آزمایش‌ها برای توضیح چند دهه‌ای عجیب و غریب کوانتومی، عذاب را املا می‌کنند

واقعیت عینی چگونه از پالت احتمالات ارائه شده توسط مکانیک کوانتومی پدیدار می شود؟ این سوال - عمیق ترین و آزاردهنده ترین مسئله مطرح شده توسط این نظریه - هنوز موضوع بحث های یک قرنی است. توضیحات احتمالی در مورد اینکه چگونه مشاهدات جهان نتایج قطعی و «کلاسیک» به دست می‌دهد، با تکیه بر تفاسیر مختلف از معنای مکانیک کوانتومی، تنها در طول آن صد یا چند سال چند برابر شده است.

اما اکنون ممکن است آماده باشیم حداقل یک مجموعه از پیشنهادات را حذف کنیم. آزمایش‌های اخیر حساسیت فوق‌العاده ابزارهای فیزیک ذرات را بسیج کرده‌اند تا این ایده را آزمایش کنند که «فروپاشی» احتمالات کوانتومی در یک واقعیت کلاسیک تنها یک راحتی ریاضی نیست، بلکه یک فرآیند فیزیکی واقعی است - ایده‌ای به نام «فروپاشی فیزیکی». آزمایش‌ها شواهدی از اثرات پیش‌بینی‌شده توسط حداقل ساده‌ترین انواع این مدل‌های فروپاشی پیدا نکردند.

هنوز خیلی زود است که به طور قطعی بگوییم که فروپاشی فیزیکی رخ نمی دهد. برخی از محققان بر این باورند که مدل‌ها هنوز می‌توانند برای فرار از محدودیت‌هایی که نتایج صفر آزمایش‌ها بر روی آن‌ها اعمال می‌کند، اصلاح شوند. اما در حالی که "همیشه می توان هر مدلی را نجات داد." ساندرو دونادیفیزیکدان نظری در موسسه ملی فیزیک هسته‌ای (INFN) در تریست ایتالیا، که یکی از آزمایش‌ها را رهبری کرد، تردید دارد که «جامعه به اصلاح مدل‌ها [به طور نامحدود] ادامه دهد، زیرا چیزهای زیادی برای یادگیری وجود نخواهد داشت. با انجام این کار.» به نظر می رسد که این تلاش برای حل بزرگترین معمای نظریه کوانتومی در حال سفت شدن است.

چه چیزی باعث فروپاشی می شود؟

هدف مدل‌های فروپاشی فیزیکی حل معضل اصلی نظریه کوانتومی مرسوم است. در سال 1926 اروین شرودینگر ادعا کرد که یک شی کوانتومی توسط یک موجود ریاضی به نام تابع موج توصیف می شود که تمام آنچه را که می توان در مورد جسم و ویژگی های آن می توان گفت را در خود جای داده است. همانطور که از نام آن پیداست، یک تابع موج نوعی موج را توصیف می کند - اما نه یک موج فیزیکی. در عوض، این یک "موج احتمال" است که به ما امکان می دهد پیامدهای ممکن مختلف اندازه گیری های انجام شده بر روی جسم و شانس مشاهده هر یک از آنها را در یک آزمایش معین پیش بینی کنیم.

اگر اندازه‌گیری‌های زیادی بر روی چنین اجسامی انجام شود که آنها به روشی یکسان آماده شوند، تابع موج همیشه به درستی توزیع آماری نتایج را پیش‌بینی می‌کند. اما هیچ راهی برای دانستن اینکه نتیجه هر اندازه گیری منفرد چیست وجود ندارد - مکانیک کوانتومی فقط احتمالات را ارائه می دهد. چه چیزی یک مشاهده خاص را تعیین می کند؟ در سال 1932، جان فون نویمان، فیزیکدان ریاضی، پیشنهاد کرد که وقتی اندازه گیری انجام می شود، تابع موج به یکی از نتایج احتمالی "در هم می ریزد". این فرآیند اساساً تصادفی است اما با احتمالاتی که کدگذاری می‌کند مغرضانه است. به نظر نمی رسد که خود مکانیک کوانتومی فروپاشی را پیش بینی کند، که باید به صورت دستی به محاسبات اضافه شود.

به عنوان یک ترفند ریاضی موقت، به اندازه کافی خوب کار می کند. اما به نظر می رسد (و همچنان به نظر می رسد) از نظر برخی از محققان این یک حیله رضایت بخش نیست. انیشتین به طرز معروفی آن را به خدا تشبیه کرد که تاس بازی می کند تا تصمیم بگیرد که چه چیزی «واقعی» می شود - آنچه ما واقعاً در دنیای کلاسیک خود مشاهده می کنیم. نیلز بور، فیزیکدان دانمارکی، در تفسیر کپنهاگی خود، به سادگی موضوع را خارج از محدوده بیان کرد و گفت که فیزیکدانان فقط باید یک تمایز اساسی بین رژیم های کوانتومی و کلاسیک را بپذیرند. در مقابل، در سال 1957 فیزیکدان هیو اورت اظهار داشت که فروپاشی تابع موج فقط یک توهم است و در واقع همه نتایج در تعداد تقریباً نامتناهی از جهان های انشعاب تحقق می یابد - چیزی که فیزیکدانان اکنون آن را "می نامند.بسیاری از دنیاها"

حقیقت این است که "علت اساسی فروپاشی تابع موج هنوز ناشناخته است." اینووک کیم، فیزیکدان آزمایشگاه ملی لارنس لیورمور در کالیفرنیا. "چرا و چگونه رخ می دهد؟"

در سال 1986، فیزیکدانان ایتالیایی، جیانکارلو گیراردی، آلبرتو ریمینی و تولیو وبر پیشنهاد پاسخ. آنها گفتند اگر معادله موج شرودینگر تمام داستان نباشد چه؟ آنها فرض کردند که یک سیستم کوانتومی دائماً توسط برخی از تأثیرات ناشناخته تحریک می شود که می تواند آن را وادار کند که به طور خود به خود به یکی از حالت های قابل مشاهده احتمالی سیستم بپرد، در یک مقیاس زمانی که بستگی به بزرگی سیستم دارد. یک سیستم کوچک و ایزوله، مانند یک اتم در برهم نهی کوانتومی (حالتی که در آن چندین نتیجه اندازه گیری ممکن است)، برای مدت بسیار طولانی به همین شکل باقی خواهد ماند. اما اجسام بزرگتر - مثلاً یک گربه یا یک اتم در هنگام تعامل با یک دستگاه اندازه گیری ماکروسکوپی - تقریباً بلافاصله در حالت کلاسیک کاملاً تعریف شده فرو می ریزند. این مدل به اصطلاح GRW (پس از حروف اول سه گانه) اولین مدل فروپاشی فیزیکی بود. یک بعد اصلاح به عنوان مدل محلی سازی خود به خودی پیوسته (CSL) شناخته می شود که شامل فروپاشی تدریجی و مداوم به جای یک پرش ناگهانی است. این فیزیکدان گفت: این مدل‌ها نه آنقدر از مکانیک کوانتومی که اضافاتی به آن هستند. ماگدالنا زیچ از دانشگاه کوئینزلند استرالیا

چه چیزی باعث این محلی سازی خود به خود از طریق فروپاشی تابع موج می شود؟ مدل‌های GRW و CSL نمی‌گویند؛ آنها فقط پیشنهاد می کنند برای توصیف معادله شرودینگر یک عبارت ریاضی اضافه کنید. اما در دهه 1980 و 90، فیزیکدانان ریاضی راجر پنروز از دانشگاه آکسفورد و لاخوس دیوسی از دانشگاه Eötvös Loránd در بوداپست به طور مستقل علت احتمالی فروپاشی را مطرح کردند: گرانش. به زبان ساده، ایده آنها این بود که اگر یک جسم کوانتومی در یک برهم نهی از مکان ها باشد، هر وضعیت موقعیت، دیگران را از طریق تعامل گرانشی خود "احساس" می کند. انگار این جاذبه باعث می شود که جسم خودش را بسنجد و باعث فروپاشی شود. یا اگر از منظر نسبیت عام به آن نگاه کنید، که گرانش را توصیف می‌کند، برهم‌نهی مکان‌ها بافت فضا-زمان را به دو صورت مختلف در آن واحد تغییر شکل می‌دهد، شرایطی که نسبیت عام نمی‌تواند آن را تطبیق دهد. همانطور که پنروز گفته است، در یک بن بست بین مکانیک کوانتومی و نسبیت عام، کوانتوم ابتدا ترک خواهد خورد.

آزمون حقیقت

این ایده ها همیشه به شدت حدس و گمان بوده اند. اما، بر خلاف توضیحات مکانیک کوانتومی مانند تفاسیر کپنهاگ و اورت، مدل‌های فروپاشی فیزیکی دارای فضیلت پیش‌بینی‌های قابل مشاهده هستند - و بنابراین قابل آزمایش و ابطال هستند.

اگر واقعاً آشفتگی پس‌زمینه‌ای وجود داشته باشد که فروپاشی کوانتومی را برانگیزد - خواه از اثرات گرانشی ناشی شود یا چیز دیگری - آنگاه همه ذرات به طور پیوسته با این آشفتگی در تعامل خواهند بود، خواه در یک برهم نهی باشند. عواقب در اصل باید قابل تشخیص باشد. کاتالینا کورچانو، فیزیکدان در INFN، گفت که این برهمکنش باید یک "زیگزاگی دائمی ذرات در فضا" مشابه حرکت براونی ایجاد کند.

مدل‌های فروپاشی فیزیکی کنونی نشان می‌دهند که این حرکت انتشاری بسیار جزئی است. با این وجود، اگر ذره بار الکتریکی داشته باشد، حرکت تابش الکترومغناطیسی در فرآیندی به نام bremsstrahlung ایجاد می کند. بنابراین، یک توده ماده باید به طور پیوسته جریان بسیار ضعیفی از فوتون ها را ساطع کند، که نسخه های معمولی مدل ها پیش بینی می کنند که در محدوده اشعه ایکس قرار دارند. دونادی و همکارش آنجلو باسی داشته باشد نشان داده شده که انتشار چنین تشعشعی از هر مدل فروپاشی خود به خودی دینامیکی، از جمله مدل دیوسی-پنروز انتظار می رود.

کیم گفت: «در حالی که ایده ساده است، در عمل آزمایش آنقدر آسان نیست. سیگنال پیش‌بینی‌شده بسیار ضعیف است، به این معنی که یک آزمایش باید شامل تعداد زیادی ذرات باردار باشد تا یک سیگنال قابل تشخیص به دست آید. و نویز پس زمینه - که از منابعی مانند پرتوهای کیهانی و تشعشعات موجود در محیط می آید - باید کم نگه داشته شود. این شرایط را فقط می‌توان با حساس‌ترین آزمایش‌ها برآورده کرد، مانند آزمایش‌هایی که برای تشخیص سیگنال‌های ماده تاریک یا ذرات گریزان به نام نوترینو طراحی شده‌اند.

در سال 1996، کیجیا فو از کالج همیلتون در نیویورک - که در آن زمان فقط یک مقطع کارشناسی بود - پیشنهاد شده با استفاده از آزمایش‌های نوترینویی مبتنی بر ژرمانیوم برای شناسایی امضای CSL از انتشار اشعه ایکس. (هفته‌ها پس از ارسال مقاله‌اش، او بود اصابت رعد و برق در یک سفر پیاده روی در یوتا کشته شدند.) ایده این بود که پروتون ها و الکترون های ژرمانیوم باید تشعشعات خود به خودی را ساطع کنند که آشکارسازهای فوق حساس آن را دریافت می کنند. با این حال، اخیراً ابزارهایی با حساسیت مورد نیاز آنلاین شده اند.

در سال 2020، یک تیم در ایتالیا، از جمله Donadi، Bassi و Curceanu، همراه با Diósi در مجارستان، از یک آشکارساز ژرمانیومی از این نوع برای آزمایش مدل Diósi-Penrose استفاده کردند. آشکارسازهایی که برای آزمایش نوترینو به نام IGEX ایجاد شده‌اند، به دلیل قرار گرفتن در زیر گران ساسو، کوهی در رشته آپنین ایتالیا، از تشعشعات محافظت می‌شوند.

پس از کم کردن دقیق سیگنال پس‌زمینه باقی‌مانده - عمدتا رادیواکتیویته طبیعی از سنگ - فیزیکدانان هیچ انتشاری ندید در سطح حساسیتی که ساده ترین شکل مدل دیوسی-پنروز را رد می کرد. انها همچنین مرزهای قوی قرار داد بر روی پارامترهایی که ممکن است مدل‌های مختلف CSL همچنان در آنها کار کنند. مدل اصلی GRW درست در این پنجره تنگ قرار دارد: با یک سبیل زنده ماند.

در یک مقاله منتشر شده در ماه اوت، نتیجه 2020 توسط آزمایشی به نام Majorana Demonstrator تأیید و تقویت شد که اساساً برای جستجوی ذرات فرضی به نام نوترینوهای Majorana (که خاصیت عجیب ضد ذرات خود را دارند) ایجاد شد. این آزمایش در مرکز تحقیقات زیرزمینی سانفورد، که تقریباً 5,000 فوت زیر زمین در یک معدن طلای سابق در داکوتای جنوبی قرار دارد، قرار دارد. این دستگاه دارای آرایه بزرگتری از آشکارسازهای ژرمانیوم با خلوص بالا نسبت به IGEX است و آنها می توانند اشعه ایکس را با انرژی پایین تشخیص دهند. کیم، یکی از اعضای تیم، گفت: "محدودیت ما در مقایسه با کار قبلی بسیار دقیق تر است."

پایان کثیف

اگرچه مدل‌های فروپاشی فیزیکی به شدت بیمار هستند، اما کاملاً مرده نیستند. کیم گفت: «مدل‌های مختلف مفروضات بسیار متفاوتی درباره ماهیت و ویژگی‌های فروپاشی دارند. آزمایشات تجربی اکنون اکثر احتمالات قابل قبول برای این ارزش ها را رد کرده اند، اما هنوز جزیره کوچکی از امید وجود دارد.

مدل‌های محلی‌سازی خود به خودی پیوسته پیشنهاد می‌کنند که موجودیت فیزیکی که عملکرد موج را مختل می‌کند نوعی «میدان نویز» است، که آزمایش‌های فعلی فرض می‌کنند نویز سفید است: یکنواخت در همه فرکانس‌ها. این ساده ترین فرض است. اما این امکان وجود دارد که نویز ممکن است "رنگی" باشد، به عنوان مثال با داشتن مقداری قطع فرکانس بالا. کورچانو گفت که آزمایش این مدل‌های پیچیده‌تر نیازمند اندازه‌گیری طیف انتشار در انرژی‌های بالاتر از آنچه تاکنون بوده است، دارد.

آزمایش Majorana Demonstrator اکنون در حال پایان است، اما تیم در حال ایجاد یک همکاری جدید با آزمایشی به نام گردا، مستقر در Gran Sasso، برای ایجاد آزمایش دیگری در مورد جرم نوترینو. تماس گرفت افسانه، آرایه های آشکارساز ژرمانیوم عظیم تر و در نتیجه حساس تری خواهد داشت. کیم گفت: «Legend ممکن است بتواند محدودیت‌های مدل‌های CSL را بیشتر کند. نیز وجود دارد پیشنهادات برای تست این مدل‌ها در آزمایش‌های فضایی، که از نویز ناشی از ارتعاشات محیطی رنج نمی‌برند.

جعل کار سختی است و به ندرت به نقطه پایانی مرتب می رسد. حتی اکنون، طبق گفته کورچانو، راجر پنروز - که این جایزه را دریافت کرد 2020 جایزه نوبل فیزیک برای کار خود در مورد نسبیت عام - روی نسخه ای از مدل دیوسی-پنروز کار می کند که در آن هیچ تشعشع خود به خودی وجود ندارد.

با این حال، برخی گمان می کنند که برای این دیدگاه از مکانیک کوانتومی، نوشته روی دیوار است. زیک گفت: «کاری که ما باید انجام دهیم این است که دوباره فکر کنیم که این مدل‌ها در تلاش برای رسیدن به چه چیزی هستند، و ببینیم که آیا مشکلات انگیزه‌دهنده ممکن است از طریق رویکردی متفاوت پاسخ بهتری نداشته باشند.» در حالی که تعداد کمی استدلال می کنند که مشکل اندازه گیری دیگر یک مسئله نیست، ما همچنین در سال های پس از ارائه اولین مدل های فروپاشی در مورد آنچه اندازه گیری کوانتومی مستلزم آن است، چیزهای زیادی آموخته ایم. او گفت: «من فکر می‌کنم باید به این سؤال برگردیم که این مدل‌ها برای چند دهه پیش ساخته شده‌اند، و آنچه را که در این بین آموخته‌ایم جدی بگیریم.»