VIDEO TRANSCRIPTION
Smartgasm
Kwantowy efekt Zenona
Description generated by Skrybot
No description has been generated for this video.
Transcription generated by Skrybot
Jednym z najciekawszych efektów kwantowych jest tak zwany kwantowy efekt Zenona, który jest czasami interpretowany jako układ, nie może się zmienić, gdy go obserwujesz. Cóż to za taki efekt? Przeczytam definicję z Wikipedii i opowiem bardziej szczegółowo. Kwantowy efekt Zenona, zwany czasem kwantowym paradoksem Zenona, w mechanice kwantowej zjawisko spowolnienia ewolucji układu kwantowego przez częste wykonywanie na nim pomiarów. Dodam, że jeśli ciągle wykonywać pomiary, ciągle obserwować układ kwantowy, to ewolucja tego układu całkowicie się zatrzyma, tak jakby dla tego układu zatrzymał się czas, choć trafniej powiedzieć, że stan tego układu się zamraża. Co to wszystko oznacza i jak to wygląda w praktyce? Na początek podam prosty przykład. Jeśli stale obserwować pierwiastek radioaktywny, to nigdy się nie rozpadnie.
Pierwiastek jakby zamraże się w stanie stabilnym. Jak to zawsze była w mechanice kwantowej, można pokazać przykład na kotach. W tym bardzo popularnym filmie, kot zbliża się do nagrywającego tylko wtedy, gdy nie jest nagrywany. Można sobie wyobrazić następującą analogię z kwantowym efektem Zenona. Jeśli stale obserwować kota, to on nie będzie się poruszał, zamarznie w takim stanie. A teraz bardziej szczegółowo. Czym w ogóle jest układ kwantowy? W sumie nim być może każdy układ, dla którego istotne są efekty kwantowe. Zwykle układem kwantowym występują cząsteczki, cząstki elementarne, jądro atomowe itd. W naszym przykładzie rozważymy jądro uranu 235 jako układ kwantowy. Wybrałem to jądro nie bez powodu. Jest radioaktywne.
Do obserwacji, do jakiegoś pomiaru, może znajdować się w dwóch stanach. Stan A, jądro się nie rozpadło i stan B, jądro się rozpadło. Chociaż poprawnie mówić, że przed pomiarem jądro znajduje się w superpozycji tych dwóch stanów. Okres połowicznego rozpadu ma znaczenie dla wielu jądr. W przypadku jednego jądra uranu 235 może ulec rozpadowi w ciągu następnej sekundy. Lub możemy czekać na ten rozpad miliardy lat. Tutaj nie da się zgadnąć, rozpad jest losowy. Jeśli więc stale obserwować to jądro, rozpad nigdy się nie wydarzy. I właśnie tak z grubsza można wyjaśnić kwantowy efekt xenona. A co to w ogóle znaczy obserwować to jądro lub mierzyć stan? Otóż, żeby na przykład na coś popatrzeć, trzeba odbić foton od tego obiektu.
Obserwujemy otoczenie, ponieważ fotony są nieustannie odbijane od otaczających nas obiektów. Lub te fotony emitują się jakimiś obiektami. Jądro uranu możemy umieścić w wiązce laserowej i odbijając od nich fotony, możemy zobaczyć, czy uległy one rozpadowi. Im częściej włączamy ten laser, tym rzadziej jądra uranu będą się rozpadać. Gdy odstęp między pomiarami wyniesie 0, jądra całkowicie przestaną się rozpadać. Realizować w praktyce takie zatrzymania rozpadu bardzo trudno, ponieważ długość w fali światła wiedzialnego jest znacznie większa od średnicy jądra atomowego. Konieczne jest świecenie promieniami gamma w ten sposób, aby rozpad był wykrywany natychmiast. To znaczy, gdy tylko produkty rozpadu opuszczą obszar jądra. W takich warunkach rozpad jądra nigdy nie nastąpi.
I to jest przynajmniej zabawne, a dla wielu może wydawać się dziwne. Ktoś powie, że na przykład w komorze Wilsona obserwujemy rozpad cząstek, przy tym obserwujemy ją w sposób ciągły. Ale przecież w takim przypadku rozpad powinien się zatrzymać. Ale nie. Tak naprawdę w komorze Wilsona wylatujące z jądra cząstki po rozpadzie nie są wykrywane od razu. Ale po pewnym czasie. Ponieważ na poziomie kwantów komora Wilsona ma dużo pustej przestrzeni, cząstka najbliższe jądru rozpadającego się atomu może znajdować się w odległości milionów średnic takich jądr. Jeżeli w komorze Wilsona zapewnione są warunki, w których cząstki po rozpadzie natychmiast wnikają do ośrodka umożliwiającego wykrycie rozpadu, to rozpad nie nastąpi.
Żeby zrozumieć dlaczego to się dzieje, trzeba zrozumieć jak to wygląda na poziomie kwantowym. Ewolucję cząstek w czasie opisuje równanie średniego gier. Rozwiązaniem tego równanie średniego gier jest funkcja falowa. Tutaj muszę się zatrzymać i powiedzieć, że szczegółowo o tym mówiłem w tym filmie. Ale dla lepszego zrozumienia musisz najpierw obejrzeć ten film. Nie każdy ma czas i chęć aby oglądać te filmy, dlatego skrócę ujaśnienie do kilku zdań. Animacja na ekranie pokazuje jak ludzie zwykle wyobrażają sobie ruch cząstki. Dzieje się tak, ponieważ jesteśmy przyzwyczajeni do klasycznych praw fizyki. Praktycznie nie obserwujemy efektów kwantowych. Ruch takiej cząstki opisuje odpowiednio mechanika klasyczna, równanie Newtona.
W mechanice kwantowej ruch cząstki opisuje równanie średniego gier, którego rozwiązaniem jest funkcja falowa. Tak wygląda ruch cząstki w przypadku kwantowym. Te dwa przypadki są jednakowe. Tylko tutaj cząsteczka jest duża, np. jak piłeczka ping-pongowa, a tutaj jest znacznie mniejsza, np. jak elektron. I dlatego wykazuje falową naturę. Tutaj pokazano dwie fale, ponieważ zwykle funkcja falowa jest opisywana liczbami zespolonymi. Niebieski kolor fali jest rzeczywistą, a czerwony jest urojoną częścią liczby zespolonej. Krótko mówiąc, ruch cząstki w mechanice kwantowej jest opisywany w przybliżeniu w taki sposób, jak pokazano na tej animacji, a nie jako ruch piłeczek, jak to często pokazują dla uproszczenia wyjaśnień. Bardzo ważna rzecz.
Im wyżej znajduje się jakiś punkt przestrzeni na tej fali, tym większe prawdopodobieństwo znalezienia tam cząstki po pomiarze. Tu prawdopodobieństwo jest niskie, tu większe, tutaj największe. Po akcie pomiaru funkcja falowa, powiedzmy, zawędża się i pokazuje nam położenie cząstki. Nazywa się to również załamaniem, kolapsem funkcji falowej. Oczywiście po pomiarze najczęściej cząstka będzie zlokalizowana tam, gdzie, powiedzmy, wysokość tej fali jest największa. Wcześniej w filmie padała fraza ewolucja układu. Tę ewolucję można sobie wyobrazić jako ruch cząstki. Ruch cząstki kwantowej, jak powiedziałem, nie wygląda jak ruch piłeczek, ale jako zwykle rozpełzanie się, rozszerzenie tej fali, tak jak na animacji. A teraz kilka ważnych informacji, bardzo ważnych.
Pomiar prowadzi do załamania się funkcji falowej, a załamanie funkcji falowej doprowadza układ do stanu pierwotnego i ewolucja układu zaczyna się od nowa. Rozszerzenie tej fali wraca do pierwotnego stanu, podobne do zatrzymania ruchu kota przez nagrywanie, wiedząc, że on idzie, gdy go nie nagrywasz. Tak samo fala rozszerza się, gdy ją nie obserwujesz. Jeśli mierzymy, obserwujemy cząstkę niezbyt często, istnieje prawdopodobieństwo, że znajdziemy ją poza początkowym kwadratem pokazanym na animacji, ponieważ funkcja falowa będzie miała czas na wystarczające rozszerzenie, na zwiększenie prawdopodobieństwa znaleźć się w innej sekcji, tak? Jeśli obserwujesz układ bardzo często, prawie w sposób ciągły, to funkcja falowania będzie miała czasu na rozszerzenie, cały czas wracając do swojej prawie pierwotnej pozycji.
To jak ciągłe obserwowanie kota uniemożliwiające mu poruszanie się, albo jądro radioaktywne nie rozpadnie się, ponieważ ciągłe wraca do swojego pierwotnego stanu i zaczyna ewolucję od nowa. Tak to wygląda graficznie. Powiedzmy, że rozpad jakiegoś pierwiastka promieniotwórczego podlega prawu wykładniczemu, więc po obserwowaniu tych atomów rozpad będzie występował rzadziej. Bardziej często obserwacja doprowadzi do jeszcze rzadszego rozpadu, a obserwacja ciągła w związku z tym doprowadzi do niemożliwości rozpadu. Inne przykłady. Elektron nie spadnie do niższego poziomu energetycznego i nie wyemietuje fotonu, jeśli jest stale obserwowany. Podczas obserwacji cząstki nie będą tunelować. Temperatura nie spadnie ani nie wzrośnie, jeśli atomy będą stale obserwowane.
W klasycznym świecie można sobie wyobrazić czajnik z wodą, który nigdy nie zagotuje wody, jeśli na niego patrzeć. Tak właśnie działa kwantowy efekt xenon. Takie, powiedzmy, zamrożenie czasu dla układów kwantowych. Przypomnę jednak, że nie ma tu żadnej mistyki. Po prostu każdy pomiar czy obserwacja wpływa na mierzoną cząstkę. Jeśli chodzi o rozpad, obserwacja przewraca jądro prawie do pierwotnego stanu kwantowego, z którego cząstka ponownie próbuje się rozpadać. W związku z tym, jeśli będzie się stale obserwować, to nigdy nie będzie w stanie się rozpaść. W rzeczywistości nie zawsze jest konieczne mierzenie, obserwacja, aby tak się stało. Np. wystarczy rozpraszanie niesprężystego.
Czyli kiedy podczas zderzeń cząstek ich energia kinetyczna nie jest zachowana, zmienia się. A to może spontanicznie zachodzić w wyniku oddziaływania cząstek z otoczeniem. Żaden obserwator nie jest tutaj konieczny. Istnieje również kwantowy efekt antyzenona. Nie trudno zgadnąć, że ten efekt przyspiesza ewolucję układu kwantowego. Np. może przyspieszyć rozpad cząstek. Ten efekt osiąga się również poprzez pomiar z określoną częstotliwością. Ale dla mnie najciekawszym przejawem tego efektu jest przejaw niezwiązany z czasem. Fala elektromagnetyczna ma taką właściwość jak polaryzacja. Można to sobie wyobrazić jako wektor, jako strzałkę zorientowaną w określony sposób. Chociaż zwykle w falie elektromagnetycznej wektor ten obraca się jak wskazółka zegara. Jeśli przygotujesz światło spolaryzowane np.
pionowo, to światło to nigdy nie przejdzie przez poziomy filtr polaryzacyjny. Ale jeśli umieścić 90 takich filtrów i każdy następny odchylić o jeden stopień od pozycji pionowej do pozycji poziomej, to około 97% pionowo spolaryzowanych fotonów przejdzie przez te filtry. Chociaż w przypadku jednego poziomego filtra przechodziło 0 fotonów. A dlaczego przechodzą 97%, a nie 100? Ponieważ odchylenie o jeden stopień można zmniejszyć. Np. za każdym razem można odchylać następny filtr nie o stopień, a o pół stopnie, czy tam 1 dziesiątą stopnie. Wtedy przypuszczam jeszcze więcej fotonów. Jeśli liczba filtrów jest nieskończona, a każde kolejne odchylenie jest o nieskończenie małą część stopnie, to przejdą wszystkie 100% fotonów.
Czy jest jakieś eksperymentalne potwierdzenie tego efektu? Czy ja tylko tak sobie tutaj fantazjuję? Tak, są takie potwierdzenie. Udawało się np. stłumić przejście cząstek w stan wzbudzony, znacząco spowolnić czas rozpadu niestabilnego układu kwantowego, spowolnić proces tunelowania cząstek itd. Niektóre zwierzęta wykorzystują kwantowy efekt xenona do nawigacji w przestrzeni. Być może nasze mózgi również w jakiś sposób wykorzystują ten efekt? Póki co nie wiadomo. I najważniejsze, jakie jest praktyczne zastosowanie tego efektu? Na razie kwantowy efekt xenona praktycznie nie ma zastosowań, ale uważa się, że w przyszłości ten efekt pomoże rozwiązać jeden z najważniejszych problemów na drodze do stworzenia komputerów kwantowych, dekoherencji.
Ogólnie rzecz biorąc, utrzymywanie układów kwantowych w określonym stanie znacznie poprawi nasze zrozumienie fizyki działającej w naszym wszechświecie. No, czyli jak zawsze. Najciekawsze odkrycie czekają nas kiedyś tam w przyszłości. W tym filmie upuściłem wiele szczegółów, niuansów i uprościłem wyjaśnienie, ponieważ postawiłem sobie za cel jedynie zainteresować i zapoznać was z kwantowym efektem xenona. Więc jeśli jesteście zainteresowani tematem i chcecie się w niego zagłębić, dobrze byłoby zacząć od superpozycji i prawdopodobieństw znalezienia układu kwantowego w stanie A i B z upływem czasu. Warto kopać w tym kierunku. Do widzenia plus powodzenia. .
S K R Y B O T
Skrybot. 2023, Video transcriptions from YouTube
By visiting or using our website, you agree that our website or the websites of our partners may use cookies to store information for the purpose of delivering better, faster, and more secure services, as well as for marketing purposes.