אפקט זנון הקוונטי

אפקט זנון הקוונטי הוא מצב שבו חלקיק לא יציב הנצפה ברציפות, לא ידעך לעולם. התופעה מתרחשת מכיוון שכל מדידה גורמת לקריסה של מצב המערכת לאחד המצבים העצמיים של המערכת. בהקשר של אפקט זה, תצפית יכולה להיות פשוט בליעת החלקיק, ללא צופה במובן הקונבנציונלי.
את התופעה חזה לראשונה הפיזיקאי הסובייטי לאוניד קלפין ב-1958 וב-1977 תיארו אותה ג'ורג' סודרשן וביידיאנאיית' מיסרה (Baidyanaith Misra) מאוניברסיטת טקסס.
מקור השם לאפקט הוא בפרדוקס החץ של זנון מאליאה, שלפיו, מכיוון שחץ בתנועה אינו נע באף רגע נתון, לא ייתכן שהוא נע בכלל.

הגדרה

באופן כללי, ניתן להגדיר את אפקט זנון הקוונטי כאוסף התופעות שבהן שינוי מעוכב על ידי אינטראקציה שיוצרת מצב שיכול להתפרש כמציין אם השינוי טרם התרחש או שכבר התרחש.
על אף שההגדרה לעיל הוצעה כפרשנות לניסוי המסוים של החזרה של אטומים על ידי "מדידה" (בליעה) במראה מחורצת, היא מתארת מגוון גרסאות של האפקט. במכניקת הקוונטים, האינטראקציה נקראת "מדידה" כי התוצאה שלה יכולה להתפרש במושגים של מכניקה קלאסית. מדידות תכופות מעכבות את השינוי, אשר יכול להיות מעבר של חלקיק מאזור מסוים בחלל לאזור אחר, מעבר פוטון בגלבו ממצב אחד לאחר או מעבר של אטום ממצב קוונטי אחד לשני. כל אלה נחשבים יישומים של אפקט זנון הקוונטי. מטבעו, האפקט מתבטא רק במערכות שהמצבים הקוונטיים בהן ניתנים להבדלה (אורתוגונליים) ולכן הוא אינו בר-יישום לתופעות קלאסיות וגופים מקרוסקופיים. הדבר דומה למצב בחור שחור בו החומר הנשאב אליו הופך לדחוס מאוד וצפוף מאוד, והחומר מקיים אינטראקציות (מדידות) רבות עם עצמו עקב הגרביטציה החזקה, ואז השינוי מעוכב (הזמן "מתקתק" בקצב איטי יותר עבור או ביחס לחומר המתקרב לחור השחור, מאשר עבור חומר במקומות אחרים ביקום).

מדידות מחזוריות של מערכת קוונטית

תהי מערכת במצב A, שהוא מצב עצמי של אופרטור המדידה. נניח כי עם מעבר הזמן, המערכת תדעך בהסתברות מסוימת למצב B. אם מדידות מבוצעות באופן מחזורי, עם מרווח זמן סופי ביניהן, כל מדידה תגרום לקריסת פונקציית הגל לערך עצמי של אופרטור המדידה. בין המדידות, המערכת מתפתחת ממצב הערך העצמי לסופרפוזיציה של המצבים A ו-B. כאשר הסופרפוזיציה נמדדת, היא קורסת שוב, למצב A, כמו במדידה הראשונה, או למצב B. עם זאת, ההסתברות לקריסה למצב B, לאחר זמן קצר מאוד t, מתכונתית ל-t², מכיוון שההסתברות של מצב מסוים מתכונתית לריבוע המשרעת, והמשרעת מתנהגת בצורה ליניארית. לכן, בגבול מספר גדול של מרווחים קצרים, עם מדידה בסיום כל מרווח, ההסתברות של התרחשות המעבר למצב B שואפת לאפס.
על-פי תאוריית דה-קוהרנטיות קוונטית, קריסה של פונקציית גל אינה אירוע בדיד ורגעי. מדידה היא תהליך שקול לצימוד חזק של המערכת הקוונטית לסביבה תרמית רועשת לזמן קצר מאוד, וצימוד חזק רציף שקול למדידה תכופה. הזמן שלוקח לפונקציית הגל לקרוס קשור לזמן הדה-קוהרנטיות של המערכת כאשר היא מצומדת לסביבה. ככל שהצימוד חזק יותר וזמן הדה-קוהרנטיות קצר יותר, כך פונקציית הגל תקרוס מהר יותר. כך שבתמונת הדה-קוהרנטיות, יישום מושלם של אפקט זנון תואם לגבול שבו המערכת הקוונטית מצומדת באופן רציף לסביבה, הצימוד הזה חזק במידה אינסופית ו"הסביבה" היא מקור אינסופי של אקראיות תרמית.

ניסויים

באופן ניסויי, דיכוי חזק של התפתחות מערכת קוונטית הודות לצימוד סביבתי נצפה במספר מערכות מיקרוסקופיות.
ב-2001 צפו מרק רייזן וקבוצתו מאוניברסיטת טקסס באפקטי זנון ואנטי-זנון הקוונטיים עבור מערכות קוונטיות לא יציבות, כפי שהוצע על ידי סודרשן ומיסרה. אטומי נתרן בטמפרטורה נמוכה מאוד נלכדו בסריג אופטי מאיץ והאיבוד עקב מינהור קוונטי נמדד. התפתחות המערכת הופרעה על ידי הקטנת התאוצה, ועקב כך עצירת המנהור. הקבוצה תיעדה את התלות של דיכוי קצב הדעיכה או עידודו, באופן המדידה.
ב-1989 צפו דייוויד ויינלנד וקבוצתו ב-NIST באפקט זנון הקוונטי עבור מערכת אטומית של שתי רמות אשר נחקרה במהלך ההתפתחות שלה. כ-5000 יוני בריליום-9 אוחסנו במלכודת פנינג גלילית וקוררו בעזרת לייזר לטמפרטורה נמוכה מ-250 מילי-קלווין. מתקף RF רזוננטי הושם למערכת. אם היה מושם לבדו, היה גורם לכל אוכלוסיית מצב היסוד לנדוד למצב מעורר. לאחר השמת המתקף, היונים נוטרו לפוטונים שנפלטים עקב רלקסציה. אז "נמדדה" מלכודת היונים בקצב גבוה על ידי מתקפי על-סגול, במהלך מתקף ה-RF. בהתאם לצפוי, מתקפי העל-סגול דיכאו את המערכת למצב המעורר. התוצאות היו בהתאמה טובה למודלים התאורטיים.
מעבר אטום אחד מאזור חלל מסוים לאזור אחד, אשר מדוכא על ידי "מדידה" (דה-קוהרנטיות באינטראקציה עם החריצים במראה), ייחשב לעדות ניסיונית של אפקט זנון.

משמעות עבור מדע קוגניטיבי

אפקט זנון הקוונטי הופך לתפישה מרכזית בחקר תאוריות שנויות במחלוקת ולא מוכחות של מודעות תודעה קוונטית בדיסציפלינת המדעים הקוגניטיביים. בספרו "היקום המודע" (The Mindful Universe) טוען הנרי סטפ, פרופסור לפיזיקה קוונטית באוניברסיטת קליפורניה בברקלי, שאפקט זנון הקוונטי הוא השיטה העיקרית שבה התודעה מחזיקה סופרפוזיציה של מצב המוח בתשומת לב. הוא טוען כי תופעה זו היא הדרך שבה הרצון המודע יוצר שינוי, פתרון אפשרי לדיכוטומיית תודעה-גוף.