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客观现实如何从量子力学提供的可能性调色板中出现？ 这个问题——该理论提出的最深刻、最令人烦恼的问题——仍然是一个世纪以来争论的主题。 对世界的观察如何产生明确的“经典”结果的可能解释，利用对量子力学含义的不同解释，在这几百年左右的时间里成倍增加。
但现在我们可能已经准备好取消至少一组提案。 最近的实验调动了粒子物理仪器的极端灵敏度来检验这样一种观点，即量子可能性“坍缩”成一个单一的经典现实不仅仅是一种数学上的便利，而是一个真实的物理过程——一种被称为“物理坍缩”的想法。 实验没有发现至少这些坍塌模型的最简单变种所预测的效果的证据。
现在断言物理崩溃不会发生还为时过早。 一些研究人员认为，这些模型还可以进行修改，以摆脱实验的无效结果对它们施加的限制。 但是，虽然“总是有可能拯救任何模型，”说 桑德罗·多纳迪, 意大利的里雅斯特国家核物理研究所 (INFN) 的理论物理学家，他领导了一项实验，他怀疑“社区将继续[无限地]修改模型，因为不会有太多东西要学通过这样做。” 解决量子理论最大谜团的尝试似乎正在收紧绞索。
什么导致崩溃？
物理坍缩模型旨在解决传统量子理论的核心难题。 1926 年欧文·薛定谔 断言 量子物体是由一个称为波函数的数学实体描述的，它封装了关于物体及其属性的所有信息。 顾名思义，波函数描述了一种波——但不是物理波。 相反，它是一种“概率波”，它使我们能够预测对物体进行测量的各种可能结果，以及在给定实验中观察到其中任何一个结果的机会。
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如果在以相同方式准备此类对象时对这些对象进行多次测量，则波函数总是能正确预测结果的统计分布。 但是没有办法知道任何一次测量的结果是什么——量子力学只提供概率。 什么决定了具体的观察？ 1932 年，数学物理学家约翰·冯·诺依曼提出，当进行测量时，波函数会“坍缩”成一种可能的结果。 该过程本质上是随机的，但会受到其编码的概率的影响。 量子力学本身似乎无法预测坍塌，必须手动将其添加到计算中。
作为一种特殊的数学技巧，它运行良好。 但对一些研究人员来说，这似乎（并且继续看起来）是一种不令人满意的花招。 爱因斯坦着名地将其比作上帝掷骰子来决定什么变得“真实”——我们在古典世界中实际观察到的东西。 丹麦物理学家尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）在他所谓的哥本哈根解释中，简单地宣称这个问题超出了界限，说物理学家只需要接受量子和经典机制之间的根本区别。 相比之下，物理学家休·埃弗里特在 1957 年断言，波函数坍缩只是一种幻觉，实际上所有结果都在几乎无限数量的分支宇宙中实现——物理学家现在称之为“许多世界设立的区域办事处外，我们在美国也开设了办事处，以便我们为当地客户提供更多的支持。“
事实是，“波函数坍缩的根本原因尚不清楚，”说 金仁旭，加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家。 “为什么以及如何发生？”
1986 年，意大利物理学家 Giancarlo Ghirardi、Alberto Rimini 和 Tullio Weber 建议 一个答案。 他们说，如果薛定谔的波动方程不是全部呢？ 他们假设一个量子系统不断受到某种未知影响的刺激，这些影响可以诱导它自发地跳入系统可能的可观察状态之一，时间尺度取决于系统的大小。 一个小的、孤立的系统，例如处于量子叠加态的原子（一种可能有多种测量结果的状态），将在很长一段时间内保持这种状态。 但是更大的物体——比如说一只猫，或者当它与宏观测量设备相互作用时的一个原子——几乎是瞬间坍塌成一个明确定义的经典状态。 这个所谓的 GRW 模型（在三人组的首字母之后）是第一个物理崩溃模型； 稍后 精致 被称为连续自发定位（CSL）模型涉及逐渐，连续的崩溃而不是突然的跳跃。 这位物理学家说，这些模型与其说是对量子力学的解释，不如说是对它的补充 玛格达莱娜·齐奇（Magdalena Zych） 澳大利亚昆士兰大学的。
是什么通过波函数坍缩导致了这种自发的定位？ GRW 和 CSL 模型不说； 他们只是建议在薛定谔方程中添加一个数学术语来描述它。 但在 1980 年代和 90 年代，牛津大学的数学物理学家 Roger Penrose 和布达佩斯 Eötvös Loránd 大学的 Lajos Diósi 独立提出了坍塌的可能原因：重力。 粗略地说，他们的想法是，如果一个量子物体处于位置叠加状态，每个位置状态都会通过它们的引力相互作用“感受”到其他位置状态。 就好像这种吸引力导致物体测量自己，迫使物体坍塌。 或者，如果你从描述引力的广义相对论的角度来看，局部叠加会同时以两种不同的方式使时空结构变形，这是广义相对论无法适应的情况。 正如彭罗斯所说，在量子力学和广义相对论之间的对峙中，量子将首先破裂。
真理的考验
这些想法一直是高度投机的。 但是，与哥本哈根和埃弗雷特解释等量子力学解释相比，物理坍缩模型具有做出可观察预测的优点——因此是可测试和可证伪的。
如果确实存在引发量子坍缩的背景扰动——无论它来自引力效应还是其他原因——那么所有粒子都将不断地与这种扰动相互作用，无论它们是否处于叠加态。 后果原则上应该是可检测的。 INFN 的物理学家 Catalina Curceanu 说，这种相互作用应该会产生类似于布朗运动的“空间中粒子的永久曲折”。
当前的物理坍缩模型表明，这种扩散运动非常轻微。 尽管如此，如果粒子带电，运动将在称为轫致辐射的过程中产生电磁辐射。 因此，一团物质应该连续发射出非常微弱的光子流，典型版本的模型预测其在 X 射线范围内。 多纳迪和他的同事 安杰洛·巴斯 已可以选用 如图 任何动态自发坍塌模型，包括 Diósi-Penrose 模型，都预计会发射这种辐射。
然而，“虽然这个想法很简单，但实际上测试并不那么容易，”Kim 说。 预测的信号非常微弱，这意味着实验必须涉及大量带电粒子才能获得可检测的信号。 来自宇宙射线和环境辐射等来源的背景噪声必须保持在较低水平。 这些条件只能通过最敏感的实验来满足，例如那些旨在检测暗物质信号或被称为中微子的难以捉摸的粒子。
1996 年，纽约汉密尔顿学院的 Qijia Fu——当时只是一名本科生—— 建议 使用基于锗的中微子实验来检测 X 射线发射的 CSL 特征。 （在他提交论文几周后，他 被闪电击中 在犹他州的一次远足旅行中被杀。）这个想法是锗中的质子和电子应该发出自发辐射，超灵敏探测器会接收到这种辐射。 然而直到最近才有具有所需灵敏度的仪器上线。
2020 年，包括 Donadi、Bassi 和 Curceanu 在内的意大利团队以及匈牙利的 Diósi 使用这种锗探测器测试了 Diósi-Penrose 模型。 这些探测器是为一项名为 IGEX 的中微子实验而创建的，由于它们位于意大利亚平宁山脉的格兰萨索山下方，因此可以免受辐射。
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在仔细减去剩余的背景信号（主要是岩石中的天然放射性）后，物理学家 没有看到排放 在排除了最简单形式的 Diósi-Penrose 模型的灵敏度水平。 他们也 设置了强大的界限 关于各种 CSL 模型可能仍然工作的参数。 最初的 GRW 模型就在这个狭窄的窗口内：它靠胡须幸存下来。
在一个 今年八月发表的论文2020 年的结果得到了一项名为 Majorana Demonstrator 的实验的证实和加强，该实验主要是为了寻找称为 Majorana 中微子的假设粒子（它们具有作为它们自己的反粒子的奇怪特性）。 该实验位于桑福德地下研究设施中，该设施位于南达科他州一个前金矿地下近 5,000 英尺处。 它拥有比 IGEX 更大的高纯度锗探测器阵列，它们可以探测到低能量的 X 射线。 “与之前的工作相比，我们的限制要严格得多，”团队成员金说。
凌乱的结局
尽管物理崩溃模型病得很重，但它们还没有完全消亡。 “各种模型对坍塌的性质和性质做出了非常不同的假设，”金说。 实验测试现在已经排除了这些值的最合理的可能性，但仍有一个小希望。
连续自发定位模型提出，扰动波函数的物理实体是某种“噪声场”，目前的测试假设它是白噪声：在所有频率上都是均匀的。 这是最简单的假设。 但有可能噪声可能是“有色的”，例如通过一些高频截止。 Curceanu 说，测试这些更复杂的模型将需要以比目前更高的能量测量发射光谱。
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Majorana Demonstrator 实验现已结束，但该团队正在与一项名为 格尔达，总部设在格兰萨索，创建另一个探测中微子质量的实验。 叫 传说，它将拥有更大质量和更灵敏的锗探测器阵列。 “Legend 或许能够进一步推动 CSL 模型的极限，”Kim 说。 还有 建议 测试 这些模型在天基实验中不会受到环境振动产生的噪音的影响。
伪造是一项艰苦的工作，而且很少能达到一个整洁的终点。 即使是现在，根据 Curceanu 的说法，罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）——他被授予 2020诺贝尔物理学奖 因为他在广义相对论方面的工作——正在研究 Diósi-Penrose 模型的一个版本，其中根本没有自发辐射。
尽管如此，有些人怀疑，对于这种量子力学观点，写作已经成定局。 “我们需要做的是重新思考这些模型试图实现的目标，”Zych 说，“看看激励问题是否可能无法通过不同的方法得到更好的答案。” 虽然很少有人会争辩说测量问题不再是一个问题，但自第一个坍缩模型提出以来的几年里，我们也学到了很多关于量子测量需要什么的知识。 “我认为我们需要回到几十年前创建这些模型的问题，”她说，“并认真对待我们在此期间学到的东西。”
