Вдохновленная эволюционной теорией концепция того, как квантовая нечеткость порождает наш классический мир, показывает, что даже несовершенные наблюдатели в конечном итоге могут прийти к согласию относительно объективной реальности.
Обычно мы сходимся во мнении о том, как выглядят предметы, но почему? Мартин Бонд / Alamy
Наш мир, по-видимому, в своей основе нечёткий на квантовом уровне, однако мы не воспринимаем его таким образом. Исследователи разработали методику измерения того, как быстро объективная реальность, которую мы воспринимаем, возникает из этой нечёткости, что подтверждает предположение о том, что концепция, основанная на эволюционных принципах, может объяснить, почему она вообще возникает.
В квантовой области каждый объект — например, отдельный атом — существует в облаке возможных состояний и принимает четко определенное, или «классическое», состояние только после измерения или наблюдения. Но мы наблюдаем строго классические объекты, свободные от неопределенных с точки зрения существования частей, и механизм, обеспечивающий это, долгое время ставил физиков в тупик.
В 2000 году Войцех Журек из Национальной лаборатории Лос-Аламоса в Нью-Мексико предложил концепцию «квантового дарвинизма», согласно которой процесс, подобный естественному отбору, гарантирует, что состояния объектов, которые мы видим, являются наиболее «приспособленными» среди всех множества возможных состояний и, следовательно, лучше всего воспроизводятся посредством взаимодействия с окружающей средой на пути к наблюдателю. Когда два наблюдателя, имеющие доступ лишь к фрагментам физической реальности, соглашаются в чем-то объективном, это происходит потому, что оба наблюдают одну из этих идентичных копий.
Стив Кэмпбелл из Университетского колледжа Дублина и его коллеги доказали, что разные наблюдатели, скорее всего, придут к согласию относительно объективной реальности, даже если способ сбора информации об объекте — способ его наблюдения — не является самым совершенным или оптимально точным.
«Если один наблюдатель запечатлел какой-либо фрагмент, он может провести любое желаемое измерение. Я могу запечатлеть другой фрагмент и провести любое желаемое измерение. Так как же возникает классическая объективность? С этого мы и начали», — говорит он.
Исследователи переформулировали проблему возникновения объективности как проблему квантового зондирования. Если объективным фактом является, например, частота излучения света объектом, то наблюдатели должны получить точную информацию об этой частоте, подобно тому, как это делает компьютер, оснащенный датчиком света. В лучшем случае такая установка могла бы получать сверхточные измерения и быстро приходить к окончательному выводу о частоте света — сценарий, количественно описываемый математической формулой, называемой «квантовая информация Фишера», или КФИ. В новой работе исследователи использовали КФИ в качестве эталона, с которым они могли сравнивать, как различные, менее точные схемы наблюдения приходят к одним и тем же точным выводам, говорит член команды Габриэль Ланди из Университета Рочестера в штате Нью-Йорк.
Примечательно, что расчеты команды показали: для достаточно больших фрагментов физической реальности даже наблюдатели, проводящие неточные измерения, в конечном итоге могут собрать достаточно информации, чтобы прийти к тем же выводам об объективности, что и при использовании идеального стандарта QFI.
«На самом деле, даже самое простое измерение может дать такие же результаты, как и гораздо более сложное», — говорит Ланди. «Это один из способов увидеть возникновение классичности: когда фрагменты становятся достаточно большими, наблюдатели начинают соглашаться даже с простыми измерениями». Таким образом, эта работа предлагает еще один шаг к пониманию того, почему, наблюдая за нашим макроскопическим миром, мы соглашаемся с его физическими свойствами, такими как цвет чашки кофе.
«Эта работа подчеркивает, что идеальные измерения не требуются», — говорит Диего Висняцки из Университета Буэнос-Айреса в Аргентине. Он отмечает, что квантовая информационная филаментация (QFI) является основой квантовой теории информации, но ранее она не применялась в квантовом дарвинизме, поэтому она может связать эту все еще довольно теоретическую квантовую структуру с хорошо зарекомендовавшими себя экспериментами — например, в квантовых устройствах со световыми или сверхпроводящими кубитами.
«Это еще один „кирпич“ в нашем понимании квантового дарвинизма, — говорит Дж. Массимо Пальма из Палермского университета в Италии. — И это способ [изучения], который ближе к экспериментальному описанию того, что вы действительно наблюдаете в лаборатории».
Смелая попытка разгадать самую сложную загадку, лежащую в основе физики.
Долгое время считалось невозможным выяснить, является ли гравитация — а следовательно, и само пространство-время — квантовой по своей природе. Но новые новаторские идеи могут помочь ответить на этот важнейший вопрос.
Модель, использованная исследователями в их исследовании, очень проста, поэтому, хотя их метод может открыть двери для новых экспериментов, для того чтобы заложить еще более прочные основы квантового дарвинизма, потребуются вычисления для более сложных систем, говорит он. «Это был бы действительно большой прорыв, если бы мы смогли выйти за рамки простых игрушечных моделей», — говорит Пальма.
Ланди говорит, что исследователи уже заинтересованы в превращении своих теоретических исследований в эксперимент — например, с кубитами, созданными из захваченных ионов, где они могли бы сравнить временную шкалу возникновения объективности с конкретными временами, в течение которых эти кубиты, как известно, сохраняют свои квантовые свойства.
Physical Review A DOI: 10.1103/hn78-7xx3
Источник: www.newscientist.com
