Undersøgelse peger på fysiske principper, der ligger til grund for kvantedarwinisme

På den atomære og subatomære skala opfører objekter sig på måder, der udfordrer det klassiske verdensbillede baseret på daglige interaktioner med den makroskopiske virkelighed. Et velkendt eksempel er opdagelsen af, at elektroner kan opføre sig som både partikler og bølger, afhængigt af den eksperimentelle kontekst, hvori de observeres. For at forklare dette og andre fænomener, som forekommer i modstrid med fysikkens love, der er nedarvet fra tidligere århundreder, er modeller, der er selvkonsistente, men har modstridende fortolkninger, blevet foreslået af videnskabsmænd som Louis de Broglie (1892-1987), Niels Bohr (1885). -1962), Erwin Schrödinger (1887-1961) og David Bohm (1917-1992) blandt andre.

De store debatter, der fulgte med formuleringen af ​​kvanteteori, som især involverede Einstein og Bohr, førte dog ikke til afgørende resultater. De fleste af den næste generation af fysikere valgte ligninger, der stammede fra modstridende teoretiske rammer uden at bekymre sig meget om de underliggende filosofiske begreber. Ligningerne "virkede", og det var tilsyneladende tilstrækkeligt. Forskellige teknologiske artefakter, der nu er trivielle, var baseret på praktiske anvendelser af kvanteteori.

Det er menneskets natur at stille spørgsmålstegn ved alt, og et nøglespørgsmål, der opstod senere, var, hvorfor den mærkelige, endda kontraintuitive, adfærd, der blev observeret i kvanteeksperimenter, ikke manifesterede sig i den makroskopiske verden. For at besvare dette spørgsmål, eller omgå det, har den polske fysiker Wojciech Zurek udviklet begrebet "kvantedarwinisme".

Enkelt sagt er hypotesen, at interaktion mellem et fysisk system og dets omgivelser udvælger bestemte former for adfærd og udelukker andre, og at de former for adfærd, der bevares af denne "naturlige udvælgelse", netop er dem, der svarer til den klassiske beskrivelse.

Når nogen for eksempel læser denne tekst, modtager deres øjne fotoner, der interagerer med deres computer- eller smartphoneskærm. En anden person, fra et andet synspunkt, vil modtage forskellige fotoner, men selvom partiklerne på skærmen opfører sig på deres egen mærkelige måde, og potentielt producerer billeder, der er helt forskellige fra hinanden, vælger interaktion med omgivelserne kun én slags adfærd og udelukker hvile, så de to læsninger ender med at få adgang til den samme tekst.

Denne teoretiske undersøgelse er blevet taget videre med en endnu større grad af abstraktion og generalisering i et papir af den brasilianske fysiker Roberto Baldijão offentliggjort i Quantum , et peer-reviewet tidsskrift med åben adgang for kvantevidenskab og relaterede områder.

Papiret rapporterer resultater, der er en del af Baldijãos ph.d. forskning, overvåget af Marcelo Terra Cunha, professor ved Institut for Matematik, Statistik og Scientific Computing ved University of Campinas (IMECC-UUNICAMP) i Brasilien.

Medforfatterne til artiklen omfatter Markus Müller, som overvågede Baldijãos forskningspraktik ved Institut for Kvanteoptik og Kvanteinformation (IQOQI) ved det østrigske videnskabsakademi i Wien.

"Kvantedarwinisme blev foreslået som en mekanisme til at opnå den klassiske objektivitet, som vi er vant til fra iboende kvantesystemer. I vores forskning undersøgte vi, hvilke fysiske principper der kunne ligge bag eksistensen af ​​en sådan mekanisme," sagde Baldijão.

Ved at udføre sin undersøgelse adopterede han en formalisme kendt som generaliserede probabilistiske teorier (GPT'er). "Denne formalisme sætter os i stand til at producere matematiske beskrivelser af forskellige fysiske teorier og dermed sammenligne dem. Den gør os også i stand til at forstå, hvilke teorier der adlyder visse fysiske principper. Kvanteteori og klassisk teori er to eksempler på GPT'er, men mange andre kan også være beskrevet," sagde han.

Ifølge Baldijão er det praktisk at arbejde med GPT'er, fordi det gør det muligt at opnå valide resultater, selvom kvanteteorien må opgives på et tidspunkt. Desuden giver rammen en bedre forståelse af kvanteformalisme ved at sammenligne den med, hvad den ikke er. For eksempel kan det bruges til at udlede kvanteteori fra enklere fysiske principper uden at antage teorien fra bunden. "Baseret på formalismen i GPT'er kan vi finde ud af, hvilke principper der tillader eksistensen af ​​'darwinisme' uden at skulle ty til kvanteteori," sagde han.

Det paradoksale resultat, som Baldijão nåede frem til i sin teoretiske undersøgelse, var, at klassisk teori kun opstår via "naturlig udvælgelse" fra teorier med visse ikke-klassiske træk, hvis de involverer "sammenfiltring".

"Overraskende nok afhænger manifestationen af ​​klassisk adfærd via darwinisme af en sådan særlig ikke-klassisk egenskab som sammenfiltring," sagde han.

Entanglement, som er et nøglebegreb i kvanteteorien, opstår, når partikler skabes eller interagerer på en sådan måde, at hver partikels kvantetilstand ikke kan beskrives uafhængigt af de andre, men afhænger af hele sættet.

Det mest berømte eksempel på sammenfiltring er tankeeksperimentet kendt som EPR (Einstein-Podolsky-Rosen). Der kræves et antal afsnit for at forklare det. I en forenklet version af eksperimentet forestillede Bohm sig en situation, hvor to elektroner interagerer og derefter adskilles af en vilkårlig stor afstand, såsom afstanden mellem Jorden og Månen. Hvis spin af en elektron måles, kan det være spin op eller spin ned, hvor begge har samme sandsynlighed. Elektronspind vil altid ende med at pege enten op eller ned efter en måling - aldrig i en vinkel imellem. Men på grund af den måde, de interagerer på, skal elektronerne parres, hvilket betyder, at de spinder og kredser i modsatte retninger, uanset måleretningen. Hvilken af ​​de to der vil blive spin op eller spin down er ukendt, men resultaterne vil altid være modsatte på grund af deres sammenfiltring.

Eksperimentet skulle vise, at kvanteteoriens formalisme var ufuldstændig, fordi sammenfiltring forudsatte, at information rejste mellem de to partikler med uendelig hastighed, hvilket var umuligt ifølge relativitetsteorien. Hvordan kunne de fjerne partikler "vide", hvilken vej de skulle dreje for at producere modsatte resultater? Tanken var, at skjulte variabler virkede lokalt bag kvantescenen, og at det klassiske verdensbillede ville blive retfærdigt, hvis disse variable blev betragtet af en mere omfattende teori.

Albert Einstein døde i 1955. Næsten et årti senere blev hans argument mere eller mindre tilbagevist af John Bell (1928-1990), som konstruerede en sætning for at vise, at hypotesen om, at en partikel har definitive værdier uafhængigt af observationsprocessen, er uforenelig med kvanteteori, ligesom umuligheden af ​​umiddelbar kommunikation på afstand. Med andre ord er den ikke-lokalitet, der karakteriserer sammenfiltring, ikke en defekt, men et nøgletræk ved kvanteteorien.

Uanset dens teoretiske fortolkning, er den empiriske eksistens af sammenfiltring blevet demonstreret i adskillige eksperimenter udført siden da. Bevarelse af sammenfiltring er nu den største udfordring i udviklingen af ​​kvanteberegning, da kvantesystemer har en tendens til hurtigt at miste sammenhængen, hvis de interagerer med miljøet. Dette bringer os tilbage til kvantedarwinismen.

"I vores undersøgelse viste vi, at hvis en GPT viser dekohærens, skyldes det, at der er en transformation i teorien, der er i stand til at implementere den idealiserede proces af darwinisme, vi overvejede," sagde Baldijão. "Tilsvarende, hvis en teori har tilstrækkelig struktur til at tillade reversibel beregning - beregning, der kan fortrydes - så er der også en transformation, der er i stand til at implementere darwinisme. Dette er meget interessant, når man tager de beregningsmæssige anvendelser af GPT'er i betragtning."

Som et komplementært resultat af undersøgelsen giver forfatterne et eksempel på "ikke-kvantedarwinisme" i form af udvidelser til Spekkens' legetøjsmodel, en teori foreslået i 2004 af den canadiske fysiker Robert Spekkens, i øjeblikket seniorforsker ved Perimeter Institute for teoretisk fysik i Waterloo, Ontario. Denne model er vigtig for den dybtgående undersøgelse af kvantefysikkens grundlæggende principper, fordi den gengiver mange former for kvanteadfærd på basis af klassiske begreber.

"Modellen udviser ikke nogen form for ikke-lokalitet og er ude af stand til at krænke Bell-uligheder," sagde Baldijão. "Vi demonstrerer, at det kan udvise darwinisme, og dette eksempel viser også, at de betingelser, vi fandt for at garantere tilstedeværelsen af ​​darwinisme - dekohærens eller reversibel beregning - er tilstrækkelige, men ikke nødvendige for, at denne proces kan forekomme i GPT'er."

Som hovedefterforsker for projektet finansieret af FAPESP havde Cunha dette at sige:"Kvanteori kan betragtes som en generalisering af sandsynlighedsteori, men det er langt fra den eneste mulige. De store udfordringer i vores forskningsfelt omfatter forståelsen af ​​de egenskaber, som skelne klassisk teori fra kvanteteori i dette hav af mulige teorier Baldijãos ph.d.-afhandling havde til formål at forklare, hvordan kvantedarwinisme kunne eliminere et af de tydeligste ikke-klassiske træk ved kvanteteori:kontekstualitet, som omfatter begrebet sammenfiltring.

"Under sit forskningspraktik hos Markus Müllers gruppe i Wien arbejdede Baldijão med noget endnu mere generelt:Darwinismens proces i generelle sandsynlighedsteorier. Hans resultater hjælper os med bedre at forstå dynamikken i visse typer teorier, hvilket viser, at fordi darwinismen kun bevarer de stærkest og dermed skaber en klassisk verden, det er ikke en udelukkende kvanteproces." + Udforsk yderligere

Sammenfiltring er et uundgåeligt træk ved virkeligheden