^{ทฤษฎี การ}ยุบตัวเชิงวัตถุหรือที่รู้จักกันในชื่อแบบจำลองการยุบตัวโดยธรรมชาติ^{[ 1 ]}หรือแบบจำลองการลดทอนแบบไดนามิก [ ^{2 ]}เป็นแนวทางแก้ปัญหาการวัดในกลศาสตร์ควอนตัมที่ เสนอ ^{[ 3 ]} เช่นเดียวกับการตีความกลศาสตร์ควอนตัม อื่นๆ ทฤษฎี เหล่านี้เป็นคำอธิบายที่เป็นไปได้ว่าทำไมและอย่างไรการวัดควอนตัมจึงให้ผลลัพธ์ที่แน่นอนเสมอ ไม่ใช่การซ้อนทับกันของผลลัพธ์ตามที่ทำนายโดยสมการชโรดิงเกอร์และโดยทั่วไปแล้วโลกคลาสสิกเกิดขึ้นจากทฤษฎีควอนตัมได้อย่างไร แนวคิดพื้นฐานคือวิวัฒนาการเอกภาพของฟังก์ชันคลื่นที่อธิบายสถานะของระบบควอนตัมนั้นเป็นเพียงการประมาณค่า มันใช้ได้ดีกับระบบขนาดเล็ก แต่จะค่อยๆ สูญเสียความถูกต้องเมื่อมวล/ความซับซ้อนของระบบเพิ่มขึ้น

ในทฤษฎีการยุบตัว สมการชโรดิงเกอร์จะถูกเสริมด้วยพจน์ที่ไม่เป็นเชิงเส้นและสุ่มเพิ่มเติม (การยุบตัวโดยธรรมชาติ) ซึ่งทำให้ฟังก์ชันคลื่นอยู่ในบริเวณเฉพาะที่ พลวัตที่เกิดขึ้นนั้นทำให้สำหรับระบบขนาดเล็กที่แยกตัวออกจากกัน พจน์ใหม่เหล่านี้มีผลกระทบน้อยมาก ดังนั้น คุณสมบัติควอนตัมตามปกติจึงกลับคืนมา ยกเว้นความเบี่ยงเบนเล็กน้อยมาก ความเบี่ยงเบนดังกล่าวอาจตรวจพบได้ในการทดลองเฉพาะ และทั่วโลกกำลังพยายามมากขึ้นในการทดสอบสิ่งเหล่านี้

กลไกการขยายสัญญาณภายในช่วยให้มั่นใจได้ว่าสำหรับระบบขนาดมหาสารที่ประกอบด้วยอนุภาคจำนวนมาก การยุบตัวจะรุนแรงกว่าพลศาสตร์ควอนตัม จากนั้นฟังก์ชันคลื่นของพวกมันจะกระจุกตัวอยู่ในอวกาศอย่างดีเสมอ จนในทางปฏิบัติแล้วมันมีพฤติกรรมเหมือนจุดที่เคลื่อนที่ในอวกาศตามกฎของนิวตัน

ในแง่นี้ แบบจำลองการยุบตัวให้คำอธิบายที่เป็นเอกภาพของทั้งระบบระดับจุลภาคและมหภาค โดยหลีกเลี่ยงปัญหาเชิงแนวคิดที่เกี่ยวข้องกับการวัดในทฤษฎีควอนตัม

ตัวอย่างทฤษฎีประเภทนี้ที่รู้จักกันดีที่สุด ได้แก่:

• แบบจำลองกิราร์ดี–ริมินี–เวเบอร์ (GRW)
• แบบจำลองการระบุตำแหน่งโดยธรรมชาติอย่างต่อเนื่อง (CSL)
• แบบจำลอง Diósi–Penrose (DP)

ทฤษฎีการยุบตัวขัดแย้งกับทฤษฎีการตีความหลายโลกเนื่องจากทฤษฎีการยุบตัวเชื่อว่ากระบวนการยุบตัวของฟังก์ชันคลื่นจะจำกัดการแตกแขนงของฟังก์ชันคลื่นและขจัดพฤติกรรมที่ไม่สามารถสังเกตได้

บทความของ Philip Pearle ในปี 1976 เป็นผู้บุกเบิกสมการสโตแคสติกแบบไม่เชิงเส้นควอนตัมเพื่อจำลองการยุบตัวของฟังก์ชันคลื่นในลักษณะไดนามิก^{[ 4 ] : 477 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]}รูปแบบนี้ถูกนำมาใช้ในภายหลังสำหรับแบบจำลอง CSL อย่างไรก็ตาม แบบจำลองเหล่านี้ขาดคุณลักษณะของ "ความเป็นสากล" ของไดนามิก กล่าวคือ ความสามารถในการประยุกต์ใช้กับระบบทางกายภาพใดๆ (อย่างน้อยในระดับที่ไม่ใช่สัมพัทธภาพ) ซึ่งเป็นเงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับแบบจำลองใดๆ ที่จะกลายเป็นตัวเลือกที่ใช้ได้

ความก้าวหน้าครั้งสำคัญถัดไปเกิดขึ้นในปี 1986 เมื่อ Ghirardi, Rimini และ Weber ตีพิมพ์บทความที่มีชื่อเรื่องที่มีความหมายว่า "พลวัตแบบรวมสำหรับระบบจุลภาคและมหภาค" ^{[ 4 ] [ 8 ]}ซึ่งพวกเขานำเสนอสิ่งที่ปัจจุบันรู้จักกันในชื่อโมเดล GRW ตามอักษรย่อของผู้เขียน โมเดลนี้มีหลักการชี้นำสองประการ: ^{[ 4 ]}

1. สถานะพื้นฐานของตำแหน่งจะถูกนำมาใช้ในการลดสถานะแบบไดนามิก (โดย "ฐานที่ต้องการ" คือตำแหน่ง)
2. การปรับเปลี่ยนนี้จะต้องลดการซ้อนทับกันของวัตถุขนาดใหญ่โดยไม่เปลี่ยนแปลงการคาดการณ์ในระดับจุลภาค

ในปี พ.ศ. 2533 ความพยายามของกลุ่ม GRW ฝ่ายหนึ่ง และของ P. Pearle อีกฝ่ายหนึ่ง ได้รวมกันในการกำหนดรูปแบบ Continuous Spontaneous Localization (CSL) ^{[ 9 ] [ 10 ]}ซึ่งพลวัตของ Schrödinger และสนามคลาสสิกที่ผันผวนแบบสุ่มทำให้เกิดการยุบตัวเป็นสถานะไอเกนที่จำกัดในเชิงพื้นที่^{[ 4 ] : 478}

ในช่วงปลายทศวรรษ 1980 และ 1990 Diosi ^{[ 11 ] [ 12 ]}และ Penrose ^{[ 13 ] [ 14 ]}และคนอื่นๆ^{[ 4 ] : 508} ได้กำหนดแนวคิดที่ว่าการยุบตัวของฟังก์ชันคลื่นเกี่ยวข้องกับแรงโน้มถ่วงโดยอิสระ สมการไดนามิกมีโครงสร้างคล้ายกับสมการ CSL

มีแบบจำลองสามแบบที่ได้รับการกล่าวถึงอย่างกว้างขวางที่สุดในเอกสารทางวิชาการ:

• แบบจำลอง Ghirardi–Rimini–Weber (GRW) : ^{[ 8 ]}ถือว่าส่วนประกอบแต่ละส่วนของระบบทางกายภาพจะเกิดการยุบตัวโดยธรรมชาติอย่างอิสระ การยุบตัวเป็นแบบสุ่มในเวลา กระจายตามการแจกแจงแบบปัวซง เป็นแบบสุ่มในพื้นที่ และมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นในบริเวณที่ฟังก์ชันคลื่นมีขนาดใหญ่กว่า ระหว่างการยุบตัว ฟังก์ชันคลื่นจะวิวัฒนาการตามสมการชโรดิงเจอร์ สำหรับระบบแบบผสม การยุบตัวบนส่วนประกอบแต่ละส่วนทำให้ฟังก์ชันคลื่นของศูนย์กลางมวลยุบตัวลง
• แบบจำลองการแปลตำแหน่งแบบต่อเนื่องโดยธรรมชาติ (CSL) : ^{[ 10 ]}สมการชโรดิงเกอร์ได้รับการเสริมด้วยกระบวนการแพร่กระจายแบบไม่เชิงเส้นและสุ่มที่ขับเคลื่อนโดยสัญญาณรบกวนสากลที่เลือกอย่างเหมาะสมซึ่งเชื่อมโยงกับความหนาแน่นมวลของระบบ ซึ่งจะต่อต้านการแพร่กระจายควอนตัมของฟังก์ชันคลื่น เช่นเดียวกับแบบจำลอง GRW ยิ่งระบบมีขนาดใหญ่ การยุบตัวก็จะยิ่งรุนแรงขึ้น ดังนั้นจึงอธิบายการเปลี่ยนผ่านจากควอนตัมไปเป็นคลาสสิกเป็นการแตกสลายของความเป็นเชิงเส้นควอนตัมอย่างต่อเนื่องเมื่อมวลของระบบเพิ่มขึ้น แบบจำลอง CSL ได้รับการกำหนดสูตรในแง่ของอนุภาคที่เหมือนกัน
• แบบจำลอง Diósi–Penrose (DP) : ^{[ 12 ] [ 13 ]} Diósi และ Penrose ได้กำหนดแนวคิดที่ว่าแรงโน้มถ่วงเป็นสาเหตุของการยุบตัวของฟังก์ชันคลื่น Penrose โต้แย้งว่าในสถานการณ์แรงโน้มถ่วงควอนตัมที่การซ้อนทับเชิงพื้นที่สร้างการซ้อนทับของความโค้งของปริภูมิเวลาที่แตกต่างกันสองแบบ แรงโน้มถ่วงไม่ยอมรับการซ้อนทับดังกล่าวและยุบตัวลงเองโดยธรรมชาติ เขายังได้ให้สูตรเชิงปรากฏการณ์สำหรับเวลาการยุบตัวด้วย ก่อนหน้า Penrose อย่างอิสระ Diósi ได้นำเสนอแบบจำลองไดนามิกที่ยุบตัวฟังก์ชันคลื่นด้วยมาตราส่วนเวลาเดียวกันกับที่ Penrose แนะนำ

ควรกล่าวถึงแบบจำลองกลศาสตร์ควอนตัมที่มีการกำหนดตำแหน่งสากล (QMUPL) ^{[ 12 ] ซึ่งเป็นส่วนขยายของแบบจำลอง GRW สำหรับอนุภาคที่เหมือนกันซึ่งกำหนดโดย Tumulka [ 15 ]}ซึ่งพิสูจน์ผลลัพธ์ทางคณิตศาสตร์ที่สำคัญหลายประการเกี่ยวกับสมการการยุบตัว^{[ 16 ]}

ในแบบจำลองทั้งหมดที่กล่าวมาข้างต้น เสียงรบกวนที่ทำให้เกิดการยุบตัวนั้นเป็นแบบมาร์โคเวียน (ไม่มีความจำ): ไม่ว่าจะเป็นกระบวนการปัวซงในแบบจำลอง GRW แบบไม่ต่อเนื่อง หรือเสียงรบกวนสีขาวในแบบจำลองแบบต่อเนื่อง แบบจำลองเหล่านี้สามารถขยายให้ครอบคลุมเสียงรบกวนแบบใดก็ได้ (แบบมีสี) โดยอาจมีการตัดความถี่: แบบจำลอง CSL ได้รับการขยายไปสู่เวอร์ชันแบบมีสี^{[ 17 ] [ 18 ]} (cCSL) เช่นเดียวกับแบบจำลอง QMUPL ^{[ 19 ] [ 20 ]} (cQMUPL) ในแบบจำลองใหม่เหล่านี้ คุณสมบัติการยุบตัวยังคงไม่เปลี่ยนแปลงโดยพื้นฐาน แต่การคาดการณ์ทางกายภาพเฉพาะบางอย่างอาจเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญ

ในแบบจำลองการยุบตัวทั้งหมด ผลกระทบของสัญญาณรบกวนจะต้องป้องกันความเป็นเชิงเส้นและความเป็นเอกภาพของกลศาสตร์ควอนตัม ดังนั้นจึงไม่สามารถอธิบายได้ภายในกลศาสตร์ควอนตัม^{[ 21 ] : 423} เนื่องจากสัญญาณรบกวนที่รับผิดชอบต่อการยุบตัวทำให้เกิดการเคลื่อนที่แบบบราวน์ในแต่ละองค์ประกอบของระบบทางกายภาพ พลังงานจึงไม่ได้รับการอนุรักษ์ พลังงานจลน์เพิ่มขึ้นในอัตราคงที่ คุณลักษณะดังกล่าวสามารถปรับเปลี่ยนได้โดยไม่เปลี่ยนแปลงคุณสมบัติการยุบตัว โดยการรวมผลกระทบของการกระจายพลังงานที่เหมาะสมในพลวัต สิ่งนี้ทำได้สำหรับแบบจำลอง GRW, CSL, QMUPL และ DP โดยได้รับแบบจำลองที่กระจายพลังงาน (dGRW, ^{[ 22 ]} dCSL, ^{[ 23 ] [ 24 ]} dQMUPL, ^{[ 25 ]} DP ^{[ 26 ] [ 24 ]} ) แบบจำลอง QMUPL ได้รับการขยายเพิ่มเติมเพื่อรวมทั้งสัญญาณรบกวนสีและผลกระทบของการกระจายพลังงาน^{[ 27 ] [ 28 ]} (แบบจำลอง dcQMUPL)

แบบจำลองการยุบตัวจะปรับเปลี่ยนสมการชโรดิงเกอร์ ดังนั้นจึงให้ผลการทำนายที่แตกต่างจากผลการทำนายทางกลศาสตร์ควอนตัมมาตรฐาน แม้ว่าความเบี่ยงเบนเหล่านี้จะตรวจจับได้ยาก แต่ก็มีจำนวนการทดลองเพิ่มมากขึ้นเรื่อยๆ ที่ค้นหาปรากฏการณ์การยุบตัวโดยธรรมชาติ ซึ่งสามารถแบ่งออกได้เป็นสองกลุ่ม:

• การทดลองแบบอินเตอร์เฟอโรเมตริกส์เป็นการทดลองที่พัฒนาต่อยอดมาจากการทดลองแบบช่องคู่ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงธรรมชาติของคลื่นของสสาร (และแสง) การทดลองในยุคปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่การเพิ่มมวลของระบบ เวลาในการเดินทาง และ/หรือระยะการกระจายตัว เพื่อสร้างการซ้อนทับที่ใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ การทดลองที่โดดเด่นที่สุดในประเภทนี้คือการทดลองกับอะตอม โมเลกุล และโฟนอน
• การทดลองที่ไม่ใช่การแทรกสอดการทดลองเหล่านี้อาศัยข้อเท็จจริงที่ว่าเสียงรบกวนจากการยุบตัว นอกจากจะทำให้ฟังก์ชันคลื่นยุบตัวแล้ว ยังเหนี่ยวนำให้เกิดการแพร่กระจายบนการเคลื่อนที่ของอนุภาค ซึ่งเกิดขึ้นเสมอ แม้ว่าฟังก์ชันคลื่นจะถูกจำกัดตำแหน่งแล้วก็ตาม การทดลองประเภทนี้เกี่ยวข้องกับอะตอมเย็น ระบบออปโตเมคานิกส์ เครื่องตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วง และการทดลองใต้ดิน^{[ 29 ]}

ตามทฤษฎีการยุบตัว พลังงานจะไม่ถูกอนุรักษ์ แม้แต่สำหรับอนุภาคเดี่ยวๆ กล่าวโดยละเอียด ในแบบจำลอง GRW, CSL และ DP พลังงานจลน์จะเพิ่มขึ้นในอัตราคงที่ ซึ่งมีค่าเล็กน้อยแต่ไม่ใช่ศูนย์

สิ่งนี้มักถูกนำเสนอเป็นผลลัพธ์ที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ของหลักการความไม่แน่นอนของไฮเซนเบิร์ก: การยุบตัวในตำแหน่งทำให้เกิดความไม่แน่นอนในโมเมนตัมมากขึ้น คำอธิบายนี้ผิด ในทฤษฎีการยุบตัว การยุบตัวในตำแหน่งยังกำหนดตำแหน่งในโมเมนตัมด้วย ทำให้ฟังก์ชันคลื่นไปสู่สถานะความไม่แน่นอนขั้นต่ำเกือบทั้งในตำแหน่งและในโมเมนตัม^{[ 16 ]}ซึ่งสอดคล้องกับหลักการของไฮเซนเบิร์ก เหตุผลที่พลังงานเพิ่มขึ้นคือเสียงรบกวนจากการยุบตัวทำให้อนุภาคกระจายตัว จึงเร่งความเร็วขึ้น

นี่เป็นสถานการณ์เดียวกับการเคลื่อนที่แบบบราวน์แบบคลาสสิก และในทำนองเดียวกัน การเพิ่มขึ้นนี้สามารถหยุดได้โดยการเพิ่มเอฟเฟกต์การกระจายพลังงาน เวอร์ชันการกระจายพลังงานของโมเดล QMUPL, GRW, CSL และ DP มีอยู่^{[ 22 ] [ 23 ] [ 25 ] [ 24 ]}ซึ่งคุณสมบัติการยุบตัวยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเทียบกับโมเดลดั้งเดิม ในขณะที่พลังงานจะกลายเป็นความร้อนไปสู่ค่าจำกัด (ดังนั้นจึงอาจลดลงได้ ขึ้นอยู่กับค่าเริ่มต้น)

อย่างไรก็ตาม ในแบบจำลองการสูญเสียพลังงาน พลังงานไม่ได้ถูกอนุรักษ์ไว้อย่างเคร่งครัด วิธีแก้ปัญหานี้อาจทำได้โดยการพิจารณาว่าสัญญาณรบกวนก็เป็นตัวแปรพลวัตที่มีพลังงานของตัวเอง ซึ่งมีการแลกเปลี่ยนกับระบบควอนตัมในลักษณะที่พลังงานของระบบทั้งหมดและสัญญาณรบกวนรวมกันนั้นได้รับการอนุรักษ์ไว้

หนึ่งในความท้าทายที่ใหญ่ที่สุดในทฤษฎีการยุบตัวคือการทำให้ทฤษฎีเหล่านั้นเข้ากันได้กับข้อกำหนดเชิงสัมพัทธภาพ โมเดล GRW, CSL และ DP ไม่เข้าข่าย ความยากลำบากที่ใหญ่ที่สุดคือวิธีการรวมลักษณะที่ไม่เฉพาะที่ของการยุบตัว ซึ่งจำเป็นต่อการทำให้เข้ากันได้กับการละเมิดอสมการเบลล์ที่ได้รับการตรวจสอบจากการทดลอง เข้ากับหลักการเฉพาะที่เชิงสัมพัทธภาพ มีโมเดล^{[ 30 ] [ 31 ]}ที่พยายามวางนัยทั่วไปของโมเดล GRW และ CSL ในแง่ของเชิงสัมพัทธภาพ แต่สถานะของโมเดลเหล่านั้นในฐานะทฤษฎีเชิงสัมพัทธภาพยังไม่ชัดเจน การกำหนด ทฤษฎีการยุบ ตัวของวัตถุต่อเนื่องที่เหมาะสมตามแบบลอเรนซ์ยังคงเป็นเรื่องของการวิจัย

ในทฤษฎีการยุบตัวทั้งหมด ฟังก์ชันคลื่นจะไม่ถูกบรรจุไว้อย่างสมบูรณ์ภายในบริเวณ (เล็กๆ) ของพื้นที่ เนื่องจากเทอมชโรดิงเกอร์ของพลศาสตร์จะกระจายมันออกไปนอกพื้นที่เสมอ ดังนั้น ฟังก์ชันคลื่นจึงมีส่วนหางที่ยื่นออกไปเป็นอนันต์เสมอ แม้ว่า "น้ำหนัก" ของมันจะน้อยลงในระบบที่ใหญ่กว่าก็ตาม นักวิจารณ์ทฤษฎีการยุบตัวโต้แย้งว่าไม่ชัดเจนว่าจะตีความส่วนหาง เหล่านี้อย่างไร ปัญหาที่แตกต่างกันสองประการได้รับการกล่าวถึงในวรรณกรรม ประการแรกคือปัญหา "ส่วนหางเปล่า": ไม่ชัดเจนว่าจะตีความส่วนหางเหล่านี้อย่างไร เพราะมันหมายความว่าระบบไม่เคยถูกจำกัดอยู่ในพื้นที่อย่างสมบูรณ์จริงๆ กรณีพิเศษของปัญหานี้เรียกว่า "ความผิดปกติของการนับ" ^{[ 32 ] [ 33 ]}ผู้สนับสนุนทฤษฎีการยุบตัวส่วนใหญ่ปฏิเสธคำวิจารณ์นี้ว่าเป็นความเข้าใจผิดเกี่ยวกับทฤษฎี^{[ 34 ] [ 35 ]}เนื่องจากในบริบทของทฤษฎีการยุบตัวแบบพลศาสตร์ กำลังสองสัมบูรณ์ของฟังก์ชันคลื่นถูกตีความว่าเป็นความหนาแน่นของสสารจริง ในกรณีนี้หาง เป็นเพียงตัวแทนของสสาร ที่กระจายตัวออกไปในปริมาณที่น้อยมากจนวัดไม่ได้อย่างไรก็ตาม นี่นำไปสู่ปัญหาที่สองที่เรียกว่า "ปัญหาหางที่มีโครงสร้าง": ยังไม่ชัดเจนว่าจะตีความหางเหล่านี้อย่างไร เพราะถึงแม้ "ปริมาณสสาร" ของมันจะน้อย แต่สสารนั้นก็มีโครงสร้างเหมือนโลกที่ถูกต้องสมบูรณ์ ดังนั้น หลังจากที่กล่องถูกเปิดออกและแมวของชโรดิงเกอร์ได้ยุบตัวลงสู่สถานะ "มีชีวิต" แล้ว ก็ยังคงมีหางของฟังก์ชันคลื่นที่มีเอนทิตี "สสารต่ำ" ที่มีโครงสร้างเหมือนแมวที่ตายแล้ว นักทฤษฎีการยุบตัวได้เสนอแนวทางแก้ไขที่เป็นไปได้มากมายสำหรับปัญหาหางที่มีโครงสร้าง แต่ปัญหานี้ยังคงเป็นปัญหาที่ยังไม่ได้รับการแก้ไข^{[ 36 ]}

• Giancarlo Ghirardi, ทฤษฎีการยุบ , สารานุกรมปรัชญาสแตนฟอร์ด (เผยแพร่ครั้งแรกเมื่อวันพฤหัสบดีที่ 7 มีนาคม 2545; การแก้ไขเนื้อหาสำคัญวันศุกร์ที่ 15 พฤษภาคม 2563)
• "การทดลองทางฟิสิกส์ชี้ชัดว่าทฤษฎี 'การยุบตัว' ของควอนตัมนั้นล้มเหลว" . นิตยสาร Quanta . 2022-10-20 . สืบค้นเมื่อ2022-10-21 .