概要
客観的現実は、量子力学によって提供される可能性のパレットからどのように出現するのでしょうか? その疑問 — この理論によって提起された最も深く、最も厄介な問題 — は、XNUMX 年前の議論の主題であり続けています。 量子力学が何を意味するかについてのさまざまな解釈に基づいて、世界の観測がどのように明確な「古典的」な結果をもたらすかについての可能な説明は、それらのXNUMX年ほどの間に増加しただけです。
しかし、今では、少なくとも XNUMX つの提案を削除する準備ができている可能性があります。 最近の実験では、素粒子物理学機器の極端な感度を動員して、量子の可能性の単一の古典的な現実への「崩壊」が単なる数学的便宜ではなく、実際の物理的プロセスであるという考えをテストしました。これは「物理的崩壊」と呼ばれる考えです。 実験では、少なくともこれらの崩壊モデルの最も単純な種類によって予測された効果の証拠は見つかりませんでした。
物理的な崩壊が起こらないと断言するにはまだ時期尚早です。 一部の研究者は、実験の結果がゼロであるという制約から逃れるために、モデルを修正することはまだ可能であると考えています。 しかし、「どのモデルでも救出することは常に可能です」と述べています。 サンドロ・ドナディイタリアのトリエステにある国立核物理研究所 (INFN) の理論物理学者で、実験の XNUMX つを主導した彼は、「コミュニティがモデルを [無期限に] 変更し続けるだろう。学ぶことはあまりないだろうから」と彼は疑っている。そうすることで。」 量子論の最大の謎を解き明かそうとするこの試みには、縄張りがきつくなっているようだ。
崩壊の原因は？
物理崩壊モデルは、従来の量子論の中心的なジレンマを解決することを目的としています。 1926年エルヴィン・シュレーディンガー アサートされた 量子オブジェクトは波動関数と呼ばれる数学的エンティティによって記述され、オブジェクトとそのプロパティについて言えることはすべてカプセル化されています。 名前が示すように、波動関数は一種の波を表しますが、物理的な波ではありません。 むしろ、それは「確率波」であり、物体に対して行われた測定のさまざまな可能な結果と、特定の実験でそれらのいずれかを観測する可能性を予測することを可能にします。
概要
そのような物体が同じ方法で準備されたときに多くの測定が行われる場合、波動関数は結果の統計的分布を常に正しく予測します。 しかし、単一の測定の結果がどうなるかを知る方法はありません。量子力学は確率のみを提供します。 特定の観察を決定するものは何ですか? 1932 年、数理物理学者のジョン フォン ノイマンは、測定が行われると、波動関数が可能な結果の XNUMX つに「崩壊」することを提案しました。 このプロセスは基本的にランダムですが、エンコードされる確率によって偏りがあります。 量子力学自体は、手動で計算に追加する必要がある崩壊を予測していないようです。
その場しのぎの数学的トリックとして、それは十分に機能します。 しかし、一部の研究者にとっては、それは不満足な手先の早業であると思われました (そして今もそう思われ続けています)。 アインシュタインは、神がサイコロを振って何が「現実」になるか、つまり私たちが古典世界で実際に観察しているものを決定することに例えたことで有名です。 デンマークの物理学者ニールス・ボーアは、彼のいわゆるコペンハーゲン解釈で、物理学者は量子レジームと古典レジームの間の根本的な区別を受け入れなければならないと言って、この問題を範囲外と単純に宣言した. 対照的に、1957年に物理学者のヒュー・エベレットは、波動関数の崩壊は単なる幻想であり、実際にはすべての結果は無限に近い分岐宇宙で実現されると主張しました。多くの世界に設立された地域オフィスに加えて、さらにローカルカスタマーサポートを提供できるようになります。」
真実は、「波動関数の崩壊の根本的な原因はまだわかっていない」ということです。 キム・インウク、カリフォルニア州ローレンス リバモア国立研究所の物理学者。 「なぜ、どのように起こるのか？」
1986 年、イタリアの物理学者ジャンカルロ ギラルディ、アルベルト リミニ、トゥリオ ウェーバー 提案しました 答え。 シュレディンガーの波動方程式がすべてではない、と彼らは言った。 彼らは、システムの大きさに依存する時間スケールで、システムの可能な観測可能な状態のXNUMXつに自発的にジャンプするように誘導できる未知の影響によって、量子システムが常に刺激されていると仮定しました。 量子重ね合わせ (複数の測定結果が可能な状態) にある原子などの小さな孤立したシステムは、非常に長い間そのままの状態を保ちます。 しかし、より大きな物体、たとえば猫や、巨視的な測定装置と相互作用する原子などは、ほぼ瞬時に明確に定義された古典的な状態に崩壊します。 このいわゆるGRWモデル（トリオのイニシャルにちなんで）は、最初の物理的崩壊モデルでした。 後で 洗練 連続自発局在 (CSL) モデルとして知られているモデルは、突然の跳躍ではなく、段階的で連続的な崩壊を伴いました。 これらのモデルは量子力学の解釈ではなく、それに追加されたものである、と物理学者は述べた マグダレーナザイチ オーストラリアのクイーンズランド大学の。
波動関数の崩壊によるこの自発的な局在化を引き起こすのは何ですか? GRW と CSL モデルは言いません。 彼らはシュレディンガー方程式に数学項を追加してそれを説明することを提案しているだけです。 しかし、1980 年代と 90 年代に、オックスフォード大学の数理物理学者ロジャー ペンローズとブダペストのエトヴェシュ ロラーンド大学のラホス ディオシは、崩壊の考えられる原因を重力であると独自に提案しました。 大まかに言えば、彼らの考えは、量子オブジェクトが位置の重ね合わせにある場合、各位置状態は重力相互作用を介して他の状態を「感じる」というものでした。 あたかもこの引力が物体自体を測定し、崩壊を強いるかのようです。 あるいは、重力を説明する一般相対性理論の観点から見ると、局所性の重ね合わせは、時空構造を同時に XNUMX つの異なる方法で変形させます。これは、一般相対性理論では対応できない状況です。 ペンローズが言ったように、量子力学と一般相対論の間の対立では、量子が最初にクラックするでしょう。
真実の試練
これらのアイデアは常に非常に投機的でした。 しかし、コペンハーゲンやエベレットの解釈のような量子力学の説明とは対照的に、物理的崩壊モデルには観察可能な予測を行うという長所があり、したがって、テスト可能で反証可能です。
量子崩壊を引き起こす背景摂動が実際に存在する場合 (それが重力効果によるものであろうと他の何かによるものであろうと)、重ね合わせにあるかどうかにかかわらず、すべての粒子はこの摂動と継続的に相互作用します。 結果は原則として検出可能でなければなりません。 INFN の物理学者である Catalina Curceanu 氏は、この相互作用により、ブラウン運動に匹敵する「空間内の粒子の永久的なジグザグ運動」が生じるはずだと述べています。
現在の物理的崩壊モデルは、この拡散運動が非常にわずかであることを示唆しています。 それにもかかわらず、粒子が帯電している場合、運動は制動放射と呼ばれるプロセスで電磁放射を生成します。 したがって、物質の塊は非常にかすかな光子の流れを継続的に放出するはずであり、モデルの典型的なバージョンは X 線の範囲にあると予測しています。 ドナディと彼の同僚 アンジェロ・バッシ 持ってる 示す そのような放射線の放出は、ディオシ-ペンローズ モデルを含む動的自然崩壊のあらゆるモデルから予想されます。
しかし、「アイデアは単純ですが、実際のテストはそれほど簡単ではありません」と Kim 氏は述べています。 予測された信号は非常に弱いため、検出可能な信号を得るには膨大な数の荷電粒子が実験に含まれる必要があります。 また、宇宙線や環境中の放射線などの発生源から発生するバックグラウンド ノイズは、低く抑える必要があります。 これらの条件は、暗黒物質の信号やニュートリノと呼ばれるとらえどころのない粒子を検出するように設計された実験など、最も感度の高い実験によってのみ満たすことができます。
1996 年、ニューヨークのハミルトン カレッジのチージア フー (当時は学部生だった) 提案された ゲルマニウムベースのニュートリノ実験を使用して、X線放出のCSLシグネチャを検出します。 (彼が論文を提出してから数週間後、彼は 雷に襲われた ユタ州でのハイキング旅行で死亡しました。) アイデアは、ゲルマニウムの陽子と電子が自然放射線を放出し、それを超高感度検出器が拾うというものでした。 しかし、必要な感度を備えた機器がオンラインになったのはごく最近のことです。
2020 年、ドナディ、バッシ、クルチャヌを含むイタリアのチームは、ハンガリーのディオシとともに、この種のゲルマニウム検出器を使用してディオシ-ペンローズ モデルをテストしました。 IGEX と呼ばれるニュートリノ実験用に作成された検出器は、イタリアのアペニン山脈にある山、グラン サッソの下にあるため、放射線から保護されています。
概要
残りのバックグラウンド信号 (主に岩石からの自然放射能) を慎重に差し引いた後、物理学者は 放出は見られなかった Diósi-Penrose モデルの最も単純な形式を除外する感度レベルで。 彼らもまた 強い境界を置いた さまざまな CSL モデルが引き続き機能する可能性のあるパラメーターについて。 オリジナルの GRW モデルは、この狭い窓の中にあります。
で 今年XNUMX月に発表された論文、2020年の結果はマヨラナデモンストレーターと呼ばれる実験によって確認され、強化されました。これは、主にマヨラナニュートリノと呼ばれる仮想粒子（独自の反粒子であるという奇妙な特性を持っています）を検索するために確立されました。 実験は、サウスダコタ州のかつての金鉱の地下約 5,000 フィートにあるサンフォード地下研究施設に収容されています。 高純度ゲルマニウム検出器の配列がIGEXよりも多く、低エネルギーまでX線を検出できます。 チームのメンバーであるキム氏は、「私たちの制限は前作に比べてはるかに厳しくなっています。
乱雑な終わり
物理的な崩壊モデルはひどく病んでいますが、完全に死んでいるわけではありません。 「さまざまなモデルは、崩壊の性質と特性について非常に異なる仮定を立てています」とキムは言いました。 実験的なテストにより、これらの値のもっともらしい可能性は除外されましたが、まだ小さな希望の島があります.
連続自発定位モデルは、波動関数を乱す物理的実体がある種の「ノイズ フィールド」であると提案しています。現在のテストでは、ホワイト ノイズであると想定されています。つまり、すべての周波数で均一です。 それが最も単純な仮定です。 ただし、高周波カットオフなどによって、ノイズに「色付け」される可能性があります。 Curceanu 氏は、これらのより複雑なモデルをテストするには、これまでよりも高いエネルギーで発光スペクトルを測定する必要があると述べています。
概要
Majoranaデモンストレーター実験は現在終了していますが、チームは実験との新しいコラボレーションを形成しています ゲルダ、グランサッソに拠点を置き、ニュートリノ質量を調べる別の実験を作成しました。 呼ばれた 伝説、それはより大規模で、したがってより感度の高いゲルマニウム検出器アレイを備えています。 「レジェンドは CSL モデルの限界をさらに押し上げることができるかもしれません」とキムは言いました。 もあります 提案 for テスト これらのモデルは宇宙ベースの実験で使用され、環境の振動によって発生するノイズに悩まされることはありません。
改ざんは骨の折れる作業であり、きちんとした終点に達することはめったにありません。 現在でも、Curceanu によると、Roger Penrose — 2020ノーベル物理学賞 一般相対性理論に関する彼の研究に対して - 自然放射がまったくないバージョンのディオシ-ペンローズ モデルに取り組んでいます。
とはいえ、この量子力学の見方については、記述が壁にかかっているのではないかと疑う人もいます。 「私たちがしなければならないことは、これらのモデルが何を達成しようとしているのかを再考することです」と Zych 氏は述べています。 測定の問題がもはや問題ではないと主張する人はほとんどいませんが、最初の崩壊モデルが提案されて以来、量子測定が何を伴うかについて多くのことを学びました。 「これらのモデルが何十年も前に作成されたという問題に戻る必要があると思います」と彼女は言いました。
