Introducere
Cum reiese realitatea obiectivă din paleta de posibilități oferite de mecanica cuantică? Această întrebare – cea mai profundă și mai supărată problemă pusă de teorie – este încă subiectul unor argumente vechi de un secol. Posibilele explicații pentru modul în care observațiile lumii dau rezultate „clasice” definite, bazându-se pe diferite interpretări ale ceea ce înseamnă mecanica cuantică, s-au înmulțit doar de-a lungul acelei sute de ani.
Dar acum putem fi gata să eliminăm cel puțin un set de propuneri. Experimentele recente au mobilizat sensibilitatea extremă a instrumentelor de fizică a particulelor pentru a testa ideea că „colapsul” posibilităților cuantice într-o singură realitate clasică nu este doar o comoditate matematică, ci un proces fizic real - o idee numită „colaps fizic”. Experimentele nu găsesc dovezi ale efectelor prezise de cel puțin cele mai simple soiuri ale acestor modele de colaps.
Este încă prea devreme pentru a spune definitiv că colapsul fizic nu are loc. Unii cercetători cred că modelele ar putea fi încă modificate pentru a scăpa de constrângerile impuse de rezultatele nule ale experimentelor. Dar în timp ce „este întotdeauna posibil să salvați orice model”, a spus Sandro Donadi, fizician teoretician la Institutul Național de Fizică Nucleară (INFN) din Trieste, Italia, care a condus unul dintre experimente, se îndoiește că „comunitatea va continua să modifice modelele [la infinit], deoarece nu vor fi prea multe de învățat făcând asta.” Lațul pare să se strângă în această încercare de a rezolva cel mai mare mister al teoriei cuantice.
Ce cauzează colapsul?
Modelele de colaps fizic urmăresc să rezolve o dilemă centrală a teoriei cuantice convenționale. În 1926 Erwin Schrödinger a afirmat că un obiect cuantic este descris de o entitate matematică numită funcție de undă, care încapsulează tot ce se poate spune despre obiect și proprietățile sale. După cum sugerează și numele, o funcție de undă descrie un fel de undă - dar nu una fizică. Mai degrabă, este o „undă de probabilitate”, care ne permite să prezicem diferitele rezultate posibile ale măsurătorilor efectuate asupra obiectului și șansa de a observa oricare dintre ele într-un experiment dat.
Introducere
Dacă se fac multe măsurători pe astfel de obiecte atunci când sunt pregătite într-o manieră identică, funcția de undă prezice întotdeauna corect distribuția statistică a rezultatelor. Dar nu există nicio modalitate de a ști care va fi rezultatul unei singure măsurări - mecanica cuantică oferă doar probabilități. Ce determină o observație specifică? În 1932, fizicianul matematician John von Neumann a propus că, atunci când se face o măsurătoare, funcția de undă este „prăbușită” într-unul dintre rezultatele posibile. Procesul este în esență aleatoriu, dar părtinit de probabilitățile pe care le codifică. Mecanica cuantică în sine nu pare să prezică colapsul, care trebuie adăugat manual la calcule.
Ca un truc matematic ad-hoc, funcționează suficient de bine. Dar unii cercetători li s-a părut (și continuă să pară) a fi un joc de viteză nesatisfăcător. Einstein a asemănat-o cu Dumnezeu care joacă zaruri pentru a decide ce devine „real” – ceea ce observăm de fapt în lumea noastră clasică. Fizicianul danez Niels Bohr, în așa-numita sa interpretare de la Copenhaga, a pronunțat pur și simplu problema în afara limitelor, spunând că fizicienii trebuie doar să accepte o distincție fundamentală între regimul cuantic și cel clasic. În schimb, în 1957, fizicianul Hugh Everett a afirmat că colapsul funcției de undă este doar o iluzie și că, de fapt, toate rezultatele sunt realizate într-un număr aproape infinit de universuri ramificate - ceea ce fizicienii numesc acum „multe lumi. "
Adevărul este că „cauza fundamentală a colapsului funcției de undă este încă necunoscută”, a spus Inwook Kim, fizician la Laboratorul Național Lawrence Livermore din California. „De ce și cum se întâmplă?”
În 1986, fizicienii italieni Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini și Tullio Weber sugerat un raspuns. Ce se întâmplă dacă, au spus ei, ecuația de undă a lui Schrödinger nu ar fi toată povestea? Ei au postulat că un sistem cuantic este determinat în mod constant de o influență necunoscută care îl poate determina să sară spontan într-una dintre posibilele stări observabile ale sistemului, la o scară de timp care depinde de cât de mare este sistemul. Un sistem mic, izolat, cum ar fi un atom într-o suprapunere cuantică (o stare în care sunt posibile mai multe rezultate de măsurare), va rămâne așa pentru o perioadă foarte lungă de timp. Dar obiectele mai mari - o pisică, să zicem, sau un atom atunci când interacționează cu un dispozitiv de măsurare macroscopic - se prăbușesc într-o stare clasică bine definită aproape instantaneu. Acest așa-numit model GRW (după inițialele trio-ului) a fost primul model de colaps fizic; o mai târziu rafinament cunoscut sub numele de modelul de localizare spontană continuă (CSL) implica colaps treptat și continuu, mai degrabă decât un salt brusc. Aceste modele nu sunt atât interpretări ale mecanicii cuantice, cât adăugări la aceasta, a spus fizicianul Magdalena Zych de la Universitatea din Queensland din Australia.
Ce cauzează această localizare spontană prin colapsul funcției de undă? Modelele GRW și CSL nu spun; ei sugerează doar adăugarea unui termen matematic la ecuația Schrödinger pentru a o descrie. Dar în anii 1980 și 90, fizicienii matematicieni Roger Penrose de la Universitatea din Oxford și Lajos Diósi de la Universitatea Eötvös Loránd din Budapesta au propus în mod independent o posibilă cauză a colapsului: gravitația. Vorbind, ideea lor a fost că, dacă un obiect cuantic se află într-o suprapunere de locații, fiecare stare de poziție le va „simți” pe celelalte prin interacțiunea gravitațională. Este ca și cum această atracție face ca obiectul să se măsoare singur, forțând o prăbușire. Sau dacă priviți din perspectiva relativității generale, care descrie gravitația, o suprapunere de localități deformează țesătura spațiu-timpului în două moduri diferite simultan, o circumstanță pe care relativitatea generală nu o poate găzdui. După cum a spus Penrose, într-un impas între mecanica cuantică și relativitatea generală, cuantica va sparge primul.
Testul Adevărului
Aceste idei au fost întotdeauna foarte speculative. Dar, spre deosebire de explicațiile mecanicii cuantice, cum ar fi interpretările de la Copenhaga și Everett, modelele de colaps fizic au virtutea de a face predicții observabile - și, astfel, de a fi testabile și falsificabile.
Dacă există într-adevăr o perturbare de fundal care provoacă colapsul cuantic - indiferent dacă vine din efecte gravitaționale sau altceva - atunci toate particulele vor interacționa continuu cu această perturbare, indiferent dacă se află într-o suprapunere sau nu. Consecințele ar trebui, în principiu, să fie detectabile. Interacțiunea ar trebui să creeze un „zig-zag permanent al particulelor în spațiu” comparabil cu mișcarea browniană, a spus Cătălina Curceanu, fizician la INFN.
Modelele actuale de colaps fizic sugerează că această mișcare difuză este doar foarte mică. Cu toate acestea, dacă particula este încărcată electric, mișcarea va genera radiații electromagnetice într-un proces numit bremsstrahlung. Un bulgăre de materie ar trebui astfel să emită continuu un flux foarte slab de fotoni, despre care versiunile tipice ale modelelor prevăd a fi în intervalul de raze X. Donadi și colegul său Angelo Bassi avea indicat că emisia unei astfel de radiații este așteptată de la orice model de colaps spontan dinamic, inclusiv modelul Diósi-Penrose.
Cu toate acestea, „deși ideea este simplă, în practică testul nu este atât de ușor”, a spus Kim. Semnalul prezis este extrem de slab, ceea ce înseamnă că un experiment trebuie să implice un număr enorm de particule încărcate pentru a obține un semnal detectabil. Iar zgomotul de fond – care provine din surse precum razele cosmice și radiațiile din mediu – trebuie menținut la un nivel scăzut. Aceste condiții pot fi îndeplinite doar de cele mai extrem de sensibile experimente, cum ar fi cele concepute pentru a detecta semnalele de materie întunecată sau particulele evazive numite neutrini.
În 1996, Qijia Fu de la Hamilton College din New York – pe atunci doar o licență – propus folosind experimente cu neutrini pe bază de germaniu pentru a detecta o semnătură CSL a emisiei de raze X. (La câteva săptămâni după ce și-a trimis lucrarea, a fost lovit de fulger într-o excursie de drumeție în Utah și ucis.) Ideea a fost ca protonii și electronii din germaniu să emită radiații spontane, pe care detectoarele ultrasensibile le-ar capta. Cu toate acestea, doar recent instrumente cu sensibilitatea necesară au intrat online.
În 2020, o echipă din Italia, inclusiv Donadi, Bassi și Curceanu, împreună cu Diósi din Ungaria, au folosit un detector de germaniu de acest fel pentru a testa modelul Diósi-Penrose. Detectoarele, create pentru un experiment cu neutrini numit IGEX, sunt protejate de radiații datorită locației lor sub Gran Sasso, un munte din lanțul Apenini din Italia.
Introducere
După ce au scăzut cu atenție semnalul de fundal rămas - în mare parte radioactivitate naturală din rocă - fizicienii nu a văzut nicio emisie la un nivel de sensibilitate care a exclus cea mai simplă formă a modelului Diósi-Penrose. Ei, de asemenea puse limite puternice asupra parametrilor în care ar putea funcționa în continuare diverse modele CSL. Modelul original GRW se află chiar în această fereastră strânsă: a supraviețuit cu o mustătă.
Într-o lucrare publicată în august, rezultatul din 2020 a fost confirmat și consolidat de un experiment numit Majorana Demonstrator, care a fost stabilit în primul rând pentru a căuta particule ipotetice numite neutrini Majorana (care au proprietatea curioasă de a fi propriile lor antiparticule). Experimentul este găzduit în Sanford Underground Research Facility, care se află la aproape 5,000 de picioare sub pământ într-o fostă mină de aur din Dakota de Sud. Are o gamă mai mare de detectoare de germaniu de înaltă puritate decât IGEX și pot detecta razele X până la energii scăzute. „Limita noastră este mult mai strictă în comparație cu munca anterioară”, a spus Kim, un membru al echipei.
Un sfârșit dezordonat
Deși modelele de colaps fizic sunt grav bolnave, nu sunt chiar moarte. „Diferitele modele fac ipoteze foarte diferite despre natura și proprietățile prăbușirii”, a spus Kim. Testele experimentale au exclus acum cele mai plauzibile posibilități pentru aceste valori, dar există încă o mică insulă de speranță.
Modelele de localizare spontană continuă sugerează că entitatea fizică care perturbă funcția de undă este un fel de „câmp de zgomot”, despre care testele actuale presupun că este zgomot alb: uniform la toate frecvențele. Aceasta este cea mai simplă presupunere. Dar este posibil ca zgomotul să fie „colorat”, de exemplu, având o întrerupere a frecvenței înalte. Curceanu a spus că testarea acestor modele mai complicate va necesita măsurarea spectrului de emisie la energii mai mari decât a fost posibil până acum.
Introducere
Experimentul Majorana Demonstrator se încheie acum, dar echipa formează o nouă colaborare cu un experiment numit Gerda, cu sediul la Gran Sasso, pentru a crea un alt experiment de sondare a masei neutrinilor. Chemat Legendă, va avea matrice de detectoare de germaniu mai masive și, prin urmare, mai sensibile. „Legend ar putea fi capabil să depășească limitele modelelor CSL și mai mult”, a spus Kim. Există, de asemenea propuneri pentru de testare aceste modele în experimente spațiale, care nu vor suferi de zgomotul produs de vibrațiile mediului.
Falsificarea este o muncă grea și rareori ajunge la un punct final ordonat. Chiar și acum, potrivit lui Curceanu, Roger Penrose — căruia i s-a acordat premiul 2020 Premiul Nobel pentru fizică pentru munca sa despre relativitatea generală — lucrează la o versiune a modelului Diósi-Penrose în care nu există deloc radiații spontane.
Cu toate acestea, unii bănuiesc că pentru această viziune a mecanicii cuantice, scrisul este pe perete. „Ceea ce trebuie să facem este să regândim ce încearcă aceste modele să obțină”, a spus Zych, „și să vedem dacă problemele motivaționale ar putea să nu aibă un răspuns mai bun printr-o abordare diferită”. Deși puțini ar susține că problema măsurării nu mai este o problemă, am învățat și multe, în anii de când au fost propuse primele modele de colaps, despre ce presupune măsurarea cuantică. „Cred că trebuie să ne întoarcem la întrebarea ce au fost create aceste modele cu zeci de ani în urmă”, a spus ea, „și să luăm în serios ceea ce am învățat între timp”.
