Главная Физика Физики: объективная реальность - это вариация на тему квантового коллапса

Объективная реальность квантовых состояний

Как объективная реальность возникает из палитры возможностей, предоставляемых квантовой механикой?

Этот вопрос - самая глубокая и самая сложная проблема, поставленная теорией. И до сих пор является предметом споров, которые продолжаются более ста лет.

Возможные объяснения являются следствием наблюдаемого за мира. И вместе с тем квантовая механика порождает различные интерпретации того, что называют квантовым миром. Она моделирует невероятные версии самой себя, в зависимости от наших собственных подходов и теоретических предпочтений.

Но теперь мы, вроде как, готовы устранить по крайней мере один набор предположений.

В недавних, чрезвычайно чувствительных экспериментах, была проверена идея "коллапса" квантовых вероятнсотей в «объективную» классическую реальность.

То есть мы имеем дело не просто с математическим удобством, а с реальным процессом, "физическим коллапсом". Однако эксперименты не обнаружили никаких доказательств эффектов, предсказанных  теориями коллапса.

Пока еще слишком рано однозначно утверждать, что физический коллапс вообще не происходит. Некоторые исследователи полагают, что предложенные модели еще можно модифицировать, дабы избежать ограничений, наложенных экспериментами.

Хотя "всегда есть возможность спасти любую модель", утверждает Сандро Донади, физик-теоретик из Национального института ядерной физики (INFN) в Триесте, который руководил одним из экспериментов.

Он сомневается, что "сообщество будет продолжать до бесконечности модифицировать модели.

Похоже, петля затягивается на любых попыткахе разрешить самую большую загадку квантовой теории.

Что вызывает коллапс волновой функции?

Доступные модели коллапса направлены на решение центральной дилеммы квантовой теории.

В 1926 году Эрвин Шредингер утверждал, что квантовый объект описывается математической сущностью, называемой волновой функцией, которая заключает в себе все, что известно об объекте и его свойствах.

Они совершили революцию физической реальности

Как следует из названия, волновая функция описывает один вид волны, - но не физической.

Скорее, это "волна вероятности", которая позволяет нам предсказать результаты измерений объекта и вероятность наблюдения в том или ином эксперименте.

Если на таких объектах производится много измерений, когда они подготовлены одинаковым образом, волновая функция всегда предсказывает статистическое распределение результатов. Но нет никакого способа узнать, каким будет результат любого отдельного измерения - квантовая механика предлагает только вероятности.

Что определяет конкретное наблюдение?

В 1932 году математический физик Джон фон Нейман предположил, что при измерении волновая функция "сворачивается" в один из вероятных результатов. Этот процесс, по сути, является случайным, но предопределенным из-за вероятностей, которые он кодирует. Сама квантовая механика, похоже, не предсказывает коллапс, который приходится добавлять в расчеты вручную.

 

Коллапсирующая функция работает прекрасно. Как специальный математический трюк. Но некоторым исследователям он казался (и продолжает казаться) неудовлетворительной ловкостью рук.

Эйнштейн как-то проронил знаменитую фразу об игре Бога в кости, утверждая, что только он решает, что станет "реальным" – и наблюдаем в нашем классическом мире.

Датский физик Нильс Бор предложил так называемую копенгагенскую интерпретацию: данный вопрос не подлежит обсуждению. Физики просто должны принять на веру фундаментальное различие между квантовым и классическим режимами.

Однако в 1957 году физик Хью Эверетт возразил, что коллапс волновой функции - это всего лишь иллюзия, и что на самом деле все результаты проявляются в почти бесконечном количестве разветвленных вселенных – так возникла идея мультивселенной.

Истина в том, что "фундаментальная причина коллапса волновой функции пока неизвестна", - говорит Инвук Ким, физик из Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса, Калифорния.

"Почему и как это происходит?"

В 1986 году итальянские физики Джанкарло Гирарди, Альберто Римини и Туллио Вебер предложили ответ.

Что если, сказали они, волновое уравнение Шредингера - это не вся история? То есть квантовая система постоянно подвергается какому-то неизвестному воздействию, которое побуждает к переходу в одно из возможных состояний. С последующим временным интервалом, зависящим от размера самой системы: возникает "объективная реальность".

 

Маленькая изолированная система, например, атом, остается в состоянии суперпозиции бесконечно долго.

Но более крупные объекты - скажем, кошка Шредингера или атом при взаимодействии с макроскопическим измерительным устройством - практически мгновенно переходят в четко определенное классическое состояние.

Возникает так называемая модель GRW (по инициалам троицы); более поздняя доработка, известная как модель непрерывной спонтанной локализации (CSL), предполагает постепенный, непрерывный коллапс, а не внезапный скачок.

Данные модели являются не столько интерпретацией квантовой механики, сколько дополнением к ней, говорит физик Магдалена Зых из Университета Квинсленда, Австралия.

Что вызывает эту спонтанную локализацию? Модели GRW и CSL не говорят об этом; они просто предлагают добавить один математический термин в уравнение Шредингера, чтобы описать момент коллапса.

Но в 1980-х и 90-х годах Роджер Пенроуз, Оксфорд, и Лайош Диоси из Университета Этвеша Лоранда, Будапешт, независимо друг от друга предложили возможную причину коллапса: гравитация.

Если совсем упростить, квантовые объекты посредством гравитации «чувствуют» друг друга, когда находятся в суперпозиции. Притяжение как бы заставляет объект измерять себя, коллапсировать.

Если же посмотреть на это с точки зрения общей теории относительности, тогда суперпозиция местоположений деформирует ткань пространства-времени сразу двумя различными способами, что не может быть учтено теорией Эйнштейна.

Как выразился Пенроуз, в противостоянии между квантовой механикой и общей относительностью квантовая теория сломается первой.

Модели физического коллапса

Идеи коллапсируюшей функции всегда были весьма спекулятивными. В отличие от объяснений квантовой механики, таких, как копенгагенская интерпретация и интерпретация Эверетта, модели физического коллапса ориентированы на наблюдаемые предсказания, а значит, поддаются проверке и фальсификации.

 

Если действительно существует фоновое возмущение, которое провоцирует квантовый коллапс - происходит ли оно вследствие гравитационных эффектов или из-за чего-то другого - все частицы будут постоянно взаимодействовать, независимо от того, находятся они в суперпозиции или нет.

Взаимодействие должно создать "постоянное зигзагообразное движение частиц в пространстве", сравнимое с броуновским движением, полагает Каталина Курчану, физик из INFN.

Существующие модели физического коллапса предполагают, что диффузионное движение очень незначительно. Тем не менее, если частица электрически заряжена, движение будет генерировать электромагнитное излучение.

Таким образом, комок материи должен постоянно испускать очень слабый поток фотонов, скорее всего, в рентгеновском диапазоне.

Донади и его коллега Анджело Басси показали, что испускание такого излучения ожидается от любой модели динамического спонтанного коллапса, включая модель Диози-Пенроуза.

Однако "хотя идея проста, на практике она почти не проверяема", - говорит Ким.

Предсказанный сигнал чрезвычайно слаб, а это значит, что в успешном эксперименте должно участвовать огромное количество заряженных частиц.

При этом фоновый шум, который исходит анализируемых источников, должен быть предельно низким. Такие условия выполнимы только в самых чувствительных экспериментах, например, по обнаружению сигналов темной материи или нейтрино.

В 1996 году Цицзя Фу из Гамильтонского колледжа в Нью-Йорке - тогда еще студент - предложил проводить нейтринные эксперименты на основе германия;и заодно обнаружить рентгеновские сигнатуры CSL.

Идея заключалась в том, что протоны и электроны должны испускать спонтанное излучение, улавливаемое сверхчувствительными детекторами. Однако только недавно появились приборы с необходимой чувствительностью.

В 2020 году команда из Италии, включая Донади, Басси и Курчану использовала германиевый детектор для проверки модели Диоси-Пенроза.

Детекторы, созданные для нейтринного эксперимента под названием IGEX, защищены от радиации благодаря своему расположению под Гран-Сассо, горой в Италии.

После тщательного вычитания оставшегося фонового сигнала - в основном естественной радиоактивности горной породы - физики не увидели никакого излучения на уровне чувствительности, который исключает простейшую форму модели Диози-Пенроза.

Они также установили сильные ограничения на параметры, в пределах которых различные модели CSL еще могут работать.

В работе, опубликованной в августе этого года, результат 2020 года был подтвержден и усилен экспериментом под названием Majorana Demonstrator, который был проведен для поиска нейтрино Майораны.

Эксперимент проводился в подземном исследовательском центре Сэнфорда, на глубине почти 1300 метров в бывшей шахте в Южной Дакоте.

В распоряжении ученых находилось большее количество высокочистых германиевых детекторов, способных обнаруживать рентгеновские лучи вплоть до низких энергий.

"Наш предел гораздо более строгий по сравнению с предыдущими работами", - поясняет Ким.

Беспорядочный конец и новые коллапсирующие модели

Хотя модели физического коллапса сильно устарели, они не совсем мертвы.

"Различные модели делают очень разные предположения о природе и свойствах коллапса", - поясняет Ким.

«Экспериментальные тесты уже исключили большинство правдоподобных возможностей, но все еще есть маленький островок надежды".

Модели непрерывной спонтанной локализации предполагают, что физическая сущность, возмущающая волновую функцию, является своего рода "шумовым полем", которое, согласно текущим испытаниям, является белым шумом: однородным на всех частотах.

Это самое простое предположение. Но возможно, что шум может быть "окрашен", например, иметь некоторую высокочастотную отсечку.

Курчану полагает, что для проверки более сложных моделей потребуется измерить спектр излучения при более высоких энергиях, чем было возможно до сих пор.

Эксперимент Majorana Demonstrator сейчас сворачивается, но команда формирует новое сотрудничество с Gerda, расположенным в Гран-Сассо, для проведения другого опыта по исследованию массы нейтрино.

Он будет называться "Легенда" и задействует более массивные и, следовательно, более чувствительные германиевые детекторные решетки.

«Возможно, "Легенда" сможет еще больше расширить границы моделей CSL», - надеется Ким.

 

Есть также предложения о проведении космических экспериментов, которые не будут страдать от шума, создаваемого вибрациями окружающей среды.

Фальсификация - это тяжелая работа, которая редко достигает аккуратной конечной точки.

Даже сейчас, по словам Курчану, Роджер Пенроуз, получивший в 2020 году Нобелевскую премию по физике за работу над общей теорией относительности, работает над версией модели Диози-Пенроуза, где спонтанное излучение вообще отсутствует.

Тем не менее, некоторые ученые подозревают, что такие эксперименты в конечном итоге провалятся.

"Нам нужно переосмыслить, чего пытаются достичь эти модели, - говорит Зых, - и найти другой подход".

Хотя мало кто станет утверждать, что проблема измерения больше не актуальна. За годы, прошедшие с момента появления первых моделей коллапса, мы также многое узнали о том, что влечет за собой квантовое измерение.

"Я думаю, нам нужно вернуться к вопросу о том, для чего эти модели были созданы десятилетия назад, - уверена она, - и серьезно отнестись к тому, что мы узнали за все время".

Дата: 06 ноября 2022

Автор: Филипп Болл

Поделиться с друзьями: