Naukowcy wykorzystali sztuczny atom, aby pokazać możliwość utrzymywania kota Schrödingera przy życiu przez nieokreślony czas, a także przyspieszenia początku jego śmierci. W tym celu nie musisz nawet zaglądać do pudełka, w którym ten sam kot zazwyczaj siedzi (lub nie siedzi). Używanie klasycznych analogii, takich jak to, może wydawać się zbyt uproszczone lub dziwne, ale dla nauki jest to bardzo ważne. Pokazują, w jaki sposób rzeczywistość znajduje się na podstawowym poziomie i mogą prowadzić do lepszych narzędzi, których fizycy używają w inżynierii kwantowej.
Naukowcy z University of Washington w St. Louis postanowili się upewnić, czy w ogóle konieczne jest zebranie informacji z układu kwantowego - czy po prostu przyjrzenie się cząstce - aby wpłynąć na jej zachowanie. Może wystarczy „hamowanie”?
Uwaga spoiler: odkryli, że nie ma potrzeby oglądania.
Trochę historii: kot, pudełko i efekty Zenona
Jeśli ktoś nie wie, jaki kot Schrödingera, to przypominamy sobie legendę. Zgodnie z kopenhaską interpretacją mechaniki kwantowej obiekt fizyczny (taki jak atom) nie ma określonych właściwości, dopóki go nie zmierzymy. W odpowiedzi fizyk Erwin Schrödinger zaproponował eksperyment myślowy. Zasugerował, że jeśli ta interpretacja jest poprawna, moglibyśmy umieścić substancję radioaktywną w małym pojemniku obok licznika Geigera, przywiązać licznik do młotka i umieścić młotek nad kapsułką kwasu, tak aby miażdżyła ją podczas rozpadu atomu.
Jeśli umieścimy to wszystko w pudełku z kotem, nie będziemy w stanie zmierzyć właściwości atomu, ponieważ, o ile wiemy, atom jednocześnie rozpadał się i nie rozpadał się (dlatego ma okres półtrwania). W konsekwencji kot będzie żywy i martwy jednocześnie, dopóki nie zajrzymy do środka.
To jest legenda. Ale ma podwójne dno.
Film promocyjny:
W 1974 roku naukowcy zadali pytanie: czy żywotność niestabilnego systemu zależy od urządzenia pomiarowego?
Ten paradoks stał się znany jako kwantowy efekt Zenona: co się stanie, jeśli będziemy stale obserwować niestabilny atom? Czy się rozpadnie?
Zgodnie z efektem Zenona, pod ciągłą obserwacją, nigdy nie wyemituje ani jednej cząsteczki promieniowania. W 1989 r. Zostało to po raz pierwszy zademonstrowane w eksperymencie przeprowadzonym przez Narodowy Instytut Standardów i Technologii Stanów Zjednoczonych i dziwna hipoteza stała się dziwną rzeczywistością.
Dziesięć lat później zaproponowano odwrotny efekt Zenona - efekt Antisenona. Częste pomiary radioaktywnego jądra atomowego mogą w zależności od procesu przyspieszyć jego rozpad.
Pozostaje tylko zrozumieć, czym jest „wymiar”.
Aby zmierzyć coś w rodzaju atomu radioaktywnego, obserwować go i odczytać jego parametry i właściwości, trzeba jakoś z nim współdziałać, aby informacja wyszła w jakiejś formie. Widzimy przy tym wiele możliwości atomu, tworząc jeden wynik. Ale czy to załamanie jest przyczyną efektu Zenona? A może można przyspieszyć lub spowolnić rozpad atomu bez doprowadzenia do jego zapadnięcia się w stan absolutny?
Zeno kontra Antisenon
Wszystko to sprowadza nas z powrotem do eksperymentu przeprowadzonego przez University of Washington.
Aby ustalić, czy transmisja informacji wymusi efekt Zenona czy Antisenona, naukowcy wykorzystali urządzenie, które pod wieloma względami zachowuje się jak atom o wielu stanach energetycznych.
Ten „sztuczny atom” był w stanie przetestować hipotezę, jak stany energii - mody elektromagnetyczne - mogą wpływać na te efekty.
„Szybkość rozpadu atomu zależy od gęstości możliwych stanów energetycznych lub modów elektromagnetycznych danej energii” - mówi badacz Keiter Merch. „Aby atom się rozpadł, musi emitować foton w jednym z tych trybów. Więcej modów oznacza więcej sposobów na rozkład, a więc szybszy zanik”.
Podobnie mniej modów oznacza mniej opcji zaniku, co wyjaśnia, dlaczego atomowy garnek pod stałym nadzorem nigdy się nie spawa. Merch i jego zespół byli w stanie manipulować liczbą modów w ich sztucznym atomie przed zastosowaniem standardowych pomiarów, sprawdzając ich stan co mikrosekundę i przyspieszając lub spowalniając jego „rozpad”.
„Pomiary te stanowią pierwszą obserwację dwóch efektów Zenona w zunifikowanym układzie kwantowym” - mówi Merch.
Aby upewnić się, że kluczowa okazała się obserwacja lub interferencja, naukowcy wykonali tak zwany quasi-pomiar, który interferuje bez powodowania załamania stanu atomowego. Nikt nie wiedział, jaki będzie wynik.
„Jednak dane zbierane przez cały dzień konsekwentnie wskazywały, że quasi-pomiary dawały efekty Zeno w taki sam sposób, jak pomiary konwencjonalne” - mówi Merch.
W konsekwencji to naruszenie w procesie pomiaru, a nie sam bezpośredni pomiar, prowadzi do pojawienia się efektów Zeno i Antiseno.
Wiedząc o tym, możemy zastosować nowe metody sterowania układami kwantowymi za pomocą dynamiki Zenona.
Co to wszystko oznacza dla kota biednego Schrödingera?
„Efekt Zeno mówi, że jeśli przetestujemy kota, zresetujemy zegar rozpadu i uratujemy życie kota” - mówi naukowiec Patrick Harrington. „Ale sztuczka polega na tym, że efekty Zenona dotyczą naruszeń, a nie informacji, więc nie musisz nawet zaglądać do pudełka, aby je wywołać. Te same efekty będą miały miejsce, jeśli po prostu potrząśniesz pudełkiem”.
ILYA KHEL