量子坍缩是由引力诱发的吗？

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨，题图来自：《星际穿越》

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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（Richard Feynman）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Lajos Diósi和英国物理学家彭罗斯（Roger Penrose）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。 

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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。

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：Donadi et. 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。

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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。

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：Donadi et. 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。

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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。

若要更进一步证实此次的研究结果，物理学家还需要直接制造出这些叠加态，以此来观察是否可以将所有“引力诱发坍缩”的模型都排除在外。

参考来源：

https://www.nature.com/articles/s41567-020-1026-2

https://www.nature.com/articles/s41567-020-1008-4

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

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：小雨