[论文解读] Gravity-related collapse of the wave function and spontaneous heating: revisiting the experimental bounds

Andrea Vinante, Hendrik Ulbricht|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2021

Quantum Mechanics and Applications参考文献 30被引用 10

一句话总结

本文通过分析超低温固态系统中的自发加热现象，重新评估了与引力相关的波函数坍缩的Diósi-Penrose（DP）模型的实验约束。研究发现，采用核波函数扩展作为重整化长度R₀的无参数DP模型，几乎已被现有漏热测量结果排除，而利用现有技术有望在不久的将来得出明确的排除结论。

ABSTRACT

The possibility that the collapse of the wave function in quantum mechanics is a real and ultimately connected to (classical) gravity has been debated for decades, with main contributions by Di\'osi and Penrose. In particular, Di\'osi proposed a noise-based dynamical reduction model, which captures the same orders of magnitude for the collapse time suggested by Penrose based on heuristic arguments. This is known in literature as the DP model (Di\'osi-Penrose). A peculiarity of the DP model is the prediction of spontaneous heating of matter, which can be tested without the need for massive quantum superpositions. Notably, a very similar effect is predicted by recent theoretical approaches to gravity as a classical-only information channel. Here, we reconsider the current constraints on the DP model from spontaneous heating, by analyzing experimental situations not properly considered before. We argue that the the parameter-free version of the DP model is close to be ruled out by standard heat leak measurements at ultralow temperature, with a conclusive exclusion likely within reach with existing technology. This result would strengthen a recent claim of exclusion inferred by spontaneous x-ray emission experiments, which relies on the somewhat stronger assumption that the DP noise field is white up to x-ray frequencies.

研究动机与目标

• 通过自发加热效应，重新表述并加强与引力相关的波函数坍缩的Diósi-Penrose（DP）模型的实验约束。
• 评估无参数DP模型的可行性，其中重整化长度R₀由固态中核波函数的热振幅决定。
• 比较低频加热实验（如低温恒温器中的漏热）与高频X射线辐射实验所得约束。
• 评估基于加热的约束对修改的影响，例如高频噪声截止，这些修改可能规避X射线约束。
• 提出通过在极低温下进行超精密漏热测量，实现对经典通道引力模型的最终排除路径。

提出的方法

• 使用DP模型中自发加热速率的显式公式：dE/dt = Għm / (4√π R₀³)，其中R₀为重整化长度。
• 通过将弹性体建模为非相互作用声学模的集合，将该模型应用于固态系统，并在凝聚态系统中验证加热公式的正确性。
• 利用实验数据（例如，铜中urms ≈ 4.3×10⁻¹² m）通过Debye-Waller因子估算R₀，基于晶格中质心均方根核位移。
• 将预测的加热功率（urms时为12 pW/kg）与超低温恒温器中残余漏热测量的上限进行比较。
• 通过天体物理源（如海王星的热辐射、中子星）的观测结果，对实验室结果进行上下文化比较。
• 考虑DP模型的耗散性扩展，表明即使有效温度TDP ≈ 100 K，预测结果依然稳健。

实验结果

研究问题

• RQ1 超低温固态实验中的自发加热能否为无参数Diósi-Penrose模型提供决定性检验？
• RQ2 低频漏热测量所得约束与高频X射线辐射实验所得约束相比，对DP模型的约束力如何？
• RQ3 通过在噪声谱中引入高频截止，X射线辐射约束在多大程度上可被规避？
• RQ4 实际核波函数扩展（urms）对铜等固体中预测加热速率的影响如何？
• RQ5 在深地下的超低温恒温器中进行超精密漏热测量，能否为经典通道引力模型提供更稳健的检验？

主要发现

• 当R₀设为核波函数扩展（铜中urms ≈ 4.3×10⁻¹² m）时，无参数DP模型预测的加热速率为12 pW/kg。
• 该预测加热速率与超低温恒温器中残余漏热测量的上限（10–20 pW/kg）处于同一数量级。
• 鉴于理论预测与实验测量均存在约一个数量级的不确定性，要得出明确排除结论，需将实验灵敏度提高10倍。
• 海王星热辐射所得约束（R₀ ≳ 3.7×10⁻¹² m）比LISA Pathfinder约束强一个数量级，比中子星约束强两个数量级。
• 漏热实验探测DP噪声场频率约为10¹² Hz，比X射线频段低6个数量级，因此对高频截止更具鲁棒性。
• 本工作导出的经典通道引力模型参数a > 0.9×10⁻¹¹ m的实验约束，比以往约束提高了1个数量级。