一个国际物理学家团队设计了一种方法来测试标准量子理论的替代方案，并提出了一种可能的解释，解释为什么量子效应不会出现在像猫这样的大型物体中。
他们的发现探索了为什么物体只在微观水平上显示量子特性，涉及复杂的自发辐射实验，可以验证这些新模型。
探索量子悖论
量子世界的明显怪异之处经常以薛定谔想象中的猫的悖论为例，这只猫在被观察者看到之前，一直处于生与死的边缘状态。但在现实世界中，我们从未遇到过这样的僵尸猫。量子效应似乎并没有扩展到非常大的物体，比如猫、人或房子，物理学家们也不能就为什么不能达成一致。
现在，一个由基础问题研究所（FQxI）资助的国际科学家团队提出了一种新的、改进的方法来测试一些替代标准量子理论的模型的有效性，这些模型提供了一种可能的解释。他们的研究成果最近发表在《物理评论快报》杂志上。
叠加和它们的极限
根据标准量子理论，在一个物体被观察到之前，它可以存在于具有多个相互矛盾性质的叠加态。FQxI成员、意大利弗拉斯卡蒂国家核物理研究所（INFN）的实验核物理和量子物理学家卡塔琳娜·库切亚努（Catalina Curceanu）说，一种简化的理解方式是，粒子可以同时出现在两个地方，或者一个放射性原子可以同时衰变和不衰变。
她说：“所以，如果你想象一下把一只猫关在一个盒子里，盒子里有一瓶毒药，当放射性原子衰变时，毒药就会释放出来。在这种情况下，放射源处于衰变和未衰变的叠加状态，所以瓶子既是打开的，又是关闭的，毒药既是释放的，也是含有的，猫就处于生与死的叠加状态。”
量子力学中的测量问题
例如，在实验中，这种叠加现象在重达16微克的蓝宝石晶体大小的物体中被观察到。根据标准量子理论，原则上，在更大的物体中，叠加态也可以存在。但我们在日常生活中看不到这些叠加。物理学家用一种“波函数”来描述量子系统，这种“波函数”可以追踪量子系统的演化。
库切亚努说：“由于某种原因，当观察到这些波函数时，它们很容易‘坍缩’ —— 在这一点上，量子系统的行为就像日常的‘经典’系统一样，失去了它们真正的量子属性。但标准量子理论无法告诉我们这是如何发生的，以及为什么会发生。这就是量子力学中所谓的‘测量问题’的本质。”
库切亚努说：“当观察到波函数时，它很容易‘坍缩’ —— 但是标准量子理论不能告诉我们这种情况是如何发生的，或者为什么会发生。”
突破量子坍缩模型的边界
测量问题导致独立的科学家团队开发了一套不同的解释，其中包括“量子坍缩模型” —— 标准量子理论的替代方案，“提出一个物理过程触发波函数的坍缩，系统越大，坍缩速度越快，”库切亚努说。
库切亚努解释说，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。她说：“这意味着有一天实验可能会找到证据，证明这些模型是正确的。”
量子坍缩研究进展
有两种主要类型的量子坍缩模型：第一种被称为连续自发定位（CSL）模型，其中坍缩是由一个内在的随机过程引起的，这个过程可能与重力或其他东西有关，也可能与之无关。这个过程是自发的、连续的。在第二组模型中，坍缩与重力有明确的关系 —— 例如，在所谓的Diósi-Penrose模型中，由匈牙利布达佩斯Eötvös Loránd大学的FQxI成员Lajos Diósi和英国牛津大学的诺贝尔物理学奖得主Roger Penrose独立开发。
库切亚努和她的同事（以及其他独立的研究小组）已经花了很多年的时间寻找这种自发辐射的迹象，以高能“伽马”辐射的形式存在。但是，到目前为止，他们还没有找到证据。这使得物理学家能够约束和排除各种不同版本的坍缩模型 —— 尤其是与引力相关的最简单的坍缩模型 —— 同时也约束了CSL模型的参数。
对自发辐射的新认识
在6月发表在《物理评论快报》杂志上的最新研究中，同样在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FxxxI成员Maanelli Derakhshani计算了原子系统在X射线域中以较低能量发射的自发电磁辐射的特征。
研究小组发现，最简单的模型与之前的预期有很大的不同。“相当令人惊讶的是，在这种低能状态下，自发辐射率被发现强烈依赖于所研究的原子种类，”Piscicchia说。“这是第一次发现辐射取决于特定的坍缩模型。”
Manti说：“这是第一次发现这种辐射依赖于特定的坍缩模型。”
这项工作部分由FQxI资助，FQxI是一个慈善资助的智库和资助机构，支持物理科学领域的蓝天研究。库切亚努说：“多亏了FQxI，我们能够推进自发辐射特征的计算，并应用新方法将其扩展到原子系统。”
量子实验的未来
库切亚努和她的同事们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。他们计划利用几个目标，在专门的实验中探索自发辐射与原子结构之间的预测关系。库切亚努说：“这将使我们能够更好地约束坍缩模型，如果发现一个信号，就能确定导致它的原因，当然，这将对所有科学产生巨大的影响。”
库切亚努说：“这将使我们能够更好地约束坍缩模型，如果发现一个信号，就能确定导致它的原因，当然，这将对所有科学产生巨大的影响。”
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