Wissenschaftler verwendeten ein künstliches Atom, um die Möglichkeit aufzuzeigen, Schrödingers Katze auf unbestimmte Zeit am Leben zu erhalten und den Beginn ihres Ablebens zu beschleunigen. Für dies und das müssen Sie nicht einmal in die Kiste schauen, in der genau diese Katze normalerweise sitzt (oder nicht sitzt). Die Verwendung klassischer Analogien wie dieser mag zu stark vereinfacht oder seltsam erscheinen, aber für die Wissenschaft ist dies sehr wichtig. Sie zeigen, wie die Realität auf einer fundamentalen Ebene gefunden wird und zu besseren Werkzeugen führen kann, die Physiker in der Quantentechnik verwenden.
Wissenschaftler der University of Washington in St. Louis beschlossen, sicher herauszufinden, ob es überhaupt notwendig ist, Informationen aus einem Quantensystem zu sammeln - oder einfacher ein Teilchen zu betrachten -, um sein Verhalten zu beeinflussen. Vielleicht reicht "Bremsen"?
Spoiler-Alarm: Sie haben herausgefunden, dass es nicht nötig ist, zuzusehen.
Ein bisschen Geschichte: die Katze, die Kiste und Zenos Effekte
Wenn jemand nicht weiß, was für eine Schrödingers Katze ist, erinnern wir uns an die Legende. Nach der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik hat ein physikalisches Objekt (wie ein Atom) keine spezifischen Eigenschaften, bis wir es messen. Als Reaktion darauf schlug der Physiker Erwin Schrödinger ein Gedankenexperiment vor. Er schlug vor, dass wir, wenn diese Interpretation korrekt ist, die radioaktive Substanz in einen kleinen Behälter neben dem Geigerzähler geben, den Zähler an einen Hammer binden und den Hammer über die Säurekapsel legen könnten, damit er sie zerfällt, wenn das Atom zerfällt.
Wenn wir all dies in eine Kiste mit einer Katze legen, können wir die Eigenschaften des Atoms nicht messen, da das Atom, soweit wir wissen, gleichzeitig zerfällt und nicht zerfällt (deshalb hat es eine Halbwertszeit). Infolgedessen wird die Katze gleichzeitig lebendig und tot sein, bis wir hineinschauen.
Das ist die Legende. Aber sie hat einen doppelten Hintern.
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1974 stellten Wissenschaftler die Frage: Hängt die Lebensdauer eines instabilen Systems von einem Messgerät ab?
Dieses Paradoxon ist als Quanten-Zeno-Effekt bekannt geworden: Was passiert, wenn wir kontinuierlich ein instabiles Atom beobachten? Wird es zerfallen?
Nach dem Zeno-Effekt wird unter ständiger Beobachtung niemals ein einziges Strahlungsteilchen emittiert. 1989 wurde dies erstmals in einem Experiment des US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology demonstriert, und eine seltsame Hypothese wurde zur seltsamen Realität.
Zehn Jahre später wurde der entgegengesetzte Zeno-Effekt vorgeschlagen - der Antisenon-Effekt. Eine häufige Messung eines radioaktiven Atomkerns kann je nach Prozess seinen Zerfall beschleunigen.
Es bleibt nur zu verstehen, was eine "Dimension" ist.
Um so etwas wie ein radioaktives Atom zu messen, es zu beobachten und seine Parameter und Eigenschaften zu lesen, müssen Sie irgendwie damit interagieren, damit die Informationen in irgendeiner Form herauskommen. Dabei kollabieren die vielen Möglichkeiten des Atoms zu einem einzigen Ergebnis, das wir sehen. Aber ist dieser Zusammenbruch die Ursache für den Zeno-Effekt? Oder ist es möglich, den Zerfall eines Atoms zu beschleunigen oder zu verlangsamen, ohne dass es in einen absoluten Zustand zusammenbricht?
Zeno gegen Antisenon
All dies bringt uns zurück zu einem Experiment, das von der University of Washington durchgeführt wurde.
Um festzustellen, ob die Übertragung von Informationen den Zeno- oder Antiseno-Effekt erzwingen würde, verwendeten die Wissenschaftler ein Gerät, das sich in vielerlei Hinsicht wie ein Atom mit vielen Energiezuständen verhält.
Dieses "künstliche Atom" konnte die Hypothese testen, wie Energiezustände - elektromagnetische Moden - diese Effekte beeinflussen könnten.
"Die Geschwindigkeit des atomaren Zerfalls hängt von der Dichte möglicher Energiezustände oder elektromagnetischer Moden für eine bestimmte Energie ab", sagt der Forscher Keiter Merch. „Damit ein Atom zerfällt, muss es in einem dieser Modi ein Photon emittieren. Mehr Mods bedeuten mehr Zerfallsmöglichkeiten, also schnelleren Zerfall. “
Ebenso bedeuten weniger Mods weniger Optionen für den Zerfall, was erklärt, warum ein Atomtopf unter ständiger Überwachung niemals schweißt. Merch und sein Team waren in der Lage, die Anzahl der Modi in ihrem künstlichen Atom zu manipulieren, bevor sie Standardmessungen verwendeten, ihren Zustand jede Mikrosekunde überprüften und seinen "Zerfall" beschleunigten oder verlangsamten.
"Diese Messungen stellen die erste Beobachtung von zwei Zeno-Effekten in einem einheitlichen Quantensystem dar", sagt Merch.
Um sicherzustellen, dass sich Beobachtung oder Interferenz als Schlüssel herausstellten, führten die Wissenschaftler eine sogenannte Quasi-Messung durch, die Interferenzen erzeugt, ohne zum Zusammenbruch des Atomzustands zu führen. Niemand wusste, was das Ergebnis sein würde.
„Die den ganzen Tag gesammelten Daten zeigten jedoch durchweg, dass Quasi-Messungen Zeno-Effekte auf die gleiche Weise wie herkömmliche Messungen erzeugten“, sagt Merch.
Folglich ist es die Verletzung im Messprozess und nicht die direkte Messung selbst, die zum Auftreten der Zeno- und Antiseno-Effekte führt.
In diesem Wissen können wir neue Methoden zur Steuerung von Quantensystemen mithilfe der Zeno-Dynamik anwenden.
Was bedeutet das alles für die Katze des armen Schrödinger?
"Der Zeno-Effekt besagt, dass wir beim Testen der Katze die Zerfallsuhr zurücksetzen und das Leben der Katze retten", sagt der Wissenschaftler Patrick Harrington. „Aber der Trick ist, dass es bei Zenos Effekten um Verstöße geht, nicht um Informationen. Sie müssen also nicht einmal in die Box schauen, um sie auszulösen. Die gleichen Effekte treten auf, wenn Sie nur die Box schütteln."
ILYA KHEL
