Deneyler, Kuantum Tuhaflığının Onyıllarca Eski Açıklaması İçin Kıyameti Büyüledi

Kuantum mekaniği tarafından sağlanan olasılıklar paletinden nesnel gerçeklik nasıl ortaya çıkıyor? Bu soru - teorinin ortaya koyduğu en derin ve en can sıkıcı mesele - hala bir asırlık tartışmaların konusudur. Dünya gözlemlerinin nasıl kesin, "klasik" sonuçlar verdiğine dair olası açıklamalar, kuantum mekaniğinin ne anlama geldiğine dair farklı yorumlara dayanarak, bu yüz yıl kadar bir sürede çoğaldı.

Ama şimdi en az bir dizi teklifi elemeye hazır olabiliriz. Son deneyler, kuantum olasılıklarının tek bir klasik gerçekliğe "çöküşünün" sadece matematiksel bir kolaylık değil, gerçek bir fiziksel süreç olduğu fikrini test etmek için parçacık fiziği araçlarının aşırı duyarlılığını harekete geçirdi - "fiziksel çöküş" olarak adlandırılan bir fikir. Deneyler, bu çöküş modellerinin en azından en basit çeşitlerinin öngördüğü etkilere dair hiçbir kanıt bulamamıştır.

Fiziksel çöküşün meydana gelmediğini kesin olarak söylemek için henüz çok erken. Bazı araştırmacılar, modellerin henüz deneylerin boş sonuçlarının üzerlerine koyduğu kısıtlamalardan kaçmak için değiştirilebileceğine inanıyor. Ancak "herhangi bir modeli kurtarmak her zaman mümkündür" dedi. Sandro DonadiDeneylerden birine liderlik eden İtalya, Trieste'deki Ulusal Nükleer Fizik Enstitüsü'nde (INFN) teorik bir fizikçi olan Dr. bunu yaparak." Kuantum teorisinin en büyük gizemini çözmeye yönelik bu girişimde ilmek daralıyor gibi görünüyor.

Çöküşün Sebebi Nedir?

Fiziksel çöküş modelleri, geleneksel kuantum teorisinin merkezi bir ikilemini çözmeyi amaçlar. 1926'da Erwin Schrödinger iddia Bir kuantum nesnesi, nesne ve özellikleri hakkında söylenebilecek her şeyi kapsayan, dalga fonksiyonu adı verilen matematiksel bir varlık tarafından tanımlanır. Adından da anlaşılacağı gibi, bir dalga işlevi bir tür dalgayı tanımlar - ancak fiziksel olanı değil. Daha ziyade, nesne üzerinde yapılan ölçümlerin çeşitli olası sonuçlarını ve belirli bir deneyde bunlardan herhangi birini gözlemleme şansını tahmin etmemizi sağlayan bir “olasılık dalgası”dır.

Aynı şekilde hazırlandıklarında bu tür nesneler üzerinde birçok ölçüm yapılırsa, dalga fonksiyonu sonuçların istatistiksel dağılımını her zaman doğru bir şekilde tahmin eder. Ancak herhangi bir tek ölçümün sonucunun ne olacağını bilmenin bir yolu yok - kuantum mekaniği yalnızca olasılıklar sunar. Belirli bir gözlemi ne belirler? 1932'de matematiksel fizikçi John von Neumann, bir ölçüm yapıldığında dalga fonksiyonunun olası sonuçlardan birine "çöküldüğünü" öne sürdü. Süreç esasen rastgeledir, ancak kodladığı olasılıklar tarafından önyargılıdır. Kuantum mekaniğinin kendisi, hesaplamalara manuel olarak eklenmesi gereken çöküşü tahmin ediyor gibi görünmüyor.

Geçici bir matematiksel numara olarak, yeterince iyi çalışıyor. Ancak bazı araştırmacılara yetersiz bir el çabukluğu gibi göründü (ve görünmeye devam ediyor). Einstein, klasik dünyamızda gerçekte gözlemlediğimiz şeyin “gerçek” olduğuna karar vermek için Tanrı'nın zar atmasına benzetmişti. Danimarkalı fizikçi Niels Bohr, sözde Kopenhag yorumunda, fizikçilerin kuantum ve klasik rejimler arasında temel bir ayrımı kabul etmeleri gerektiğini söyleyerek, konuyu sınırların dışında dile getirdi. Buna karşılık, 1957'de fizikçi Hugh Everett, dalga fonksiyonunun çöküşünün sadece bir yanılsama olduğunu ve aslında tüm sonuçların neredeyse sonsuz sayıda dallanan evrende gerçekleştiğini iddia etti - fizikçilerin şimdi "birçok dünya".

Gerçek şu ki, “dalga fonksiyonunun çöküşünün temel nedeni henüz bilinmiyor” dedi. Inwook KimKaliforniya'daki Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'nda fizikçi olan Dr. “Neden ve nasıl oluyor?”

1986'da İtalyan fizikçiler Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini ve Tullio Weber önerilen Bir cevap. Ya tüm hikaye Schrödinger'in dalga denklemi değilse? Bir kuantum sisteminin, sistemin ne kadar büyük olduğuna bağlı bir zaman ölçeğinde, sistemin olası gözlemlenebilir durumlarından birine kendiliğinden atlamasına neden olabilecek bazı bilinmeyen etkiler tarafından sürekli olarak teşvik edildiğini öne sürdüler. Kuantum süperpozisyonunda (birkaç ölçüm sonucunun mümkün olduğu bir durum) bir atom gibi küçük, izole bir sistem çok uzun bir süre bu şekilde kalacaktır. Ancak daha büyük nesneler - örneğin bir kedi veya makroskobik bir ölçüm cihazıyla etkileşime girdiğinde bir atom - neredeyse anında iyi tanımlanmış bir klasik duruma çöker. Bu sözde GRW modeli (üçlünün baş harflerinden sonra) ilk fiziksel çöküş modeliydi; daha sonra arıtma Sürekli spontan lokalizasyon (CSL) modeli olarak bilinen, ani bir sıçramadan ziyade kademeli, sürekli çökmeyi içeriyordu. Fizikçi, bu modellerin kuantum mekaniğinin yorumlarından çok ona eklemeler olduğunu söyledi. Magdalena Zych Avustralya'daki Queensland Üniversitesi'nden Dr.

Dalga fonksiyonu çökmesi yoluyla bu kendiliğinden lokalizasyona neden olan nedir? GRW ve CSL modelleri şöyle demez; sadece onu tanımlamak için Schrödinger denklemine matematiksel bir terim eklemeyi önerirler. Ancak 1980'lerde ve 90'larda, Oxford Üniversitesi'nden matematiksel fizikçiler Roger Penrose ve Budapeşte'deki Eötvös Loránd Üniversitesi'nden Lajos Diósi bağımsız olarak çöküşün olası bir nedenini önerdiler: yerçekimi. Açıkça söylemek gerekirse, fikirleri, eğer bir kuantum nesnesi konumların üst üste binmesi durumundaysa, her bir konum durumunun yerçekimi etkileşimi yoluyla diğerlerini "hissedeceği" idi. Sanki bu çekim nesnenin kendisini ölçmesine neden oluyor, bir çöküşe zorluyor. Veya buna yerçekimini tanımlayan genel görelilik perspektifinden bakarsanız, yerelliklerin üst üste binmesi, uzay-zaman dokusunu aynı anda iki farklı şekilde deforme eder, bu genel göreliliğin uyum sağlayamayacağı bir durumdur. Penrose'un belirttiği gibi, kuantum mekaniği ile genel görelilik arasındaki bir açmazda, önce kuantum kırılacaktır.

Gerçeğin Testi

Bu fikirler her zaman oldukça spekülatif olmuştur. Ancak, Kopenhag ve Everett yorumları gibi kuantum mekaniğinin açıklamalarının aksine, fiziksel çöküş modelleri gözlemlenebilir tahminler yapma erdemine sahiptir - ve bu nedenle test edilebilir ve yanlışlanabilir.

Eğer gerçekten de kuantum çöküşünü tetikleyen bir arka plan pertürbasyonu varsa - bu ister yerçekimi etkilerinden ister başka bir şeyden geliyor olsun - o zaman süperpozisyonda olsun ya da olmasın tüm parçacıklar bu pertürbasyonla sürekli olarak etkileşime gireceklerdir. Sonuçlar prensipte tespit edilebilir olmalıdır. INFN'de fizikçi olan Catalina Curceanu, etkileşimin Brownian hareketiyle karşılaştırılabilir “uzayda kalıcı bir parçacık zikzakları” yaratması gerektiğini söyledi.

Mevcut fiziksel çöküş modelleri, bu yayılma hareketinin yalnızca çok hafif olduğunu öne sürüyor. Bununla birlikte, parçacık elektrik yüklüyse, hareket, bremsstrahlung adı verilen bir süreçte elektromanyetik radyasyon üretecektir. Bu nedenle, bir madde yığını sürekli olarak, modellerin tipik versiyonlarının X-ışını aralığında olduğunu tahmin ettiği çok zayıf bir foton akışı yaymalıdır. Donadi ve meslektaşı Angelo Bassi var gösterilen Diósi-Penrose modeli de dahil olmak üzere, herhangi bir dinamik kendiliğinden çökme modelinden bu tür radyasyon emisyonunun beklenmesi beklenir.

Kim, "Fikir basit olsa da, pratikte test o kadar kolay değil" dedi. Öngörülen sinyal son derece zayıftır, bu, bir deneyin saptanabilir bir sinyal elde etmek için çok sayıda yüklü parçacık içermesi gerektiği anlamına gelir. Ve çevredeki kozmik ışınlar ve radyasyon gibi kaynaklardan gelen arka plan gürültüsü düşük tutulmalıdır. Bu koşullar, yalnızca karanlık madde sinyallerini veya nötrino adı verilen zor parçacıkları tespit etmek için tasarlanmış olanlar gibi en aşırı hassas deneylerle karşılanabilir.

1996'da New York'taki Hamilton Koleji'nden Qijia Fu - o zamanlar sadece bir lisans öğrencisiydi - önerilen X-ışını emisyonunun bir CSL imzasını tespit etmek için germanyum bazlı nötrino deneylerini kullanmak. (Makalesini teslim ettikten haftalar sonra, yıldırım çarptı Utah'ta bir yürüyüş gezisinde öldü ve öldürüldü.) Buradaki fikir, germanyumdaki protonların ve elektronların, aşırı duyarlı dedektörlerin yakalayabileceği spontan radyasyonu yayması gerektiğiydi. Ancak son zamanlarda gerekli hassasiyete sahip enstrümanlar çevrimiçi hale geldi.

2020'de İtalya'da Donadi, Bassi ve Curceanu'nun yanı sıra Macaristan'daki Diósi de dahil olmak üzere bir ekip, Diósi-Penrose modelini test etmek için bu tür bir germanyum dedektörü kullandı. IGEX adlı bir nötrino deneyi için oluşturulan dedektörler, İtalya'nın Apenin sıradağlarındaki Gran Sasso dağının altındaki konumları sayesinde radyasyondan korunuyor.

Fizikçiler, kalan arka plan sinyalini -çoğunlukla kayadan gelen doğal radyoaktiviteyi- dikkatlice çıkardıktan sonra emisyon görmedi Diósi-Penrose modelinin en basit biçimini dışlayan bir hassasiyet seviyesinde. Onlar ayrıca güçlü sınırlar koydu çeşitli CSL modellerinin hala çalışabileceği parametreler hakkında. Orijinal GRW modeli tam da bu dar pencerenin içindedir: Bir bıyık tarafından hayatta kaldı.

İçinde bu ağustos ayında yayınlanan makale, 2020 sonucu, öncelikle Majorana nötrinoları (kendi karşıt parçacıkları olma tuhaf özelliğine sahip) olarak adlandırılan varsayımsal parçacıkları aramak için kurulan Majorana Göstericisi adlı bir deneyle doğrulandı ve güçlendirildi. Deney, Güney Dakota'daki eski bir altın madeninde yaklaşık 5,000 fit yerin altında bulunan Sanford Yeraltı Araştırma Tesisi'nde bulunuyor. IGEX'ten daha geniş bir yüksek saflıkta germanyum dedektörleri dizisine sahiptir ve X-ışınlarını düşük enerjilere kadar algılayabilirler. Ekibin bir üyesi olan Kim, “Sınırımız önceki çalışmaya kıyasla çok daha katı” dedi.

Dağınık Bir Son

Fiziksel çöküş modelleri çok rahatsız edici olsa da, tam olarak ölü değiller. Kim, "Çeşitli modeller, çöküşün doğası ve özellikleri hakkında çok farklı varsayımlarda bulunuyor" dedi. Deneysel testler artık bu değerler için en makul olasılıkları dışladı, ancak hala küçük bir umut adası var.

Sürekli kendiliğinden lokalizasyon modelleri, dalga fonksiyonunu bozan fiziksel varlığın, mevcut testlerin beyaz gürültü olduğunu varsaydığı bir tür “gürültü alanı” olduğunu öne sürüyor: tüm frekanslarda tek tip. Bu en basit varsayım. Ancak, örneğin bazı yüksek frekanslı kesintilere sahip olarak gürültünün “renkli” olması mümkündür. Curceanu, bu daha karmaşık modellerin test edilmesinin, şimdiye kadar mümkün olandan daha yüksek enerjilerde emisyon spektrumunun ölçülmesini gerektireceğini söyledi.

Majorana Göstericisi deneyi artık sona eriyor, ancak ekip, adı verilen bir deneyle yeni bir işbirliği kuruyor. Gerda, Nötrino kütlesini araştıran başka bir deney oluşturmak için Gran Sasso'da. Aranan Efsane, daha büyük ve dolayısıyla daha hassas germanyum dedektör dizilerine sahip olacaktır. Kim, "Efsane, CSL modellerindeki sınırları daha da zorlayabilir" dedi. Ayrıca orada önerileri için test yapmak bu modeller, çevresel titreşimlerin ürettiği gürültüden etkilenmeyecek olan uzay tabanlı deneylerde.

Sahtecilik zor bir iştir ve nadiren düzenli bir son noktaya ulaşır. Curceanu'ya göre, şimdi bile, ödüle layık görülen Roger Penrose. 2020 Nobel Fizik Ödülü genel görelilik üzerine çalışması için - Diósi-Penrose modelinin hiçbir kendiliğinden radyasyonun olmadığı bir versiyonu üzerinde çalışıyor.

Yine de bazıları, kuantum mekaniğinin bu görüşü için yazının duvarda olduğundan şüpheleniyor. Zych, "Yapmamız gereken, bu modellerin neyi başarmaya çalıştığını yeniden düşünmek ve motive edici sorunların farklı bir yaklaşımla daha iyi bir yanıtı olup olmadığını görmek" dedi. Çok az kişi ölçüm sorununun artık bir sorun olmadığını iddia etse de, ilk çöküş modellerinin önerilmesinden bu yana geçen yıllarda kuantum ölçümünün neleri gerektirdiği hakkında çok şey öğrendik. “Bence bu modellerin onlarca yıl önce ne yaratıldığı sorusuna geri dönmemiz ve bu arada öğrendiklerimizi ciddiye almamız gerekiyor” dedi.