Beskrivning
Hur kommer objektiv verklighet fram ur paletten av möjligheter som tillhandahålls av kvantmekaniken? Den frågan - den djupaste och mest irriterande frågan som teorin ställer - är fortfarande föremål för argument som är hundra gammal. Möjliga förklaringar till hur observationer av världen ger bestämda, "klassiska" resultat, som bygger på olika tolkningar av vad kvantmekanik betyder, har bara multiplicerats under dessa hundra eller så år.
Men nu kan vi vara redo att eliminera åtminstone en uppsättning förslag. Nyligen genomförda experiment har mobiliserat den extrema känsligheten hos partikelfysikinstrument för att testa idén att "kollapsen" av kvantmöjligheter till en enda klassisk verklighet inte bara är en matematisk bekvämlighet utan en verklig fysisk process - en idé som kallas "fysisk kollaps." Experimenten hittar inga bevis för de effekter som förutspåtts av åtminstone de enklaste varianterna av dessa kollapsmodeller.
Det är fortfarande för tidigt att definitivt säga att fysisk kollaps inte inträffar. Vissa forskare tror att modellerna ännu kan modifieras för att undkomma de begränsningar som experimentens nollresultat ställer på dem. Men medan "det alltid är möjligt att rädda vilken modell som helst", sa Sandro Donadi, en teoretisk fysiker vid National Institute for Nuclear Physics (INFN) i Trieste, Italien, som ledde ett av experimenten, tvivlar han på att "gemenskapen kommer att fortsätta att modifiera modellerna [obestämd tid], eftersom det inte kommer att finnas för mycket att lära sig genom att göra det." Snaran verkar dra åt i detta försök att lösa kvantteorins största mysterium.
Vad orsakar kollaps?
Fysiska kollapsmodeller syftar till att lösa ett centralt dilemma inom konventionell kvantteori. 1926 Erwin Schrödinger hävdade att ett kvantobjekt beskrivs av en matematisk entitet som kallas en vågfunktion, som kapslar in allt som kan sägas om objektet och dess egenskaper. Som namnet antyder beskriver en vågfunktion en typ av våg – men inte en fysisk. Det är snarare en "sannolikhetsvåg", som gör att vi kan förutsäga de olika möjliga resultaten av mätningar gjorda på objektet, och chansen att observera någon av dem i ett givet experiment.
Beskrivning
Om många mätningar görs på sådana objekt när de är förberedda på ett identiskt sätt, förutsäger vågfunktionen alltid den statistiska fördelningen av utfall korrekt. Men det finns inget sätt att veta vad resultatet av en enskild mätning kommer att bli - kvantmekaniken erbjuder bara sannolikheter. Vad avgör en specifik observation? År 1932 föreslog den matematiske fysikern John von Neumann att, när en mätning görs, "kollapsar" vågfunktionen till ett av de möjliga resultaten. Processen är i huvudsak slumpmässig men partisk av sannolikheterna den kodar för. Kvantmekaniken i sig verkar inte förutsäga kollapsen, som måste läggas till manuellt i beräkningarna.
Som ett ad hoc matematiskt knep fungerar det tillräckligt bra. Men det verkade (och fortsätter att tyckas) för vissa forskare vara ett otillfredsställande trick. Einstein liknade det berömt vid att Gud spelar tärningar för att bestämma vad som blir "riktigt" - vad vi faktiskt observerar i vår klassiska värld. Den danske fysikern Niels Bohr, i sin så kallade Köpenhamnstolkning, uttalade helt enkelt frågan utanför gränserna och sa att fysiker bara måste acceptera en grundläggande distinktion mellan kvantregimer och klassiska regimer. Däremot hävdade fysikern Hugh Everett 1957 att vågfunktionskollaps bara är en illusion och att i själva verket alla resultat realiseras i ett nästan oändligt antal förgrenade universum - vad fysiker nu kallar "många världar. "
Sanningen är att "den grundläggande orsaken till vågfunktionens kollaps är ännu okänd," sa Inwook Kim, en fysiker vid Lawrence Livermore National Laboratory i Kalifornien. "Varför och hur uppstår det?"
1986, de italienska fysikerna Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini och Tullio Weber föreslog ett svar. Tänk om, sa de, Schrödingers vågekvation inte var hela historien? De hävdade att ett kvantsystem ständigt drivs av någon okänd påverkan som kan få det att spontant hoppa in i ett av systemets möjliga observerbara tillstånd, på en tidsskala som beror på hur stort systemet är. Ett litet, isolerat system, som en atom i en kvantsuperposition (ett tillstånd där flera mätresultat är möjliga), kommer att förbli så under mycket lång tid. Men större föremål - en katt, säg, eller en atom när den interagerar med en makroskopisk mätanordning - kollapsar till ett väldefinierat klassiskt tillstånd nästan omedelbart. Denna så kallade GRW-modell (efter trions initialer) var den första fysiska kollapsmodellen; ett senare förfining känd som den kontinuerliga spontana lokaliseringsmodellen (CSL) involverade gradvis, kontinuerlig kollaps snarare än ett plötsligt hopp. Dessa modeller är inte så mycket tolkningar av kvantmekanik som tillägg till den, sa fysikern Magdalena Zych vid University of Queensland i Australien.
Vad är det som orsakar denna spontana lokalisering via vågfunktionskollaps? GRW- och CSL-modellerna säger inte; de föreslår bara att man lägger till en matematisk term till Schrödinger-ekvationen för att beskriva den. Men på 1980- och 90-talen föreslog de matematiska fysikerna Roger Penrose från University of Oxford och Lajos Diósi vid Eötvös Loránd University i Budapest oberoende en möjlig orsak till kollapsen: gravitationen. Löst sett var deras idé att om ett kvantobjekt är i en superposition av platser, kommer varje positionstillstånd att "känna" de andra via deras gravitationsinteraktion. Det är som om denna attraktion får objektet att mäta sig själv, vilket tvingar fram en kollaps. Eller om man ser det ur den allmänna relativitetsteoriens perspektiv, som beskriver gravitationen, så deformerar en överlagring av lokaliteter rymdtidens struktur på två olika sätt samtidigt, en omständighet som den allmänna relativitetsteorien inte kan ta emot. Som Penrose har uttryckt det, i ett avstånd mellan kvantmekanik och allmän relativitet, kommer kvantum att spricka först.
Sanningens test
Dessa idéer har alltid varit mycket spekulativa. Men i motsats till förklaringar av kvantmekanik som Köpenhamns- och Everett-tolkningarna, har fysiska kollapsmodeller fördelen att göra observerbara förutsägelser - och därmed vara testbara och falsifierbara.
Om det verkligen finns en bakgrundsstörning som provocerar kvantkollaps - oavsett om det kommer från gravitationseffekter eller något annat - så kommer alla partiklar att kontinuerligt interagera med denna störning, oavsett om de är i en superposition eller inte. Konsekvenserna bör i princip kunna upptäckas. Interaktionen borde skapa en "permanent sicksackning av partiklar i rymden" jämförbar med Brownsk rörelse, sa Catalina Curceanu, fysiker vid INFN.
Nuvarande fysiska kollapsmodeller tyder på att denna diffusiva rörelse endast är mycket liten. Icke desto mindre, om partikeln är elektriskt laddad, kommer rörelsen att generera elektromagnetisk strålning i en process som kallas bremsstrahlung. En klump av materia bör alltså kontinuerligt avge en mycket svag ström av fotoner, som typiska versioner av modellerna förutspår ligga i röntgenområdet. Donadi och hans kollega Angelo Bassi ha visas att emission av sådan strålning förväntas från alla modeller av dynamisk spontan kollaps, inklusive Diósi-Penrose-modellen.
Ändå "även om idén är enkel, är testet i praktiken inte så lätt," sa Kim. Den förutsagda signalen är extremt svag, vilket innebär att ett experiment måste involvera ett enormt antal laddade partiklar för att få en detekterbar signal. Och bakgrundsljudet – som kommer från källor som kosmisk strålning och strålning i omgivningen – måste hållas lågt. Dessa villkor kan bara uppfyllas av de mest extremt känsliga experimenten, som de som utformats för att upptäcka mörk materiasignaler eller de svårfångade partiklarna som kallas neutriner.
1996, Qijia Fu från Hamilton College i New York - då bara en grundutbildning - föreslagen med germaniumbaserade neutrinoexperiment för att detektera en CSL-signatur för röntgenstrålning. (Veckor efter att han skickade in sitt papper var han det träffad av blixten på en vandringstur i Utah och dödades.) Tanken var att protonerna och elektronerna i germanium skulle avge den spontana strålningen, som ultrakänsliga detektorer skulle fånga upp. Men bara nyligen har instrument med den erforderliga känsligheten kommit online.
2020 använde ett team i Italien, inklusive Donadi, Bassi och Curceanu, tillsammans med Diósi i Ungern, en germaniumdetektor av detta slag för att testa Diósi-Penrose-modellen. Detektorerna, skapade för ett neutrinoexperiment som heter IGEX, är skyddade från strålning på grund av sin placering under Gran Sasso, ett berg i Apenninerna i Italien.
Beskrivning
Efter att försiktigt subtrahera den återstående bakgrundssignalen - mestadels naturlig radioaktivitet från berget - fysikerna såg inget utsläpp på en känslighetsnivå som uteslöt den enklaste formen av Diósi-Penrose-modellen. De också satte starka gränser på parametrarna inom vilka olika CSL-modeller fortfarande kan fungera. Den ursprungliga GRW-modellen ligger precis inom detta snäva fönster: Den överlevde av ett morrhår.
I en tidning som publicerades i augusti2020 bekräftades och stärktes resultatet av ett experiment kallat Majorana Demonstrator, som etablerades främst för att söka efter hypotetiska partiklar som kallas Majorana neutrinos (som har den märkliga egenskapen att vara sina egna antipartiklar). Experimentet är inrymt i Sanford Underground Research Facility, som ligger nästan 5,000 XNUMX fot under jorden i en före detta guldgruva i South Dakota. Den har ett större utbud av germaniumdetektorer med hög renhet än IGEX, och de kan upptäcka röntgenstrålar ner till låga energier. "Vår gräns är mycket strängare jämfört med tidigare arbete", säger Kim, en medlem av teamet.
Ett rörigt slut
Även om modeller med fysisk kollaps är mycket sjuka, är de inte riktigt döda. "De olika modellerna gör väldigt olika antaganden om kollapsens natur och egenskaper", sa Kim. Experimentella tester har nu uteslutit mest troliga möjligheter för dessa värden, men det finns fortfarande en liten ö av hopp.
Kontinuerliga spontana lokaliseringsmodeller föreslår att den fysiska enheten som stör vågfunktionen är något slags "brusfält", som de nuvarande testerna antar är vitt brus: enhetligt vid alla frekvenser. Det är det enklaste antagandet. Men det är möjligt att bruset kan vara "färgat", till exempel genom att ha någon högfrekvent cutoff. Curceanu sa att testning av dessa mer komplicerade modeller kommer att kräva att man mäter utsläppsspektrumet vid högre energier än vad som hittills varit möjligt.
Beskrivning
Majorana Demonstrator-experimentet håller nu på att avvecklas, men teamet bildar ett nytt samarbete med ett experiment som heter Gerda, baserat på Gran Sasso, för att skapa ytterligare ett experiment som undersöker neutrinomassa. Kallad Förklaring, kommer den att ha mer massiva och därmed känsligare germaniumdetektorer. "Legend kanske kan tänja på gränserna för CSL-modeller ytterligare," sa Kim. Det finns också förslag för testning dessa modeller i rymdbaserade experiment, som inte kommer att drabbas av buller som produceras av miljövibrationer.
Förfalskning är hårt arbete och når sällan en snygg slutpunkt. Även nu, enligt Curceanu, Roger Penrose - som tilldelades 2020 Nobelpris i fysik för sitt arbete med allmän relativitetsteori — arbetar på en version av Diósi-Penrose-modellen där det inte finns någon spontan strålning alls.
Ändå misstänker vissa att för denna syn på kvantmekanik finns skriften på väggen. "Vad vi behöver göra är att tänka om vad dessa modeller försöker uppnå," sade Zych, "och se om de motiverande problemen kanske inte har ett bättre svar genom ett annat tillvägagångssätt." Även om få skulle hävda att mätproblemet inte längre är ett problem, har vi också lärt oss mycket, under åren sedan de första kollapsmodellerna föreslogs, om vad kvantmätning innebär. "Jag tror att vi måste gå tillbaka till frågan om vad dessa modeller skapades för decennier sedan," sa hon, "och ta på allvar vad vi har lärt oss under tiden."
