Εισαγωγή
Πώς αναδύεται η αντικειμενική πραγματικότητα από την παλέτα των δυνατοτήτων που παρέχει η κβαντική μηχανική; Αυτό το ερώτημα - το βαθύτερο και πιο ενοχλητικό ζήτημα που τίθεται από τη θεωρία - εξακολουθεί να είναι αντικείμενο επιχειρημάτων ενός αιώνα. Πιθανές εξηγήσεις για το πώς οι παρατηρήσεις του κόσμου δίνουν σαφή, «κλασικά» αποτελέσματα, βασιζόμενες σε διαφορετικές ερμηνείες του τι σημαίνει κβαντική μηχανική, έχουν πολλαπλασιαστεί μόνο σε αυτά τα εκατό περίπου χρόνια.
Αλλά τώρα μπορεί να είμαστε έτοιμοι να εξαλείψουμε τουλάχιστον ένα σύνολο προτάσεων. Πρόσφατα πειράματα έχουν κινητοποιήσει την εξαιρετική ευαισθησία των οργάνων σωματιδιακής φυσικής για να δοκιμάσουν την ιδέα ότι η «κατάρρευση» των κβαντικών δυνατοτήτων σε μια ενιαία κλασική πραγματικότητα δεν είναι απλώς μια μαθηματική ευκολία αλλά μια πραγματική φυσική διαδικασία - μια ιδέα που ονομάζεται «φυσική κατάρρευση». Τα πειράματα δεν βρίσκουν στοιχεία για τα αποτελέσματα που προβλέπονται από τουλάχιστον τις απλούστερες ποικιλίες αυτών των μοντέλων κατάρρευσης.
Είναι ακόμη πολύ νωρίς για να πούμε οριστικά ότι δεν συμβαίνει φυσική κατάρρευση. Ορισμένοι ερευνητές πιστεύουν ότι τα μοντέλα θα μπορούσαν ακόμη να τροποποιηθούν για να ξεφύγουν από τους περιορισμούς που τους έβαλαν τα μηδενικά αποτελέσματα των πειραμάτων. Αλλά ενώ «είναι πάντα δυνατό να διασωθεί οποιοδήποτε μοντέλο», είπε Sandro Donadi, θεωρητικός φυσικός στο Εθνικό Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής (INFN) στην Τεργέστη της Ιταλίας, ο οποίος ηγήθηκε ενός από τα πειράματα, αμφιβάλλει ότι «η κοινότητα θα συνεχίσει να τροποποιεί τα μοντέλα [επ' αόριστον], αφού δεν θα υπάρχουν πολλά να μάθουμε κάνοντας αυτό." Η θηλιά φαίνεται να σφίγγει σε αυτή την προσπάθεια επίλυσης του μεγαλύτερου μυστηρίου της κβαντικής θεωρίας.
Τι προκαλεί την κατάρρευση;
Τα μοντέλα φυσικής κατάρρευσης στοχεύουν να επιλύσουν ένα κεντρικό δίλημμα της συμβατικής κβαντικής θεωρίας. Το 1926 ο Έρβιν Σρέντινγκερ ισχυρίστηκε ότι ένα κβαντικό αντικείμενο περιγράφεται από μια μαθηματική οντότητα που ονομάζεται κυματική συνάρτηση, η οποία ενσωματώνει όλα όσα μπορούν να ειπωθούν για το αντικείμενο και τις ιδιότητές του. Όπως υποδηλώνει το όνομα, μια συνάρτηση κύματος περιγράφει ένα είδος κύματος - αλλά όχι ένα φυσικό. Μάλλον, είναι ένα «κύμα πιθανότητας», το οποίο μας επιτρέπει να προβλέψουμε τα διάφορα πιθανά αποτελέσματα των μετρήσεων που γίνονται στο αντικείμενο και την πιθανότητα να παρατηρήσουμε οποιαδήποτε από αυτές σε ένα δεδομένο πείραμα.
Εισαγωγή
Εάν γίνονται πολλές μετρήσεις σε τέτοια αντικείμενα όταν προετοιμάζονται με τον ίδιο τρόπο, η συνάρτηση κύματος προβλέπει πάντα σωστά τη στατιστική κατανομή των αποτελεσμάτων. Αλλά δεν υπάρχει τρόπος να γνωρίζουμε ποιο θα είναι το αποτέλεσμα οποιασδήποτε μεμονωμένης μέτρησης - η κβαντομηχανική προσφέρει μόνο πιθανότητες. Τι καθορίζει μια συγκεκριμένη παρατήρηση; Το 1932, ο μαθηματικός φυσικός John von Neumann πρότεινε ότι, όταν γίνεται μια μέτρηση, η κυματική συνάρτηση «καταρρέει» σε ένα από τα πιθανά αποτελέσματα. Η διαδικασία είναι ουσιαστικά τυχαία αλλά προκατειλημμένη από τις πιθανότητες που κωδικοποιεί. Η ίδια η κβαντομηχανική δεν φαίνεται να προβλέπει την κατάρρευση, η οποία πρέπει να προστεθεί χειροκίνητα στους υπολογισμούς.
Ως ad hoc μαθηματικό τέχνασμα, λειτουργεί αρκετά καλά. Αλλά φάνηκε (και συνεχίζει να φαίνεται) σε ορισμένους ερευνητές ότι δεν ήταν ικανοποιητικό δόλο. Ο Αϊνστάιν το παρομοίασε περίφημα με τον Θεό που παίζει ζάρια για να αποφασίσει τι γίνεται «πραγματικό» - τι παρατηρούμε πραγματικά στον κλασικό μας κόσμο. Ο Δανός φυσικός Niels Bohr, στη λεγόμενη ερμηνεία της Κοπεγχάγης, απλώς είπε το θέμα εκτός ορίων, λέγοντας ότι οι φυσικοί έπρεπε απλώς να αποδεχτούν μια θεμελιώδη διάκριση μεταξύ του κβαντικού και του κλασικού καθεστώτος. Αντίθετα, το 1957 ο φυσικός Hugh Everett υποστήριξε ότι η κατάρρευση της κυματικής συνάρτησης είναι απλώς μια ψευδαίσθηση και ότι στην πραγματικότητα όλα τα αποτελέσματα πραγματοποιούνται σε έναν σχεδόν άπειρο αριθμό διακλαδιζόμενων συμπάντων - αυτό που οι φυσικοί σήμερα αποκαλούν "πολλούς κόσμους. "
Η αλήθεια είναι ότι «η θεμελιώδης αιτία της κατάρρευσης της κυματικής συνάρτησης είναι ακόμη άγνωστη», είπε Inwook Kim, φυσικός στο Εθνικό Εργαστήριο Lawrence Livermore στην Καλιφόρνια. «Γιατί και πώς συμβαίνει;»
Το 1986, οι Ιταλοί φυσικοί Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini και Tullio Weber πρότειναν μια απάντηση. Τι θα γινόταν αν, είπαν, η κυματική εξίσωση του Σρέντινγκερ δεν ήταν όλη η ιστορία; Υπέθεσαν ότι ένα κβαντικό σύστημα ωθείται συνεχώς από κάποια άγνωστη επιρροή που μπορεί να το αναγκάσει να μεταπηδήσει αυθόρμητα σε μία από τις πιθανές παρατηρήσιμες καταστάσεις του συστήματος, σε μια χρονική κλίμακα που εξαρτάται από το πόσο μεγάλο είναι το σύστημα. Ένα μικρό, απομονωμένο σύστημα, όπως ένα άτομο σε μια κβαντική υπέρθεση (μια κατάσταση στην οποία είναι πιθανά πολλά αποτελέσματα μετρήσεων), θα παραμείνει έτσι για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα. Αλλά μεγαλύτερα αντικείμενα - μια γάτα, ας πούμε, ή ένα άτομο όταν αλληλεπιδρά με μια μακροσκοπική συσκευή μέτρησης - καταρρέουν σε μια καλά καθορισμένη κλασική κατάσταση σχεδόν ακαριαία. Αυτό το λεγόμενο μοντέλο GRW (μετά τα αρχικά της τριάδας) ήταν το πρώτο μοντέλο φυσικής κατάρρευσης. ένα αργότερα διύλιση γνωστό ως μοντέλο συνεχούς αυθόρμητου εντοπισμού (CSL) περιλάμβανε σταδιακή, συνεχή κατάρρευση και όχι ξαφνικό άλμα. Αυτά τα μοντέλα δεν είναι τόσο ερμηνείες της κβαντικής μηχανικής όσο προσθήκες σε αυτήν, είπε ο φυσικός Μαγδαληνή Ζυχ του Πανεπιστημίου του Κουίνσλαντ στην Αυστραλία.
Τι είναι αυτό που προκαλεί αυτόν τον αυθόρμητο εντοπισμό μέσω της κατάρρευσης της κυματικής συνάρτησης; Τα μοντέλα GRW και CSL δεν λένε? Απλώς προτείνουν την προσθήκη ενός μαθηματικού όρου στην εξίσωση Schrödinger για να τον περιγράψουν. Αλλά στις δεκαετίες του 1980 και του 90, οι μαθηματικοί φυσικοί Roger Penrose του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης και Lajos Diósi του Πανεπιστημίου Eötvös Loránd στη Βουδαπέστη πρότειναν ανεξάρτητα μια πιθανή αιτία της κατάρρευσης: τη βαρύτητα. Χαλαρά μιλώντας, η ιδέα τους ήταν ότι εάν ένα κβαντικό αντικείμενο βρίσκεται σε μια υπέρθεση θέσεων, κάθε κατάσταση θέσης θα «αισθανθεί» τις άλλες μέσω της βαρυτικής τους αλληλεπίδρασης. Είναι σαν αυτή η έλξη να προκαλεί το αντικείμενο να μετρηθεί, αναγκάζοντας μια κατάρρευση. Ή αν το κοιτάξετε από την οπτική της γενικής σχετικότητας, η οποία περιγράφει τη βαρύτητα, μια υπέρθεση τοποθεσιών παραμορφώνει τον ιστό του χωροχρόνου με δύο διαφορετικούς τρόπους ταυτόχρονα, μια περίσταση που η γενική σχετικότητα δεν μπορεί να δεχτεί. Όπως το είπε ο Penrose, σε μια αντιπαράθεση μεταξύ της κβαντικής μηχανικής και της γενικής σχετικότητας, το κβαντικό θα σπάσει πρώτα.
Το τεστ της αλήθειας
Αυτές οι ιδέες ήταν πάντα άκρως εικασιακές. Όμως, σε αντίθεση με τις εξηγήσεις της κβαντικής μηχανικής, όπως οι ερμηνείες της Κοπεγχάγης και του Έβερετ, τα μοντέλα φυσικής κατάρρευσης έχουν την αρετή να κάνουν παρατηρήσιμες προβλέψεις - και επομένως να είναι ελεγχόμενα και παραποιήσιμα.
Εάν υπάρχει πράγματι μια διαταραχή υποβάθρου που προκαλεί κβαντική κατάρρευση - είτε προέρχεται από βαρυτικά φαινόμενα είτε κάτι άλλο - τότε όλα τα σωματίδια θα αλληλεπιδρούν συνεχώς με αυτή τη διαταραχή, είτε βρίσκονται σε υπέρθεση είτε όχι. Οι συνέπειες θα πρέπει καταρχήν να είναι ανιχνεύσιμες. Η αλληλεπίδραση θα πρέπει να δημιουργήσει ένα «μόνιμο ζιγκ-ζαγκ των σωματιδίων στο διάστημα» συγκρίσιμο με την κίνηση Brown, δήλωσε η Catalina Curceanu, φυσικός στο INFN.
Τα τρέχοντα μοντέλα φυσικής κατάρρευσης υποδηλώνουν ότι αυτή η κίνηση διάχυσης είναι πολύ μικρή. Ωστόσο, εάν το σωματίδιο είναι ηλεκτρικά φορτισμένο, η κίνηση θα δημιουργήσει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε μια διαδικασία που ονομάζεται bremsstrahlung. Έτσι, ένα κομμάτι ύλης θα πρέπει να εκπέμπει συνεχώς ένα πολύ αχνό ρεύμα φωτονίων, το οποίο οι τυπικές εκδόσεις των μοντέλων προβλέπουν ότι είναι στην περιοχή ακτίνων Χ. Donadi και ο συνάδελφός του Angelo Bassi έχουν παρουσιάζεται ότι η εκπομπή τέτοιας ακτινοβολίας αναμένεται από οποιοδήποτε μοντέλο δυναμικής αυθόρμητης κατάρρευσης, συμπεριλαμβανομένου του μοντέλου Diósi-Penrose.
Ωστόσο, «αν και η ιδέα είναι απλή, στην πράξη το τεστ δεν είναι τόσο εύκολο», είπε η Κιμ. Το προβλεπόμενο σήμα είναι εξαιρετικά αδύναμο, πράγμα που σημαίνει ότι ένα πείραμα πρέπει να περιλαμβάνει έναν τεράστιο αριθμό φορτισμένων σωματιδίων για να ληφθεί ένα ανιχνεύσιμο σήμα. Και ο θόρυβος του περιβάλλοντος — που προέρχεται από πηγές όπως οι κοσμικές ακτίνες και η ακτινοβολία στο περιβάλλον — πρέπει να διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα. Αυτές οι συνθήκες μπορούν να ικανοποιηθούν μόνο με τα πιο εξαιρετικά ευαίσθητα πειράματα, όπως αυτά που έχουν σχεδιαστεί για την ανίχνευση σημάτων σκοτεινής ύλης ή τα άπιαστα σωματίδια που ονομάζονται νετρίνα.
Το 1996, Qijia Fu του Hamilton College στη Νέα Υόρκη —τότε ήταν απλώς προπτυχιακός— προτείνεται χρησιμοποιώντας πειράματα νετρίνων με βάση το γερμάνιο για την ανίχνευση μιας υπογραφής CSL εκπομπής ακτίνων Χ. (Εβδομάδες αφότου υπέβαλε την εργασία του, ήταν χτυπήθηκε από κεραυνό σε ένα ταξίδι πεζοπορίας στη Γιούτα και σκοτώθηκαν.) Η ιδέα ήταν ότι τα πρωτόνια και τα ηλεκτρόνια στο γερμάνιο θα έπρεπε να εκπέμπουν την αυθόρμητη ακτινοβολία, την οποία θα λάμβαναν οι υπερευαίσθητοι ανιχνευτές. Ωστόσο, μόλις πρόσφατα κυκλοφόρησαν στο διαδίκτυο όργανα με την απαιτούμενη ευαισθησία.
Το 2020, μια ομάδα στην Ιταλία, συμπεριλαμβανομένων των Donadi, Bassi και Curceanu, μαζί με τον Diósi στην Ουγγαρία, χρησιμοποίησαν έναν ανιχνευτή γερμανίου αυτού του είδους για να δοκιμάσουν το μοντέλο Diósi-Penrose. Οι ανιχνευτές, που δημιουργήθηκαν για ένα πείραμα νετρίνων που ονομάζεται IGEX, προστατεύονται από την ακτινοβολία λόγω της θέσης τους κάτω από το Gran Sasso, ένα βουνό στην περιοχή των Απεννίνων της Ιταλίας.
Εισαγωγή
Αφού αφαίρεσαν προσεκτικά το εναπομείναν σήμα φόντου - κυρίως φυσική ραδιενέργεια από το βράχο - οι φυσικοί δεν είδε καμία εκπομπή σε επίπεδο ευαισθησίας που απέκλεισε την απλούστερη μορφή του μοντέλου Diósi-Penrose. Αυτοί επίσης έβαλε ισχυρά όρια σχετικά με τις παραμέτρους εντός των οποίων ενδέχεται να εξακολουθούν να λειτουργούν διάφορα μοντέλα CSL. Το αρχικό μοντέλο GRW βρίσκεται ακριβώς μέσα σε αυτό το σφιχτό παράθυρο: επιβίωσε από ένα μουστάκι.
Σε έγγραφο που δημοσιεύτηκε τον Αύγουστο, το αποτέλεσμα του 2020 επιβεβαιώθηκε και ενισχύθηκε από ένα πείραμα που ονομάζεται Majorana Demonstrator, το οποίο δημιουργήθηκε κυρίως για την αναζήτηση υποθετικών σωματιδίων που ονομάζονται νετρίνα Majorana (τα οποία έχουν την περίεργη ιδιότητα να είναι δικά τους αντισωματίδια). Το πείραμα στεγάζεται στο Sanford Underground Research Facility, το οποίο βρίσκεται σχεδόν 5,000 πόδια κάτω από τη γη σε ένα πρώην ορυχείο χρυσού στη Νότια Ντακότα. Διαθέτει μεγαλύτερη σειρά από ανιχνευτές γερμανίου υψηλής καθαρότητας από το IGEX και μπορούν να ανιχνεύσουν ακτίνες Χ σε χαμηλές ενέργειες. «Το όριο μας είναι πολύ πιο αυστηρό σε σύγκριση με την προηγούμενη δουλειά», είπε η Kim, μέλος της ομάδας.
Ένα ακατάστατο τέλος
Αν και τα μοντέλα με φυσική κατάρρευση νοσούν πολύ, δεν έχουν πεθάνει. «Τα διάφορα μοντέλα κάνουν πολύ διαφορετικές υποθέσεις σχετικά με τη φύση και τις ιδιότητες της κατάρρευσης», είπε ο Κιμ. Οι πειραματικές δοκιμές έχουν πλέον αποκλείσει τις πιο εύλογες πιθανότητες για αυτές τις αξίες, αλλά υπάρχει ακόμα ένα μικρό νησί ελπίδας.
Τα μοντέλα συνεχούς αυθόρμητου εντοπισμού προτείνουν ότι η φυσική οντότητα που διαταράσσει τη συνάρτηση κύματος είναι κάποιο είδος «πεδίου θορύβου», το οποίο οι τρέχουσες δοκιμές υποθέτουν ότι είναι λευκός θόρυβος: ομοιόμορφος σε όλες τις συχνότητες. Αυτή είναι η πιο απλή υπόθεση. Αλλά είναι πιθανό ο θόρυβος να είναι "χρωματισμένος", για παράδειγμα, έχοντας κάποια διακοπή υψηλής συχνότητας. Ο Curceanu είπε ότι η δοκιμή αυτών των πιο περίπλοκων μοντέλων θα απαιτήσει τη μέτρηση του φάσματος εκπομπών σε υψηλότερες ενέργειες από ό,τι ήταν δυνατό μέχρι τώρα.
Εισαγωγή
Το πείραμα Majorana Demonstrator τώρα τελειώνει, αλλά η ομάδα δημιουργεί μια νέα συνεργασία με ένα πείραμα που ονομάζεται Gerda, που βασίζεται στο Gran Sasso, για να δημιουργήσει ένα άλλο πείραμα που διερευνά τη μάζα νετρίνων. Που ονομάζεται Θρύλος, θα έχει πιο ογκώδεις και επομένως πιο ευαίσθητες συστοιχίες ανιχνευτών γερμανίου. «Η Legend μπορεί να είναι σε θέση να ωθήσει περαιτέρω τα όρια στα μοντέλα CSL», είπε η Kim. Υπάρχουν επίσης προτάσεις for δοκιμών αυτά τα μοντέλα σε πειράματα που βασίζονται στο διάστημα, τα οποία δεν θα υποφέρουν από θόρυβο που παράγεται από περιβαλλοντικούς κραδασμούς.
Η παραποίηση είναι σκληρή δουλειά και σπάνια φτάνει σε ένα τακτοποιημένο τελικό σημείο. Ακόμη και τώρα, σύμφωνα με τον Curceanu, ο Roger Penrose — ο οποίος βραβεύτηκε 2020 Βραβείο Νόμπελ στη Φυσική για την εργασία του στη γενική σχετικότητα — εργάζεται σε μια έκδοση του μοντέλου Diósi-Penrose στην οποία δεν υπάρχει καθόλου αυθόρμητη ακτινοβολία.
Παρόλα αυτά, κάποιοι υποψιάζονται ότι για αυτήν την άποψη της κβαντικής μηχανικής, η γραφή είναι στον τοίχο. «Αυτό που πρέπει να κάνουμε είναι να ξανασκεφτούμε τι προσπαθούν να επιτύχουν αυτά τα μοντέλα», είπε ο Zych, «και να δούμε εάν τα κίνητρα προβλήματα μπορεί να μην έχουν καλύτερη απάντηση μέσω μιας διαφορετικής προσέγγισης». Ενώ λίγοι θα υποστήριζαν ότι το πρόβλημα της μέτρησης δεν αποτελεί πλέον πρόβλημα, μάθαμε επίσης πολλά, στα χρόνια από τότε που προτάθηκαν τα πρώτα μοντέλα κατάρρευσης, για το τι συνεπάγεται η κβαντική μέτρηση. «Νομίζω ότι πρέπει να επιστρέψουμε στο ερώτημα για το τι δημιουργήθηκαν αυτά τα μοντέλα πριν από δεκαετίες», είπε, «και να λάβουμε σοβαρά υπόψη αυτά που μάθαμε στο μεταξύ».
