opprinnelig presentert i 1977-papiret "The Zeno's Paradox in Quantum Theory" (Journal of Mathematical Physics, PDF), skrevet av Baidyanaith Misra og George Sudarshan.

I artikkelen er den beskrevne situasjonen en radioaktiv partikkel (eller, som beskrevet i den opprinnelige artikkelen, et "ustabilt kvantesystem"). I følge kvanteteori er det en gitt sannsynlighet for at denne partikkelen (eller "systemet") vil gå gjennom et forfall i en viss periode til en annen tilstand enn den den begynte i.

Misra og Sudarshan foreslo imidlertid et scenario der gjentatt observasjon av partikkelen faktisk forhindrer overgangen til forfallstilstanden. Dette kan sikkert minne om det vanlige formspråket "en overvåket gryte koker aldri", bortsett fra i stedet for bare en observasjon om vanskeligheten med tålmodighet, er dette et faktisk fysisk resultat som kan (og har blitt) blitt eksperimentelt bekreftet.

Den fysiske forklaringen i kvante fysikk er sammensatt, men ganske godt forstått. La oss begynne med å tenke på situasjonen slik den bare skjer normalt, uten den kvante Zeno-effekten på jobben. Det "ustabile kvantesystemet" som er beskrevet, har to tilstander, la oss kalle dem tilstand A (den ikke-utbetalte tilstand) og tilstand B (den forfalne tilstanden).

Hvis systemet ikke overholdes, vil det over tid utvikle seg fra den ikke-betalte tilstanden til en superposisjon av tilstand A og tilstand B, med sannsynligheten for å være i begge statene basert på tid. Når en ny observasjon blir gjort, vil bølgefunksjonen som beskriver denne superposisjonen av tilstander kollapse i enten tilstand A eller B. Sannsynligheten for hvilken tilstand den faller sammen er basert på hvor lang tid det har gått.

Det er den siste delen som er nøkkelen til den kvante Zeno-effekten. Hvis du gjør en serie observasjoner etter korte perioder, er sannsynligheten for at systemet vil være i tilstand A under hver måling er dramatisk høyere enn sannsynligheten for at systemet vil være i tilstand B. Med andre ord, systemet fortsetter å kollapse tilbake til den ubetalte tilstanden, og har aldri tid til å utvikle seg til den forfalne tilstanden.

Så counter-intuitiv som dette høres ut, er dette blitt eksperimentelt bekreftet (som har følgende effekt).

Det er bevis for en motsatt effekt, som er beskrevet i Jim Al-Khalilis Paradoks som "kvanteekvivalentet med å stirre på en kjele og få den til å koke raskere. Mens den fremdeles er noe spekulativ, går slik forskning innerst inne i noe av det mest dyptgående og muligens viktige vitenskapelige områder i det tjueførste århundre, for eksempel å arbeide for å bygge det som er kalt a kvantecomputer. "Denne effekten har vært eksperimentelt bekreftet.