في ميكانيكا الكم يحدث انهيار الدالة الموجية عندما تنخفض الدالة الموجية في البداية في تراكب العديد من (eigenstates) إلى حالة (eigenstates) واحدة؛ وذلك لأن التفاعل يكون مع العالم الخارجي.
ميكانيك الانهيار الموضوعي
تعرف نظريات انهيار الهدف والمعروفة أيضًا بنماذج انهيار وظيفة الموجة العفوية أو نماذج الاختزال الديناميكي، وهي حلول مقترحة لمشكلة القياس في ميكانيكا الكم، وكما هو الحال مع النظريات الأخرى المسماة تفسيرات ميكانيكا الكم فهي تفسيرات محتملة لسبب، وكيفية إعطاء القياسات الكمومية دائمًا نتائج محددة، وليس تراكبًا لها كما تنبأت معادلة شرودنغر، وبشكل عام كيف ينبثق العالم الكلاسيكي من الكم.
نظرية الفكرة الأساسية هي أن التطور الأحادي لوظيفة الموجة يصف حالة النظام الكمي تقريبي أي إنه يعمل جيدًا للأنظمة المجهرية، لكنه يفقد صلاحيته تدريجياً عندما تزداد كتلة أ يزيد تعقيد النظام، وفي نظريات الانهيار تُستكمل معادلة شرودنغر بمصطلحات غير خطية وعشوائية إضافية التي تحدد وظيفة الموجة في الفضاء.
إن الديناميات الناتجة هي أن المصطلحات الجديدة لها تأثير ضئيل بالنسبة للأنظمة المعزولة المجهرية لذلك يتم استعادة الخصائص الكمومية المعتادة بصرف النظر عن الانحرافات الصغيرة جدًا، ويمكن اكتشاف مثل هذه الانحرافات في تجارب مخصصة وتتزايد الجهود في جميع أنحاء العالم من أجل اختبارها، وتضمن آلية التضخيم المضمنة أنه بالنسبة للأنظمة العيانية التي تتكون من العديد من الجسيمات حيث يصبح الانهيار أقوى من ديناميكيات الكم.
ومن ثم فإن دالة الموجة الخاصة بهم دائمًا ما تكون موضعية جيدًا في الفضاء ومترجمة جيدًا، بحيث تتصرف لجميع الأغراض العملية مثل نقطة تتحرك في الفضاء وفقًا لقوانين نيوتن، وفي هذا المعنى توفر نماذج الانهيار وصفًا موحدًا للأنظمة المجهرية والعيانية وتجنب المشكلات المفاهيمية المرتبطة بالقياسات في نظرية الكم.
أشهر الأمثلة على نظريات الانهيار الموضعي في فيزياء الكم
- نموذج غيراردي – ريميني – ويبر (GRW).
- نموذج التعريب التلقائي المستمر (CSL).
- نموذج Diósi – Penrose (DP).
وتقف نظريات الانهيار في مواجهة نظريات تفسير العوالم المتعددة من حيث أنها ترى أن عملية انهيار وظيفة الموجة تقلل من تفرع الدالة الموجية وتزيل السلوك غير المرصود.
تطور نظريات الانهيار
يعود نشأة نماذج الانهيار إلى السبعينيات، ففي إيطاليا كانت مجموعة (L. Fonda) و (GC Ghirardi) و (A)، وفي نموذجهم كانت السمة الأساسية هي أنه أثناء الاضمحلال حيث تخضع الجسيمات لانهيارات تلقائية في الفضاء، وهي الفكرة التي تم نقلها لاحقًا لتوصيف نموذج (GRW)، وفي غضون ذلك كان (P. Pearle) في الولايات المتحدة الأمريكية يطور معادلات غير خطية ومعادلات عشوائية لنمذجة انهيار الدالة الموجية بطريقة ديناميكية.
تم استخدام هذه الشكلية لاحقًا لنموذج (CSL) ومع ذلك افتقرت هذه النماذج إلى طابع عالمية الديناميكيات أي قابليتها للتطبيق على نظام فيزيائي تعسفي على الأقل على المستوى غير النسبي، وهو شرط ضروري لأي نموذج ليصبح خيارًا قابلاً للتطبيق، حيث جاء الاختراق في عام 1986 عندما نشر جيراردي وريميني وويبر ديناميات موحدة للأنظمة المجهرية والعيانية، حيث قدموا ما يعرف الآن باسم نموذج (GRW)، إذ يحتوي النموذج على جميع المكونات التي يجب أن يحتوي عليها نموذج الانهيار وهي:
- يتم تعديل ديناميكيات شرودنغر بإضافة مصطلحات عشوائية غير خطية، والتي يكون تأثيرها هو تحديد دالة الموجة بشكل عشوائي في الفضاء.
- بالنسبة للأنظمة المجهرية فإن المصطلحات الجديدة لا تذكر في الغالب.
- بالنسبة للكائن العياني تحافظ الديناميكيات الجديدة على وظيفة الموجة موضعية جيدًا في الفضاء وبالتالي ضمان الكلاسيكية.
- على وجه الخصوص في نهاية القياسات هناك دائمًا نتائج محددة موزعة وفقًا لقاعدة Born.
- تتوافق الانحرافات عن التنبؤات الكمية مع البيانات التجريبية الحالية.
اختبارات نماذج الانهيار
نماذج الانهيار هي تعديل معادلة شرودنغر لذلك يقومون بعمل تنبؤات تختلف عن تنبؤات ميكانيكا الكم القياسية، وعلى الرغم من صعوبة اكتشاف الانحرافات إلا أن هناك عددًا متزايدًا من التجارب التي تبحث عن تأثيرات الانهيار التلقائي، ويمكن تصنيفها في مجموعتين:- تجارب قياس التداخل: حيث إنها نسخ منقحة من تجربة الشق المزدوج تُظهر الطبيعة الموجية للمادة والضوء وتهدف الإصدارات الحديثة إلى زيادة كتلة النظام أو وقت الرحلة مسافة إلغاء تحديد الموقع من أجل إنشاء تراكبات أكبر من أي وقت مضى، حيث أن أبرز التجارب من هذا النوع كانت على الذرات والجزيئات والفونونات.
- تجارب غير قياس التداخل: حيث إنها تستند إلى حقيقة أن ضوضاء الانهيار إلى جانب انهيار وظيفة الموجة تؤدي أيضًا إلى انتشار فوق حركة الجسيمات، والتي تعمل دائمًا أيضًا عندما تكون وظيفة الموجة محلية بالفعل، وتشمل التجارب من هذا النوع الذرات الباردة والأنظمة البصرية الميكانيكية وكاشفات الموجات الثقالية والتجارب تحت الأرض.
انتهاك مبدأ الحفاظ على الطاقة
وفقًا لنظريات الانهيار لا تحفظ الطاقة أيضًا للجسيمات المعزولة، وبشكل أوضح في نماذج (GRW) و (CSL) و (DP) ترتفع الطاقة الحركية بمعدل ثابت، وهو صغير ولكنه غير صفري، وفي معظم الأحيان ما يتم تقديم هذا على أنه نتيجة حتمية لمبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ، حيث يتسبب الانهيار في الموقف في قدر أكبر من عدم اليقين في الزخم.
هذا التفسير خاطئ بشكل أساسي، ففي الواقع في نظريات الانهيار يحدد الانهيار في الموقع أيضًا توطين في الزخم، حيث يتم دفع الدالة الموجية إلى حالة عدم يقين أدنى تقريبًا في كل من الموضع والزخم بما يتوافق مبدأ هايزنبرغ.
السبب في زيادة الطاقة وفقًا لنظريات الانهيار هو أن ضوضاء الانهيار تنشر الجسيم وبالتالي تسرعته، وهذا هو نفس الوضع كما في الحركة البراونية الكلاسيكية، أما بالنسبة للحركة البراونية الكلاسيكية فيمكن إيقاف هذه الزيادة بإضافة تأثيرات مشتتة، وتوجد إصدارات مشتتة من نموذج (QMUPL) و (GRW) و (CSL)، حيث تُترك خصائص الانهيار دون تغيير فيما يتعلق بالنماذج الأصلية بينما يتم تحويل الطاقة إلى قيمة محدودة، وبالتالي يمكن أن تنخفض حسب قيمته الأولية.
ومع ذلك في نموذج التبديد أيضًا لا يتم الحفاظ على الطاقة بشكل صارم، إذ قد يأتي حل هذا الموقف من خلال اعتبار الضوضاء أيضًا متغيرًا ديناميكيًا مع طاقته الخاصة، والتي يتم تبادلها مع النظام الكمومي بطريقة تحفظ النظام الكلي و طاقة الضوضاء.
نماذج الانهيار النسبي
يتمثل أحد أكبر التحديات في نظريات الانهيار في جعلها متوافقة مع المتطلبات النسبية، حيث طرز (GRW) و (CSL) و (DP) ليست كذلك، حيث تكمن الصعوبة الأكبر في كيفية الجمع بين الطابع غير المحلي للانهيار، وهو أمر ضروري لجعله متوافقًا مع الانتهاك الذي تم التحقق منه تجريبياً لمتباينات بيل مع مبدأ النسبية للمكان.
توجد نماذج تحاول التعميم بالمعنى النسبي لنماذج (GRW) و (CSL)، لكن وضعها كنظريات نسبية لا يزال غير واضح، ولا تزال صياغة نظرية لورنتز المتغيرة المناسبة للانهيار الموضوعي المستمر مسألة بحث.
في العروض التقديمية القياسية للنظرية تكون حالة النظام قبل القياس عبارة عن مجموع المصطلحات، حيث يمثل مصطلح واحد كل نتيجة محتملة للقياس، ووفقًا لافتراض الانهيار يؤدي القياس إلى قفزة متقطعة إلى أحد هذه المصطلحات ويختفي الآخرون.
