客觀現(xiàn)實(shí)是如何從量子力學(xué)的各種可能性中顯現(xiàn)出來的？這個(gè)問題是量子力學(xué)最棘手的問題。最近，物理學(xué)家利用粒子物理儀器來驗(yàn)證這樣一個(gè)想法，即量子可能性“坍縮（坍塌）”為單一的經(jīng)典現(xiàn)實(shí)不僅是一種數(shù)學(xué)上的需要，而且是一個(gè)真實(shí)的物理過程，這個(gè)想法被稱為“物理坍縮”。實(shí)驗(yàn)沒有發(fā)現(xiàn)“物理坍塌”的證據(jù)。

現(xiàn)在下結(jié)論說“物理坍縮”不會發(fā)生還為時(shí)過早。一些研究人員認(rèn)為，這些實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦€有改進(jìn)空間。但不管怎樣，試圖解開量子理論最大的謎團(tuán)還任重道遠(yuǎn)。

導(dǎo)致坍塌的原因是什么？

物理坍縮模型旨在解決傳統(tǒng)量子理論的一個(gè)核心困境。1926年，薛定諤斷言，一個(gè)量子對象是由一個(gè)稱為波函數(shù)的數(shù)學(xué)實(shí)體描述的，波函數(shù)封裝了關(guān)于該對象及其屬性的所有信息。波函數(shù)描述的是一種波，但不是物理波，而是是一種“概率波”，它預(yù)測了量子對象的各種可能結(jié)果，以及在給定的實(shí)驗(yàn)中觀察到其中任何一種結(jié)果的概率。

• 像這樣的探測器，最初是為中微子研究而設(shè)計(jì)的，現(xiàn)在已經(jīng)承擔(dān)了測試物理坍縮理論的任務(wù)。

如果用相同的方法對這些物體進(jìn)行多次測量，波函數(shù)總是能正確地預(yù)測結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分布。但是沒有辦法知道任何單個(gè)測量的結(jié)果會是什么——量子力學(xué)只提供了概率。那是什么決定了一個(gè)特定的觀察結(jié)果的呢？1932年，數(shù)學(xué)物理學(xué)家約翰·馮·諾伊曼提出，在進(jìn)行測量時(shí)，波函數(shù)“坍縮”為一種可能的結(jié)果。這個(gè)過程本質(zhì)上是隨機(jī)的。量子力學(xué)本身似乎無法預(yù)測坍縮，這需要人工計(jì)算。

作為一種特殊的數(shù)學(xué)技巧，“波函數(shù)坍縮”運(yùn)行得很好。但在一些人看來，這似乎是一種令人不滿意的“花招”。愛因斯坦把它比作“上帝擲骰子”。丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾在哥本哈根解釋中聲稱，這個(gè)問題是不可回避的，物理學(xué)家必須承認(rèn)量子體系和經(jīng)典體系之間的一個(gè)基本區(qū)別。相反，1957年，物理學(xué)家休·埃弗雷特?cái)嘌圆ê瘮?shù)坍縮只是一種幻覺，事實(shí)上，所有的結(jié)果都是在無數(shù)個(gè)平行宇宙中實(shí)現(xiàn)的——物理學(xué)家現(xiàn)在稱之為“多世界解釋”。

物理學(xué)家金英旭（Inwook Kim）說，

事實(shí)是，波函數(shù)坍縮的根本原因尚不清楚。

1986年，意大利物理學(xué)家Giancarlo Ghirardi等人提出了一個(gè)解釋。他們說，如果薛定諤的波動方程不是全部呢？他們假設(shè)，一個(gè)量子系統(tǒng)不斷受到一些未知因素的影響，這些影響可以誘導(dǎo)它自發(fā)地跳入可能的可觀測狀態(tài)之一，其時(shí)間尺度取決于系統(tǒng)的大小。一個(gè)小的、孤立的系統(tǒng)，比如一個(gè)處于量子疊加態(tài)的原子，將在很長一段時(shí)間內(nèi)保持這種狀態(tài)。但更大的物體——比如一只貓，幾乎瞬間就會坍縮到定義明確的經(jīng)典狀態(tài)。這是第一個(gè)物理坍縮模型（GRW）。后來一種改進(jìn)的模型（CSL）涉及逐漸的、連續(xù)的坍縮，而不是突然的跳躍。這些模型與其說是對量子力學(xué)的解釋，不如說是對量子力學(xué)的補(bǔ)充。

是什么通過波函數(shù)坍縮導(dǎo)致了這種自發(fā)的“定位”的？20世紀(jì)80年代和90年代，牛津大學(xué)的數(shù)學(xué)物理學(xué)家羅杰·彭羅斯等人提出了一個(gè)可能的坍縮原因：引力。他們的想法是，如果一個(gè)量子物體處于多個(gè)位置的疊加狀態(tài)，每個(gè)位置狀態(tài)都會通過它們的引力相互作用“感覺”到其他的位置狀態(tài)。就好像這種引力導(dǎo)致物體測量自己，迫使它坍縮。或者如果從廣義相對論的角度來看，位置的疊加會同時(shí)以兩種不同的方式扭曲時(shí)空結(jié)構(gòu)，這是廣義相對論無法“容忍的”。正如彭羅斯所說，在量子力學(xué)和廣義相對論的對峙中，量子將首先破裂。

真理的檢驗(yàn)

與哥本哈根和埃弗雷特的解釋相比，物理坍縮模型具有可觀察預(yù)測的優(yōu)點(diǎn)——因此是可測試和可證偽的。

如果確實(shí)有一個(gè)未知因素的擾動，引發(fā)了量子坍縮（不管是引力效應(yīng)還是其他什么），那么所有的粒子都將不斷地與這個(gè)擾動相互作用（不管它們是否處于疊加狀態(tài)）。理論上，這些應(yīng)該是可以檢測到的。研究人員說，這種相互作用應(yīng)該會類似于布朗運(yùn)動。

目前的物理坍縮模型表明，這種擴(kuò)散運(yùn)動只是非常輕微的。盡管如此，如果粒子帶電，運(yùn)動過程將產(chǎn)生電磁輻射。研究人員已經(jīng)證明，這種輻射的產(chǎn)生可以從任何坍縮模型中得到預(yù)測。

然而，雖然想法很簡單，但在實(shí)踐中測試并不容易。預(yù)測的信號非常微弱，這意味著實(shí)驗(yàn)必須利用大量的帶電粒子才能得到可檢測的信號，并且噪聲必須保持在較低水平。只有最靈敏的實(shí)驗(yàn)儀器才能滿足這些條件，比如那些用來探測暗物質(zhì)或中微子的設(shè)備。

1996年，紐約漢密爾頓學(xué)院的一名本科生提出用基于鍺的中微子實(shí)驗(yàn)，來探測x射線發(fā)射的CSL特征。他們的想法是，鍺中的質(zhì)子和電子會發(fā)出自發(fā)輻射，而超靈敏的探測器會捕捉到這些輻射。然而，直到最近，具有所需靈敏度的儀器才上線。

2020年，意大利的一個(gè)團(tuán)隊(duì)使用了這種鍺探測器來測試一種坍縮模型（Diósi-Penrose模型）。在降噪之后，物理學(xué)沒有看到任何輻射。在今年8月發(fā)表的一篇論文中，2020年的結(jié)果被證實(shí)和加強(qiáng)了。

量子意識？

Diósi-Penrose物理坍縮模型中最具話題性的預(yù)測是，它可能解釋意識。具體來說，引力可能會在神經(jīng)元中誘發(fā)量子力學(xué)振動的坍縮，從而觸發(fā)意識。羅杰·彭羅斯與麻醉學(xué)家斯圖爾特·哈默洛夫合作提出的這些想法。如果物理坍縮模型被實(shí)驗(yàn)證偽，那么這些模型就不可能解釋意識。

• 格爾達(dá)的實(shí)驗(yàn)有一個(gè)很大的容器，它將把探測器放在一個(gè)液態(tài)氬保護(hù)層中。水箱周圍的大廳將裝滿純凈水。

盡管物理坍縮模型存在嚴(yán)重問題，但它們并沒有完全消亡。不同的模型對坍縮的性質(zhì)做出了非常不同的假設(shè)。雖然實(shí)驗(yàn)測試已經(jīng)排除了這些數(shù)值最合理的可能性，但仍有一線希望。

連續(xù)自發(fā)定位模型提出，干擾波函數(shù)的物理實(shí)體是某種“噪聲場”，目前的測試假設(shè)它是“白噪聲”：在所有頻率上都是均勻的。這是最簡單的假設(shè)。但也有可能噪音是“有色的”。要測試這些更復(fù)雜的模型，需要在更高的能量下測量發(fā)射光譜。