Giới thiệu
Làm thế nào mà thực tế khách quan lại xuất hiện từ bảng các khả năng do cơ học lượng tử cung cấp? Câu hỏi đó - vấn đề sâu sắc nhất và gây khó chịu nhất mà lý thuyết đặt ra - vẫn là chủ đề của các cuộc tranh luận cách đây cả thế kỷ. Những lời giải thích có thể có về cách các quan sát về thế giới mang lại kết quả xác định, “cổ điển”, dựa trên những cách giải thích khác nhau về ý nghĩa của cơ học lượng tử, đã chỉ nhân lên trong hàng trăm năm hoặc lâu hơn.
Nhưng bây giờ chúng tôi có thể sẵn sàng loại bỏ ít nhất một tập hợp các đề xuất. Các thí nghiệm gần đây đã huy động độ nhạy cực cao của các công cụ vật lý hạt để kiểm tra ý tưởng rằng sự “sụp đổ” của các khả năng lượng tử thành một thực tế cổ điển duy nhất không chỉ là một sự tiện lợi toán học mà là một quá trình vật lý thực sự - một ý tưởng được gọi là “sự sụp đổ vật lý”. Các thí nghiệm không tìm thấy bằng chứng về các tác động được dự đoán bởi ít nhất là các giống đơn giản nhất của các mô hình sụp đổ này.
Vẫn còn quá sớm để nói một cách dứt khoát rằng sự suy sụp về thể chất không xảy ra. Một số nhà nghiên cứu tin rằng các mô hình vẫn có thể được sửa đổi để thoát khỏi những ràng buộc do kết quả vô hiệu của các thí nghiệm đặt lên chúng. Nhưng mặc dù “luôn có thể giải cứu bất kỳ mô hình nào,” nói Sandro Donadi, một nhà vật lý lý thuyết tại Viện Vật lý Hạt nhân Quốc gia (INFN) ở Trieste, Ý, người dẫn đầu một trong những thí nghiệm, ông nghi ngờ rằng “cộng đồng sẽ tiếp tục sửa đổi các mô hình [vô thời hạn], vì sẽ không có quá nhiều thứ để học bằng việc thực hiện điều đó." Chiếc thòng lọng dường như đang thắt chặt vào nỗ lực giải quyết bí ẩn lớn nhất của lý thuyết lượng tử này.
Nguyên nhân nào gây ra sự sụp đổ?
Các mô hình sụp đổ vật lý nhằm giải quyết một tình huống khó xử trung tâm của lý thuyết lượng tử thông thường. Năm 1926 Erwin Schrödinger khẳng định rằng một đối tượng lượng tử được mô tả bởi một thực thể toán học gọi là hàm sóng, nó gói gọn tất cả những gì có thể nói về đối tượng và các thuộc tính của nó. Như tên của nó, hàm sóng mô tả một loại sóng - nhưng không phải là sóng vật lý. Thay vào đó, nó là một “sóng xác suất”, cho phép chúng ta dự đoán các kết quả khác nhau có thể xảy ra của các phép đo được thực hiện trên đối tượng và cơ hội quan sát bất kỳ một trong số chúng trong một thí nghiệm nhất định.
Giới thiệu
Nếu nhiều phép đo được thực hiện trên các đối tượng như vậy khi chúng được chuẩn bị theo cách giống hệt nhau, thì hàm sóng luôn dự đoán chính xác phân phối thống kê của các kết quả. Nhưng không có cách nào để biết kết quả của bất kỳ phép đo đơn lẻ nào - cơ học lượng tử chỉ đưa ra các xác suất. Điều gì quyết định một quan sát cụ thể? Năm 1932, nhà vật lý toán học John von Neumann đề xuất rằng, khi một phép đo được thực hiện, hàm sóng được "thu gọn" thành một trong những kết quả có thể xảy ra. Quá trình này về cơ bản là ngẫu nhiên nhưng bị sai lệch bởi các xác suất mà nó mã hóa. Bản thân cơ học lượng tử dường như không dự đoán được sự sụp đổ, điều này phải được thêm vào các tính toán theo cách thủ công.
Là một thủ thuật toán học đặc biệt, nó hoạt động đủ tốt. Nhưng dường như (và tiếp tục có vẻ) đối với một số nhà nghiên cứu là một trò chơi không thỏa đáng. Einstein nổi tiếng ví nó như việc Chúa chơi trò xúc xắc để quyết định điều gì trở thành “thực” - điều mà chúng ta thực sự quan sát được trong thế giới cổ điển của chúng ta. Nhà vật lý Đan Mạch Niels Bohr, trong cái gọi là diễn giải Copenhagen của mình, chỉ đơn giản phát biểu vấn đề này vượt quá giới hạn, nói rằng các nhà vật lý chỉ cần chấp nhận sự khác biệt cơ bản giữa chế độ lượng tử và chế độ cổ điển. Ngược lại, vào năm 1957, nhà vật lý Hugh Everett khẳng định rằng sự sụp đổ hàm sóng chỉ là một ảo ảnh và trên thực tế, tất cả các kết quả đều được thực hiện trong một số lượng gần như vô hạn các vũ trụ phân nhánh - cái mà các nhà vật lý hiện nay gọi là “nhiều thế giới".
Sự thật là “nguyên nhân cơ bản của sự sụp đổ hàm sóng vẫn chưa được biết rõ,” nói Inwook Kim, một nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore ở California. "Tại sao và nó xảy ra như thế nào?"
Năm 1986, các nhà vật lý người Ý Giancarlo Ghirardi, Alberto Rimini và Tullio Weber đề nghị một câu trả lời. Điều gì sẽ xảy ra nếu, họ nói, phương trình sóng của Schrödinger không phải là toàn bộ câu chuyện? Họ cho rằng một hệ thống lượng tử liên tục được thúc đẩy bởi một số ảnh hưởng chưa biết có thể khiến nó tự phát nhảy sang một trong những trạng thái có thể quan sát được của hệ thống, trên một khoảng thời gian phụ thuộc vào độ lớn của hệ thống. Một hệ thống nhỏ, cô lập, chẳng hạn như một nguyên tử ở trạng thái chồng chất lượng tử (trạng thái mà ở đó có thể có một số kết quả đo lường), sẽ duy trì như vậy trong một thời gian rất dài. Nhưng các vật thể lớn hơn - chẳng hạn như một con mèo, hay một nguyên tử khi nó tương tác với một thiết bị đo lường vĩ mô - sụp đổ thành một trạng thái cổ điển được xác định rõ ràng gần như ngay lập tức. Cái gọi là mô hình GRW này (theo tên viết tắt của bộ ba) là mô hình thu gọn vật lý đầu tiên; một lúc sau sàng lọc được gọi là mô hình bản địa hóa tự phát liên tục (CSL) liên quan đến sự sụp đổ dần dần, liên tục chứ không phải là một bước nhảy đột ngột. Nhà vật lý cho biết những mô hình này không phải là sự giải thích quá nhiều về cơ học lượng tử mà chỉ là sự bổ sung cho nó. Magdalena Zych của Đại học Queensland ở Úc.
Đâu là nguyên nhân gây ra hiện tượng địa phương hóa tự phát thông qua sự sụp đổ hàm sóng? Các mô hình GRW và CSL không nói; họ chỉ đề nghị thêm một thuật ngữ toán học vào phương trình Schrödinger để mô tả nó. Nhưng trong những năm 1980 và 90, các nhà vật lý toán học Roger Penrose của Đại học Oxford và Lajos Diósi của Đại học Eötvös Loránd ở Budapest đã đề xuất một cách độc lập một nguyên nhân có thể gây ra sự sụp đổ: lực hấp dẫn. Nói một cách dễ hiểu, ý tưởng của họ là nếu một vật thể lượng tử nằm ở vị trí chồng chất lên nhau, mỗi trạng thái vị trí sẽ “cảm nhận” các trạng thái khác thông qua tương tác hấp dẫn của chúng. Như thể lực hút này khiến vật tự đo, buộc phải đổ sập. Hoặc nếu bạn nhìn nó từ góc độ của thuyết tương đối rộng, mô tả lực hấp dẫn, sự chồng chất của các địa phương làm biến dạng cấu trúc của không-thời gian theo hai cách khác nhau cùng một lúc, một hoàn cảnh mà thuyết tương đối rộng không thể thích ứng được. Như Penrose đã nói, trong thế đối đầu giữa cơ học lượng tử và thuyết tương đối rộng, lượng tử sẽ bị rạn nứt đầu tiên.
Thử thách của sự thật
Những ý tưởng này luôn mang tính đầu cơ cao. Tuy nhiên, trái ngược với các giải thích về cơ học lượng tử như cách giải thích của Copenhagen và Everett, các mô hình sụp đổ vật lý có ưu điểm là đưa ra các dự đoán có thể quan sát được - và do đó có thể kiểm tra và giả mạo được.
Nếu thực sự có một nhiễu loạn nền gây ra sự sụp đổ lượng tử - cho dù nó xuất phát từ hiệu ứng hấp dẫn hay thứ gì khác - thì tất cả các hạt sẽ liên tục tương tác với nhiễu loạn này, cho dù chúng có ở trong một chồng chất hay không. Về nguyên tắc, hậu quả phải có thể phát hiện được. Catalina Curceanu, một nhà vật lý tại INFN, cho biết, sự tương tác sẽ tạo ra một “chuyển động ngoằn ngoèo vĩnh viễn của các hạt trong không gian” có thể so sánh với chuyển động Brown.
Các mô hình sụp đổ vật lý hiện tại cho thấy rằng chuyển động khuếch tán này chỉ là rất nhỏ. Tuy nhiên, nếu hạt mang điện, chuyển động sẽ tạo ra bức xạ điện từ trong một quá trình được gọi là quá trình hãm. Do đó, một khối vật chất sẽ liên tục phát ra một luồng photon rất mờ, mà các phiên bản điển hình của các mô hình dự đoán là nằm trong phạm vi tia X. Donadi và đồng nghiệp của anh ấy Angelo Bassi có thể hiện rằng sự phát ra bức xạ như vậy được mong đợi từ bất kỳ mô hình nào của sự sụp đổ tự phát động học, bao gồm cả mô hình Diósi-Penrose.
Tuy nhiên, “trong khi ý tưởng thì đơn giản, nhưng trên thực tế, bài kiểm tra không dễ dàng như vậy,” Kim nói. Tín hiệu dự đoán là cực kỳ yếu, có nghĩa là một thí nghiệm phải liên quan đến một số lượng lớn các hạt mang điện để có được tín hiệu có thể phát hiện được. Và tiếng ồn xung quanh - đến từ các nguồn như tia vũ trụ và bức xạ trong môi trường - phải được giữ ở mức thấp. Những điều kiện đó chỉ có thể được thỏa mãn bằng những thí nghiệm cực kỳ nhạy cảm, chẳng hạn như những thí nghiệm được thiết kế để phát hiện tín hiệu vật chất tối hoặc những hạt khó nắm bắt được gọi là neutrino.
Năm 1996, Qijia Fu của trường Hamilton College ở New York - khi đó mới chỉ là một sinh viên đại học - đề xuất sử dụng các thí nghiệm neutrino dựa trên gecmani để phát hiện dấu hiệu CSL của phát xạ tia X. (Vài tuần sau khi nộp bài, anh ấy đã bị sét đánh trong một chuyến đi bộ đường dài ở Utah và bị giết.) Ý tưởng là các proton và electron trong gecmani sẽ phát ra bức xạ tự phát, mà các máy dò siêu nhạy sẽ thu nhận. Tuy nhiên, chỉ gần đây các công cụ với độ nhạy cần thiết mới được đưa lên mạng.
Năm 2020, một nhóm ở Ý, bao gồm Donadi, Bassi và Curceanu, cùng với Diósi ở Hungary, đã sử dụng máy dò germani loại này để kiểm tra mô hình Diósi-Penrose. Các máy dò, được tạo ra cho một thí nghiệm neutrino được gọi là IGEX, được che chắn khỏi bức xạ nhờ vị trí của chúng bên dưới Gran Sasso, một ngọn núi trong dãy Apennine của Ý.
Giới thiệu
Sau khi cẩn thận trừ đi tín hiệu nền còn lại - chủ yếu là phóng xạ tự nhiên từ đá - các nhà vật lý không thấy khí thải ở mức độ nhạy đã loại trừ dạng đơn giản nhất của mô hình Diósi-Penrose. Họ cũng đặt giới hạn mạnh mẽ về các tham số mà trong đó các mô hình CSL khác nhau vẫn có thể hoạt động. Mô hình GRW ban đầu nằm ngay trong khung cửa sổ chật hẹp này: Nó tồn tại nhờ một cái râu.
Trong một bài báo được xuất bản vào tháng XNUMX này, kết quả năm 2020 đã được xác nhận và củng cố bởi một thí nghiệm được gọi là Trình diễn thuyết Majorana, được thiết lập chủ yếu để tìm kiếm các hạt giả định được gọi là neutrino Majorana (có đặc tính kỳ lạ là phản hạt của chính chúng). Thí nghiệm được đặt trong Cơ sở Nghiên cứu Ngầm Sanford, nằm dưới lòng đất gần 5,000 feet trong một mỏ vàng trước đây ở Nam Dakota. Nó có một loạt các máy dò germani có độ tinh khiết cao lớn hơn IGEX và chúng có thể phát hiện tia X ở mức năng lượng thấp. “Giới hạn của chúng tôi nghiêm ngặt hơn nhiều so với công việc trước đây,” Kim, một thành viên của nhóm cho biết.
Một kết thúc lộn xộn
Mặc dù các mô hình sụp đổ vật lý đang bị ốm nặng, nhưng chúng không hoàn toàn chết. Kim nói: “Các mô hình khác nhau đưa ra các giả định rất khác nhau về bản chất và tính chất của sự sụp đổ. Các thử nghiệm thực nghiệm hiện đã loại trừ hầu hết các khả năng hợp lý cho những giá trị này, nhưng vẫn còn một hòn đảo nhỏ của hy vọng.
Các mô hình bản địa hóa tự phát liên tục đề xuất rằng thực thể vật lý làm xáo trộn hàm sóng là một số loại “trường nhiễu”, mà các thử nghiệm hiện tại giả định là nhiễu trắng: đồng nhất ở tất cả các tần số. Đó là giả định đơn giản nhất. Nhưng có thể tiếng ồn có thể bị “tô màu”, chẳng hạn như do bị cắt tần số cao nào đó. Curceanu nói rằng việc thử nghiệm các mô hình phức tạp hơn này sẽ yêu cầu đo phổ phát xạ ở năng lượng cao hơn mức có thể cho đến nay.
Giới thiệu
Thử nghiệm Majorana Trình diễn hiện đang kết thúc, nhưng nhóm đang thiết lập một sự hợp tác mới với một thử nghiệm có tên là Gerda, có trụ sở tại Gran Sasso, để tạo ra một thí nghiệm khác thăm dò khối lượng neutrino. Gọi là Huyền thoại, nó sẽ có nhiều mảng dò germani lớn hơn và do đó nhạy hơn. Kim cho biết: “Legend có thể đẩy giới hạn trên các mô hình CSL lên xa hơn. Cũng có đề xuất cho thử nghiệm những mô hình này trong các thí nghiệm ngoài không gian, sẽ không bị tiếng ồn do rung động môi trường tạo ra.
Sai lầm là công việc khó khăn, và hiếm khi đạt đến điểm cuối cùng gọn gàng. Ngay cả bây giờ, theo Curceanu, Roger Penrose - người đã được trao giải Giải thưởng Nobel 2020 Vật lý cho nghiên cứu của ông về thuyết tương đối rộng - đang nghiên cứu một phiên bản của mô hình Diósi-Penrose trong đó không có bức xạ tự phát nào cả.
Tất cả đều giống nhau, một số người nghi ngờ rằng đối với quan điểm này của cơ học lượng tử, chữ viết ở trên tường. Zych nói: “Những gì chúng ta cần làm là suy nghĩ lại xem những mô hình này đang cố gắng đạt được điều gì và xem liệu các vấn đề thúc đẩy có thể không có câu trả lời tốt hơn thông qua một cách tiếp cận khác hay không.” Trong khi ít người cho rằng vấn đề đo lường không còn là vấn đề nữa, chúng ta cũng đã học được nhiều điều, trong những năm kể từ khi các mô hình thu gọn đầu tiên được đề xuất, về những gì mà phép đo lượng tử đòi hỏi. “Tôi nghĩ chúng ta cần quay lại câu hỏi về những gì những mô hình này được tạo ra trong nhiều thập kỷ trước,” cô nói, “và nghiêm túc xem xét những gì chúng ta đã học được trong thời gian chờ đợi”.
