esittely
Miten objektiivinen todellisuus nousee esiin kvanttimekaniikan tarjoamien mahdollisuuksien paletista? Tämä kysymys – teorian syvin ja kiusallisin kysymys – on edelleen kiistelty sata vuotta vanhaa. Mahdolliset selitykset siitä, kuinka maailman havainnot tuottavat varmoja, "klassisia" tuloksia, jotka perustuvat erilaisiin tulkintoihin kvanttimekaniikan merkityksestä, ovat vain moninkertaistuneet noin sadan vuoden aikana.
Mutta nyt saatamme olla valmiita poistamaan ainakin yhden ehdotusjoukon. Viimeaikaiset kokeet ovat mobilisoineet hiukkasfysiikan instrumenttien äärimmäisen herkkyyden testaamaan ajatusta, että kvanttimahdollisuuksien "lupautuminen" yhdeksi klassiseksi todellisuudeksi ei ole vain matemaattinen mukavuus, vaan todellinen fyysinen prosessi - idea, jota kutsutaan "fysikaaliseksi romahdukseksi". Kokeet eivät löydä näyttöä vaikutuksista, joita näiden romahtamismallien ainakin yksinkertaisimmat versiot ennustavat.
On vielä liian aikaista sanoa lopullisesti, ettei fyysistä romahdusta tapahdu. Jotkut tutkijat uskovat, että malleja voitaisiin vielä muokata, jotta vältytään kokeiden nollatulosten niille asettamista rajoituksista. Mutta vaikka "jokainen malli on aina mahdollista pelastaa", sanoi Sandro Donadi, teoreettinen fyysikko National Institute for Nuclear Physicsissä (INFN) Triestessä, Italiassa, joka johti yhtä kokeista, hän epäilee, että "yhteisö jatkaa mallien muokkaamista [määrättömästi], koska opittavaa ei ole liikaa tekemällä niin." Silmukka näyttää kiristävän tätä yritystä ratkaista kvanttiteorian suurin mysteeri.
Mikä aiheuttaa romahtamisen?
Fyysisten romahtamismallien tavoitteena on ratkaista perinteisen kvanttiteorian keskeinen dilemma. Vuonna 1926 Erwin Schrödinger väitti että kvanttiobjektia kuvaa matemaattinen kokonaisuus, jota kutsutaan aaltofunktioksi ja joka kiteyttää kaiken, mitä objektista ja sen ominaisuuksista voidaan sanoa. Kuten nimestä voi päätellä, aaltofunktio kuvaa eräänlaista aaltoa - mutta ei fyysistä. Pikemminkin se on "todennäköisyysaalto", jonka avulla voimme ennustaa kohteelle tehtyjen mittausten erilaisia mahdollisia tuloksia ja mahdollisuuden havaita jokin niistä tietyssä kokeessa.
esittely
Jos tällaisille kohteille tehdään useita mittauksia, kun ne on valmistettu samalla tavalla, aaltofunktio ennustaa aina oikein tulosten tilastollisen jakauman. Mutta ei ole mitään keinoa tietää, mikä on yksittäisen mittauksen tulos - kvanttimekaniikka tarjoaa vain todennäköisyyksiä. Mikä määrittää tietyn havainnon? Vuonna 1932 matemaattinen fyysikko John von Neumann ehdotti, että kun mittaus tehdään, aaltofunktio "kutistuu" yhdeksi mahdollisista tuloksista. Prosessi on pohjimmiltaan satunnainen, mutta sen koodaamien todennäköisyyksien puolueellinen. Kvanttimekaniikka itsessään ei näytä ennustavan romahdusta, vaan se on lisättävä manuaalisesti laskelmiin.
Ad hoc -matemaattisena temppuna se toimii tarpeeksi hyvin. Mutta se vaikutti (ja näyttää edelleen) joidenkin tutkijoiden mielestä epätyydyttävältä ovelalta. Einstein verrasi sitä tunnetusti siihen, että Jumala leikkii noppaa päättääkseen, mistä tulee "todellista" – mitä me itse asiassa havaitsemme klassisessa maailmassamme. Tanskalainen fyysikko Niels Bohr niin kutsutussa Kööpenhaminan tulkinnassaan yksinkertaisesti julisti asian rajojen ulkopuolelle, sanoen, että fyysikoiden täytyi vain hyväksyä perustavanlaatuinen ero kvantti- ja klassisen järjestelmän välillä. Sitä vastoin vuonna 1957 fyysikko Hugh Everett väitti, että aaltofunktion romahtaminen on vain illuusio ja että itse asiassa kaikki tulokset toteutuvat lähes äärettömässä määrässä haarautuvia universumeja - mitä fyysikot nykyään kutsuvat "monia maailmoja"
Totuus on, että "aaltofunktion romahtamisen perussyy on vielä tuntematon", sanoi Inwook Kim, fyysikko Lawrence Livermore National Laboratoryssa Kaliforniassa. "Miksi ja miten se tapahtuu?"
Vuonna 1986 italialaiset fyysikot Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini ja Tullio Weber ehdotti vastaus. Entä jos he sanoivat, että Schrödingerin aaltoyhtälö ei ollut koko tarina? He väittivät, että kvanttijärjestelmää ruokkii jatkuvasti jokin tuntematon vaikutus, joka voi saada sen hyppäämään spontaanisti johonkin järjestelmän mahdollisista havaittavissa olevista tiloista ajassa, joka riippuu järjestelmän koosta. Pieni, eristetty järjestelmä, kuten atomi kvantisuperpositiossa (tila, jossa useita mittaustuloksia on mahdollista), pysyy sellaisena hyvin pitkään. Mutta isommat esineet - esimerkiksi kissa tai atomi, kun se on vuorovaikutuksessa makroskooppisen mittauslaitteen kanssa - romahtaa hyvin määriteltyyn klassiseen tilaan melkein välittömästi. Tämä niin kutsuttu GRW-malli (kolmikon nimikirjaimien jälkeen) oli ensimmäinen fyysisen romahduksen malli; myöhemmin hienostuneisuus joka tunnetaan nimellä jatkuva spontaani lokalisointi (CSL) -malli, joka sisälsi asteittaisen, jatkuvan romahtamisen äkillisen hypyn sijaan. Nämä mallit eivät ole niinkään kvanttimekaniikan tulkintoja kuin lisäyksiä siihen, sanoi fyysikko. Magdalena Zych Queenslandin yliopistosta Australiassa.
Mikä aiheuttaa tämän spontaanin lokalisoinnin aaltofunktion romahtamisen kautta? GRW- ja CSL-mallit eivät kerro; he vain ehdottavat matemaattisen termin lisäämistä Schrödingerin yhtälöön kuvaamaan sitä. Mutta 1980- ja 90-luvuilla matemaattiset fyysikot Roger Penrose Oxfordin yliopistosta ja Lajos Diósi Budapestin Eötvös Loránd -yliopistosta ehdottivat itsenäisesti mahdollista romahduksen syytä: painovoimaa. Löyhästi sanottuna heidän ajatuksensa oli, että jos kvanttiobjekti on paikkojen superpositiossa, jokainen sijaintitila "tuntuu" muut gravitaatiovuorovaikutuksensa kautta. On kuin tämä vetovoima saa kohteen mittaamaan itsensä ja pakottamaan romahtamaan. Tai jos sitä tarkastellaan yleisen suhteellisuusteorian näkökulmasta, joka kuvaa painovoimaa, paikkakuntien superpositio muuttaa aika-avaruuden kudosta kahdella eri tavalla kerralla, olosuhde, jota yleinen suhteellisuusteoria ei voi ottaa huomioon. Kuten Penrose on ilmaissut, kvanttimekaniikan ja yleisen suhteellisuusteorian vastakkainasettelussa kvantti murtuu ensin.
Totuuden testi
Nämä ajatukset ovat aina olleet erittäin spekulatiivisia. Mutta toisin kuin kvanttimekaniikan selitykset, kuten Kööpenhaminan ja Everettin tulkinnat, fyysisen romahduksen malleilla on se hyve, että ne tekevät havaittavia ennusteita - ja ovat siten testattavissa ja väärennettavissa.
Jos todellakin on taustahäiriö, joka saa aikaan kvanttiromahtamisen - johtuupa se gravitaatiovaikutuksista tai jostain muusta - niin kaikki hiukkaset ovat jatkuvasti vuorovaikutuksessa tämän häiriön kanssa, olivatpa ne superpositiossa tai eivät. Seurausten pitäisi periaatteessa olla havaittavissa. Vuorovaikutuksen pitäisi luoda "pysyvä hiukkasten siksakkiminen avaruudessa", joka on verrattavissa Brownin liikkeeseen, sanoi Catalina Curceanu, INFN:n fyysikko.
Nykyiset fyysisen romahtamisen mallit viittaavat siihen, että tämä diffuusioliike on vain hyvin vähäistä. Siitä huolimatta, jos hiukkanen on sähköisesti varautunut, liike tuottaa sähkömagneettista säteilyä prosessissa, jota kutsutaan bremsstrahlungiksi. Ainepalan pitäisi siis jatkuvasti lähettää hyvin heikkoa fotonivirtaa, jonka mallien tyypilliset versiot ennustavat olevan röntgenalueella. Donadi ja hänen kollegansa Angelo Bassi omistaa esitetty että tällaisen säteilyn säteilyä odotetaan mistä tahansa dynaamisen spontaanin romahduksen malleista, mukaan lukien Diósi-Penrose-malli.
Mutta "vaikka idea on yksinkertainen, käytännössä testi ei ole niin helppoa", Kim sanoi. Ennustettu signaali on äärimmäisen heikko, mikä tarkoittaa, että kokeessa on oltava mukana valtava määrä varautuneita hiukkasia havaittavan signaalin saamiseksi. Ja taustamelu – joka tulee sellaisista lähteistä kuin kosmiset säteet ja ympäristön säteily – on pidettävä alhaisena. Nämä ehdot voidaan täyttää vain äärimmäisen herkimmillä kokeilla, kuten niillä, jotka on suunniteltu havaitsemaan pimeän aineen signaaleja tai vaikeasti havaittavia hiukkasia, joita kutsutaan neutriinoksi.
Vuonna 1996 Qijia Fu Hamilton Collegesta New Yorkista - silloin vasta perustutkinto - ehdotettu käyttämällä germaniumpohjaisia neutriinokokeita röntgensäteilyn CSL-signatuurin havaitsemiseen. (Viikkoja sen jälkeen, kun hän oli lähettänyt paperinsa, hän oli salaman iskemä vaellusretkellä Utahissa ja kuoli.) Ajatuksena oli, että germaniumin protonit ja elektronit lähettäisivät spontaania säteilyä, jonka ultraherkät ilmaisimet poimiisivat. Kuitenkin vasta äskettäin verkkoon on tullut tarvittavalla herkkyydellä varustettuja instrumentteja.
Vuonna 2020 italialainen tiimi, johon kuuluivat Donadi, Bassi ja Curceanu, sekä Diósi Unkarissa, käytti tämän tyyppistä germaniumilmaisinta Diósi-Penrose-mallin testaamiseen. IGEX-nimistä neutrinokoetta varten luodut ilmaisimet on suojattu säteilyltä, koska ne sijaitsevat Gran Sasson, Italian Apenniinien vuoristossa sijaitsevan vuoren alla.
esittely
Vähennettyään huolellisesti jäljellä olevan taustasignaalin - enimmäkseen luonnollisen radioaktiivisuuden kivestä - fyysikot ei nähnyt päästöjä herkkyystasolla, joka sulki pois Diósi-Penrose-mallin yksinkertaisimman muodon. He myös asetti vahvat rajat parametreistä, joiden puitteissa eri CSL-mallit saattavat vielä toimia. Alkuperäinen GRW-malli on juuri tämän tiukan ikkunan sisällä: siitä selvisi viikset.
Jonkin sisällä elokuussa julkaistu lehti, vuoden 2020 tulos vahvisti ja vahvisti Majorana Demonstrator -nimisellä kokeella, joka perustettiin ensisijaisesti etsimään hypoteettisia Majorana-neutriinoja (joilla on omituinen ominaisuus olla omia antihiukkasia). Kokeilu sijaitsee Sanford Underground Research Facilityssä, joka sijaitsee lähes 5,000 jalkaa maan alla entisessä kultakaivoksessa Etelä-Dakotassa. Siinä on suurempi joukko erittäin puhtaita germaniumilmaisimia kuin IGEXissä, ja ne voivat havaita röntgensäteitä alhaisiin energioihin asti. "Rajamme on paljon tiukempi kuin aikaisempi työ", sanoi tiimin jäsen Kim.
Sotkuinen loppu
Vaikka fyysisen romahduksen mallit ovat pahasti sairaita, ne eivät ole aivan kuolleita. "Eri mallit tekevät hyvin erilaisia oletuksia romahduksen luonteesta ja ominaisuuksista", Kim sanoi. Kokeelliset testit ovat nyt sulkeneet pois uskottavimmat mahdollisuudet näille arvoille, mutta pieni toivon saari on silti olemassa.
Jatkuvat spontaanit lokalisointimallit ehdottavat, että aaltofunktiota häiritsevä fyysinen kokonaisuus on jonkinlainen "kohinakenttä", jonka nykyiset testit olettavat olevan valkoista kohinaa: tasaista kaikilla taajuuksilla. Se on yksinkertaisin oletus. Mutta on mahdollista, että kohina saattaa olla "värillistä", esimerkiksi korkeataajuuksisen katkaisun vuoksi. Curceanu sanoi, että näiden monimutkaisempien mallien testaus edellyttää emissiospektrin mittaamista suuremmilla energioilla kuin tähän mennessä on ollut mahdollista.
esittely
Majorana Demonstrator -kokeilu on nyt loppumassa, mutta tiimi muodostaa uuden yhteistyön kokeella nimeltä GerdaGran Sassossa sijaitsevan kokeen luomiseksi, joka tutkii neutrinomassaa. Nimeltään Legenda, siinä on massiivisemmat ja siten herkemmät germaniumilmaisinryhmät. "Legend saattaa pystyä työntämään CSL-mallien rajoja edelleen", Kim sanoi. Siellä on myös ehdotukset varten testaus Nämä mallit avaruuspohjaisissa kokeissa, jotka eivät kärsi ympäristövärähtelyjen aiheuttamasta melusta.
Väärentäminen on kovaa työtä, ja harvoin päätyy siistiin loppupisteeseen. Jo nyt Curceanun mukaan Roger Penrose - joka palkittiin Fysiikan Nobel-palkinto 2020 yleistä suhteellisuusteoriaa koskevasta työstään - työskentelee Diósi-Penrosen mallin versiolla, jossa ei ole lainkaan spontaania säteilyä.
Jotkut kuitenkin epäilevät, että tälle kvanttimekaniikan näkemykselle kirjoitus on seinällä. "Meidän on mietittävä uudelleen, mitä nämä mallit yrittävät saavuttaa", sanoi Zych, "ja katsoa, eivätkö motivoivat ongelmat ehkä ole parempaa vastausta erilaisella lähestymistavalla." Vaikka harvat väittävät, että mittausongelma ei ole enää ongelma, olemme myös oppineet paljon ensimmäisten romahtamismallien ehdottamisen jälkeisten vuosien aikana siitä, mitä kvanttimittaus sisältää. "Mielestäni meidän on palattava kysymykseen siitä, mitä nämä mallit luotiin vuosikymmeniä sitten", hän sanoi, "ja ottaa vakavasti se, mitä olemme tällä välin oppineet."
