Трехуровневая атомная энергетическая система

При небольших временах после начала распада, когда амплитуда еще мала, так как частица в основном локализована внутри распадающейся системы, скорость изменения амплитуды, которая определяет скорость распада, также будет малой. Этот удивительный результат, имеющий чисто квантовую природу, можно сформулировать следующим образом: для обеспечения заметной скорости радиоактивного распада необходимо, чтобы волновая функция частицы за пределами распадающейся системы была достаточно велика. В начальные моменты времени, когда волновая функция частицы локализована в основном внутри распадающейся системы, скорость распада близка к нулю. Наблюдения за частицей во внешней области, дающие отрицательный результат, локализуют частицу внутри распадающейся системы, что понижает скорость распада, составляя суть квантовых эффектов Зенона (КЭЗ).

КВАНТОВЫЙ ЭФФЕКТ ЗЕНОНА

Мы знаем, что в квантовой реальности результат измерения параметров микрообъекта определяется самим измерительным прибором и процедурой измерения. Таким образом, теория утверждает, что состояние микрочастицы действительно зависит от порядка и частоты измерения ее состояния, – естественно, с точки зрения классической физики это кажется невозможным и парадоксальным. Подобные эффекты изменения вероятности радиоактивного распада в зависимости от частоты контрольных измерений и носят название квантовых эффектов Зенона (КЭЗ).

Здесь вспоминается парадоксальная ситуация с котом Шрёдингера, ведь в квантовом пределе, при непрерывных измерениях состояния радиоактивного изотопа, начальное (нестабильное) состояние как бы «замерзает» и многострадальный кот наконец‑то обретает вечную жизнь. Правда, надо признать, что пока еще КЭЗ в распадах нестабильных состояний атомов, ядер и элементарных частиц экспериментально не были обнаружены.

Однако КЭЗ для вероятности переходов между атомными уровнями экспериментально наблюдался в конце прошлого столетия для атомной системы с тремя энергетическими уровнями. Суть опытов состояла в том, что время жизни уровня В было выбрано очень малым, так что атом, возбужденный из основного состояния уровня А на уровень В, практически сразу же возвращается обратно, излучая при этом фотоны определенной энергии. Исследователи измеряли число фотонов с энергией обратного перехода, получая при этом число атомов, находящихся в основном состоянии. Затем лазерным облучением атомы, находившиеся в начальном состоянии А, переводились в состояние С. Одновременно измерялось число фотонов с энергией обратного перехода и фиксировалось число атомов основного состояния в определенные моменты времени. При этом наблюдалась удивительная зависимость величины интервалов наблюдения числа атомов в начальном состоянии и вероятности переходов в возбужденное состояние С.

Здесь не совсем понятно, как измерение, при котором, казалось бы, нет никакого взаимодействия между частицей и детектором, может оказать влияние на процесс распада. Для ответа на этот непростой вопрос надо вспомнить, как и почему измерение оказывает влияние на квантовые процессы.

Обратимся к известному мысленному эксперименту с двумя щелями, через которые проходит пучок частиц. Известно, что, если эксперимент ставится так, что в принципе невозможно выяснить, через которую из щелей прошла частица, на экране, расположенном позади щелей, возникает интерференционная картина. Наоборот, если, хотя бы в принципе, это возможно выяснить, интерференции нет. Часто для объяснения причины исчезновения интерференции ограничиваются ссылкой на соотношение неопределенностей Гейзенберга, согласно которому пространственная локализация частицы неизбежно вызывает появление дополнительной неопределенности ее импульса.

Обобщая, можно постулировать, что первопричиной нарушения когерентности различных квантовых состояний микрочастицы является не сам акт макроскопического наблюдения над ней (измерения), а предшествующие ему микропроцессы, в ходе которых рассматриваемая частица взаимодействует неупругим образом с окружающими частицами, изменяя состояния последних. Такое изменение фактически означает, что микрочастица оставляет след в окружающей среде и в соответствии с известными квантовыми принципами не может более принимать участия в формировании интерференционной картины. Если возникшее изменение микроскопического состояния среды в результате последующих процессов в ней вызывает наблюдаемый макроскопический эффект, мы будем иметь дело с реальным измерением, если нет, макроскопическое измерение не будет иметь места. Однако в обоих случаях первичное микроскопическое неупругое взаимодействие между исследуемой микрочастицей и окружающей средой влияет на частицу аналогично, нарушая когерентность ее различных состояний, так как в обоих случаях при рассеянии частицы в среде остается микроскопический след, помечающий атом, на котором произошло рассеяние.

Разница между случаями, когда измерение произведено и когда оно не произведено, но изменение микроскопического состояния среды имеет место, состоит в следующем. В первом случае мы получаем точную информацию о том, какое изменение в среде произошло и в какое именно состояние редуцировалась волновая функция рассеивающегося нейтрона. Во втором же случае мы такой информации не получаем, но понимаем, что суперпозиция когерентных состояний нейтрона, возникших при рассеянии на разных атомах в среде, за счет неупругих взаимодействий нейтрона с этими атомами превратилась в смесь некогерентных состояний, заведомо неспособных интерферировать друг с другом.

Сказанное снимает многие вопросы при обсуждении проблемы влияния наблюдения на квантовые процессы. На самом деле на эти процессы оказывает влияние не сам акт наблюдения, а реальные микроскопические неупругие взаимодействия между исследуемой частицей и частицами окружающей среды, нарушающие когерентность состояний частицы, испытавшей такие взаимодействия. Последнее обстоятельство определяет одно из главных отличий квантовой физики от классической: в классической физике предполагается возможным неограниченное уменьшение силы взаимодействия между физическими системами, что позволяет, по крайней мере в принципе, получать информацию об исследуемой системе, не возмущая ее. В квантовой физике любое измерение, поскольку оно начинается с микроскопического возбуждения в активной среде измерительного прибора, неизбежно влияет на исследуемый квантовый процесс, нарушая когерентность различных состояний исследуемой микросистемы.

Приведенные соображения, однако, еще недостаточны для понимания природы КЭЗ, поскольку реальных неупругих взаимодействий между вылетающей частицей и окружающей средой в условиях возникновения КЭЗ нет. Согласно квантовой теории, микроскопические возбуждения, возникающие в среде при взаимодействии с ней частицы, могут быть как реальными, так и виртуальными. В первом случае состояние среды изменяется необратимым образом, во втором среда возбуждается на короткое время, а затем возбуждение полностью исчезает и среда восстанавливает свое исходное состояние. Виртуальное взаимодействие между микрочастицей и средой ведет к упругому рассеянию частицы в среде. Это рассеяние не разрушает интерференцию, но ведет к уменьшению волновой функции частицы. Так, можно предположить, что виртуальные взаимодействия квантовой частицы с окружающей средой могут оказывать влияние на эффекты, связанные с интерференцией различных квантовых состояний частицы. Этот вывод и позволяет полностью понять природу КЭЗ.

В результате мы вновь приходим к утверждению о невозможности радиоактивного распада при условии осуществления такого непрерывного контроля над вылетающей частицей, в ходе которого частица регистрируется немедленно после ее вылета за пределы распадающейся системы. Теперь мы, однако, понимаем, что причиной возникновения такого парадоксального эффекта является реальное взаимодействие между рассматриваемой частицей и активной средой детектора, которое должно быть очень сильным, если мы хотим обеспечить режим идеального измерения, при котором вылетающая частица имеет нулевую длину свободного пробега в активной среде детектора. При таком взгляде на КЭЗ он теряет таинственность.

Остается только понять, начиная с каких длин свободного пробега вылетающей частицы в активной среде детектора можно наблюдать уменьшение скорости радиоактивного распада. Оценки показывают, что эти длины должны быть очень маленькими, порядка размеров распадающейся системы. Обеспечить такие длины свободного пробега для случая реальных систем, испытывающих радиоактивный распад, практически невозможно.

Таким образом, для физики радиоактивного распада КЭЗ является эффектом принципиально возможным, но труднодостижимым. История обнаружения и исследования КЭЗ свидетельствует, что в современной науке возможны неожиданные явления, для понимания которых требуются новые подходы к известным проблемам. Тем не менее КЭЗ можно считать одним из наиболее оригинальных эффектов, рассматриваемых в квантовой физике за последнее время.

Видимо, вероятностный характер квантовых теорий не соответствует статическим моделям времени, воплощавшимся в теоретической физике прежде. Что касается эмпирического уровня научного познания феномена времени, то с созданием квантовой физики и теории относительности приходит понимание того, что необходимо рассматривать синтетический образ темпоральных процессов. Это было выявлено и подчеркнуто в результате анализа роли прибора и системы отсчета в научном познании. Например, в квантовой физике соотношение неопределенностей накладывает дополнительные ограничения на процедуру измерения времени, с которыми классическая физика не сталкивается. Исходя из вероятностного характера квантовой физики, можно строить потрясающие модели той же суперсимметричной М‑теории, однако представления о времени оказались довольно устойчивыми даже для «транссингулярных бран». А стандартная квантовая теория вообще использует время как самую настоящую классическую переменную, не приписывая ей какие‑то новые сущности. Тем не менее течение времени в микромире имеет свои особенности. Прежде всего это, конечно же, наличие соотношения неопределенности «время – энергия»: ΔtΔE ≥ ħ, гласящее, что мы можем уточнить либо изменение энергии, либо время, за которое оно произошло. Во вторых, весь квантовый мир пронизан колебаниями, определяемыми через частоту опять‑таки временными характеристиками. Ну и, в конце концов, само выражение для планковского кванта действия из соображений размерности распадается на «энергетическую» и «темпоральную» части.

Связано ли направление течения времени с направлением большей части процессов во Вселенной?

Камера Вильсона

Реальные эксперименты по проверке КЭЗ, как и в случае ЭПР‑парадокса, довольно сложны в исполнении. В качестве упрощенной модели можно принять, что исследуемая радиоактивная система находится внутри детектора элементарных частиц (в переохлажденном паре в камере Вильсона или в перегретой жидкости в пузырьковой камере). Тогда продукты радиоактивного распада будут фиксироваться по своим трекам через характерное время их жизни в среде детектора. При этом для обеспечения идеального непрерывного измерения необходимо, чтобы длина свободного пробега частиц стремилась к нулю. В предельном случае при бесконечно частых сверхкратких – «нулевых» актах измерения радиоактивный распад должен прекратиться.