量子坍縮是由引力誘發的嗎?

2020-11-22 騰訊網

一個粒子可以同時出現在兩個地方，這是量子理論中最奇怪的原則之一。但是，當對這個粒子進行測量時，卻只能發現它出現在這兩處位置中的其中一處。這就好比是量子物理學中最著名的那隻薛丁格的貓一樣，它可以同時處於「活著」和「死亡」的狀態，直到對它進行測量時，它的命運才成為既定事實。

根據量子力學，觀測粒子的行為會使它的波函數坍縮，使它隨機地出現在兩個位置中的一個；換句話說，這意味著一個物體的狀態不僅取決於它自身的特性，還取決於觀測者如何測量它。然而，物理學家們為此爭論的是，並沒有明確的物理解釋，可以說明為何會出現這種量子坍縮。

此外，雖然量子力學完美地解釋了像原子這樣的微觀系統的行為，但目前仍缺乏實驗證據表明它也適用於描述像人類這樣的宏觀物體。如此一來，就有物理學家質疑是否存在這樣一種可能性，即與其秉持量子測量的概念，倒不如將波函數坍縮視作為量子力學的一個問題，並試圖找出一種能夠描述在測量之前，導致了波函數坍縮的機制。

引力是解釋波函數坍縮的一個有力候選，因為它普遍存在， 且強度隨質量的增加而增加。費曼（Richard Feynman）就曾在他的引力講座中提到，宏觀尺度上的量子疊加的坍縮或許與引力有關。順著這個思路，上世紀80年代，匈牙利物理學家Lajos Diósi和英國物理學家彭羅斯（Roger Penrose）先後獨立提出，在分子和原子的尺度上，引力的影響是可以忽略不計的，但是隨著物體的增大，其效應會隨之大幅增加，從而導致波函數坍縮。

現在，一組國際合作的物理學家在《自然-物理》雜誌上發表了一項新的論文，他們的實驗表明，引力可能不能再被視作為造成了量子坍縮的一個可信機制，並因此排除了一系列有關於「引力導致坍縮」的理論。

作為引力假說的擁護者，彭羅斯認為，這種假說消除了以人類為中心的思想，他不認為測量本身會在某種程度上導致坍縮，物理學並不會因有人來觀測過它而改變。

在彭羅斯的框架中，他認為當一個「顯著的」時空曲率出現時，量子的線性疊加就會立即失效。當一個系統處於空間量子疊加時，會產生兩個不同的時空疊加，彭羅斯相信，不同的時空疊加會受到抑制：處於疊加的系統的質量越大，兩個時空的差異就越大，波函數坍縮的速度也就越快。

根據量子引力，一個系統（黃球）的空間量子疊加會產生不同的時空曲率（灰色網格）的疊加。| 參考素材：Donadi et. al. / Nature

Diósi的建議是對量子力學進行修正，使其在某些特定的限制下與廣義相對論相一致。他通過引入一種包含了隨機性的引力場，提出了一種描述量子引力的方法。其基本思想是，任何物體的引力場都不在量子理論的範圍之內，它拒絕被置於所謂的「疊加態」中。所以，如果一個粒子出現在這裡和那裡，它的引力場也會試圖做同樣的事情——但引力場不能長時間維持這種情況，它會坍縮，並帶著粒子一同坍縮。

不過，Diósi的設計卻面臨無法用任何現實技術來驗證的難題。

現在，在Diósi參與到的一項新研究中，物理學家實現了一種新的實驗方法，使檢驗Diósi的假設成為了可能。這種方法的理論前提是，無論導致波函數坍縮的機制是引力還是別的，一個坍縮的系統會隨機轉向，使系統升溫，就好像是系統被施以了一個動量；如果一個帶電粒子被反覆地隨機加速、減速，那麼它會在轉向時釋放出輻射。

Diósi和彭羅斯的模型不僅預測了波函數的坍縮，還預測了無處不在的隨機擴散（橘色箭頭），當粒子帶電時，這種擴散會伴隨著輻射（白色波浪線）的發射而出現。| 參考素材：Donadi et. al. / Nature

在實驗中，研究人員用一個咖啡杯大小的鍺晶體建造了一個探測器，然後用鉛把鍺晶體包裹起來，將其放置在位於地底1.4公裡處的格蘭薩索國家實驗室（義大利中部）中，以保護它免受其他輻射源的汙染。在2014年和2015年的為期兩個多月的時間裡，通過測量鍺核的質子中產生的過量X射線和伽馬射線，他們共觀測到了576個光子，與預計的506個自然輻射的放射性光子數量接近。

相比之下，彭羅斯的模型預測應出現7萬個這樣的光子。也就是說研究人員應該在鍺晶體實驗中看到一些坍縮效應，但結果表明並沒有。這表明，引力並沒有把粒子從它們的量子疊加中「解放」出來。

彭羅斯表達了他對新研究的讚賞。但他認為，目前仍無法做到對他的模型進行驗證。此外，他也一直無法接受「粒子轉向」的設想，他認為這是一種可能會導致宇宙能量增加或減少的情景，它違反了物理學基本原理的。現在，彭羅斯正在試圖創造了一個新的、改進過的模型，模型中不會涉及到熱量或輻射的產生，在這種情況下，引力或許就能導致坍縮。

若要更進一步證實此次的研究結果，物理學家還需要直接製造出這些疊加態，以此來觀察是否可以將所有「引力誘發坍縮」的模型都排除在外。

參考來源：

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

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