Что такое квантовый дарвинизм

Квантовый дарвинизм

Войцех Зурек / Фото: Los Alamos National Laboratory

Одну из многочисленных альтернативных теорий объединения квантового и реального мира предложил польский физик-теоретик Войцех Зурек еще в 2003 году. Так называемый квантовый дарвинизм предполагает, что факт наличия наблюдателя и его наблюдений вовсе не определяет состояние квантовой частицы и не нарушает хрупкий квантовый баланс.

Вместо этого, согласно теории Зурека, квантовые частицы по умолчанию имеют функцию перехода в окружающую среду в одном из своих состояний суперпозиции, которую мы не можем наблюдать либо измерить. Процесс этого перехода называют декогеренцией, которая и отвечает за объединение квантовых систем с реальным миром.

«Квантовый дарвинизм описывает распространение в окружающей среде множества копий отдельных состояний квантовой системы. Это объясняет, как хрупкость состояния одной квантовой системы может привести к классической устойчивости состояний и их коррелированному множеству», — писал Войцех Зурек в своей работе.

Иными словами, квантовый дарвинизм объясняет, почему мы никогда не видим макрообъекты в квантовом состоянии, — такие«большие» объекты(хотя, это может быть даже песчинка) уже подвержены факторам окружающей среды. Ну, а дарвинизмом эту теорию назвали собственно потому, что квантовая частица оставляет в «реальном мире» именно тот«отпечаток» своего состояния, который больше всего вписывается в окружающую среду.

Проще говоря, согласно квантовому дарвинизму, декогеренция квантовых частиц — это что-то вроде естественного отбора, который фиксирует в доступной нам окружающей среде наиболее подходящее состояние этих частиц.

Мы почти никогда не проводим никаких прямых измерений

«Основная идея квантового дарвинизма заключается в том, что мы почти никогда не проводим никаких прямых измерений. Окружающая среда похожа на большой рекламный щит, на котором размещаются многочисленные копии информации о всей нашей Вселенной», — говорил Зурек в 2008-м.

Чтобы объяснить, как квантовые частицы оставляют«отпечаток» в физическом мире, польский физик, который к слову работал в Национальной лаборатории Лос Аламос в Нью-Мексико, ввел понятие«состояний указателя»(с англ. — pointer states). Эти состояния особенно устойчивы к декогеренции, и после перехода квантовой частицы в мир классической физики они позволяют зафиксировать конкретное ее местоположение, скорость, значение спина или поляризацию на измерительном устройстве.

То есть, взаимодействие квантовой системы с окружающей средой разрушает все возможные суперпозиции запутанных частиц, оставляя лишь некоторые, подходящие для этой среды их свойства и состояния.

До недавнего времени предположения Войцеха Зурека были не больше, чем очередная квантовая теория, которая хоть и звучала сложнее и убедительнее остальных, но все равно не имела веских доказательств.

Проверка теории квантового дарвинизма

Фото: Ulm University

Пару недель назад научный журнал Quanta Magazine опубликовал результаты исследования трех независимых групп, которые последний год проверяли теорию Зурека в лабораторных условиях. Не вдаваясь в подробности сложных экспериментов, стоит отметить, что ученые пытались проверить теорию квантового дарвинизма с помощью простейшей квантовой системы из нескольких мельчайших частиц света — фотонов.

Зурек предсказывал, что даже просто наблюдая за квантовой средой можно получить всю информацию о поведении частицы, которая якобы«отпечатает» одно из своих состояний в классической окружающей среде.

В результате, физики из Китая, Германии и Канады заметили, что частица пыли, длинной всего в один микрометр, «отпечатывается» в фотонах не меньше ста миллионов раз за одну микросекунду. Именно это и обуславливает переход частицы из квантового состояния и проявление ее классических физических свойств. В буквальном смысле, ученые смогли увидеть пылинку в одном и том же месте, благодаря созданию«отпечатка» ее наиболее устойчивого состояния.

Масштабный эксперимент продемонстрировал совместимость теории Войцеха Зурека с поведением частиц, и исследователи смогли доказать это на практике."Все эти исследования показывают то, что и ожидалось. Как минимум, приблизительно", — рассказал Зурек изданию Quanta.

Конечно, для полного подтверждения этой теории ученым предстоит провести еще не один эксперимент и максимально точно описать все переходящие свойства субатомных частиц, вместе с их поразительным«отпечатыванием» в окружающей среде.

Тем не менее, недавнее открытие — это огромный шаг в науке, который в будущем может позволить ученым объединить законы классической физики с квантовой механикой, и в буквальном смысле объяснить, как формируется все вокруг нас.