Эксперименты влекут за собой гибель для объяснения квантовой странности десятилетней давности

Как возникает объективная реальность из палитры возможностей, предоставляемых квантовой механикой? Этот вопрос — самый глубокий и самый болезненный вопрос, поставленный теорией, — до сих пор является предметом споров столетней давности. Возможные объяснения того, как наблюдения за миром приводят к определенным, «классическим» результатам, основанные на различных интерпретациях того, что означает квантовая механика, лишь умножились за эти сто или около того лет.

Но теперь мы можем быть готовы исключить хотя бы один набор предложений. Недавние эксперименты мобилизовали исключительную чувствительность инструментов физики элементарных частиц, чтобы проверить идею о том, что «коллапс» квантовых возможностей в единую классическую реальность — это не просто математическое удобство, а реальный физический процесс — идея, называемая «физический коллапс». Эксперименты не находят доказательств эффектов, предсказываемых хотя бы простейшими разновидностями этих моделей коллапса.

Еще слишком рано однозначно говорить о том, что физического коллапса не происходит. Некоторые исследователи считают, что модели еще можно изменить, чтобы избежать ограничений, наложенных на них нулевыми результатами экспериментов. Но при этом «всегда можно спасти любую модель», сказал Сандро Донади, физик-теоретик из Национального института ядерной физики (INFN) в Триесте, Италия, который руководил одним из экспериментов, сомневается, что «сообщество будет продолжать модифицировать модели [бесконечно], так как не будет слишком многого для изучения». сделав это». Петля, кажется, затягивается в этой попытке разрешить самую большую загадку квантовой теории.

Что вызывает коллапс?

Модели физического коллапса нацелены на решение центральной дилеммы традиционной квантовой теории. В 1926 году Эрвин Шредингер утверждал что квантовый объект описывается математической сущностью, называемой волновой функцией, которая заключает в себе все, что можно сказать об объекте и его свойствах. Как следует из названия, волновая функция описывает своего рода волну, но не физическую. Скорее, это «волна вероятности», которая позволяет нам предсказать различные возможные результаты измерений, выполненных на объекте, и вероятность наблюдения любого из них в данном эксперименте.

Если провести много измерений на таких объектах, когда они подготовлены одинаковым образом, волновая функция всегда правильно предсказывает статистическое распределение результатов. Но невозможно узнать, каким будет результат любого отдельного измерения — квантовая механика предлагает только вероятности. Что определяет конкретное наблюдение? В 1932 году физик-математик Джон фон Нейман предположил, что при проведении измерения волновая функция «схлопывается» до одного из возможных результатов. Процесс, по существу, случайный, но смещенный вероятностями, которые он кодирует. Сама квантовая механика, по-видимому, не предсказывает коллапс, который приходится добавлять в расчеты вручную.

Как специальный математический трюк, он работает достаточно хорошо. Но это казалось (и продолжает казаться) некоторым исследователям неудовлетворительной ловкостью рук. Эйнштейн сравнил это с тем, что Бог играет в кости, чтобы решить, что станет «реальным» — то, что мы на самом деле наблюдаем в нашем классическом мире. Датский физик Нильс Бор в своей так называемой копенгагенской интерпретации просто объявил этот вопрос чрезмерным, заявив, что физики просто должны принять фундаментальное различие между квантовым и классическим режимами. Напротив, в 1957 году физик Хью Эверетт утверждал, что коллапс волновой функции — это всего лишь иллюзия и что на самом деле все результаты реализуются в почти бесконечном числе ветвящихся вселенных — то, что физики сейчас называют «много миров".

Правда в том, что «фундаментальная причина коллапса волновой функции пока неизвестна». Инвук Ким, физик из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии. «Почему и как это происходит?»

В 1986 году итальянские физики Джанкарло Гирарди, Альберто Римини и Туллио Вебер предложенный Ответ. Что, если, говорили они, волновое уравнение Шредингера — это еще не все? Они утверждали, что на квантовую систему постоянно воздействует какое-то неизвестное влияние, которое может заставить ее спонтанно перейти в одно из возможных наблюдаемых состояний системы во временной шкале, которая зависит от того, насколько велика система. Небольшая изолированная система, такая как атом в квантовой суперпозиции (состояние, в котором возможны несколько результатов измерения), останется такой еще очень долгое время. Но более крупные объекты — скажем, кошка или атом, когда он взаимодействует с макроскопическим измерительным устройством, — почти мгновенно коллапсируют в четко определенное классическое состояние. Эта так называемая модель GRW (по инициалам трио) была первой моделью физического коллапса; позже утонченность известная как модель непрерывной спонтанной локализации (CSL), предполагала постепенный, непрерывный коллапс, а не внезапный скачок. Эти модели являются не столько интерпретациями квантовой механики, сколько дополнениями к ней, считает физик Магдалена Зыч Университета Квинсленда в Австралии.

Что вызывает эту спонтанную локализацию через коллапс волновой функции? Модели GRW и CSL не говорят; они просто предлагают добавить математический термин к уравнению Шредингера, чтобы описать его. Но в 1980-х и 90-х годах математические физики Роджер Пенроуз из Оксфордского университета и Лайош Диоси из Университета Этвеша Лоранда в Будапеште независимо друг от друга предложили возможную причину коллапса: гравитацию. Грубо говоря, их идея заключалась в том, что если квантовый объект находится в суперпозиции местоположений, каждое состояние положения будет «чувствовать» другие посредством их гравитационного взаимодействия. Как будто это притяжение заставляет объект измерять себя, вызывая коллапс. Или, если вы посмотрите на это с точки зрения общей теории относительности, описывающей гравитацию, суперпозиция местностей деформирует ткань пространства-времени сразу двумя разными способами — обстоятельство, которое общая теория относительности не может учесть. Как выразился Пенроуз, в противостоянии между квантовой механикой и общей теорией относительности квантовая механика даст трещину первой.

Испытание истины

Эти идеи всегда были весьма спекулятивными. Но, в отличие от объяснений квантовой механики, таких как интерпретации Копенгагена и Эверетта, модели физического коллапса обладают достоинством делать наблюдаемые предсказания — и, следовательно, их можно проверить и опровергнуть.

Если действительно существует фоновое возмущение, провоцирующее квантовый коллапс — будь то гравитационное воздействие или что-то еще, — то все частицы будут постоянно взаимодействовать с этим возмущением, независимо от того, находятся они в суперпозиции или нет. Последствия в принципе должны быть обнаружены. Взаимодействие должно создать «постоянное зигзагообразное движение частиц в пространстве», сравнимое с броуновским движением, сказала Каталина Курчану, физик из INFN.

Текущие модели физического коллапса предполагают, что это диффузионное движение очень слабое. Тем не менее, если частица электрически заряжена, движение будет генерировать электромагнитное излучение в процессе, называемом тормозным излучением. Таким образом, кусок материи должен непрерывно излучать очень слабый поток фотонов, который согласно типичным версиям моделей находится в рентгеновском диапазоне. Донади и его коллега Анджело Басси иметь показанный что испускание такого излучения ожидается от любой модели динамического спонтанного коллапса, включая модель Диоси-Пенроуза.

Тем не менее, «хотя идея проста, на практике тест не так прост», — сказал Ким. Предсказанный сигнал чрезвычайно слаб, а это означает, что в эксперименте должно быть задействовано огромное количество заряженных частиц, чтобы получить обнаруживаемый сигнал. И фоновый шум, который исходит от таких источников, как космические лучи и радиация в окружающей среде, должен быть низким. Эти условия могут быть удовлетворены только самыми чрезвычайно чувствительными экспериментами, такими как те, которые предназначены для обнаружения сигналов темной материи или неуловимых частиц, называемых нейтрино.

В 1996 году Цицзя Фу из Гамильтонского колледжа в Нью-Йорке — тогда еще только студентка — предложило использование экспериментов с нейтрино на основе германия для обнаружения сигнатуры CSL рентгеновского излучения. (Через несколько недель после того, как он представил свою статью, он был поражен молнией в походе в Юте и погиб.) Идея заключалась в том, что протоны и электроны в германии должны излучать спонтанное излучение, которое улавливают сверхчувствительные детекторы. Однако только недавно появились приборы с необходимой чувствительностью.

В 2020 году группа из Италии, в которую входили Донади, Басси и Курчану, а также Диоси из Венгрии, использовали германиевый детектор такого типа для проверки модели Диоси-Пенроуза. Детекторы, созданные для нейтринного эксперимента под названием IGEX, защищены от радиации благодаря своему расположению под Гран-Сассо, горой в Апеннинах в Италии.

После тщательного вычитания оставшегося фонового сигнала — в основном естественной радиоактивности породы — физики не видел выброса на уровне чувствительности, исключающем простейшую форму модели Диоси-Пенроуза. Они тоже поставил сильные границы о параметрах, в пределах которых могут работать различные модели CSL. Первоначальная модель GRW находится как раз в этом узком окне: она выжила с трудом.

В статья опубликована в августе этого года, результат 2020 года был подтвержден и усилен экспериментом под названием Majorana Demonstrator, который был создан в первую очередь для поиска гипотетических частиц, называемых майорановскими нейтрино (которые обладают любопытным свойством быть своими собственными античастицами). Эксперимент проводится в Сэнфордском подземном исследовательском центре, который находится почти на 5,000 футов под землей в бывшем золотом руднике в Южной Дакоте. Он имеет больший набор детекторов из германия высокой чистоты, чем IGEX, и они могут обнаруживать рентгеновские лучи вплоть до низких энергий. «Наш лимит гораздо более строгий по сравнению с предыдущей работой», — сказал Ким, член команды.

Грязный конец

Хотя модели физического коллапса сильно больны, они не совсем мертвы. «Различные модели делают очень разные предположения о природе и свойствах коллапса», — сказал Ким. Экспериментальные тесты теперь исключили наиболее вероятные возможности для этих значений, но небольшой островок надежды все еще есть.

Модели непрерывной спонтанной локализации предполагают, что физический объект, возмущающий волновую функцию, представляет собой своего рода «шумовое поле», которое, как предполагается в текущих тестах, представляет собой белый шум: однородный на всех частотах. Это самое простое предположение. Но возможно, что шум может быть «окрашен», например, из-за некоторого среза высоких частот. Курчану сказал, что тестирование этих более сложных моделей потребует измерения спектра излучения при более высоких энергиях, чем это было возможно до сих пор.

Эксперимент Majorana Demonstrator в настоящее время завершается, но команда формирует новое сотрудничество с экспериментом под названием Герда, базирующийся в Гран-Сассо, для проведения еще одного эксперимента по исследованию массы нейтрино. Называется Легенда, он будет иметь более массивные и, следовательно, более чувствительные решетки германиевых детекторов. «Legend может еще больше расширить границы моделей CSL», — сказал Ким. Это также предложения для Тестирование эти модели в космических экспериментах, которые не будут страдать от шума, создаваемого вибрациями окружающей среды.

Фальсификация — это тяжелая работа, и она редко достигает четкой конечной точки. Даже сейчас, по словам Курчану, Роджер Пенроуз, удостоенный 2020 Нобелевская премия по физике за его работу по общей теории относительности — работает над версией модели Диоси-Пенроуза, в которой вообще нет спонтанного излучения.

Тем не менее, некоторые подозревают, что для этого взгляда на квантовую механику ничего не стоит. «Что нам нужно сделать, так это переосмыслить, чего эти модели пытаются достичь, — сказал Зык, — и посмотреть, нет ли лучшего решения мотивационных проблем с помощью другого подхода». Хотя мало кто станет утверждать, что проблема измерения больше не является проблемой, за годы, прошедшие с тех пор, как были предложены первые модели коллапса, мы также многое узнали о том, что влечет за собой квантовое измерение. «Я думаю, нам нужно вернуться к вопросу о том, какие модели были созданы десятилетия назад, — сказала она, — и серьезно отнестись к тому, что мы узнали за это время».