Ο κβαντικός δαρβινισμός, μια ιδέα για την εξήγηση της αντικειμενικής πραγματικότητας, περνάει τις πρώτες δοκιμές

Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η κβαντική φυσική έχει τη φήμη ότι είναι παράξενη και αντιδιαισθητική. Ο κόσμος στον οποίο ζούμε σίγουρα δεν είναι κβαντομηχανικός. Και μέχρι τον 20ο αιώνα, όλοι υπέθεταν ότι οι κλασικοί νόμοι της φυσικής που επινόησαν ο Isaac Newton και άλλοι - σύμφωνα με τους οποίους τα αντικείμενα έχουν σαφώς καθορισμένες θέσεις και ιδιότητες ανά πάσα στιγμή - θα λειτουργούσαν σε κάθε κλίμακα. Αλλά ο Max Planck, ο Albert Einstein, ο Niels Bohr και οι σύγχρονοί τους ανακάλυψαν ότι ανάμεσα στα άτομα και τα υποατομικά σωματίδια, αυτή η ιδιαιτερότητα διαλύεται σε μια σούπα πιθανοτήτων. Σε ένα άτομο συνήθως δεν μπορεί να εκχωρηθεί μια συγκεκριμένη θέση, για παράδειγμα - μπορούμε απλώς να υπολογίσουμε την πιθανότητα να το βρούμε σε διάφορα σημεία. Το ενοχλητικό ερώτημα στη συνέχεια γίνεται:Πώς συνενώνονται οι κβαντικές πιθανότητες στην έντονη εστίαση του κλασικού κόσμου;

Οι φυσικοί μερικές φορές μιλούν για αυτή τη μετάβαση ως «κβαντική-κλασική μετάβαση». Αλλά στην πραγματικότητα δεν υπάρχει λόγος να πιστεύουμε ότι το μεγάλο και το μικρό έχουν θεμελιωδώς διαφορετικούς κανόνες ή ότι υπάρχει μια ξαφνική εναλλαγή μεταξύ τους. Τις τελευταίες δεκαετίες, οι ερευνητές έχουν καταφέρει να κατανοήσουν καλύτερα πώς η κβαντική μηχανική γίνεται αναπόφευκτα κλασική μηχανική μέσω μιας αλληλεπίδρασης μεταξύ ενός σωματιδίου ή άλλου μικροσκοπικού συστήματος και του περιβάλλοντός του.

Μία από τις πιο αξιοσημείωτες ιδέες σε αυτό το θεωρητικό πλαίσιο είναι ότι οι καθορισμένες ιδιότητες των αντικειμένων που συσχετίζουμε με την κλασική φυσική - θέση και ταχύτητα, ας πούμε - επιλέγονται από ένα μενού κβαντικών δυνατοτήτων σε μια διαδικασία χαλαρά ανάλογη με τη φυσική επιλογή στην εξέλιξη:Τα ακίνητα που επιβιώνουν είναι κατά μία έννοια τα «καταλληλότερα». Όπως και στη φυσική επιλογή, οι επιζώντες είναι εκείνοι που κάνουν τα περισσότερα αντίγραφα του εαυτού τους. Αυτό σημαίνει ότι πολλοί ανεξάρτητοι παρατηρητές μπορούν να κάνουν μετρήσεις ενός κβαντικού συστήματος και να συμφωνήσουν για το αποτέλεσμα — χαρακτηριστικό γνώρισμα της κλασικής συμπεριφοράς.

Αυτή η ιδέα, που ονομάζεται κβαντικός Δαρβινισμός (QD), εξηγεί πολλά για το γιατί βιώνουμε τον κόσμο με τον τρόπο που βιώνουμε και όχι με τον περίεργο τρόπο που εκδηλώνεται στην κλίμακα των ατόμων και των θεμελιωδών σωματιδίων. Αν και ορισμένες πτυχές του παζλ παραμένουν ανεπίλυτες, το QD βοηθά να θεραπεύσει το προφανές ρήγμα μεταξύ της κβαντικής και της κλασικής φυσικής.

Μόνο πρόσφατα, ωστόσο, ο κβαντικός Δαρβινισμός τέθηκε σε πειραματική δοκιμασία. Τρεις ερευνητικές ομάδες, που εργάζονται ανεξάρτητα στην Ιταλία, την Κίνα και τη Γερμανία, αναζήτησαν την ενδεικτική υπογραφή της διαδικασίας φυσικής επιλογής μέσω της οποίας πληροφορίες για ένα κβαντικό σύστημα αποτυπώνονται επανειλημμένα σε διάφορα ελεγχόμενα περιβάλλοντα. Αυτές οι δοκιμές είναι στοιχειώδεις και οι ειδικοί λένε ότι πρέπει να γίνουν ακόμη πολλά για να είμαστε σίγουροι ότι το QD παρέχει τη σωστή εικόνα για το πώς συμπυκνώνεται η συγκεκριμένη πραγματικότητα από τις πολλαπλές επιλογές που προσφέρει η κβαντική μηχανική. Ωστόσο, μέχρι στιγμής, η θεωρία ελέγχει.

Survival of the Fittest

Στην καρδιά του κβαντικού Δαρβινισμού βρίσκεται η ολισθηρή έννοια της μέτρησης - η διαδικασία της παρατήρησης. Στην κλασική φυσική, αυτό που βλέπετε είναι απλά πώς έχουν τα πράγματα. Παρατηρείς μια μπάλα του τένις να ταξιδεύει με 200 χιλιόμετρα την ώρα γιατί αυτή είναι η ταχύτητά της. Τι άλλο υπάρχει να πούμε;

Στην κβαντική φυσική αυτό δεν ισχύει πλέον. Δεν είναι καθόλου προφανές τι λένε οι τυπικές μαθηματικές διαδικασίες της κβαντικής μηχανικής για το «πώς είναι τα πράγματα» σε ένα κβαντικό αντικείμενο. είναι απλώς μια συνταγή που μας λέει τι μπορούμε να δούμε αν κάνουμε μια μέτρηση. Ας πάρουμε, για παράδειγμα, τον τρόπο με τον οποίο ένα κβαντικό σωματίδιο μπορεί να έχει μια σειρά πιθανών καταστάσεων, γνωστή ως «υπερθέση». Αυτό δεν σημαίνει πραγματικά ότι βρίσκεται σε πολλές πολιτείες ταυτόχρονα. μάλλον, σημαίνει ότι αν κάνουμε μια μέτρηση θα δούμε ένα από αυτά τα αποτελέσματα. Πριν από τη μέτρηση, οι διάφορες υπερτιθέμενες καταστάσεις παρεμβαίνουν μεταξύ τους με κυματοειδές τρόπο, παράγοντας αποτελέσματα με υψηλότερες ή μικρότερες πιθανότητες.

Αλλά γιατί δεν μπορούμε να δούμε μια κβαντική υπέρθεση; Γιατί δεν μπορούν να επιβιώσουν όλες οι πιθανότητες για την κατάσταση ενός σωματιδίου μέχρι την ανθρώπινη κλίμακα;

Η απάντηση που δίνεται συχνά είναι ότι οι υπερθέσεις είναι εύθραυστες και διαταράσσονται εύκολα όταν ένα ευαίσθητο κβαντικό σύστημα επηρεάζεται από το θορυβώδες περιβάλλον του. Αλλά αυτό δεν είναι πολύ σωστό. Όταν οποιαδήποτε δύο κβαντικά αντικείμενα αλληλεπιδρούν, «μπλέκονται» μεταξύ τους, μπαίνοντας σε μια κοινή κβαντική κατάσταση στην οποία οι δυνατότητες για τις ιδιότητές τους αλληλοεξαρτώνται. Ας υποθέσουμε λοιπόν ότι ένα άτομο τίθεται σε μια υπέρθεση δύο πιθανών καταστάσεων για την κβαντική ιδιότητα που ονομάζεται σπιν:«πάνω» και «κάτω». Τώρα το άτομο απελευθερώνεται στον αέρα, όπου συγκρούεται με ένα μόριο αέρα και μπλέκεται μαζί του. Οι δυο τους βρίσκονται πλέον σε κοινή υπέρθεση. Εάν το άτομο είναι spin-up, τότε το μόριο του αέρα μπορεί να ωθηθεί με έναν τρόπο, ενώ, εάν το άτομο είναι spin-down, το μόριο του αέρα πηγαίνει με άλλο τρόπο - και αυτές οι δύο δυνατότητες συνυπάρχουν. Καθώς τα σωματίδια αντιμετωπίζουν ακόμη περισσότερες συγκρούσεις με άλλα μόρια αέρα, η εμπλοκή εξαπλώνεται και η υπέρθεση που αρχικά ήταν ειδική για το άτομο γίνεται όλο και πιο διάχυτη. Οι υπερτιθέμενες καταστάσεις του ατόμου δεν παρεμβαίνουν πλέον με συνέπεια η μία στην άλλη επειδή είναι πλέον μπλεγμένες με άλλες καταστάσεις στο περιβάλλον - συμπεριλαμβανομένου, ίσως, κάποιου μεγάλου οργάνου μέτρησης. Σε αυτήν τη συσκευή μέτρησης, φαίνεται ότι η υπέρθεση του ατόμου έχει εξαφανιστεί και έχει αντικατασταθεί από ένα μενού πιθανών κλασικών αποτελεσμάτων που δεν παρεμβαίνουν πλέον το ένα στο άλλο.

Αυτή η διαδικασία με την οποία η «κβαντική» εξαφανίζεται στο περιβάλλον ονομάζεται αποσυνοχή. Είναι ένα κρίσιμο μέρος της κβαντικής-κλασικής μετάβασης, εξηγώντας γιατί η κβαντική συμπεριφορά γίνεται δύσκολο να δει κανείς σε μεγάλα συστήματα με πολλά αλληλεπιδρώντα σωματίδια. Η διαδικασία γίνεται εξαιρετικά γρήγορα. Εάν ένας τυπικός κόκκος σκόνης που επιπλέει στον αέρα τοποθετηθεί σε μια κβαντική υπέρθεση δύο διαφορετικών φυσικών θέσεων που χωρίζονται από περίπου το πλάτος του ίδιου του κόκκου, οι συγκρούσεις με τα μόρια του αέρα θα προκαλούσαν αποσυνοχή - καθιστώντας την υπέρθεση μη ανιχνεύσιμη - σε περίπου 10 δευτερόλεπτα. Ακόμη και στο κενό, τα φωτόνια φωτός θα προκαλούσαν τέτοια αποσυνοχή πολύ γρήγορα:Δεν θα μπορούσατε να κοιτάξετε τον κόκκο χωρίς να καταστρέψετε την υπέρθεση του.

Παραδόξως, αν και η αποσυνοχή είναι μια απλή συνέπεια της κβαντικής μηχανικής, εντοπίστηκε μόλις τη δεκαετία του 1970, από τον αείμνηστο Γερμανό φυσικό Heinz-Dieter Zeh. Ο Πολωνοαμερικανός φυσικός Wojciech Zurek ανέπτυξε περαιτέρω την ιδέα στις αρχές της δεκαετίας του 1980 και την έκανε περισσότερο γνωστή, και τώρα υπάρχει καλή πειραματική υποστήριξη για αυτήν.

Αλλά για να εξηγήσουμε την εμφάνιση της αντικειμενικής, κλασικής πραγματικότητας, δεν αρκεί να πούμε ότι η αποσυνοχή ξεπλένει την κβαντική συμπεριφορά και έτσι την κάνει να φαίνεται κλασική σε έναν παρατηρητή. Κατά κάποιο τρόπο, είναι δυνατό για πολλούς παρατηρητές να συμφωνήσουν σχετικά με τις ιδιότητες των κβαντικών συστημάτων. Ο Zurek, ο οποίος εργάζεται στο Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος στο Νέο Μεξικό, υποστηρίζει ότι δύο πράγματα πρέπει επομένως να ισχύουν.

Πρώτον, τα κβαντικά συστήματα πρέπει να έχουν καταστάσεις που είναι ιδιαίτερα εύρωστες ενόψει της διασπαστικής αποσυνοχής από το περιβάλλον. Ο Zurek ονομάζει αυτές τις καταστάσεις «δείκτη», επειδή μπορούν να κωδικοποιηθούν στις πιθανές καταστάσεις ενός δείκτη στον επιλογέα ενός οργάνου μέτρησης. Μια συγκεκριμένη θέση ενός σωματιδίου, για παράδειγμα, ή η ταχύτητά του, η τιμή του κβαντικού σπιν του ή η κατεύθυνση πόλωσής του μπορεί να καταχωρηθεί ως η θέση ενός δείκτη σε μια συσκευή μέτρησης. Ο Zurek υποστηρίζει ότι η κλασική συμπεριφορά - η ύπαρξη καλά καθορισμένων, σταθερών, αντικειμενικών ιδιοτήτων - είναι δυνατή μόνο επειδή υπάρχουν καταστάσεις δείκτη κβαντικών αντικειμένων.

Το ιδιαίτερο μαθηματικά με τις καταστάσεις δείκτη είναι ότι οι αλληλεπιδράσεις που προκαλούν αποσυνοχή με το περιβάλλον δεν τις ανακατεύουν:Είτε η κατάσταση του δείκτη διατηρείται είτε απλώς μετατρέπεται σε μια κατάσταση που μοιάζει σχεδόν πανομοιότυπη. Αυτό σημαίνει ότι το περιβάλλον δεν στριμώχνει την κβαντικότητα αδιακρίτως, αλλά επιλέγει ορισμένες καταστάσεις ενώ άλλες καταστρέφει. Η θέση ενός σωματιδίου είναι ανθεκτική στην αποσυνοχή, για παράδειγμα. Οι υπερθέσεις διαφορετικών τοποθεσιών, ωστόσο, δεν είναι καταστάσεις δείκτη:Οι αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον τις αποσυνθέτουν σε τοπικές καταστάσεις δείκτη, έτσι ώστε να μπορεί να παρατηρηθεί μόνο μία. Ο Zurek περιέγραψε αυτήν την «επαγόμενη από το περιβάλλον υπερεπιλογή» καταστάσεων δείκτη τη δεκαετία του 1980.

Αλλά υπάρχει μια δεύτερη προϋπόθεση που πρέπει να πληροί μια κβαντική ιδιότητα για να παρατηρηθεί. Αν και η ανοσία στην αλληλεπίδραση με το περιβάλλον διασφαλίζει τη σταθερότητα μιας κατάστασης δείκτη, πρέπει να λάβουμε πληροφορίες σχετικά με αυτό με κάποιο τρόπο. Μπορούμε να το κάνουμε αυτό μόνο αν αποτυπωθεί στο περιβάλλον του αντικειμένου. Όταν βλέπετε ένα αντικείμενο, για παράδειγμα, αυτές οι πληροφορίες μεταφέρονται στον αμφιβληστροειδή σας από τα φωτόνια που διασκορπίζονται από αυτόν. Σας μεταφέρουν πληροφορίες με τη μορφή ενός μερικού αντιγράφου ορισμένων πτυχών του αντικειμένου, λέγοντας κάτι για τη θέση, το σχήμα και το χρώμα του. Απαιτούνται πολλά αντίγραφα για να συμφωνήσουν πολλοί παρατηρητές σε μια μετρημένη τιμή - χαρακτηριστικό της κλασικότητας. Έτσι, όπως υποστήριξε ο Zurek στη δεκαετία του 2000, η ​​ικανότητά μας να παρατηρούμε κάποια ιδιότητα εξαρτάται όχι μόνο από το αν έχει επιλεγεί ως κατάσταση δείκτη, αλλά και από το πόσο σημαντικό αποτύπωμα δημιουργεί στο περιβάλλον. Οι καταστάσεις που είναι οι καλύτερες στη δημιουργία αντιγράφων στο περιβάλλον - οι "πιο ικανές", θα πείτε - είναι οι μόνες προσβάσιμες στη μέτρηση. Γι' αυτό ο Zurek ονομάζει την ιδέα κβαντικό Δαρβινισμό.

Αποδεικνύεται ότι η ίδια ιδιότητα σταθερότητας που προωθεί την επαγόμενη από το περιβάλλον υπερεπιλογή καταστάσεων δείκτη προάγει επίσης την κβαντική δαρβινική καταλληλότητα ή την ικανότητα δημιουργίας αντιγράφων. "Το περιβάλλον, μέσω των προσπαθειών παρακολούθησης του, αποσυνέχει τα συστήματα", είπε ο Zurek, "και η ίδια διαδικασία που είναι υπεύθυνη για την αποσυνοχή θα πρέπει να εγγράψει πολλαπλά αντίγραφα των πληροφοριών στο περιβάλλον."

Υπερφόρτωση πληροφοριών

Δεν έχει σημασία, φυσικά, εάν οι πληροφορίες για ένα κβαντικό σύστημα που αποτυπώνεται στο περιβάλλον διαβάζονται πραγματικά από έναν ανθρώπινο παρατηρητή. Το μόνο που έχει σημασία για την εμφάνιση της κλασικής συμπεριφοράς είναι να φτάσουν οι πληροφορίες εκεί ώστε να μπορούν να διαβαστούν κατ' αρχήν. «Ένα σύστημα δεν χρειάζεται να είναι υπό μελέτη με οποιαδήποτε τυπική έννοια» για να γίνει κλασικό, είπε ο Jess Riedel, φυσικός στο Perimeter Institute for Theoretical Physics στο Waterloo του Καναδά, και υποστηρικτής του κβαντικού Δαρβινισμού. "Το QD εξηγεί ή βοηθά στην εξήγηση όλης της κλασικότητας, συμπεριλαμβανομένων των καθημερινών μακροσκοπικών αντικειμένων που δεν βρίσκονται σε εργαστήριο ή που υπήρχαν πριν από την ύπαρξη ανθρώπων."

Πριν από περίπου μια δεκαετία, ενώ ο Riedel δούλευε ως μεταπτυχιακός φοιτητής με τον Zurek, οι δυο τους έδειξαν θεωρητικά ότι οι πληροφορίες από μερικά απλά, εξιδανικευμένα κβαντικά συστήματα «αντιγράφονται πληθωρικά στο περιβάλλον», είπε ο Riedel, «έτσι ώστε είναι απαραίτητο να έχετε πρόσβαση μόνο σε μικρή ποσότητα περιβάλλοντος για να συμπεράνουμε την τιμή των μεταβλητών.» Υπολόγισαν ότι ένας κόκκος σκόνης πλάτους ενός μικρομέτρου, αφού φωτιστεί από τον ήλιο για μόλις ένα μικροδευτερόλεπτο, θα αποτυπωθεί η θέση του περίπου 100 εκατομμύρια φορές στα διάσπαρτα φωτόνια.

Εξαιτίας αυτού του πλεονασμού υπάρχουν αντικειμενικές, κλασικές ιδιότητες. Δέκα παρατηρητές μπορούν ο καθένας να μετρήσει τη θέση ενός κόκκου σκόνης και να βρει ότι βρίσκεται στην ίδια θέση, επειδή ο καθένας μπορεί να έχει πρόσβαση σε ένα ξεχωριστό αντίγραφο των πληροφοριών. Με αυτήν την άποψη, μπορούμε να αντιστοιχίσουμε μια αντικειμενική «θέση» στο στίγμα όχι επειδή «έχει» μια τέτοια θέση (ό,τι κι αν σημαίνει αυτό), αλλά επειδή η κατάσταση θέσης του μπορεί να αποτυπώσει πολλά πανομοιότυπα αντίγραφα στο περιβάλλον, έτσι ώστε διαφορετικοί παρατηρητές να μπορούν να φτάσουν σε συναίνεση.

Επιπλέον, δεν χρειάζεται να παρακολουθείτε μεγάλο μέρος του περιβάλλοντος για να συγκεντρώσετε τις περισσότερες από τις διαθέσιμες πληροφορίες — και δεν κερδίζετε σημαντικά περισσότερα παρακολουθώντας περισσότερο από ένα κλάσμα του περιβάλλοντος. "Οι πληροφορίες που μπορεί κανείς να συγκεντρώσει για το σύστημα κορεστεί γρήγορα", είπε ο Riedel.

Αυτός ο πλεονασμός είναι το χαρακτηριστικό γνώρισμα της QD, εξήγησε ο Mauro Paternostro, ένας φυσικός στο Queen's University του Μπέλφαστ που συμμετείχε σε ένα από τα τρία νέα πειράματα. «Είναι η ιδιότητα που χαρακτηρίζει τη μετάβαση προς την κλασικότητα», είπε.

Ο κβαντικός δαρβινισμός αμφισβητεί έναν κοινό μύθο για την κβαντική μηχανική, σύμφωνα με τον θεωρητικό φυσικό Adán Cabello του Πανεπιστημίου της Σεβίλλης στην Ισπανία:δηλαδή ότι η μετάβαση μεταξύ του κβαντικού και του κλασικού κόσμου δεν είναι κατανοητή και ότι τα αποτελέσματα των μετρήσεων δεν μπορούν να περιγραφούν από την κβαντική θεωρία. Αντίθετα, είπε, «η κβαντική θεωρία περιγράφει τέλεια την εμφάνιση του κλασικού κόσμου».

Ωστόσο, το πόσο τέλεια παραμένει αμφιλεγόμενο. Μερικοί ερευνητές πιστεύουν ότι η αποσυνοχή και η QD παρέχουν μια πλήρη περιγραφή της κβαντικής-κλασικής μετάβασης. Αλλά παρόλο που αυτές οι ιδέες προσπαθούν να εξηγήσουν γιατί οι υπερθέσεις εξαφανίζονται σε μεγάλες κλίμακες και γιατί παραμένουν μόνο συγκεκριμένες «κλασικές» ιδιότητες, εξακολουθεί να υπάρχει το ερώτημα γιατί οι μετρήσεις δίνουν μοναδικά αποτελέσματα. Όταν επιλέγεται μια συγκεκριμένη θέση ενός σωματιδίου, τι συμβαίνει με τις άλλες δυνατότητες που είναι εγγενείς στην κβαντική περιγραφή του; Ήταν ποτέ με κάποια έννοια αληθινές; Οι ερευνητές αναγκάζονται να υιοθετήσουν φιλοσοφικές ερμηνείες της κβαντικής μηχανικής ακριβώς επειδή κανείς δεν μπορεί να βρει έναν τρόπο να απαντήσει πειραματικά σε αυτό το ερώτημα.

Μέσα στο Εργαστήριο

Ο κβαντικός δαρβινισμός φαίνεται αρκετά πειστικός στα χαρτιά. Αλλά μέχρι πρότινος ήταν μέχρι εκεί που έφτασε. Τον περασμένο χρόνο, τρεις ομάδες ερευνητών έθεσαν ανεξάρτητα τη θεωρία σε πειραματικό τεστ αναζητώντας το βασικό χαρακτηριστικό της:πώς ένα κβαντικό σύστημα αποτυπώνει αντίγραφα του εαυτού του στο περιβάλλον του.

Τα πειράματα εξαρτήθηκαν από την ικανότητα παρακολούθησης στενά των πληροφοριών σχετικά με ένα κβαντικό σύστημα που μεταδίδεται στο περιβάλλον του. Αυτό δεν είναι εφικτό, για παράδειγμα, για έναν κόκκο σκόνης που επιπλέει ανάμεσα σε αμέτρητα δισεκατομμύρια μόρια αέρα. Έτσι, δύο από τις ομάδες δημιούργησαν ένα κβαντικό αντικείμενο σε ένα είδος «τεχνητού περιβάλλοντος» με λίγα μόνο σωματίδια σε αυτό. Και τα δύο πειράματα - το ένα από τον Paternostro και τους συνεργάτες του Πανεπιστημίου Sapienza της Ρώμης και το άλλο από τον εμπειρογνώμονα κβαντικών πληροφοριών Jian-Wei Pan και συν-συγγραφείς στο Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας - χρησιμοποίησαν ένα μόνο φωτόνιο ως κβαντικό σύστημα. με μια χούφτα άλλα φωτόνια που χρησιμεύουν ως το «περιβάλλον» που αλληλεπιδρά με αυτό και μεταδίδει πληροφορίες σχετικά με αυτό.

Και οι δύο ομάδες πέρασαν φωτόνια λέιζερ μέσω οπτικών συσκευών που μπορούσαν να τα συνδυάσουν σε πολλαπλά μπερδεμένες ομάδες. Στη συνέχεια ανέκριναν τα φωτόνια του περιβάλλοντος για να δουν ποιες πληροφορίες κωδικοποίησαν σχετικά με την κατάσταση δείκτη του φωτονίου του συστήματος - σε αυτήν την περίπτωση την πόλωσή του (τον προσανατολισμό των ταλαντευόμενων ηλεκτρομαγνητικών του πεδίων), μια από τις κβαντικές ιδιότητες που μπορούν να περάσουν από το φίλτρο της κβαντικής Δαρβινικής επιλογής.

Μια βασική πρόβλεψη του QD είναι το φαινόμενο κορεσμού:Σχεδόν όλες οι πληροφορίες που μπορείτε να συγκεντρώσετε για το κβαντικό σύστημα θα πρέπει να είναι διαθέσιμες εάν παρακολουθείτε μόνο μια χούφτα γύρω σωματίδια. "Οποιοδήποτε μικρό κλάσμα του περιβάλλοντος αλληλεπίδρασης είναι αρκετό για να παρέχει τις μέγιστες κλασικές πληροφορίες σχετικά με το παρατηρούμενο σύστημα", είπε ο Pan.

Οι δύο ομάδες βρήκαν ακριβώς αυτό. Οι μετρήσεις ενός μόνο από τα φωτόνια του περιβάλλοντος αποκάλυψαν πολλές από τις διαθέσιμες πληροφορίες σχετικά με την πόλωση του φωτονίου του συστήματος και η μέτρηση ενός αυξανόμενου κλάσματος των φωτονίων του περιβάλλοντος παρείχε φθίνουσες αποδόσεις. Ακόμη και ένα μεμονωμένο φωτόνιο μπορεί να λειτουργήσει ως περιβάλλον που εισάγει αποσυνοχή και επιλογή, εξήγησε ο Παν, εάν αλληλεπιδρά αρκετά έντονα με το μοναχικό φωτόνιο του συστήματος. Όταν οι αλληλεπιδράσεις είναι πιο αδύναμες, πρέπει να παρακολουθείται ένα μεγαλύτερο περιβάλλον.

Η τρίτη πειραματική δοκιμή του QD, με επικεφαλής τον κβαντικό οπτικό φυσικό Fedor Jelezko στο Πανεπιστήμιο Ulm της Γερμανίας σε συνεργασία με τον Zurek και άλλους, χρησιμοποίησε ένα πολύ διαφορετικό σύστημα και περιβάλλον, αποτελούμενο από ένα μόνο άτομο αζώτου που αντικαθιστά ένα άτομο άνθρακα στον κρύσταλλο. πλέγμα διαμαντιού — ένα λεγόμενο ελάττωμα κενής θέσης αζώτου. Επειδή το άτομο αζώτου έχει ένα περισσότερο ηλεκτρόνιο από τον άνθρακα, αυτή η περίσσεια ηλεκτρονίων δεν μπορεί να συζευχθεί με αυτά σε γειτονικά άτομα άνθρακα για να σχηματίσει έναν χημικό δεσμό. Ως αποτέλεσμα, το ασύζευκτο ηλεκτρόνιο του ατόμου αζώτου λειτουργεί ως ένα μοναχικό «σπιν», το οποίο είναι σαν ένα βέλος που δείχνει προς τα πάνω ή προς τα κάτω ή, γενικά, σε μια υπέρθεση και των δύο πιθανών κατευθύνσεων.

Αυτό το σπιν μπορεί να αλληλεπιδράσει μαγνητικά με εκείνους του περίπου 0,3% των πυρήνων άνθρακα που υπάρχουν στο διαμάντι ως το ισότοπο άνθρακα-13, το οποίο, σε αντίθεση με τον πιο άφθονο άνθρακα-12, έχει επίσης σπιν. Κατά μέσο όρο, κάθε σπιν κενού αζώτου συνδέεται έντονα με τέσσερις περιστροφές άνθρακα-13 σε απόσταση περίπου 1 νανόμετρο.

Ελέγχοντας και παρακολουθώντας τις περιστροφές χρησιμοποιώντας λέιζερ και παλμούς ραδιοσυχνοτήτων, οι ερευνητές θα μπορούσαν να μετρήσουν πώς μια αλλαγή στο σπιν αζώτου καταγράφεται από τις αλλαγές στις πυρηνικές περιστροφές του περιβάλλοντος. Όπως ανέφεραν σε μια προεκτύπωση τον περασμένο Σεπτέμβριο, παρατήρησαν επίσης τον χαρακτηριστικό πλεονασμό που είχε προβλέψει η QD:Η κατάσταση της περιστροφής αζώτου «καταγράφεται» ως πολλαπλά αντίγραφα στο περιβάλλον και οι πληροφορίες σχετικά με την περιστροφή κορεσθούν γρήγορα όσο περισσότερο από το περιβάλλον είναι θεωρείται.

Ο Zurek λέει ότι επειδή τα πειράματα φωτονίων δημιουργούν αντίγραφα με τεχνητό τρόπο που προσομοιώνει ένα πραγματικό περιβάλλον, δεν ενσωματώνουν μια διαδικασία επιλογής που επιλέγει «φυσικές» καταστάσεις δείκτη που είναι ανθεκτικές στην αποσυνοχή. Αντίθετα, οι ίδιοι οι ερευνητές επιβάλλουν τις καταστάσεις δείκτη. Αντίθετα, το περιβάλλον διαμαντιών προκαλεί καταστάσεις δείκτη. "Το σχέδιο διαμαντιών έχει επίσης προβλήματα, λόγω του μεγέθους του περιβάλλοντος", πρόσθεσε ο Zurek, "αλλά τουλάχιστον είναι, καλά, φυσικό."

Γενίκευση του Κβαντικού Δαρβινισμού

Μέχρι στιγμής, τόσο καλά για τον κβαντικό δαρβινισμό. "Όλες αυτές οι μελέτες βλέπουν το αναμενόμενο, τουλάχιστον κατά προσέγγιση", είπε ο Zurek.

Ο Riedel λέει ότι δύσκολα θα μπορούσαμε να περιμένουμε διαφορετικά, ωστόσο:Κατά την άποψή του, το QD είναι στην πραγματικότητα απλώς η προσεκτική και συστηματική εφαρμογή της τυπικής κβαντικής μηχανικής στην αλληλεπίδραση ενός κβαντικού συστήματος με το περιβάλλον του. Αν και αυτό είναι σχεδόν αδύνατο να γίνει στην πράξη για τις περισσότερες κβαντικές μετρήσεις, αν μπορείτε να απλοποιήσετε αρκετά μια μέτρηση, οι προβλέψεις είναι σαφείς, είπε:«Το QD μοιάζει περισσότερο με έναν εσωτερικό έλεγχο αυτοσυνέπειας στην ίδια την κβαντική θεωρία».

Όμως, παρόλο που αυτές οι μελέτες φαίνονται συνεπείς με το QD, δεν μπορούν να ληφθούν ως απόδειξη ότι είναι η μοναδική περιγραφή για την εμφάνιση της κλασικότητας ή ακόμη και ότι είναι απολύτως σωστή. Για ένα πράγμα, λέει ο Cabello, τα τρία πειράματα προσφέρουν μόνο σχηματικές εκδοχές του τι αποτελείται ένα πραγματικό περιβάλλον. Επιπλέον, τα πειράματα δεν αποκλείουν καθαρά άλλους τρόπους προβολής της εμφάνισης της κλασικότητας. Μια θεωρία που ονομάζεται «ραδιοφωνική μετάδοση φάσματος», για παράδειγμα, που αναπτύχθηκε από τον Pawel Horodecki στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Γκντανσκ στην Πολωνία και τους συνεργάτες του, επιχειρεί να γενικεύσει την QD. Η θεωρία εκπομπής φάσματος (η οποία έχει εφαρμοστεί μόνο για μερικές εξιδανικευμένες περιπτώσεις) προσδιορίζει εκείνες τις καταστάσεις ενός μπερδεμένου κβαντικού συστήματος και περιβάλλοντος που παρέχουν αντικειμενικές πληροφορίες που πολλοί παρατηρητές μπορούν να λάβουν χωρίς να τις διαταράξουν. Με άλλα λόγια, στοχεύει να διασφαλίσει όχι μόνο ότι διαφορετικοί παρατηρητές μπορούν να έχουν πρόσβαση σε αντίγραφα του συστήματος στο περιβάλλον, αλλά ότι με αυτόν τον τρόπο δεν επηρεάζουν τα άλλα αντίγραφα. Αυτό είναι επίσης χαρακτηριστικό των πραγματικά «κλασικών» μετρήσεων.

Ο Horodecki και άλλοι θεωρητικοί προσπάθησαν επίσης να ενσωματώσουν το QD σε ένα θεωρητικό πλαίσιο που δεν απαιτεί αυθαίρετη διαίρεση του κόσμου σε ένα σύστημα και το περιβάλλον του, αλλά απλώς εξετάζει πώς η κλασική πραγματικότητα μπορεί να προκύψει από αλληλεπιδράσεις μεταξύ διαφόρων κβαντικών συστημάτων. Ο Paternostro λέει ότι μπορεί να είναι δύσκολο να βρεθούν πειραματικές μέθοδοι ικανές να εντοπίσουν τις μάλλον λεπτές διακρίσεις μεταξύ των προβλέψεων αυτών των θεωριών.

Ωστόσο, οι ερευνητές προσπαθούν, και η ίδια η προσπάθεια θα πρέπει να βελτιώσει την ικανότητά μας να διερευνήσουμε τις λειτουργίες του κβαντικού πεδίου. «Το καλύτερο επιχείρημα για την εκτέλεση αυτών των πειραμάτων είναι πιθανώς ότι είναι καλή άσκηση», είπε ο Riedel. "Η άμεση απεικόνιση του QD μπορεί να απαιτήσει μερικές πολύ δύσκολες μετρήσεις που θα ωθήσουν τα όρια των υπαρχουσών εργαστηριακών τεχνικών." Ο μόνος τρόπος για να μάθουμε τι σημαίνει πραγματικά η μέτρηση, φαίνεται, είναι να κάνουμε καλύτερες μετρήσεις.

Αυτό το άρθρο ανατυπώθηκε στις  Wired.com .