Відбиток Всесвіту. Що таке квантовий дарвінізм і чому він змінить сучасну фізику

18 серпня 2019, 07:00
Вы также можете прочесть этот материал на русском языке

Вчені досі не можуть об'єднати теорії квантової механіки та класичної фізики в реальному світі. Одним з можливих рішень може стати квантовий дарвінізм.

Квантова механіка, основи якої заклали на початку минулого століття, досі є наріжним каменем для найвидатніших фізиків сучасності. Річ у тім, що квантові закони, які описують природу субатомних частинок, абсолютно не збігаються з законами класичної фізики, які регулюють природу об'єктів у звичному нам макросвіті.

Відео дня

Наприклад, згідно з класичною фізикою, якщо ви починаєте рух з точки, А в точку Б по прямій з постійною швидкістю в 60 км/год, ви знаєте точно, що через одну годину подолаєте 60 км. У квантовому світі це працює по-іншому, адже субатомні частинки можуть проявляти нереальні для нас властивості і буквально перебувати у двох станах одночасно.

Це явище відоме як квантова суперпозиція. Головною проблемою квантової суперпозиції залишається неможливість визначення стану квантової частинки. Вважається, що тільки факт вимірювання частки спостерігачем може визначити її стан. Саме тому, відомий кіт Шредінгера або живий або мертвий тільки доти, доки ми не відкриємо коробку, в якій він перебуває.

Але, існує й інша теорія, яка може об'єднати звичну нам фізичну реальність і теоретичний квантовий світ воєдино, пояснюючи, як субатомні частинки зі своїми химерними суперпозиціями та заплутаностями формують все, що нас оточує.

Квантовий дарвінізм

Войцех Зурек (Фото: Los Alamos National Laboratory)
Войцех Зурек / Фото: Los Alamos National Laboratory

Одну з численних альтернативних теорій об'єднання квантового і реального світу запропонував польський фізик-теоретик Войцех Зурек ще у 2003 році. Так званий квантовий дарвінізм передбачає, що факт наявності спостерігача і його спостережень взагалі не визначає стан квантової частинки і не порушує крихкий квантовий баланс.

Замість цього, відповідно до теорії Зурека, квантові частинки за замовчуванням мають функцію переходу у навколишнє середовище в одному зі своїх станів суперпозиції, яку ми не можемо спостерігати або виміряти. Процес цього переходу називають декогеренцією, яка і відповідає за об'єднання квантових систем з реальним світом.

«Квантовий дарвінізм описує поширення в навколишньому середовищі безлічі копій окремих станів квантової системи. Це пояснює, як крихкість стану однієї квантової системи може призвести до класичної стійкості станів і їх корелюючої безлічі», — писав Войцех Зурек у своїй роботі.

Іншими словами, квантовий дарвінізм пояснює, чому ми ніколи не бачимо макрооб'єкти в квантовому стані, — такі «великі» об'єкти (хоча, це може бути навіть піщинка) вже схильні до факторів навколишнього середовища. Ну, а дарвінізмом цю теорію назвали власне тому, що квантова частинка залишає в «реальному світі» саме той «відбиток» свого стану, який найбільше вписується у навколишнє середовище.

Простіше кажучи, згідно із квантовим дарвінізмом, декогеренції квантових частинок — це щось типу природного відбору, який фіксує у доступному нам навколишньому середовищу найбільш підходящий стан цих частинок.

Ми майже ніколи не проводимо ніяких прямих вимірювань

«Основна ідея квантового дарвінізму полягає в тому, що ми майже ніколи не проводимо ніяких прямих вимірювань. Навколишнє середовище схоже на великий рекламний щит, на якому розміщуються численні копії інформації про весь наш Всесвіт», — говорив Зурек у 2008-му.

Щоб пояснити, як квантові частинки залишають «відбиток» у фізичному світі, польський фізик, який до слова працював в Національній лабораторії Лос-Аламос в Нью-Мексико, ввів поняття «станів покажчика» англ. — pointer states). Ці стани особливо стійкі до декогеренції, і після переходу квантової частинки у світ класичної фізики вони дозволяють зафіксувати конкретне її місцерозташування, швидкість, значення спіну або поляризацію на вимірювальному пристрої.

Тобто, взаємодія квантової системи з навколишнім середовищем руйнує всі можливі суперпозиції заплутаних часток, залишаючи лише деякі, підходящі для цього середовища їх властивості та стани.

До недавнього часу припущення Войцеха Зурека були не більше, ніж чергова квантова теорія, яка хоч і звучала складніше та переконливіше за інші, але все одно не мала вагомих доказів.

Перевірка теорії квантового дарвінізму

Ulm University
Фото: Ulm University

Пару тижнів тому науковий журнал Quanta Magazine опублікував результати дослідження трьох незалежних груп, які останній рік перевіряли теорію Зурека у лабораторних умовах. Не вдаючись в подробиці складних експериментів, варто відзначити, що вчені намагалися перевірити теорію квантового дарвінізму за допомогою найпростішої квантової системи з декількох дрібних частинок світла — фотонів.

Зурек передбачав, що навіть просто спостерігаючи за квантовим середовищем можна отримати всю інформацію про поведінку частинки, яка нібито «відбиває» один зі своїх станів у класичному навколишньому середовищі.

В результаті, фізики з Китаю, Німеччини і Канади помітили, що частка пилу, довжиною всього в один мікрометр, «відбивається» в фотонах не менш ста мільйонів разів за одну мікросекунду. Саме це і зумовлює перехід частки з квантового стану і прояв її класичних фізичних властивостей. У буквальному сенсі, вчені змогли побачити порошинку в одному і тому ж місці завдяки створенню «відбитка» її найбільш стійкого стану.

Масштабний експеримент продемонстрував сумісність теорії Войцеха Зурека з поведінкою часток, і дослідники змогли довести це на практиці. «Всі ці дослідження показують те, що і очікувалося. Як мінімум, приблизно», — розповів Зурек виданню Quanta.

Звичайно, для повного підтвердження цієї теорії вчені мають провести ще не один експеримент і максимально точно описати усі перехідні властивості субатомних частинок, разом з їх вражаючим «відбиванням» в навколишньому середовищі.

Проте, недавнє відкриття — це величезний крок в науці, який у майбутньому може дозволити вченим об'єднати закони класичної фізики з квантовою механікою, і в буквальному сенсі пояснити, як формується все навколо нас.

poster
Підписатись на щоденну email-розсилку
матеріалів розділу Техно
Розсилка про те як технології змінють світ
Щопонеділка

Приєднуйтесь до нас у соцмережах Facebook, Telegram та Instagram.

Показати ще новини
Радіо НВ
X