20 октомври 2019
Категории
  •  Космос
  •  Физика
  •  Науки за земята
  •  Биология
  •  Медицина
  •  Говорят медиците
  •  Математика
  •  Научни дискусии
  •  Разни
FACEBOOK

"Квантов дарвинизъм" звучи странно, но тази теория премина тестовете

| ПОСЛЕДНА ПРОМЯНА 26 август 2019 в 00:00109380
Кредит: Pixabay

Една теория, опитваща се да свърже двата различни свята, които не се подчиняват на едни и същи физични закони, наскоро премина успешно проверка. Това са две области на реалността от два различни мащаба - светът на "големите" обекти, всичко от пясъчно зърно до галактика, където действа класическата физика и светът на малките квантови частици.

Квантовата физика има заслужена репутация на странна и контраинтуитивна. Светът, в който живеем, не е квантово-механичен. И до 20-ти век всички приемаха, че класическите закони на физиката, създадени от Исак Нютон и други - според които обектите имат добре дефинирани позиции и свойства по всяко време - ще работят във всеки мащаб. Но Макс Планк, Алберт Айнщайн, Нилс Бор и техните съвременници откриват, че при атомите и субатомните частици тази конкретност се разтваря в супа от вероятности. Един атом обикновено не може да има конкретна позиция, например - можем да изчислим само вероятността да го намерим на различни места.

Тогава се появява един досаден въпрос: как размитите квантови вероятности изведнъж се фокусират в ясната определеност или както казват физиците - детерминираност - на класическия свят?

Физиците понякога говорят за тази промяна като за "квантово-класически преход". Но всъщност няма причина да се мисли, че големите и малките се подчиняват на фундаментално различни правила или че има внезапно превключване между тях. През последните няколко десетилетия изследователите все по-дълбоко вникват в проблема как квантовата механика неизбежно става класическа механика чрез взаимодействие между частиците или друга микроскопична система и околната среда.

Една от най-забележителните идеи в тази теоретична рамка, предложена първо от полския теоретик-физик Войчех Зурек (Wojciech Zurek) през 2003 г., е, че детерминираните свойства на обектите, които свързваме с класическата физика - позиция и скорост, да речем - са избрани от менюто на квантовите възможности в процес, който е аналогичен на естествения отбор в еволюцията. 

Според теорията на полския физик свойствата, които оцеляват, в известен смисъл са "най-устойчивите". Както при естествения отбор оцеляват тези, които правят най-много копия от себе си. Това означава, че много независими наблюдатели могат да правят измервания на квантовата система и да се споразумеят за резултата - а това е класическо поведение.

Естествен отбор

В основата на квантовия дарвинизъм стои хлъзгавото понятие за измерване в квантовата механика - процесът на наблюдение. В класическата физика, това, което виждаме, е това, което е. Наблюдаваме топка за тенис, която се движи с 200 километра в час, защото точно това е нейната скорост. И няма никаква неопределеност по този въпрос.

В квантовата физика това вече не е така. Математическите формули в квантовата механика не показват „какво правят нещата” в квантовия свят. Те са само прогноза какво можем да видим, ако направим измерване, например набор от възможни състояния на квантовата , известен като „суперпозиция“.

Това не означава, че частицата е в няколко състояния едновременно - по-скоро това означава, че ако направим измерване, ще видим един от тези резултати. Преди измерването, различните състояния се наслагват, интерферират, едно с друго подобно на вълните, произвеждайки резултати с по-високи или по-ниски вероятности.

Но защо не можем да видим квантова суперпозиция? Защо всички възможности на състоянието на частицата не могат да оцелеят до човешкия мащаб?

Отговорът, който често се дава, е, че суперпозициите са крехки, лесно се разрушават, когато деликатната квантова система се сблъска с „шумната” околна среда. Но това не е съвсем вярно. Когато взаимодействат два квантови обекта, те се „вплитат” един в друг, влизайки в общо квантово състояние, в което възможностите за техните свойства са взаимозависими.

Един атом се поставя в суперпозицията на две възможни състояния за квантовото свойство, наречено спин - “нагоре” и “надолу”. Когато атомът попадне във въздуха се сблъсква с въздушна молекула и се обвързва с нея. Тогава те са в съвместна суперпозиция. Ако спинът на атома е нагоре, тогава въздушната молекула може да бъде изтласкана в една посока, а ако спинът на атома е надолу, молекулата ще тръгне по друг начин - и тези две възможности съществуват едновременно. Тъй като частиците изпитват още повече сблъсъци с други молекули на въздуха, вплитането се разпространява и суперпозицията, първоначално специфична за атома, става все по-дифузна. Наслоените състояния на атома вече не интерферират кохерентно едно с друго, защото сега са обвързани с други състояния в заобикалящата среда - включително, може би, някакъв голям измервателен уред. За това измервателно устройство изглежда, че суперпозицията на атома е изчезнала и е заменена от набор от възможни класически подобни резултати, които вече не си пречат.

Този процес, чрез който "квантовостта" изчезва в околната среда, се нарича декохеренция. Това е важна част от квантово-класическия преход, обясняваща защо квантовото поведение е трудно да се види в големи системи с много взаимодействащи частици. Процесът се случва изключително бързо. Ако обикновена прашинка, плаваща във въздуха, се постави в квантова суперпозиция на две различни физически местоположения, разделени с около ширината на самата прашинка, сблъсъците с молекулите на въздуха биха довели до декохерентност - правейки суперпозицията неоткриваема - за около 10 -31 секунди. Дори във вакуум светлинните фотони бързо биха предизвикали такова декохериране - не можете да видите прашинката, без да разрушите нейната суперпозиция.

Кредит: Futurism

Изненадващо, въпреки че декохерентността е пряка последица от квантовата механика, тя е била идентифицирана едва през 70-те години на миналия век от покойния немски физик Хайнц-Дитер Зех (Heinz-Dieter Zeh). Полско-американският физик Войчех Зурек доразви идеята в началото на 80-те години и я направи по-известна.

Сега опитът на Зурек да обясни този процес с квантовия дарвинизъм, който предполага, че взаимодействието на системата с околната среда причинява декохеренцията, има добра експериментална подкрепа.

Защо не виждаме макро обекти в квантово състояние? Защото те винаги са подложени на фактори на околната среда.

Но за да се обясни появата на обективна класическа реалност, не е достатъчно да се каже, че декохерентността размива квантовото поведение и по този начин го прави да изглежда класическо за един наблюдател. По някакъв начин е възможно множество наблюдатели да се споразумеят за свойствата на квантовите системи. Според, Зурек, който работи в Националната лаборатория в Лос Аламос в Ню Мексико, тук трябва да станат ясни две неща.

Първо, квантовите системи трябва да имат състояния, които са особено устойчиви на фона на разрушителната декохеренция от околната среда. Зурек нарича тези състояния „показателни състояния“ или „състояния на показалеца” (pointer states), тъй като те могат да бъдат кодирани във възможните състояния на показалеца на циферблата на измервателен уред. Определено например местоположение на частица, нейната скорост, стойността на нейния квантов спин или посоката на поляризация може да се регистрират като позицията на показалец на измервателно устройство. Зурек твърди, че класическото поведение - съществуването на добре дефинирани, стабилни, обективни свойства - е възможно само защото съществуват показателни състояния на квантовите обекти.

В състоянията на показалеца, взаимодействията, предизвикващи декохеренция с околната среда, няма особени математически противоречия: Или състоянието на показалеца е запазено, или просто се трансформира в състояние, което изглежда почти идентично. Това означава, че средата не разбива безразборно квантовостта, а избира някои състояния, докато изхвърля други. Позицията на частицата е устойчива на декохеренция, например. Суперпозициите от различни местоположения обаче не са показателни състояния: Взаимодействията със средата ги декохерира в локализирани състояния на показалеца, така че да се наблюдава само едно. Зурек описа тази „индуцирана от околната среда свръхселекция“ на състоянието на показалеца през 80-те години.

Но има второ условие, на което трябва да съответстват квантовите свойства. Въпреки че имунитетът към взаимодействие с околната среда гарантира стабилността на състоянието на показалеца, все пак трябва да се запознаем по някакъв начин с информацията за това. Ние можем да направим това само ако то се отпечата в околната среда на обекта. Когато видите обект, например, тази информация се доставя на вашата ретина от фотоните, разпръснали се от него. Те носят информация под формата на частична реплика на определени аспекти на обекта, като казват нещо за неговото положение, форма и цвят. Много реплики са необходими, ако много наблюдатели искат да се споразумеят за измерена стойност - отличителен белег на класицизма. Така, както Зурек отбелязва през 2000-те години, способността ни да наблюдаваме някакво свойство зависи не само от това дали е избрано като състояние на показалеца, т.е. но и за това колко съществен е отпечатъкът в околната среда. Състоянията, които най-добре създават реплики в околната среда - „най-приспособените“, може да се каже - са единствените, достъпни за измерване. Затова Зурек нарича идеята квантов дарвинизъм.

Оказва се, че същото свойство на стабилност, което стимулира индуцираната от околната среда свръхселекция на състоянието на показалеца, също така стимулира и квантовата Дарвинова приспособимост или способността да се генерират реплики.

„Средата, чрез своите усилия за наблюдение, декохерира системите,“ обяснява Зурек, „и същият този процес, който е отговорен за декохерентността, трябва да вписва множество копия на информацията в околната среда“.

Войчех Зурек, теоретичен физик от Националната лаборатория в Лос Аламос в Ню Мексико, разработи теорията за квантовия дарвинизъм през 2000-те, за да отчете появата на обективната класическа реалност.

Претоварване с информация

Разбира се, няма значение дали информацията за квантовата система, която се отпечатва в околната среда, се чете от наблюдател човек. Всичко, което има значение за появата на класическото поведение, е информацията да е там, за да може да бъде прочетена по принцип.

„Не е необходимо системата да бъде изучавана в никакъв формален смисъл“, за да стане класическа, отбелязва Джес Ридел (Jess Riedel от Института за теоретичн а физика към Университета Периметър във Ватерлоо, Канада, и привърженик на квантовия дарвинизъм. "Квантовият дарвинизъм може да обясни или помага да се обясни цялата класика, включително ежедневните макроскопични обекти, които не се изследват в лаборатория или които са съществували преди да е имало хора."

Преди около десетилетие, докато Ридел работи като студент със Зурек, двамата показват теоретично, че информацията от някои прости, идеализирани квантови системи се „копира множествено в околната среда“, разказва Ридел, „така че е необходимо да има достъп само до малко количество от околната среда, за да се изведе стойността на променливите”. Те изчисляват, че прашинка с размер един микрометър напречно, след като бъде осветена от слънцето само за една микросекунда, ще има  отпечатък около 100 милиона пъти в разпръснатите фотони.

И заради това изобилие въобще съществуват обективни свойства, подобни на класическите. Всеки десет наблюдателя могат да измерят положението на прашинката и да установят, че тя е на едно и също място, тъй като всеки може да получи конкретна реплика на информацията. При това наблюдение можем да присвоим обективна „позиция“ на прашинката не защото „има“ такава позиция (каквото и да означава това), а защото състоянието на нейната позиция може да отпечата много идентични реплики в околната среда, така че различните наблюдатели да достигнат до консенсус.

Нещо повече, не е нужно да наблюдавате голяма част от околната среда, за да съберете по-голямата част от наличната информация - и не печелите значително повече, като наблюдавате по-голяма част от околната среда.

„Информацията, която човек може да събере за системата, бързо се насища“, обяснява Ридел.

Квантовият дарвинизъм се противопоставя общоприетия мит за квантовата механика, според теоретичния физик Адан Кабело (Adán Cabello) от Университета в Севиля, Испания: а именно, че преходът между квантовия и класическия свят не може да се разбере и че резултатите от измерването не могат да бъдат описани от квантовата теория. Напротив, казва той, "квантовата теория отлично описва възникването на класическия свят."

Колко перфектно остава спорно обаче. Някои изследователи смятат, че декохерентността и квантовият дарвинизъм предоставят пълна информация за квантово-класическия преход. Но въпреки че тези идеи се опитват да обяснят защо суперпозициите изчезват при големи мащаби и защо остават само конкретни „класически“ свойства, все още остава въпросът защо измерванията дават уникални резултати. Когато е избрано определено местоположение на частица, какво се случва с другите възможности, присъщи на нейното квантово описание? Истински ли са били те някога? Изследователите са принудени да приемат философски интерпретации на квантовата механика именно защото никой не може да измисли начин да отговори на този въпрос експериментално.

Експериментите

Квантовият дарвинизъм изглежда доста убедителен на хартия.

Но според статията, публикувана в Quanta Magazine, три независими групи изследователи са провели експерименти, за да тестват квантовия дарвинизъм, като търсят признаци, че квантовата система отпечатва копия на себе си в околната среда - и досега теорията изглежда издържа теста.

Но през изминалата година три екипа изследователи самостоятелно поставиха теорията на експериментален тест, като потърсиха нейната ключова характеристика: как квантова система отпечатва реплики на себе си в своята среда.

Експериментите зависят от способността да се следи отблизо каква информация за квантовата система се предоставя на нейната среда. Това не е възможно за, да речем, прашинки, плаващи сред безброй милиарди молекули въздух. Затова два от екипите създават квантов обект в някаква "изкуствена среда" само с няколко частици в нея. И двата експеримента - единият поставен от Мауро Патерностро (Mauro Paternostro) и сътрудници в Римския университет Сапиенца, а другият от експерта по квантова информация Дзиен-Вей Пан (Jian-Wei Pan) и съавтори от Китайския университет за наука и технологии - използват един единствен фотон като квантова система и няколко други фотона, служещи като „среда“, която взаимодейства с него и излъчва информация за него.

И двата екипа пускат лазерни фотони през оптични устройства, които могат да комбинират в множество вплетени групи. След това изследват фотоните на околната среда, за да видят каква информация са кодирали за показалеца на състоянието на фотонната система - в този случай неговата поляризация (ориентацията на неговите осцилиращи електромагнитни полета), едно от квантовите свойства, способни да преминат през филтъра на квантовата дарвинова селекция.

Двата екипа откриха точно това. Измерванията само на един от фотоните в околната среда разкри много от наличната информация за поляризацията на фотонната система и измерването на все по-голяма част от фотоните в околната среда не увеличава информацията. Дори един фотон може да действа като среда, която въвежда декохерентност и селекция, обяснява Пан, ако взаимодейства достатъчно силно с фотона на система. Когато взаимодействията са по-слаби, трябва да се следи по-голяма среда.

Екип, воден от Фьодор Железко, директор на Института за квантова оптика в Улмския университет в Германия, проучи състоянието на азотен дефект вътре в синтетичен диамант (показанвдясно), като наблюдава околните въглеродни атоми. Този експеримент потвърди прогнозите на теорията на квантовия дарвинизъм.

Третият експериментален тест на квантовия дарвининзъм, ръководен от квантовия физик Фьодор Железко от Университета в Улм, Германия в сътрудничество с Зурек и други, използва много различна система и среда, състояща се от едни единствен азотен атом, заместващ въглеродния атом в кристалната решетка на диамант - така нареченият „азотен дефект” (nitrogen-vacancy) в решетката. Тъй като азотният атом има в повече един електрон от въглерода, този излишен електрон не може да се сдвои с тези на съседните въглеродни атоми, за да образува химична връзка. В резултат на това азотният атом несдвоения електрон действа като самотен „спин“, който е като стрелка, насочена нагоре или надолу, или като цяло в суперпозиция на двете възможни посоки.

Този спин може да взаимодейства магнитно с тези на приблизително 0,3% въглеродни ядра, присъстващи в диаманта като изотоп въглерод-13, който за разлика от по-често срещания въглерод-12 също има спин. Средно, всеки спин на азотен дефект е силно свързан с четири спина на въглерод-13 на разстояние от около 1 нанометър.

Чрез контролиране и наблюдение на спиновете с помощта на лазери и радиочестотни импулси изследователите биха могли да измерят как се регистрира промяната в азотния спин от промените в ядрените спинове на околната среда. Както съобщава екипът в предпечат през миналия септември, е наблюдавана характерната излишност, предвидена от квантовия дарвинизъм: Състоянието на азотния спин се „записва“ като множество копия в околността и информацията за спина се насища бързо с разглеждането на повече от околната среда.

Зурек отбелязва, че тъй като експериментите с фотони създават копия по изкуствен начин, който симулира реалната среда, те не включват процес на селекция, който да извежда „естествени“ показатели, устойчиви на декохерентност. По-скоро самите изследователи налагат състоянията на показалеца. За разлика от тях диамантената среда извлича състоянията на показалеца. „Диамантената схема също има проблеми поради размера на околната среда“, добавя Зурек, „но поне е напълно естествена“.

Верен ли е квантовият дарвинизъм

"Основната идея на квантовия дарвинизъм е, че почти никога не правим каквото и да било директно измерване на нещо", заяви Зурек пред Института по фундаментални въпроси през 2008 г.

"[Околната среда] е като голям рекламен билборд, в който плуват множество копия от информацията за нашата Вселена".

Засега толкова за квантовия дарвинизъм.

„Всички тези проучвания виждат какво се очаква, поне приблизително“, коментира Зурек.

Ридел отбелязва, че едва ли бихме могли да очакваме друго: Според него квантовият дарвинизъм е само внимателното и систематично приложение на стандартната квантова механика във взаимодействието на квантова система със средата. Въпреки че това е практически невъзможно да се направи на практика за повечето квантови измервания, ако може достатъчно лесно да се опрости измерването, прогнозите са ясни.

„Квантовият дарвинизъм е не повече от вътрешна проверка на самосъгласуваността на самата квантова теория“, коментира той.

Все пак изследователите се опитват и самият опит трябва да усъвършенства способността ни да изследваме как работи квантовият свят.

„Най-добрият аргумент за извършването на тези експерименти вероятно е, че те са добри упражнения“, заявява Ридел. „Директното илюстриране на квантовия дарвинизъм може да изисква някои много трудни измервания, които ще избутат границите на съществуващите лабораторни техники.“

Единственият начин, по който можем да разберем какво всъщност означава измерването, е като правим по-добри измервания.

"Всички тези проучвания виждат какво може да се очаква, поне приблизително", заяви Зурек за Quanta magazine, което означава, че вече сме на път да съчетаем физиката на големите с физиката на много малките.

Източници:

Mind-Bending “Quantum Darwinism” Theory Passes Experimental Tests, Futurism

Quantum Darwinism, an Idea to Explain Objective Reality, Passes First Tests, Quanta Magazine


Няма коментари към тази новина !

 
Още от : Физика
Всички текстове и изображения публикувани в OffNews.bg са собственост на "Офф Медия" АД и са под закрила на "Закона за авторското право и сродните им права". Използването и публикуването на част или цялото съдържание на сайта без разрешение на "Офф Медия" АД е забранено.