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英文有句谚语：A watched pot never boils...对应中文的意思是“心急水不开”。而从科学的角度来看，这句话的字面直意思——“看壶煮水水不沸”似乎更有意思。在现实世界中，壶中的水能否被煮沸与你看不看它没有关系。但如果现在物理学家告诉你，被看着的壶水能更快煮沸，你会不会觉得荒谬呢？然而在量子世界里却是可能真实发生的，如果我们把观测的对象换成了不稳定的原子时，“看与不看”它真的可以导致区别。 根据量子力学的哥本哈根解释，我们无法得知一个原子的确切属性，直到对其进行测量。从这延伸出的思想实验薛定谔的猫，就是这样一只不能确定是死是活的倒霉的猫。 也许你们都听过关于它的故事： 它被装在一个盒子里，除了它以外，盒子中还有一个充满有毒气体氰化氢的玻璃烧瓶，和一些放射性物质。倘若盒子里的放射性原子发生了衰变，装有氰化氢的烧瓶就会被打碎，氰化氢挥发导致猫随即死亡；如果放射性物质没有衰变，则不会触发打碎烧瓶的装置，猫能继续存活。我们不能测量原子是否衰变，因而无法判断猫的生死，除非打开盒子去看。对盒子进行观测的行为会使得波函数(量子态的数学描述)坍缩，猫从叠加态变为一个非死即活的确定态。 这是大家熟悉的薛定谔猫的故事，但这个故事并没有就此结束。有一种说法，如果你打开盒子观察猫的频率高到一秒钟看几千次，就能无限期的延后猫的死亡；又或者反过来加速猫的死亡。这种延迟被称为量子芝诺效应，加速则称为量子反芝诺效应。 思想实验的提出 量子芝诺效应最先由艾伦·图灵在1958年作为思想实验提出，因此也被称为图灵悖论，以希腊哲学家芝诺所构想的箭矢悖论命名。箭矢悖论说：在任意时刻，一支飞行中的箭矢在空中都有其确定位置，因而它是静止的；但箭矢飞达每一时刻的确定位置是需要动能的，所以箭矢又必然处于运动状态。 1974年，有科学家提出一个疑问：一个不稳定量子系统的生命周期是由测量决定的吗？这个问题成了现在我们谈论的量子芝诺效应，即如果我们对一个不稳定的原子进行持续性的观测，是否对其衰变产生影响？到1977年，才出现对这个问题进行比较详尽的描述：如果我们可以连续地测量一个不稳定原子以观察它是否仍然处于初始状态，则始终能发现该原子处于初始状态。 芝诺效应最初的解释是，对处于激发态的原子进行测量，会使它回到激发态，并将其衰变时钟重设。因此，如果一个原子被频繁的测量，它将永远不会衰减到较低的能级状态，而是被“冻结”在激发态。 到1989年，这一现象第一次在实验室中实现。 到了1997年，反芝诺效应也被提出，它告诉我们频繁的对一个放射性原子核进行测量也可能加速它的衰变。事实上，反芝诺效应在自然界中更为常见。例如，对放射性原子核进行频繁测量会加速其释放辐射。 量子芝诺效应 量子芝诺和量子反芝诺效应都是真实存在的，并可发生在真实原子上。但它们的运作机制是怎样的呢？测量使如何延迟或加速放射性原子的衰变呢？什么又是“测量”呢？问题的第一个关键在于如何理解“测量”。 物理学家的答案是，当测量一个量子系统以获得信息时，系统必须与环境产生一小段时间的强烈耦合，与环境的强耦合过程意味着测量行为必然会对量子系统产生干扰。例如对一个放射性原子进行测量时，若要想从中获得信息我们需要先与它自身的一些信息进行相互作用。在这个过程中，原子所拥有的多重可能态会坍缩成单一的确定态。 那么接下来我们要问的是：坍缩是导致量子芝诺效应的原因吗？换句话说，如果量子系统只是受到干扰，并没有向外传送任何信息，也就是原子没有坍缩成某一确定态，在这种情况下，原子仍能表现出芝诺(延迟衰变)或反芝诺效应(加速衰变)吗？ 这便是圣路易斯华盛顿大学的物理学教授Kater Murch和他的团队近期在《物理评论快报》上发表的实验。他们设计了引发(反)芝诺效应的实验，并从中确定了干扰在激发这一效应中所起的作用。 最新实验结果 为了测量量子芝诺和量子反芝诺效应是否由信息传递(坍缩)造成，Murch和他的同事使用了一种被叫做“量子位元”的人造原子对这些问题进行探索。这些人造原子的属性和行为与原子相同，拥有多种不同的能态。Murch说： “原子衰变率取决于在给定能量下所拥有的可能的能态的密度，这些可能的能态被称为电磁模(electromagnetic modes)。若一个原子要衰变，它必须在它所拥有的某一个电磁模上放出一个光子。因此电磁模越多意味着原子的衰变途径也越多，从而加速衰变。”同理，越少的电磁模导致原子衰变的途径越少，因此延缓衰变。 而物理学家也发现，测量行为会对原子的能级造成干扰，这种干扰可能减少可用的电磁模，导致量子芝诺效应；也可能增加可用的电磁模，导致量子反芝诺效应。 研究人员使用以某一特定能量值为中心的光子热浴来增加或减少人造原子可用的电磁模的密度。再使用标准测量法，以每秒100万次的频率对原子的能态进行测量。 当光子热浴的能量的中心值与原子的跃迁能相同时，测量导致的干扰会减少平均电磁模的数量，减缓衰变；当光子热浴的中心能量值不同于原子跃迁能时，测量会增加原子可用的电磁模的数量，从而加速衰减。Murch说：“这种测量方法让我们第一次在同一个量子系统中观察到两种量子芝诺效应。” 为了研究测量行为在量子(反)芝诺效应中的作用，他们设计了一种新型的测量方式。这种测量能只会在与原子相互作用过程中，对原子的量子状态产生干扰，但却不会从测量中得到任何信息，他们称这种测量方法为“准测量”。 那么准测量也会引起量子芝诺效应吗？ 若根据量子芝诺效应早期的解释来说，答案应该是否定的，因为没有发生能让原子回到激发态的坍缩事件；但若根据电磁模的密度改变一说，似乎又预示着即便准测量方法中坍缩没有发生，仍能引起量子(反)芝诺效应。 Murch说：“在实验前我们完全不确定结果会是什么，但是从不断收集到的数据，最终证实——准测量与常规测量相同，一样会引发量子(反)芝诺效应。因此我们确认导致量子(反)芝诺效应的不是波函数的坍缩，而是测量行为中的干扰。” Murch进一步解释道：“测量的目的是为了获取和系统相关的信息，但测量行为会对系统造成不可避免的干扰，因此测量不仅意味着获取信息，同时也意味着干扰信息。”对测量行为在量子力学中的本质有新的理解，有助于我们找到控制量子系统的新方法。 那这个结论对薛定谔盒子里的那只猫又意味着什么呢？量子芝诺效应说，如果我们频繁的打开盒子检查猫的状态，便能不断重设原子的衰减时钟，猫就能活得更久；量子反芝诺效应说，频繁的检查会加速原子的衰变，导致猫更快的死亡。换句话说，猫的性命取决于受哪种量子芝诺效应的影响。研究员帕特里克·哈灵顿说：“由于量子(反)芝诺效应只与干扰有关，获不获取信息并不重要，因此我们甚至不需要打开盒子观察，只需轻轻地晃动盒子产生干扰，就能得到同样的效果了。” 参考链接： 【1】https://journals./prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.240401 【2】https://link./article/10.1007%2FBF02731351 【3】http://tf./general/pdf/858.pdf 【4】https://www./it-s-possible-to-keep-schroedinger-s-cat-alive-without-ever-opening-the-box 【5】https://www./releases/2017/06/170616083437.htm |
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