Predstavitev
Kako objektivna resničnost izhaja iz palete možnosti, ki jih ponuja kvantna mehanika? To vprašanje - najgloblje in najbolj sporno vprašanje, ki ga postavlja teorija - je še vedno predmet argumentov, starih stoletje. Možne razlage za to, kako opazovanja sveta dajejo dokončne, "klasične" rezultate, ki temeljijo na različnih interpretacijah tega, kaj kvantna mehanika pomeni, so se v teh sto ali več letih le množile.
Toda zdaj smo morda pripravljeni odpraviti vsaj en sklop predlogov. Nedavni poskusi so mobilizirali izjemno občutljivost inštrumentov fizike delcev, da bi preizkusili idejo, da "kolaps" kvantnih možnosti v eno samo klasično realnost ni le matematična priročnost, ampak resničen fizični proces - ideja, imenovana "fizični kolaps". Poskusi ne najdejo nobenih dokazov o učinkih, ki jih napovedujejo vsaj najpreprostejše različice teh modelov kolapsa.
Še prezgodaj je za dokončno reči, da do fizičnega kolapsa ne pride. Nekateri raziskovalci menijo, da bi modele še lahko spremenili, da bi se izognili omejitvam, ki jih nanje postavljajo ničelni rezultati poskusov. Toda medtem ko je "vedno mogoče rešiti kateri koli model," je rekel Sandro Donadi, teoretični fizik na Nacionalnem inštitutu za jedrsko fiziko (INFN) v Trstu v Italiji, ki je vodil enega od eksperimentov, dvomi, da »bo skupnost še naprej spreminjala modele [neomejeno], saj se ne bo treba preveč naučiti s tem." Zdi se, da se zanka pri tem poskusu razrešitve največje skrivnosti kvantne teorije zateguje.
Kaj povzroča kolaps?
Namen modelov fizičnega kolapsa je razrešiti osrednjo dilemo konvencionalne kvantne teorije. Leta 1926 Erwin Schrödinger trdil da je kvantni objekt opisan z matematično entiteto, imenovano valovna funkcija, ki zajema vse, kar je mogoče povedati o predmetu in njegovih lastnostih. Kot pove že ime, valovna funkcija opisuje vrsto vala - vendar ne fizičnega. Namesto tega gre za "verjetnostni val", ki nam omogoča, da napovemo različne možne rezultate meritev na predmetu in možnost opazovanja katerega koli od njih v danem poskusu.
Predstavitev
Če se na takšnih objektih opravi veliko meritev, ko so pripravljeni na enak način, valovna funkcija vedno pravilno napove statistično porazdelitev rezultatov. Vendar ni mogoče vedeti, kakšen bo rezultat posamezne meritve - kvantna mehanika ponuja le verjetnosti. Kaj določa določeno opazovanje? Leta 1932 je matematični fizik John von Neumann predlagal, da se pri meritvi valovna funkcija "zruši" v enega od možnih rezultatov. Proces je v bistvu naključen, vendar pristranski zaradi verjetnosti, ki jih kodira. Zdi se, da sama kvantna mehanika ne napoveduje kolapsa, ki ga je treba ročno dodati izračunom.
Kot ad hoc matematični trik deluje dovolj dobro. Toda nekaterim raziskovalcem se je to zdelo (in se še vedno zdi) nezadovoljiva spretnost. Einstein je to slavno primerjal z Bogom, ki igra kocke, da bi se odločil, kaj postane "resnično" - kaj dejansko opazimo v našem klasičnem svetu. Danski fizik Niels Bohr je v svoji tako imenovani københavnski interpretaciji preprosto razglasil vprašanje izven meja, rekoč, da morajo fiziki le sprejeti temeljno razliko med kvantnim in klasičnim režimom. V nasprotju s tem je leta 1957 fizik Hugh Everett trdil, da je kolaps valovne funkcije le iluzija in da so v resnici vsi rezultati realizirani v skoraj neskončnem številu razvejanih vesolj - kar fiziki zdaj imenujejo "veliko svetov«.
Resnica je, da "osnovni vzrok kolapsa valovne funkcije še ni znan," je rekel Inwook Kim, fizik v Nacionalnem laboratoriju Lawrence Livermore v Kaliforniji. "Zakaj in kako nastane?"
Leta 1986 so italijanski fiziki Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini in Tullio Weber predlagano odgovor. Kaj če, so rekli, Schrödingerjeva valovna enačba ni vsa zgodba? Predpostavili so, da kvantni sistem nenehno spodbuja nek neznan vpliv, ki ga lahko spodbudi, da spontano preskoči v eno od možnih opazovanih stanj sistema na časovni skali, ki je odvisna od tega, kako velik je sistem. Majhen izoliran sistem, kot je atom v kvantni superpoziciji (stanje, v katerem je možnih več izidov meritev), bo tak ostal zelo dolgo. Toda večji predmeti - recimo mačka ali atom, ko sodeluje z makroskopsko merilno napravo - se skoraj v trenutku zrušijo v dobro definirano klasično stanje. Ta tako imenovani model GRW (po začetnicah tria) je bil prvi model fizičnega kolapsa; kasneje izboljšanje znan kot model kontinuirane spontane lokalizacije (CSL), je vključeval postopen, neprekinjen kolaps in ne nenaden skok. Ti modeli niso toliko interpretacije kvantne mehanike kot njeni dodatki, je dejal fizik Magdalena Žič Univerze v Queenslandu v Avstraliji.
Kaj je tisto, kar povzroča to spontano lokalizacijo prek kolapsa valovne funkcije? Modela GRW in CSL ne povesta; le predlagajo, da bi Schrödingerjevi enačbi dodali matematični izraz, da bi jo opisali. Toda v 1980-ih in 90-ih sta matematični fizik Roger Penrose z Univerze v Oxfordu in Lajos Diósi z Univerze Eötvös Loránd v Budimpešti neodvisno predlagala možen vzrok za kolaps: gravitacijo. Ohlapno povedano je bila njihova zamisel, da če je kvantni objekt v superpoziciji lokacij, bo vsako položajno stanje "čutilo" druge prek njihove gravitacijske interakcije. Kot da ta privlačnost povzroči, da se predmet izmeri in povzroči kolaps. Ali če na to pogledate z vidika splošne relativnosti, ki opisuje gravitacijo, superpozicija krajev deformira tkivo prostora-časa na dva različna načina hkrati, okoliščina, ki je splošna relativnost ne more sprejeti. Kot je rekel Penrose, bo v spopadu med kvantno mehaniko in splošno relativnostjo najprej počil kvant.
Preizkus resnice
Te ideje so bile vedno zelo špekulativne. Toda v nasprotju z razlagami kvantne mehanike, kot sta københavnska in Everettova interpretacija, imajo modeli fizičnega kolapsa to vrlino, da dajejo opazne napovedi - in jih je zato mogoče preizkusiti in ponarediti.
Če res obstaja motnja v ozadju, ki izzove kvantni kolaps - ne glede na to, ali izhaja iz gravitacijskih učinkov ali česa drugega - potem bodo vsi delci nenehno v interakciji s to motnjo, ne glede na to, ali so v superpoziciji ali ne. Posledice bi morale biti načeloma zaznavne. Interakcija bi morala ustvariti "trajno cik-cak delcev v vesolju", primerljivo z Brownovim gibanjem, je dejala Catalina Curceanu, fizičarka pri INFN.
Trenutni modeli fizičnega kolapsa kažejo, da je to razpršeno gibanje le zelo rahlo. Kljub temu, če je delec električno nabit, bo gibanje ustvarilo elektromagnetno sevanje v procesu, imenovanem zavorno sevanje. Gruda snovi bi tako morala nenehno oddajati zelo šibek tok fotonov, za katere tipične različice modelov predvidevajo, da so v območju rentgenskih žarkov. Donadi in njegov kolega Angelo Bassi imajo pokazale da se emisija takšnega sevanja pričakuje od katerega koli modela dinamičnega spontanega kolapsa, vključno z modelom Diósi-Penrose.
Vendar "čeprav je ideja preprosta, v praksi preizkus ni tako enostaven," je dejal Kim. Napovedani signal je izredno šibek, kar pomeni, da mora poskus vključevati ogromno število nabitih delcev, da dobimo zaznaven signal. Hrup v ozadju – ki prihaja iz virov, kot so kozmični žarki in sevanje v okolju – mora biti nizek. Te pogoje lahko izpolnijo le najbolj izjemno občutljivi poskusi, kot so tisti, ki so namenjeni zaznavanju signalov temne snovi ali izmuzljivih delcev, imenovanih nevtrini.
Leta 1996 je Qijia Fu s Hamilton Collegea v New Yorku – takrat šele dodiplomski študent – predlagano z uporabo eksperimentov z nevtrini na osnovi germanija za odkrivanje CSL podpisa emisije rentgenskih žarkov. (Nekaj tednov po tem, ko je oddal prispevek, je bil zadela ga je strela na pohodniškem izletu v Utahu in ubit.) Zamisel je bila, da bi morali protoni in elektroni v germaniju oddajati spontano sevanje, ki bi ga zajeli ultraobčutljivi detektorji. Šele pred kratkim so na spletu prišli instrumenti z zahtevano občutljivostjo.
Leta 2020 je ekipa v Italiji, vključno z Donadijem, Bassijem in Curceanujem, skupaj z Diósijem na Madžarskem, uporabila tovrstni detektor germanija za testiranje modela Diósi-Penrose. Detektorji, ustvarjeni za poskus z nevtrini, imenovan IGEX, so zaščiteni pred sevanjem zaradi svoje lokacije pod Gran Sassom, goro v Apeninskem območju Italije.
Predstavitev
Po skrbnem odštevanju preostalega signala v ozadju - večinoma naravne radioaktivnosti iz kamnine - so fiziki ni videl emisij na ravni občutljivosti, ki je izključila najpreprostejšo obliko modela Diósi-Penrose. Oni tudi postavili močne meje o parametrih, znotraj katerih bi lahko različni modeli CSL še delovali. Prvotni model GRW leži ravno v tem tesnem oknu: preživel je z brki.
V članek, objavljen avgusta letos, je bil rezultat iz leta 2020 potrjen in okrepljen z eksperimentom, imenovanim Majorana Demonstrator, ki je bil vzpostavljen predvsem za iskanje hipotetičnih delcev, imenovanih Majorana nevtrini (ki imajo nenavadno lastnost, da so sami sebi antidelci). Poskus je nameščen v Sanford Underground Research Facility, ki leži skoraj 5,000 metrov pod zemljo v nekdanjem rudniku zlata v Južni Dakoti. Ima večjo paleto detektorjev germanija visoke čistosti kot IGEX in lahko zaznajo rentgenske žarke do nizkih energij. "Naša omejitev je veliko strožja v primerjavi s prejšnjim delom," je dejal Kim, član ekipe.
Neurejen konec
Čeprav so modeli fizičnega kolapsa hudo bolni, niso povsem mrtvi. "Različni modeli dajejo zelo različne predpostavke o naravi in lastnostih sesutja," je dejal Kim. Eksperimentalni testi so zdaj izključili najbolj verjetne možnosti za te vrednosti, vendar še vedno obstaja majhen otok upanja.
Neprekinjeni spontani lokalizacijski modeli predlagajo, da je fizična entiteta, ki moti valovno funkcijo, nekakšno "polje hrupa", za katerega trenutni testi domnevajo, da je beli šum: enakomeren na vseh frekvencah. To je najpreprostejša predpostavka. Vendar je možno, da je hrup »obarvan«, na primer z visokofrekvenčnim izrezom. Curceanu je dejal, da bo testiranje teh bolj zapletenih modelov zahtevalo merjenje emisijskega spektra pri višjih energijah, kot je bilo doslej mogoče.
Predstavitev
Eksperiment Majorana Demonstrator se zdaj zaključuje, vendar ekipa oblikuje novo sodelovanje z eksperimentom, imenovanim Gerda, s sedežem v Gran Sassu, da bi ustvarili še en eksperiment, ki preiskuje maso nevtrinov. Poklican Legenda, bo imel masivnejše in s tem bolj občutljive detektorske nize germanija. "Legend bo morda lahko še bolj premaknil omejitve pri modelih CSL," je dejal Kim. Tukaj so tudi predlogi za Testiranje te modele v vesoljskih poskusih, ki ne bodo trpeli zaradi hrupa, ki ga povzročajo okoljske vibracije.
Ponarejanje je težko delo in le redko doseže urejeno končno točko. Tudi zdaj, po besedah Curceanuja, Roger Penrose - ki je prejel nagrado 2020 Nobelova nagrada za fiziko za svoje delo o splošni teoriji relativnosti — dela na različici modela Diósi-Penrose, v kateri sploh ni spontanega sevanja.
Kljub temu nekateri sumijo, da je ta pogled na kvantno mehaniko napisan na steni. "Kar moramo storiti, je, da ponovno premislimo, kaj ti modeli poskušajo doseči," je dejal Zych, "in preveriti, ali motivacijski problemi morda nimajo boljšega odgovora z drugačnim pristopom." Medtem ko bi le malokdo trdil, da problem merjenja ni več problem, smo se v letih, odkar so bili predlagani prvi modeli kolapsa, tudi veliko naučili o tem, kaj vključuje kvantno merjenje. "Mislim, da se moramo vrniti k vprašanju, čemu so bili ti modeli ustvarjeni pred desetletji," je dejala, "in resno vzeti tisto, kar smo se medtem naučili."
