物理

对量子力学的解释经受了经验的考验

在意大利Gran Sasso地下实验室进行的一项实验中,测试了量子力学中波函数的自发崩溃,即Diósi-Penrose。

肖恩·拜利
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量子力学Diosi 彭罗斯

量子力学中最令人惊讶的预测之一是,一个物体可以同时在两个地方。通过大量实验证实的这种所谓的“叠加”现象似乎仅适用于微观系统,而不适用于宏观物体。物理学家不同意这种限制的原因。特别是由英国罗杰·彭罗斯(Roger 彭罗斯)(今年因其在黑洞上的理论研究而获得诺贝尔物理学奖)和匈牙利威格纳物理学研究中心的拉霍斯·迪奥西(LajosDiósi)所探索的曲目来自“ be由法兰克福高级科学研究所的Sandro 多纳迪团队进行了测试。他们的经验为该模型建立了严格的约束。

量子力学描述了一个在许多方面都非常奇怪且与我们的日常经验相悖的世界。状态的叠加是特殊的情况,这可能是最著名的例子。这种现象有助于解释杨氏狭缝的著名实验。这包括照亮一个屏幕,其中刺穿了两个平行的缝隙。然后,在放置在狭缝后面的第二个屏幕上,形成交替出现明暗平行带的干涉图案。两个缝隙中的每个缝隙都充当辅助光源,并且这两个光源相互干扰,电磁定律可以完美地描述这些缝隙。

该实验也适用于电子束,因为量子力学指出粒子也可以像波一样起作用。因此,与光一样,存在来自电子的干扰。但是,如果一次仅发射一个电子,则由于“亮”带中的电子积累和“暗”带中的电子不存在而逐渐形成干涉图样。但是单个电子如何以及以什么方式干扰以创建观察到的图案?为了解释这一点,我们必须考虑到电子本质上是波状的,并且同时穿过两个缝隙。

在量子力学中,称为“波函数”的数学对象描述了量子系统的状态。此处的叠加导致系统不同可能状态的线性组合(加权和)。该函数会随着时间不断发展,但是在进行测量的那一刻,波动函数“崩溃”了,仅观察到一种可能的状态。您永远看不到状态的叠加,因为测量会破坏叠加。例如,如果我们将探测器放置在Young实验的狭缝之一上以查看电子通过的位置,则干涉图消失。每个电子将通过一个狭缝或另一个。

量子力学的规则不能解释波函数崩溃的根源。它们只是在公理上指示如何在测量过程中处理该现象。此外,如果杨氏狭缝实验突出了微观系统(光子或电子)的状态叠加的后果,那么对于宏观物体,我们不会观察到这种现象。为什么呢欧文·施罗丁格(ErwinSchrödinger)通过他著名的思想实验说明了这种想法的荒谬性。根据量子形式论,将一只猫锁在一个不透明的盒子中,盒子里可以随机散布或不散布致命的毒药,根据量子形式论,它会处于“活着”和“死亡”的叠加状态,直到打开盒子才能看到猫是“活着”还是“死亡”。

许多物理学家提供了量子力学的解释途径来描述状态的叠加,波函数的崩溃以及微观-宏观的极限。一些最著名的方法包括休·埃弗里特的多重世界,路易斯·德布罗意的导波理论及其更现代的版本-波姆力学(由戴维·波姆提出)。这些解释具有无法被确认或无效的声誉。没有经验可以证明它们是否正确。

但是,另一类理论的优势是做出可以在实验室或通过天体观测观测得到检验的预测:自发坍塌模型。这个想法是要引入一种机制,该机制自发地导致波函数崩溃。因此,在宏观物体中,粒子的波函数可能突然崩溃,这种效应随后在整个系统中传播。如果减少到单个孤立粒子的坍塌很少发生,那么当人们考虑扩展物体时(从10数量级开始)21 原子)。直接的结果是宏观系统永远不会处于叠加状态。

1986年,意大利物理学家Giancarlo Ghirardi,Alberto Rimini和Tullio Weber提出了第一个自发坍塌模型,方法是用引起塌陷的术语修改Schrödinger方程(描述波动函数的演化)。这个术语将是更基本的理论的体现,尚待阐明。

拉霍斯·迪奥西(LajosDiósi)和罗杰·彭罗斯(Roger 彭罗斯)独立并遵循不同的推理,提出坍塌与重力有关。在英国物理学家的方法中,叠加的每个状态以不同的方式使时空变形,因为它对应于不同的位置或能量。但是这些配置的叠加是不稳定的,并导致 很好 还原为一种状态。一个物体越重,这种情况就越不稳定并很快崩溃。

迪奥斯彭罗斯时空粒子

在Diósi-Penrose模型中,两个叠加状态以不同方式使时空变形。然后将颗粒进行类似于布朗运动的搅拌。如果带电,它也会发出辐射。

由Nature-Springer,S。Donadi等提供, 自然物理学,©2020

对于LajosDiósi来说,第一步是修改量子力学以适应广义相对论的某些方面。拉霍斯·迪奥西(LajosDiósi)和罗杰·彭罗斯(Roger 彭罗斯)通过不同的路径得出了相同的方程。

他们的理论包含一个参数,即塌陷半径,该参数控制波动函数的塌陷效率。如果此半径较大,则效果会太弱而无法有效塌陷:那么该模型将无法减少宏观物体,例如薛定'的猫。拉霍斯·迪奥西(LajosDiósi)和罗杰·彭罗斯(Roger 彭罗斯)提出,该半径应在原子核大小的数量级上。

此外,该理论预测了两个主要影响。由于重力场不断受到波动(一种背景噪声)的影响,浸入该介质中的粒子不断受到加速和减速作用。这种搅动引起材料的微弱加热。另外,如果粒子带电,它们会发出辐射,尤其是在X射线范围内,这些效应提供了两种测试理论的方法,即设法测量这种热量或辐射,从而从中推导出实验值。倒塌半径,看它是否与理论值一致。

例如,2019年,慕尼黑马克斯-普朗克量子光学研究所的Antoine Tilloy和澳大利亚昆士兰大学的Thomas Stace研究了中子星的温度。他们的想法是假设恒星本身是坍塌的结果(并非如此),以测量恒星的表面温度。坍塌半径越小,作用越剧烈,并产生能量。通过观察温度为42,000开尔文的中子星,两位研究人员因此排除了小于质子大小的射线(10-15 仪表)。更冷的恒星将排除更大的射线。这种方法的缺点是它是间接的,并且很难控制与遥远恒星有关的所有参数。

桑德罗·多纳迪(Sandro 多纳迪)和他的同事们探索了第二条途径:测量带电粒子的辐射。他们在意大利Gran Sasso的地下实验室进行了实验。研究人员使用了几厘米宽的锗晶体。他们测量了材料质子发出的多余X射线和伽马射线。经过两个月的观察,他们发现了576个光子,而他们预期从周围的自然放射性中获得了506个。这远小于根据LajosDiósi和Roger 彭罗斯的理论假设(塌陷半径为0.05×10)所预期的大约70,000个光子。-10 仪表。经验表明,该半径必须至少大10倍。这种不相容性表明Diósi-Penrose的理论是错误的。

Diosi 彭罗斯检测器

Sandro 多纳迪的团队追踪了锗晶体中的光子发射 (绿色)。检测器被各种屏蔽物包围,以限制背景噪声。

由Nature-Springer,S。Donadi等提供, 自然物理学,©2020

这是一个有趣的结果,因为很少能够测试量子力学的解释性假设。尽管如此,一些工作表明,有可能修改Diósi-Penrose倒塌场景,以逃避对倒塌半径的约束。新的实验测试会最终排除所有自发的坍塌情况吗?量子力学的解释还没有完全激发出一些墨水...

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