Το Twist στην «επιβίωση του ισχυρότερου» θα μπορούσε να εξηγήσει πώς η πραγματικότητα αναδύεται από την κβαντική ομίχλη

Πώς αναδύεται ο προβλέψιμος καθημερινός μας κόσμος από τους μουντούς, πιθανολογικούς κανόνες της κβαντικής μηχανικής; Αυτό το παζλ έχει ενοχλήσει τους φυσικούς από τότε που εμφανίστηκε η κβαντική θεωρία τη δεκαετία του 1920 για να εξηγήσει τη συμπεριφορά των ατόμων και άλλων απειροελάχιστων πραγμάτων. Τώρα, οι ερευνητές που ασχολούνται με ένα ηλεκτρόνιο παγιδευμένο σε ένα διαμάντι επιβεβαίωσαν μια ουσιαστική πρόβλεψη μιας θεωρίας που προσπαθεί να εξηγήσει αυτή τη μετάβαση από το κβαντικό στο κλασικό βασίλειο. Ονομάζεται "κβαντικός Δαρβινισμός", η θεωρία υποστηρίζει ότι οι κλασικές καταστάσεις είναι απλώς οι κβαντικές καταστάσεις που είναι πιο κατάλληλες για να επιβιώσουν σε αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον τους.

Οι πειραματιστές «έχουν μια όμορφη επίδειξη σε ένα φυσικό περιβάλλον», λέει ο Mauro Paternostro, θεωρητικός στο Πανεπιστήμιο Queen στο Μπέλφαστ που δεν συμμετείχε στην εργασία. Οι φυσικοί προειδοποιούν, ωστόσο, ότι η νέα μελέτη απέχει πολύ από τον τελικό λόγο για το θέμα.

Τα αντικείμενα ατομικής κλίμακας συμπεριφέρονται διαφορετικά από τα μεγαλύτερα. Το φλιτζάνι του καφέ σας πρέπει να βρίσκεται στο ένα ή το άλλο μέρος, αλλά ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να βρίσκεται σε δύο σημεία ταυτόχρονα, σε μια λεγόμενη κατάσταση υπέρθεσης. Η θέση και η ορμή του φλιτζανιού σας υπάρχουν επίσης ανεξάρτητα από το αν κάποιος τα παρατηρεί. Δεν ισχύει το ίδιο για ένα ηλεκτρόνιο:Εάν γνωρίζετε τη θέση του, τότε η ορμή του πρέπει να είναι απροσδιόριστη, και το αντίστροφο, και το χαρακτηριστικό που έχει το σωματίδιο εμφανίζεται μόνο όταν μετρηθεί. Η μέτρηση «καταρρέει» την κβαντική κατάσταση του ηλεκτρονίου ή τη συνάρτηση κυμάτων — αν και το πώς συμβαίνει αυτό παραμένει ασαφές. Ομοίως, οι φυσικοί υποθέτουν ότι ένα φλιτζάνι καφέ δεν μπορεί να είναι εδώ κι εκεί επειδή κάτι έχει καταρρεύσει με τον έναν ή τον άλλον τρόπο —ίσως επαφή με το περιβάλλον.

Ο κβαντικός δαρβινισμός ισχυρίζεται ότι η αλήθεια είναι πιο λεπτή. Στη δεκαετία του 1980, ο Wojciech Zurek, θεωρητικός στο Εθνικό Εργαστήριο του Λος Άλαμος στο Νέο Μεξικό, υποστήριξε ότι η κυματική συνάρτηση ενός κυπέλλου εδώ και εκεί θα συγχωνευόταν αναπόφευκτα με αυτές των γύρω αντικειμένων. Αυτή η «μπλέξιμο» δεν θα κατέρρεε την κυματική συνάρτηση του κυπέλλου, αλλά θα συσκότιζε την ακριβή σχέση ανάμεσα στα εδώ και εκεί μέρη της κβαντικής του κατάστασης. Στην κβαντική θεωρία, αυτό είναι αρκετό για να βάλεις το κύπελλο σε ένα ή το άλλο μέρος.

Το σωστό είδος εμπλοκής είναι το κλειδί για τη θεωρία. Το κύπελλο πρέπει να αλληλεπιδρά με το περιβάλλον με τρόπο που εξαρτάται από τη θέση και όχι, ας πούμε, την ορμή. Αλλά ο Zurek λέει ότι οι περισσότερες αλληλεπιδράσεις μεταξύ ενός μεγάλου αντικειμένου και του περιβάλλοντός του εξαρτώνται από τη θέση του. Το αν ένα φλιτζάνι αντανακλά φωτόνια στο μάτι σας εξαρτάται από το πού βρίσκεται, σημειώνει.

Το επιχείρημα εξήγησε γιατί οποιοσδήποτε παρατηρητής βλέπει το κύπελλο σε ένα μόνο σημείο, αλλά όχι γιατί όλοι βλέπουν το ίδιο μέρος της κβαντικής κατάστασης και συμφωνούν για τη θέση. Έτσι, τη δεκαετία του 2000, ο Zurek επέκτεινε την ιδέα του. Καθώς η κυματική συνάρτηση ενός φλιτζάνι καφέ μπλέκει με περισσότερα πράγματα, συμπεριλαμβανομένων των παρατηρητών, χωρίζεται σε κλάδους «εδώ» και «εκεί». Όλες οι κβαντικές καταστάσεις των παρατηρητών είναι μπλεγμένες με το κύπελλο, οπότε όλοι συμφωνούν για τη θέση του. Αλλά το επιχείρημα προτείνει ένα ριζικό συμπέρασμα:Ακόμα κι αν οι παρατηρητές συμφωνούν ότι το κύπελλο είναι "εδώ", το γιγάντιο κλαδί "εκεί" παραμένει, απραγματοποίητο, σαν ένας παράλληλος κόσμος.

Οι κλασικές καταστάσεις του κυπέλλου είναι επομένως αυτές που επιβιώνουν από την αλληλεπίδραση με το περιβάλλον για να αποτυπωθούν επανειλημμένα στον κόσμο - όπως ένα εξαιρετικά επιτυχημένο γονίδιο ή είδος. «Ο κβαντικός δαρβινισμός παίρνει αυτή τη συνάρτηση ευσεβούς κύματος και την καθιστά στερεή με ένα είδος γραφειοκρατικού τρόπου», λέει ο Zurek. "Απλώς δημιουργείτε μια ολόκληρη δέσμη αντιγράφων των πληροφοριών."

Τώρα, ο Fedor Jelezko, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο Ulm στη Γερμανία, ο Zurek και οι συνεργάτες του απέδειξαν αυτή την περιττή αποτύπωση πληροφοριών για το περιβάλλον. Χρησιμοποιώντας φως λέιζερ και μικροκύματα, χειρίστηκαν ένα ηλεκτρόνιο παγιδευμένο σε ένα ελάττωμα ατομικής κλίμακας σε ένα διαμάντι. Το ηλεκτρόνιο δρα σαν κβαντικός μαγνήτης που μπορεί να δείχνει προς τα πάνω, προς τα κάτω ή και με τις δύο κατευθύνσεις, και φυσικά αλληλεπιδρά με μια χούφτα γύρω μαγνητικούς πυρήνες άνθρακα-13, οι οποίοι αποτελούν περίπου το 1% του άνθρακα στο διαμάντι. Ερευνώντας τους πυρήνες, οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι το ηλεκτρόνιο αποτύπωσε άσκοπα την κατάστασή του πάνω τους, όπως ακριβώς προβλέπει ο κβαντικός Δαρβινισμός, αναφέρουν σε ένα άρθρο που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters .

Άλλοι έχουν κάνει παρόμοια πειράματα με φωτόνια. Αλλά τα φωτόνια δεν αλληλεπιδρούν φυσικά και δεν μπορούν να αποτυπώσουν τις κβαντικές τους καταστάσεις το ένα στο άλλο. Έτσι οι ερευνητές πρέπει να μαγειρέψουν τη διαπλοκή με τεχνητά μέσα. Το πείραμα του Jelezko βασίζεται σε μια πραγματική φυσική αλληλεπίδραση, λέει ο Thao Le, θεωρητικός στο University College του Λονδίνου (UCL). "Μετρά ένα πολύ πιο φυσικό σύστημα", λέει ο Le.

Αποδεικνύει το πείραμα ότι ο κβαντικός Δαρβινισμός εξηγεί την εμφάνιση της κλασικής πραγματικότητας; Άλλοι λένε ότι αυτό πάει πολύ μακριά. Οι θεωρητικοί προσπάθησαν να γεφυρώσουν το χάσμα κβαντικής-κλασικής με άλλους τρόπους, για παράδειγμα, προσπαθώντας να αντλήσουν τους κανόνες της κβαντικής μηχανικής προς τα πίσω, από τη συμπεριφορά των καθημερινών αντικειμένων. «Δεν νομίζω ότι αυτό το πείραμα μπορεί να κάνει διάκριση μεταξύ αυτών των ιδεών», λέει ο Philippe Grangier, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Paris-Saclay. Η Alexandra Olaya-Castro, θεωρητικός στο UCL, προσθέτει ότι ο κβαντικός Δαρβινισμός δεν λαμβάνει υπόψη όλες τις διαφορές μεταξύ του κβαντικού και του κλασικού πεδίου.

Ωστόσο, το πείραμα μπορεί να είναι ένας προάγγελος για τα επόμενα πράγματα, λέει ο Paternostro. Καθώς οι πειραματιστές αποκτούν τον έλεγχο των κβαντικών συστημάτων, θα επινοήσουν νέα τεστ για την προέλευση της κλασικής συμπεριφοράς, λέει. "Δεν νομίζω ότι θα χρειαστεί να περιμένουμε πολύ για να έχουμε κάποια αποτελέσματα που θα αποκλείουν ή θα επιβεβαιώνουν ορισμένες από αυτές τις ιδέες."