Pengantar
Bagaimana realitas objektif muncul dari palet kemungkinan yang disediakan oleh mekanika kuantum? Pertanyaan itu — masalah terdalam dan paling menjengkelkan yang diajukan oleh teori itu — masih menjadi subjek argumen yang berusia seabad. Penjelasan yang mungkin tentang bagaimana pengamatan dunia menghasilkan hasil "klasik" yang pasti, berdasarkan interpretasi yang berbeda tentang apa arti mekanika kuantum, hanya berlipat ganda selama ratusan tahun itu.
Tapi sekarang kita mungkin siap untuk menghilangkan setidaknya satu set proposal. Eksperimen terbaru telah memobilisasi sensitivitas ekstrim instrumen fisika partikel untuk menguji gagasan bahwa "runtuhnya" kemungkinan kuantum menjadi satu realitas klasik bukan hanya kenyamanan matematis tetapi proses fisik yang nyata - sebuah ide yang disebut "keruntuhan fisik." Eksperimen tidak menemukan bukti efek yang diprediksi oleh setidaknya varietas paling sederhana dari model keruntuhan ini.
Masih terlalu dini untuk mengatakan secara pasti bahwa keruntuhan fisik tidak terjadi. Beberapa peneliti percaya bahwa model masih dapat dimodifikasi untuk menghindari kendala yang ditempatkan pada mereka oleh hasil nol percobaan. Tetapi sementara "selalu mungkin untuk menyelamatkan model apa pun," kata Sandro Donadi, fisikawan teoretis di Institut Nasional Fisika Nuklir (INFN) di Trieste, Italia, yang memimpin salah satu eksperimen, meragukan bahwa “masyarakat akan terus memodifikasi model [tanpa batas], karena tidak akan terlalu banyak belajar dengan melakukan itu.” Jerat tampaknya semakin ketat dalam upaya memecahkan misteri terbesar teori kuantum ini.
Apa Penyebab Runtuh?
Model keruntuhan fisik bertujuan untuk menyelesaikan dilema sentral teori kuantum konvensional. Pada tahun 1926 Erwin Schrödinger ditegaskan bahwa objek kuantum dijelaskan oleh entitas matematika yang disebut fungsi gelombang, yang merangkum semua yang dapat dikatakan tentang objek dan propertinya. Sesuai dengan namanya, fungsi gelombang menggambarkan sejenis gelombang — tetapi bukan gelombang fisik. Sebaliknya, ini adalah "gelombang probabilitas", yang memungkinkan kita untuk memprediksi berbagai kemungkinan hasil pengukuran yang dilakukan pada objek, dan peluang untuk mengamati salah satu dari mereka dalam percobaan tertentu.
Pengantar
Jika banyak pengukuran dilakukan pada objek seperti itu ketika disiapkan dengan cara yang identik, fungsi gelombang selalu memprediksi distribusi statistik hasil dengan tepat. Tetapi tidak ada cara untuk mengetahui apa hasil dari setiap pengukuran tunggal — mekanika kuantum hanya menawarkan probabilitas. Apa yang menentukan pengamatan tertentu? Pada tahun 1932, fisikawan matematika John von Neumann mengusulkan bahwa, ketika pengukuran dilakukan, fungsi gelombang "diciutkan" menjadi salah satu hasil yang mungkin. Prosesnya pada dasarnya acak tetapi bias oleh probabilitas yang dikodekannya. Mekanika kuantum sendiri tampaknya tidak memprediksi keruntuhan, yang harus ditambahkan secara manual ke dalam perhitungan.
Sebagai trik matematika ad hoc, ini bekerja dengan cukup baik. Tetapi tampaknya (dan terus tampak) bagi beberapa peneliti sebagai sulap yang tidak memuaskan. Einstein terkenal menyamakannya dengan Tuhan bermain dadu untuk memutuskan apa yang menjadi "nyata" - apa yang sebenarnya kita amati di dunia klasik kita. Fisikawan Denmark Niels Bohr, dalam apa yang disebut interpretasi Kopenhagen, dengan sederhana mengatakan masalah ini di luar batas, dengan mengatakan bahwa fisikawan hanya harus menerima perbedaan mendasar antara rezim kuantum dan klasik. Sebaliknya, pada tahun 1957 fisikawan Hugh Everett menegaskan bahwa keruntuhan fungsi gelombang hanyalah ilusi dan bahwa sebenarnya semua hasil diwujudkan dalam jumlah alam semesta bercabang yang hampir tak terbatas — apa yang sekarang disebut fisikawan “banyak dunia. "
Yang benar adalah bahwa "penyebab mendasar dari runtuhnya fungsi gelombang belum diketahui," kata Inwook Kim, seorang fisikawan di Lawrence Livermore National Laboratory di California. “Mengapa dan bagaimana hal itu terjadi?”
Pada tahun 1986, fisikawan Italia Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini dan Tullio Weber disarankan sebuah jawaban. Bagaimana jika, kata mereka, persamaan gelombang Schrödinger bukanlah keseluruhan cerita? Mereka mengemukakan bahwa sistem kuantum terus-menerus didorong oleh beberapa pengaruh yang tidak diketahui yang dapat mendorongnya untuk secara spontan melompat ke salah satu keadaan sistem yang mungkin dapat diamati, pada skala waktu yang bergantung pada seberapa besar sistem itu. Sistem kecil yang terisolasi, seperti atom dalam superposisi kuantum (keadaan di mana beberapa hasil pengukuran dimungkinkan), akan tetap seperti itu untuk waktu yang sangat lama. Tapi objek yang lebih besar — kucing, katakanlah, atau atom ketika berinteraksi dengan alat pengukur makroskopik — runtuh ke dalam keadaan klasik yang terdefinisi dengan baik hampir seketika. Model GRW yang disebut ini (setelah inisial ketiganya) adalah model keruntuhan fisik pertama; nanti perbaikan dikenal sebagai model lokalisasi spontan berkelanjutan (CSL) yang melibatkan keruntuhan bertahap dan berkelanjutan daripada lompatan tiba-tiba. Model-model ini tidak begitu banyak interpretasi mekanika kuantum sebagai tambahan untuk itu, kata fisikawan itu Magdalena Zychu dari Universitas Queensland di Australia.
Apa yang menyebabkan lokalisasi spontan melalui fungsi gelombang runtuh? Model GRW dan CSL tidak mengatakan; mereka hanya menyarankan untuk menambahkan istilah matematika ke persamaan Schrödinger untuk menggambarkannya. Namun pada 1980-an dan 90-an, fisikawan matematika Roger Penrose dari Universitas Oxford dan Lajos Diósi dari Universitas Eötvös Loránd di Budapest secara independen mengusulkan kemungkinan penyebab keruntuhan: gravitasi. Secara longgar, ide mereka adalah bahwa jika objek kuantum berada dalam superposisi lokasi, setiap status posisi akan "merasakan" yang lain melalui interaksi gravitasi mereka. Seolah-olah daya tarik ini menyebabkan objek mengukur dirinya sendiri, memaksa keruntuhan. Atau jika Anda melihatnya dari perspektif relativitas umum, yang menggambarkan gravitasi, superposisi lokalitas merusak struktur ruang-waktu dalam dua cara yang berbeda sekaligus, suatu keadaan yang tidak dapat diakomodasi oleh relativitas umum. Seperti yang dikatakan Penrose, dalam kebuntuan antara mekanika kuantum dan relativitas umum, kuantum akan retak terlebih dahulu.
Ujian Kebenaran
Ide-ide ini selalu sangat spekulatif. Namun, berbeda dengan penjelasan mekanika kuantum seperti interpretasi Kopenhagen dan Everett, model keruntuhan fisik memiliki keunggulan membuat prediksi yang dapat diamati — dan dengan demikian dapat diuji dan dipalsukan.
Jika memang ada gangguan latar belakang yang memicu keruntuhan kuantum — apakah itu berasal dari efek gravitasi atau sesuatu yang lain — maka semua partikel akan terus berinteraksi dengan gangguan ini, baik dalam superposisi atau tidak. Konsekuensinya pada prinsipnya harus dapat dideteksi. Interaksi tersebut seharusnya menciptakan “permanen zig-zag partikel di ruang angkasa” yang sebanding dengan gerakan Brown, kata Catalina Curceanu, fisikawan di INFN.
Model keruntuhan fisik saat ini menunjukkan bahwa gerakan difusi ini hanya sangat sedikit. Meskipun demikian, jika partikel tersebut bermuatan listrik, gerakan tersebut akan menghasilkan radiasi elektromagnetik dalam proses yang disebut bremsstrahlung. Segumpal materi dengan demikian harus terus menerus memancarkan aliran foton yang sangat redup, yang diprediksi oleh versi model tipikal berada dalam kisaran sinar-X. Donadi dan rekannya Angelo Bassi memiliki ditunjukkan bahwa emisi radiasi tersebut diharapkan dari setiap model keruntuhan spontan dinamis, termasuk model Diósi-Penrose.
Namun “walaupun idenya sederhana, dalam praktiknya ujiannya tidak begitu mudah,” kata Kim. Sinyal yang diprediksi sangat lemah, yang berarti bahwa eksperimen harus melibatkan sejumlah besar partikel bermuatan untuk mendapatkan sinyal yang dapat dideteksi. Dan kebisingan latar belakang — yang berasal dari sumber seperti sinar kosmik dan radiasi di lingkungan — harus dijaga agar tetap rendah. Kondisi tersebut hanya dapat dipenuhi oleh eksperimen yang paling sensitif, seperti eksperimen yang dirancang untuk mendeteksi sinyal materi gelap atau partikel sulit dipahami yang disebut neutrino.
Pada tahun 1996, Qijia Fu dari Hamilton College di New York — saat itu hanya seorang sarjana — diusulkan menggunakan eksperimen neutrino berbasis germanium untuk mendeteksi tanda tangan CSL dari emisi sinar-X. (Beberapa minggu setelah dia menyerahkan makalahnya, dia tersambar petir dalam perjalanan hiking di Utah dan terbunuh.) Idenya adalah bahwa proton dan elektron di germanium harus memancarkan radiasi spontan, yang akan ditangkap oleh detektor ultrasensitif. Namun baru belakangan ini instrumen dengan sensitivitas yang dibutuhkan mulai online.
Pada tahun 2020, sebuah tim di Italia, termasuk Donadi, Bassi dan Curceanu, bersama dengan Diósi di Hungaria, menggunakan detektor germanium semacam ini untuk menguji model Diósi-Penrose. Detektor, dibuat untuk eksperimen neutrino yang disebut IGEX, terlindung dari radiasi berdasarkan lokasinya di bawah Gran Sasso, sebuah gunung di jajaran Apennine Italia.
Pengantar
Setelah dengan hati-hati mengurangi sinyal latar belakang yang tersisa — sebagian besar radioaktivitas alami dari batu — para fisikawan tidak melihat emisi pada tingkat sensitivitas yang mengesampingkan bentuk paling sederhana dari model Diósi-Penrose. Mereka juga menempatkan batas-batas yang kuat pada parameter di mana berbagai model CSL mungkin masih berfungsi. Model GRW asli terletak tepat di dalam jendela yang sempit ini: Model ini bertahan dengan sebuah kumis.
Di sebuah makalah yang diterbitkan Agustus ini, hasil tahun 2020 dikonfirmasi dan diperkuat oleh eksperimen yang disebut Demonstrator Majorana, yang dibuat terutama untuk mencari partikel hipotetis yang disebut Majorana neutrino (yang memiliki sifat aneh sebagai antipartikelnya sendiri). Eksperimen ini ditempatkan di Sanford Underground Research Facility, yang terletak hampir 5,000 kaki di bawah tanah di bekas tambang emas di South Dakota. Ini memiliki rangkaian detektor germanium kemurnian tinggi yang lebih besar daripada IGEX, dan mereka dapat mendeteksi sinar-X hingga energi rendah. “Batas kami jauh lebih ketat dibandingkan pekerjaan sebelumnya,” kata Kim, salah satu anggota tim.
Akhir yang Berantakan
Meskipun model keruntuhan fisik sangat sakit, mereka tidak sepenuhnya mati. “Berbagai model membuat asumsi yang sangat berbeda tentang sifat dan sifat keruntuhan,” kata Kim. Tes eksperimental sekarang telah mengecualikan kemungkinan yang paling masuk akal untuk nilai-nilai ini, tetapi masih ada sedikit harapan.
Model lokalisasi spontan berkelanjutan mengusulkan bahwa entitas fisik yang mengganggu fungsi gelombang adalah semacam "medan kebisingan", yang menurut pengujian saat ini adalah white noise: seragam di semua frekuensi. Itu asumsi paling sederhana. Tapi mungkin saja noise itu "berwarna", misalnya dengan memiliki beberapa cutoff frekuensi tinggi. Curceanu mengatakan bahwa pengujian model yang lebih rumit ini akan membutuhkan pengukuran spektrum emisi pada energi yang lebih tinggi daripada yang mungkin dilakukan sejauh ini.
Pengantar
Eksperimen Majorana Demonstrator sekarang sedang mereda, tetapi tim sedang membentuk kolaborasi baru dengan eksperimen yang disebut Gerda, yang berbasis di Gran Sasso, untuk membuat eksperimen lain yang menyelidiki massa neutrino. Ditelepon Legenda, ia akan memiliki susunan detektor germanium yang lebih masif dan dengan demikian lebih sensitif. “Legenda mungkin dapat mendorong batasan model CSL lebih jauh,” kata Kim. Ada juga proposal untuk pengujian model-model ini dalam eksperimen berbasis ruang angkasa, yang tidak akan mengalami kebisingan yang dihasilkan oleh getaran lingkungan.
Pemalsuan adalah kerja keras, dan jarang mencapai titik akhir yang rapi. Bahkan sekarang, menurut Curceanu, Roger Penrose — yang dianugerahi Hadiah Nobel 2020 dalam Fisika untuk karyanya tentang relativitas umum — sedang mengerjakan versi model Diósi-Penrose di mana tidak ada radiasi spontan sama sekali.
Meskipun demikian, beberapa orang menduga bahwa untuk pandangan mekanika kuantum ini, tulisannya ada di dinding. “Apa yang perlu kita lakukan adalah memikirkan kembali apa yang coba dicapai oleh model-model ini,” kata Zych, “dan melihat apakah masalah yang memotivasi mungkin tidak memiliki jawaban yang lebih baik melalui pendekatan yang berbeda.” Sementara sedikit yang akan berpendapat bahwa masalah pengukuran tidak lagi menjadi masalah, kami juga telah belajar banyak, pada tahun-tahun sejak model keruntuhan pertama diusulkan, tentang apa yang diperlukan oleh pengukuran kuantum. “Saya pikir kita perlu kembali ke pertanyaan tentang model apa yang dibuat selama beberapa dekade yang lalu,” katanya, “dan menganggap serius apa yang telah kita pelajari selama ini.”
