最新研究表明引力不太可能是量子坍縮的主要原因！！

2020-09-22 光亞星際

這是量子理論中最古怪的原則之一：粒子可以同時存在於兩個位置，但我們只能在這裡或那裡看到它。

在著名的 「薛丁格貓」 這一思想實驗中，在實驗者打開箱子觀察內部情況之前，實驗者無法確定箱子內的貓究竟是生是死，而貓的這種 「生死疊加態」 則會在實驗者對箱子內部的情況進行觀察後，坍縮為 「生」 或「死」這兩種確定的狀態。

根據量子力學，雖然像 「薛丁格的貓」 這樣的事在微觀世界裡無時無刻不在發生著，但物理學家們對於 「究竟是什麼導致一個事物的狀態能從一種疊加態坍縮為一個確定的狀態」 卻至今也還沒有答案。

物理學家曾提出一種引力假說來做出解釋，但根據義大利格蘭薩索國家實驗室的一項研究，引力不太可能是量子坍縮的原因。

讓我們從理論界一直存在的爭議說起。對於疊加態坍縮，前面提到的 「觀察論」 在各種大眾解讀中名氣最高，它認為，人的觀察導致被觀察事物的疊加態發生坍縮；但物理學界曾普遍認為，「引力論」才是最有可能對此進行解釋的一種理論，即認為導致粒子狀態發生坍縮的主要原因是引力，而非實驗者的「觀察」。

引力論的理念最早由匈牙利物理學家 Károlyházy Frigyes 和 Lajos Diósi 於上世紀後半葉提出，認為任何事物的引力場都不受量子力學的限制，使得事物很難一直以 「疊加態」 的形式存在。

舉例來說，假如一個粒子能以疊加態的形式同時存在於 A 點和 B 點，該粒子的引力場便也會以疊加態的形式同時存在於 A 點和 B 點，但引力場會因不能長時間承受這種疊加態為其帶來的 「張力」 而率先坍縮，進而導致粒子的疊加態坍縮。

上世紀 80 年代，著名數學家羅傑 · 彭羅斯（Roger Penrose，牛津大學）正式將 「引力論」 用於解釋量子物理中事物疊加態的坍縮，並因這種解釋消除了 「坍縮是以人的觀察為中心發生的」 這種可能，徹底將坍縮歸為了物理內部的一個過程（無需人的主觀意志參與），而被物理學界認為是「最有可能成功的解釋之一」。

雖然該解釋此前曾一直因 「無法被實驗驗證」 而飽受詬病，但根據一篇 9 月初發表在《自然 · 物理學》上的研究，Lajos Diósi 和其同事已經成功對該解釋進行了初步的檢驗，結果認為 「引力論」 似乎並非造成粒子疊加態坍縮的主要原因。

研究藉助的原理為，粒子所處的狀態從疊加態坍縮為確定態時，粒子本身會發生 「隨機性的」 轉向，進而是包含其的熱力學系統變熱，而如果粒子本身帶電，它就會在旋轉時向外輻射出光子。另外，多個受同一引力場影響的粒子也會以同步的方式一起向外輻射光子，而如果實驗能觀測到的光子數與彭羅斯的理論預期相符，那粒子疊加態的坍縮就很有可能是由引力造成，而非其它因素。

實驗中，研究人員將一個咖啡杯大小的鍺晶體用作探測器，通過其與 X 射線和伽馬射線的相互作用（產生電信號），從鍺原子核中的質子中檢索過量的 X 射線和伽馬射線。用作探測器的鍺晶體本身被鉛包裹，埋在位於義大利中部的格蘭薩索國家實驗室（Gran Sasso National Laboratory）地下 1.4 公裡處，以使其免受外界（其它輻射源）幹擾。

根據論文，研究者最終在 2014 年和 2015 年的兩個月中觀察到了總共 576 個光子，與自然發生的輻射所能產生的光子數量（506 個）相近。相比之下，彭羅斯的模型認為，如果引力是造成粒子狀態坍縮的主要原因，我們應該能觀測到約 7 萬個輻射出的光子才對。

圖 | 進行實驗的格蘭薩索國家實驗室（來源：TOMMASO GUICCIARDINI/SCIENCE SOURCE）

論文作者之一、義大利國家核物理研究院 Cătălina Curceanu 表示，雖然實驗本身並沒有排除其它可能造成粒子狀態坍縮的因素，只是對它們做了一些限制，但實驗結果意味著引力很可能並非造成粒子狀態坍縮的主要原因。

另外，在實際操作中，研究人員需要直接給定粒子的疊加態（而非自然產生的疊加態）才能檢驗結果。

南安普頓大學物理學家 Ivette Fuentes 說：「理論上，我們應該能製造出很多粒子共享的一個疊加態。」目前，Fuentes 的團隊正致力於在接近絕對零度的環境中製備出包含 1 億個鈉原子的原子云。

儘管彭羅斯本人對 Fuentes 的研究頗感興趣，但他認為他改進後的模型或許在可預見的未來仍然會保持 「不可被驗證」 的狀態，原因是即使粒子狀態的坍縮真由引力造成，為了不違反熱力學定律，這一過程也不會向外放熱或放出輻射，導致其不可被探測。

羅格斯大學（Rutgers University）理論物理學家 Maaneli Derakhshani 認為，即使能被檢測到，包括鍺質子與電子間的相互作用在內的一些因素可能也會掩蓋 「引力導致坍縮發生」 的信號。他說：「假如引力真是導致粒子疊加態發生坍縮的主要原因，那其背後所隱藏的機理應該也會遠比彭羅斯的模型更為複雜才行！

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