Einleitung
Wie entsteht aus der Palette der Möglichkeiten der Quantenmechanik die objektive Realität? Diese Frage – das tiefste und ärgerlichste Problem, das von der Theorie aufgeworfen wird – ist immer noch Gegenstand von Auseinandersetzungen, die ein Jahrhundert alt sind. Mögliche Erklärungen dafür, wie Beobachtungen der Welt bestimmte, „klassische“ Ergebnisse liefern, die sich auf unterschiedliche Interpretationen dessen stützen, was Quantenmechanik bedeutet, haben sich in diesen etwa hundert Jahren nur vervielfacht.
Aber jetzt könnten wir bereit sein, mindestens eine Reihe von Vorschlägen zu streichen. Jüngste Experimente haben die extreme Empfindlichkeit von Instrumenten der Teilchenphysik mobilisiert, um die Idee zu testen, dass der „Zusammenbruch“ von Quantenmöglichkeiten in eine einzige klassische Realität nicht nur eine mathematische Annehmlichkeit, sondern ein echter physikalischer Prozess ist – eine Idee, die als „physikalischer Zusammenbruch“ bezeichnet wird. Die Experimente finden keine Hinweise auf die Effekte, die zumindest von den einfachsten Varianten dieser Kollapsmodelle vorhergesagt werden.
Es ist noch zu früh, um endgültig zu sagen, dass es nicht zu einem physischen Zusammenbruch kommt. Einige Forscher glauben, dass die Modelle noch modifiziert werden könnten, um den Einschränkungen zu entgehen, die ihnen durch die Nullergebnisse der Experimente auferlegt werden. Aber während "es immer möglich ist, jedes Modell zu retten", sagte er Sandro Donadi, ein theoretischer Physiker am Nationalen Institut für Kernphysik (INFN) in Triest, Italien, der eines der Experimente leitete, bezweifelt er, dass „die Gemeinschaft die Modelle [unendlich] weiter modifizieren wird, da es nicht allzu viel zu lernen geben wird indem du das tust.“ Bei diesem Versuch, das größte Rätsel der Quantentheorie zu lösen, scheint sich die Schlinge enger zu ziehen.
Was verursacht einen Kollaps?
Physikalische Kollapsmodelle zielen darauf ab, ein zentrales Dilemma der konventionellen Quantentheorie zu lösen. 1926 Erwin Schrödinger behauptet dass ein Quantenobjekt durch eine mathematische Entität namens Wellenfunktion beschrieben wird, die alles zusammenfasst, was über das Objekt und seine Eigenschaften gesagt werden kann. Wie der Name schon sagt, beschreibt eine Wellenfunktion eine Art Welle – aber keine physikalische. Vielmehr handelt es sich um eine „Wahrscheinlichkeitswelle“, die es uns ermöglicht, die verschiedenen möglichen Ergebnisse von Messungen am Objekt und die Wahrscheinlichkeit, eines davon in einem bestimmten Experiment zu beobachten, vorherzusagen.
Einleitung
Wenn viele Messungen an solchen Objekten durchgeführt werden, wenn sie auf identische Weise präpariert sind, sagt die Wellenfunktion die statistische Verteilung der Ergebnisse immer richtig voraus. Aber es gibt keine Möglichkeit zu wissen, was das Ergebnis einer einzelnen Messung sein wird – die Quantenmechanik bietet nur Wahrscheinlichkeiten. Was bestimmt eine bestimmte Beobachtung? 1932 schlug der mathematische Physiker John von Neumann vor, dass bei einer Messung die Wellenfunktion in eines der möglichen Ergebnisse „kollabiert“. Der Prozess ist im Wesentlichen zufällig, aber durch die Wahrscheinlichkeiten, die er codiert, voreingenommen. Die Quantenmechanik selbst scheint den Kollaps nicht vorherzusagen, was manuell zu den Berechnungen hinzugefügt werden muss.
Als mathematischer Ad-hoc-Trick funktioniert es gut genug. Aber es schien (und scheint immer noch) einigen Forschern ein unbefriedigender Taschenspielertrick zu sein. Einstein verglich es bekanntlich mit Gott, der würfelt, um zu entscheiden, was „real“ wird – was wir tatsächlich in unserer klassischen Welt beobachten. Der dänische Physiker Niels Bohr erklärte in seiner sogenannten Kopenhagener Interpretation das Thema einfach für unzulässig, indem er sagte, dass Physiker einfach eine grundlegende Unterscheidung zwischen dem Quanten- und dem klassischen Regime akzeptieren müssten. Im Gegensatz dazu behauptete der Physiker Hugh Everett 1957, dass der Zusammenbruch einer Wellenfunktion nur eine Illusion sei und dass tatsächlich alle Ergebnisse in einer nahezu unendlichen Anzahl von sich verzweigenden Universen verwirklicht werden – was Physiker heute als „viele Welten"
Die Wahrheit ist, dass „die grundlegende Ursache des Zusammenbruchs der Wellenfunktion noch unbekannt ist“, sagte er Inwook Kim, Physiker am Lawrence Livermore National Laboratory in Kalifornien. "Warum und wie tritt es auf?"
1986 die italienischen Physiker Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini und Tullio Weber vorgeschlagen eine Antwort. Was wäre, wenn, sagten sie, Schrödingers Wellengleichung nicht die ganze Wahrheit wäre? Sie postulierten, dass ein Quantensystem ständig von einem unbekannten Einfluss angetrieben wird, der es veranlassen kann, spontan in einen der möglichen beobachtbaren Zustände des Systems zu springen, und zwar auf einer Zeitskala, die von der Größe des Systems abhängt. Ein kleines isoliertes System wie ein Atom in einer Quantensuperposition (ein Zustand, in dem mehrere Messergebnisse möglich sind) wird das noch sehr lange bleiben. Aber größere Objekte – sagen wir eine Katze oder ein Atom, wenn es mit einem makroskopischen Messgerät interagiert – kollabieren fast augenblicklich in einen wohldefinierten klassischen Zustand. Dieses sogenannte GRW-Modell (nach den Initialen des Trios) war das erste physisch zusammenklappbare Modell; eine spätere Raffinesse Das als CSL-Modell (Continuous Spontan Localization) bekannte Modell umfasste eher einen allmählichen, kontinuierlichen Kollaps als einen plötzlichen Sprung. Diese Modelle seien weniger Interpretationen als vielmehr Ergänzungen der Quantenmechanik, sagte der Physiker Magdalena Zych der University of Queensland in Australien.
Was verursacht diese spontane Lokalisierung durch den Kollaps der Wellenfunktion? Die GRW- und CSL-Modelle sagen nicht; Sie schlagen lediglich vor, der Schrödinger-Gleichung einen mathematischen Begriff hinzuzufügen, um sie zu beschreiben. Aber in den 1980er und 90er Jahren schlugen die mathematischen Physiker Roger Penrose von der Universität Oxford und Lajos Diósi von der Eötvös-Loránd-Universität in Budapest unabhängig voneinander eine mögliche Ursache für den Zusammenbruch vor: die Schwerkraft. Grob gesagt war ihre Idee, dass, wenn sich ein Quantenobjekt in einer Überlagerung von Orten befindet, jeder Positionszustand die anderen durch ihre Gravitationswechselwirkung „fühlen“ wird. Es ist, als würde diese Anziehung das Objekt dazu bringen, sich selbst zu messen und einen Zusammenbruch erzwingen. Oder wenn Sie es aus der Perspektive der Allgemeinen Relativitätstheorie betrachten, die die Schwerkraft beschreibt, verformt eine Überlagerung von Orten das Raum-Zeit-Gefüge auf zwei verschiedene Arten gleichzeitig, ein Umstand, den die Allgemeine Relativitätstheorie nicht berücksichtigen kann. Wie Penrose es ausdrückte, wird in einer Pattsituation zwischen Quantenmechanik und allgemeiner Relativitätstheorie zuerst das Quantum zerbrechen.
Der Test der Wahrheit
Diese Ideen waren schon immer hochspekulativ. Aber im Gegensatz zu Erklärungen der Quantenmechanik wie der Kopenhagener und der Everett-Interpretation haben physikalische Kollapsmodelle den Vorteil, dass sie beobachtbare Vorhersagen machen – und somit überprüfbar und falsifizierbar sind.
Wenn es tatsächlich eine Hintergrundstörung gibt, die einen Quantenkollaps hervorruft – sei es durch Gravitationseffekte oder etwas anderes –, dann werden alle Teilchen kontinuierlich mit dieser Störung interagieren, unabhängig davon, ob sie sich in einer Überlagerung befinden oder nicht. Die Folgen sollten grundsätzlich erkennbar sein. Die Wechselwirkung sollte ein „permanentes Zickzack-Zickzack von Teilchen im Raum“ erzeugen, vergleichbar mit der Brownschen Bewegung, sagte Catalina Curceanu, Physikerin am INFN.
Aktuelle physikalische Kollapsmodelle deuten darauf hin, dass diese Diffusionsbewegung nur sehr gering ist. Wenn das Teilchen jedoch elektrisch geladen ist, erzeugt die Bewegung elektromagnetische Strahlung in einem Prozess, der als Bremsstrahlung bezeichnet wird. Ein Materieklumpen sollte daher kontinuierlich einen sehr schwachen Strom von Photonen aussenden, den typische Versionen der Modelle im Röntgenbereich vorhersagen. Donadi und sein Kollege Angelo Bassi haben gezeigt dass die Emission einer solchen Strahlung von jedem Modell des dynamischen spontanen Kollapses erwartet wird, einschließlich des Diósi-Penrose-Modells.
Doch „obwohl die Idee einfach ist, ist der Test in der Praxis nicht so einfach“, sagte Kim. Das vorhergesagte Signal ist extrem schwach, was bedeutet, dass ein Experiment eine enorme Anzahl geladener Teilchen beinhalten muss, um ein nachweisbares Signal zu erhalten. Und das Hintergrundrauschen – das von Quellen wie kosmischer Strahlung und Strahlung in der Umgebung stammt – muss niedrig gehalten werden. Diese Bedingungen können nur von den extrem empfindlichen Experimenten erfüllt werden, wie zum Beispiel solchen, die entwickelt wurden, um Signale von dunkler Materie oder die schwer fassbaren Teilchen, die Neutrinos genannt werden, zu erkennen.
1996 kam Qijia Fu vom Hamilton College in New York – damals noch Studentin – vorgeschlage unter Verwendung von Germanium-basierten Neutrino-Experimenten zum Nachweis einer CSL-Signatur der Röntgenemission. (Wochen nachdem er seine Arbeit eingereicht hatte, war er es von einem Blitz getroffen auf einer Wanderung in Utah und getötet.) Die Idee war, dass die Protonen und Elektronen im Germanium die spontane Strahlung aussenden sollten, die hochempfindliche Detektoren auffangen würden. Doch erst seit Kurzem sind Instrumente mit der erforderlichen Empfindlichkeit online.
Im Jahr 2020 verwendete ein Team in Italien, darunter Donadi, Bassi und Curceanu, zusammen mit Diósi in Ungarn, einen solchen Germaniumdetektor, um das Diósi-Penrose-Modell zu testen. Die Detektoren, die für ein Neutrino-Experiment namens IGEX entwickelt wurden, sind aufgrund ihrer Lage unterhalb des Gran Sasso, einem Berg im italienischen Apennin, vor Strahlung geschützt.
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Nach sorgfältigem Subtrahieren des verbleibenden Hintergrundsignals – meist natürliche Radioaktivität aus dem Gestein – die Physiker sah keine Emission auf einem Empfindlichkeitsniveau, das die einfachste Form des Diósi-Penrose-Modells ausschloss. Sie auch starke Grenzen gesetzt über die Parameter, innerhalb derer verschiedene CSL-Modelle noch funktionieren könnten. Das ursprüngliche GRW-Modell liegt genau in diesem engen Fenster: Es hat nur um Haaresbreite überlebt.
In einer August erschienenes Papierwurde das Ergebnis von 2020 durch ein Experiment namens Majorana Demonstrator bestätigt und gestärkt, das hauptsächlich zur Suche nach hypothetischen Teilchen namens Majorana-Neutrinos (die die merkwürdige Eigenschaft haben, ihre eigenen Antiteilchen zu sein) eingerichtet wurde. Das Experiment ist in der Sanford Underground Research Facility untergebracht, die fast 5,000 Fuß unter der Erde in einer ehemaligen Goldmine in South Dakota liegt. Es verfügt über eine größere Auswahl an hochreinen Germanium-Detektoren als IGEX und sie können Röntgenstrahlen bis hinunter zu niedrigen Energien erkennen. „Unser Limit ist viel strenger als bei der vorherigen Arbeit“, sagte Kim, ein Mitglied des Teams.
Ein chaotisches Ende
Obwohl Modelle mit physischem Zusammenbruch schwer angeschlagen sind, sind sie noch nicht ganz tot. „Die verschiedenen Modelle machen sehr unterschiedliche Annahmen über die Natur und die Eigenschaften des Einsturzes“, sagte Kim. Experimentelle Tests haben jetzt die meisten plausiblen Möglichkeiten für diese Werte ausgeschlossen, aber es gibt immer noch eine kleine Insel der Hoffnung.
Kontinuierliche spontane Lokalisierungsmodelle schlagen vor, dass die physikalische Einheit, die die Wellenfunktion stört, eine Art „Rauschfeld“ ist, von dem die aktuellen Tests weißes Rauschen annehmen: einheitlich bei allen Frequenzen. Das ist die einfachste Annahme. Aber es ist möglich, dass das Rauschen „gefärbt“ ist, zum Beispiel durch eine Hochfrequenz-Cutoff. Curceanu sagte, dass das Testen dieser komplizierteren Modelle die Messung des Emissionsspektrums bei höheren Energien erfordern würde, als dies bisher möglich war.
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Das Majorana-Demonstrator-Experiment wird jetzt beendet, aber das Team bildet eine neue Zusammenarbeit mit einem Experiment namens Gerda, basierend auf Gran Sasso, um ein weiteres Experiment zur Untersuchung der Neutrinomasse zu erstellen. Genannt Legend, wird es massivere und damit empfindlichere Germanium-Detektorarrays haben. „Legend kann die Grenzen von CSL-Modellen möglicherweise weiter verschieben“, sagte Kim. Es gibt auch Vorschläge für Natürlich sind wir auch auf Facebook zu finden: <br> <a href="https://www.facebook.com/tijhof.de" target="_blank" rel="noopener"><img class="alignleft wp-image-15850 size-full" src="https://tijhof.nl/wp-content/uploads/2024/03/facebookGmBh.png" alt="" width="250" height="50"></a> diese Modelle in weltraumgestützten Experimenten, die nicht unter Lärm leiden, der durch Umgebungsvibrationen erzeugt wird.
Fälschung ist harte Arbeit und erreicht selten ein sauberes Ende. Sogar jetzt, laut Curceanu, Roger Penrose – der mit dem ausgezeichnet wurde 2020-Nobelpreis für Physik für seine Arbeit zur allgemeinen Relativitätstheorie – arbeitet an einer Version des Diósi-Penrose-Modells, in der es überhaupt keine spontane Strahlung gibt.
Trotzdem vermuten einige, dass für diese Sichtweise der Quantenmechanik die Schrift auf der Wand steht. „Was wir tun müssen, ist zu überdenken, was diese Modelle zu erreichen versuchen“, sagte Zych, „und sehen, ob die motivierenden Probleme nicht durch einen anderen Ansatz eine bessere Antwort haben.“ Während nur wenige argumentieren würden, dass das Messproblem kein Thema mehr ist, haben wir in den Jahren, seit die ersten Kollapsmodelle vorgeschlagen wurden, auch viel darüber gelernt, was die Quantenmessung mit sich bringt. „Ich denke, wir müssen auf die Frage zurückkommen, wofür diese Modelle vor Jahrzehnten geschaffen wurden“, sagte sie, „und ernst nehmen, was wir in der Zwischenzeit gelernt haben.“
