Quanten-Zeno-Effekt
Der Quanten-Zeno-Effekt ist ein Effekt der Quantentheorie, bei der ein spontaner Übergang eines Systems von einem Zustand in einen anderen (z.B. der Zerfallsvorgang eines radioaktiven Atomkernes, oder die Lichtaussendung eines angeregten Atoms) durch reine Beobachtung verhindert werden kann. Der Gedankengang geht zurück auf das Pfeil-Paradoxon von Zenon von Elea (auch Zeno genannt), ein antiker Philosoph, der auch das Paradoxon von Achilles und der Schildkröte aufgestellt hat.
Grob funktioniert die Argumentation folgendermaßen:
Wenn ein Atom spontan zerfällt, dann tut es das nach der Quantenmechanik nicht zu einem vorbestimmten Zeitpunkt, sondern es geht zunächst in eine Superposition (Überlagerung) der Zustände A "nicht zerfallen" und B "zerfallen" über. Von diesem Überlagerungszustand aus gibt es dann eine gewisse Wahrscheinlichkeit, mit der der Zerfall geschieht. Bei einem spontan zerfallenden System steigt diese Wahrscheinlichkeit mit der freien Zeitentwicklung. Wenn nun zu einem gewissen Zeitpunkt nachgesehen (gemessen) wird, ob das Atom bereits zerfallen ist oder nicht, so findet man aufgrund der Tatsache, dass nur Eigenzustände des Messoperators und keine Überlagerungszustände detektiert werden können, entweder Zustand A "Atom zerfallen" oder B "Atom nicht zerfallen" vor, wobei die Wahrscheinlichkeit durch den Anteil des jeweiligen gemessenen Zustands in der Überlagerung gegeben ist. Durch den Messprozess selber Wird die Wellenfunktion reduziert zu Zustand A oder B (siehe auch Kollaps der Wellenfunktion, Schrödingers Katze).
Wenn nun am Anfang das Atom im Zustand A "nicht zerfallen" ist, dann ist nach sehr kurzer Zeit die Beimischung des Zustands B "zerfallen" noch sehr klein. Wenn man nun nachsieht, ob das Atom bereits zerfallen ist, wird es mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit noch nicht zerfallen sein. Durch die Beobachtung geht es in diesem Fall jedoch wieder in den Eigenzustand A "nicht zerfallen" über, und der Zerfall beginnt wieder bei Null.
Insgesamt bekommt man somit bei häufiger Beobachtung eine Zerfallsrate, die deutlich unter der "unbeobachteten" Zerfallsrate liegt. Lässt man die Abstände der Beobachtungen gegen Null gehen (was einer Dauerbeobachtung gleichkommt), so geht auch die Zerfallswahrscheinlichkeit gegen Null, d.h. das dauernd beobachtete Atom sollte aufgrund dieser Beobachtung gar nicht mehr zerfallen.
Der Quanten-Zeno-Effekt wurde an der Universität von Texas in Austin experimentell bestätigt.
Siehe auch: Anti-Zeno-Effekt, Zenon von Elea, Quantenmechanische Messung
Beispiel: Zeno-Effekt in der Optik
Eine weitere Möglichkeit den Zeno-Effekt zu beobachten ist eine Anordnung aus einer Lichtquelle und Polarisatoren. Nebenstehende Abbildung zeigt das. Nach dem Durchlaufen eines Polarisators ist der vorher unpolarisierte Lichtstrahl parallel zur Polarisatorachse polarisiert (siehe auch Quantenmechanische Messung). Dies ist in den ersten zwei "Zeilen" der Abbildung verdeutlicht. Fügt man einen zweiten, im Gegensatz zum ersten um den Winkel verdrehten Polarisator hinzu, so wird auch die Polarisationsrichtung weiter gedreht. Dabei geht etwas Intensität, gegenüber dem polarisierten Strahl verloren, da nur die Projektion der Schwingungsebene auf die Polarisatorachse durchgelassen wird. Die Transmission ist damit proportional zu . Fügt man nun viele Polarisatoren hinterinander (Grenzfall: ), die jeweils zueinander nur um einen infinitesimalen Winkel verdreht sind, so ist der Verlust pro Polarisator minimal und geht im Grenzfall gegen null. Somit kann man beliebige Polarisationsdreher bauen. Dieses Szenario entspricht der oben beschriebenen kontinuierlichen Messung.
Literatur
- M. C. Fischer, B. Gutiérrez-Medina, and M. G. Raizen, Observation of the Quantum Zeno and Anti-Zeno effects in an Unstable System ,Physical Review Letters 87, 040402 (2001).