量子坍缩是由引力诱发的吗?

作者: 小雨

来源: Nature Physics

发布日期: 2020-09-08

物理学家们探讨了引力是否是导致量子坍缩的机制,通过实验排除了引力作为量子坍缩的主要解释,但仍需进一步研究来验证这一结果。

量子坍缩是由引力诱发的吗?一个粒子可以同时出现在两个地方,这是量子理论中最奇怪的原则之一。但是,当对这个粒子进行测量时,却只能发现它出现在这两处位置中的其中一处。根据量子力学,观测粒子的行为会使它的波函数坍缩,使它随机地出现在两个位置中的一个;换句话说,这意味着一个物体的状态不仅取决于它自身的特性,还取决于观测者如何测量它。

然而,物理学家们为此争论的是,并没有明确的物理解释,可以说明为何会出现这种量子坍缩。

引力是解释波函数坍缩的一个有力候选,因为它普遍存在,且强度随质量的增加而增加。费曼就曾在他的引力讲座中提到,宏观尺度上的量子叠加的坍缩或许与引力有关。上世纪80年代,匈牙利物理学家Lajos Diósi和英国物理学家彭罗斯先后独立提出,在分子和原子的尺度上,引力的影响是可以忽略不计的,但是随着物体的增大,其效应会随之大幅增加,从而导致波函数坍缩。

现在,一组国际合作的物理学家在《自然-物理》杂志上发表了一项新的论文,他们的实验表明,引力可能不能再被视作为造成了量子坍缩的一个可信机制,并因此排除了一系列有关于“引力导致坍缩”的理论。

作为引力假说的拥护者,彭罗斯认为,这种假说消除了以人类为中心的思想,他不认为测量本身会在某种程度上导致坍缩,物理学并不会因有人来观测过它而改变。在彭罗斯的框架中,他认为当一个“显著的”时空曲率出现时,量子的线性叠加就会立即失效。

Diósi的建议是对量子力学进行修正,使其在某些特定的限制下与广义相对论相一致。他通过引入一种包含了随机性的引力场,提出了一种描述量子引力的方法。其基本思想是,任何物体的引力场都不在量子理论的范围之内,它拒绝被置于所谓的“叠加态”中。所以,如果一个粒子出现在这里和那里,它的引力场也会试图做同样的事情——但引力场不能长时间维持这种情况,它会坍缩,并带着粒子一同坍缩。

在实验中,研究人员用一个咖啡杯大小的锗晶体建造了一个探测器,然后用铅把锗晶体包裹起来,将其放置在位于地底1.4公里处的格兰萨索国家实验室中,以保护它免受其他辐射源的污染。在2014年和2015年的为期两个多月的时间里,通过测量锗核的质子中产生的过量X射线和伽马射线,他们共观测到了576个光子,与预计的506个自然辐射的放射性光子数量接近。

彭罗斯表达了他对新研究的赞赏。但他认为,目前仍无法做到对他的模型进行验证。此外,他也一直无法接受“粒子转向”的设想,他认为这是一种可能会导致宇宙能量增加或减少的情景,它违反了物理学基本原理的。现在,彭罗斯正在试图创造了一个新的、改进过的模型,模型中不会涉及到热量或辐射的产生,在这种情况下,引力或许就能导致坍缩。

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