Introduksjon
Hvordan kommer objektiv virkelighet frem fra paletten av muligheter kvantemekanikken gir? Det spørsmålet - det dypeste og mest irriterende spørsmålet som teorien gir - er fortsatt gjenstand for argumenter et århundre gammelt. Mulige forklaringer på hvordan observasjoner av verden gir klare, "klassiske" resultater, som trekker på forskjellige tolkninger av hva kvantemekanikk betyr, har bare multiplisert i løpet av disse hundre eller så årene.
Men nå kan vi være klare til å eliminere minst ett sett med forslag. Nylige eksperimenter har mobilisert den ekstreme følsomheten til partikkelfysikkinstrumenter for å teste ideen om at "kollaps" av kvantemuligheter til en enkelt klassisk virkelighet ikke bare er en matematisk bekvemmelighet, men en ekte fysisk prosess - en idé kalt "fysisk kollaps." Eksperimentene finner ingen bevis for effektene spådd av i det minste de enkleste variantene av disse kollapsmodellene.
Det er fortsatt for tidlig å si definitivt at fysisk kollaps ikke forekommer. Noen forskere mener at modellene ennå kan modifiseres for å unnslippe begrensningene som ble lagt på dem av eksperimentenes nullresultater. Men mens "det alltid er mulig å redde enhver modell," sa Sandro Donadi, en teoretisk fysiker ved National Institute for Nuclear Physics (INFN) i Trieste, Italia, som ledet et av eksperimentene, tviler han på at "fellesskapet vil fortsette å modifisere modellene [på ubestemt tid], siden det ikke vil være for mye å lære ved å gjøre det." Løkken ser ut til å bli strammere på dette forsøket på å løse kvanteteoriens største mysterium.
Hva forårsaker kollaps?
Fysiske kollapsmodeller tar sikte på å løse et sentralt dilemma ved konvensjonell kvanteteori. I 1926 Erwin Schrödinger hevdet at et kvanteobjekt er beskrevet av en matematisk enhet kalt en bølgefunksjon, som innkapsler alt som kan sies om objektet og dets egenskaper. Som navnet tilsier, beskriver en bølgefunksjon en slags bølge - men ikke en fysisk. Snarere er det en "sannsynlighetsbølge", som lar oss forutsi de ulike mulige resultatene av målinger gjort på objektet, og sjansen for å observere en av dem i et gitt eksperiment.
Introduksjon
Hvis det gjøres mange målinger på slike objekter når de er forberedt på en identisk måte, forutsier bølgefunksjonen alltid den statistiske fordelingen av utfall korrekt. Men det er ingen måte å vite hva utfallet av en enkelt måling vil være - kvantemekanikk tilbyr bare sannsynligheter. Hva bestemmer en spesifikk observasjon? I 1932 foreslo den matematiske fysikeren John von Neumann at når en måling gjøres, blir bølgefunksjonen "kollapset" til et av de mulige utfallene. Prosessen er i hovedsak tilfeldig, men forutinntatt av sannsynlighetene den koder. Kvantemekanikken i seg selv ser ikke ut til å forutsi kollapsen, som må legges til manuelt i beregningene.
Som et ad hoc matematisk triks fungerer det bra nok. Men det virket (og fortsetter å virke) for noen forskere å være en utilfredsstillende slengen. Einstein sammenlignet det berømt med at Gud spiller terninger for å bestemme hva som blir "ekte" - hva vi faktisk observerer i vår klassiske verden. Den danske fysikeren Niels Bohr uttalte i sin såkalte København-tolkning ganske enkelt problemet utenfor grensene, og sa at fysikere bare måtte akseptere et grunnleggende skille mellom kvante- og klassiske regimer. Derimot hevdet fysikeren Hugh Everett i 1957 at kollaps av bølgefunksjoner bare er en illusjon, og at faktisk alle utfall er realisert i et nesten uendelig antall forgrenende universer - det fysikere nå kaller "mange verdener».
Sannheten er at "den grunnleggende årsaken til kollapsen av bølgefunksjonen er ennå ukjent," sa Inwook Kim, en fysiker ved Lawrence Livermore National Laboratory i California. "Hvorfor og hvordan oppstår det?"
I 1986, de italienske fysikerne Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini og Tullio Weber foreslått et svar. Hva om, sa de, Schrödingers bølgeligning ikke var hele historien? De hevdet at et kvantesystem konstant drives av en eller annen ukjent påvirkning som kan få det til å spontant hoppe inn i en av systemets mulige observerbare tilstander, på en tidsskala som avhenger av hvor stort systemet er. Et lite, isolert system, for eksempel et atom i en kvantesuperposisjon (en tilstand der flere måleutfall er mulig), vil forbli slik i svært lang tid. Men større gjenstander - en katt, for eksempel, eller et atom når den samhandler med en makroskopisk måleenhet - kollapser til en veldefinert klassisk tilstand nesten øyeblikkelig. Denne såkalte GRW-modellen (etter trioens initialer) var den første fysiske kollapsmodellen; en senere avgrensning kjent som den kontinuerlige spontane lokaliseringsmodellen (CSL) involverte gradvis, kontinuerlig kollaps i stedet for et plutselig hopp. Disse modellene er ikke så mye tolkninger av kvantemekanikk som tillegg til den, sa fysikeren Magdalena Zych ved University of Queensland i Australia.
Hva er det som forårsaker denne spontane lokaliseringen via bølgefunksjonskollaps? GRW- og CSL-modellene sier ikke; de foreslår bare å legge til et matematisk begrep til Schrödinger-ligningen for å beskrive det. Men på 1980- og 90-tallet foreslo de matematiske fysikerne Roger Penrose fra University of Oxford og Lajos Diósi ved Eötvös Loránd University i Budapest uavhengig av hverandre en mulig årsak til kollapsen: tyngdekraften. Løst sett var ideen deres at hvis et kvanteobjekt er i en superposisjon av steder, vil hver posisjonstilstand "føle" de andre via deres gravitasjonsinteraksjon. Det er som om denne attraksjonen får objektet til å måle seg selv, og tvinger frem en kollaps. Eller hvis du ser på det fra perspektivet til generell relativitet, som beskriver tyngdekraften, deformerer en superposisjon av lokaliteter stoffet til rom-tid på to forskjellige måter samtidig, en omstendighet som generell relativitet ikke kan imøtekomme. Som Penrose har sagt det, i en avstand mellom kvantemekanikk og generell relativitet, vil kvante sprekke først.
Sannhetsprøven
Disse ideene har alltid vært svært spekulative. Men i motsetning til forklaringer av kvantemekanikk som København- og Everett-tolkningene, har fysiske kollapsmodeller den fordelen å lage observerbare spådommer - og dermed være testbare og falsifiserbare.
Hvis det virkelig er en bakgrunnsforstyrrelse som provoserer kvantekollaps - enten det kommer fra gravitasjonseffekter eller noe annet - så vil alle partikler kontinuerlig interagere med denne forstyrrelsen, enten de er i en superposisjon eller ikke. Konsekvensene bør i prinsippet kunne påvises. Samspillet skal skape en "permanent sikksakk av partikler i rommet" som kan sammenlignes med Brownsk bevegelse, sa Catalina Curceanu, fysiker ved INFN.
Gjeldende modeller for fysisk kollaps antyder at denne diffusive bevegelsen bare er veldig liten. Ikke desto mindre, hvis partikkelen er elektrisk ladet, vil bevegelsen generere elektromagnetisk stråling i en prosess som kalles bremsstrahlung. En materieklump bør dermed kontinuerlig sende ut en svært svak strøm av fotoner, som typiske versjoner av modellene spår å være i røntgenområdet. Donadi og hans kollega Angelo Bassi ha vist at utslipp av slik stråling forventes fra enhver modell av dynamisk spontan kollaps, inkludert Diósi-Penrose-modellen.
Likevel "selv om ideen er enkel, er testen i praksis ikke så lett," sa Kim. Det predikerte signalet er ekstremt svakt, noe som betyr at et eksperiment må involvere et enormt antall ladede partikler for å få et detekterbart signal. Og bakgrunnsstøyen – som kommer fra kilder som kosmisk stråling og stråling i omgivelsene – må holdes lav. Disse forholdene kan bare tilfredsstilles av de mest ekstremt følsomme eksperimentene, for eksempel de som er utviklet for å oppdage mørk materiesignaler eller de unnvikende partiklene som kalles nøytrinoer.
I 1996, Qijia Fu fra Hamilton College i New York – den gang bare en lavere grad – foreslått ved å bruke germaniumbaserte nøytrinoeksperimenter for å oppdage en CSL-signatur for røntgenstråling. (Uker etter at han sendte inn papiret sitt, var han det truffet av lynet på en fottur i Utah og drept.) Tanken var at protonene og elektronene i germanium skulle sende ut den spontane strålingen, som ultrasensitive detektorer ville fange opp. Men bare nylig har instrumenter med den nødvendige følsomheten kommet på nettet.
I 2020 brukte et team i Italia, inkludert Donadi, Bassi og Curceanu, sammen med Diósi i Ungarn en germaniumdetektor av denne typen for å teste Diósi-Penrose-modellen. Detektorene, laget for et nøytrinoeksperiment kalt IGEX, er skjermet mot stråling i kraft av deres plassering under Gran Sasso, et fjell i Apenninene i Italia.
Introduksjon
Etter å nøye trekke fra det gjenværende bakgrunnssignalet - for det meste naturlig radioaktivitet fra bergarten - fysikerne så ingen utslipp på et følsomhetsnivå som utelukket den enkleste formen for Diósi-Penrose-modellen. De også satt sterke grenser på parameterne som ulike CSL-modeller fortsatt kan fungere innenfor. Den originale GRW-modellen ligger rett innenfor dette tette vinduet: Den overlevde av et værhår.
I en artikkel publisert i august, ble 2020-resultatet bekreftet og styrket av et eksperiment kalt Majorana Demonstrator, som ble etablert primært for å søke etter hypotetiske partikler kalt Majorana neutrinoer (som har den merkelige egenskapen å være deres egne antipartikler). Eksperimentet er plassert i Sanford Underground Research Facility, som ligger nesten 5,000 fot under bakken i en tidligere gullgruve i South Dakota. Den har et større utvalg av germaniumdetektorer med høy renhet enn IGEX, og de kan oppdage røntgenstråler ned til lave energier. "Vår grense er mye strengere sammenlignet med det forrige arbeidet," sa Kim, et medlem av teamet.
En rotete slutt
Selv om modeller med fysisk sammenbrudd er svært syke, er de ikke helt døde. "De ulike modellene gjør veldig forskjellige antakelser om naturen og egenskapene til kollapsen," sa Kim. Eksperimentelle tester har nå utelukket de mest sannsynlige mulighetene for disse verdiene, men det er fortsatt en liten øy med håp.
Kontinuerlige spontane lokaliseringsmodeller foreslår at den fysiske enheten som forstyrrer bølgefunksjonen er en slags "støyfelt", som de nåværende testene antar er hvit støy: ensartet ved alle frekvenser. Det er den enkleste antagelsen. Men det er mulig at støyen kan være "farget", for eksempel ved å ha en høyfrekvent cutoff. Curceanu sa at testing av disse mer kompliserte modellene vil kreve måling av utslippsspekteret ved høyere energier enn det som har vært mulig så langt.
Introduksjon
Majorana Demonstrator-eksperimentet avsluttes nå, men teamet inngår et nytt samarbeid med et eksperiment kalt Gerda, basert på Gran Sasso, for å lage et nytt eksperiment som undersøker nøytrinomasse. Kalt Legende, vil den ha mer massive og dermed mer følsomme germaniumdetektorarrayer. "Legend kan være i stand til å presse grensene for CSL-modeller ytterligere," sa Kim. Det er også forslag forum testing disse modellene i rombaserte eksperimenter, som ikke vil lide av støy produsert av miljøvibrasjoner.
Forfalskning er hardt arbeid, og når sjelden et ryddig sluttpunkt. Selv nå, ifølge Curceanu, Roger Penrose - som ble tildelt 2020 Nobelprisen i fysikk for sitt arbeid med generell relativitet - jobber med en versjon av Diósi-Penrose-modellen der det ikke er noen spontan stråling i det hele tatt.
Likevel mistenker noen at for dette synet på kvantemekanikk er skriften på veggen. "Det vi trenger å gjøre er å revurdere hva disse modellene prøver å oppnå," sa Zych, "og se om de motiverende problemene kanskje ikke har et bedre svar gjennom en annen tilnærming." Mens få vil hevde at måleproblemet ikke lenger er et problem, har vi også lært mye, i årene siden de første kollapsmodellene ble foreslått, om hva kvantemåling innebærer. "Jeg tror vi må gå tilbake til spørsmålet om hva disse modellene ble skapt for flere tiår siden," sa hun, "og ta på alvor det vi har lært i mellomtiden."
