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中国物理学会期刊网  · 公众号  · 物理  · 2017-07-04 10:24

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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。







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