量子芝诺效应被证实

作者: 雨遇

来源: 赛先生

发布日期: 2015-10-27 07:02:44

康奈尔大学的实验物理学家通过冷却原子并观察其在光晶格中的运动,证实了量子芝诺效应,即持续观察可以使量子系统停止运动。这一发现为操控亚原子水平量子系统提供了新方法,并可能用于制造高灵敏传感器。

我们熟悉的经典物理学告诉我们,如果我们想要研究一个物理对象,可以把这个研究对象从周围环境中分离出来,只要知道足够的信息,就可以完全预知它接下来的所有运动行为。同时,在经典物理学里当我们观察一个物理量时,不会对这个观察对象本身造成任何扰动。

比如一个做自由落体的小球,知道了一定的初始条件和受力情况,我们完全可以预见它在降落过程中任何时候的位置,速度,加速度等信息,它的运动也完全不会由于是否我们观看它而发生任何改变。而这个经典物理假定在量子力学理论中被认为是完全错误的,在量子系统中,即使我们可以找到一个最佳可控的简单系统,也不能保证可以完全预知这个研究对象接下来的所有物理特性,每次测量都会对被测物造成扰动而影响测量结果。

可以说经典系统和量子系统最本质的区别就在于系统对测量的响应,经典系统里测量不会对系统造成扰动,而对量子系统的测量会影响整个系统。量子理论预言当你观察一个运动系统时,你的目光可以让这个系统停止运动。这听起来非常荒谬,但最近这个奇怪的理论被康奈尔大学的实验物理学家证实。

借助各种原子冷却技术,康奈尔大学超冷实验室的Mukund Vengalattore教授和他的学生们观察到:把冷却到接近绝对零度的原子装载在光晶格中,开始时,由于“隧道”效应,这些原子可以从一个格子跳到另一个格子,随意运动。但是如果持续观察,这种跳动就会停止下来。这跳来跳去的原子,仿佛能明白你在看它,如果你一直盯着它看,它就也停下来,盯着你,不动了。

这种现象被称为“量子芝诺效应”,是为纪念希腊哲学家芝诺(490-430 BC)而命名的。科学家们首先把冷原子腔内的大约10亿个原子冷却到接近绝对零度,即达到“波色爱因斯坦凝聚”状态,这时所有的原子都处在同一状态,它们的行动就像一个单粒子。然后他们把这些原子装载到光晶格中。光晶格是用六束激光在空间对向传输形成的周期性势能结构,原子可以被束缚在这些周期性势能结构中,形成类似固体晶体的结构。

为了观察光晶格中原子的运动,科学家在他们的冷原子腔中放置了高精度显微镜并用另一束激光照射腔中的原子。利用这个技术,他们观察到,开始时,由于“隧道”效应,这些原子可以从一个格子跳到另一个格子,随意运动。但是如果加快测量频率,或者说增加激光的强度,这种跳动就会减慢下来,测量频率越快,跳动就越慢。“隧道”效应被大大压缩,这正是“量子芝诺效应”的体现。

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