Эффект Зенона подтверждён: атомы не двигаются, если на них смотреть
Аспиранты Корнелльского университета Йогеш Патил и Шриватсан Чакрам и профессор физики Мукунд Венгелатторе в лаборатории Ultracold Lab
Одно из самых странных предсказаний квантовой теории — что система не может измениться, пока вы наблюдаете за ней — подтверждён экспериментом в Корнелльском университете (США). Работа открывает двери к фундаментально новым способам контроля и управления квантовым состоянием атомов и может привести к созданию новых сенсоров.
Эксперименты были проведены в лаборатории сверххолодных материалов (Ultracold Lab) группой под руководством профессора физики Мукунд Венгелатторе (Mukund Vengalattore), который основал первую в университете программу по изучению свойств материалов, охлаждённых до 0,000000001ºK. Результаты работы опубликованы 2 октября 2015 года в журнале Physical Review Letters.
Аспиранты Йогеш Патил (Yogesh Patil) и Шриватсан Чакрам (Srivatsan Chakram) создали и охладили облако примерно из миллиарда атомов рубидия внутри вакуумной камеры между пересекающимися лазерными лучами. В таком состоянии атомы выстраиваются в упорядоченную решётку, словно твёрдый кристалл. В то же время на сверхнизких температурах проявляется эффект туннелирования, когда атомы перемещаются с одного в другое место в решётке. Знаменитый принцип неопределённости Гейзенберга говорит, что позиция и скорость частицы связаны и не могут быть одновременно точно измерены. Температура — это показатель скорости частиц. В экстремальных условиях вблизи абсолютного нуля скорость частиц минимальна, поэтому у них появляются большое разнообразие местоположений: если посмотреть на них, то атомы могут быть в одном месте решётки или в другом.
Исследователи доказали, что могут подавить квантовое туннелирование путём частых наблюдений за атомами. Так называемый квантовый эффект Зенона, названный в честь греческого философа, впервые предсказан в 1954 году Аланом Тьюрингом, в 1978 году американские физики Байдьянат Мизра и Джордж Сударшан описали эффект, назвав его именем древнегреческого мыслителя Зенона Элейского. Название эффекта восходит к апории Зенона о полёте стрелы.
Летящая стрела неподвижна, так как в каждый момент времени она занимает равное себе положение, то есть покоится; поскольку она покоится в каждый момент времени, то она покоится во все моменты времени, то есть не существует момента времени, в котором стрела совершает движение.
Такой странный феномен наблюдается в квантовом мире. В принципе, квантовую систему можно «заморозить» путём непрерывных часто повторяющихся наблюдений.
Предыдущие эксперименты доказывали наличие эффекта Зенона в спинах субатомных частиц, а это первая демонстрация эффекта на уровне атомов.
Профессор Венгелатторе пояснил, что во время эксперимента у них настолько хороший контроль над решёткой атомов, что они могут не только заморозить её состояние, но и «настроить» её работу, изменяя параметры наблюдения за атомами. Такая настройка позволяет вызвать эффект «возникающей классичности», когда атомы начинают вести себя согласно представлениям классической физики. Все квантовые эффекты исчезают.
Атомы наблюдали в микроскоп с лазерной подсветкой оригинальной разработки, которая заставляла атомы флуоресцировать для облегчения наблюдений. В отсутствие подсветки атомы свободно туннелировали, а как только лазер включался — туннелирование резко сокращалось. «Это даёт беспрецедентный контроль над квантовой системой, возможно, даже над отдельными атомами», — сказал Йогеш Патил, один из авторов научной работы. Атомы в таком состоянии исключительно чувствительны к внешнему воздействию, что можно использовать, например, для разработки нового поколения сверхчувствительных сенсоров.
