Introductie
Hoe ontstaat de objectieve werkelijkheid uit het palet aan mogelijkheden dat de kwantummechanica biedt? Die vraag - de diepste en meest lastige kwestie die door de theorie wordt gesteld - is nog steeds het onderwerp van argumenten van een eeuw oud. Mogelijke verklaringen voor hoe waarnemingen van de wereld definitieve, 'klassieke' resultaten opleveren, gebaseerd op verschillende interpretaties van wat kwantummechanica betekent, zijn in die honderd jaar alleen maar vermenigvuldigd.
Maar nu zijn we misschien klaar om ten minste één reeks voorstellen te schrappen. Recente experimenten hebben de extreme gevoeligheid van deeltjesfysica-instrumenten gemobiliseerd om het idee te testen dat de "instorting" van kwantummogelijkheden in een enkele klassieke realiteit niet alleen een wiskundig gemak is, maar een echt fysiek proces - een idee dat "fysieke ineenstorting" wordt genoemd. De experimenten vinden geen bewijs van de effecten die worden voorspeld door ten minste de eenvoudigste varianten van deze instortingsmodellen.
Het is nog te vroeg om definitief te zeggen dat fysieke ineenstorting niet optreedt. Sommige onderzoekers zijn van mening dat de modellen nog kunnen worden aangepast om te ontsnappen aan de beperkingen die de nulresultaten van de experimenten met zich meebrengen. Maar terwijl "het altijd mogelijk is om elk model te redden", zei Sandro Donadi, een theoretisch fysicus aan het Nationaal Instituut voor Kernfysica (INFN) in Triëst, Italië, die een van de experimenten leidde, betwijfelt hij of "de gemeenschap de modellen [voor onbepaalde tijd] zal blijven aanpassen, omdat er niet te veel te leren valt door dat te doen.” De strop lijkt strakker te worden bij deze poging om het grootste mysterie van de kwantumtheorie op te lossen.
Wat veroorzaakt ineenstorting?
Fysieke instortingsmodellen zijn bedoeld om een centraal dilemma van de conventionele kwantumtheorie op te lossen. In 1926 Erwin Schrödinger beweerde dat een kwantumobject wordt beschreven door een wiskundige entiteit die een golffunctie wordt genoemd en die alles inkapselt wat er over het object en zijn eigenschappen kan worden gezegd. Zoals de naam al aangeeft, beschrijft een golffunctie een soort golf - maar geen fysieke. Het is eerder een "waarschijnlijkheidsgolf", waarmee we de verschillende mogelijke uitkomsten van metingen aan het object kunnen voorspellen, en de kans om een van hen in een bepaald experiment te observeren.
Introductie
Als er veel metingen worden gedaan aan dergelijke objecten wanneer ze op dezelfde manier zijn voorbereid, voorspelt de golffunctie altijd correct de statistische verdeling van uitkomsten. Maar er is geen manier om te weten wat de uitkomst van een enkele meting zal zijn - de kwantummechanica biedt alleen waarschijnlijkheden. Wat bepaalt een specifieke waarneming? In 1932 stelde de wiskundig fysicus John von Neumann voor dat, wanneer een meting wordt gedaan, de golffunctie wordt "ingestort" tot een van de mogelijke uitkomsten. Het proces is in wezen willekeurig, maar bevooroordeeld door de kansen die het codeert. De kwantummechanica zelf lijkt de ineenstorting niet te voorspellen, die handmatig aan de berekeningen moet worden toegevoegd.
Als een ad hoc wiskundige truc werkt het goed genoeg. Maar het leek (en lijkt nog steeds) voor sommige onderzoekers een onbevredigende goochelarij te zijn. Einstein vergeleek het op beroemde wijze met God die dobbelt om te beslissen wat 'echt' wordt - wat we feitelijk waarnemen in onze klassieke wereld. De Deense natuurkundige Niels Bohr sprak in zijn zogenaamde Kopenhagen-interpretatie de kwestie eenvoudigweg buiten de grenzen en zei dat natuurkundigen gewoon een fundamenteel onderscheid tussen de kwantum- en klassieke regimes moesten accepteren. Daarentegen beweerde de natuurkundige Hugh Everett in 1957 dat de ineenstorting van de golffunctie slechts een illusie is en dat in feite alle resultaten worden gerealiseerd in een bijna oneindig aantal vertakkende universums - wat natuurkundigen nu "vele werelden. '
De waarheid is dat "de fundamentele oorzaak van de ineenstorting van de golffunctie nog onbekend is", zei Inwoek Kim, een natuurkundige aan het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië. "Waarom en hoe gebeurt het?"
In 1986 hebben de Italiaanse natuurkundigen Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini en Tullio Weber gesuggereerd een antwoord. Wat als, zeiden ze, de golfvergelijking van Schrödinger niet het hele verhaal was? Ze stelden dat een kwantumsysteem constant wordt geprikkeld door een onbekende invloed die het ertoe kan brengen spontaan in een van de mogelijke waarneembare toestanden van het systeem te springen, op een tijdschaal die afhangt van hoe groot het systeem is. Een klein, geïsoleerd systeem, zoals een atoom in een kwantumsuperpositie (een toestand waarin meerdere meetresultaten mogelijk zijn), zal dat heel lang blijven. Maar grotere objecten - bijvoorbeeld een kat of een atoom wanneer het interageert met een macroscopisch meetinstrument - vallen bijna onmiddellijk in een goed gedefinieerde klassieke staat. Dit zogenaamde GRW-model (naar de initialen van het trio) was het eerste fysieke instortingsmodel; een latere raffinage bekend als het continue spontane lokalisatie (CSL) -model omvatte een geleidelijke, continue ineenstorting in plaats van een plotselinge sprong. Deze modellen zijn niet zozeer interpretaties van de kwantummechanica als wel toevoegingen eraan, zei de natuurkundige Magdalena Zycho van de Universiteit van Queensland in Australië.
Wat is de oorzaak van deze spontane lokalisatie via ineenstorting van de golffunctie? De GRW- en CSL-modellen zeggen niet; ze stellen alleen voor om een wiskundige term toe te voegen aan de Schrödingervergelijking om het te beschrijven. Maar in de jaren tachtig en negentig stelden de wiskundige fysici Roger Penrose van de Universiteit van Oxford en Lajos Diósi van de Eötvös Loránd Universiteit in Boedapest onafhankelijk van elkaar een mogelijke oorzaak van de ineenstorting voor: zwaartekracht. Losjes gesproken was hun idee dat als een kwantumobject zich in een superpositie van locaties bevindt, elke positietoestand de anderen zal "voelen" via hun zwaartekrachtinteractie. Het is alsof deze aantrekkingskracht ervoor zorgt dat het object zichzelf meet en een ineenstorting forceert. Of als je het bekijkt vanuit het perspectief van de algemene relativiteitstheorie, die de zwaartekracht beschrijft, een superpositie van plaatsen vervormt het weefsel van ruimte-tijd op twee verschillende manieren tegelijk, een omstandigheid die de algemene relativiteitstheorie niet kan accommoderen. Zoals Penrose het stelde, in een impasse tussen de kwantummechanica en de algemene relativiteitstheorie, zal het kwantum eerst barsten.
De test van de waarheid
Deze ideeën zijn altijd zeer speculatief geweest. Maar in tegenstelling tot verklaringen van de kwantummechanica zoals de Kopenhagen- en Everett-interpretaties, hebben fysieke instortingsmodellen de verdienste dat ze waarneembare voorspellingen doen - en dus testbaar en falsifieerbaar zijn.
Als er inderdaad een achtergrondverstoring is die kwantuminstorting veroorzaakt - of het nu komt door zwaartekrachtseffecten of iets anders - dan zullen alle deeltjes continu in wisselwerking staan met deze verstoring, of ze zich nu in een superpositie bevinden of niet. De gevolgen moeten in principe aantoonbaar zijn. De interactie zou een "permanente zigzaggende beweging van deeltjes in de ruimte" moeten creëren, vergelijkbaar met Brownse beweging, zei Catalina Curceanu, een natuurkundige bij INFN.
Huidige modellen voor fysieke ineenstorting suggereren dat deze diffuse beweging slechts zeer gering is. Desalniettemin, als het deeltje elektrisch geladen is, zal de beweging elektromagnetische straling genereren in een proces dat remstraling wordt genoemd. Een klomp materie zou dus continu een zeer zwakke stroom fotonen moeten uitzenden, waarvan typische versies van de modellen voorspellen dat ze zich in het röntgenbereik bevinden. Donadi en zijn collega Angelo Bassi hebben getoond dat emissie van dergelijke straling wordt verwacht van elk model van dynamische spontane ineenstorting, inclusief het Diósi-Penrose-model.
Maar "hoewel het idee eenvoudig is, is de test in de praktijk niet zo eenvoudig", zei Kim. Het voorspelde signaal is extreem zwak, wat betekent dat een experiment een enorm aantal geladen deeltjes nodig heeft om een detecteerbaar signaal te krijgen. En het achtergrondgeluid - dat afkomstig is van bronnen zoals kosmische straling en straling in de omgeving - moet laag worden gehouden. Aan die voorwaarden kan alleen worden voldaan door de meest extreem gevoelige experimenten, zoals experimenten die zijn ontworpen om signalen van donkere materie te detecteren of de ongrijpbare deeltjes die neutrino's worden genoemd.
In 1996, Qijia Fu van Hamilton College in New York - toen nog maar een student - voorgestelde met behulp van op germanium gebaseerde neutrino-experimenten om een CSL-signatuur van röntgenstraling te detecteren. (Weken nadat hij zijn paper had ingeleverd, was hij... getroffen door de bliksem op een wandeltocht in Utah en gedood.) Het idee was dat de protonen en elektronen in germanium de spontane straling zouden uitzenden, die ultragevoelige detectoren zouden opvangen. Toch komen pas sinds kort instrumenten met de vereiste gevoeligheid online.
In 2020 gebruikte een team in Italië, waaronder Donadi, Bassi en Curceanu, samen met Diósi in Hongarije, een dergelijke germaniumdetector om het Diósi-Penrose-model te testen. De detectoren, gemaakt voor een neutrino-experiment genaamd IGEX, zijn afgeschermd tegen straling vanwege hun locatie onder de Gran Sasso, een berg in de Apennijnen in Italië.
Introductie
Na zorgvuldig het resterende achtergrondsignaal - meestal natuurlijke radioactiviteit van het gesteente - af te trekken, hebben de natuurkundigen zag geen emissie op een gevoeligheidsniveau dat de eenvoudigste vorm van het Diósi-Penrose-model uitsloot. Zij ook sterke grenzen gesteld op de parameters waarbinnen verschillende CSL-modellen nog zouden kunnen werken. Het originele GRW-model ligt net binnen dit krappe raam: het overleefde door een snorhaar.
In een paper gepubliceerd in augustus, werd het resultaat van 2020 bevestigd en versterkt door een experiment genaamd de Majorana Demonstrator, dat voornamelijk werd opgericht om te zoeken naar hypothetische deeltjes die Majorana-neutrino's worden genoemd (die de merkwaardige eigenschap hebben hun eigen antideeltjes te zijn). Het experiment is ondergebracht in de Sanford Underground Research Facility, die bijna 5,000 voet onder de grond ligt in een voormalige goudmijn in South Dakota. Het heeft een groter aantal zeer zuivere germaniumdetectoren dan IGEX, en ze kunnen röntgenstralen detecteren tot lage energieën. "Onze limiet is veel strenger in vergelijking met het vorige werk", zegt Kim, een lid van het team.
Een rommelig einde
Hoewel fysieke instortingsmodellen ernstig ziek zijn, zijn ze niet helemaal dood. "De verschillende modellen maken heel verschillende veronderstellingen over de aard en de eigenschappen van de instorting", zegt Kim. Experimentele tests hebben nu de meest plausibele mogelijkheden voor deze waarden uitgesloten, maar er is nog een klein eiland van hoop.
Continue spontane lokalisatiemodellen stellen voor dat de fysieke entiteit die de golffunctie verstoort een soort "ruisveld" is, waarvan de huidige tests aannemen dat het witte ruis is: uniform bij alle frequenties. Dat is de eenvoudigste veronderstelling. Maar het is mogelijk dat de ruis 'gekleurd' is, bijvoorbeeld door een hoge frequentie afsnijding. Curceanu zei dat het testen van deze meer gecompliceerde modellen het meten van het emissiespectrum bij hogere energieën vereist dan tot nu toe mogelijk was.
Introductie
Het Majorana Demonstrator-experiment loopt nu af, maar het team vormt een nieuwe samenwerking met een experiment genaamd Gerda, gevestigd in Gran Sasso, om een ander experiment te creëren dat de massa van neutrino's onderzoekt. Genaamd Legende, zal het massievere en dus gevoeligere germaniumdetectorarrays hebben. "De legende kan mogelijk de limieten op CSL-modellen verder verleggen", zei Kim. Er zijn ook voorstellen For het testen van deze modellen in ruimtegebaseerde experimenten, die geen last zullen hebben van geluid geproduceerd door omgevingstrillingen.
Vervalsing is hard werken en bereikt zelden een netjes eindpunt. Zelfs nu, volgens Curceanu, Roger Penrose — die de onderscheiding kreeg 2020 Nobelprijs voor natuurkunde voor zijn werk aan de algemene relativiteitstheorie - werkt aan een versie van het Diósi-Penrose-model waarin er helemaal geen spontane straling is.
Toch vermoeden sommigen dat voor deze kijk op de kwantummechanica het schrift op de muur staat. "Wat we moeten doen, is heroverwegen wat deze modellen proberen te bereiken," zei Zych, "en kijken of de motiverende problemen misschien niet een beter antwoord krijgen door een andere benadering." Hoewel weinigen zullen beweren dat het meetprobleem niet langer een probleem is, hebben we in de jaren sinds de eerste instortingsmodellen werden voorgesteld ook veel geleerd over wat kwantummeting inhoudt. "Ik denk dat we terug moeten gaan naar de vraag waar deze modellen decennia geleden zijn gemaakt," zei ze, "en serieus moeten nemen wat we in de tussentijd hebben geleerd."
