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 0,000000001?K. 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.
Комментарии (42)
OldFisher
25.10.2015 13:54+24Атомы, говорите...
artemonster
25.10.2015 14:36+30Как только училка отвернулась — дети творят всякую беззаконную белиберду. Повернулась обратно — все сидят ровно за своими партами.
Понятно же всё!
UDiy34r3u74tsg34
25.10.2015 14:53-1не пойму почему это называют «наблюдением», хотя это воздействие на систему.
По сути выходить, что атомы при температуре 0,000000001?K перестают быть таковыми если на них светить лазерем.
Даже не знаю нужно ли удивляться.
Vindicar
25.10.2015 15:47Ну с другой стороны, любое наблюдение = измерение = воздействие. Просто на макромасштабах это незаметно.
UDiy34r3u74tsg34
26.10.2015 00:15+1Ясно, что воздействие. Вопрос какой % погрешности вносится. А то можно сказать, что протоны в коллайдере стабильны, пока на них не смотрят, и почему-то взрываются от наблюдния.
tree
25.10.2015 17:02Есть какой-то другой способ наблюдать за столь малыми частицами без воздействия? Насколько я понял фишка в том что нельзя.
Halt
25.10.2015 17:36+2Фокус в том, что это противоречит здравому смыслу. Луч лазера должен сообщать энергию веществу, что должно увеличить внутреннюю энергию тела. Соответственно, можно ожидать увеличения хаотичности а не стабилизации.
Vindicar
26.10.2015 10:50Если я правильно путаю, то «лазерное охлаждение» заключается в подборе параметров луча так, чтобы он выборочно сообщал энергию более «горячим» атомам, заставляя их вылететь из ловушки. Из-за этого средняя температура атомов внутри ловушки понижается.
Undiabler
25.10.2015 17:15Я далек от физики, тем не менее в моем представлении все эти приколы с квантовым миром исходят только от того что наблюдатель является достаточно большим объектом по сравнению с предметом наблюдения, поэтому любая попытка наблюдать == воздействию. Даже свет своим фактом воздействия на объекты квантового мира заставляя их вести себя иначе. Исходя из этого либо механизмы наблюдения должны сами по себе быть столь малы что их влиянием можно будет пренебречь (например размером меньше протона), либо наблюдать следует за фактом воздействия, а не за самим действием. Поправьте пожалуйста если в чем-то заблуждаюсь.
petrakov7
25.10.2015 19:05+1Квантовые компьютеры, интерференция на двух щелях, квантовая спутанность — эти явления совершенно не связаны с размером наблюдателя.
egigd
26.10.2015 06:02В том-то и дело, что повышая точность наблюдения мы неизбежно увеличиваем своё воздействие на изучаемую систему. Это — фундаментальное свойство Вселенной, а не просто техническая трудность.
Когда мы определяем положение автомобиля, погрешность в 1 мкм и передача ему при наблюдениях одного фемтоджоуля энергии — это смехотворно. Когда мы наблюдаем за протоном, то и то и другое -фантастически огромно.
Простой наглядный пример: мы не можем наблюдениями в электромагнитном диапазоне определить положение объекта с точностью существенно лучшей, чем длина волны света. При этом чем меньше длина волны света — тем сильнее свет действует на объект. Освещение светом 10 мкм (дальний ИК) может только нагреть объект, но точнее единиц микрон положение не узнать, а освещение светом 0,1 мкм (жёсткий УФ) позволит узнать положение с точностью до десятков нанометров, но вызывает множество химических реакций, так что во многих случаях может объект наблюдений просто уничтожить…
VDG
25.10.2015 22:42Просветите, туннелирование из одного узла решётки в другой происходит мгновенно?
Mrrl
25.10.2015 23:12Да. Но неизвестно, когда именно — в момент t0 атом был в одном узле, в момент t1 оказался в другом. Где-то между ними он протуннелировал, но его в это время не наблюдали.
VDG
26.10.2015 00:12А на какое максимальное расстояние он может «телепортироваться»?
Sychuan
26.10.2015 00:20+1Я всегда думал, что на любое. Но я гуманитарий
VDG
26.10.2015 03:49Если бы на любое, то тогда любой такой сверх-холодный (медленный) атом мог бы прыгнуть на другой конец вселенной, что вряд ли )
PHmaster
26.10.2015 04:40+1Для этого нужно было бы заполнить вселенную охлажденным веществом, чтобы соединить оба конца кристаллической решеткой, нет?
egigd
26.10.2015 06:08Так и есть: как минимум во многих случаях волновая функция частицы не обращается в нуль на любом конечном расстоянии от наблюдателя. Т.е. с какой-то (такой, что ждать этого придётся больше, чем существует Вселенная, но всё-таки) вероятностью в следующий момент времени электрон из нашей установки может оказаться в другой галактике.
НО тут есть интересный момент: все электроны абсолютно неразличимы. И протоны. И нейтроны. И атомы одного изотопа в основном состоянии. И т.д. Т.е. мы никак не можем узнать, что это именно наш электрон/протон/атом оказался там.
Atreyer
26.10.2015 12:17На любое, но вероятность в соответствии с распределением Гаусса.
В двадцатом веке у практиков были проблемы с герметичностью — молекулы воды всё время оказывались там, куда не могли проникнуть теоретически.
Pinguin
26.10.2015 00:08Поясните, пожалуйста! Что же это получается: принцип неопределённости Гейзенберга нарушается? (При наличии подсветки скорости у частиц по-прежнему низкие, а туннелирования уже почти нет)?
egigd
26.10.2015 06:11Вообще-то неопределённость никуда не делась: частица где-то в узле решётки, а скорость у неё какая-то, хоть околосветовая (малая температура говорит только о средней скорости, никак не ограничивая скорость конкретной частицы). В добавок лазер, очевидно, эту систему нагревает, т.е. температуру таки увеличивает.
lamaz
26.10.2015 10:26Объясните, пожалуйста, человеку, который в физике совсем никак не разбирается.
Почему во всех экспериментах, о которых я здесь читаю, используются лазеры? Вот просто везде они. Это что, единственный способ воздействия на частицы на таком уровне?
Bangybug
26.10.2015 21:24Сам не физик, но мне представляется, что всё дело в когерентности, и как следствие, возможности высокочастотной пульсации лазерного луча. Можно настроить частоту лазера так, чтобы она совпала с частотой излучения атома или более мелкой частицы, и когда эта частица попадёт в зону излучения лазера, то образуется резонанс, излучение частицы усиливается, вплоть до флуоресценции.
barabanus
27.10.2015 15:29Одно из важных преимуществ лазера — его можно точно настроить на любую длину волны в широком диапазоне. Недавно читал про один метод, где длина волны настраиваемого лазер управляется разностью фаз между ним и другим лазером с заданной длиной волны.
barabanus
26.10.2015 23:39Я вот подумал, а можно ли с данным открытием организовать передачу данных через спутанные частицы? Передатчик на протяжении равных интервалов времени или непрерывно наблюдает частицу («1») или не наблюдает («0»). Приемная сторона через те же интервалы времени проверяет, изменилось ли состояние частицы-двойника или нет. Если состояние не изменилось, значит передатчик все время наблюдал (передал «1»), если изменилось, значит не наблюдал (передал «0»).
david_mz
27.10.2015 20:45Любое классическое измерение разрушает запутанность. Т. е. один раз измерить можно, а потом всё.
vintage
EndUser
Я так понимаю это вопрос не в том, смотрит ли какой-то познающий субъект, а в том, что подсветка заставляет выдавать интимную информацию наружу отражением подсветки. Это раньше приводило к коллапсу волной функции. А эти ребята сделали измерения вообще серийными, шевельнуться нельзя.
vintage
«Если вы думаете, что понимаете квантовую механику, значит вы её не понимаете» (с) Фейнман
nkie
А может быть все еще проще. Все тот же принцип неопределенности Гейзенберга. При определенной энергии у них была низкая «определенность» с местоположением. Как начали их облучать (а их начали облучать, чтобы получить отраженную картинку), «определенность» с энергией уменьшилась, за счет чего «определенность» с местоположением увеличилась…
Mrrl
Наблюдатель ни при чём. Появилось взаимодействие с частицами внешнего мира, разрушающее квантовые эффекты. Примерно как в двухщелевом эксперименте — когда мы пытаемся выяснить, через какую щель пролетел электрон, интерференция разрушается.
NikitosZs
Упростив всё до ужаса, с огромными оговорками, это можно сравнить с измерением напряжения высокоомного выхода прибора с помощью низкоомного вольтметра, когда сам процесс измерения нарушает эксперимент.
ankh1989
В этом упрощении я понял наверно половину слов :)
NSko
Оно не появилось, оно никуда и не исчезало. «Частицы внешнего мира» как и не внешнего, впрочем, не должны рассматриваться отдельно, скорее как цельная система.
Virtu-Ghazi
Если я правильно понимаю, в этом и есть суть «наблюдения» в квантовой механике — это не «я посмотрел на объект», а «я поймал фотон, провзаимодействовавший с объектом», так что всё правильно. Так же и с интерференцией электрона на двух щелях, собственно.