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關於量子力學意義的辯論如此有趣，真是幸運，因為它們似乎永無止境。各種提出的解釋都做出了相同的實驗預測，因此許多人擔心永遠無法在它們之間做出選擇。不要再擔心了。“解釋”中的一些實際上與其說是解釋，不如說是單獨的理論，這些理論確實做出了獨特的且可測試的預測。在一篇新論文中，墨西哥國立自治大學的物理學家埃利亞斯·奧孔和丹尼爾·蘇達爾斯基認為，其中一種解釋——其中通常被認為是假設的量子波函式“坍縮”是一種實際的物理過程——不僅可以透過檢視宇宙微波背景輻射等資料進行測試，而且還可以解決長期存在的謎團，例如黑洞資訊悖論。我已經邀請他們將他們的想法濃縮成一篇嘉賓帖子。——喬治·穆瑟
測量任何量（例如粒子的位置）的行為在量子力學的標準公式中起著核心作用。根據這種被稱為哥本哈根解釋的觀點，測量會導致粒子或更大系統的波函式從機率的迷霧坍縮為單一確定的結果。但什麼是測量，真的？誰進行測量——它需要有意識的觀察者嗎？如果觀察者必須站在被觀察系統之外，那麼當系統不是孤立的小物體，而是整個宇宙時會發生什麼？
這些問題促使人們開發量子力學的修改和替代版本，這些版本並非從根本上基於測量或外部觀察者的概念：玻姆力學、交易解釋、多世界情景等等。在我們的工作中，我們專注於所謂的客觀坍縮模型，該模型修改了量子力學的標準方程，以提供波函式坍縮的機制。此類模型有多種形式，尤其是吉拉迪-裡米尼-韋伯理論 (GRW) 和菲利普·皮爾的連續自發定域化 (CSL) 理論。
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這些模型的一個優點是它們預測了與普通量子力學的可觀察到的偏差。例如，考慮類似於薛定諤臭名昭著的貓的實驗。物理學家將系統置於不確定性狀態，例如同時順時針和逆時針旋轉。哥本哈根解釋說，系統將保持在該狀態，直到觀察者對其進行測量。客觀坍縮模型說系統將自發地解決不確定性。在這種情況下，系統也將自發地失去其特徵性的離域波狀特性，而使用干涉儀研究該系統的物理學家應該注意到行為的變化。系統越大，其疊加坍縮的速度就越快。
多年前，我們中的一位（蘇達爾斯基）和同事亞歷杭德羅·佩雷斯和漢諾·薩爾曼建議宇宙本身可以充當實驗室。最近，宇宙暴脹理論因可能探測到其預測的引力波而成為新聞。暴脹理論認為，星系和星系團的起源是量子漲落，這些量子漲落被鎖定在原位，並透過宇宙早期的快速膨脹而擴大到天文尺寸。然而，該理論假設對稱的量子態可以轉變為本質上經典的非對稱態。哥本哈根解釋未能解釋在沒有觀察者或測量的情況下這種轉變將如何發生。事實上，標準量子演化保留了初始狀態的對稱性，因此它本質上無法解釋初始對稱性的破壞。
另一方面，客觀坍縮模型為轉變提供了明確的、獨立於觀察者的機制。在這些模型中，一種新的不確定性進入發揮作用，並將量子漲落轉變為表現得像經典物理學中的不均勻性和各向異性。特定模型會導致宇宙微波背景輻射中出現不同的特徵。例如，在 CSL 理論中，與標準預測的偏差發生在小尺度上。此外，不期望的統計特徵應該出現在微波背景漲落的分佈中。
今年，我們探索了客觀坍縮模型如何改變我們對黑洞的理解。正如斯蒂芬·霍金著名地表明的那樣，量子理論預測，落入黑洞的物質將以無定形輻射的形式重新出現。物質包含的所有資訊都丟失了，這讓大多數物理學家感到悖論，因為普通的量子力學保留了資訊。在其最新版本中，該悖論使物理學家面臨一個令人不快的選擇：要麼在黑洞視界附近形成耀眼的輻射火牆，這與廣義相對論相矛盾，要麼每個落入的粒子都必須與另外兩個粒子（一個落入中心奇點，另一個向外逃逸）同時最大程度地量子糾纏，這與量子力學相矛盾。
這個悖論至關重要地假設，即使包括量子引力效應，量子理論也能完全保留資訊。霍金、羅傑·彭羅斯和拉約什·迪奧西質疑了這一假設，客觀坍縮模型也是如此。這些模型假設資訊破壞和創造是自然的根本特徵，因此它們為消除衝突提供了希望。關鍵問題是，當您深入細節時，這種希望是否能夠實現。我們認為它是。我們推測，隨著時空曲率變得很大，自發坍縮的速率會增加——實際上，量子力學在奇點附近的高度彎曲區域中將被大大修改。具體來說，我們認為，落入黑洞的宇航員會觀察到量子效應逐漸消失，因此粒子在某種意義上表現得更像經典物理學中的粒子。因此，悖論就簡單地消失了。
事實上，我們認為客觀坍縮和黑洞之間的聯絡甚至更深。根據約翰·惠勒的建議，我們認為自發坍縮事件可能是由於微觀層面黑洞的產生和破壞而發生的。在我們的提議中，這個過程在大型黑洞內部的高度彎曲區域中被放大。最重要的是，量子力學在解釋我們看到的現象方面令人難以置信的準確性並不意味著該理論將在更極端的情況下繼續未修改地適用。
我們認為，這些研究應該為構建完全令人滿意的量子動力學坍縮理論提供線索。反過來，這些理論應該有助於解決我們理解物理學基本定律時面臨的一些最緊迫的難題。理論家們在理解現代物理學的一些謎題方面遇到如此多的麻煩，也許是因為我們中的許多人一直在嘗試這樣做，而忽略了困擾量子理論本身的概念性困難。
哈勃太空望遠鏡影像由 NASA、ESA、G. Illingworth、D. Magee 和 P. Oesch（加州大學聖克魯斯分校）、R. Bouwens（萊頓大學）以及 HUDF09 團隊提供