개요
양자 역학이 제공하는 가능성의 팔레트에서 객관적 현실이 어떻게 나타납니까? 이론이 제기하는 가장 심오하고 가장 난처한 문제인 그 질문은 여전히 XNUMX년 된 논쟁의 주제입니다. 양자역학이 의미하는 바에 대한 다양한 해석을 바탕으로 세계의 관찰이 어떻게 명확한 "고전적인" 결과를 산출하는지에 대한 가능한 설명은 그 수백 년 동안 증가했을 뿐입니다.
그러나 이제 우리는 적어도 하나의 제안 세트를 제거할 준비가 되어 있을 수 있습니다. 최근의 실험은 양자 가능성의 단일 고전적 현실로의 "붕괴"가 단순한 수학적 편의가 아니라 실제 물리적 과정이라는 아이디어를 테스트하기 위해 입자 물리학 장비의 극도의 감도를 동원했습니다. "물리적 붕괴"라는 아이디어입니다. 실험은 최소한 이러한 붕괴 모델의 가장 단순한 변형에 의해 예측된 효과의 증거를 찾지 못했습니다.
물리적 붕괴가 일어나지 않는다고 단정짓기는 아직 이르다. 일부 연구자들은 실험의 null 결과에 의해 모델에 부과된 제약을 피하기 위해 모델을 아직 수정할 수 있다고 생각합니다. 그러나 "항상 어떤 모델을 구하는 것이 가능하다"고 말했습니다. 산드로 도나디실험 중 하나를 이끈 이탈리아 트리에스테에 있는 국립 핵물리학 연구소(INFN)의 이론물리학자인 그는 "배우는 것이 너무 많지 않기 때문에 커뮤니티가 [무기한] 모델을 계속 수정할 것이라고 의심합니다. 그렇게 해서.” 양자 이론의 가장 큰 수수께끼를 풀려는 이 시도에 올가미가 조여오는 것 같습니다.
붕괴의 원인은 무엇입니까?
물리적 붕괴 모델은 기존 양자 이론의 핵심 딜레마를 해결하는 것을 목표로 합니다. 1926년 에르빈 슈뢰딩거 주장 된 양자 객체는 파동 함수라고 하는 수학적 개체로 설명되며, 파동 함수는 객체와 그 속성에 대해 말할 수 있는 모든 것을 캡슐화합니다. 이름에서 알 수 있듯이 파동 함수는 일종의 파동을 설명하지만 물리적 파동은 아닙니다. 오히려 그것은 물체에 대한 측정의 다양한 가능한 결과와 주어진 실험에서 그 중 하나를 관찰할 기회를 예측할 수 있게 해주는 "확률 파동"입니다.
개요
그러한 물체가 동일한 방식으로 준비되었을 때 많은 측정이 이루어지면 파동 함수는 항상 결과의 통계적 분포를 정확하게 예측합니다. 그러나 단일 측정의 결과가 무엇인지 알 수 있는 방법은 없습니다. 양자 역학은 확률만 제공합니다. 특정 관찰을 결정하는 것은 무엇입니까? 1932년 수리 물리학자 John von Neumann은 측정이 이루어질 때 파동 함수가 가능한 결과 중 하나로 "붕괴"된다고 제안했습니다. 프로세스는 기본적으로 무작위이지만 인코딩된 확률에 의해 편향됩니다. 양자 역학 자체는 계산에 수동으로 추가해야 하는 붕괴를 예측하는 것으로 보이지 않습니다.
임시 수학적 트릭으로 충분히 잘 작동합니다. 그러나 그것은 일부 연구자들에게 불만족스러운 손재주처럼 보였습니다(그리고 계속해서 그렇게 보입니다). 아인슈타인은 그것을 우리가 고전 세계에서 실제로 관찰하는 "실제"가 무엇인지 결정하기 위해 주사위를 던지는 신에 비유한 것으로 유명합니다. 덴마크의 물리학자 닐스 보어(Niels Bohr)는 이른바 코펜하겐 해석에서 물리학자들은 양자 체제와 고전 체제 사이의 근본적인 구별을 받아들여야만 한다고 말하면서 문제가 범위를 벗어났다고 간단히 선언했습니다. 대조적으로, 1957년 물리학자 휴 에버렛은 파동 함수 붕괴는 환상에 불과하며 사실상 모든 결과는 거의 무한에 가까운 수의 분기 우주에서 실현된다고 주장했습니다.많은 세계. "
진실은 "파동 함수 붕괴의 근본적인 원인은 아직 알려지지 않았다"는 것입니다. 김인욱, 캘리포니아 로렌스 리버모어 국립 연구소의 물리학자. "왜 그리고 어떻게 발생합니까?"
1986년 이탈리아 물리학자 지안카를로 기라르디, 알베르토 리미니, 툴리오 베버 추천 답변. 만약 슈뢰딩거의 파동 방정식이 전체 이야기가 아니라면 어떨까요? 그들은 양자 시스템이 시스템의 크기에 따라 달라지는 시간 척도에서 시스템의 가능한 관찰 가능한 상태 중 하나로 자발적으로 점프하도록 유도할 수 있는 알려지지 않은 영향에 의해 끊임없이 자극을 받는다고 가정했습니다. 양자 중첩(여러 측정 결과가 가능한 상태)에 있는 원자와 같은 작고 고립된 시스템은 매우 오랫동안 그 상태를 유지합니다. 그러나 더 큰 물체, 예를 들어 고양이 또는 거시적 측정 장치와 상호 작용할 때의 원자는 거의 즉시 잘 정의된 고전적 상태로 붕괴됩니다. 이 소위 GRW 모델(트리오의 이니셜 이후)은 최초의 물리적 붕괴 모델이었습니다. 나중에 정제 CSL(Continuous Spontaneous Localization) 모델로 알려진 모델은 갑작스러운 점프가 아닌 점진적이고 지속적인 붕괴를 수반했습니다. 이 모델은 양자 역학에 대한 해석이 아니라 추가된 것이라고 물리학자는 말했습니다. 막달레나 지치 호주 퀸즐랜드 대학교의
파동 함수 붕괴를 통해 이러한 자발적인 국소화를 일으키는 것은 무엇입니까? GRW 및 CSL 모델은 말하지 않습니다. 그들은 그것을 설명하기 위해 슈뢰딩거 방정식에 수학 용어를 추가할 것을 제안할 뿐입니다. 그러나 1980년대와 90년대에 옥스퍼드 대학의 수학 물리학자 로저 펜로즈와 부다페스트 외트뵈시 로란드 대학의 라조스 디오시가 독립적으로 붕괴의 가능한 원인을 제안했습니다: 중력. 느슨하게 말하면, 그들의 생각은 양자 물체가 위치의 중첩에 있는 경우 각 위치 상태가 중력 상호 작용을 통해 다른 위치 상태를 "느끼게" 한다는 것이었습니다. 마치 이 인력이 물체를 스스로 측정하게 하여 강제로 붕괴시키는 것과 같습니다. 또는 중력을 설명하는 일반 상대성 이론의 관점에서 보면 국지성의 중첩은 시공간 구조를 한 번에 두 가지 다른 방식으로 변형하는데, 이는 일반 상대성 이론이 수용할 수 없는 상황입니다. Penrose가 말했듯이, 양자 역학과 일반 상대성 이론 사이의 대치에서 양자가 먼저 깨질 것입니다.
진실의 시험
이러한 아이디어는 항상 매우 투기적이었습니다. 그러나 코펜하겐 및 에버렛 해석과 같은 양자 역학에 대한 설명과 달리 물리적 붕괴 모델은 관찰 가능한 예측을 할 수 있다는 장점이 있으므로 테스트 및 반증이 가능합니다.
양자 붕괴를 유발하는 배경 섭동이 실제로 존재한다면(중력 효과든 다른 무엇이든) 모든 입자는 중첩 여부에 관계없이 이 섭동과 지속적으로 상호 작용할 것입니다. 결과는 원칙적으로 감지할 수 있어야 합니다. INFN의 물리학자인 Catalina Curceanu는 이러한 상호 작용이 브라운 운동에 필적하는 "공간에서 입자의 영구적인 지그재그"를 생성해야 한다고 말했습니다.
현재의 물리적 붕괴 모델은 이 확산 운동이 아주 미미하다는 것을 시사합니다. 그럼에도 불구하고 입자가 전하를 띤다면 운동은 제동복사(bremsstrahlung)라고 하는 과정에서 전자기 복사를 생성합니다. 따라서 물질 덩어리는 매우 희미한 광자 흐름을 지속적으로 방출해야 하며, 일반적인 버전의 모델은 X선 범위에 있을 것으로 예측합니다. 도나디와 그의 동료 안젤로 바시 있다 표시 그러한 방사선의 방출은 Diósi-Penrose 모델을 포함한 모든 동적 자발적 붕괴 모델에서 예상됩니다.
그러나 “아이디어는 간단하지만 실제로는 테스트가 쉽지 않다”고 김씨는 말했다. 예측된 신호는 매우 약합니다. 즉, 감지 가능한 신호를 얻으려면 엄청난 수의 하전 입자가 실험에 포함되어야 합니다. 그리고 환경에서 우주선이나 방사선과 같은 소스에서 나오는 배경 소음은 낮게 유지되어야 합니다. 이러한 조건은 암흑 물질 신호 또는 중성미자라고 하는 포착하기 어려운 입자를 감지하도록 설계된 실험과 같이 가장 극도로 민감한 실험에 의해서만 충족될 수 있습니다.
1996년 당시 학부생이었던 뉴욕 해밀턴 칼리지의 Qijia Fu는 제안 된 게르마늄 기반 중성미자 실험을 사용하여 X선 방출의 CSL 서명을 감지합니다. (그가 논문을 제출한 지 몇 주 후, 그는 번개에 맞다 게르마늄의 양성자와 전자가 자발 방사선을 방출해야 초고감도 검출기가 포착할 수 있다는 아이디어였습니다. 그러나 최근에야 필요한 감도를 갖춘 기기가 온라인에 등장했습니다.
2020년에 Donadi, Bassi 및 Curceanu를 포함한 이탈리아의 팀은 헝가리의 Diósi와 함께 이러한 종류의 게르마늄 검출기를 사용하여 Diósi-Penrose 모델을 테스트했습니다. IGEX라는 중성미자 실험을 위해 만들어진 이 검출기는 이탈리아 아펜니노 산맥의 산인 Gran Sasso 아래에 위치하기 때문에 방사선으로부터 보호됩니다.
개요
나머지 배경 신호(주로 암석에서 나오는 자연 방사능)를 조심스럽게 뺀 후 물리학자들은 방출을 보지 못했습니다 가장 단순한 형태의 Diósi-Penrose 모델을 배제한 감도 수준에서. 그들 또한 강한 경계를 설정 다양한 CSL 모델이 여전히 작동할 수 있는 매개변수에 대해. 원래의 GRW 모델은 이 빡빡한 범위 안에 있습니다.
안에 올해 XNUMX월에 발표된 논문, 2020년 결과는 주로 Majorana 중성미자(자신의 반입자라는 흥미로운 특성을 가짐)라는 가상 입자를 찾기 위해 설립된 Majorana Demonstrator라는 실험에 의해 확인되고 강화되었습니다. 실험은 사우스 다코타의 이전 금광에서 거의 5,000피트 지하에 위치한 Sanford Underground Research Facility에 보관되어 있습니다. IGEX보다 더 많은 고순도 게르마늄 검출기 어레이가 있으며 낮은 에너지까지 X-ray를 검출할 수 있습니다. 팀원인 김씨는 “전작에 비해 한도가 훨씬 엄격해졌다”고 말했다.
지저분한 끝
물리적 붕괴 모델이 심하게 병들었지만 완전히 죽은 것은 아닙니다. "다양한 모델은 붕괴의 본질과 속성에 대해 매우 다른 가정을 합니다."라고 Kim은 말했습니다. 실험 테스트는 이제 이러한 값에 대한 가장 그럴듯한 가능성을 배제했지만 여전히 작은 희망의 섬이 있습니다.
지속적인 자발적 현지화 모델은 파동 함수를 교란시키는 물리적 개체가 일종의 "노이즈 필드"라고 제안하며, 현재 테스트에서는 모든 주파수에서 균일한 백색 잡음이라고 가정합니다. 가장 간단한 가정입니다. 그러나 예를 들어 일부 고주파 컷오프를 사용하여 잡음이 "채색"될 수 있습니다. Curceanu는 이러한 더 복잡한 모델을 테스트하려면 지금까지 가능했던 것보다 더 높은 에너지에서 방출 스펙트럼을 측정해야 한다고 말했습니다.
개요
Majorana Demonstrator 실험은 현재 마무리 단계에 있지만 팀은 게르다, Gran Sasso를 기반으로 중성미자 질량을 조사하는 또 다른 실험을 만듭니다. 라고 불리는 전설, 그것은 더 크고 따라서 더 민감한 게르마늄 검출기 배열을 가질 것입니다. “Legend는 CSL 모델의 한계를 더욱 높일 수 있을 것입니다.”라고 Kim은 말했습니다. 또한 있습니다 제안 for 테스트 환경 진동으로 인해 발생하는 소음에 영향을 받지 않는 우주 기반 실험의 이러한 모델입니다.
위조는 어려운 작업이며 깔끔한 끝점에 거의 도달하지 않습니다. 지금도 Curceanu에 따르면 Roger Penrose는 2020 년 노벨 물리학상 일반 상대성 이론에 대한 그의 연구를 위해 — 자발 복사가 전혀 없는 Diósi-Penrose 모델 버전을 연구하고 있습니다.
그럼에도 불구하고 일부 사람들은 양자 역학에 대한 이러한 관점에서 글이 벽에 걸려 있다고 의심합니다. Zych는 "우리가 해야 할 일은 이러한 모델이 달성하려는 것이 무엇인지 다시 생각하고 동기 부여 문제가 다른 접근 방식을 통해 더 나은 답을 얻지 못할 수 있는지 확인하는 것입니다."라고 말했습니다. 측정 문제가 더 이상 문제가 되지 않는다고 주장하는 사람은 거의 없지만, 최초의 붕괴 모델이 제안된 이후 몇 년 동안 양자 측정이 수반하는 것에 대해 많은 것을 배웠습니다. 그녀는 “이 모델들이 수십 년 전에 만들어졌다는 질문으로 돌아가 그 동안 배운 것을 진지하게 받아들여야 한다고 생각한다”고 말했다.
