Отпечаток Вселенной. Что такое квантовый дарвинизм и почему он изменит современную физику

18 августа 2019, 07:00

Ученые до сих пор не могут объединить теории квантовой механики и классической физики в реальном мире. Одним из возможных решений может стать квантовый дарвинизм.

Квантовая механика, основы которой заложили в начале прошлого века, до сих пор является камнем преткновения для величайших физиков современности. Дело в том, что квантовые законы, описывающие природу субатомных частиц, совершенно не совпадают с законами классической физики, которые регулируют природу объектов в привычном нам макромире.

Видео дня

К примеру, согласно классической физике, если вы начинаете движение из точки, А в точку Б по прямой с постоянной скоростью в 60 км/час, вы знаете наверняка, что через один час преодолеете 60 км. В квантовом мире это работает по-другому, ведь субатомные частицы могут проявлять нереальные для нас свойства и буквально находиться в двух состояниях одновременно.

Это явление известно как квантовая суперпозиция. Главной проблемой квантовой суперпозиции остается невозможность определения состояния квантовой частицы. Принято считать, что только факт измерения частицы наблюдателем может определить ее состояние. Именно поэтому, небезызвестный кот Шредингера либо жив либо мертв только до тех пор, пока мы не откроем коробку, в которой он находится.

Но, существует и другая теория, которая может объединить привычную нам физическую реальность и теоретический квантовый мир воедино, объясняя, как субатомные частицы со своими причудливыми суперпозициями и запутанностями формируют все, что нас окружает.

Квантовый дарвинизм

Войцех Зурек (Фото: Los Alamos National Laboratory)
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

Ulm University
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.

poster
Подписаться на ежедневную email-рассылку
материалов раздела Техно
Рассылка о том как технологии изменяют мир
Каждый понедельник

Присоединяйтесь к нам в соцсетях Facebook, Telegram и Instagram.

Показать ещё новости
Радіо НВ
X