Как из мира вероятностей рождается наша общая реальность? Квантовый Дарвинизм объясняет, почему мы все видим мир одинаково

Вы когда-нибудь задумывались, почему мир вокруг нас кажется таким… одинаковым для всех? Солнце встает, трава зеленая, чашка кофе на столе остается чашкой кофе, кто бы на нее ни посмотрел. Звучит очевидно, правда? Но спуститесь на уровень мельчайших частиц, в квантовое царство, и вся эта привычная определенность рассыпается, как карточный домик. Там царит мир вероятностей, странных суперпозиций и пугающей неопределенности. Так как же из этого туманного, призрачного мира рождается та твердая, предсказуемая реальность, в которой мы все сходимся во мнениях?

Этот вопрос — одна из величайших загадок физики. И знаете, похоже, у ученых появляется все более убедительный ответ, вдохновленный, как ни странно, стариком Дарвином. Идея называется квантовый дарвинизм.

Что за квантовая «странность» такая?

Прежде чем разбираться с дарвинизмом, давайте на секунду освежим в памяти, почему квантовый мир так сбивает с толку. Представьте, что элементарная частица, вроде электрона, до того, как вы ее «увидите» (измерите), не находится в каком-то одном конкретном месте. Она как бы размазана в пространстве, существует в виде облака вероятностей. Она может быть и здесь, и там одновременно. Это называется суперпозицией.

Звучит дико? Еще бы! Но стоит вам попытаться точно определить ее положение — провести измерение — как это вероятностное облако мгновенно «схлопывается», и частица оказывается в одной-единственной точке. Классической, понятной точке. Физики десятилетиями ломают копья над тем, почему и как происходит этот переход от множества возможностей к единственной реальности.

Встречайте: Квантовый отбор, или выживает «классичнейший»

И вот тут на сцену выходит квантовый дарвинизм, предложенный еще в начале 2000-х Войцехом Зуреком. Идея элегантна в своей простоте, хоть и касается сложнейших вещей. Зурек предположил: а что, если некоторые состояния квантовой системы гораздо более «живучи», более устойчивы к взаимодействию с окружающей средой, чем другие?

Понимаете, ни один квантовый объект не существует в вакууме. Он постоянно «общается» со своим окружением — фотонами света, молекулами воздуха, чем угодно. Квантовый дарвинизм говорит, что во время этого взаимодействия хрупкие, чисто квантовые состояния (те самые суперпозиции) разрушаются. А вот те состояния, которые соответствуют нашей классической реальности (например, «чашка стоит именно здесь»), оказываются более крепкими орешками.

Но самое интересное дальше! Эти «приспособленные» состояния не просто выживают — они как бы «отпечатываются» в окружающей среде, создавая множество своих копий. Представьте, что информация о состоянии объекта (его местоположении, например) просачивается в окружение и дублируется снова и снова.

Получается, когда мы смотрим на объект, мы на самом деле не взаимодействуем с ним напрямую в полной мере. Мы скорее считываем одну из этих многочисленных «копий» его состояния, отпечатанных в среде (например, в фотонах света, которые от него отразились и попали нам в глаз). Окружающая среда выступает как гигантский свидетель, хранящий информацию о «победившем», классическом состоянии объекта.

А мы точно видим одно и то же? Вот в чем вопрос!

Звучит складно, не так ли? Но оставался один каверзный вопрос. Хорошо, среда хранит копии «классического» состояния. Но ведь каждый наблюдатель (я, вы, кто угодно) взаимодействует лишь с маленькой частью этой огромной среды. Вы уловили лишь несколько фотонов, я — несколько других. Откуда уверенность, что наши выводы об объекте совпадут? Что, если моя часть среды «расскажет» мне одну историю, а ваша — немного другую? Как возникает тот самый консенсус, наше общее видение мира?

Вот тут-то и вступает в игру недавняя работа Акрама Туиля, самого Зурека и их коллег. Они взялись за математику этого процесса. Исследователи проанализировали сценарий с двумя наблюдателями, каждый из которых имеет доступ лишь к своему фрагменту «информации» из окружения объекта. Они использовали штуку под названием «взаимная информация» — это способ измерить, насколько совпадают данные, полученные разными наблюдателями.

И что же они обнаружили? Для самых разных моделей объектов и сред расчеты показали: да, наблюдатели с высокой вероятностью придут к одному и тому же выводу о классическом состоянии объекта, даже получая информацию из разных частей окружения! Математика подтвердила, что механизм квантового дарвинизма действительно способен породить общую для всех реальность.

Как выразился один из ученых, Ярослав Корбич: «Представьте, мы с вами смотрим на стакан воды… Есть связь между стаканом и тем, что мы его видим. Но есть ли прямая связь между мной и вами? Эта работа завершает картину». Оказывается, есть! То, что кажется нам само собой разумеющимся в повседневной жизни, потребовало строгого математического доказательства на квантовом уровне.

От теории к пробиркам (точнее, к кубитам)

Математика — это прекрасно, но физики любят проверять все на практике. Команда Туиля сотрудничала с учеными из Китая, чтобы поставить эксперимент. Они использовали квантовый компьютер с 12 кубитами (квантовыми битами). Два кубита играли роль «объекта», а остальные десять — его «окружения».

Исследователи наблюдали, как со временем меняются квантовые состояния этих кубитов под влиянием «окружения». И предварительные результаты, представленные совсем недавно, обнадёживают — они согласуются с тем, что предсказывает квантовый дарвинизм. Это пока самый масштабный эксперимент такого рода, и он добавляет весомый аргумент в копилку этой теории.

Так что, тайна раскрыта? Не совсем…

Значит ли это, что мы окончательно поняли, как квантовый мир становится нашим? Ну, не так быстро. Квантовый дарвинизм — это мощная и элегантная концепция, и недавние работы серьезно ее укрепили. Но, как это часто бывает в науке, остаются вопросы.

Например, расчеты показывают, что наблюдатели достигнут согласия, но можно ли предсказать точное содержание этого согласия в более сложных случаях? И еще более интригующий вопрос: а не могут ли какие-то едва уловимые следы «квантовости» все-таки просочиться сквозь этот процесс отбора и сохраниться даже в нашем макроскопическом мире? Некоторые исследователи считают, что да.

Более того, нынешние исследования в основном касались относительно простых систем вроде кубитов. А как насчет более сложных явлений? Сможет ли квантовый дарвинизм объяснить не только, почему мы видим чашку на столе как нечто определенное, но и природу экзотических квантовых состояний материи, которые ученые создают в лабораториях при сверхнизких температурах? Это следующий рубеж.

В сухом остатке

Квантовый дарвинизм рисует захватывающую картину: наш привычный, надежный, общий для всех мир — это не какая-то фундаментальная данность, а скорее результат непрерывного «естественного отбора» на квантовом уровне. Самые «приспособленные», классические состояния выживают во взаимодействии со средой, которая затем транслирует информацию о них всем наблюдателям.

Может быть, наш мир не столько построен из квантовых кирпичиков, сколько отобран из квантового хаоса по законам информационной выживаемости. Согласитесь, это заставляет взглянуть на привычные вещи под совершенно новым углом! И хотя не все детали еще ясны, квантовый дарвинизм определенно дает нам один из самых здравых и проверяемых подходов к разгадке тайны рождения нашей реальности.