基本介紹
- 中文名：客觀坍縮理論
- 外文名：objective collapse theory
- 學科範疇：量子力學
概述,原版坍縮模型,實驗驗證,其它理論,
概述
薛丁格方程的線性性質允許巨觀物體自然地處於幾個不同量子態的疊加態，但是，在大自然里，從來沒有觀察到這種怪異的現象，巨觀物體永遠都會在空間占據著某個明確位置。假設將處於疊加態的物體從微觀尺度增大至巨觀尺度，則伴隨的干涉圖案會逐漸消失。根據哥本哈根詮釋的波函式坍縮假說，在觀察動作之後，疊加態會坍縮為可觀察量的幾個本徵態之中的一個本徵態，而坍縮至任何一個本徵態的機率遵循玻恩定則。可是，薛丁格時間演化與波函式坍縮是兩種相互矛盾的過程，沒有任何理論給出薛丁格時間演化過程終止的時間與波函式坍縮過程開始的時間。為了解決這難題，物理學者發展出坍縮理論。對於微觀物理行為與巨觀物理行為、以及在這兩種尺度之間的波函式坍縮現象，坍縮理論都能夠給出解釋。
坍縮理論有兩個重大局限，一是它採用的是一種現象方法來解決量子力學的一個基礎問題，即使這現象方法在未來能夠獲得肯定，物理學者仍舊不知道其機制為何。二是對於坍縮理論的相對論性推廣遇到艱難阻礙，這困境直到最近才獲得顯著進展，令人振奮的是，從這進展可以預期，原則上在不久的將來應該可以達成目標。
在各種坍縮理論之中，最為人所知的範例為
- 吉拉迪-里米尼-偉柏理論。
- 彭羅斯坍縮模型。
坍縮理論揭示出一種新方法來克服量子力學所面臨的困境，即量子理論必須包容兩種不一致的動力學演化方式。坍縮理論展現出統一微觀過程與巨觀過程的理論所必須擁有的特色。與大多數量子力學詮釋不同，坍縮理論具有可證偽性，因此可以做實驗檢試其正確性，檢試其與量子力學之間的分歧。
原版坍縮模型
坍縮理論試圖修改含時薛丁格方程，促使它能夠以同樣機制主導微觀過程與巨觀過程。最初，這努力並未獲得成功，這是因為兩個嚴重問題：
- 最佳化基問題：量子系統有很多種不同的本徵基底，當波函式坍縮時，到底應該選擇坍縮至哪一個基底的本徵態？
- 觸發問題：隨著系統從微觀尺度增大至巨觀尺度，怎樣同步增強觸發坍縮機制的功能？
原版坍縮模型指的是最早出現的有效解決這兩個問題的模型，又稱為量子力學自發定域模型，簡寫為QMSL模型。這簡單模型可以展示出坍縮理論的中心特色。這模型假定位置為普適最佳化基，所有不同定域位置的疊加態都應該被壓抑，因此，物理系統的基本組分在隨機時間與適當位置會發生隨機與自發的定域事件，稱為“打擊”或“跳躍”。
構想由N個可分辨粒子所組成的系統，標記其波函式為
;其中
是粒子i的位置。
假若粒子i在位置x遭受到一個打擊，則波函式會立刻變為
打擊發生在位置x的機率密度為
打擊發生的時間遵守泊松分布，平均頻率為f。
QMSL模型有兩個參數：定域準確度d與平均定域頻率f分別是參數。它們的數值大約為
採用這參數，微觀系統通常會每一億年發生一次定域事件，而巨觀系統則通常會每
秒發生一次定域事件。
原版坍縮模型（QMSL模型）有一個嚴重缺點，即它無法處理全同粒子案例，這是因為它並未將對稱性或反對稱性納入考量。為了克服這缺點，必須對這模型做出重大修改，從而導致出一種嶄新模型，稱為連續自發定域模型，簡稱“CSL模型”，是吉安卡羅·吉拉迪、菲利浦·泊爾與阿爾伯特·里米尼共同於1990年提出的模型。
實驗驗證
由於坍縮理論提出的演化方式不同於薛丁格方程的演化方式，做實驗可以檢試到底哪種理論比較正確。但是，量子退相干的效應與坍縮理論的預測很相似，量子退相干能夠解釋為什麼無法觀測到巨觀物體的干涉圖樣，但它無法解釋波函式坍縮。假若能夠設計出一種實驗，其所產生的量子退相干效應非常微小，而按照坍縮理論又會發生波函式坍縮，則可核對坍縮理論的正確性。由於坍縮理論需要涉及到很多粒子才能顯示出其效應，而粒子越多，則量子退相干效應也越強勁，因此，必須防止系統被量子退相干，必須將系統孤立隔離，不與環境發生相互作用。
截至目前為止，能夠呈現介觀干涉或巨觀干涉的實驗仍舊未達到檢試坍縮理論的程度。以下列出幾個檢試坍縮理論的實驗：
- 儘管C70衍射實驗展示出驚人結果，它仍舊離排除連續自發定域模型還有11個數量級之遠。
- 於2003年提出的“鏡子疊加實驗”預測將可促成約10個原子處於不同位置的疊加態，但還需要6個數量級的改進才能夠檢試連續自發定域模型。
隨著科技發展突飛猛進，實驗驗證坍縮模型的可行性應該只是時間上的問題。
其它理論
根據多世界詮釋，每一個孤立系統都可以用波函式來代表，整個宇宙也可以用波函式來代表，波函式不會坍縮，在對於系統作測量之後，所有可能的結果都各自屬實，每一個結果都分支為一個真實世界。坍縮理論與多世界詮釋完全對立。坍縮理論主張，波函式坍縮的過程會結束波函式的分支動作，從而刪除未觀察到的物理行為。
