Sissejuhatus
Kuidas ilmneb objektiivne reaalsus kvantmehaanika pakutavate võimaluste paletist? See küsimus – teooria kõige sügavam ja ärevam probleem – on ikka veel sajandivanune argumentide teema. Võimalikud seletused selle kohta, kuidas maailma vaatlused annavad kindlaid, “klassikalisi” tulemusi, tuginedes kvantmehaanika tähenduse erinevatele tõlgendustele, on selle saja aasta jooksul vaid mitmekordistunud.
Kuid nüüd võime olla valmis vähemalt ühe ettepanekute komplekti kõrvaldama. Hiljutised katsed on mobiliseerinud osakestefüüsika instrumentide äärmise tundlikkuse, et testida ideed, et kvantvõimaluste "kokkuvarisemine" üheks klassikaliseks reaalsuseks ei ole lihtsalt matemaatiline mugavus, vaid reaalne füüsiline protsess - idee, mida nimetatakse "füüsiliseks kollapsiks". Katsetes ei leitud tõendeid mõjude kohta, mida ennustavad vähemalt nende kokkuvarisemismudelite kõige lihtsamad variandid.
On veel liiga vara kindlalt väita, et füüsilist kokkuvarisemist ei toimu. Mõned teadlased usuvad, et mudeleid saab veel muuta, et pääseda piirangutest, mida katsete nulltulemused neile seavad. Kuid kuigi "iga mudelit on alati võimalik päästa", ütles Sandro Donadi, Itaalias Triestes asuva riikliku tuumafüüsika instituudi (INFN) teoreetiline füüsik, kes juhtis üht katset, kahtleb, et „kogukond jätkab mudelite muutmist [lõpmatuseni], kuna õppida pole liiga palju. seda tehes." Tundub, et silmus pingutab selles katses lahendada kvantteooria suurim mõistatus.
Mis põhjustab kollapsi?
Füüsilise kollapsi mudelite eesmärk on lahendada tavapärase kvantteooria keskne dilemma. 1926. aastal Erwin Schrödinger väidetavalt et kvantobjekti kirjeldab matemaatiline üksus, mida nimetatakse lainefunktsiooniks ja mis kapseldab kõike, mida saab objekti ja selle omaduste kohta öelda. Nagu nimigi viitab, kirjeldab lainefunktsioon teatud tüüpi lainet, kuid mitte füüsilist. Pigem on see "tõenäosuslaine", mis võimaldab meil ennustada objektil tehtud mõõtmiste erinevaid võimalikke tulemusi ja võimalust jälgida mõnda neist antud katses.
Sissejuhatus
Kui sellistel objektidel tehakse palju mõõtmisi, kui need on ette valmistatud identsel viisil, ennustab lainefunktsioon alati õigesti tulemuste statistilist jaotust. Kuid pole võimalik teada, milline on iga üksiku mõõtmise tulemus – kvantmehaanika pakub ainult tõenäosusi. Mis määrab konkreetse vaatluse? 1932. aastal tegi matemaatikfüüsik John von Neumann ettepaneku, et kui mõõtmine on tehtud, siis lainefunktsioon "kokkukukkuda" üheks võimalikuks tulemuseks. Protsess on sisuliselt juhuslik, kuid kallutatud selle kodeeritud tõenäosuste tõttu. Tundub, et kvantmehaanika ise ei ennusta kokkuvarisemist, mis tuleb arvutustele käsitsi lisada.
Ad hoc matemaatilise nipina töötab see piisavalt hästi. Kuid mõnele uurijale tundus (ja näib jätkuvalt) see ebarahuldava näpunäide. Einstein võrdles seda kuulsalt sellega, et Jumal mängib täringut, et otsustada, mis saab "tõeliseks" - mida me oma klassikalises maailmas tegelikult jälgime. Taani füüsik Niels Bohr hääldas oma niinimetatud Kopenhaageni tõlgenduses probleemi lihtsalt piiridest välja, öeldes, et füüsikud peavad lihtsalt leppima kvant- ja klassikalise režiimi põhimõttelise eristusega. Seevastu 1957. aastal väitis füüsik Hugh Everett, et lainefunktsiooni kokkuvarisemine on vaid illusioon ja et tegelikult realiseeruvad kõik tulemused peaaegu lõpmatus arvus hargnevates universumites – mida füüsikud praegu nimetavad.palju maailmu. "
Tõde on see, et "lainefunktsiooni kokkuvarisemise põhipõhjus on veel teadmata", ütles Inwook Kim, füüsik Lawrence Livermore'i riiklikus laboris Californias. "Miks ja kuidas see juhtub?"
Itaalia füüsikud Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini ja Tullio Weber 1986. soovitas vastus. Mis siis, kui nad ütlesid, et Schrödingeri lainevõrrand poleks kogu lugu? Nad väitsid, et kvantsüsteemi õhutab pidevalt mingi tundmatu mõju, mis võib indutseerida seda spontaanselt hüppama ühte süsteemi võimalikesse jälgitavatesse olekutesse ajaskaalal, mis sõltub süsteemi suurusest. Väike isoleeritud süsteem, näiteks aatom kvantsuperpositsioonis (seisund, milles on võimalikud mitmed mõõtmistulemused), jääb selliseks väga pikaks ajaks. Kuid suuremad objektid – näiteks kass või aatom, kui see suhtleb makroskoopilise mõõteseadmega – varisevad peaaegu silmapilkselt täpselt määratletud klassikalisesse olekusse. See niinimetatud GRW mudel (pärast kolmiku initsiaale) oli esimene füüsilise kokkuvarisemise mudel; a hiljem viimistlemine mida tuntakse pideva spontaanse lokaliseerimise (CSL) mudelina, hõlmas pigem järkjärgulist, pidevat kokkuvarisemist kui äkilist hüpet. Need mudelid pole mitte niivõrd kvantmehaanika tõlgendused, kuivõrd selle täiendused, ütles füüsik. Magdalena Zych Queenslandi ülikoolist Austraalias.
Mis põhjustab selle spontaanse lokaliseerimise lainefunktsiooni kokkuvarisemise kaudu? GRW ja CSL mudelid ei ütle; nad lihtsalt soovitavad lisada Schrödingeri võrrandile selle kirjeldamiseks matemaatilise termini. Kuid 1980. ja 90. aastatel pakkusid matemaatilised füüsikud Roger Penrose Oxfordi ülikoolist ja Lajos Diósi Budapesti Eötvös Lorándi ülikoolist sõltumatult välja võimaliku kokkuvarisemise põhjuse: gravitatsiooni. Lõdvalt öeldes oli nende idee, et kui kvantobjekt on asukohtade superpositsioonis, siis iga positsiooni olek "tunnetab" teisi nende gravitatsioonilise interaktsiooni kaudu. See külgetõmme paneb objekti ennast mõõtma, sundides kokku varisema. Või kui vaadata seda üldrelatiivsusteooria vaatenurgast, mis kirjeldab gravitatsiooni, siis paikkondade superpositsioon deformeerib aegruumi kahel erineval viisil korraga – see on asjaolu, mida üldrelatiivsusteooria ei suuda vastu võtta. Nagu Penrose on öelnud, puruneb kvantmehaanika ja üldrelatiivsusteooria vahelises lahkhelis kõigepealt kvant.
Tõe test
Need ideed on alati olnud väga spekulatiivsed. Kuid erinevalt kvantmehaanika seletustest, nagu Kopenhaageni ja Everetti tõlgendused, on füüsilise kokkuvarisemise mudelite voorus vaadeldavate ennustuste tegemine ja seega testitav ja võltsitav.
Kui tõepoolest esineb taustahäire, mis kutsub esile kvantkolapsi – olgu see siis gravitatsiooniefektide või millegi muu tõttu –, siis kõik osakesed suhtlevad selle häirega pidevalt, olenemata sellest, kas nad on superpositsioonis või mitte. Tagajärjed peaksid põhimõtteliselt olema tuvastatavad. Interaktsioon peaks tekitama "osakeste püsiva siksakitamise ruumis", mis on võrreldav Browni liikumisega, ütles INFN-i füüsik Catalina Curceanu.
Praegused füüsilise kokkuvarisemise mudelid viitavad sellele, et see hajuv liikumine on väga väike. Sellegipoolest, kui osake on elektriliselt laetud, tekitab liikumine elektromagnetkiirgust protsessis, mida nimetatakse bremsstrahlungiks. Ainetükk peaks seega pidevalt kiirgama väga nõrka footonite voogu, mida mudelite tüüpilised versioonid ennustavad olevat röntgenikiirguse vahemikus. Donadi ja tema kolleeg Angelo Bassi olema näidatud et sellise kiirguse emissiooni eeldatakse dünaamilise spontaanse kollapsi mis tahes mudelist, sealhulgas Diósi-Penrose'i mudelist.
Kuid "kuigi idee on lihtne, pole test praktikas nii lihtne," ütles Kim. Ennustatud signaal on äärmiselt nõrk, mis tähendab, et tuvastatava signaali saamiseks peab katse hõlmama tohutult palju laetud osakesi. Ja taustmüra, mis pärineb sellistest allikatest nagu kosmilised kiired ja keskkonnakiirgus, tuleb hoida madalana. Neid tingimusi saab täita ainult kõige äärmiselt tundlikumate katsetega, näiteks nendega, mis on kavandatud tuvastama tumeaine signaale või tabamatuid osakesi, mida nimetatakse neutriinodeks.
Aastal 1996 Qijia Fu New Yorgi Hamiltoni kolledžist – siis alles bakalaureuseõppes – pakutud germaaniumipõhiste neutriinokatsete kasutamine röntgenikiirguse CSL-signatuuri tuvastamiseks. (Nädalad pärast paberi esitamist ta oli välk tabanud matkal Utah's ja tappis.) Idee seisnes selles, et germaaniumis olevad prootonid ja elektronid peaksid kiirgama spontaanset kiirgust, mille ülitundlikud detektorid koguvad. Nõutava tundlikkusega instrumendid jõudsid võrku alles hiljuti.
2020. aastal kasutas Itaalia meeskond, kuhu kuulusid Donadi, Bassi ja Curceanu koos Diósiga Ungaris, seda tüüpi germaaniumidetektorit Diósi-Penrose'i mudeli testimiseks. IGEX-nimelise neutriinokatse jaoks loodud detektorid on kiirguse eest kaitstud, kuna need asuvad Itaalias Apenniini ahelikus asuva mäe Gran Sasso all.
Sissejuhatus
Pärast järelejäänud taustsignaali – enamasti kivimi loodusliku radioaktiivsuse – hoolikat lahutamist, tegid füüsikud emissiooni ei näinud tundlikkuse tasemel, mis välistas Diósi-Penrose'i mudeli kõige lihtsama vormi. Ka nemad seatud tugevad piirid parameetrite kohta, mille piires erinevad CSL-i mudelid võivad veel töötada. Algne GRW mudel asub just selles kitsas aknas: sellest jäi vurr.
Aastal paber ilmus tänavu augustis, kinnitas ja tugevdas 2020. aasta tulemust eksperiment nimega Majorana Demonstrator, mis loodi peamiselt hüpoteetiliste osakeste otsimiseks, mida nimetatakse Majorana neutriinodeks (millel on kummaline omadus olla nende endi antiosakesed). Katse toimub Sanfordi maa-aluses uurimiskeskuses, mis asub Lõuna-Dakotas endises kullakaevanduses peaaegu 5,000 jala sügavusel maa all. Sellel on suurem hulk kõrge puhtusastmega germaaniumidetektoreid kui IGEXil ja need suudavad tuvastada röntgenikiirgust kuni madala energiani. "Meie limiit on eelmise tööga võrreldes palju rangem," ütles meeskonna liige Kim.
Segane lõpp
Kuigi füüsilise kokkuvarisemise mudelid on väga haiged, pole nad päris surnud. "Erinevad mudelid teevad kokkuvarisemise olemuse ja omaduste kohta väga erinevaid oletusi," ütles Kim. Eksperimentaalsed testid on nüüd välistanud nende väärtuste jaoks kõige usutavamad võimalused, kuid väike lootusesaar on endiselt olemas.
Pidevad spontaansed lokaliseerimismudelid viitavad sellele, et lainefunktsiooni häiriv füüsiline üksus on mingi "müraväli", mille puhul praegused testid eeldavad valget müra: ühtlane kõigil sagedustel. See on kõige lihtsam oletus. Kuid on võimalik, et müra võib olla "värviline", näiteks mõne kõrgsagedusliku väljalülituse tõttu. Curceanu ütles, et nende keerukamate mudelite testimiseks on vaja mõõta emissioonispektrit suurematel energiatel, kui on seni olnud võimalik.
Sissejuhatus
Majorana Demonstratori eksperiment on nüüd lõppemas, kuid meeskond loob uue koostöö katsega nimega Gerda, mis asub Gran Sassos, et luua veel üks katse neutriino massi uurimiseks. Helistas legend, on sellel massiivsemad ja seega tundlikumad germaaniumidetektori massiivid. "Legend võib CSL-mudelite piire veelgi tõsta, " ütles Kim. Samuti on olemas ettepanekuid eest testimine need mudelid kosmosepõhistes katsetes, mis ei kannata keskkonnavibratsiooni tekitatud müra.
Võltsimine on raske töö ja jõuab harva korraliku lõpp-punktini. Curceanu sõnul pälvis Roger Penrose isegi praegu 2020i füüsika Nobeli preemia oma töö eest üldrelatiivsusteooria alal — töötab Diósi-Penrose’i mudeli versiooni kallal, milles spontaanset kiirgust pole üldse.
Siiski kahtlustavad mõned, et selle kvantmehaanika vaate puhul on kiri seinal. "Peame uuesti läbi mõtlema, mida need mudelid üritavad saavutada," ütles Zych, "ja näha, kas motiveerivatele probleemidele ei pruugi olla paremat vastust erineva lähenemisviisi kaudu." Kuigi vähesed väidavad, et mõõtmisprobleem pole enam probleem, oleme esimeste kokkuvarisemismudelite pakkumisest möödunud aastate jooksul ka palju õppinud selle kohta, mida kvantmõõtmine endaga kaasa toob. "Ma arvan, et peame pöörduma tagasi küsimuse juurde, milleks need mudelid aastakümneid tagasi loodi," ütles ta, "ja võtma vahepeal õpitut tõsiselt."
