Многие из нас слышали поговорку о том, что "наблюдаемый чайник не закипает". Теперь научный мир приходит к выводу, что в рамках квантовой механики это действительно так.
Античный греческий философ Зенон представил миру парадокс, суть которого заключается в том, что стрела, летящая в воздухе, на самом деле неподвижна. Сложно поверить, не так ли? Но смысл вкладывается в мгновенные отрезки времени. Если разделить время на бесконечное количество таких мгновений, то стрела в каждом из них стоит на месте.
Современные ученые в большинстве своем считают этот парадокс не более чем интересной игрой ума. Однако квантовая механика вносит свои коррективы. Представьте, что мы рассматриваем не обычную стрелу, а квантовую. Оказывается, существует возможность "заморозить" ее движение, просто на нее посмотрев, и это явление носит имя квантового эффекта Зенона.
Возможно ли "заморозить" атомное ядро или электрон, просто взглянув на него? Квантовый эффект Зенона гласит, что это возможно. Ученые утверждают, что они смогли продемонстрировать это на практике.
Давайте погрузимся глубже: может ли квантовый эффект Зенона спасти нас от квантовой стрелы, мчащейся к нам? Эта стрела не проста. Её положение может быть определено только в начале или в конце её пути. Она "перескакивает" между этими точками, не проходя через пространство в промежутке.
И еще один квантовый трюк: как кот Шрёдингера, наша стрела может быть одновременно и в начале, и в конце своего пути. Невероятно, не так ли? Но в мире квантовой механики это становится реальностью, хотя мы никогда не увидим стрелу в двух местах одновременно.
Каждое квантовое состояние имеет свою вероятность. Представьте, что это вероятность обнаружить стрелу в определенном месте, если вы захотите её увидеть. По теории квантовой механики, известной как "копенгагенская интерпретация", стрела может менять своё положение при наблюдении.
До того момента, как вы решите взглянуть на стрелу, её путь определен вероятностями её различных положений. Но когда вы начинаете наблюдать, стрела "решает", где она находится - в начале или в конце своего пути.
Теперь представьте: кто-то стреляет в вас квантовой стрелой. Если вы наблюдаете за стрелой , скорее всего, она "коллапсирует" к исходному положению, но есть небольшая вероятность, что она внезапно появится в конечном состоянии - достигнув вас.
Если отвлечься и не следить за стрелой, её квантовое состояние, или волновая функция, начинает трансформироваться. С каждым моментом начальное состояние стрелы теряет свою "силу" или амплитуду, пока, в конечном итоге, она не поразит вас.
Два возможных варианта развития событий могут следовать далее: представьте, что стрела со свистом покидает лук, вызывая в вас рефлекторное желание закрыть глаза. Этот мгновенный порыв может стать роковым, ведь в этот кратчайший промежуток волновая функция стрелы без препятствий переходит в финальное состояние – попадание.
Однако, предположим, вы решили не поддаваться инстинкту и сохранить спокойствие, упорно следя за стрелой. Каждый ваш взгляд на неё, как бы "закрепляет" её текущее положение, приводя к "схлопыванию" её волновой функции либо в начало, либо в конец её пути. И поскольку первоначально ваш фокус был на стартовом положении стрелы, шансы на то, что она моментально окажется в финальном состоянии, минимизируются. Таким образом, ваше непрерывное наблюдение, благодаря квантовому эффекту Зенона, как бы "замораживает" движение стрелы, возвращая её на стартовую позицию.
Так что помните: если бы в вас решили выстрелить квантовой стрелой, лучший совет - не моргать. Да, в реальной жизни стрелы так не ведут себя, но квантовые системы вполне могут следовать этому принципу. Если система способна существовать в двух четко определенных состояниях и менять их между собой, то этот процесс можно "заморозить", осуществляя постоянное наблюдение.
Интересно, что такие эксперименты проводились на атомарном уровне. Кстати, это может быть применимо даже к таким процессам, как радиоактивный распад или химические реакции. Только к 1990 году ученые смогли доказать его на практике.
Кратко говоря: перед нами ансамбль атомов, охлажденных лазерным способом, находящихся в электромагнитной установке. Имеется радиочастотное поле, которое обеспечивает плавные колебания электронов между двумя энергетическими уровнями, которые мы обозначим как 1 и 2.
Подобно ранее упомянутой квантовой стреле, электрон может быть то в состоянии 1, то в состоянии 2, причем в промежутке он находится в суперпозиции этих двух состояний. Исследователи затем подсвечивают атомы лазером, чья частота соответствует разнице в энергии между состоянием 1 и новым, состоянием 3. Если в момент лазерного воздействия электрон находится в состоянии 1, он поглощает лазерный фотон, переходит в состояние 3, после чего быстро возвращается обратно в состояние 1, излучая фотон, который можно зарегистрировать.
Это приводит к свечению атомов во время лазерных импульсов. В случае же, если в момент импульса атом находится в состоянии 2, фотоном пренебрегают, и атом остается невидимым. Но что будет, если лазерное воздействие произойдет, когда электрон переходит между состояниями, будучи в суперпозиции?
Согласно теории, электрон должен определить свое состояние - либо 1, либо 2. Исследователи считают, что в этом случае лазер выполняет функцию измерения, благодаря чему возможно "заморозить" такие квантовые явления. Для проверки гипотезы ученые сначала устанавливают все атомы в состояние 1 и затем облучают их быстрыми лазерными импульсами. Теоретически, при достаточной скорости таких "измерений" возможно прервать изменения в квантовой системе.
Исследователи подтвердили, что все прошло точно так, как предполагалось. С ростом частоты импульсов вероятность того, что атомы останутся в состоянии 1, увеличивается. Это можно было проверить, отправив последний импульс и удостоверившись, светятся ли атомы.
Похоже, что возможно "приостановить" квантовое состояние, регулярно проводя его измерение. Последующие исследования утверждают, что эффект Зенона был действительно замечен в различных экспериментах, в том числе при изучении энергии атомов и при "остановке" квантового туннелирования — механизма, позволяющего частицам "перемещаться" из ядер во время радиоактивного распада. Были предположения, что эффект Зенона может влиять на химические реакции, благодаря которым птицы способны воспринимать магнитные поля, о чем мы упоминали выше.
Но подтвержден ли эффект Зенона полностью? Это сложный вопрос. После публикации результатов в 1990 году множество ученых высказали свои сомнения про эти данные, и споры не утихают до сих пор. Однако, стоит отметить мнение Лесли Баллентайна: не сам процесс измерения вызывает эффект Зенона, а физическое взаимодействие с системой, например, воздействие лазерным импульсом на атомы.
Опасения Баллентайна затрагивают корни квантовой механики: что мы подразумеваем под "измерением" и как понимаем схлопывание волновой функции? Рассмотрим измерение.
Измерение всегда предполагает взаимодействие с системой, что, в свою очередь, влечет определенные последствия, расширяя наше понимание. Если это взаимодействие минимально, можно предполагать, что мы получаем данные, практически не влияя на саму систему.
Как указал Баллентайн, каждый фотон, проходящий через лазер, влияет на систему таким образом, что у электрона возрастает шанс вернуться на начальную стадию. Для полного "замораживания" по Зенону требуется воздействие множества фотонов, что не может считаться "тонким" измерением.
Недавние исследования подтверждают, что на эффект Зенона влияет воздействие, а не само измерение. Они показали, что при определенном типе "колебаний" можно ускорить квантовый переход вместо его "замораживания" — это явление называют эффектом анти-Зенона. Другой взгляд на измерение — это количество информации, которое оно предоставляет о системе.
Хотя эффект Зено является весьма убедительным, его толкование продолжает разжигать споры. Не забудьте подписаться на наш канал, чтобы не пропустить новые статьи и видео. Если вам понравилась статья, поставьте лайк и поделитесь ею с друзьями. Ваша поддержка помогает нам создавать еще больше интересного и полезного контента. Благодарим вас за внимание, и до новых встреч!
