引力不是量子坍縮的原因

2020-09-10 煎蛋

義大利大薩索國家實驗室的一項地下實驗表明，引力不太可能是量子坍縮的原因。

眾所周知，單個微觀粒子平時以機率波的狀態佔據空間：既在這兒，又在那兒，同時出現在兩個地方。

按教科書說的，觀察粒子的行為會使它 "坍塌"成單一的現實，隨機出現在某個位置中的一個。但是把人類的觀察的行為與物理事實攪拌在一起，就必然會牽扯出「意識」和「靈魂」之類的概念，甚至會動搖「客觀事實」的基本理念。

即便量子力學真的完全正確，物理學家們對量子坍縮的機制也持保留態度。現在，量子坍縮最合理的機制之一——引力說——遭遇重創。

20世紀60年代，匈牙利的物理學家Károlyházy Frigyes和80年代的Lajos Diósi分別提出了引力假說。其基本思想是，同一個粒子處於空間中的不同位置，但粒子自身的引力場會跟著粒子同樣處於不同的位置。源於不同位置的同一引力場，自身與自身之間相互接觸和作用，導致量子態的坍縮。

牛津大學數學家，著名的羅傑·彭羅斯在20世紀80年代末公開支持這一假說，因為他認為，它消除了人類中心主義的概念，即測量本身以某種方式導致坍縮。"比起因為有人看(引發坍縮)，它才是單純的物理學概念。"

儘管如此，假說似乎不可能用任何現實的技術來探究——直到現在。新技術讓一切變得可行。

坍塌粒子會隨機旋轉, 加熱它所在的系統，"就像你踢了粒子一腳。"法蘭克福高級研究所的桑德羅·多納迪說。

如果粒子帶電，它旋轉時就會輻射出光子。而多個粒子在同一引力場中顛簸，就會同步輻射。

為了驗證這一想法，研究人員用咖啡杯大小的鍺晶體製造了探測器。他們尋找鍺原子核中質子發出的過量X射線和伽馬射線，這些射線在材料中產生電脈衝。

科學家們選擇了這部分光譜，以最大限度地放大。然後，他們用鉛包裹晶體，並將其放置在義大利中部的大薩索國家實驗室地下1.4公裡深處，以屏蔽其他輻射源。在2014年和2015年的2個月裡，他們看到了576個光子，接近於自然產生的放射性物質所預期的506個。詳細的實驗報告前天發表在《自然·物理學》上。

相比之下，彭羅斯的模型預測說，應有7萬個光子。所以該實驗起碼制約了引力坍縮假說——如果不是徹底否定的話。

彭羅斯對實驗表示欣賞，但他認為這還不能否定他的模型。他在疫情封鎖期間創造了一個新的改進模型。"它不會輻射出能量。"在這種情況下，重力可能會導致坍縮，然而卻隱藏了自身的蹤跡。(彭羅斯德高望重，現在的學術地位和威望略有點像當時年邁的愛因斯坦……就連做派都差不多。憑藉超卓才智，當實驗不支持自己的理論時，竟然硬把理論凹進去規避了實驗結果)

新不倫瑞克羅格斯大學的理論物理學家Maaneli Derakhshani說，其他因素，如鍺質子和電子之間的相互作用也可能掩蓋信號。總之，如果重力確實會導致坍縮，那麼這個過程必須比彭羅斯最初提出的模型更為複雜。"但理智的看法是，果汁不值得再榨一遍啊。」*

*Derakhshani的俏皮話是說，彭羅斯修正模型規避現有實驗事實的做法，就像是把榨好的果汁倒在榨汁機裡又榨了一遍。既耽誤時間又無用。

本文譯自 sciencemag，由譯者 majer 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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  • 量子+引力=？
    試圖統一廣義相對論和量子場論的理論被稱為量子引力理論。另一個越來越受到關注的理論被稱為圈量子引力，它更關心的是時空本身的量子特性，而非存在於時空中的物質。在圈量子引力中，廣義相對論的光滑背景被賦予量子屬性的節點和連接所取代。
  • 量子 + 引力 = ?
    量子場論（比如量子電動力學）主宰著微觀世界的粒子行為，廣義相對論則支配著宏觀的宇宙，它們各司其職，良好地描述著這個宇宙的運作方式。但當我們談及在一個極小體積內擁有極大質量時（比如黑洞和大爆炸），就會發現只有將這兩個互不兼容的理論合二為一，才能夠進一步揭示宇宙最深處的秘密。試圖統一廣義相對論和量子場論的理論被稱為量子引力理論。