长期以来，物理坍缩理论为量子世界的核心之谜提供了一个看起来理所当然的解决方案，但一系列越来越精确的实验正在使这些物理坍缩理论站不住脚。

那些提出量子波函数坍缩的看起来理所当然的触发因素的理论本身似乎也在坍缩。

客观现实是如何从量子力学提供的可能性中涌现出来？这个问题，是量子理论提出的最深刻和最棘手的问题，仍然是一个世纪以来争论与探索的主题。对世界的观察如何产生明确的、"经典"结果的可能解释，借鉴了对量子力学含义的不同解释，在这一百多年里成倍增加。

现在科学家们可能已经准备好消除至少一组提案。最近的实验调动了粒子物理学仪器的极端敏感性，以测试这样一种观点：量子可能性"坍缩"到一个单一的经典现实中，不仅仅是一种数学上的便利，而是一个真实的物理过程——一种被称为“物理坍缩”（physicalcollapse）的想法。实验发现，至少在这些坍缩模型的最简单的品种中，没有证据显示出所预测的效果。

现在断言物理坍缩不会发生还为时过早。一些研究人员认为，这些模型还可以进行修改，以摆脱实验中的无效结果对它们施加的限制。但是，虽然"总是有可能拯救任何模型"，领导其中一个实验的意大利的里雅斯特国家核物理研究所的理论物理学家、桑德罗-多纳迪（SandroDonadi）说，他怀疑"学界是否将继续修改模型[无限期地]，因为这样做不会有太多的收获。"解决量子理论最大谜团的这一尝试的链条似乎正在绷紧。

是什么导致了坍缩？

物理坍缩模型旨在解决传统量子理论的一个核心难题。年，薛定谔断言，一个量子物体是由一个叫做波函数的数学实体描述的，它囊括了所有关于该物体及其属性的所有信息。顾名思义，波函数描述的是一种波，但不是一种物理波。相反，它是一种"概率波"，它使我们预测对物体进行测量的各种可能结果，以及在给定实验中观察到其中任何一种结果的机会。

像这样的在桑福德地下实验室的探测器，最初是为中微子研究而设计的，现在也承担了测试物理坍缩理论预测的工作。

如果以相同的方式对这些物体进行多次测量，那么波函数总是能正确预测结果的统计分布。但是没有办法知道任何一次测量的结果是什么，量子力学只提供概率。是什么决定了一个具体的观察？年，数学物理学家冯·诺依曼提出，当进行测量时，波函数被"折叠"成可能的结果之一。这个过程本质上是随机的，但因其编码的概率的影响。量子力学本身似乎并没有预测塌缩，它必须被手动添加到计算中。

作为一个临时的数学技巧，它运行良好。但在一些研究人员看来，这似乎是（并将继续是）一个不尽人意的技巧。爱因斯坦曾把它比作上帝掷骰子来决定什么是"真实"，即我们在经典世界中实际观察到的东西。玻尔在他的哥本哈根解释中，简单地宣称这个问题超出了界限，说物理学家只需要接受量子和经典之间的根本区别。相比之下，物理学家埃弗雷特在年断言，波函数坍缩只是一种幻觉，事实上，所有的结果都是在接近无限的分支宇宙中实现的，物理学家现在称之为"多世界"。

事实是，"波函数坍缩的根本原因尚不清楚，"加利福尼亚州劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的物理学家InwookKim说。"为什么以及如何发生波函数坍缩的？"

安吉洛-巴西（AngeloBassi）研究过理论坍塌模型和它们的实验测试，既从事理论坍缩模型的研究，也从事对其进行的实验测试。

年，意大利物理学家GiancarloGhirardi、AlbertoRimini和TullioWeber提出一个答案。他们说，如果薛定谔的波动方程不是故事的全部呢？他们假设，一个量子系统不断受到一些未知的影响，这些影响可以促使它自发地跳入系统可能的可观察状态之一，其时间尺度取决于系统的大小。一个小的、孤立的系统，比如一个处于量子叠加状态（一种可能有几种测量结果的状态）的原子，会在很长一段时间内保持这种状态。但是更大的物体，比如说一只猫，或者一个原子在与一个宏观测量设备相互作用时，几乎瞬间就会坍缩到一个定义明确的经典状态。这个所谓的GRW模型（以三人组的首字母命名）是第一个物理坍缩模型；后来的改进被称为连续自发局域化（continuousspontaneouslocalization，CSL）模型，涉及渐进的、连续的坍缩，而不是突然的跳跃。澳大利亚昆士兰大学物理学家、玛格达莱娜·齐赫（MagdalenaZych）说，这些模型与其说是对量子力学的解释，不如说是对它的补充。

是什么导致了这种通过波函数坍缩的自发局域化？GRW和CSL模型没有说；它们只是建议在薛定谔方程中添加一个数学术语来描述它。但在20世纪80年代和90年代，牛津大学的彭罗斯和布达佩斯EtvsLoránd大学的拉霍斯·迪奥西（LajosDiósi）独立提出了坍缩的可能原因：引力。简单来说，他们的想法是，如果一个量子物体处于不同位置的叠加状态，每个位置状态都会通过它们的引力作用"感受"到其他位置状态。就好像这种吸引力导致物体自己测量自己，迫使坍塌。或者，如果你从描述引力的广义相对论的角度来看，局部的叠加会使时空结构同时以两种不同的方式变形，这种情况是广义相对论所不能容许的。正如彭罗斯所说，在量子力学和广义相对论之间的对峙中，量子将首先破裂。

真理的检验

这些想法一直都是高度猜测性的。但是，与哥本哈根解释和埃弗雷特解释等量子力学的诠释相比，物理坍缩模型具有可观察预测的优点，因此是可测试和可证伪的。

量子意识？

迪奥西-彭罗斯物理坍缩模型最具有挑衅性和猜测性的预测之一是，它可能解释意识。具体来说，引力可能会诱发神经元中被称为微管的蛋白质丝的量子力学振动的坍缩，从而引发有认知的意识。这些想法是彭罗斯与麻醉师哈默罗夫合作提出，名为客观还原（OrchOR）的意识模型。

从传统物理学的角度来看，意识确实是一个谜团，"库尔恰努说。她说，将其与量子坍缩联系起来是一个"有吸引力的想法"。

如果实验排除了物理坍缩模型，就像它们看起来的那样，那么游戏就结束了，这些模型不可能解释意识。不管怎么说，其他实验似乎在结束客观还原模型。阿尔伯塔大学的肿瘤学家和物理学家JackTuszynski正与哈默罗夫一起领导一个项目，在这个项目中，几个小组独立地对该模型的各个方面进行了生物物理实验，包括对微管的集体量子状态的光谱研究。他们的报告仍在同行评议中，但结果没有显示出预测的效果的迹象。"Tuszynski说："目前还没有任何东西被最终排除，如果它能被排除的话，但每一个客观还原假设的不可能性在结合在一起时变得更加复杂，这使得它极难接受这样一个无限小的可能性。"

如果确实有一个背景扰动引发了量子坍缩，不管它是来自引力效应还是其他什么，那么所有粒子都会不断地与这个扰动发生作用，不管它们是否处于叠加状态。其后果原则上应该是可以检测到的。意大利的里雅斯特国家核物理研究所理论物理学家的物理学家、卡塔利娜·库尔恰努（CatalinaCurceanu）说，这种相互作用应该产生一种"空间中粒子的永久曲折"，类似于布朗运动。

目前的物理坍缩模型表明，这种扩散性运动只是非常轻微。尽管如此，如果粒子是带电的，这种运动将在一个称为轫致辐射的过程中产生电磁辐射。因此，一团物质应该不断地发射出非常微弱的光子流，这些典型的模型版本预测在其X射线范围。多纳迪和他的同事安吉洛-巴斯已经表明，任何动态自发坍缩模型，包括迪奥西-彭罗斯模型，都会有这种辐射的发射。

然而，"虽然这个想法很简单，但在实践中，测试并不那么容易，"物理学家InwookKim说。预测的信号极其微弱，这意味着一个实验必须涉及大量的带电粒子才能得到一个可探测的信号。而且背景噪音，来自宇宙射线和环境中的辐射等来源，必须保持低水平。这些条件只能由最敏感的实验来满足，例如那些旨在探测暗物质信号或被称为中微子的难以捉摸的粒子。

年，纽约汉密尔顿学院的傅奇佳（QijiaFu），当时只是一名本科生，提议使用基于锗的中微子实验来探测X射线发射的连续自发局域化特征。

很遗憾的是，傅奇佳在他提交论文的几周后，在犹他州的一次徒步旅行中被闪电击中而不幸身亡。他的想法是，锗中的质子和电子应该发出自发的辐射，而超敏感的探测器会接收到这种辐射。然而，直到最近，具有所需灵敏度的仪器才开始上线。

年，意大利的一个团队，包括多纳迪、巴西和库尔恰努，以及匈牙利的迪奥西，使用这种锗探测器来测试迪奥西-彭罗斯模型。这些探测器是为一个名为IGEX的中微子实验而制造的，由于其位于意大利亚平宁山脉的大萨索山下，所以可以屏蔽辐射。

年在罗马举行的TedX活动中的库尔恰努，利用粒子物理学探测器对坍缩理论进行严格的限制。

在仔细减去剩余的背景信号，主要是来自岩石的天然放射性之后，物理学家们看到在排除最简单形式的迪奥西-彭罗斯模型的灵敏度水平上没有发射。他们还对各种CSL模型可能仍然有效的参数设定了强有力的界限。最初的GRW模型就在这个狭窄的窗口内。它以微弱的优势幸存下来。

在今年8月发表的一篇论文中，年的结果被一个名为“马约拉纳演示器”的实验所证实和加强，该实验主要是为了寻找被称为马约拉纳中微子的假想粒子（它具有作为自己的反粒子的奇怪特性）。

该实验被安置在桑福德地下实验室中，该实验室位于南达科他州一个前金矿的地下近5千英尺处。它有一个比IGEX更大的高纯度锗探测器阵列，它们可以探测到低能量的X射线。"与以前的工作相比，我们的限制要严格得多，"该小组成员Kim说。

凌乱的结局

尽管物理坍缩模型已经病得不轻，但它们还不至于完结。"Kim说："各种模型对坍塌的性质和属性做出了非常不同的假设。实验测试现在已经排除了这些数值的大多数合理的可能性，但仍有一个小小的希望。

连续自发局域化模型提出，扰动波函数的物理实体是某种"噪声场"，目前的测试假设它是白噪声：即在所有频率下都是均匀的。这是最简单的假设。但是噪声有可能是"有色的"，例如有一些高频截止点。库尔恰努说，测试这些更复杂的模型将需要在比迄今为止可能的更高能量下测量发射光谱。

格尔达（Gerda）实验的特点是有一个大罐子，将天竺葵探测器放在一个液态氩的保护层内。水箱周围的大厅将充满纯净水。

马约拉纳演示器实验现在正接近尾声，但该团队正在与位于格兰萨索的一个名为格尔达的实验形成新的合作，以创建另一个探测中微子质量的实验。该实验被称为"传奇"（Legend），它将拥有更大规模的、因而更敏感的锗探测器阵列。"Kim说："Legend可能能够进一步推动CSL模型的极限。还有人提议在天基实验中测试这些模型，这将不会受到环境振动产生的噪音的影响。

反证是一项艰苦的工作，而且很少能达到一个清晰的终点。根据库尔恰努的说法，即使是现在，因在广义相对论方面的工作而获得年诺贝尔物理学奖的彭罗斯，仍在研究一个完全没有自发辐射的迪奥西-彭罗斯模型。

同样，一些人怀疑，对于这种量子力学的观点，已被写成定局了。"我们需要做的是重新思考这些模型试图实现什么，"齐赫说，"看看这些激励性的问题是否可以通过不同的方法得到更好的答案。"虽然很少有人会认为测量问题不再是一个问题，但在第一批坍缩模型提出后的几年里，我们也学到了很多关于量子测量的内容。"我认为我们需要回到几十年前创建这些模型的问题上，"她说，"并认真对待我们在此期间学到的东西。"