Kísérletek Spell Doom a kvantumfurcsaság évtizedes magyarázatára

Hogyan emelkedik ki az objektív valóság a kvantummechanika által biztosított lehetőségek palettájából? Ez a kérdés – az elmélet által felvetett legmélyebb és legmélyebb kérdés – még mindig egy évszázados viták tárgya. A lehetséges magyarázatok arra vonatkozóan, hogy a világ megfigyelései miként adnak határozott, „klasszikus” eredményeket, a kvantummechanika fogalmának különböző értelmezései alapján, ez alatt a száz év alatt csak megsokszorozódtak.

Most azonban készen állhatunk arra, hogy legalább egy javaslatcsoportot kiküszöböljünk. A közelmúltban végzett kísérletek a részecskefizikai műszerek rendkívüli érzékenységét mozgósították annak tesztelésére, hogy a kvantumlehetőségek egyetlen klasszikus valósággá való „összeomlása” nem csupán matematikai kényelem, hanem valódi fizikai folyamat – ezt a gondolatot „fizikai összeomlásnak” nevezik. A kísérletek nem találtak bizonyítékot az összeomlási modellek legalább legegyszerűbb változatai által megjósolt hatásokra.

Még túl korai határozottan kijelenteni, hogy fizikai összeomlás nem következik be. Egyes kutatók úgy vélik, hogy a modellek még módosíthatók, hogy elkerüljék a kísérletek nulleredményei által rájuk rótt korlátokat. De bár „mindig meg lehet menteni bármely modellt” – mondta Sandro Donadi, az olaszországi trieszti National Institute for Nuclear Physics (INFN) elméleti fizikusa, aki az egyik kísérletet vezette, kétségei vannak afelől, hogy „a közösség [határozatlan ideig] módosítani fogja a modelleket, mivel nem lesz túl sok tanulnivaló ezzel." Úgy tűnik, hogy a hurok megszorul a kvantumelmélet legnagyobb rejtélyének megoldására tett kísérletben.

Mi okozza az összeomlást?

A fizikai összeomlási modellek a hagyományos kvantumelmélet egy központi dilemmáját kívánják megoldani. 1926-ban Erwin Schrödinger érvényesíteni hogy egy kvantumobjektumot egy hullámfüggvénynek nevezett matematikai entitás ír le, amely magába foglalja mindazt, ami az objektumról és annak tulajdonságairól elmondható. Ahogy a neve is sugallja, a hullámfüggvény egyfajta hullámot ír le – de nem fizikait. Ez inkább egy „valószínűségi hullám”, amely lehetővé teszi számunkra, hogy előre jelezzük az objektumon végzett mérések különböző lehetséges kimenetelét, és annak esélyét, hogy egy adott kísérletben ezek közül bármelyiket megfigyeljük.

Ha sok mérést végeznek ilyen objektumokon, amikor azokat azonos módon készítik elő, a hullámfüggvény mindig helyesen jelzi előre az eredmények statisztikai eloszlását. De nem lehet tudni, mi lesz egyetlen mérés eredménye – a kvantummechanika csak valószínűségeket kínál. Mi határozza meg a konkrét megfigyelést? 1932-ben John von Neumann matematikus fizikus azt javasolta, hogy a mérés során a hullámfüggvény „összeomlik” a lehetséges kimenetelek egyikévé. A folyamat lényegében véletlenszerű, de torzítja az általa kódolt valószínűségek. Úgy tűnik, hogy a kvantummechanika maga nem jelzi előre az összeomlást, amelyet manuálisan kell hozzáadni a számításokhoz.

Ad hoc matematikai trükkként elég jól működik. De egyes kutatók számára ez nem kielégítő trükknek tűnt (és továbbra is úgy tűnik). Einstein híresen ahhoz hasonlította, hogy Isten kockajátékkal dönti el, mi lesz „valóságos” – mit is figyelünk meg klasszikus világunkban. Niels Bohr dán fizikus az úgynevezett koppenhágai interpretációjában egyszerűen kimondta a kérdést, hogy túlmutat a határokon, mondván, hogy a fizikusoknak el kell fogadniuk a kvantum- és a klasszikus rezsimek közötti alapvető különbségtételt. Ezzel szemben 1957-ben Hugh Everett fizikus azt állította, hogy a hullámfüggvény összeomlása csak illúzió, és valójában minden eredmény csaknem végtelen számú elágazó univerzumban valósul meg – amit a fizikusok ma „sok világ. "

Az igazság az, hogy „a hullámfüggvény összeomlásának alapvető oka még ismeretlen” – mondta Inwook Kim, a kaliforniai Lawrence Livermore National Laboratory fizikusa. – Miért és hogyan történik?

1986-ban Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini és Tullio Weber olasz fizikusok azt javasolta, válasz. Mi van, ha – mondták – nem Schrödinger hullámegyenlete jelenti a teljes történetet? Feltételezték, hogy a kvantumrendszert állandóan valamilyen ismeretlen befolyás gerjeszti, amely arra késztetheti, hogy spontán módon a rendszer egyik lehetséges megfigyelhető állapotába ugorjon, a rendszer méretétől függő időskálán. Egy kicsi, elszigetelt rendszer, például egy kvantum-szuperpozícióban lévő atom (olyan állapot, amelyben többféle mérési eredmény is lehetséges), nagyon sokáig ilyen marad. De a nagyobb tárgyak – mondjuk egy macska, vagy egy atom, amikor kölcsönhatásba lép egy makroszkopikus mérőeszközzel – szinte azonnal összeomlanak egy jól meghatározott klasszikus állapotba. Ez az úgynevezett GRW modell (a trió kezdőbetűi után) volt az első fizikai összeomlási modell; egy későbbi finomítás A folyamatos spontán lokalizáció (CSL) modellje inkább fokozatos, folyamatos összeomlást jelent, nem pedig hirtelen ugrást. Ezek a modellek nem annyira a kvantummechanika interpretációi, mint inkább kiegészítései – mondta a fizikus. Magdalena Zych az ausztráliai Queenslandi Egyetemen.

Mi okozza ezt a spontán lokalizációt a hullámfüggvény összeomlásán keresztül? A GRW és CSL modellek nem mondják; csak azt javasolják, hogy adjunk hozzá egy matematikai kifejezést a Schrödinger-egyenlethez annak leírására. Ám az 1980-as és ’90-es években Roger Penrose matematikus fizikusok, az Oxfordi Egyetemről és Diósi Lajos, az ELTE-ről, egymástól függetlenül javasolták az összeomlás lehetséges okát: a gravitációt. Lazán szólva az volt az elképzelésük, hogy ha egy kvantumobjektum helyek szuperpozíciójában van, minden helyzetállapot gravitációs kölcsönhatásukon keresztül „érzi” a többit. Mintha ez a vonzalom arra késztetné a tárgyat, hogy megmérje magát, összeomlásra kényszerítve. Vagy ha a gravitációt leíró általános relativitáselmélet szemszögéből nézzük, a lokalitások szuperpozíciója egyszerre kétféle módon deformálja a téridő szövetét, amihez az általános relativitáselmélet nem tud belenyugodni. Ahogy Penrose fogalmazott, a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet közötti patthelyzetben először a kvantum fog megrepedni.

Az igazság próbája

Ezek az elképzelések mindig is nagyon spekulatívak voltak. De ellentétben a kvantummechanika magyarázataival, mint például a koppenhágai és az everett-értelmezés, a fizikai összeomlási modelleknek megvan az az erénye, hogy megfigyelhető előrejelzéseket adnak – és így tesztelhetők és meghamisíthatók.

Ha valóban létezik olyan háttérzavar, amely kvantumösszeomlást vált ki – akár gravitációs hatások, akár valami más –, akkor minden részecske folyamatosan kölcsönhatásba lép ezzel a zavarással, akár szuperpozícióban van, akár nem. A következményeknek elvileg kimutathatónak kell lenniük. Catalina Curceanu, az INFN fizikusa szerint a kölcsönhatásnak „a részecskék állandó cikcakfutását kell létrehoznia az űrben”, amely a Brown-mozgáshoz hasonlítható.

A jelenlegi fizikai összeomlási modellek azt sugallják, hogy ez a diffúz mozgás csak nagyon csekély. Mindazonáltal, ha a részecske elektromosan feltöltött, a mozgás elektromágneses sugárzást generál a bremsstrahlung nevű folyamat során. Egy anyagcsomónak így folyamatosan nagyon halvány fotonáramot kell kibocsátania, amely a modellek tipikus változatai szerint a röntgensugár tartományába esik. Donadi és kollégája Angelo Bassi ajánlatunkra mutatott hogy ilyen sugárzás kibocsátása várható a dinamikus spontán összeomlás bármely modelljétől, beleértve a Diósi-Penrose modellt is.

Mégis „bár az ötlet egyszerű, a gyakorlatban a teszt nem olyan egyszerű” – mondta Kim. Az előre jelzett jel rendkívül gyenge, ami azt jelenti, hogy egy kísérletben óriási számú töltött részecskét kell bevonni, hogy detektálható jelet kapjunk. A háttérzajt – ami olyan forrásokból származik, mint a kozmikus sugarak és a környezet sugárzása – alacsony szinten kell tartani. Ezeket a feltételeket csak a legérzékenyebb kísérletekkel lehet kielégíteni, például a sötét anyag jeleinek vagy a megfoghatatlan részecskék, a neutrínók kimutatására.

1996-ban Qijia Fu a New York-i Hamilton College-ból – akkor még csak egyetemista volt – javasolt germánium-alapú neutrínó-kísérletekkel a röntgensugárzás CSL-jelének kimutatására. (Hétekkel azután, hogy benyújtotta a dolgozatát, ő volt belecsapott a villám egy Utah-i túrán, és meghalt.) Az ötlet az volt, hogy a germánium protonjai és elektronjai spontán sugárzást bocsátanak ki, amit az ultraérzékeny detektorok felvesznek. Mégis csak mostanában kerültek online a szükséges érzékenységű műszerekbe.

2020-ban egy olaszországi csapat, köztük Donadi, Bassi és Curceanu, valamint Diósi Magyarországon, egy ilyen germániumdetektorral tesztelte a Diósi-Penrose modellt. Az IGEX nevű neutrínó-kísérlethez készült detektorok védve vannak a sugárzástól, mivel a Gran Sasso, az olaszországi Appenninek vonulatában található hegy alatt helyezkednek el.

A fizikusok, miután gondosan kivonták a fennmaradó háttérjelet – többnyire a természetes radioaktivitást a kőzetből nem látott kibocsátást olyan érzékenységi szinten, amely kizárta a Diósi-Penrose modell legegyszerűbb formáját. Ők is erős határokat helyezett el azokról a paraméterekről, amelyeken belül a különböző CSL-modellek még működhetnek. Az eredeti GRW modell ebben a szűk ablakban található: egy bajusz maradt meg rajta.

egy idén augusztusban megjelent lap, a 2020-as eredményt megerősítette és megerősítette a Majorana Demonstrator nevű kísérlet, amelyet elsősorban a Majorana neutrínók nevű hipotetikus részecskék felkutatására hoztak létre (amelyek saját antirészecskéik). A kísérletnek a Sanford Underground Research Facility-ben található, amely csaknem 5,000 láb mélyen fekszik a föld alatt, egy dél-dakotai aranybányában. Nagyobb mennyiségű nagy tisztaságú germánium detektorral rendelkezik, mint az IGEX, és alacsony energiájú röntgensugárzást is képesek érzékelni. „A határaink sokkal szigorúbbak az előző munkához képest” – mondta Kim, a csapat egyik tagja.

Zavaros vég

Bár a fizikai összeomlás modelljei súlyosan gyengélkednek, mégsem haltak meg. "A különböző modellek nagyon eltérő feltételezéseket tesznek az összeomlás természetéről és tulajdonságairól" - mondta Kim. A kísérleti tesztek most kizárták ezeknek az értékeknek a legvalószínűbb lehetőségét, de még mindig van egy kis reménysziget.

A folyamatos spontán lokalizációs modellek azt sugallják, hogy a hullámfüggvényt megzavaró fizikai entitás egyfajta „zajmező”, amelyről a jelenlegi tesztek fehér zajt feltételeznek: minden frekvencián egyenletes. Ez a legegyszerűbb feltételezés. De lehetséges, hogy a zaj „színes” lehet, például valamilyen nagyfrekvenciás levágás miatt. Curceanu elmondta, hogy ezeknek a bonyolultabb modelleknek a teszteléséhez az emissziós spektrumot az eddig lehetségesnél nagyobb energiákon kell mérni.

A Majorana Demonstrator kísérlet most zárul, de a csapat új együttműködést alakít ki az ún. Gerda, amelynek székhelye a Gran Sassóban található, hogy egy újabb kísérletet hozzanak létre a neutrínótömeg vizsgálatával. Hívott Legenda, masszívabb és ezáltal érzékenyebb germánium detektortömbje lesz. „Lehet, hogy a Legend tovább feszegeti a CSL-modellek korlátait” – mondta Kim. Vannak még javaslatok mert tesztelés Ezeket a modelleket az űrben végzett kísérletekben, amelyek nem szenvednek a környezeti rezgések okozta zajtól.

A hamisítás kemény munka, és ritkán ér el rendezett végpontot. Curceanu szerint még most is Roger Penrose – akit a 2020-as fizikai Nobel-díj az általános relativitáselméletről szóló munkájáért – a Diósi-Penrose-modell olyan változatán dolgozik, amelyben egyáltalán nincs spontán sugárzás.

Mindazonáltal egyesek azt gyanítják, hogy a kvantummechanika ezen felfogásában az írás a falon van. "Amit tennünk kell, az az, hogy át kell gondolnunk, mit próbálnak elérni ezek a modellek" - mondta Zych -, és meg kell vizsgálnunk, hogy a motiváló problémákra nem lehet-e jobb válasz egy másik megközelítéssel. Bár kevesen vitatkoznának azzal, hogy a mérési probléma már nem probléma, sokat tanultunk az első összeomlási modellek javaslata óta eltelt évek során arról is, hogy mit is takar a kvantummérés. "Úgy gondolom, hogy vissza kell térnünk ahhoz a kérdéshez, hogy ezeket a modelleket évtizedekkel ezelőtt megalkották, és komolyan kell vennünk, amit időközben tanultunk."