Вступ
Як об'єктивна реальність виникає з палітри можливостей, які надає квантова механіка? Це питання — найглибша і найболючіша проблема, яку порушує ця теорія — досі є предметом суперечок столітньої давності. Можливі пояснення того, як спостереження за світом дають певні, «класичні» результати, спираючись на різні інтерпретації того, що означає квантова механіка, лише помножилися за ці сто років.
Але зараз ми можемо бути готові скасувати принаймні один набір пропозицій. Нещодавні експерименти мобілізували надзвичайну чутливість інструментів фізики елементарних частинок, щоб перевірити ідею про те, що «колапс» квантових можливостей в єдину класичну реальність є не просто математичною зручністю, а реальним фізичним процесом — ідея називається «фізичним колапсом». Експерименти не знаходять доказів ефектів, передбачених принаймні найпростішими варіантами цих моделей колапсу.
Поки що рано стверджувати остаточно, що фізичного колапсу не відбувається. Деякі дослідники вважають, що моделі ще можна модифікувати, щоб уникнути обмежень, накладених на них нульовими результатами експериментів. Але при цьому «завжди можна врятувати будь-яку модель». Сандро Донаді, фізик-теоретик з Національного інституту ядерної фізики (INFN) у Трієсті, Італія, який керував одним із експериментів, він сумнівається, що «спільнота продовжуватиме модифікувати моделі [невизначений час], оскільки не буде надто багато чому навчитися. роблячи це». Здається, петля затягується на цій спробі розгадати найбільшу таємницю квантової теорії.
Що викликає колапс?
Моделі фізичного колапсу мають на меті вирішити центральну дилему традиційної квантової теорії. У 1926 році Ервін Шредінгер стверджував що квантовий об’єкт описується математичною сутністю, яка називається хвильовою функцією, яка інкапсулює все, що можна сказати про об’єкт та його властивості. Як випливає з назви, хвильова функція описує різновид хвилі, але не фізичної. Швидше, це «хвиля ймовірності», яка дозволяє нам передбачити різні можливі результати вимірювань, зроблених на об’єкті, і шанс спостерігати будь-який з них у даному експерименті.
Вступ
Якщо на таких об’єктах виконується багато вимірювань, коли вони підготовлені однаковим чином, хвильова функція завжди правильно прогнозує статистичний розподіл результатів. Але неможливо дізнатися, яким буде результат будь-якого окремого вимірювання — квантова механіка пропонує лише ймовірності. Що визначає конкретне спостереження? У 1932 році фізик-математик Джон фон Нейман запропонував, що під час вимірювання хвильова функція «згортається» в один із можливих результатів. Процес, по суті, випадковий, але зміщений через ймовірності, які він кодує. Сама квантова механіка, здається, не передбачає колапсу, який потрібно вручну додати до розрахунків.
Як спеціальний математичний трюк, він працює досить добре. Але деяким дослідникам це здавалося (і продовжує здаватись) незадовільною спритністю рук. Ейнштейн знаменито порівняв це з Богом, який грає в кості, щоб вирішити, що стане «реальним» — те, що ми насправді спостерігаємо в нашому класичному світі. Датський фізик Нільс Бор у своїй так званій копенгагенській інтерпретації просто виголосив це питання поза межами, сказавши, що фізики просто повинні прийняти фундаментальну відмінність між квантовим і класичним режимами. Навпаки, у 1957 році фізик Г’ю Еверетт стверджував, що колапс хвильової функції — це лише ілюзія і що насправді всі результати реалізуються в майже нескінченній кількості розгалужених всесвітів — те, що фізики зараз називають «багато світів».
Правда полягає в тому, що «фундаментальна причина колапсу хвильової функції ще невідома». Інвук Кім, фізик Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса в Каліфорнії. «Чому і як це відбувається?»
У 1986 році італійські фізики Джанкарло Гірарді, Альберто Ріміні та Тулліо Вебер запропонований відповідь. Що, якби, кажуть вони, хвильове рівняння Шредінгера — не вся історія? Вони стверджували, що квантова система постійно підштовхується якимось невідомим впливом, який може змусити її спонтанно перейти в один із можливих спостережуваних станів системи в часовому масштабі, який залежить від того, наскільки велика система. Невелика ізольована система, наприклад атом у квантовій суперпозиції (стан, у якому можливі кілька результатів вимірювання), залишатиметься такою дуже довго. Але більші об’єкти — скажімо, кіт чи атом, коли він взаємодіє з макроскопічним вимірювальним пристроєм — майже миттєво переходять у чітко визначений класичний стан. Ця так звана модель GRW (за ініціалами тріо) була першою моделлю фізичного колапсу; пізніше вишуканість відома як модель безперервної спонтанної локалізації (CSL), передбачала поступовий безперервний колапс, а не раптовий стрибок. Ці моделі є не стільки інтерпретаціями квантової механіки, скільки доповненнями до неї, зазначив фізик Магдалена Зич Університету Квінсленда в Австралії.
Що спричиняє цю спонтанну локалізацію через колапс хвильової функції? Моделі GRW і CSL не кажуть; вони просто пропонують додати математичний термін до рівняння Шредінгера, щоб описати його. Але в 1980-х і 90-х роках фізики-математики Роджер Пенроуз з Оксфордського університету та Лайош Діосі з Університету Етвеша Лоранда в Будапешті незалежно запропонували можливу причину колапсу: гравітацію. Грубо кажучи, їх ідея полягала в тому, що якщо квантовий об’єкт знаходиться в суперпозиції місць, кожен стан позиції «відчує» інші через їхню гравітаційну взаємодію. Це ніби це притягання змушує об'єкт вимірювати себе, змушуючи колапс. Або якщо ви подивитеся на це з точки зору загальної теорії відносності, яка описує гравітацію, суперпозиція місцевостей деформує тканину простору-часу двома різними способами одночасно, обставина, яку загальна теорія відносності не може врахувати. Як сказав Пенроуз, у протистоянні між квантовою механікою та загальною теорією відносності спочатку трісне квант.
Перевірка правди
Ці ідеї завжди були дуже спекулятивними. Але, на відміну від пояснень квантової механіки, таких як інтерпретації Копенгагена та Еверетта, моделі фізичного колапсу мають перевагу робити спостережувані передбачення — і, отже, їх можна перевірити та фальсифікувати.
Якщо справді існує фонове збурення, яке провокує квантовий колапс — чи це гравітаційні ефекти, чи щось інше — тоді всі частинки будуть постійно взаємодіяти з цим збуренням, незалежно від того, перебувають вони в суперпозиції чи ні. Наслідки в принципі мають бути помітними. Взаємодія має створити «постійне зигзагоподібне рух частинок у просторі», яке можна порівняти з броунівським рухом, сказала Каталіна Курчану, фізик з INFN.
Сучасні моделі фізичного колапсу припускають, що цей дифузійний рух є дуже незначним. Тим не менш, якщо частинка електрично заряджена, рух генеруватиме електромагнітне випромінювання в процесі, який називається гальмівним випромінюванням. Таким чином, грудка матерії повинна безперервно випромінювати дуже слабкий потік фотонів, які типові версії моделей передбачають у рентгенівському діапазоні. Донаді та його колега Анджело Бассі мати показаний що випромінювання такого випромінювання очікується від будь-якої моделі динамічного спонтанного колапсу, включаючи модель Діозі-Пенроуза.
«Хоча ідея проста, на практиці перевірка не така проста», — сказав Кім. Прогнозований сигнал надзвичайно слабкий, а це означає, що експеримент має включати величезну кількість заряджених частинок, щоб отримати сигнал, який можна виявити. І фоновий шум, який походить від таких джерел, як космічні промені та радіація в навколишньому середовищі, має бути низьким. Ці умови можуть бути задоволені лише за допомогою надзвичайно чутливих експериментів, таких як ті, що призначені для виявлення сигналів темної матерії або невловимих частинок, званих нейтрино.
У 1996 році Цицзя Фу з Гамільтонського коледжу в Нью-Йорку — тоді ще був студентом — запропонований використання нейтринних експериментів на основі германію для виявлення сигнатури CSL рентгенівського випромінювання. (Через кілька тижнів після того, як він подав свою роботу, він був вражений блискавкою під час походу в штат Юта і вбитий.) Ідея полягала в тому, що протони й електрони в германію повинні випромінювати спонтанне випромінювання, яке вловлюватимуть надчутливі детектори. Але лише нещодавно з’явилися в мережі прилади з необхідною чутливістю.
У 2020 році команда в Італії, включаючи Донаді, Бассі та Курчану, а також Діозі в Угорщині, використовували детектор германію такого типу, щоб перевірити модель Діозі-Пенроуза. Детектори, створені для нейтринного експерименту під назвою IGEX, захищені від радіації завдяки своєму розташуванню під Гран-Сассо, горою в Апеннінському хребті в Італії.
Вступ
Після ретельного віднімання залишкового фонового сигналу — переважно природної радіоактивності породи — фізики викидів не бачив на рівні чутливості, який виключає найпростішу форму моделі Діозі-Пенроуза. Вони також поставив міцні межі про параметри, в межах яких різні моделі CSL все ще можуть працювати. Оригінальна модель GRW лежить саме в цьому тісному вікні: вона вціліла завдяки вусу.
В стаття, опублікована цього серпня, результат 2020 року було підтверджено та посилено експериментом під назвою «Демонстратор Майорани», який було створено в основному для пошуку гіпотетичних частинок, які називаються нейтрино Майорани (які мають цікаву властивість бути власними античастинками). Експеримент розміщується в підземному дослідницькому центрі Санфорд, який лежить майже на 5,000 футів під землею в колишньому золотому руднику в Південній Дакоті. Він має більший набір високочистих германієвих детекторів, ніж IGEX, і вони можуть виявляти рентгенівське випромінювання аж до низьких енергій. «Наш ліміт набагато суворіший порівняно з попередньою роботою», — сказав Кім, член команди.
Безладний кінець
Хоча моделі фізичного колапсу дуже хворі, вони ще не зовсім мертві. «Різні моделі роблять дуже різні припущення щодо природи та властивостей колапсу», — сказав Кім. Експериментальні випробування виключили більшість правдоподібних можливостей для цих значень, але все ще є маленький острівець надії.
Моделі безперервної спонтанної локалізації припускають, що фізична сутність, яка збурює хвильову функцію, є якимось «шумовим полем», яке в поточних тестах припускається як білий шум: рівномірний на всіх частотах. Це найпростіше припущення. Але можливо, що шум може бути «забарвленим», наприклад, за допомогою високочастотного зрізу. Курчану сказав, що тестування цих більш складних моделей вимагатиме вимірювання спектру випромінювання при більш високих енергіях, ніж це було можливо досі.
Вступ
Експеримент Majorana Demonstrator зараз згортається, але команда формує нову співпрацю з експериментом під назвою Gerda, що базується в Гран-Сассо, щоб створити ще один експеримент із дослідження маси нейтрино. Дзвонив легенда, він матиме більш масивні й, отже, чутливіші германієві детекторні матриці. «Можливо, Legend зможе ще більше розширити обмеження щодо моделей CSL», — сказав Кім. Також є пропозиції та цінності Тестування ці моделі в космічних експериментах, які не страждатимуть від шуму, створюваного вібрацією навколишнього середовища.
Фальсифікація — важка робота, яка рідко досягає чіткого результату. Навіть зараз, за словами Курчану, Роджер Пенроуз — який був нагороджений 2020 Нобелівської премії з фізики за роботу над загальною теорією відносності — працює над версією моделі Діозі-Пенроуза, в якій взагалі немає спонтанного випромінювання.
Тим не менш, деякі підозрюють, що для цього погляду на квантову механіку написане на стіні. «Що нам потрібно зробити, так це переосмислити, чого ці моделі намагаються досягти, — сказав Зих, — і побачити, чи не можна знайти кращу відповідь на проблеми мотивації за допомогою іншого підходу». Хоча мало хто буде сперечатися, що проблема вимірювання більше не є проблемою, ми також багато чого дізналися про те, що передбачає квантове вимірювання, за роки, що минули після того, як були запропоновані перші моделі колапсу. «Я думаю, що нам потрібно повернутися до питання про те, для чого були створені ці моделі десятиліття тому, — сказала вона, — і серйозно поставитися до того, що ми тим часом дізналися».
