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如何理解量子芝诺效应?

已有 2787 次阅读 2022-5-19 00:30 |个人分类:量子力学|系统分类:科普集锦

量子芝诺效应(Zeno effect)是量子体系的一种性质,是指量子态随时间的演化会受到测量的影响。如果持续测量一个量子体系,量子态随时间的演化会减慢甚至停滞。对量子芝诺效应的一种通常描述是:“如果你不停的看着一个量子态,它就不会变化。”或者说,测量导致量子态冻结。

芝诺效应的后果是,量子态的演化时间是不恒定的,因为我们不知道是否存在不可控制的观测因素影响。对于我们经常用到的能级寿命概念(比如,能量寿命测不准关系),就会变得不确定。

Misra和Sudarshan证明了【1】,只要进行连续的测量,量子态的演化就会停滞。证明的简单图像是,时间演化算符t = 0时当然为1,很小的时候,量子态坍缩到另一个态度概率正比与t2,当然t越小,量子态坍缩到自己的可能性越大,越接近于1。也可以理解为:时间演化算符是一个虚指数函数,也就是一个简谐振荡函数,在t = 0时斜率为零,也就是不变,很小的时候斜率仍然接近0,所以连续测量相当于t无限小,自然量子态不变。

证明看起来没有问题,也发现了证实量子芝诺效应的实验,问题是,反例,甚至完全相反的效应(反芝诺效应,Anti-Zeno Effect)也有【2】,也就是测量反而加速了量子态的变化(衰变)。怎么会有不符合证明的实验呢?量子芝诺效应究竟成立呢,还是不成立呢?

文献【1】自己就给了一个反例,那就是为什么云室或者乳胶底片中的粒子衰变不是这样?没有看到它们的衰变寿命受到影响啊?难道粒子不是在被持续观测吗?它的全部运动轨迹都被记录了啊。记录了位置,至少是对位置进行了测量。运动轨迹连续,就是在持续测量啊。

对于量子芝诺效应的有效性,以及反芝诺效应的存在,哥本哈根诠释并不能提供有效解释。

在全局诠释看来,由于测量对量子态的影响,会产生新的全局模式,在新的体系下,原来的量子态可以是新的本征态,也可以不是。如果是新的本征态,而且测量提供了外来的驱动,系统会保持在新的本征态,也就是不变,比如二能级系统实验【3】,以及长寿命原子能级实验,原子钟,等。其实就是测量正好与原能级共振。

如果测量不能产生新的全局模式,比如云室对粒子衰变的测量,那么粒子衰变维持不变。相反的情形是原子的受激辐射,即反芝诺效应。


参考文献:

【1】Misra, B., and E. C. G. Sudarshan. “The Zeno’s Paradox in Quantum Theory”. Journal of Mathematical Physics 18, no. 4 (1977): 756–63. doi:10.1063/1.523304.

【2】Fischer, M. C., B. Gutiérrez-Medina, and M. G. Raizen. “Observation of the Quantum Zeno and Anti-zeno Effects in an Unstable System”. Physical Review Letters 87, no. 4 (2001). doi:10.1103/physrevlett.87.040402.

【3】Itano, Wayne M., D. J. Heinzen, J. J. Bollinger, and D. J. Wineland. “Quantum Zeno Effect”. Physical Review A 41, no. 5 (1990): 2295–2300. doi:10.1103/physreva.41.2295.



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1 王安良

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