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量子坍缩是由引力诱发的吗?

2020/9/14 18:21:17 来源:原创 浏览:



一个粒子可以同时出现在两个地方,这是量子理论中最奇怪的原则之一。但是,当对这个粒子进行测量时,却只能发现它出现在这两处位置中的其中一处。这就好比是量子物理学中最著名的那只薛定谔的猫一样,它可以同时处于活着死亡的状态,直到对它进行测量时,它的命运才成为既定事实。


根据量子力学,观测粒子的行为会使它的波函数坍缩,使它随机地出现在两个位置中的一个;换句话说,这意味着一个物体的状态不仅取决于它自身的特性,还取决于观测者如何测量它。然而,物理学家们为此争论的是,并没有明确的物理解释,可以说明为何会出现这种量子坍缩。


此外,虽然量子力学完美地解释了像原子这样的微观系统的行为,但目前仍缺乏实验证据表明它也适用于描述像人类这样的宏观物体。如此一来,就有物理学家质疑是否存在这样一种可能性,即与其秉持量子测量的概念,倒不如将波函数坍缩视作为量子力学的一个问题,并试图找出一种能够描述在测量之前,导致了波函数坍缩的机制。


引力是解释波函数坍缩的一个有力候选,因为它普遍存在, 且强度随质量的增加而增加。费曼(Richard Feynman)就曾在他的引力讲座中提到,宏观尺度上的量子叠加的坍缩或许与引力有关。顺着这个思路,上世纪80年代,匈牙利物理学家Lajos Diósi和英国物理学家彭罗斯(Roger Penrose)先后独立提出,在分子和原子的尺度上,引力的影响是可以忽略不计的,但是随着物体的增大,其效应会随之大幅增加,从而导致波函数坍缩


现在,一组国际合作的物理学家在《自然-物理》杂志上发表了一项新的论文,他们的实验表明,引力可能不能再被视作为造成了量子坍缩的一个可信机制,并因此排除了一系列有关于“引力导致坍缩”的理论。



作为引力假说的拥护者,彭罗斯认为,这种假说消除了以人类为中心的思想,他不认为测量本身会在某种程度上导致坍缩,物理学并不会因有人来观测过它而改变。


在彭罗斯的框架中,他认为当一个“显著的”时空曲率出现时,量子的线性叠加就会立即失效。当一个系统处于空间量子叠加时,会产生两个不同的时空叠加,彭罗斯相信,不同的时空叠加会受到抑制:处于叠加的系统的质量越大,两个时空的差异就越大,波函数坍缩的速度也就越快。


根据量子引力,一个系统的空间量子叠加会产生不同的时空曲率的叠加。| 参考素材:Donadi et. al. / Nature


Diósi的建议是对量子力学进行修正,使其在某些特定的限制下与广义相对论相一致。他通过引入一种包含了随机性的引力场,提出了一种描述量子引力的方法。其基本思想是,任何物体的引力场都不在量子理论的范围之内,它拒绝被置于所谓的“叠加态”中。所以,如果一个粒子出现在这里和那里,它的引力场也会试图做同样的事情——但引力场不能长时间维持这种情况,它会坍缩,并带着粒子一同坍缩。


不过,Diósi的设计却面临无法用任何现实技术来验证的难题。



现在,在Diósi参与到的一项新研究中,物理学家实现了一种新的实验方法,使检验Diósi的假设成为了可能。这种方法的理论前提是,无论导致波函数坍缩的机制是引力还是别的,一个坍缩的系统会随机转向,使系统升温,就好像是系统被施以了一个动量;如果一个带电粒子被反复地随机加速、减速,那么它会在转向时释放出辐射。


Diósi和彭罗斯的模型不仅预测了波函数的坍缩,还预测了无处不在的随机扩散(橘色箭头),当粒子带电时,这种扩散会伴随着辐射(白色波浪线)的发射而出现。| 参考素材:Donadi et. al. / Nature


在实验中,研究人员用一个咖啡杯大小的晶体建造了一个探测器,然后用铅把锗晶体包裹起来,将其放置在位于地底1.4公里处的格兰萨索国家实验室(意大利中部)中,以保护它免受其他辐射源的污染。在2014年和2015年的为期两个多月的时间里,通过测量锗核的质子中产生的过量X射线和伽马射线,他们共观测到了576个光子,与预计的506个自然辐射的放射性光子数量接近。


相比之下,彭罗斯的模型预测应出现7万个这样的光子。也就是说研究人员应该在晶体实验中看到一些坍缩效应,但结果表明并没有。这表明,引力并没有把粒子从它们的量子叠加中“解放”出来



彭罗斯表达了他对新研究的赞赏。但他认为,目前仍无法做到对他的模型进行验证。此外,他也一直无法接受“粒子转向”的设想,他认为这是一种可能会导致宇宙能量增加或减少的情景,它违反了物理学基本原理的。现在,彭罗斯正在试图创造了一个新的、改进过的模型,模型中不会涉及到热量或辐射的产生,在这种情况下,引力或许就能导致坍缩。


若要更进一步证实此次的研究结果,物理学家还需要直接制造出这些叠加态,以此来观察是否可以将所有“引力诱发坍缩”的模型都排除在外。


参考来源:

https://www.nature.com/articles/s41567-020-1026-2

https://www.nature.com/articles/s41567-020-1008-4

https://www.sciencemag.org/news/2020/09/one-quantum-physics-greatest-paradoxes-may-have-lost-its-leading-explanation

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