บทนำ
ความเป็นจริงเชิงวัตถุเกิดขึ้นได้อย่างไรจากจานสีของความเป็นไปได้ที่กลศาสตร์ควอนตัมจัดหามา? คำถามนั้น — ประเด็นที่ลึกที่สุดและน่ารำคาญที่สุดของทฤษฎีนี้ — ยังคงเป็นหัวข้อของการโต้แย้งที่มีอายุหนึ่งศตวรรษ คำอธิบายที่เป็นไปได้สำหรับการสังเกตของโลกให้ผลลัพธ์ที่ชัดเจน "คลาสสิก" โดยใช้การตีความที่แตกต่างกันของความหมายของกลศาสตร์ควอนตัม ได้ทวีคูณขึ้นในช่วงหลายร้อยปีที่ผ่านมาเท่านั้น
แต่ตอนนี้เราอาจพร้อมที่จะกำจัดข้อเสนออย่างน้อยหนึ่งชุด การทดลองล่าสุดได้ระดมความไวสูงสุดของเครื่องมือฟิสิกส์อนุภาคเพื่อทดสอบแนวคิดที่ว่า "การยุบ" ของความเป็นไปได้ของควอนตัมให้กลายเป็นความจริงแบบคลาสสิกเดียวไม่ใช่แค่ความสะดวกทางคณิตศาสตร์ แต่เป็นกระบวนการทางกายภาพที่แท้จริง ซึ่งเป็นแนวคิดที่เรียกว่า "การยุบตัวทางกายภาพ" การทดลองไม่พบหลักฐานของผลกระทบที่คาดการณ์โดยแบบจำลองการยุบตัวที่ง่ายที่สุด
ยังเร็วเกินไปที่จะบอกว่าจะไม่เกิดการยุบตัวทางกายภาพ นักวิจัยบางคนเชื่อว่าแบบจำลองเหล่านี้ยังสามารถปรับเปลี่ยนเพื่อหลีกเลี่ยงข้อจำกัดที่เกิดจากผลลัพธ์ที่เป็นโมฆะของการทดลอง แต่ในขณะที่ "มันเป็นไปได้ที่จะช่วยเหลือโมเดลใดๆ" . กล่าว ซานโดร โดนาดินักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีที่สถาบัน National Institute for Nuclear Physics (INFN) ในเมือง Trieste ประเทศอิตาลี ซึ่งเป็นผู้นำการทดลองครั้งนี้ เขาสงสัยว่า “ชุมชนจะปรับเปลี่ยนแบบจำลองไปเรื่อย ๆ [ไม่มีกำหนด] เนื่องจากจะไม่มีอะไรให้เรียนรู้มากนัก โดยการทำเช่นนั้น” ดูเหมือนว่าบ่วงจะกระชับกับความพยายามนี้ในการแก้ปัญหาความลึกลับที่ใหญ่ที่สุดของทฤษฎีควอนตัม
สาเหตุการล่มสลายคืออะไร?
แบบจำลองการยุบตัวทางกายภาพมีจุดมุ่งหมายเพื่อแก้ไขภาวะที่กลืนไม่เข้าคายไม่ออกของทฤษฎีควอนตัมแบบเดิม ในปี 1926 เออร์วิน ชโรดิงเงอร์ ถูกกล่าวหา วัตถุควอนตัมอธิบายโดยเอนทิตีทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่าฟังก์ชันคลื่น ซึ่งสรุปทุกอย่างที่สามารถพูดเกี่ยวกับวัตถุและคุณสมบัติของวัตถุได้ ตามชื่อที่สื่อถึง ฟังก์ชัน wave อธิบายชนิดของคลื่น แต่ไม่ใช่คลื่นทางกายภาพ แต่เป็น "คลื่นความน่าจะเป็น" ซึ่งช่วยให้เราสามารถคาดการณ์ผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ต่างๆ ของการวัดที่ทำกับวัตถุ และโอกาสในการสังเกตหนึ่งในนั้นในการทดลองที่กำหนด
บทนำ
หากมีการวัดจำนวนมากบนวัตถุดังกล่าวเมื่อเตรียมในลักษณะที่เหมือนกัน ฟังก์ชันคลื่นจะทำนายการกระจายผลลัพธ์ทางสถิติอย่างถูกต้องเสมอ แต่ไม่มีทางรู้ได้เลยว่าผลลัพธ์ของการวัดเดี่ยวจะเป็นอย่างไร — กลศาสตร์ควอนตัมเสนอความน่าจะเป็นเท่านั้น อะไรกำหนดข้อสังเกตเฉพาะ? ในปี 1932 นักฟิสิกส์คณิตศาสตร์ จอห์น ฟอน นอยมันน์ เสนอว่า เมื่อทำการวัด ฟังก์ชันคลื่นจะ "ยุบ" ให้เป็นหนึ่งในผลลัพธ์ที่เป็นไปได้ กระบวนการนี้สุ่มโดยพื้นฐานแล้ว แต่เอนเอียงตามความน่าจะเป็นที่เข้ารหัส กลศาสตร์ควอนตัมเองดูเหมือนจะไม่ทำนายการยุบ ซึ่งต้องเพิ่มด้วยตนเองในการคำนวณ
ในฐานะที่เป็นกลอุบายทางคณิตศาสตร์เฉพาะกิจก็ใช้ได้ดีพอ แต่ดูเหมือนว่า (และยังคงดูเหมือน) สำหรับนักวิจัยบางคนจะไม่สามารถใช้มือที่ไม่น่าพอใจได้ ไอน์สไตน์เปรียบเสมือนกับพระเจ้าที่กำลังเล่นลูกเต๋าเพื่อตัดสินว่าอะไรกลายเป็น "ของจริง" - สิ่งที่เราสังเกตเห็นในโลกคลาสสิกของเราจริงๆ นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์ก Niels Bohr ในการตีความที่เรียกกันว่าโคเปนเฮเกนของเขา พูดง่ายๆ ว่าประเด็นนี้อยู่นอกขอบเขต โดยกล่าวว่านักฟิสิกส์ต้องยอมรับความแตกต่างพื้นฐานระหว่างระบอบควอนตัมและระบอบคลาสสิก ในทางตรงกันข้าม ในปี 1957 นักฟิสิกส์ Hugh Everett ยืนยันว่าการล่มสลายของฟังก์ชันคลื่นเป็นเพียงภาพลวงตา และในความเป็นจริง ผลลัพธ์ทั้งหมดรับรู้ได้ในจักรวาลที่แตกแขนงจำนวนนับไม่ถ้วน ซึ่งปัจจุบันนักฟิสิกส์เรียกว่า "หลายโลก".
ความจริงก็คือ "สาเหตุพื้นฐานของการล่มสลายของฟังก์ชันคลื่นยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด" . กล่าว อินวุค คิมนักฟิสิกส์จากห้องปฏิบัติการแห่งชาติ Lawrence Livermore ในแคลิฟอร์เนีย “ทำไม และมันเกิดขึ้นได้อย่างไร”
ในปี 1986 นักฟิสิกส์ชาวอิตาลี Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini และ Tullio Weber ข้อเสนอแนะ คำตอบ. เกิดอะไรขึ้นถ้าพวกเขากล่าวว่าสมการคลื่นของชโรดิงเงอร์ไม่ใช่เรื่องราวทั้งหมด พวกเขาตั้งข้อสังเกตว่าระบบควอนตัมถูกกระตุ้นอย่างต่อเนื่องโดยอิทธิพลที่ไม่รู้จักซึ่งสามารถกระตุ้นให้กระโดดเข้าสู่สถานะที่สามารถสังเกตได้ของระบบอย่างเป็นธรรมชาติในช่วงเวลาที่ขึ้นอยู่กับขนาดของระบบ ระบบขนาดเล็กที่แยกออกมา เช่น อะตอมในการวางซ้อนของควอนตัม (สถานะที่สามารถวัดผลได้หลายอย่าง) จะอยู่ในลักษณะนั้นเป็นเวลานานมาก แต่วัตถุที่ใหญ่กว่า เช่น แมว พูด หรืออะตอม เมื่อโต้ตอบกับอุปกรณ์วัดขนาดมหภาค จะยุบตัวเป็นสถานะคลาสสิกที่กำหนดไว้อย่างดีแทบจะในทันที แบบจำลอง GRW นี้เรียกว่า (หลังจากชื่อย่อของทั้งสามคน) เป็นแบบจำลองการยุบตัวทางกายภาพครั้งแรก ภายหลัง ความประณีต ที่เรียกว่าโมเดลการโลคัลไลเซชันที่เกิดขึ้นเองอย่างต่อเนื่อง (CSL) อย่างต่อเนื่องเกี่ยวข้องกับการล่มสลายแบบค่อยเป็นค่อยไปอย่างต่อเนื่องมากกว่าการกระโดดอย่างกะทันหัน นักฟิสิกส์กล่าวว่าแบบจำลองเหล่านี้ไม่ได้ตีความกลศาสตร์ควอนตัมมากนัก มักดาเลนา ซิช ของมหาวิทยาลัยควีนส์แลนด์ ประเทศออสเตรเลีย
อะไรเป็นสาเหตุของการโลคัลไลเซชันโดยธรรมชาติผ่านการล่มสลายของฟังก์ชันคลื่น โมเดล GRW และ CSL ไม่ได้กล่าวไว้ พวกเขาแค่แนะนำให้เพิ่มคำศัพท์ทางคณิตศาสตร์ในสมการชโรดิงเงอร์เพื่ออธิบาย แต่ในช่วงทศวรรษ 1980 และ 90 นักฟิสิกส์คณิตศาสตร์ Roger Penrose จาก University of Oxford และ Lajos Diósi จาก Eötvös Loránd University ในบูดาเปสต์ได้เสนอสาเหตุที่เป็นไปได้ของการล่มสลาย: แรงโน้มถ่วง แนวคิดของพวกเขาคือถ้าวัตถุควอนตัมอยู่ในตำแหน่งซ้อนทับ แต่ละสถานะตำแหน่งจะ "รู้สึก" อีกฝ่ายผ่านปฏิสัมพันธ์แรงโน้มถ่วง ราวกับว่าแรงดึงดูดนี้ทำให้วัตถุวัดตัวมันเอง บังคับให้ยุบ หรือถ้าคุณมองจากมุมมองของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป ซึ่งอธิบายแรงโน้มถ่วง การซ้อนทับของท้องถิ่นทำให้โครงสร้างของกาลอวกาศผิดรูปในสองวิธีที่แตกต่างกันในคราวเดียว ซึ่งเป็นสถานการณ์ที่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปไม่สามารถทำได้ ดังที่เพนโรสกล่าวไว้ ในความขัดแย้งระหว่างกลศาสตร์ควอนตัมและสัมพัทธภาพทั่วไป ควอนตัมจะแตกก่อน
บททดสอบแห่งความจริง
ความคิดเหล่านี้มักเป็นการเก็งกำไรสูง แต่ในทางตรงกันข้ามกับคำอธิบายของกลศาสตร์ควอนตัม เช่น การตีความในโคเปนเฮเกนและเอเวอเร็ตต์ แบบจำลองการยุบตัวทางกายภาพมีคุณธรรมในการทำนายที่สังเกตได้ ดังนั้นจึงสามารถทดสอบและปลอมแปลงได้
หากมีการรบกวนเบื้องหลังที่กระตุ้นให้เกิดการยุบตัวของควอนตัม ไม่ว่าจะมาจากผลกระทบจากแรงโน้มถ่วงหรืออย่างอื่น อนุภาคทั้งหมดจะมีปฏิสัมพันธ์อย่างต่อเนื่องกับการก่อกวนนี้ ไม่ว่าจะอยู่ในการวางซ้อนหรือไม่ก็ตาม โดยหลักการแล้วผลที่ตามมาควรตรวจพบได้ Catalina Curceanu นักฟิสิกส์จาก INFN กล่าวว่าปฏิสัมพันธ์ควรสร้าง "การซิกแซกของอนุภาคในอวกาศอย่างถาวร" เทียบเท่ากับการเคลื่อนที่แบบบราวเนียน
แบบจำลองการยุบตัวทางกายภาพในปัจจุบันแนะนำว่าการเคลื่อนที่แบบกระจายนี้มีเพียงเล็กน้อยเท่านั้น อย่างไรก็ตาม หากอนุภาคมีประจุไฟฟ้า การเคลื่อนที่จะสร้างรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในกระบวนการที่เรียกว่า bremsstrahlung มวลของสสารจึงควรปล่อยโฟตอนจางๆ ออกมาอย่างต่อเนื่อง ซึ่งแบบจำลองทั่วไปคาดการณ์ว่าอยู่ในช่วงเอ็กซ์เรย์ Donadi และเพื่อนร่วมงานของเขา แองเจโล บาสซี มี แสดง คาดว่าการแผ่รังสีดังกล่าวจะเกิดขึ้นจากแบบจำลองใดๆ ของการยุบตัวที่เกิดขึ้นเองแบบไดนามิก รวมถึงแบบจำลอง Diósi-Penrose
“แม้ว่าแนวคิดจะเรียบง่าย แต่ในทางปฏิบัติ การทดสอบนั้นไม่ง่ายนัก” คิมกล่าว สัญญาณที่คาดการณ์ไว้นั้นอ่อนมาก ซึ่งหมายความว่าการทดลองต้องใช้อนุภาคที่มีประจุจำนวนมหาศาลเพื่อรับสัญญาณที่ตรวจจับได้ และเสียงพื้นหลัง ซึ่งมาจากแหล่งกำเนิด เช่น รังสีคอสมิกและการแผ่รังสีในสิ่งแวดล้อม จะต้องอยู่ในระดับต่ำ เงื่อนไขเหล่านั้นสามารถทำได้โดยการทดลองที่ละเอียดอ่อนอย่างยิ่งเท่านั้น เช่น การทดลองที่ออกแบบมาเพื่อตรวจจับสัญญาณสสารมืดหรืออนุภาคที่เข้าใจยากที่เรียกว่านิวตริโน
ในปี 1996 Qijia Fu จาก Hamilton College ในนิวยอร์ก - จากนั้นเป็นนักศึกษาระดับปริญญาตรี - เสนอ โดยใช้การทดลองนิวตริโนจากเจอร์เมเนียมเพื่อตรวจหาลายเซ็น CSL ของการปล่อยรังสีเอกซ์ (สัปดาห์หลังจากที่เขาส่งเอกสาร เขาก็ โดนฟ้าผ่า ในการเดินป่าในยูทาห์และเสียชีวิต) แนวคิดคือโปรตอนและอิเล็กตรอนในเจอร์เมเนียมควรปล่อยรังสีที่เกิดขึ้นเองซึ่งเครื่องตรวจจับอัลตราไวโอเลตจะหยิบขึ้นมา แต่เมื่อเร็ว ๆ นี้เองที่มีเครื่องมือที่มีความอ่อนไหวที่จำเป็นมาออนไลน์
ในปี 2020 ทีมงานในอิตาลี รวมทั้ง Donadi, Bassi และ Curceanu พร้อมด้วย Diósi ในฮังการี ใช้เครื่องตรวจจับเจอร์เมเนียมประเภทนี้เพื่อทดสอบแบบจำลอง Diósi-Penrose เครื่องตรวจจับที่สร้างขึ้นสำหรับการทดลองนิวตริโนที่เรียกว่า IGEX ได้รับการป้องกันจากการแผ่รังสีโดยอาศัยตำแหน่งใต้ Gran Sasso ซึ่งเป็นภูเขาในเขต Apennine ของอิตาลี
บทนำ
หลังจากลบสัญญาณพื้นหลังที่เหลืออย่างระมัดระวัง — กัมมันตภาพรังสีธรรมชาติส่วนใหญ่ออกจากหิน — นักฟิสิกส์ ไม่เห็นมีการปล่อยมลพิษ ในระดับความไวที่ตัดรูปแบบที่ง่ายที่สุดของรุ่น Diósi-Penrose ออกไป พวกเขาด้วย วางขอบเขตที่แข็งแกร่ง เกี่ยวกับพารามิเตอร์ที่โมเดล CSL ต่างๆ อาจยังคงใช้งานได้ โมเดล GRW ดั้งเดิมนั้นอยู่ภายในหน้าต่างแคบๆ นี้: มันรอดมาได้เพราะหนวดเครา
ใน กระดาษที่ตีพิมพ์ในเดือนสิงหาคมนี้ผลลัพธ์ของปี 2020 ได้รับการยืนยันและเสริมความแข็งแกร่งโดยการทดลองที่เรียกว่า Majorana Demonstrator ซึ่งก่อตั้งขึ้นเพื่อค้นหาอนุภาคสมมุติฐานที่เรียกว่า Majorana neutrinos เป็นหลัก (ซึ่งมีคุณสมบัติที่น่าสงสัยในการเป็นปฏิปักษ์ของพวกมันเอง) การทดลองตั้งอยู่ในศูนย์วิจัยใต้ดินแซนฟอร์ด ซึ่งอยู่ใต้ดินเกือบ 5,000 ฟุตในเหมืองทองคำเก่าในเซาท์ดาโคตา มีเครื่องตรวจจับเจอร์เมเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงจำนวนมากกว่า IGEX และสามารถตรวจจับรังสีเอกซ์ได้จนถึงระดับพลังงานต่ำ “ขีดจำกัดของเราเข้มงวดกว่างานก่อนหน้านี้มาก” คิม สมาชิกของทีมกล่าว
ปลายยุ่ง
แม้ว่าแบบจำลองการยุบตัวทางกายภาพจะมีอาการป่วยหนัก แต่ก็ยังไม่ตาย “แบบจำลองต่างๆ ทำให้เกิดสมมติฐานที่แตกต่างกันมากเกี่ยวกับธรรมชาติและคุณสมบัติของการล่มสลาย” คิมกล่าว การทดสอบทดลองได้แยกความเป็นไปได้ที่เป็นไปได้มากที่สุดสำหรับค่าเหล่านี้แล้ว แต่ก็ยังมีเกาะแห่งความหวังเล็ก ๆ
แบบจำลองการโลคัลไลเซชันที่เกิดขึ้นเองอย่างต่อเนื่องเสนอว่าเอนทิตีทางกายภาพที่รบกวนการทำงานของคลื่นคือ "สนามสัญญาณรบกวน" บางประเภทซึ่งการทดสอบในปัจจุบันถือว่าเป็นสัญญาณรบกวนสีขาว: สม่ำเสมอในทุกความถี่ นั่นเป็นสมมติฐานที่ง่ายที่สุด แต่เป็นไปได้ว่าสัญญาณรบกวนอาจเป็น "สี" เช่น การตัดความถี่สูงบางส่วน Curceanu กล่าวว่าการทดสอบโมเดลที่ซับซ้อนกว่านี้จะต้องมีการวัดสเปกตรัมการปล่อยพลังงานที่สูงกว่าที่เคยเป็นมา
บทนำ
การทดลอง Majorana Demonstrator กำลังจะสิ้นสุดลง แต่ทีมกำลังสร้างความร่วมมือใหม่กับการทดลองที่เรียกว่า Gerdaซึ่งตั้งอยู่ที่ Gran Sasso เพื่อสร้างการทดลองอีกครั้งหนึ่งเพื่อตรวจสอบมวลนิวทริโน เรียกว่า ตำนานมันจะมีอาร์เรย์เครื่องตรวจจับเจอร์เมเนียมขนาดใหญ่และมีความละเอียดอ่อนมากขึ้น "ตำนานอาจสามารถผลักดันขีด จำกัด ของโมเดล CSL ต่อไปได้" คิมกล่าว นอกจากนี้ยังมี ข้อเสนอ for การทดสอบ โมเดลเหล่านี้ในการทดลองในอวกาศ ซึ่งจะไม่ได้รับผลกระทบจากเสียงรบกวนที่เกิดจากการสั่นสะเทือนของสิ่งแวดล้อม
การปลอมแปลงเป็นงานหนัก และแทบจะไม่ได้ถึงจุดสิ้นสุดที่เป็นระเบียบเรียบร้อย ตามคำกล่าวของ Curceanu Roger Penrose ผู้ได้รับรางวัล 2020 รางวัลโนเบลในสาขาฟิสิกส์ สำหรับงานของเขาเกี่ยวกับทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป — กำลังทำงานในรุ่นของแบบจำลอง Diósi-Penrose ซึ่งไม่มีการแผ่รังสีที่เกิดขึ้นเองเลย
เช่นเดียวกัน บางคนสงสัยว่าสำหรับมุมมองของกลศาสตร์ควอนตัมนี้ การเขียนอยู่บนผนัง "สิ่งที่เราต้องทำคือการคิดใหม่ว่าโมเดลเหล่านี้พยายามทำอะไรเพื่อให้บรรลุเป้าหมาย" Zych กล่าว "และดูว่าปัญหาที่จูงใจอาจไม่มีคำตอบที่ดีกว่าด้วยแนวทางอื่นหรือไม่" แม้ว่าจะมีเพียงไม่กี่คนที่โต้แย้งว่าปัญหาการวัดจะไม่เป็นปัญหาอีกต่อไป แต่เราได้เรียนรู้มากมายเช่นกัน ในช่วงหลายปีที่ผ่านมานับตั้งแต่มีการเสนอแบบจำลองการยุบครั้งแรก เกี่ยวกับสิ่งที่วัดด้วยควอนตัมเกิดขึ้น “ฉันคิดว่าเราต้องย้อนกลับไปที่คำถามว่าโมเดลเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นมาเมื่อหลายสิบปีก่อนว่าอะไร” เธอกล่าว “และให้ความสำคัญกับสิ่งที่เราได้เรียนรู้ในระหว่างนี้”
