Хотя квантовая теория является вероятностной и обычно допускает разные результаты измерений (рисунок слева), независимые наблюдатели, наблюдающие за одной и той же системой, видят один и тот же результат (рисунок справа). Фото: Роберто Бальдижан/UNICAMP

В атомном и субатомном масштабе объекты ведут себя так, что бросают вызов классическому мировоззрению, основанному на повседневном взаимодействии с макроскопической реальностью. Знакомым примером является открытие того, что электроны могут вести себя и как частицы, и как волны, в зависимости от экспериментального контекста, в котором они наблюдаются. Для объяснения этого и других явлений, кажущихся противоречащими законам физики, унаследованным от предыдущих веков, такими учеными, как Луи де Бройль (1892-1987), Нильс Бор (1885), были предложены самосогласованные, но противоречивые интерпретации моделей. -1962), Эрвин Шредингер (1887-1961) и Дэвид Бом (1917-1992), среди прочих.

Однако большие дебаты, которые сопровождали формулировку квантовой теории , особенно с участием Эйнштейна и Бора, не привели к окончательным результатам. Большинство физиков следующего поколения предпочли уравнения, выведенные из противоречивых теоретических основ, не слишком беспокоясь о лежащих в их основе философских концепциях. Уравнения «работали», и этого, по-видимому, было достаточно. Различные технологические артефакты, которые сейчас являются тривиальными, были основаны на практических применениях квантовой теории.

Человеку свойственно все подвергать сомнению, и ключевой вопрос, который возник позже, заключался в том, почему странное, даже контринтуитивное поведение, наблюдаемое в квантовых экспериментах, не проявлялось в макроскопическом мире. Чтобы ответить на этот вопрос или обойти его, польский физик Войцех Журек разработал концепцию «квантового дарвинизма».

Проще говоря, гипотеза состоит в том, что взаимодействие между физической системой и ее окружением определяет определенные типы поведения и исключает другие, и что типы поведения, сохраняемые этим «естественным отбором», как раз соответствуют классическому описанию.

Так, например, когда кто-то читает этот текст, его глаза получают фотоны, которые взаимодействуют с экраном его компьютера или смартфона. Другой человек, с другой точки зрения, будет принимать другие фотоны, но хотя частицы на экране ведут себя по-своему странно, потенциально создавая изображения, совершенно отличные друг от друга, взаимодействие с окружающей средой выбирает только один тип поведения и исключает отдых, так что два чтения в конечном итоге получают доступ к одному и тому же тексту.

Это направление теоретического исследования было развито с еще большей степенью абстракции и обобщения в статье бразильского физика Роберто Бальдижана, опубликованной в Quantum , рецензируемом журнале с открытым доступом по квантовой науке и смежным областям.

В документе сообщается о результатах, которые являются частью докторской диссертации Бальдижана. исследование под руководством Марсело Терра Кунья, профессора Института математики, статистики и научных вычислений Университета Кампинас (IMECC-UUNICAMP) в Бразилии.

В число соавторов статьи входит Маркус Мюллер, который руководил исследовательской стажировкой Бальдижана в Институте квантовой оптики и квантовой информации (IQOQI) Австрийской академии наук в Вене.

«Квантовый дарвинизм был предложен в качестве механизма для получения классической объективности, к которой мы привыкли в квантовых системах по своей сути. В нашем исследовании мы исследовали, какие физические принципы могут лежать в основе существования такого механизма», — сказал Бальдижан.

При проведении своего исследования он принял формализм, известный как обобщенные вероятностные теории (ТОТ). «Этот формализм позволяет нам производить математические описания различных физических теорий и, следовательно, сравнивать их. Он также позволяет нам понять, какие теории подчиняются определенным физическим принципам. Квантовая теория и классическая теория — два примера ТШП, но многие другие также могут быть описал», — сказал он.

По словам Бальдижана, работа с ТШП удобна, поскольку позволяет получать достоверные результаты, даже если в какой-то момент от квантовой теории придется отказаться. Кроме того, структура обеспечивает лучшее понимание квантового формализма, сравнивая его с тем, чем он не является. Например, его можно использовать для вывода квантовой теории из более простых физических принципов, не создавая теорию с нуля. «Основываясь на формализме ТШП, мы можем выяснить, какие принципы допускают существование «дарвинизма», не прибегая к квантовой теории», — сказал он.

Парадоксальный результат, к которому Бальдижан пришел в своем теоретическом исследовании, заключался в том, что классическая теория возникает только в результате «естественного отбора» из теорий с некоторыми неклассическими чертами, если они включают «запутанность».

«Удивительно, но проявление классического поведения через дарвинизм зависит от такого заметно неклассического свойства, как запутанность», — сказал он.

Запутанность, которая является ключевым понятием в квантовой теории, возникает, когда частицы создаются или взаимодействуют таким образом, что квантовое состояние каждой частицы не может быть описано независимо от других, а зависит от всего множества.

Самый известный пример запутанности — мысленный эксперимент, известный как ЭПР (Эйнштейн-Подольский-Розен). Для пояснения требуется несколько абзацев. В упрощенной версии эксперимента Бом представил ситуацию, в которой взаимодействуют два электрона, а затем их разделяет сколь угодно большое расстояние, например расстояние между Землей и Луной. Если измеряется спин одного электрона, он может вращаться вверх или вниз, причем оба имеют одинаковую вероятность. После измерения спины электронов всегда будут направлены либо вверх, либо вниз, но никогда не под каким-то промежуточным углом. Однако из-за того, как они взаимодействуют, электроны должны быть спаренными, а это означает, что они вращаются и вращаются в противоположных направлениях, независимо от направления измерения. Какой из двух будет вращаться вверх или вращаться вниз, неизвестно,

Эксперимент должен был показать, что формализм квантовой теории был неполным, поскольку запутанность предполагала, что информация перемещается между двумя частицами с бесконечной скоростью, что было невозможно согласно теории относительности. Как отдаленные частицы могли «знать», в какую сторону им вращаться, чтобы получить противоположные результаты? Идея заключалась в том, что скрытые переменные действуют локально за квантовой сценой и что классическое мировоззрение будет подтверждено, если эти переменные будут рассмотрены более всеобъемлющей теорией.

Альберт Эйнштейн умер в 1955 году. Почти десятилетие спустя его аргумент был более или менее опровергнут Джоном Беллом (1928–1990), который сформулировал теорему, показывающую, что гипотеза о том, что частица имеет определенные значения независимо от процесса наблюдения, несовместима с квантовая теория, как и невозможность непосредственного общения на расстоянии. Другими словами, нелокальность, характеризующая запутанность, — это не недостаток, а ключевая черта квантовой теории.

Какой бы ни была его теоретическая интерпретация, эмпирическое существование запутанности было продемонстрировано в нескольких экспериментах, проведенных с тех пор. Сохранение запутанности в настоящее время является основной проблемой в развитии квантовых вычислений, поскольку квантовые системы имеют тенденцию быстро терять когерентность при взаимодействии с окружающей средой. Это возвращает нас к квантовому дарвинизму.

«В нашем исследовании мы показали, что если GPT демонстрирует декогерентность, это происходит потому, что в теории есть трансформация, способная реализовать идеализированный процесс дарвинизма, который мы рассматривали», — сказал Балдижао. «Точно так же, если теория имеет достаточную структуру, чтобы обеспечить обратимые вычисления — вычисления, которые можно отменить, — тогда также существует преобразование, способное реализовать дарвинизм. Это очень интересно, учитывая вычислительные приложения ТШП».

В качестве дополнительного результата исследования авторы предлагают пример «неквантового дарвинизма» в форме расширений игрушечной модели Спеккенса, теории, предложенной в 2004 году канадским физиком Робертом Спеккенсом, в настоящее время старшим научным сотрудником Института периметра. по теоретической физике в Ватерлоо, Онтарио. Эта модель важна для углубленного изучения основ квантовой физики, поскольку она воспроизводит многие формы квантового поведения на основе классических концепций.

«Модель не демонстрирует какой-либо нелокальности и не способна нарушать какие-либо неравенства Белла», — сказал Бальдижао. «Мы демонстрируем, что это может проявлять дарвинизм, и этот пример также показывает, что условия, которые мы нашли, чтобы гарантировать присутствие дарвинизма — декогерентность или обратимое вычисление — достаточны, но не необходимы для того, чтобы этот процесс происходил в ТШП».

Как главный исследователь проекта, финансируемого FAPESP, Кунья сказал следующее: «Квантовую теорию можно считать обобщением теории вероятностей, но оно далеко не единственно возможное. Большие проблемы в нашей области исследований включают понимание свойств, которые отличить классическую теорию от квантовой теории в этом океане возможных теорий.Докторская диссертация Бальдижана была посвящена объяснению того, как квантовый дарвинизм может устранить одну из наиболее явно неклассических черт квантовой теории: контекстуальность, которая охватывает концепцию запутанности.

«Во время своей исследовательской стажировки в группе Маркуса Мюллера в Вене Бальдижан работал над чем-то еще более общим: процессом дарвинизма в общих вероятностных теориях. Его открытия помогают нам лучше понять динамику определенных типов теорий, показывая, что, поскольку дарвинизм сохраняет только самый приспособленный и, следовательно, создает классический мир, это не исключительно квантовый процесс».

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org