Квантовый дарвинизм: идея, объясняющая объективную реальность, прошла первые испытания

Лазеры в науке Комментарии к записи Квантовый дарвинизм: идея, объясняющая объективную реальность, прошла первые испытания отключены

Три эксперимента подтвердили квантовый дарвинизм — теорию, объясняющую, как квантовые вероятности могут порождать объективную классическую реальность.

Неудивительно, что у квантовой физики есть репутация странной и контринтуитивной науки. Мир, в котором мы живём, не кажется нам квантово-механическим. И до XX века все предполагали, что классические законы физики, выведенные Исааком Ньютоном и другими учёными – согласно которым у объектов всегда имеются точно определённые позиции и свойства – работают на всех масштабах. Но Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Нильс Бор, и другие их современники обнаружили, что в самом «низу», среди атомов и субатомных частиц эта конкретика исчезает, превращаясь в кашу из возможностей. Атому, к примеру, обычно нельзя приписать определённое местоположение – мы можем лишь рассчитать вероятность найти его в том или ином месте. Возникает неприятный вопрос: и как же квантовые вероятности объединяются в чёткую картину классического мира?

Иногда физики называют это превращение «квантово-классическим переходом». Но на самом деле нет причин считать, что у большого и малого действуют фундаментально различные правила, или что между ними происходит резкий скачок.

В последние десятилетия исследователи очень хорошо разобрались в том, как квантовая механика неизбежно превращается в классическую посредством взаимодействия частицы или другой микроскопической системы с её окружением.

Одна из наиболее примечательных идей в этой теоретической платформе состоит в том, что определённые свойства объектов, которые мы связываем с классической физикой – допустим, местоположение и скорость – выбираются из меню квантовых возможностей в процессе, немного напоминающем естественный отбор в эволюции: выживающие свойства оказываются, в некотором смысле, наиболее «подходящими». Как и в естественном отборе, выживают те, кто сделает больше копий себя.

Это значит, что несколько независимых наблюдателей могут измерить квантовую систему и согласиться по поводу результатов – что является критерием классического поведения.

Эта идея, получившая название «квантовый дарвинизм» (КД), хорошо объясняет то, почему мы воспринимаем окружающий мир именно так, а не тем странным образом, который проявляет себя на масштабе атомов и фундаментальных частиц. И хотя подробности загадки пока неясны, КД помогает закрыть кажущийся разрыв между квантовой и классической физиками.

И только в последнее время КД смогли проверить экспериментально. Три независимых исследовательских группы из Италии, Китая и Германии искали характерную особенность естественного отбора – многократное «отпечатывание» квантовой системы в различных контролируемых окружениях. Пока эти испытания проводятся на рудиментарном уровне, и эксперты говорят, что ещё многое предстоит сделать перед тем, как мы сможем уверенно сказать, что КД даёт нам верную картину того, как наша конкретная реальность появляется из множества вариантов, предлагаемых квантовой механикой. Но пока что теория подтверждается.

Выживание наиболее приспособленных

В основе КД лежит неоднозначная идея измерения, то есть, совершения наблюдения. В классической физике мы просто видим всё, как есть. Мы наблюдаем, как теннисный мяч проделывает 200 км за час потому, что у него такая скорость. О чём тут ещё говорить?

В квантовой физике всё не так. Совершенно неочевидно, что формальные математические процедуры говорят о «положении вещей» касательно квантового объекта. Они представляют собой некое описание, где указано, с чем мы можем столкнуться после проведения измерения.

Возьмём, к примеру, тот факт, что у квантовой частицы может быть сразу несколько возможных состояний – это положение вещей называется «суперпозиция». Это не означает, что частица находится в нескольких состояниях сразу – это означает, что когда мы проведём измерение, мы увидим один из этих результатов. А до измерения различные состояния интерферируют друг с другом на манер волн, выдавая результаты с большей или меньшей вероятностью.

Но почему мы не видим квантовой суперпозиции? Почему все эти вероятности разных состояний частицы не выживают, увеличиваясь до человеческих масштабов?

Часто говорят, что суперпозиция – вещь хрупкая, её легко нарушить, когда квантовая система сталкивается с шумным окружением. Но это не совсем так. Два квантовых объекта, взаимодействуя, «запутываются» друг с другом, входя в общее квантовое состояние, в котором вероятности их свойств начинают зависеть друг от друга. Допустим, мы поместили атом в суперпозицию из двух возможных состояний его квантового свойства под названием «спин»: состояний «вверх» и «вниз». Мы выпускаем атом в воздух, где он сталкивается с молекулой воздуха и запутывается с ней. Теперь они находятся в совместной суперпозиции. Если спин атома направлен вверх, то молекулу воздуха может оттолкнуть в одну сторону, а если вниз, то в другую – и две эти возможности существуют совместно. С ростом количества столкновений с другими молекулами воздуха запутанность распространяется, и суперпозиция, когда-то относившаяся только к этому атому, становится ещё более рассеянной. Состояния атома уже не интерферируют когерентно друг с другом, поскольку теперь они запутаны с другими состояниями окружения – включая, возможно, и некий крупный измерительный инструмент.

Для этого инструмента всё выглядит так, будто суперпозиция атома исчезла, и её заменило меню возможных классических состояний, которые уже не интерферируют друг с другом. Этот процесс, в котором «квантовость» исчезает в окружении, называется декогеренцией.

Фёдор Железко, директор института квантовой оптики ульмского университета в Германии

Это важнейшая часть квантово-классического перехода, объясняющая, почему квантовое поведение сложно увидеть в больших системах со множеством взаимодействующих частиц. Этот процесс происходит чрезвычайно быстро. Если обычной пылинке в воздухе придать квантовую суперпозицию двух разных физических местоположений, расположенных на расстоянии ширины этой пылинки друг от друга, то столкновения с молекулами воздуха приведут к декогеренции – необнаружимости суперпозиций – примерно за 10-31 с. Даже в вакууме фотоны света быстро вызовут декогеренцию: нельзя посмотреть на пылинку, не уничтожив её суперпозицию.

Удивительно, что, хотя декогеренция является прямым следствием квантовой механики, немецкий физик Хайнц-Дитер Зи обнаружил её только в 1970-х. Американский физик польского происхождения Войцех Зурек проработал эту идею в начале 1980-х и добавил ей известности, а теперь в её поддержку выступают и эксперименты.

Третья экспериментальная проверка КД под руководством физика, специализирующегося на квантовой оптике, Фёдора Железко из института квантовой оптики ульмского университета в Германии, в которой участвовали Зурек и другие, использовала совершенно другую систему и окружение. Они состояли из одинокого атома азота, стоящего на месте атома углерода в кристаллической решётке алмаза – т.н. азото-замещённая вакансия в алмазе, или NV-центр. Поскольку в атоме азота на один электрон больше, чем в атоме углерода, лишний электрон не может найти себе пару у соседних атомов углерода и сформировать химическую связь. В итоге неспаренный электрон играет роль одинокого «спина», представляющего собой нечто вроде стрелы, указывающей вверх или вниз, или, в общем случае, находящейся в суперпозиции обоих направлений. Спин может магнитно взаимодействовать с ядрами углерода, существующими в атоме в виде изотопа углерод-13, и составляющими около 0,3% от общего количества атомов углерода. У этих изотопов, в отличие от более распространённого углерода-12, тоже есть спин. В среднем каждый спин NV-центра сильно связывается с четырьмя спинами углерода-13 на расстоянии в 1 нм. Управляя и отслеживая спины при помощи лазеров и радиоимпульсов, исследователи могли измерять, как изменение спина азота отзывается в изменении ядерных спинов окружения. Как писали они в препринте работы в прошлом сентябре, они также увидели характерную избыточность, предсказываемую КД: состояние спина азота «записывается» в виде множества копий в окружении, и информация, касающаяся спина, быстро насыщается при увеличении объёма рассматриваемого окружения. Зурек говорит, что поскольку эксперименты с фотонами создают копии искусственным образом, в виде симуляции реального окружения, они не включают в себя процесс отбора, избирающего «естественные» указательные состояния, устойчивые к декогеренции. Исследователи сами назначают указательные состояния. При этом алмазное окружение реально вызывает указательные состояния. «У схемы с алмазом есть свои проблемы из-за размера окружения, — добавил Зурек, — но оно, по крайней мере, естественное».

Читать больше на https://habr.com/ru/post/466581/

Рекомендуем для Вас


© Интернет журнал "ЛАЗЕРНЫЙ МИР", 2019
Напишите нам:
laser.rf.mail@yandex.ru

Back to Top