Як об'єктивна реальність виникає з палітри можливостей, які надає квантова механіка?
Це питання - найглибша і найскладніша проблема, поставлена теорією. І досі є предметом суперечок, які тривають понад сто років.
Можливі пояснення є наслідком спостережуваного за світу. І водночас квантова механіка породжує різні інтерпретації того, що називають квантовим світом. Вона моделює неймовірні версії самої себе, залежно від наших власних підходів і теоретичних уподобань.
Але тепер ми, нібито, готові усунути принаймні один набір припущень.
У нещодавніх, надзвичайно чутливих експериментах, була перевірена ідея "колапсу" квантових ймовірностей в "об'єктивну" класичну реальність.
Тобто ми маємо справу не просто з математичною зручністю, а з реальним процесом, "фізичним колапсом". Однак експерименти не виявили жодних доказів ефектів, передбачених теоріями колапсу.
Поки ще занадто рано однозначно стверджувати, що фізичний колапс взагалі не відбувається. Деякі дослідники вважають, що запропоновані моделі ще можна модифікувати, щоб уникнути обмежень, накладених експериментами.
Хоча "завжди є можливість врятувати будь-яку модель", стверджує Сандро Донаді, фізик-теоретик із Національного інституту ядерної фізики (INFN) у Трієсті, який керував одним з експериментів.
Він сумнівається, що "спільнота продовжуватиме до нескінченності модифікувати моделі.
Схоже, петля затягується на будь-яких спробах вирішити найбільшу загадку квантової теорії.
Що викликає колапс хвильової функції?
Доступні моделі колапсу спрямовані на вирішення центральної дилеми квантової теорії.
У 1926 році Ервін Шредінгер стверджував, що квантовий об'єкт описується математичною сутністю, яка називається хвильовою функцією і містить у собі все, що відомо про об'єкт і його властивості.
Як випливає з назви, хвильова функція описує один вид хвилі, - але не фізичної.
Швидше, це "хвиля ймовірності", яка дає нам змогу передбачити результати вимірювань об'єкта і ймовірність спостереження в тому чи іншому експерименті.
Якщо на таких об'єктах проводять багато вимірювань, коли їх підготовлено однаковим чином, хвильова функція завжди пророкує статистичний розподіл результатів. Але немає жодного способу дізнатися, яким буде результат будь-якого окремого вимірювання - квантова механіка пропонує тільки ймовірності.
Що визначає конкретне спостереження?
У 1932 році математичний фізик Джон фон Нейман припустив, що під час вимірювання хвильова функція "згортається" в один із імовірних результатів. Цей процес, по суті, є випадковим, але зумовленим через імовірності, які він кодує. Сама квантова механіка, схоже, не передбачає колапс, який доводиться додавати в розрахунки вручну.
Колапсувальна функція працює чудово. Як спеціальний математичний трюк. Але деяким дослідникам він здавався (і продовжує здаватися) незадовільною спритністю рук.
Ейнштейн якось промовив знамениту фразу про гру Бога в кості, стверджуючи, що тільки він вирішує, що стане "реальним" - і що ми спостерігаємо в нашому класичному світі.
Данський фізик Нільс Бор запропонував так звану копенгагенську інтерпретацію: це питання не підлягає обговоренню. Фізики просто повинні прийняти на віру фундаментальну відмінність між квантовим і класичним режимами.
Однак 1957 року фізик Г'ю Еверетт заперечив, що колапс хвильової функції - це всього лише ілюзія, і що насправді всі результати проявляються в майже нескінченній кількості розгалужених всесвітів - так виникла ідея мультивсесвіту.
Істина в тому, що "фундаментальна причина колапсу хвильової функції поки що невідома", - каже Інвук Кім, фізик із Ліверморської національної лабораторії імені Лоуренса, Каліфорнія.
"Чому і як це відбувається?"
У 1986 році італійські фізики Джанкарло Гірарді, Альберто Ріміні і Тулліо Вебер запропонували відповідь.
Що якщо, сказали вони, хвильове рівняння Шредінгера - це не вся історія? Тобто квантова система постійно зазнає якогось невідомого впливу, який спонукає до переходу в один із можливих станів. З подальшим часовим інтервалом, що залежить від розміру самої системи: виникає "об'єктивна реальність".
Маленька ізольована система, наприклад, атом, залишається в стані суперпозиції нескінченно довго.
Але більші об'єкти - скажімо, кішка Шредінгера або атом при взаємодії з макроскопічним вимірювальним пристроєм - практично миттєво переходять у чітко визначений класичний стан.
Виникає так звана модель GRW (за ініціалами трійці); більш пізнє доопрацювання, відоме як модель безперервної спонтанної локалізації (CSL), передбачає поступовий, безперервний колапс, а не раптовий стрибок.
Ці моделі є не стільки інтерпретацією квантової механіки, скільки доповненням до неї, каже фізик Магдалена Зих з Університету Квінсленда, Австралія.
Що викликає цю спонтанну локалізацію? Моделі GRW і CSL не говорять про це; вони просто пропонують додати один математичний термін у рівняння Шредінгера, щоб описати момент колапсу.
Але в 1980-х і 90-х роках Роджер Пенроуз, Оксфорд, і Лайош Діосі з Університету Етвеша Лоранда, Будапешт, незалежно один від одного запропонували ймовірну причину колапсу: гравітація.
Якщо зовсім спростити, квантові об'єкти за допомогою гравітації "відчувають" один одного, коли перебувають у суперпозиції. Тяжіння ніби змушує об'єкт вимірювати себе, колапсувати.
Якщо ж подивитися на це з погляду загальної теорії відносності, тоді суперпозиція місцеположень деформує тканину простору-часу одразу двома різними способами, що не може бути враховано теорією Ейнштейна.
Як висловився Пенроуз, у протистоянні між квантовою механікою і загальною відносністю квантова теорія зламається першою.
Моделі фізичного колапсу
Ідеї колапсуючої функції завжди були вельми спекулятивними. На відміну від пояснень квантової механіки, таких, як копенгагенська інтерпретація та інтерпретація Еверетта, моделі фізичного колапсу орієнтовані на спостережувані прогнози, а отже, піддаються перевірці та фальсифікації.
Якщо дійсно існує фонове збурення, яке провокує квантовий колапс - чи відбувається воно внаслідок гравітаційних ефектів, чи через щось інше, чи ні, - усі частинки будуть постійно взаємодіяти, незалежно від того, перебувають вони в суперпозиції чи ні.
Взаємодія має створити "постійний зигзагоподібний рух частинок у просторі", який можна порівняти з броунівським рухом, вважає Каталіна Курчану, фізик з INFN.
Існуючі моделі фізичного колапсу припускають, що дифузійний рух дуже незначний. Проте, якщо частинка електрично заряджена, рух генеруватиме електромагнітне випромінювання.
Таким чином, грудка матерії має постійно випускати дуже слабкий потік фотонів, найімовірніше, в рентгенівському діапазоні.
Донаді та його колега Анджело Бассі показали, що випромінювання такого випромінювання очікується від будь-якої моделі динамічного спонтанного колапсу, включно з моделлю Діозі-Пенроуза.
Однак "хоча ідея проста, на практиці вона майже не перевіряється", - каже Кім.
Передбачений сигнал надзвичайно слабкий, а це означає, що в успішному експерименті має брати участь величезна кількість заряджених частинок.
При цьому фоновий шум, який виходить з аналізованих джерел, має бути гранично низьким. Такі умови здійсненні тільки в найчутливіших експериментах, наприклад, з виявлення сигналів темної матерії або нейтрино.
У 1996 році Ціцзя Фу з Гамільтонського коледжу в Нью-Йорку - тоді ще студент - запропонував проводити нейтринні експерименти на основі германію, і заодно виявити рентгенівські сигнатури CSL.
Ідея полягала в тому, що протони й електрони мають випускати спонтанне випромінювання, яке вловлюють надчутливі детектори. Однак тільки нещодавно з'явилися прилади з необхідною чутливістю.
У 2020 році команда з Італії, включно з Донаді, Бассі та Курчану, використовувала германієвий детектор для перевірки моделі Діосі-Пенроза.
Детектори, створені для нейтринного експерименту під назвою IGEX, захищені від радіації завдяки своєму розташуванню під Гран-Сассо, горою в Італії.
Після ретельного віднімання фонового сигналу, що залишився, - здебільшого природної радіоактивності гірської породи - фізики не побачили жодного випромінювання на рівні чутливості, який виключає найпростішу форму моделі Діозі-Пенроза.
Вони також встановили сильні обмеження на параметри, в межах яких різні моделі CSL ще можуть працювати.
У роботі, опублікованій у серпні цього року, результат 2020 року був підтверджений і посилений експериментом під назвою Majorana Demonstrator, який був проведений для пошуку нейтрино Майорани.
Експеримент проводили в підземному дослідницькому центрі Сенфорда, на глибині майже 1300 метрів у колишній шахті в Південній Дакоті.
У розпорядженні вчених була більша кількість високочистих германієвих детекторів, здатних виявляти рентгенівські промені аж до низьких енергій.
"Наша межа набагато суворіша порівняно з попередніми роботами", - пояснює Кім.
Безладний кінець і нові колапсуючі моделі
Хоча моделі фізичного колапсу сильно застаріли, вони не зовсім мертві.
"Різні моделі роблять дуже різні припущення про природу і властивості колапсу", - пояснює Кім.
"Експериментальні тести вже виключили більшість правдоподібних можливостей, але все ще є маленький острівець надії".
Моделі безперервної спонтанної локалізації припускають, що фізична сутність, яка обурює хвильову функцію, є свого роду "шумовим полем", яке, згідно з поточними випробуваннями, є білим шумом: однорідним на всіх частотах.
Це найпростіше припущення. Але можливо, що шум може бути "забарвлений", наприклад, мати деяку високочастотну відсічку.
Курчану вважає, що для перевірки складніших моделей потрібно виміряти спектр випромінювання за вищих енергій, ніж було можливо досі.
Експеримент Majorana Demonstrator зараз згортається, але команда формує нову співпрацю з Gerda, розташованим у Гран-Сассо, для проведення іншого досліду з дослідження маси нейтрино.
Він називатиметься "Легенда" і задіє більш масивні і, отже, більш чутливі германієві детекторні решітки.
"Можливо, "Легенда" зможе ще більше розширити межі моделей CSL", - сподівається Кім.
Є також пропозиції про проведення космічних експериментів, які не страждатимуть від шуму, створюваного вібраціями навколишнього середовища.
Фальсифікація - це важка робота, яка рідко досягає акуратної кінцевої точки.
Навіть зараз, за словами Курчану, Роджер Пенроуз, який отримав 2020 року Нобелівську премію з фізики за роботу над загальною теорією відносності, працює над версією моделі Діозі-Пенроуза, де спонтанне випромінювання взагалі відсутнє.
Проте деякі вчені підозрюють, що такі експерименти зрештою проваляться.
"Нам потрібно переосмислити, чого намагаються досягти ці моделі, - каже Зих, - і знайти інший підхід".
Хоча мало хто стане стверджувати, що проблема вимірювання більше не актуальна. За роки, що минули з моменту появи перших моделей колапсу, ми також багато дізналися про те, що тягне за собою квантовий вимір.
"Я думаю, нам потрібно повернутися до питання про те, для чого ці моделі були створені десятиліття тому, - впевнена вона, - і серйозно поставитися до того, що ми дізналися за весь час".
Джерело: Quantum Magazine
