ניסויים מאייתים אבדון במשך עשרות שנים הסבר של מוזרות קוונטית

כיצד צומחת מציאות אובייקטיבית מתוך פלטת האפשרויות שמספקת מכניקת הקוונטים? השאלה הזו - הסוגיה העמוקה והמעצבנת ביותר שמציבה התיאוריה - היא עדיין נושא לוויכוחים בני מאה שנה. הסברים אפשריים לאופן שבו תצפיות על העולם מניבות תוצאות מוגדרות, "קלאסיות", המתבססות על פרשנויות שונות של המשמעות של מכניקת הקוונטים, רק הלכו והתרבו במהלך מאות השנים הללו או משהו כזה.

אבל עכשיו אולי אנחנו מוכנים לבטל לפחות סט אחד של הצעות. ניסויים אחרונים גייסו את הרגישות הקיצונית של מכשירי פיסיקת החלקיקים כדי לבדוק את הרעיון ש"התמוטטות" של אפשרויות קוונטיות למציאות קלאסית אחת היא לא רק נוחות מתמטית אלא תהליך פיזיקלי אמיתי - רעיון שנקרא "התמוטטות פיזית". הניסויים לא מוצאים עדות להשפעות שחזו לפחות על ידי הזנים הפשוטים ביותר של מודלים קריסה אלה.

עדיין מוקדם מדי לומר בוודאות שקריסה פיזית לא מתרחשת. כמה חוקרים מאמינים שעדיין ניתן לשנות את המודלים כדי לחמוק מהאילוצים שהוטלו עליהם על ידי תוצאות האפס של הניסויים. אבל בעוד ש"תמיד אפשר להציל כל דגם", אמר סנדרו דונאדי, פיזיקאי תיאורטי במכון הלאומי לפיזיקה גרעינית (INFN) בטריאסטה, איטליה, שהוביל את אחד הניסויים, הוא מטיל ספק בכך ש"הקהילה תמשיך לשנות את המודלים [ללא הגבלת זמן], מכיוון שלא יהיה יותר מדי מה ללמוד על ידי כך." נראה שהחבל מתהדק בניסיון זה לפתור את התעלומה הגדולה ביותר של תורת הקוונטים.

מה גורם להתמוטטות?

מודלים של קריסה פיזית שואפים לפתור דילמה מרכזית של תורת הקוונטים הקונבנציונלית. בשנת 1926 ארווין שרדינגר טענו שעצם קוונטי מתואר על ידי ישות מתמטית הנקראת פונקציית גל, המקופלת את כל מה שניתן לומר על העצם ותכונותיו. כפי שהשם מרמז, פונקציית גל מתארת ​​סוג של גל - אך לא פיזי. במקום זאת, זהו "גל הסתברות", המאפשר לנו לחזות את התוצאות האפשריות השונות של מדידות שנעשו על האובייקט, ואת הסיכוי לצפות בכל אחת מהן בניסוי נתון.

אם מדידות רבות נעשות על עצמים כאלה כשהם מוכנים בצורה זהה, פונקציית הגל תמיד מנבאת בצורה נכונה את ההתפלגות הסטטיסטית של התוצאות. אבל אין דרך לדעת מה תהיה התוצאה של כל מדידה בודדת - מכניקת הקוונטים מציעה רק הסתברויות. מה קובע תצפית ספציפית? בשנת 1932, הפיזיקאי המתמטי ג'ון פון נוימן הציע שכאשר מתבצעת מדידה, פונקציית הגל "מתמוטטת" לאחת התוצאות האפשריות. התהליך הוא אקראי במהותו אך מוטה על ידי ההסתברויות שהוא מקודד. נראה כי מכניקת הקוונטים עצמה אינה מנבאת את הקריסה, אשר יש להוסיף ידנית לחישובים.

בתור טריק מתמטי אד הוק, זה עובד מספיק טוב. אבל זה נראה (וממשיך להיראות) לכמה חוקרים כתחבולת לא מספקת. איינשטיין השווה זאת באופן מפורסם לאלוהים שמשחק בקוביות כדי להחליט מה הופך ל"אמיתי" - מה אנחנו צופים בפועל בעולמנו הקלאסי. הפיזיקאי הדני נילס בוהר, במה שמכונה פרשנותו בקופנהגן, פשוט ביטא את הנושא מחוץ לתחום, ואמר שהפיזיקאים פשוט צריכים לקבל הבחנה מהותית בין המשטר הקוונטי והקלאסי. לעומת זאת, בשנת 1957 הפיזיקאי יו אוורט טען שקריסת פונקציית הגלים היא רק אשליה וכי למעשה כל התוצאות מתממשות במספר כמעט אינסופי של יקומים מסועפים - מה שפיזיקאים מכנים כיום "עולמות רבים".

האמת היא ש"הגורם הבסיסי לקריסת פונקציית הגל עדיין לא ידוע", אמר אינווק קים, פיזיקאי במעבדה הלאומית לורנס ליברמור בקליפורניה. "למה ואיך זה קורה?"

בשנת 1986 הפיזיקאים האיטלקים ג'יאנקרלו ג'ירארדי, אלברטו רימיני וטוליו ובר מוצע תשובה. מה אם, הם אמרו, משוואת הגלים של שרדינגר לא הייתה כל הסיפור? הם טענו שמערכת קוונטית מונעת כל הזמן על ידי השפעה לא ידועה שיכולה לגרום לה לקפוץ באופן ספונטני לאחד מהמצבים הניתנים לצפייה של המערכת, בטווח זמן שתלוי בגודל המערכת. מערכת קטנה ומבודדת, כמו אטום בסופרפוזיציה קוונטית (מצב שבו מספר תוצאות מדידה אפשריות), תישאר כך במשך זמן רב מאוד. אבל עצמים גדולים יותר - חתול, למשל, או אטום כשהוא מקיים אינטראקציה עם מכשיר מדידה מקרוסקופי - קורסים למצב קלאסי מוגדר היטב כמעט מיידית. מה שנקרא דגם GRW זה (על שם ראשי התיבות של השלישייה) היה המודל הראשון של קריסה פיזית; מאוחר יותר עֲדִינוּת המכונה מודל לוקליזציה ספונטנית מתמשכת (CSL) כלל קריסה הדרגתית ומתמשכת ולא קפיצה פתאומית. המודלים האלה הם לא כל כך פרשנויות של מכניקת הקוונטים אלא תוספות לה, אמר הפיזיקאי מגדלנה זיך מאוניברסיטת קווינסלנד באוסטרליה.

מה גורם לוקליזציה ספונטנית זו באמצעות קריסת פונקציית גל? דגמי GRW ו-CSL לא אומרים; הם רק מציעים להוסיף מונח מתמטי למשוואת שרדינגר כדי לתאר אותו. אבל בשנות ה-1980 וה-90, הפיזיקאים המתמטיים רוג'ר פנרוז מאוניברסיטת אוקספורד ו-Lajos Diósi מאוניברסיטת Eötvös Loránd בבודפשט הציעו באופן עצמאי גורם אפשרי לקריסה: כוח המשיכה. באופן רופף, הרעיון שלהם היה שאם עצם קוונטי נמצא בסופרפוזיציה של מיקומים, כל מצב מיקום "ירגיש" את האחרים באמצעות האינטראקציה הכבידתית שלהם. זה כאילו משיכה זו גורמת לאובייקט למדוד את עצמו, וכופה קריסה. או אם מסתכלים על זה מנקודת המבט של תורת היחסות הכללית, שמתארת ​​את כוח הכבידה, סופרפוזיציה של יישובים מעוותת את מרקם המרחב-זמן בשתי דרכים שונות בו-זמנית, נסיבות שתורת היחסות הכללית לא יכולה להכיל. כפי שניסח זאת פנרוז, בפער בין מכניקת הקוונטים לתורת היחסות הכללית, הקוונטים ייסדק ראשון.

מבחן האמת

הרעיונות האלה תמיד היו ספקולטיביים ביותר. אבל, בניגוד להסברים של מכניקת הקוונטים כמו הפרשנויות של קופנהגן ואוורט, למודלים של קריסה פיזית יש את הסגולה של ביצוע תחזיות ניתנות לצפייה - ובכך להיות ניתנים לבדיקה ולזיוף.

אם אכן יש הפרעה ברקע שמעוררת קריסה קוונטית - בין אם היא נובעת מהשפעות כבידה או משהו אחר - אז כל החלקיקים יקיימו אינטראקציה מתמשכת עם ההפרעה הזו, בין אם הם נמצאים בסופרפוזיציה ובין אם לא. התוצאות אמורות להיות ניתנות לזיהוי. האינטראקציה צריכה ליצור "זיגזג קבוע של חלקיקים בחלל" הדומה לתנועה בראונית, אמרה קטלינה קורצ'אנו, פיזיקאית ב-INFN.

מודלים נוכחיים של קריסה פיזית מצביעים על כך שתנועת הדיפוזיה הזו היא קלה מאוד. למרות זאת, אם החלקיק טעון חשמלית, התנועה תיצור קרינה אלקטרומגנטית בתהליך הנקרא bremsstrahlung. גוש חומר אמור אפוא לפלוט ללא הרף זרם קלוש מאוד של פוטונים, שגרסאות טיפוסיות של המודלים חוזות להיות בטווח של קרני רנטגן. דונאדי ועמיתו אנג'לו באסי יש הראה שפליטת קרינה כזו צפויה מכל מודל של קריסה ספונטנית דינמית, כולל מודל דיוסי-פנרוז.

עם זאת, "בעוד שהרעיון פשוט, בפועל המבחן לא כל כך קל", אמר קים. האות החזוי חלש ביותר, מה שאומר שניסוי חייב לכלול מספר עצום של חלקיקים טעונים כדי לקבל אות שניתן לזהות. ואת רעשי הרקע - שמגיעים ממקורות כמו קרניים קוסמיות וקרינה בסביבה - יש לשמור על נמוך. ניתן לספק את התנאים הללו רק על ידי הניסויים הרגישים ביותר, כמו אלה שנועדו לזהות אותות של חומר אפל או החלקיקים החמקמקים הנקראים ניטרינו.

בשנת 1996, Qijia Fu ממכללת המילטון בניו יורק - אז רק תואר ראשון - מוּצָע שימוש בניסויי נייטרינו מבוססי גרמניום כדי לזהות חתימת CSL של פליטת קרני רנטגן. (שבועות לאחר שהגיש את עבודתו, הוא היה הוכה על ידי ברק בטיול רגלי ביוטה ונהרג.) הרעיון היה שהפרוטונים והאלקטרונים בגרמניום צריכים לפלוט את הקרינה הספונטנית, שגלאים רגישים במיוחד היו קולטים. אך רק לאחרונה הגיעו לרשת מכשירים עם הרגישות הנדרשת.

בשנת 2020, צוות באיטליה, כולל Donadi, Bassi ו-Curceanu, יחד עם Diósi בהונגריה, השתמש בגלאי גרמניום מסוג זה כדי לבדוק את דגם Diósi-Penrose. הגלאים, שנוצרו עבור ניסוי נייטרינו בשם IGEX, מוגנים מקרינה בזכות מיקומם מתחת לגראן סאסו, הר ברכס האפנינים באיטליה.

לאחר הפחתת אות הרקע הנותר בזהירות - בעיקר רדיואקטיביות טבעית מהסלע - הפיזיקאים לא ראה פליטה ברמת רגישות ששללה את הצורה הפשוטה ביותר של מודל Diósi-Penrose. גם הם הציב גבולות חזקים על הפרמטרים שבהם עדיין עשויים לעבוד מודלים שונים של CSL. דגם ה-GRW המקורי נמצא בדיוק בתוך החלון ההדוק הזה: הוא שרד בזפם.

ב מאמר שפורסם באוגוסט הקרוב, התוצאה של 2020 אושרה וחוזקה על ידי ניסוי בשם Majorana Demonstrator, שהוקם בעיקר כדי לחפש חלקיקים היפותטיים הנקראים Majorana neutrinos (שיש להם את התכונה המוזרה להיות אנטי-חלקיקים של עצמם). הניסוי שוכן במתקן המחקר המחתרתי של סנפורד, השוכן כמעט 5,000 רגל מתחת לאדמה במכרה זהב לשעבר בדרום דקוטה. יש לו מערך גדול יותר של גלאי גרמניום בטוהר גבוה מאשר IGEX, והם יכולים לזהות קרני רנטגן עד אנרגיות נמוכות. "המגבלה שלנו מחמירה הרבה יותר בהשוואה לעבודה הקודמת", אמר קים, חבר בצוות.

סוף מבולגן

למרות שמודלים של קריסה פיזית חולים מאוד, הם לא ממש מתים. "המודלים השונים מניחים הנחות שונות מאוד לגבי אופי ותכונות הקריסה", אמר קים. מבחנים ניסיוניים שללו כעת את האפשרויות הסבירות ביותר עבור ערכים אלה, אבל עדיין יש אי קטן של תקווה.

מודלים של לוקליזציה ספונטנית מתמשכת מציעים שהישות הפיזית המפריעה לתפקוד הגל היא סוג של "שדה רעש", שהבדיקות הנוכחיות מניחות שהוא רעש לבן: אחיד בכל התדרים. זו ההנחה הפשוטה ביותר. אבל ייתכן שהרעש עשוי להיות "צבעוני", למשל על ידי ניתוק כלשהו בתדר גבוה. Curceanu אמר כי בדיקת המודלים המסובכים יותר הללו תדרוש מדידת ספקטרום הפליטה באנרגיות גבוהות יותר ממה שהיה אפשרי עד כה.

הניסוי של Majorana Demonstrator מסתיים כעת, אך הצוות יוצר שיתוף פעולה חדש עם ניסוי שנקרא גרדה, המבוסס בגראן סאסו, כדי ליצור ניסוי נוסף לחקור מסת ניטרינו. שקוראים לו אגדה, יהיו לו מערכי גלאי גרמניום מסיביים יותר ולכן רגישים יותר. "ייתכן שהאגדה תוכל לדחוף את המגבלות על דגמי CSL עוד יותר", אמר קים. יש גם הצעות ל בדיקות המודלים הללו בניסויים מבוססי חלל, שלא יסבלו מרעש שנוצר על ידי רעידות סביבתיות.

זיוף הוא עבודה קשה, ורק לעתים רחוקות מגיע לנקודת סיום מסודרת. אפילו עכשיו, לפי Curceanu, רוג'ר פנרוז - שזכה בפרס 2020 בפרס נובל בפיזיקה על עבודתו על תורת היחסות הכללית - עובד על גרסה של מודל דיוסי-פנרוז שבה אין קרינה ספונטנית כלל.

עם זאת, יש החושדים שעבור השקפה זו של מכניקת הקוונטים, הכתובת על הקיר. "מה שאנחנו צריכים לעשות זה לחשוב מחדש מה המודלים האלה מנסים להשיג", אמר זיך, "ולראות אם לבעיות המניעות אין תשובה טובה יותר באמצעות גישה אחרת". אמנם מעטים יטענו שבעיית המדידה כבר לא מהווה בעיה, אבל גם למדנו רבות, בשנים שחלפו מאז הוצעו מודל הקריסה הראשון, על מה כרוכה מדידה קוונטית. "אני חושבת שצריך לחזור לשאלה למה נוצרו המודלים האלה לפני עשרות שנים", אמרה, "ולקחת ברצינות את מה שלמדנו בינתיים".