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(2022-11-01 13:45:11)
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实验诅咒几十年老的量子诡异性的解释的判决
长期以来物理坍塌理论已经为量子世界的核心秘密提供了一个自然的解决方案。但一系列越来越精确的实验正使它们站不住脚的。
提议一个量子波函数的坍塌的自然引发器的理论似乎对它们自己正在坍塌。
Michal Bednarski for Quanta Magazine
October 20, 2022
但现在我们可能准备好来消灭至少一套建议。最近的实验已经动员了粒子物理仪器的极端敏感性来测试量子可能性的“坍塌”变成一个单一的经典现实不仅是一个数学上的便利而且是一个真正的物理过程这一想法------一个叫“物理坍塌”的想法。实验没有发现被至少这些现在来明确的说物理坍塌确实不发生还为时过早。一些研究人员相信这些模型还可以被修改来逃避被实验的零结果放在它们上的约束。领导了一个实验意大利里雅斯特国家核物理研究所（INFN）理论物理学家桑德罗说，虽然“总是有可能来拯救任何模型”， 但他怀疑“团体将保持修改这些模型[无限期]，因为将不会有太多通过这样做来学习的”。套索似乎在这个试图来解决量子理论的最大秘密上正在收紧。
什么造成坍塌？
物理坍塌模型旨在来解决传统量子理论的一个核心困境。1926年，欧文·薛定谔断言了一个量子物体被一个叫波函数的数学实体描述，它囊括所有关于该物体及其属性能被说的。顾名思义，一个波函数描述一种波------而不是一种物理的波。相反它是一种“概率波”，它允许我们来预测对该物体做出的测量的各种可能结果，以及在一个给定的实验中观测它们中任何一个的机会。
像这样的探测器，最初是为中微子研究设计的，已经承担了测试物理坍塌理论的预测的第二项工作。Nick Hubbard, Sanford Underground Research Facility
如果在这样的物体上当它们被以一种相同的方式准备时做出了许多测量，波函数总是正确地预测结果的统计分布。但没有知道任何单一测量的结果会是什么的办法------量子力学只提供概率。是什么决定一个特别的观测呢？1932年，数学物理学家约翰·冯·诺伊曼提出了当一个测量被做出时波函数被“坍塌”成一个可能的结果之一。这个过程本质上是随机的，但被它编码的概率偏差。量子力学本身似乎并不来预测坍塌，坍塌不得不被手动添加到计算中。
作为一个特殊的数学技巧，它工作得足够好。但对一些研究人员这似乎（并继续）是一个不令人满意的敏捷的手法。爱因斯坦著名的把它比作上帝玩骰子来决定什么变成“真实的”------我们实际上在我们的古典世界中观察到的。丹麦物理学家尼尔斯·玻尔在他所谓的哥本哈根解释中，简单地宣布了这个问题是越界的，他说物理学家只不得不来接受量子和经典体系之间的一个基本区别。相比之下，在1957年，物理学家休·埃弗雷特断言了波函数坍塌只是一种幻觉并且事实上所有的结果都被在一个接近无限数量的分支宇宙中实现了------物理学家现在叫“许多世界”的。
真相是加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家英乌克·金说，“造成波函数坍塌的根本原因还不知道。为什么和它怎样发生呢？”
安吉洛·巴西已经在理论坍塌模型和测试实验它们上工作。Università degli Studi di Trieste
1986年，意大利物理学家吉安卡洛·吉拉尔迪、阿尔贝托·里米尼和图利奥·韦伯提出了一个答案。他们说，如果薛定谔的波方程并不是全部故事会是什么呢？他们摆出了一个量子系统恒定的被一些未知影响刺激，这种影响能诱发它自发的跳跃成一个系统的可能的在一个取决于系统有多大的时间尺度上可观测状态之一。一个小的、孤立的系统比如一个量子超位中的原子（一种其中几种测量结果是可能的状态）将很长一段时间呆在这种方式。但是更大的物体------比如说一只猫或一个原子当与一个宏观测量装置相互作用时------几乎瞬间的坍塌成一个完好定义的经典状态。这种所谓的GRW模型（以三人的首字母起名）是第一个物理坍塌模型；一个后来被称为连续自发局部化（CSL）模型的改进涉及渐进的、连续的坍塌而不是一个突然的跳跃。澳大利亚昆士兰大学的物理学家马格达莱娜·齐奇说，这些模型不是就像它添加到量子力学一样的如此多量子力学的解释。
是什么经由波函数坍塌造成这种自发的局部化呢？GRW和CSL模型没有说；他们只是建议对薛定谔方程添加一个数学项来描述它。但在20世纪80年代和90年代，牛津大学的数学物理学家罗杰·彭罗斯和布达佩斯的伊奥特沃斯·洛兰大学的拉霍斯·迪奥西独立的提出了造成坍塌的可能原因：引力。粗略地说，他们的想法是如果一个量子物体处于位置的超位状态，每个位置状态将经由它们的引力相互作用“感觉”其它的。就好像这种吸引造成物体来测量它自己一样，迫使一个坍塌。或者如果你从广义相对论的角度观察它，它描述引力，一个位置的超位一下子以两种不同的方式形变空时的织造，一种广义相对论不能适应的情况。正如彭罗斯所说，在一个量子力学和广义相对论之间的僵局中，量子将首先破裂。
真相的测试
这些想法一直都是高度推测性的。但是，与像哥本哈根和埃弗雷特的解释一样的量子力学的解释相比，物理坍塌模型有做出可观察到的预测的精髓------因此是可测试的和可证伪的。
量子意识？
迪奥西-彭罗斯物理坍塌模型的最挑衅性和推测性的预测之一是它可能解释意识。特别是，引力可能引诱神经元中叫微管的蛋白质丝中的量子力学振动的坍塌，从而触发有意识的晓知。这些想法是罗杰·彭罗斯与麻醉师斯图尔特·哈默罗夫合作开发的，产生了意识的“Orch OR”模型。
如果物理坍塌模型像它们似乎是的被实验排除，那么这个游戏就开始了------这些模型不能够可能的解释意识。无论如何，其他的实验似乎不管怎样正在来结束Orch OR。阿尔伯塔大学的肿瘤学家和物理学家杰克·图辛斯基正在与哈默罗夫领导一个项目合作，在这个项目中几个团队已经独立的进行了模型的各个方面的生物物理实验，包括微管的集体量子态的光谱学研究。他们的报告仍在同行评审中，但结果没有显示被预测的效果的迹象。图辛斯基说，“还没有任何东西被完全的排除，如果它从来能是，但是每个Orch OR理论假设的不可能性当采取结合时变得混合的，这使它超难来接受如此一个无限小的可能性” 。
如果真的有一个引起量子坍塌的背景扰动------无论它是来自引力效应还是某些另外的东西------那么所有的粒子都将不断地与这个扰动相互作用，不管它们是否处于一个超位状态。后果原则上应该是可探测到的。意大利里雅斯特国家核物理研究所的物理学家卡特琳娜·库塞诺说，这种相互作用应该创造一个与布朗运动可比较的“太空中粒子的永恒的之字形”。
目前的物理坍塌模型提出这种扩散运动只是非常轻微的。尽管如此，如果粒子是带电的，运动将在一个叫轫致辐射的过程产生电磁辐射。因此一块物质应该继续的发射一个非常微弱的光子流，这典型模型版本预测是在x射线范围中的。多纳迪和他的同事安吉洛·巴西已经证明这种辐射的发射被期望来自任何动态自发坍塌模型，包括迪奥西-彭罗斯模型。
然而，金说“虽然这个想法是简单的，但实际上这个测试并不是那么容易的”。预测的信号是极端的弱，这意味着一个实验必须涉及大量的带电粒子来获得一个可检测的信号。而来自宇宙射线和环境辐射的背景噪声必须被保持在低水平。这些条件只能通过最极其敏感的实验来满足，比如那些被设计用来探测暗物质信号或被称为中微子的难以捉摸的粒子的。
1996年，纽约汉密尔顿学院的付启佳------当时只是一名本科生------提出了用基于锗的中微子实验来检测一个x射线发射的CSL签名。（在他提交论文几周后他在犹他州徒步旅行时被闪电击中身亡）。想法是在锗中的质子和电子应该发射自发的辐射，超灵敏的探测器会拾起这些辐射。然而，仅最近有所需灵敏度的仪器开始上线。
2020年，意大利的一个包括多纳迪、巴西和库塞诺在内的研究小组以及匈牙利的迪奥西用了这种一个锗探测器来测试迪奥西-彭罗斯模型。这些探测器是为一个名为IGEX的中微子实验创造的，由于它们位于意大利亚平宁山脉的一座大山格兰萨索之下被从辐射屏蔽。
在这里看到2016年在罗马举行的一次TedX活动中卡他丽娜库塞诺（Catalina Curceanu）用粒子物理探测器对坍塌理论放上一个严格的约束。TEDxRoma
在小心地减去剩余的背景信号后------主要是来自岩石的自然放射性------物理学家们在一个灵敏度水平上没有看到发射，这排除了迪奥西-彭罗斯模型的最简单形式。他们还对各种CSL模型可能仍起作用的参数放上了严格的界限。最初的GRW模型就位于这个狭窄的窗口内：它被一根胡须存活。
在今年8月发表的一篇论文中，2020年的结果被一个叫马约拉纳演示器的实验证实并加强，该实验主要是为寻找被称为马约拉纳中微子的假设粒子（它们具有是它们自己的反粒子的奇怪属性）建立的。该设施位于南达科他州一个前金矿地下近5000英尺的地方中。它拥有一个比IGEX更大的高纯度锗探测器阵列，它们能探测到低能量的x射线。团队成员金说，“与之前的工作相比，我们的限制是如此严格得多的”。
一个混乱的结局
虽然物理坍塌模型是糟糕的不佳的，但它们还不是相当的死亡。金说，“各种模型做出关于坍塌的属性和性质的非常不同的假设”。实验测试现在已经排除了这些值的最承诺的可能性，但仍有一个小小的希望之岛。
连续自发局部化模型提出扰动波函数的物理实体是某种“噪声场”，这目前的测试假设是白噪声：在所有频率上是均匀的。这是最简单的假设。但噪音可能是“带色”的有可能，例如有一些高频截止。库塞诺说，测试这些更复杂的模型将需要测量比目前为止已经是可能的更高的能量发射光谱。
格尔达实验的特点是一个大水罐，将锗探测器保持在一层液氩保护层中。水箱周围的大厅里将装满纯净水。Kai Freund/LNGS-INFN.
马约拉纳演示器实验现在正在结束，但该团队正在与一个位于格兰萨索的叫格尔达（Gerda）的实验形成一个新的合作，来创建另一个探测中微子质量的实验。叫传奇，它将拥有更大的质量，因此更敏感的锗探测器阵列。金说，“传奇可能能够进一步推动在CSL模型上的限制”。也有人建议在天基实验中测试这些模型，这些实验不会遭受由环境振动产生的噪声。
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证伪是一种艰苦的工作，罕见的达到一个整洁的终点。甚至现在按照柯库塞诺，罗杰·彭罗斯------因他的在广义相对论上的工作而获得2020年的诺贝尔物理罗奖------正工作在一个其中毕竟没有自发辐射的迪奥西-彭罗斯模型上。
尽管如此，一些人怀疑对这个量子力学的观点，写作是在墙上的。兹奇说“我们需要做的是重新思考这些模型正在试图来取得的”，她说“看是否动机问题通过一种不同的方法可能没有一个更好的答案” 。虽然很少有人争论测量问题不再是一个问题，但在第一个坍塌模型被提出以来的几年里我们也学到了很多关于量子测量跟着的东西，我认为我们需要走回到这些模型几十年前被创造的问题，严肃的采取我们在同时已经学到了的” 。
https://www.quantamagazine.org/physics-experiments-spell-doom-for-quantum-collapse-theory-20221020/
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