来自原子系统的 X 射线可能揭示有关竞争量子理论的新线索

Josiah02 · 发表于 2024-9-14 21:51:32

量子世界的奇异之处通常体现在薛定谔的假想猫悖论中，这只猫处于一种既生又死的状态，直到被观察者看到。但在现实世界中，我们从未遇到过这样的僵尸猫。
量子效应似乎无法扩展到非常大的物体（如猫、人或房屋），物理学家们对此并没有达成一致意见。现在，一个国际科学家团队提出了一种新的、更精确的方法来测试一些拟议的标准量子理论替代模型的有效性，这些模型提供了一种可能的解释。
他们的研究成果于 2024 年 6 月发表在《物理评论快报》上。
根据标准量子理论，在观察一个物体之前，它可以处于具有多种矛盾属性的叠加状态。FQxI 成员、意大利弗拉斯卡蒂国家核物理研究所 (INFN) 实验核和量子物理学家 Catalina Curceanu 说，理解这一点的一种简单方法是说粒子可以同时出现在两个地方，或者放射性原子可以同时衰变和不衰变。
“因此，如果你想象把一只猫锁在一个盒子里，里面有一小瓶毒药，当放射性原子衰变时，毒药就会释放出来，那么就会出现这样一种情况，即放射源处于衰变和非衰变的叠加状态，因此小瓶既是打开又是关闭的，毒药既被释放又被控制，猫处于生与死的叠加状态，”她说。
在实验中，这种叠加态在重达 16 微克的蓝宝石晶体等大物体中也曾被观察到。根据标准量子理论，叠加态原则上可以在更大的物体中持续存在。但我们在日常生活中看不到这些叠加态。
物理学家使用可以追踪其演化的“波函数”以数学方式描述量子系统。“出于某种原因，这些波函数在被观察时容易‘坍缩’——此时，量子系统的行为就像日常的‘经典’系统一样，失去了其真正的量子属性，”库尔恰努说。
“但标准量子理论无法告诉我们这种情况是如何或为何发生的。这就是量子力学中所谓‘测量问题’的本质。”
测量问题促使独立的科学家团队开发出一系列不同的解释，其中包括“量子坍缩模型”——标准量子理论的竞争替代方案，“该模型提出一个物理过程触发波函数的坍缩，即系统越大，坍缩速度越快”，库尔恰努说。
这些模型令人兴奋，因为它们以自发辐射的形式预测了标准量子力学中不存在的效应，Curceanu 解释道。“这意味着实验有朝一日可以找到这些模型正确的证据，”她说。
倒塌的证据
量子坍缩模型主要有两种类型：第一种称为连续自发局域化 (CSL) 模型，其中坍缩是由固有随机过程引起的，该过程可能与重力或其他因素有关，也可能无关。这个过程是自发且连续发生的。
在第二组模型中，坍缩与引力明确相关，例如所谓的 Diósi-Penrose 模型，该模型由 FQxI 成员、匈牙利布达佩斯罗兰大学的 Lajos Diósi 和英国牛津大学的诺贝尔物理学奖获得者 Roger Penrose 独立开发
库尔恰努和她的同事以及其他独立团体花了很多年时间寻找这种自发辐射的迹象，即高能“伽马”辐射。但到目前为止，他们还没有找到任何证据。这使得物理学家能够限制和排除各种版本的坍缩模型——特别是最简单的重力相关坍缩模型——以及限制 CSL 模型的参数。
在他们最近发表在《物理评论快报》上的研究中，同样来自 INFN 的 Curceanu、Diósi、Kristian Piscicchia 和 Simone Manti、爱尔兰贝尔法斯特女王大学的 Sandro Donadi、意大利的里雅斯特大学的 Angelo Bassi 和新泽西州罗格斯大学的 FQxI 成员 Maaneli Derakhshani 计算了在 X 射线领域中较低能量原子系统应发射的自发电磁辐射的特征。
研究小组发现，与之前对最简单模型的预期存在很大差异。“令人惊讶的是，在这种低能状态下，自发辐射率在很大程度上取决于所研究的原子种类，”皮西奇亚说。
“这是首次发现辐射依赖于特定的坍缩模型，”曼蒂说。
库尔恰努和她的同事正在更新他们在意大利 LNGS-INFN 地下实验室进行的实验，以寻找这些 X 射线。他们计划在专门的实验中使用多个目标探索自发辐射和原子结构之间的预测关系。
“这将使我们能够更好地限制坍缩模型，并且如果发现信号，就能确定其原因，这当然会对所有科学产生巨大的影响，”库尔恰努说。

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