Międzynarodowy zespół fizyków opracował metodę testowania alternatyw dla standardowej teorii kwantowej, proponując możliwe wyjaśnienie, dlaczego efekty kwantowe nie pojawiają się w większych obiektach, takich jak koty.
Ich odkrycia badają, dlaczego obiekty wykazują właściwości kwantowe jedynie na poziomach mikroskopowych, co obejmuje wyrafinowane eksperymenty z promieniowaniem spontanicznym, które mogłyby zweryfikować te nowe modele.
Odkrywanie paradoksów kwantowych
Przykładem pozornej dziwaczności świata kwantowego jest paradoks wyimaginowanego kota Schrödingera, który istnieje w stanie zawieszenia, będąc zarówno żywym, jak i martwym, dopóki nie spojrzy na niego obserwator. Ale w prawdziwym świecie nigdy nie spotykamy takich kotów zombie. Wydaje się, że efekty kwantowe nie obejmują bardzo dużych obiektów – takich jak koty, ludzie czy domy – a fizycy nie są zgodni co do tego, dlaczego nie.
Teraz międzynarodowy zespół naukowców, finansowany przez Fundacyjny Instytut Pytań FQxI, zaproponował nowy i udoskonalony sposób testowania wiarygodności niektórych proponowanych modeli alternatywnych w stosunku do standardowej teorii kwantowej, które oferują możliwe wyjaśnienie. Niedawno w czasopiśmie opisano ich pracę Listy z przeglądu fizycznego.
Superpozycje i ich granice
Zgodnie ze standardową teorią kwantową, zanim obiekt zostanie zaobserwowany, może istnieć w stanie superpozycji z wieloma sprzecznymi właściwościami. Uproszczony sposób zrozumienia tego polega na stwierdzeniu, że cząstki mogą znajdować się w dwóch miejscach na raz lub są radioaktywne atom mogły jednocześnie ulec rozkładowi i nie ulec rozkładowi, mówi Catalina Curceanu, członkini FQxI oraz eksperymentalny fizyk jądrowy i kwantowy w Narodowym Instytucie Fizyki Jądrowej (INFN) we Frascati we Włoszech.
„Jeśli więc wyobrazicie sobie zamknięcie kota w pudełku z fiolką z trucizną, która zostanie uwolniona podczas rozpadu radioaktywnego atomu, istnieje scenariusz, w którym źródło radioaktywne znajduje się w rozpadłej i nierozłożonej superpozycji stanów, a zatem fiolka jest jednocześnie otwarta i zamknięta, trucizna zostaje uwolniona i zamknięta, a kot znajduje się w superpozycji życia i śmierci” – mówi.
Problem pomiaru w mechanice kwantowej
W eksperymentach takie superpozycje zaobserwowano na przykład w obiektach tak dużych jak kryształ szafiru o masie 16 mikrogramów. Zgodnie ze standardową teorią kwantową superpozycje mogą w zasadzie utrzymywać się w jeszcze większych obiektach. Ale nie widzimy tych superpozycji w życiu codziennym. Fizycy opisują układy kwantowe matematycznie, korzystając z „funkcji falowej”, która umożliwia śledzenie ich ewolucji.
„Z jakiegoś powodu te funkcje falowe, gdy są obserwowane, są podatne na „załamanie” – w tym momencie systemy kwantowe zachowują się jak codzienne systemy „klasyczne”, tracąc swoje prawdziwe cechy kwantowe” – mówi Curceanu. „Ale standardowa teoria kwantowa nie jest w stanie powiedzieć nam, jak i dlaczego tak się dzieje. Na tym właśnie polega istota tak zwanego „problemu pomiaru” w mechanice kwantowej.
„Obserwowane funkcje falowe są podatne na «załamanie», ale standardowa teoria kwantowa nie jest w stanie powiedzieć nam, jak i dlaczego tak się dzieje” – mówi Curceanu.
Przesuwanie granic modeli załamania kwantowego
Problem pomiarowy doprowadził niezależne zespoły naukowców do opracowania zestawu różnych wyjaśnień, wśród których znajdują się „modele zapadnięcia kwantowego” – konkurencyjne alternatywy dla standardowej teorii kwantowej, „które proponują, że proces fizyczny powoduje załamanie się funkcji falowej w taki sposób, że większy w systemie, im szybciej następuje upadek”, mówi Curceanu.
Modele te są ekscytujące, ponieważ przewidują efekty, których nie ma w standardowej mechanice kwantowej, w postaci promieniowania spontanicznego, wyjaśnia Curceanu. „Oznacza to, że pewnego dnia eksperymenty mogą znaleźć dowody na poprawność tych modeli” – mówi.
Postępy w badaniach nad zapadnięciem się kwantu
Istnieją dwa główne typy modeli zapadnięcia się kwantów: Pierwsze to modele ciągłej lokalizacji spontanicznej (CSL), w których załamanie jest spowodowane wewnętrznym, losowym procesem, który może, ale nie musi, być powiązany z grawitacją lub czymś innym. Proces ten zachodzi spontanicznie i w sposób ciągły. W drugim zestawie modeli załamanie jest wyraźnie powiązane z grawitacją – na przykład w tak zwanych modelach Diósiego-Penrose’a, opracowanych niezależnie przez członków FQxI Lajosa Diósiego z Uniwersytetu Eötvösa Loránda w Budapeszcie na Węgrzech i fizyka-laureata Nagrody Nobla Rogera Penrose’a z Uniwersytetu Oksfordzkiego w Wielkiej Brytanii.
Curceanu i jej współpracownicy – a także inne niezależne grupy – spędzili wiele lat na poszukiwaniu oznak takiego spontanicznego promieniowania w postaci wysokoenergetycznego promieniowania „gamma”. Ale jak dotąd nie znaleźli na nie żadnych dowodów. Umożliwiło to fizykom ograniczenie i wykluczenie różnych wersji modeli zapadnięcia się – w szczególności najprostszej wersji modeli zapadnięcia związanego z grawitacją – a także ograniczenie parametrów modeli CSL.
Nowe spojrzenie na promieniowanie spontaniczne
W swojej najnowszej pracy, opisanej w czasopiśmie Listy z przeglądu fizycznegow czerwcu Curceanu, Diósi, Kristian Piscicchia i Simone Manti, również z INFN, Sandro Donadi z Queen’s University w Belfaście w Irlandii, Angelo Bassi z Uniwersytetu w Trieście we Włoszech oraz Maaneli Derakhshani, członek FQxI na Uniwersytecie Rutgers w New Jersey obliczył cechy spontanicznego promieniowania elektromagnetycznego, które powinno być emitowane z układów atomowych przy niższych energiach, w domenie rentgenowskiej.
Zespół stwierdził duże różnice w stosunku do wcześniejszych oczekiwań dotyczących najprostszych modeli. „Co zaskakujące, w tym reżimie niskoenergetycznym odkryto, że natężenie promieniowania spontanicznego silnie zależy od atomu gatunek jest przedmiotem dochodzenia” – mówi Piscicchia. „Po raz pierwszy stwierdzono, że emisja zależy również od konkretnego modelu zapadania się” – dodaje Manti.
„Po raz pierwszy odkryto, że emisja zależy również od konkretnego modelu zapadania się” – mówi Manti.
Prace zostały częściowo sfinansowane przez FQxI, finansowany filantropijnie zespół doradców i organ finansujący, który wspiera badania nad błękitnym niebem w naukach fizycznych. „Dzięki FQxI mogliśmy ulepszyć nasze obliczenia cech promieniowania spontanicznego i zastosować nowe metody w celu rozszerzenia ich na układy atomowe” – mówi Curceanu.
Przyszłość eksperymentów kwantowych
Curceanu i jej współpracownicy aktualizują swój własny eksperyment przeprowadzony w podziemnym laboratorium LNGS-INFN we Włoszech, aby szukać tych promieni rentgenowskich. Planują zbadać przewidywany związek między promieniowaniem spontanicznym a strukturą atomową w dedykowanych eksperymentach z wykorzystaniem kilku celów. „Pozwoliłoby nam to lepiej ograniczyć modele zapaści, a jeśli zostanie znaleziony sygnał, określić, co go powoduje, co oczywiście miałoby ogromne implikacje dla całej nauki” – mówi Curceanu.
„Pozwoliłoby nam to lepiej ograniczyć modele zapaści, a jeśli zostanie znaleziony sygnał, określić, co go powoduje, co oczywiście miałoby ogromne implikacje dla całej nauki” – mówi Curceanu.
Odniesienie: „Emisja promieni rentgenowskich z systemów atomowych może rozróżnić dominujące modele zapadania się dynamicznej funkcji falowej” autorstwa Kristiana Piscicchii, Sandro Donadi, Simone Manti, Angelo Bassi, Maaneli Derakhshani, Lajos Diósi i Catalina Curceanu, 18 czerwca 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.250203
Praca ta była wspierana w ramach programu Świadomość w Świecie Fizycznym FQxI.
