原子会被“看”“发呆”吗 芝诺效应是否被证实

作者:王超摄影: 视频: 来源:《中国科学报》2016年1月12日发布时间:2016-01-12

事件:

不久前,美国康奈尔大学的研究人员在《物理评论快报》上发表了一项实验,表明用激光成像来“观察”原子可以抑制其在光晶格中的“隧道贯穿”。此前有报道称,该实验证明了原子的空间位置可以通过持续“观察”而被锁定,也就是所谓的“芝诺效应”被证实。

疑问:

原子真的是害羞的“小姑娘”,你若盯着看,她就不动吗? “芝诺效应”真的被证实了吗?

解答:

古希腊哲学家芝诺曾提出过一个著名悖论,即在每个确定的时间点,一支飞行的箭都会有一个确定的位置,而这支正在飞行的箭就等于所有这些“确定位置”的组合,所以这支在空中飞行的箭是不动的。而通过无限增加“观测”频率而使运动的物体变为“不动”的效应,就被称为“芝诺效应”。

“量子理论确实存在一个预言——当你观测一个运动系统时,你的观测可以让这个系统停止运动。‘芝诺效应’在经典力学的框架上似乎是荒谬的,但在量子理论下是可能的。”香港科技大学物理系副教授杜胜望告诉《中国科学报》记者。

还原实验的本身,康奈尔大学的研究者把冷原子腔内的大约10亿个铷原子冷却到接近绝对零度,然后把它们装载到用六束激光在空间对向传输形成的光晶格中,使原子可以被束缚其中,形成类似固体晶体的结构。

实验中,被冷却的原子达到“玻色—爱因斯坦凝聚”状态(目前能够达到的最低温度),运动速度已接近于零,这时每个铷原子的行动就像一个单粒子,位置的不确定性变得很大,使得光晶格中的原子很容易从一个晶格“穿越”到另一个晶格,即原子产生了可以在光晶格中随意运动的“隧道”效应。激光成像能让原子发出荧光,显微镜能够捕捉这种荧光并成像在相机里。

康奈尔大学的研究人员通过原子单独的激光成像来观测它们,当激光成像结束或者将光调暗,原子就能自由地隧穿;但随着激光束越来越亮、测量越来越频繁,原子隧穿开始急剧减少。

“这显然是‘观测’所用的激光影响了原子的‘隧道贯穿’。如文章描述,用外加激光测量光晶格中的原子气体,取决于测量的强度对系统的作用,可以从弱测量转化到强测量,这篇论文就是讨论如何利用测量带来的相互作用来影响量子系统的状态。”杜胜望在仔细阅读了论文原文后表示。

杜胜望介绍,根据物理学中关于粒子运动的 “海森堡不确定原理”,一个粒子位置和速度是一对相互作用量,不能同时精确决定。在这个所谓的“量子芝诺效应”实验里,测量不仅是一种观测者主动的行为,更是从外界将激光强加给了系统,从而改变了系统的行为。

由此看来,“量子芝诺效应”不过是借用了古希腊的故事,与“芝诺效应”原意相差甚远。在量子世界里,“量子芝诺效应”就是在频繁的测量下,一个系统本该发生的量子跃迁、运动或演化被由测量带来的相互作用所抑制或冻结。

杜胜望认为,康奈尔大学的这个实验,并非此前报道所称的“属于亚原子水平的操控”,它的真正意义在于提供了一个很好的原子水平的量子调控范例,实现了一种精确调控光晶格中冷原子量子隧穿的实验手段。

那么,如果真要验证“芝诺效应”是否存在,实验应该如何设计呢?

“千万不要被一些名词的噱头所迷惑而迷失了物理的本质。在古希腊哲学家芝诺眼里,实验者们应该用改变相机的‘拍照频率’,在固定弱激光强度的情况下来影响被测系统的量子状态,那样才更接近原始的‘芝诺效应’。”杜胜望说。

制图:实习编辑:责任编辑:

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