Introduktion
Hvordan opstår objektiv virkelighed fra den palet af muligheder, som kvantemekanikken giver? Det spørgsmål - det dybeste og mest irriterende spørgsmål, som teorien rejser - er stadig genstand for argumenter et århundrede gammelt. Mulige forklaringer på, hvordan observationer af verden giver bestemte, "klassiske" resultater, der trækker på forskellige fortolkninger af, hvad kvantemekanik betyder, er kun blevet mangedoblet i løbet af disse hundrede eller deromkring år.
Men nu er vi måske klar til at fjerne mindst ét sæt forslag. Nylige eksperimenter har mobiliseret den ekstreme følsomhed af partikelfysiske instrumenter for at teste ideen om, at "sammenbrud" af kvantemuligheder til en enkelt klassisk virkelighed ikke blot er en matematisk bekvemmelighed, men en reel fysisk proces - en idé kaldet "fysisk sammenbrud." Eksperimenterne finder ingen beviser for virkningerne forudsagt af i det mindste de simpleste varianter af disse kollapsmodeller.
Det er stadig for tidligt at sige definitivt, at fysisk kollaps ikke forekommer. Nogle forskere mener, at modellerne endnu kunne modificeres for at undslippe de begrænsninger, som eksperimenternes nulresultater pålægger dem. Men mens "det altid er muligt at redde enhver model," sagde Sandro Donadi, en teoretisk fysiker ved National Institute for Nuclear Physics (INFN) i Trieste, Italien, som ledede et af eksperimenterne, tvivler han på, at "samfundet vil blive ved med at modificere modellerne [på ubestemt tid], da der ikke vil være for meget at lære ved at gøre det." Løkken ser ud til at blive stramme i dette forsøg på at løse kvanteteoriens største mysterium.
Hvad forårsager kollaps?
Fysiske sammenbrudsmodeller sigter mod at løse et centralt dilemma i konventionel kvanteteori. I 1926 Erwin Schrödinger hævdede at et kvanteobjekt er beskrevet af en matematisk entitet kaldet en bølgefunktion, som indkapsler alt hvad der kan siges om objektet og dets egenskaber. Som navnet antyder, beskriver en bølgefunktion en slags bølge - men ikke en fysisk. Det er snarere en "sandsynlighedsbølge", som giver os mulighed for at forudsige de forskellige mulige udfald af målinger foretaget på objektet, og chancen for at observere en af dem i et givet eksperiment.
Introduktion
Hvis der foretages mange målinger på sådanne objekter, når de er forberedt på en identisk måde, forudsiger bølgefunktionen altid korrekt den statistiske fordeling af resultater. Men der er ingen måde at vide, hvad resultatet af en enkelt måling vil være - kvantemekanik tilbyder kun sandsynligheder. Hvad bestemmer en specifik observation? I 1932 foreslog den matematiske fysiker John von Neumann, at når en måling foretages, bliver bølgefunktionen "kollapset" til et af de mulige udfald. Processen er i det væsentlige tilfældig, men forudindtaget af de sandsynligheder, den koder. Kvantemekanikken i sig selv ser ikke ud til at forudsige sammenbruddet, som skal føjes manuelt til beregningerne.
Som et ad hoc matematisk trick fungerer det godt nok. Men det virkede (og synes fortsat) for nogle forskere at være en utilfredsstillende håndsrækning. Einstein sammenlignede det berømt med, at Gud spillede terninger for at bestemme, hvad der bliver "rigtigt" - hvad vi faktisk observerer i vores klassiske verden. Den danske fysiker Niels Bohr udtalte i sin såkaldte københavnerfortolkning ganske enkelt spørgsmålet uden for rammerne og sagde, at fysikere bare måtte acceptere en grundlæggende skelnen mellem kvante- og klassiske regimer. I modsætning hertil hævdede fysikeren Hugh Everett i 1957, at bølgefunktionskollaps blot er en illusion, og at alle resultater faktisk realiseres i et næsten uendeligt antal forgrenede universer - hvad fysikere nu kalder "mange verdener".
Sandheden er, at "den grundlæggende årsag til bølgefunktionens kollaps er endnu ukendt," sagde Inwook Kim, en fysiker ved Lawrence Livermore National Laboratory i Californien. "Hvorfor og hvordan opstår det?"
I 1986, de italienske fysikere Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini og Tullio Weber foreslog et svar. Hvad hvis, sagde de, Schrödingers bølgeligning ikke var hele historien? De hævdede, at et kvantesystem konstant bliver fremkaldt af en eller anden ukendt indflydelse, der kan få det til spontant at hoppe ind i en af systemets mulige observerbare tilstande på en tidsskala, der afhænger af, hvor stort systemet er. Et lille, isoleret system, såsom et atom i en kvantesuperposition (en tilstand, hvor flere måleresultater er mulige), vil forblive sådan i meget lang tid. Men større objekter - f.eks. en kat eller et atom, når det interagerer med en makroskopisk måleanordning - kollapser næsten øjeblikkeligt til en veldefineret klassisk tilstand. Denne såkaldte GRW-model (efter trioens initialer) var den første fysiske kollaps-model; en senere raffinement kendt som den kontinuerlige spontane lokaliseringsmodel (CSL) involverede gradvis, kontinuerlig kollaps snarere end et pludseligt spring. Disse modeller er ikke så meget fortolkninger af kvantemekanik som tilføjelser til det, sagde fysikeren Magdalena Zych fra University of Queensland i Australien.
Hvad er det, der forårsager denne spontane lokalisering via kollaps af bølgefunktion? GRW- og CSL-modellerne siger ikke; de foreslår blot at tilføje et matematisk udtryk til Schrödinger-ligningen for at beskrive det. Men i 1980'erne og 90'erne foreslog de matematiske fysikere Roger Penrose fra University of Oxford og Lajos Diósi fra Eötvös Loránd University i Budapest uafhængigt af hinanden en mulig årsag til kollapset: tyngdekraften. Løst sagt var deres idé, at hvis et kvanteobjekt er i en superposition af steder, vil hver positionstilstand "føle" de andre via deres gravitationsinteraktion. Det er, som om denne tiltrækning får objektet til at måle sig selv, hvilket tvinger et sammenbrud. Eller hvis man ser på det fra den almene relativitetsteori, som beskriver tyngdekraften, så deformerer en superposition af lokaliteter rum-tidens struktur på to forskellige måder på én gang, en omstændighed, som den almene relativitetsteori ikke kan rumme. Som Penrose har udtrykt det, i en afstand mellem kvantemekanik og generel relativitetsteori, vil kvante først knække.
Sandhedens prøve
Disse ideer har altid været meget spekulative. Men i modsætning til forklaringer af kvantemekanik som København- og Everett-fortolkningerne, har fysiske sammenbrudsmodeller den dyd at lave observerbare forudsigelser - og dermed være testbare og falsificerbare.
Hvis der virkelig er en baggrundsforstyrrelse, der fremkalder kvantekollaps - uanset om det kommer fra gravitationseffekter eller noget andet - så vil alle partikler kontinuerligt interagere med denne forstyrrelse, uanset om de er i en superposition eller ej. Konsekvenserne bør i princippet kunne påvises. Interaktionen skulle skabe en "permanent zigzagging af partikler i rummet", der kan sammenlignes med Brownsk bevægelse, sagde Catalina Curceanu, fysiker ved INFN.
Nuværende modeller for fysisk kollaps tyder på, at denne diffusive bevægelse kun er meget lille. Ikke desto mindre, hvis partiklen er elektrisk ladet, vil bevægelsen generere elektromagnetisk stråling i en proces kaldet bremsstrahlung. En klump stof skulle således løbende udsende en meget svag strøm af fotoner, som typiske versioner af modellerne forudser at være i røntgenområdet. Donadi og hans kollega Angelo Bassi have vist at emission af sådan stråling forventes fra enhver model for dynamisk spontant kollaps, herunder Diósi-Penrose-modellen.
Men "selv om ideen er enkel, er testen i praksis ikke så let," sagde Kim. Det forudsagte signal er ekstremt svagt, hvilket betyder, at et eksperiment skal involvere et enormt antal ladede partikler for at få et detekterbart signal. Og baggrundsstøjen - som kommer fra kilder som kosmiske stråler og stråling i omgivelserne - skal holdes lav. Disse betingelser kan kun opfyldes af de mest ekstremt følsomme eksperimenter, såsom dem, der er designet til at detektere mørkt stof-signaler eller de undvigende partikler kaldet neutrinoer.
I 1996, Qijia Fu fra Hamilton College i New York - dengang kun en bachelor - foreslog ved hjælp af germanium-baserede neutrino-eksperimenter til at detektere en CSL-signatur af røntgenstråling. (Uger efter at han indsendte sit papir, var han ramt af lynet på en vandretur i Utah og dræbt.) Tanken var, at protonerne og elektronerne i germanium skulle udsende den spontane stråling, som ultrafølsomme detektorer ville opfange. Men først for nylig er instrumenter med den nødvendige følsomhed kommet online.
I 2020 brugte et hold i Italien, herunder Donadi, Bassi og Curceanu, sammen med Diósi i Ungarn en germaniumdetektor af denne slags til at teste Diósi-Penrose-modellen. Detektorerne, der er skabt til et neutrinoeksperiment kaldet IGEX, er beskyttet mod stråling i kraft af deres placering under Gran Sasso, et bjerg i Appenninerne i Italien.
Introduktion
Efter omhyggeligt at trække det resterende baggrundssignal - for det meste naturlig radioaktivitet fra klippen - fysikerne så ingen emission på et følsomhedsniveau, der udelukkede den simpleste form for Diósi-Penrose-modellen. De også satte stærke grænser på de parametre, inden for hvilke forskellige CSL-modeller muligvis stadig fungerer. Den originale GRW-model ligger lige inden for dette stramme vindue: Den overlevede af et knurhår.
I en papir udgivet i august2020-resultatet blev bekræftet og styrket af et eksperiment kaldet Majorana Demonstrator, som blev etableret primært for at søge efter hypotetiske partikler kaldet Majorana neutrinoer (som har den mærkelige egenskab at være deres egne antipartikler). Eksperimentet har til huse i Sanford Underground Research Facility, som ligger næsten 5,000 fod under jorden i en tidligere guldmine i South Dakota. Den har et større udvalg af germaniumdetektorer med høj renhed end IGEX, og de kan detektere røntgenstråler ned til lave energier. "Vores grænse er meget strengere sammenlignet med det tidligere arbejde," sagde Kim, et medlem af teamet.
En rodet slutning
Selvom modeller med fysisk sammenbrud er hårdt syge, er de ikke helt døde. "De forskellige modeller gør meget forskellige antagelser om sammenbruddets natur og egenskaber," sagde Kim. Eksperimentelle tests har nu udelukket de mest plausible muligheder for disse værdier, men der er stadig en lille ø af håb.
Kontinuerlige spontane lokaliseringsmodeller foreslår, at den fysiske enhed, der forstyrrer bølgefunktionen, er en slags "støjfelt", som de nuværende test antager er hvid støj: ensartet ved alle frekvenser. Det er den enkleste antagelse. Men det er muligt, at støjen kan være "farvet", for eksempel ved at have en højfrekvent cutoff. Curceanu sagde, at testning af disse mere komplicerede modeller vil kræve måling af emissionsspektret ved højere energier, end det hidtil har været muligt.
Introduktion
Majorana Demonstrator-eksperimentet er nu ved at afvikles, men holdet danner et nyt samarbejde med et eksperiment kaldet Gerda, baseret på Gran Sasso, for at skabe endnu et eksperiment, der sonderer neutrinomasse. Hedder Legend, vil den have mere massive og dermed mere følsomme germaniumdetektorarrays. "Legend kan muligvis skubbe grænserne for CSL-modeller yderligere," sagde Kim. Der er også forslag forum test disse modeller i rumbaserede eksperimenter, som ikke vil lide under støj produceret af miljøvibrationer.
Forfalskning er hårdt arbejde, og når sjældent et ryddeligt slutpunkt. Selv nu, ifølge Curceanu, Roger Penrose - som blev tildelt 2020 Nobelprisen i fysik for sit arbejde med generel relativitet - arbejder på en version af Diósi-Penrose-modellen, hvor der overhovedet ikke er nogen spontan stråling.
Alligevel har nogle mistanke om, at for dette syn på kvantemekanik er skriften på væggen. "Det, vi skal gøre, er at genoverveje, hvad disse modeller forsøger at opnå," sagde Zych, "og se, om de motiverende problemer måske ikke har et bedre svar gennem en anden tilgang." Selvom få vil hævde, at måleproblemet ikke længere er et problem, har vi også lært meget, i årene siden de første kollapsmodeller blev foreslået, om, hvad kvantemåling indebærer. "Jeg tror, vi er nødt til at gå tilbage til spørgsmålet om, hvad disse modeller blev skabt for årtier siden," sagde hun, "og tage alvorligt, hvad vi har lært i mellemtiden."
