Квантовый парадокс Зенона

image
Картинка для привлечения внимания, но относящаяся к теме.
Привет, хабр!
Хотите немного размять свои мозги? «Жили-были древние греки. Хорошо жили, потому что вместо них трудились рабы. И было древним грекам очень скучно: работать не привыкли, заняться нечем. Смастерили лиру для музицирования, придумали театр, геометрию, математику, философию и прочие науки, а развлечений всё равно не хватало.
И тут на помощь страждущим пришёл Зенон Элейский с его так называемыми апориями — парадоксами, предназначенными для изрядной нагрузки на мозги современников.

Современники возрадовались: теперь можно было не просто бездельничать, а долго и упорно размышлять над предложенными парадоксами, которые, к тому же, отчасти оправдывали лень».

В самом деле, если движения не существует в принципе, то зачем зря стараться, куда-либо идти и что-то делать, достаточно просто лежать на травке под акациями и мудрствовать лукаво над тайнами Вселенной.
Заинтересовало? Добро пожаловать под хабракат (привёл несколько ссылок на учебники квант.физики).
Почему движения не существует? Сие умозаключение проистекает из знаменитого парадокса, названного «стрела Зенона». Суть в том, что стрела в полёте остаётся неподвижной в каждый отдельно взятый момент времени. Как на фотографическом снимке. Значит, на самом деле… никуда не летит. А если и летит, то только с точки зрения наблюдающих за ней.

В 1958-м году в СССР о данном парадоксе вспомнил Леонид Халфин. В отличие от древних греков, Халфин занимался делом — исследовал вопросы квантовой физики. И выдвинул совершенно мистическую гипотезу. Сначала перескажу её «птичьим» языком. При условии дискретности энергетического спектра, распад квантовых состояний зависит от частоты измерений напрямую. Если наблюдать за нестабильной частицей достаточно часто, то она не распадётся вообще.

Теперь — нормальным языком. Если на нестабильную частицу никто не смотрит, то она обижается от отсутствия внимания к своей персоне и распадается. Но не распадётся до тех пор, пока хоть кому-нибудь интересна. Ибо сам факт наблюдения способствует продлению существования наблюдаемой сущности. Стрела Зенона является летящей до тех пор, пока мы видим, как она летит.

Через двадцать лет американцы решили продолжить исследования своего советского коллеги. В частности, физики Джордж Сударшан и Байдьянат Мизра. Именно они в 1978-м обозначили явление как «Квантовый парадокс Зенона», назвав так свою статью. А в 1989-м поползли слухи о том, что сей эффект якобы подтверждён экспериментально. Видимо, кто-то очень долго пялился на кванты, не позволяя им кануть в небытие.

Оказывается, действию эффекта подвержены не только квантовые состояния чего бы то ни было, но даже распад радиоактивных частиц. Якобы частица то ли распадается медленнее, то ли становится вообще вечной, если рядом с ней поместить счётчик Гейгера или подобный датчик.

Жаль, не хватило датчиков, дабы завалить ими Чернобыльскую АЭС и таким образом ликвидировать последствия аварии…"

Вот так пишут гуманитарии для гуманитариев. Про выводы я помолчу, если захотите, сами прочитаете здесь
Но там вспомнили про то, что Тесла верил в теорию эфира, говорят, что она верна, что теорию относительности ещё не доказали и что один никому не известный советский учёный всё уже доказал: «Учёные просто зарабатывают на коллайдере».

Ох, в действительности, подобное поведение следует из уравнения Шрёдингера.
Если рассматривать вероятность распада радиоактивной частицы, как мы привыкли: w=1 — exp(-t/T), то вероятность распада, если мы измеряем N раз — не меняется.
w=1 — exp(-t/NT)^N=1 — exp(-t/T).
Если же мы будем рассматривать поведение волновой функции в том же процессе, используя уравнение Шрёдингера, то мы увидим зависимость от числа измерений. Более того, при устремлении числа измерений к бесконечности (непрерывном измерении) частица не будет распадаться.

Есть ещё более простое объяснение, без математики, следующее из работ Джона фон Неймана, в частности из гипотезы о существовании редукции фон Неймана(коллапс волновой функции). Это явление мгновенного изменения волновой функции при измерении на собственный вектор.
Поэтому, если часто производить измерения, время на то, чтобы изменить состояние уменьшается, квантовая частица остаётся в своём состоянии.

К примеру, частица может перейти в возбуждённое состояние, тогда наблюдение уменьшит вероятность перехода.
Более сложный и интересный пример: атом переходит из возбуждённого состояния (1) в ещё более высокоэнергетичное (2), откуда может перейти в основное состояние (3) с испусканием фотона определённой частоты. Даже возможность наблюдать этот фотон, не обязательно его наблюдение, говорит о том, что чем вероятнее переход 2-3, тем менее вероятен переход 1-2. Можете прочитать это здесь

Эффект может быть применим для «заморозки» атома в нужном квантовом состоянии, чтобы квантовый компьютер мог считывать информацию, возможно использование для производства коммерческих атомных магнитометров.
Многие считают этот эффект основой мышления людей и уникальной особенности птиц ориентироваться по магнитному полю Земли.
Говорят, группа учёных решила его применить для передачи информации быстрее скорости света.
Кто-то мечтает с его помощью защищать информацию от прочтения третьими лицами. Про это вы можете прочитать, пройдя по этой ссылке. Вообще, это почти неисчерпаемая тема, ведь эта тема имеет множество отсылок к другим темам и говорить об этом можно почти бесконечно.
Спасибо за внимание.
UPD: Спасибо пользователю sheknitrtch за показ ошибки и за перессылку её в диалоги.
Поделиться публикацией
Комментарии 45
    +5
    Якобы частица то ли распадается медленнее, то ли становится вообще вечной, если рядом с ней поместить счётчик Гейгера или подобный датчик.

    А что есть наблюдение?
    Почему, если поставить рядом счетчик Гейгера, это влияет на процесс, а если поставить рядом горшок с цветком, то это не влияет? Цветок же начнет болеть под воздействием радиации. Чем это не наблюдение? А почему нельзя просто камень положить рядом? Почему это не влияет?
      +5
      Дело в том, что причина парадокса — не в наличии наблюдения, а в том, что измерительный прибор обладает так называемым обратным действием на объект (в силу соотношения неопределенности обратное действие всегда присутствует). Цветок в данном случае не является измерителем, поскольку он не находится в непосредственном активном взаимодействии с объектом.
      Конечно, счетчик Гейгера работать не будет — необходим «активный измеритель» — типа луча света (ЭМ излучения), чтобы узнать, перешла ли частица в стабильное состояние. И вот этот измеритель как раз и обладает обратным действием, которое вызывает парадокс Зенона.

      Как я уже посоветовал ниже — можно обратиться к хорошей книжке Quantum measurements, или просто поискать по сети, благо что эффект супер популярный.
        0
        Не сам измерительный прибор — человек или другое существо — если уничтожить собранные данные, не «наблюдая» их, то «частица» также останется волной. А вот если их наблюдать, тогда будет представлена частицей.
        Отсюда: www.youtube.com/watch?v=LW6Mq352f0E
          +1
          Собственно, всё есть волны. Материя, в обычном смысле, есть волна со столь высокой частотой, что волновая природа перестаёт себя проявлять, в силу(говорю простым и наглядным языком) того, что расстояние между полуволнами становится столь малым, что кажется почти прямой. Как пример, если посмотреть из космоса на океан, то волн будет не видно.
            0
            Да, совершенно верно.
              0
              Утро… написал, потом внимательно дочитал то, по поводу чего написал — прошу прощения.

              Точнее будет так: верно, что имеет под собой волновую основу. Другое дело, что с точки зрения квантовой механики материя — это не «уплотнение» волны, а ее преобразование под воздействием наблюдения — как из голографической пленки под действием лазера формируется объемное изображение.
              0
              Поясните пожалуйста, как материя и волны связаны? Ну или пошлите куда нибудь почитать. интересно как частота тут влияет.
                +1
                Вам сюда для начала.
                  +1
                  Если очень просто, то всё есть волны, а частицы есть волновой пакет(цуг). Собственно, вся квантовая физика и оперирует вероятностями(она же статистика), в силу не возможности(даже теоретической) просчитать всю интерференционную картину.
                  Потому и пользуются понятием-частица-распространяющимся солитоном или цугом чего-то в чём-то, на которую мало(но достаточно) воздействует интерференция. На данный момент не известны принципы и уравнения описывающие данные пространство для приемлемого для практического применения нужд. Потому и пользуются статистической моделью. И данная модель носит названия-Стандартная модель.
                  Про волны очень кратко ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D1%8B_%D0%B4%D0%B5_%D0%91%D1%80%D0%BE%D0%B9%D0%BB%D1%8F
                  Очень доходчивая книжка(ещё в 10 классе освоил) 93.190.205.100/main/moya-biblioteka/fizika/knigi/ivanov-b-n-zakony-fiziki/view
                    +1
                    Все же несколько поправок: солитон и цуг две совершенно разные вещи, и волновой пакет — это цуг (солитон — это явление из теории волн в нелиненейной среде).
                    Стандартная модель не имеет отношения к квантовой физике, это теория описывающая микроскопические частицы и их взаимодействия.
                    Кроме того, интерференция тоже не при чем (точнее, она, конечно, проявляется, но не является определяющей статистические свойства).

                    Квантовая физика оперирует вероятностями не из-за невозможности просчитать интерференционную картину, а из-за того, что волны де Бройля характеризуют вероятность обнаружения частицы в том или ином состоянии (например, в данном месте пространства). Конечно, распространяются эти волны в нашем обычном пространстве, а не в «чем-то».
                      0
                      Спасибо, буду осваивать.
                        0
                        А что такое Волны Вероятности. Это по нашему-великий велосипед в физике.)))
                        Солитон-это одиночная волна.
                        Волновой пакет, верно-это цуг.
                        А про остальное-в этом мы не очень хороши. С такими вопросами надо к очень хорошим физикам-теоретикам обращаться, да и хабр место не для обсуждения проблем физики.
                  0
                  Частица всегда является волной, а волна — частицей. Если уничтожить собранные данные — ничего не изменится, потому что согласно постулату о редукции смешанное состояние, в котором находился объект редуцируется до конкретной реализации.

                  Кстати, интересно в этой связи почитать про квантовый дарвинизм.
                  0
                  Активное наблюдение — это, попросту, воздействие на частицу? В таком случае, я не вижу тут никакого парадокса.
                    0
                    Не обязательно на саму частицу. Если мы пытаемся обойти принцип неопределённости Гейзенберга и получить информацию для расчёта выше максимальной теоретически возможной точности по (конкретно в этом случае) параметрам продуктов распада, то частица обидится и не распадётся.
                      0
                      Не совсем понял, что вы имеете в виду. Это прозвучало так, словно частица ЗАРАНЕЕ ЗНАЕТ, что мы собираемся анализировать продукты ее распада.
                        0
                        Что в этом странного? В классическом двухщелевом опыте фотон тоже заранее знает о детекторе.
                          0
                          Нет, неправда. В двухщелевом эксперименте конкертная реализация выбирается в момент измерения.
                            0
                            Ну вот не очень понятно, как он «знает».
                              0
                              Поглядите видео о квантовом стирании. Легко гуглится.
                                0
                                Ээ, нда. Ну и дела.
                                То есть, принцип причинности может не выполнятся.
                        0
                        Дело в том, что обычно (в классике) можно устранить обратное действие на объект. И когда мы говорим про классический измеритель — он у нас «пассивный», то есть не обладает действием на объект. Но в квантовом случае это сложно (хотя тоже можно, но не всегда) — дело в том, что измеряя одну величину мы обязательно возмущаем другую, некоммутирующую с ней (например, измеряем энергию — возмущаем фазу, измеряем импульс — возмущаем координату) — это является фундаментальным следствием принципа неопределенности. Поэтому квантовый измеритель не может быть пассивным, и всегда обязательно возникает обратное действие — и как следствие «парадокс».
                        Хотя, конечно, Вы совершенно правы, как и большинство других явлений, называемых парадоксами (возьмите хотя бы ЭПР парадокс, или кота Шредингера, или парадокс близнецов) — это не является парадоксом, а просто следствие основ теории квантовых измерений.
                        0
                        [..] Цветок в данном случае не является измерителем, поскольку он не находится в непосредственном активном взаимодействии с объектом [..]

                        Это уже наше, человеческое дело — считываем мы показания с наших 'приборов' или нет ;-))
                        Таким образом, думаю, если положить рядом магнит или направить простой луч света — должен иметь место описываемый Вами эффект.

                        И что лично для меня крайне удивительно — не в абы какую сторону, а всегда в сторону увеличения времени жизни!.. Если теория верна конечно. ;-))
                          0
                          На самом деле — не совсем так, потому что магнит будет «измерять» какую-то определенную величину. Равно как и свет. И совсем не всегда обратное действие будет приводить к увеличению времени жизни.

                          Суть в том, что если мы будем измерять энергию системы (то есть, уровень, на котором находится частица), то в этом случае возникнет парадокс. Измерение любой другой величины не приведет ни к чему.
                          Причина в том, что некоммутирующая с энергией величина — фаза, которая получает дополнительную случайную прибавку при измерении энергии. А изменение фазы — есть нарушение когерентности измерений.

                          Можно попробовать рассуждать с классической точки зрения (это только аналогия!) — есть некоторая сила, которая провоцирует переход с одного уровня на другой. Чтобы переход совершился, сила должна «раскачать» частицу. В норме — возникает синхронизация частот и резонанс — частица переходит. Но если мы будем измерять энергию и все время изменять фазу на случайное значение — сила никогда не синхронизуется с частицей, резонанс не разовьется и перехода не будет. Конечно, это просто аналогия, но может поможет в понимании.
                          0
                          А мне уже давно казалось: чем больше коллективный разум ученых пиарит бозон Хиггса, тем больше вероятность, что он будет найден. Это что-то вроде эзотерической адаптации идеи «материальности мысли» из таких фильмов как, например, «Секрет». Или другой пример: одновременные открытия учеными одинаковых законов в разных странах, при том, что связи и интернета тогда не было.
                          Если обобщить, то научные фантасты делают важную вещь: мало того, что пресказывают, так еще и мысленными волнами делают возможными множественные вселенные и другие штуки.
                      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                          +2
                          Очевидно здесь нужен сферический счетчик Гейгера в вакууме вокруг частицы
                          0
                          Возможно я и неправ, но на сколько я понял, когда мы наблюдаем за нестабильной частицей — мы даем ей энергию, за счет чего её состояние не меняется, однако, если оставляем наедине то из-зап нестабильности она меняет свое состояние.
                            0
                            Нечто похожее говорится в описаниях «Слабых Квантовых Измерений». После проведения измерения на частицу оказывают воздействие, возвращающее внутреннее состояние в исходное значение.
                              0
                              Но ведь доп энергия только поможет ей распасться.
                              0
                              Если же мы будем рассматривать поведение волновой функции в том же процессе, используя уравнение Шрёдингера, то мы увидим зависимость от числа измерений. Более того, при устремлении числа измерений к бесконечности (непрерывном измерении) частица не будет распадаться.


                              Если я правильно понял, то вы ссылаетесь на рассчет волновой функции радиоактивной частицы? Не могли бы вы дать ссылку на данный эксперимент или теоретические вычисления?
                                0
                                Речь идет не о радиоактивном распаде, а о переходе частицы в другое квантовое состояние (невозбужденное). Подробнее можно прочитать в любой книжке по квантовой оптике (открываете главу про нелинейные системы и вперед). Я же могу посоветовать прочитать соответсвтующую главу в книжке «Quantum measurements» за авторством Брагинского и Халили.
                                  0
                                  Ок, спасибо. Уже более-менее разобрался. Просто вы слишком бодро от распада перепрыгнули к волновой функции.
                                    +1
                                    Ну, я не автор статьи, просто мимо проходил:)
                                    А так не за что.
                                +3
                                Сей тонкости миропостроения я не знал(
                                Хабр становится заменой membrana.ru.
                                  +2
                                  Ох уж эта квантовая механика.
                                  Хорошо сказал Ландау «Картина настолько фантастическая, что человеческое воображение часто уже отказывается служить»
                                  youtu.be/E6frZz-Km6s?t=19s
                                  А насчет теории относительности, их было всего 3 у Эйнштейна, 2 завершенные «Специальная» и «Общая», а вот «Квантовую» он или не успел завершить, или не захотел публиковать.
                                    +1
                                    Он, вроде, был против квантовой механики. И считал принцип Гейзенберга не принципиальной невозможностью, а только нашей, пока, неспособность.
                                    +1
                                    Эффект интересный, но зачем вы добавили в статью столько псевдонаучного бреда? Не разбираетесь в сути эффекта — лучше ничего не пишете, чем дезинформировать других.
                                      0
                                      А почему статья в блоге BrainFuck?
                                        +7
                                        Кто над чайником стоит, у того он не кипит.
                                          +1
                                          >>Жаль, не хватило датчиков, дабы завалить ими Чернобыльскую АЭС и таким образом ликвидировать последствия аварии…"
                                          По-моему где-то тут вкралось противоречие.
                                            0
                                            Ну почему же. Измеряя ионизирующее излучение, счетчик Гейгера поглощает его. Так что, если использовать счетчики Гейгера в качестве экранов — то вполне можно экранировать ими источник. Только вот дороговато получается. Дешевле экранировать свинцом.

                                            Ну а конкретно на Чернобыльской АЭС после аварии было множество проблем, кроме собственно радиации. Был расплав активной зоны, в котором возникло критическое состояние (пожар вечером 26 апреля и последующие радиоактивные выбросы). Так что там одной лишь экранировкой нельзя было обойтись. Также было залитие щитов и кабельного хозяйства водой, из-за чего сложилась угроза потери охлаждения оставшихся трех реакторов, особенно на 3-м энергоблоке. Если бы не героизм работников АЭС в первые дни после аварии — имели бы подобие Фукусимы с четырьмя разрушенными энергоблоками.
                                              +1
                                              >>Якобы частица то ли распадается медленнее, то ли становится вообще вечной, если рядом с ней поместить счётчик Гейгера или подобный датчик.
                                            +1
                                            Правильно, если комнату никто не видит, зачем прогружать локацию? Никто не смотрит — этого нет. Смотрят — есть. Не проверить никак.
                                              0
                                              Ну всё верно же. Распад частицы — процесс случайный, вероятностный. Если случайная величина распределенная в ненулевом диапазоне числовой шкалы, то вероятность выпадения конкретного числа из этого диапазона равна нулю, поскольку чисел в диапазоне бесконечное множество. Хотя есть и другая теория случайных величин, отрицающая это утверждение.

                                              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                              Самое читаемое