几十年来对量子怪异解释的实验注定了厄运

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，实际上所有结果都是在几乎无限数量的分支宇宙中实现的——物理学家现在称之为“ 许多世界”。

事实是，“波函数坍缩的根本原因尚不清楚，”加利福尼亚州劳伦斯利弗莫尔国家实验室的物理学家Inwook Kim说。 “为什么以及如何发生？”

Angelo Bassi 研究过理论坍塌模型和它们的实验测试。

1986 年，意大利物理学家 Giancarlo Ghirardi、Alberto Rimini 和 Tullio Weber提出了一个答案。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定义明确的经典状态。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；后来被称为连续自发定位 (CSL) 模型的改进涉及逐渐、连续的崩溃，而不是突然的跳跃。澳大利亚昆士兰大学的物理学家Magdalena Zych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。

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。 Donadi 和他的同事Angelo Bassi已经表明，任何动态自发坍塌模型都会发射这种辐射，包括 Diósi-Penrose 模型。

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）提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，他在犹他州的一次徒步旅行中被闪电击中并死亡。）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。

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，物理学家发现在排除了最简单形式的 Diósi-Penrose 模型的灵敏度水平上没有发射。他们还对各种 CSL 模型可能仍然有效的参数设置了严格的界限。最初的 GRW 模型就在这个狭窄的窗口内：它靠胡须幸存下来。

在今年 8 月发表的一篇论文中，2020 年的结果得到了一项名为“马约拉纳演示器”的实验的证实和加强，该实验主要是为了寻找称为马约拉纳中微子的假设粒子（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。

Majorana Demonstrator 实验现已接近尾声，但该团队正在与位于 Gran Sasso 的名为Gerda的实验进行新的合作，以创建另一个探测中微子质量的实验。被称为Legend ，它将拥有更大规模、因此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。还有一些建议在太空实验中测试这些模型，这些模型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。根据 Curceanu 的说法，即使是现在，因在广义相对论方面的工作而获得2020 年诺贝尔物理学奖的罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）仍在研究一个完全没有自发辐射的 Diósi-Penrose 模型版本。

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。”