江苏龙网

  1. 首页 > 资讯 > 资讯 > >

原理|量子坍缩是由引力诱发的吗？

原理|量子坍缩是由引力诱发的吗？
文章图片
【原理|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 。 这就好比是量子物理学中最著名的那只薛定谔的猫一样 ， 它可以同时处于“活着”和“死亡”的状态 ， 直到对它进行测量时 ， 它的命运才成为既定事实 。
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 。
此外 ， 虽然量子力学完美地解释了像原子这样的微观系统的行为 ， 但目前仍缺乏实验证据表明它也适用于描述像人类这样的宏观物体 。 如此一来 ， 就有物理学家质疑是否存在这样一种可能性 ， 即与其秉持量子测量的概念 ， 倒不如将波函数坍缩视作为量子力学的一个问题 ， 并试图找出一种能够描述在测量之前 ， 导致了波函数坍缩的机制 。
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（RichardFeynman）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 。 顺着这个思路 ， 上世纪80年代 ， 匈牙利物理学家LajosDiósi和英国物理学家彭罗斯（RogerPenrose）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 。 当一个系统处于空间量子叠加时 ， 会产生两个不同的时空叠加 ， 彭罗斯相信 ， 不同的时空叠加会受到抑制：处于叠加的系统的质量越大 ， 两个时空的差异就越大 ， 波函数坍缩的速度也就越快 。
原理|量子坍缩是由引力诱发的吗？
文章图片
根据量子引力 ， 一个系统（黄球）的空间量子叠加会产生不同的时空曲率（灰色网格）的叠加 。 |参考素材：Donadiet.al./Nature
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 。
不过 ， Diósi的设计却面临无法用任何现实技术来验证的难题 。
现在 ， 在Diósi参与到的一项新研究中 ， 物理学家实现了一种新的实验方法 ， 使检验Diósi的假设成为了可能 。 这种方法的理论前提是 ， 无论导致波函数坍缩的机制是引力还是别的 ， 一个坍缩的系统会随机转向 ， 使系统升温 ， 就好像是系统被施以了一个动量；如果一个带电粒子被反复地随机加速、减速 ， 那么它会在转向时释放出辐射 。
原理|量子坍缩是由引力诱发的吗？
文章图片
Diósi和彭罗斯的模型不仅预测了波函数的坍缩 ， 还预测了无处不在的随机扩散（橘色箭头） ， 当粒子带电时 ， 这种扩散会伴随着辐射（白色波浪线）的发射而出现 。 |参考素材：Donadiet.al./Nature
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（意大利中部）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 。
相比之下 ， 彭罗斯的模型预测应出现7万个这样的光子 。 也就是说研究人员应该在锗晶体实验中看到一些坍缩效应 ， 但结果表明并没有 。 这表明 ， 引力并没有把粒子从它们的量子叠加中“解放”出来 。
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 。


推荐阅读


上一篇：天下十三洲猎奇|真有平行世界？你会对另一个你说什么？NASA发现平行世界中的物质

下一篇：晨报精选|民丰有个民俗旅游风情街，你去过吗？