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Quanten-Zeno-Effekt

Quanten-Zeno-Effekt

Der Quanten-Zeno-Effekt ist ein Phänomen in der Quantenphysik, bei dem die Beobachtung eines Teilchens verhindert, dass es zerfällt, wie es ohne die Beobachtung der Fall wäre.

 

Klassisches Zeno-Paradoxon

Der Name stammt von dem klassischen logischen (und wissenschaftlichen) Paradoxon des alten Philosophen Zeno von Elea. In einer der einfacheren Formulierungen dieses Paradoxons müssen Sie die Hälfte der Entfernung zu diesem Punkt überqueren, um einen entfernten Punkt zu erreichen. Aber um das zu erreichen, muss man die halbe Strecke zurücklegen. Aber zuerst die Hälfte dieser Entfernung. Und so weiter … so dass sich herausstellt, dass Sie tatsächlich unendlich viele halbe Strecken zurücklegen müssen und es daher nie schaffen können!

 

Ursprünge des Quanten-Zeno-Effekts

Der Quanten-Zeno-Effekt wurde ursprünglich in der 1977 erschienenen Arbeit „Das Zeno-Paradoxon in der Quantentheorie“ (Journal of Mathematical Physics, PDF. vorgestellt, die von Baidyanaith Misra und George Sudarshan verfasst wurde.

In dem Artikel ist die beschriebene Situation ein radioaktives Teilchen (oder, wie im ursprünglichen Artikel beschrieben, ein „instabiles Quantensystem“). Nach der Quantentheorie besteht eine bestimmte Wahrscheinlichkeit, dass dieses Teilchen (oder „System“) in einem bestimmten Zeitraum einen Zerfall in einen anderen Zustand durchläuft als den, in dem es begonnen hat.

Misra und Sudarshan schlugen jedoch ein Szenario vor, in dem die wiederholte Beobachtung des Partikels tatsächlich den Übergang in den Zerfallszustand verhindert. Dies mag sicherlich an die gängige Redewendung „Ein beobachteter Topf kocht nie“ erinnern, außer dass dies anstelle einer bloßen Beobachtung der Schwierigkeit der Geduld ein tatsächliches physikalisches Ergebnis ist, das experimentell bestätigt werden kann (und wurde).

 

Wie der Quanten-Zeno-Effekt funktioniert

Die physikalische Erklärung in der Quantenphysik ist komplex, aber ziemlich gut verstanden. Betrachten wir zunächst die Situation so, wie sie normal abläuft, ohne den Quanten-Zeno-Effekt bei der Arbeit. Das beschriebene „instabile Quantensystem“ hat zwei Zustände, nennen wir sie Zustand A (den nicht verfallenen Zustand) und Zustand B (den zerfallenen Zustand).

Wenn das System nicht beobachtet wird, entwickelt es sich im Laufe der Zeit vom nicht verfallenen Zustand zu einer Überlagerung von Zustand A und Zustand B, wobei die Wahrscheinlichkeit, sich in einem der beiden Zustände zu befinden, auf der Zeit basiert. Wenn eine neue Beobachtung gemacht wird, kollabiert die Wellenfunktion, die diese Überlagerung von Zuständen beschreibt, entweder in Zustand A oder B. Die Wahrscheinlichkeit, in welchen Zustand sie kollabiert, basiert auf der verstrichenen Zeit.

Es ist der letzte Teil, der der Schlüssel zum Quanten-Zeno-Effekt ist. Wenn Sie nach kurzer Zeit eine Reihe von Beobachtungen machen, ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich das System während jeder Messung im Zustand A befindet, dramatisch höher als die Wahrscheinlichkeit, dass sich das System im Zustand B befindet. Mit anderen Worten, das System kollabiert immer wieder zurück in den verfallenen Zustand und hat nie Zeit, sich in den verfallenen Zustand zu entwickeln.

So kontraintuitiv dies auch klingt, dies wurde experimentell bestätigt (ebenso wie der folgende Effekt).

 

Anti-Zeno-Effekt

Es gibt Hinweise auf einen gegenteiligen Effekt, der in Jim Al-Khalilis Paradoxon als „das Quantenäquivalent dazu beschrieben wird, auf einen Kessel zu starren und ihn schneller zum Kochen zu bringen. Obwohl er noch etwas spekulativ ist, geht diese Forschung einigen zu Herzen von den tiefgreifendsten und möglicherweise wichtigsten Bereichen der Wissenschaft im 21. Jahrhundert, wie zum Beispiel dem Aufbau eines sogenannten Quantencomputers. “ Dieser Effekt wurde  experimentell bestätigt.

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