原子会被“看”“发呆”吗 芝诺效应是否被证实

■我们的记者王超

事件:

不久前，美国康奈尔大学的研究人员在《物理评论快报》上发表了一项实验，该实验表明使用激光成像来“观察”原子可以抑制它们在光学晶格中的“隧道穿透”。早期的报道称，实验证明原子的空间位置可以通过连续的“观察”来锁定，这就是所谓的“芝诺效应”。

问题:

原子是非常害羞的“小女孩”。如果你盯着他们，他们不会动吗？“芝诺效应”真的被证实了吗？

回答:

古希腊哲学家芝诺曾提出一个著名的悖论，即在每个确定的时间点，一支飞箭都有一个确定的位置，而这支飞箭等于所有这些“确定位置”的组合，所以这支飞箭是静止的。通过无限增加“观察”频率将运动物体变为“不动”的效应称为“芝诺效应”。

“量子理论确实有一个预测——当你观察一个运动的系统时，你的观察可以使系统停止运动。“芝诺效应”在经典力学的框架下似乎很荒谬，但在量子理论中却是可能的。”香港科技大学物理系副教授杜告诉《中国科学》。

在还原实验中，康奈尔大学的研究人员将冷原子腔中大约10亿个铷原子冷却到接近绝对零度，然后将它们装入由六束在空间中以相反方向传播的激光束形成的光学晶格中，这样原子就可以结合在其中形成类似固体晶体的结构。

在实验中，冷却的原子达到“玻色-爱因斯坦凝聚”状态(目前能达到的最低温度)，运动速度接近于零。此时，每个铷原子就像一个单独的粒子，位置的不确定性变得非常大，这使得光学晶格中的原子很容易从一个晶格“穿越”到另一个晶格，也就是说，原子产生“隧道”效应，可以在光学晶格中*移动。激光成像可以使原子发出荧光。显微镜可以捕捉这种荧光并在照相机中成像。

康奈尔大学的研究人员仅通过激光成像观察原子。当激光成像完成或光线变暗时，原子可以*隧穿。然而，随着激光束变得更亮，测量变得更频繁，原子隧穿开始急剧减少。

“这显然是用于‘观察’的激光影响了原子的‘隧穿’。如本文所述，利用外部激光测量光学晶格中的原子气体，可以根据测量强度对系统的影响，由弱测量变为强测量。本文旨在讨论如何利用测量带来的相互作用来影响量子系统的状态杜仔细阅读了论文的原文后说道。

杜介绍说，根据物理学中粒子运动的“海森堡测不准原理”，粒子的位置和速度是一对相互作用的量，不能同时精确地确定。在这个所谓的“量子芝诺效应”实验中，测量不仅是观察者的主动行为，而且是激光从外部强加于系统，从而改变了系统的行为。

从这个角度来看，“量子芝诺效应”仅仅是借用了古希腊的故事，与“芝诺效应”的原意相去甚远。在量子世界中，“量子芝诺效应”是指在频繁的测量下，系统本应发生的量子跃迁、运动或演化被测量带来的相互作用所抑制或冻结。

杜·王声认为，康奈尔大学的实验并不像以前报道的那样是“亚原子水平控制”。它的真正意义在于为原子级量子控制提供了一个很好的例子，实现了一种在光学晶格中精确控制冷原子量子隧穿的实验方法。

所以，如果我们真的想验证“芝诺效应”是否存在，实验应该如何设计？

“不要被某些名词的噱头所迷惑，失去物理学的精髓。在古希腊哲学家芝诺看来，实验者应该在固定弱激光强度的条件下，改变相机的“拍摄频率”来影响被测系统的量子态，从而更接近原始的“芝诺效应”。”杜对说道。

《中国科学日报》(2016年1月12日，第4版)