Кубанский государственный технологический университет

Новые эксперименты с квантовым эффектом Зенона подтверждают теоретические предсказания

12-03-2012
Так выглядит установка для получения бозе-конденсата из атомов рубидия, на которой изучался квантовый эффект Зенона (изображение с сайта www.rle.mit.edu)

В экспериментах, проведенных в Массачусетском технологическом институте, наблюдалось тридцатикратное замедление распада нестабильной системы за счет квантового эффекта Зенона и впервые было проведено сравнение импульсного и непрерывного наблюдения за квантовой системой.

В квантовой физике есть так называемый квантовый эффект Зенона, получивший свое название из-за схожести с известной апорией Зенона «Ахиллес и черепаха». Суть этого эффекта состоит в том, что наблюдение за нестабильной частицей (то есть простая проверка — распалась или не распалась) вызывает замедление ее распада.

В предельно жесткой формулировке утверждается, что непрерывное наблюдение за нестабильной частицей вообще не даст ей распасться.

Происхождение этого парадоксального явления можно в самых простых словах объяснить так. В квантовой механике любое измерение или даже наблюдение «возмущает» измеряемую частицу. Если она «пытается распадаться», то наблюдение возвращает ее (почти) в исходное квантовое состояние, из которого она пытается распасться снова. Именно поэтому слишком частое наблюдение за частицей существенно удлиняет время ее распада. Подробности см. в популярной статье Р. В. Ведринского Квантовый эффект Зенона // СОЖ, 1997, № 9, с. 71–77, а для более серьезного чтения рекомендуем статью Зураба Силагадзе «Zeno meets modern science» // physics/0505042.

Этот эффект был теоретически предсказан еще в 60-е годы советским физиком Л. А. Халфиным, затем — независимо от него — также американцами Мизрой (Baidyanaith Misra) и Сударшаном (George Sudarshan) (именно их обычно указывают как авторов этого эффекта), и только в 90-е годы был подтвержден в целом ряде экспериментов. Несмотря на то что квантовый эффект Зенона является уже установленным фактом, многие его свойства и особенности до сих пор не проверены в эксперименте. Одно из них — сравнение двух режимов наблюдения за частицей: импульсного (посмотрели, подождали, посмотрели, подождали...) и слабого непрерывного (смотреть всегда, но «краешком глаза»). Теория предсказывает четкие соотношения между замедлением распада в этих двух случаях, но экспериментальная реализация этих режимов до сих пор была очень трудна.

В недавней статье E. W. Streed et al., Physical Review Letters 97, 260402 (27 December 2006), доступной также как cond-mat/0606430, описываются результаты филигранного эксперимента, выполненного группой физиков из Массачусетского технологического института под руководством нобелевского лауреата Вольфганга Кеттерле, которые полностью подтвердили ожидания теоретиков.

В своей работе авторы воспользовались развитой ими же методикой получения и измерения свойств бозе-эйнштейновского конденсата из сверххолодного облачка атомов рубидия. (Именно за получение бозе-конденсата Кеттерле получил свою треть Нобелевской премии по физике в 2001 году.) В качестве «нестабильной частицы», распад которой экспериментаторы замедляли, выступали атомы рубидия в возбужденном состоянии — они распадались на атомы в основном состоянии и фотоны.

В «свободном» состоянии, то есть без наблюдения, весь конденсат медленно переходил из основного состояния в возбужденное и обратно. Выждав момент, когда конденсат перейдет в полностью возбужденное состояние, экспериментаторы начинали его «наблюдать», просвечивая его «возмущающим» лазерным лучом в течение некоторого времени. После этого возмущение прекращалось, и физики измеряли, какой процент атомов оставался в возбужденном состоянии.

В соответствии с поставленной задачей, авторы провели две серии экспериментов: с импульсным и с непрерывным возмущающим воздействием. При импульсном воздействии облачко атомов облучалось «пулеметной очередью» из коротких и мощных световых импульсов, быстро следовавших друг за другом через равные промежутки времени. При непрерывном воздействии облачко в течение некоторого времени облучалось лучом малой, но постоянной мощности.

Результаты эксперимента показали, что при обоих типах воздействия имеет место замедление распада возбужденного состояния. Причем чем сильнее было воздействие (то есть чем чаще следовали импульсы в первом опыте и чем больше была мощность света во втором), тем существеннее было замедление — в полном согласии с теорией. Если до сих пор физикам удавалось изменить скорость распада нестабильной системы всего в два-три раза, то в этом эксперименте наблюдалось тридцатикратное замедление распада! Кроме того, утверждение теоретиков, что эти два способа «наблюдения» при соответствующих параметрах должны приводить к одинаковому квантовому эффекту Зенона, впервые получило экспериментальное подтверждение.

К сожалению, в этой заметке остаются за кадром очень интересные экспериментальные ухищрения, которые придумали авторы работы для преодоления многочисленных технических трудностей. Некоторое представление о них можно получить из популярных статей Вырожденный фермионный газ при сверхнизких температурах и За что же дана Нобелевская Премия по физике за 2001 год?.

Конечно, физиков этот эффект интересует прежде всего сам по себе, однако тут есть и практическая подоплека. Ожидается, что этот эффект поможет удержать в узде декогеренцию в будущих квантовых компьютерах (см. заметку Насколько опасно для квантовой системы взаимодействие с окружающим миром?) и позволит уменьшить дозы облучения при нейтронной томографии. Однако стоит подчеркнуть, что с его помощью вряд ли удастся изменить период полураспада радиоактивных материалов, поскольку начинать «наблюдать» нестабильную систему надо сразу после ее приготовления, а не спустя какое-то время. Тем не менее сейчас изучаются возможности наблюдения этого эффекта и в субатомном мире, например в свойствах нейтринных осцилляций.

Игорь Иванов

‹‹