编译 雨遇

我们熟悉的经典物理学告诉我们，如果我们想要研究一个物理对象，可以把这个研究对象从周围环境中分离出来，只要知道足够的信息，就可以完全预知它接下来的所有运动行为。同时，在经典物理学里当我们观察一个物理量时，不会对这个观察对象本身造成任何扰动。比如一个做自由落体的小球，知道了一定的初始条件和受力情况，我们完全可以预见它在降落过程中任何时候的位置，速度，加速度等信息，它的运动也完全不会由于是否我们观看它而发生任何改变。而这个经典物理假定在量子力学理论中被认为是完全错误的，在量子系统中，即使我们可以找到一个最佳可控的简单系统，也不能保证可以完全预知这个研究对象接下来的所有物理特性， 每次测量都会对被测物造成扰动而影响测量结果。可以说经典系统和量子系统最本质的区别就在于系统对测量的响应，经典系统里测量不会对系统造成扰动，而对量子系统的测量会影响整个系统。

量子理论预言当你观察一个运动系统时，你的目光可以让这个系统停止运动。这听起来非常荒谬，但最近这个奇怪的理论被康奈尔大学的实验物理学家证实。借助各种原子冷却技术，康奈尔大学超冷实验室的Mukund Vengalattore 教授和他的学生们观察到：把冷却到接近绝对零度的原子装载在光晶格中，开始时，由于“隧道”效应，这些原子可以从一个格子跳到另一个格子，随意运动。但是如果持续观察，这种跳动就会停止下来。这跳来跳去的原子，仿佛能明白你在看它，如果你一直盯着它看，它就也停下来，盯着你，不动了。这种现象被称为“量子芝诺效应”，是为纪念希腊哲学家芝诺(490-430 BC)而命名的。芝诺曾提出，如果一段距离可以无限二等分下去的话，一个运动的箭头就永远不能达到它的目的地，因为总有一半距离要走，这就是无限微积分理论。

“量子芝诺效应”是指一个非稳态的粒子，如果你保持观察它，它就不会衰变， 或者说他的状态就被锁定。1935年，奥地利物理学家薛定谔就指出，“芝诺效应”在经典力学的框架上似乎是荒谬的，但在量子理论下，它是可能的。比如一个原子的衰减过程会因为测量(人的观察)而遭到破坏。他为此提出了一个著名的假想实验，被后人戏称为“薛定谔猫”。这个假想实验指出：虽然在量子系统中，粒子的存在状态是一切可能状态的统计分布，在测量前，人们不能确定它处在哪个状态，但是一旦测量，系统就被锁定(塌缩)到某个状态，而如果你一直保持在这个测量状态(就是说一直观察它)，系统就不会改变，也就是说不会从一个状态跳到另一个状态。

虽然过去人们已经使用其他亚原子系统，比如“自旋”状态，证明了“芝诺效应”，但康奈尔大学的物理学家发表在《物理评论快报》上的这个实验，首次证明原子真实的空间位置可以通过观察而被锁定。这个实验的成功为人们操控亚原子水平量子系统提供了新的方法，人们也有可能据此技术制造出新型高灵敏传感器。

科学家们首先把冷原子腔内的大约10亿个原子冷却到接近绝对零度，即达到“波色爱因斯坦凝聚”状态，这时所有的原子都处在同一状态，它们的行动就像一个单粒子。然后他们把这些原子装载到光晶格中。光晶格是用六束激光在空间对向传输形成的周期性势能结构，原子可以被束缚在这些周期性势能结构中，形成类似固体晶体的结构。根据海森堡不确定原理，一个粒子位置和速度是一对相互作用量，不能同时精确决定。而热力学理论也指出，一切分子，原子等粒子都处在不停的无规则运动中，分子或原子的热运动与物体的温度有关，温度越低，运动速度越慢，直到绝对零度下所有热运动停止。但绝对零度我们永远无法达到，“波色爱因斯坦凝聚”状态是目前能够达到的最低温度，只比绝对温度高0.000000001K，这时原子运动速度已经接近于零。那么位置的不确定性变得很大，所以束缚在光晶格中原子很容易从一个晶格“穿越”到另一个晶格，这种 “隧道”效应，使原子可以在格子中随意运动。

为了观察光晶格中原子的运动，科学家在他们的冷原子腔中放置了高精度显微镜并用另一束激光照射腔中的原子。光学显微镜本身观察不到每个原子，但激光导致这些原子发射荧光，显微镜可以通过观察这些原子发射的荧光而确定原子的位置。利用这个技术，他们观察到，开始时，由于“隧道”效应，这些原子可以从一个格子跳到另一个格子，随意运动。但是如果加快测量频率，或者说增加激光的强度，这种跳动就会减慢下来，测量频率越快，跳动就越慢。“隧道”效应被大大压缩，这正是“量子芝诺效应”的体现。

这个实验能够成功的关键就在于他们采用了这个被称为“边带冷却”的图像技术， 这篇文章的作者，研究生Yogesh Patil说，这个技术使人们可以精密控制原子与光晶格系统，整个系统对外界干扰非常灵敏，所以也可以据此开发非常灵敏的传感器，比如可以用这个传感器测量重力的细微变化。而地球表面重力的细微变化又可以用来定位地下矿藏。这个发现也将对实现量子计算机产生巨大的影响。

大众媒体看待这个实验就像是在看《神秘博士》电视连续剧(“Dr. Who”)中所描绘的“哭泣的天使”一样----当你盯着看它时，那些外星人就突然变成了一座雕像，不再移动。“看来由于我们不停的看来看去，量子事件都没法发生”，Patil开玩笑地说，“心急水不开”(“A watched pot never boils”)， 这句谚语说的也许是真实的。

参考文献：

1. Y. S. Patil et al. Measurement-Induced Localization of an Ultracold Lattice Gas, Physical Review Letters (2015)
2. Y. S. Patil et al. Nondestructive imaging of an ultracold lattice gas, Physical Review A (2014)

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