“芝诺效应”被证实：你盯着看就能让原子不动

著名科幻电视剧《神秘博士》中描述了“哭泣天使”，人们只要看着这种像雕塑一样的外星生物，它们就无法移动。在量子世界，“心急水不开”(“A watched pot never boils”)这句谚语常被引用，看来这也许是真的。

《神秘博士》第3季中提到的外星生物哭泣天使(The Weeping Angels)

古希腊的哲学家芝诺（Zeno）有一个悖论：一支在空中飞行的箭，其实是不动的。为什么呢？因为在每个时刻，这支箭都有一个确定的位置，是不动的，所以一支飞行的箭等于千千万万个“不动”的组合。早在20世纪70年代，一些理论物理学家就提出了在量子领域实现芝诺悖论的设想：对一个量子系统进行观测，会导致系统波函数的坍塌，如果对一个量子系统进行持续观察，那么这个量子系统就可能无法演化，停滞在一个状态，陷入到“飞矢不动”的状态。

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10月2日在《物理评论快报》上发表的实验，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。

康奈尔大学的物理学家在真空室里冷却约10亿个铷原子，并利用激光束将这些原子暂停下来。在这种状态下铷原子会像它们在晶体物质中一样有序地排列起来。但即便在这样的低温下，这些原子依旧能在晶格中到处挖隧道。

原来，根据海森堡不确定性原理，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。

研究人员们强调说他们只能通过观察来抑制量子隧道贯穿，也就是所谓的“量子芝诺效应”。

研究人员们通过原子单独的激光成像来观察它们。一个光学显微镜看不到单个的原子，但激光成像能让原子发出荧光，显微镜能够捕捉这种光束。当激光成像结束或者将光调暗，原子就能自由地隧穿。但随着激光束越来越亮、测量越来越频繁，原子隧穿开始急剧减少。

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。