التجارب تعويذ الموت لعقود - شرح قديم لغرابة الكم

كيف ينبثق الواقع الموضوعي من لوحة الاحتمالات التي توفرها ميكانيكا الكم؟ هذا السؤال - وهو القضية الأعمق والأكثر إثارة للانزعاج الذي تطرحه النظرية - لا يزال موضوعًا للحجج منذ قرن من الزمان. لقد تضاعفت التفسيرات المحتملة لكيفية حصول ملاحظات العالم على نتائج "كلاسيكية" محددة ، بالاعتماد على تفسيرات مختلفة لما تعنيه ميكانيكا الكم ، خلال تلك المائة عام أو نحو ذلك.

لكننا الآن قد نكون مستعدين للتخلص من مجموعة واحدة على الأقل من المقترحات. حشدت التجارب الحديثة الحساسية الشديدة لأدوات فيزياء الجسيمات لاختبار فكرة أن "انهيار" الاحتمالات الكمومية في واقع كلاسيكي واحد ليس مجرد راحة رياضية بل عملية فيزيائية حقيقية - وهي فكرة تسمى "الانهيار المادي". لم تجد التجارب أي دليل على التأثيرات التي تنبأت بها أبسط أنواع نماذج الانهيار هذه على الأقل.

لا يزال من السابق لأوانه القول بشكل قاطع أن الانهيار الجسدي لا يحدث. يعتقد بعض الباحثين أنه لا يزال من الممكن تعديل النماذج للهروب من القيود المفروضة عليها من خلال النتائج الفارغة للتجارب. لكن بينما "من الممكن دائمًا إنقاذ أي نموذج" ، قال ساندرو دونادي، عالم فيزياء نظرية في المعهد الوطني للفيزياء النووية (INFN) في تريست ، إيطاليا ، والذي قاد إحدى التجارب ، يشك في أن "المجتمع سيستمر في تعديل النماذج [إلى أجل غير مسمى] ، حيث لن يكون هناك الكثير لنتعلمه من خلال القيام بذلك." يبدو أن الخناق يضيق على هذه المحاولة لحل أكبر لغز في نظرية الكم.

ما الذي يسبب الانهيار؟

تهدف نماذج الانهيار الفيزيائي إلى حل معضلة مركزية في نظرية الكم التقليدية. في عام 1926 اروين شرودنغر أكد أن كائنًا كميًا موصوفًا بواسطة كيان رياضي يسمى دالة موجية ، والتي تلخص كل ما يمكن قوله عن الكائن وخصائصه. كما يوحي الاسم ، تصف الدالة الموجية نوعًا من الموجة - ولكن ليس الموجة المادية. بدلاً من ذلك ، إنها "موجة احتمالية" تسمح لنا بالتنبؤ بالنتائج المحتملة المختلفة للقياسات التي تم إجراؤها على الجسم ، وفرصة مراقبة أي منها في تجربة معينة.

إذا تم إجراء العديد من القياسات على مثل هذه الكائنات عند تحضيرها بطريقة متطابقة ، فإن الدالة الموجية تتنبأ دائمًا بشكل صحيح بالتوزيع الإحصائي للنتائج. لكن لا توجد طريقة لمعرفة ما ستكون عليه نتيجة أي قياس منفرد - تقدم ميكانيكا الكم الاحتمالات فقط. ما الذي يحدد ملاحظة معينة؟ في عام 1932 ، اقترح الفيزيائي الرياضي جون فون نيومان أنه عند إجراء القياس ، فإن الدالة الموجية "تنهار" في إحدى النتائج المحتملة. هذه العملية عشوائية بشكل أساسي ولكنها منحازة بالاحتمالات التي تشفرها. لا يبدو أن ميكانيكا الكم نفسها تتنبأ بالانهيار ، والذي يجب إضافته يدويًا إلى الحسابات.

كخدعة رياضية مخصصة ، فهي تعمل بشكل جيد بما فيه الكفاية. لكن بدا (ولا يزال يبدو) لبعض الباحثين خفة يد غير مرضية. شبهه أينشتاين بشكل مشهور بلعب الله النرد ليقرر ما يصبح "حقيقيًا" - ما نلاحظه بالفعل في عالمنا الكلاسيكي. أعلن الفيزيائي الدنماركي نيلز بور ، في ما يسمى بتفسير كوبنهاغن ، ببساطة عن المشكلة خارج الحدود ، قائلاً إن على الفيزيائيين فقط قبول تمييز أساسي بين النظام الكمي والأنظمة الكلاسيكية. في المقابل ، أكد الفيزيائي هيو إيفريت في عام 1957 أن انهيار وظيفة الموجة هو مجرد وهم وأن جميع النتائج في الواقع تتحقق في عدد لا حصر له من الأكوان المتفرعة - ما يسميه الفيزيائيون الآن "عوالم كثيرة".

الحقيقة هي أن "السبب الأساسي لانهيار الدالة الموجية غير معروف حتى الآن" إينوك كيم، عالم فيزياء في مختبر لورانس ليفرمور الوطني في كاليفورنيا. "لماذا وكيف يحدث ذلك؟"

في عام 1986 ، قام الفيزيائيون الإيطاليون جيانكارلو غيراردي وألبرتو ريميني وتوليو ويبر اقترح إجابة. وقالوا ، ماذا لو لم تكن معادلة شرودنجر الموجية هي القصة الكاملة؟ لقد افترضوا أن النظام الكمي يتم تحفيزه باستمرار من خلال بعض التأثيرات غير المعروفة التي يمكن أن تحفزه على القفز تلقائيًا إلى إحدى الحالات التي يمكن ملاحظتها في النظام ، على مقياس زمني يعتمد على حجم النظام. سيبقى النظام الصغير المعزول ، مثل الذرة في تراكب كمي (حالة يكون فيها العديد من نتائج القياس ممكنة) ، على هذا النحو لفترة طويلة جدًا. لكن الأجسام الأكبر - قطة ، على سبيل المثال ، أو ذرة عندما تتفاعل مع جهاز قياس عياني - تنهار إلى حالة كلاسيكية محددة جيدًا على الفور تقريبًا. كان ما يسمى بنموذج GRW (بعد الأحرف الأولى للثلاثي) هو أول نموذج انهيار مادي ؛ فيما بعد التنقيح يُعرف بنموذج التوطين التلقائي المستمر (CSL) الذي يتضمن انهيارًا تدريجيًا ومستمرًا بدلاً من قفزة مفاجئة. قال الفيزيائي إن هذه النماذج ليست تفسيرات كثيرة لميكانيكا الكم بقدر ما هي إضافات لها ماجدالينا زيخ من جامعة كوينزلاند في أستراليا.

ما الذي يسبب هذا التوطين التلقائي عبر انهيار وظيفة الموجة؟ لا يقول طرازا GRW و CSL ؛ يقترحون فقط إضافة مصطلح رياضي إلى معادلة شرودنغر لوصفه. لكن في الثمانينيات والتسعينيات من القرن الماضي ، اقترح عالم الفيزياء الرياضية روجر بنروز من جامعة أكسفورد ولايوس ديوسي من جامعة إيتفوس لوراند في بودابست بشكل مستقل سببًا محتملاً للانهيار: الجاذبية. بشكل فضفاض ، كانت فكرتهم أنه إذا كان الجسم الكمومي في تراكب المواقع ، فإن كل حالة موقع "ستشعر" بالآخرين من خلال تفاعل الجاذبية. يبدو الأمر كما لو أن هذا الانجذاب يتسبب في قيام الكائن بقياس نفسه ، مما يؤدي إلى الانهيار. أو إذا نظرت إليها من منظور النسبية العامة ، التي تصف الجاذبية ، فإن تراكب المواقع المحلية يشوه نسيج الزمكان بطريقتين مختلفتين في وقت واحد ، وهو ظرف لا تستطيع النسبية العامة مواءمته. كما قال بنروز ، في المواجهة بين ميكانيكا الكم والنسبية العامة ، سيتصدع الكم أولاً.

اختبار الحقيقة

لطالما كانت هذه الأفكار تخمينية للغاية. ولكن ، على عكس تفسيرات ميكانيكا الكم مثل تفسيرات كوبنهاجن وإيفريت ، فإن نماذج الانهيار الفيزيائي لها ميزة تقديم تنبؤات يمكن ملاحظتها - وبالتالي فهي قابلة للاختبار وقابلة للتزوير.

إذا كان هناك بالفعل اضطراب في الخلفية يثير الانهيار الكمي - سواء كان ناتجًا عن تأثيرات الجاذبية أو أي شيء آخر - فستتفاعل جميع الجسيمات باستمرار مع هذا الاضطراب ، سواء كانت في حالة تراكب أم لا. يجب أن تكون العواقب من حيث المبدأ قابلة للكشف. قالت كاتالينا كورشينو ، عالمة الفيزياء في INFN ، إن التفاعل يجب أن يخلق "تعرجًا دائمًا للجسيمات في الفضاء" يمكن مقارنته بالحركة البراونية.

تشير نماذج الانهيار الفيزيائي الحالية إلى أن هذه الحركة المنتشرة طفيفة جدًا. ومع ذلك ، إذا كان الجسيم مشحونًا كهربائيًا ، فإن الحركة ستولد إشعاعًا كهرومغناطيسيًا في عملية تسمى bremsstrahlung. وبالتالي ، يجب أن تُصدر كتلة من المادة باستمرار تيارًا خافتًا جدًا من الفوتونات ، والتي تتنبأ الإصدارات النموذجية من النماذج بأنها تقع في نطاق الأشعة السينية. دونادي وزميله أنجيلو باسي لديك أظهرت من المتوقع انبعاث مثل هذا الإشعاع من أي نموذج للانهيار التلقائي الديناميكي ، بما في ذلك نموذج Diósi-Penrose.

ومع ذلك ، قال كيم: "في حين أن الفكرة بسيطة ، إلا أن الاختبار في الممارسة العملية ليس بهذه السهولة". الإشارة المتوقعة ضعيفة للغاية ، مما يعني أن التجربة يجب أن تتضمن عددًا هائلاً من الجسيمات المشحونة للحصول على إشارة يمكن اكتشافها. ويجب إبقاء ضوضاء الخلفية - التي تأتي من مصادر مثل الأشعة الكونية والإشعاع في البيئة - منخفضة. لا يمكن تلبية هذه الشروط إلا من خلال التجارب الأكثر حساسية للغاية ، مثل تلك المصممة لاكتشاف إشارات المادة المظلمة أو الجسيمات المراوغة التي تسمى النيوترينوات.

في عام 1996 ، Qijia Fu من كلية هاميلتون في نيويورك - ثم مجرد طالب جامعي - المقترح باستخدام تجارب النيوترينو القائمة على الجرمانيوم للكشف عن توقيع CSL لانبعاث الأشعة السينية. (بعد أسابيع من تقديم ورقته ، كان ضرب البرق كانت الفكرة أن البروتونات والإلكترونات الموجودة في الجرمانيوم يجب أن تصدر الإشعاع العفوي ، الذي تلتقطه أجهزة الكشف فائقة الحساسية. ومع ذلك ، لم يتم توفير أدوات عبر الإنترنت إلا مؤخرًا بالحساسية المطلوبة.

في عام 2020 ، استخدم فريق في إيطاليا ، بما في ذلك Donadi و Bassi و Curceanu ، إلى جانب Diósi في المجر ، كاشف الجرمانيوم من هذا النوع لاختبار نموذج Diósi-Penrose. الكاشفات ، التي تم إنشاؤها لتجربة النيوترينو المسماة IGEX ، محمية من الإشعاع بحكم موقعها تحت Gran Sasso ، وهو جبل في سلسلة Apennine في إيطاليا.

بعد طرح إشارة الخلفية المتبقية بعناية - معظمها نشاط إشعاعي طبيعي من الصخور - الفيزيائيون لم ير أي انبعاث على مستوى الحساسية الذي استبعد أبسط أشكال نموذج Diósi-Penrose. هم ايضا وضع حدود قوية حول المعلمات التي قد تعمل نماذج CSL المختلفة ضمنها. يقع نموذج GRW الأصلي داخل هذه النافذة الضيقة تمامًا: لقد نجا من خلال طولي.

في باقة ورقة نشرت في أغسطس، تم تأكيد نتيجة عام 2020 وتعزيزها من خلال تجربة تسمى Majorana Demonstrator ، والتي تم إنشاؤها أساسًا للبحث عن جسيمات افتراضية تسمى Majorana neutrinos (والتي لها خاصية غريبة لكونها جسيمات مضادة خاصة بها). تم وضع التجربة في مرفق أبحاث سانفورد تحت الأرض ، الذي يقع على عمق 5,000 قدم تقريبًا تحت الأرض في منجم ذهب سابق في ساوث داكوتا. يحتوي على مجموعة أكبر من أجهزة الكشف عن الجرمانيوم عالية النقاء من IGEX ، ويمكنها اكتشاف الأشعة السينية وصولاً إلى الطاقات المنخفضة. قال كيم ، أحد أعضاء الفريق ، "إن حدودنا أكثر صرامة مقارنة بالعمل السابق".

نهاية فوضوية

على الرغم من أن نماذج الانهيار الجسدي مريضة بشدة ، إلا أنها ليست ميتة تمامًا. قال كيم: "النماذج المختلفة تضع افتراضات مختلفة للغاية حول طبيعة وخصائص الانهيار". لقد استبعدت الاختبارات التجريبية الآن معظم الاحتمالات المعقولة لهذه القيم ، ولكن لا تزال هناك جزيرة صغيرة من الأمل.

تقترح نماذج التوطين التلقائي المستمر أن الكيان المادي الذي يزعج وظيفة الموجة هو نوع من "مجال الضوضاء" ، والذي تفترض الاختبارات الحالية أنه ضوضاء بيضاء: موحدة في جميع الترددات. هذا هو أبسط افتراض. ولكن من الممكن أن تكون الضوضاء "ملونة" ، على سبيل المثال من خلال قطع التردد العالي. قال كرسينو إن اختبار هذه النماذج الأكثر تعقيدًا سيتطلب قياس طيف الانبعاث عند طاقات أعلى مما كان ممكنًا حتى الآن.

تنتهي تجربة Majorana Demonstrator الآن ، لكن الفريق يعمل على تكوين تعاون جديد مع تجربة تسمى جيردا، ومقرها في Gran Sasso ، لإنشاء تجربة أخرى لسبر كتلة النيوترينو. اتصل أسطورة، سيكون لديها صفائف أكثر ضخامة وبالتالي أكثر حساسية للكشف عن الجرمانيوم. قال كيم: "قد تكون Legend قادرة على دفع القيود المفروضة على نماذج CSL إلى أبعد من ذلك". هناك أيضا اقتراحات For تجريب هذه النماذج في التجارب الفضائية ، والتي لن تعاني من الضوضاء الناتجة عن الاهتزازات البيئية.

التزييف عمل شاق ونادرًا ما يصل إلى نقطة نهاية مرتبة. حتى الآن ، وفقًا لكورشينو ، روجر بنروز - الذي حصل على جائزة 2020 جائزة نوبل في الفيزياء لعمله في النسبية العامة - يعمل على نسخة من نموذج Diósi-Penrose حيث لا يوجد إشعاع تلقائي على الإطلاق.

على الرغم من ذلك ، يشك البعض في أن الكتابة على الحائط بالنسبة لوجهة النظر هذه لميكانيكا الكم. قال زيك: "ما نحتاج إلى القيام به هو إعادة التفكير في ما تحاول هذه النماذج تحقيقه ، ومعرفة ما إذا كانت المشكلات المحفزة قد لا يكون لها إجابة أفضل من خلال نهج مختلف." في حين أن القليل قد يجادل بأن مشكلة القياس لم تعد مشكلة ، فقد تعلمنا أيضًا الكثير ، في السنوات التي تلت اقتراح نماذج الانهيار الأولى ، حول ما يستلزمه القياس الكمي. قالت: "أعتقد أننا بحاجة إلى العودة إلى السؤال حول ماهية هذه النماذج التي تم إنشاؤها لعقود مضت ، وأن نأخذ بجدية ما تعلمناه في هذه الأثناء."