Kwantowe interpretacje: dekoherencja środowiskowa i darwinizm Żurka

Przez dekady nie byliśmy pewni w jaki sposób z kwantowego probabilizmu wyłania się bliska nam klasyczna rzeczywistość. Obecnie odpowiedzi na to fundamentalne pytanie dostarcza śmiała idea dekoherencji.

Dekoherencja jest autentycznym procesem fizycznym, który zachodzi wszędzie
i nieustannie.

Jim Al-Khalili

To już siódma i jak sądzę ostatnia część cyklu, w którym wspólnie zwiedzamy bogaty rynek interpretacji zjawisk kwantowych. Siłą rzeczy nie byłem w stanie wziąć na warsztat każdego z istniejących pomysłów i musiałem dokonać brutalnej selekcji. Zarezerwowanie miejsca akurat dla kwantowej dekoherencji nie było więc wcale takie oczywiste. Zwłaszcza, że mowa o koncepcji skupionej na konkretnym problemie i – w odróżnieniu od konkurentek – niekoniecznie aspirującej do miana kompleksowej wykładni reguł mikroświata. Z drugiej strony, jest to idea niosąca realną obietnicę wytyczenia granicy pomiędzy nudnym królestwem fizyki klasycznej i anarchistyczną krainą kwantów. A to gra warta świeczki i krótkiego omówienia. (No i maczał w niej palce jeden z najbardziej zasłużonych polskich uczonych).

Zacznijmy od odczarowania kluczowych pojęć. Samo brzmienie słowa dekoherencja sugeruje, że mamy do czynienia ze zburzeniem jakiejś koherencji, czy mówiąc bardziej po polsku – spójności. Dla fizyków koherentny jest obiekt wykazujący właściwości typowo kwantowe, pozostający w stanie superpozycji, czy też potrafiący przejść przez dwie szczeliny w przegrodzie interferując sam ze sobą. Zwolennicy konwencjonalnej interpretacji kopenhaskiej powiedzieliby, że koherentny będzie każdy elektron, foton czy atom, dopóki nie zakłócimy jego spokoju swoim wścibskim pomiarem. Jak na pewno pamiętacie, na tym polu zawsze dochodziło do ostrych sporów i nieporozumień. Złośliwcy pytali, czy każdy obiekt może doświadczyć kwantowego szaleństwa i czy gdyby wszyscy obserwatorzy odwrócili wzrok od Księżyca, ten rozpuściłby się w widmowej superpozycji. Pewien zarozumiały Austriak zaproponował nawet eksperyment myślowy z żywym/martwym kotem w roli głównej.

Rzecz jasna Bohr, Heisenberg i inni nie mieli wątpliwości, że ani ciała niebieskie, ani futrzaki nie wykazują właściwości zarezerwowanych dla obiektów subatomowych. Nie wiedzieli jednak gdzie przebiega granica i dlaczego akurat tam. Czy chodzi po prostu o rozmiar układu? A może odpowiedź jest bardziej wyrafinowana i rację ma Roger Penrose twierdzący, że dekoherencję powoduje odpowiednie zagięcie czasoprzestrzeni?

Rozwijane od lat 80. teorie dekoherencji środowiskowej przekonują nas, że mylimy skutek z przyczyną, a wszystko rozbija się nie tyle o sam rozmiar, co o swobodę i uporządkowanie danego układu oraz jego otoczenie. John Gribbin użył kiedyś błyskotliwej metafory, przyrównując materię do wypełnionego po brzegi stadionu. Kiedy każdy z kibiców skacze, śpiewa i wymachuje rękami po swojemu, otrzymujemy chaotyczną mieszaninę stanów i w efekcie dekoherentny namacalny świat. Gdybyśmy jednak potrafili skoordynować ludzi i maksymalnie uporządkować ich doping, uzyskalibyśmy koherentną meksykańską falę. Idąc tym tropem, biorąc w ryzy wszystkie cząstki jakiegoś przedmiotu (np. przez użycie pola magnetycznego lub niskiej temperatury), moglibyśmy doprowadzić do ujawnienia niektórych efektów kwantowych w skali makroskopowej. (I nie jest to tylko czcze teoretyzowanie, lecz teza wypływająca z doświadczeń przeprowadzonych przez zespoły Schlosshauera, Leggetta, Cornella, Wiemana i wielu innych).

Płynie z tego morał, że granica uklasycznienia co najwyżej pośrednio zależy od wielkości i przy odrobinie wysiłku można ją przesuwać. Dlaczego więc, w naturze koherentne bywa tylko to, co najmniejsze?

Kwantowa dekoherencja
Rozprzestrzenianie się informacji o stanie cząstki w modelu dekoherencyjnym.

Współczesne modele dekoherencyjne wyciągają na pierwszy plan kwestie splątania kwantowego oraz informacji. Pojedyncza izolowana cząstka cieszy się pełną wolnością i bez trudu ujawnia swoje prawdziwe kwantowe oblicze. Aby się o niej czegokolwiek dowiedzieć musimy uderzyć ją inną cząstką, licząc, że ta odbije się od celu i wróci do detektora lub naszego oka. Odbita cząstka niesie zatem informację o swoim celu i pod tym względem pozostaje z nim skorelowana. Dalsze bombardowanie cząstkami doprowadzi do lawinowego kopiowania informacji i stworzenia złożonego systemu powiązań*. Wszystko odbywa się błyskawicznie, choć nie natychmiast.

Informacja o układzie klasycznym może istnieć niezależnie od jego stanu. W teorii kwantowej nie jest to już możliwe: w izolowanym układzie kwantowym stan i informacje o nim są ze sobą nierozerwalnie powiązane, a każdy pomiar może – i zwykle będzie – resetował ten stan. Jednak gdy informacja o stanie układu kwantowego rozchodzi się po całym środowisku, można ją traktować tak jak w fizyce klasycznej – jako informację niezależną od stanu interesującego nas otwartego układu kwantowego.

Wojciech Żurek
Fizyk Wojciech Żurek
Wojciech Żurek

To dobry moment abyśmy poznali naszego rodaka, Wojciecha Żurka. Absolwent krakowskiej AGH i jeden z najbardziej uznanych naukowców National Laboratory w Los Alamos, odegrał kapitalną rolę w badaniach nad dekoherencją oraz w ewolucji sposobu myślenia o teorii kwantowej.

Dla Żurka i jego współpracowników za zjawisko dekoherencji w praktyce odpowiada przede wszystkim środowisko, w jakim zanurzony jest obiekt. Nie ma tu redukcji stanu wywołanej obecnością obserwatora (jak w interpretacji kopenhaskiej), ani samoistnego spontanicznego kolapsu (jak w GRW). Uogólniając, wszystko zależy od ilości bodźców, na które narażony zostaje układ. Pyłek kurzu, choć sam w sobie drobny, jest nieustannie szturchany przez molekuły powietrza, fotony światła słonecznego i resztę promieniowania tła. Każda cząstka odbija się od atomów pyłku, zabierając ze sobą informacje o ich aktualnym stanie, burząc delikatny stan koherencji. Jak sugerują wyliczenia sporządzane m.in. przez Żurka, Antona Zeilingera i Maximiliana Scholosshauera, drobina kurzu w warunkach laboratoryjnej (i mocno niedoskonałej) próżni ulegnie pełnej dekoherencji w przeciągu bilionowych części sekundy. Szybko, ale ta sama drobina zawieszona w powietrzu porzuci swoją kwantową naturę jeszcze dziesięć miliardów razy szybciej.

Dekoherencja większego skrawka materii przebiega sprawniej, ponieważ ten w większym stopniu styka się i oddziałuje z otoczeniem. Nie potrzeba zatem żadnego sprzętu, ludzkiego oka, ani woli dokonania pomiaru – do zaniku kwantowości wystarczy samo działanie środowiska.

Stan koherentny
Stan koherentny jest bardzo delikatny, zwłaszcza wobec presji środowiska.

Swoistym odpryskiem idei dekoherencji środowiskowej stał się kwantowy darwinizm, przedstawiony przez Żurka w artykule Quantum Darwinism and Envariance z 2003 roku.

Uczony nadal podkreśla w nim nadrzędny wpływ otoczenia, jednak dorzuca jeszcze jeden element: skłonność stanów kwantowych (polaryzacja, spin, położenie itd.) do tworzenia potomstwa. Takim potomstwem będzie np. odbity od atomu foton, który zabiera ze sobą informację o jego stanie i przekazuje ją otoczeniu, gdzie ta będzie dalej powielana. W QD środowisko wciąż pełni rolę dekoherencyjną, ale równocześnie staje się rodzajem kanału komunikacyjnego, za pośrednictwem którego informacja o stanie atomu rozprzestrzenia się po wszechświecie i trafia choćby do obserwatora.

Haczyk polega na tym, że zdaniem Żurka nie wszystkie informacje propagowane są równie chętnie. Pewne stany kwantowe podlegają powielaniu sprawniej niż inne. Gdyby chodziło o biologię, powiedzielibyśmy, że istnieją organizmy lepiej i gorzej przystosowane do warunków danego środowiska. Stąd odważne porównanie do darwinowskiego doboru naturalnego, gdzie przetrwają tylko najlepiej przystosowani. Naszą rzeczywistość kreują tylko te stany, które z największą obfitością wyciekają do środowiska i rozlewają się po całym wszechświecie.

Oczywiście jesteśmy na początku naszej wędrówki, ale już teraz wydaje się, że podstawowe założenia dekoherencji są właściwą drogą do zrozumienia części kwantowych fenomenów. Wciąż nie jest jasnym, czy aktualne modele skutecznie rozwiązują dylemat pomiaru**, ani czy splątanie aby na pewno stanowi w tym mechanizmie tak zasadniczą rolę jak sądzimy. Nadzieję daje jednak fakt, że większość pomysłów Żurka i jego kolegów po fachu nadaje się do eksperymentalnej weryfikacji, zaś sama koncepcja pozostawia sporo miejsca na ewentualne poprawki.

Powyższy tekst stanowi część przeglądowego cyklu Kwantowe interpretacje. Pamiętaj proszę, że choć poszczególne interpretacje mogą rzucać różne światło na wyniki doświadczeń fizycznych oraz odmiennie opisywać przebieg niektórych zjawisk i procesów, to nie uchybiają w żaden sposób głównym zasadom i równaniom leżącym u podstaw współczesnej teorii kwantowej.

* Uwiódł mnie postulat Arta Hobsona, jakoby do właściwej dekoherencji i uklasycznienia dochodziło w momencie gdy cząstka wejdzie w stan splątany z materią obiektu na tyle dużego, że do głosu dochodzi druga zasada termodynamiki i entropia.
** Dosłownie, powstały publikacje wyrażające dokładnie przeciwne poglądy na ten temat.
Literatura uzupełniająca:
J. Gribbin, Sześć niemożliwych rzeczy. Kwanty ukojenia i tajemnice subatomowego świata, przeł. A. Tuz, Warszawa 2020;
A. Hobson, Kwanty dla każdego. Jak zrozumieć to, czego nikt nie rozumie, przeł. U. Seweryńska, Warszawa 2020;
W. Żurek, Quantum Darwinism and Envariance, [online: https://cds.cern.ch/record/640029/files/0308163.pdf];
W. Żurek, Decoherence, Einselection, and the Quantum Origins of the Classical, “Reviews of Modern Physics”, maj 2003;
P. Ball, Quantum Darwinism, an Idea to Explain Objective Reality, Passes First Tests, [online: www.quantamagazine.org/quantum-darwinism-an-idea-to-explain-objective-reality-passes-first-tests-20190722];
G. García-Pérez, D. Chisholm, M. Rossi, Decoherence without entanglement and quantum Darwinism, “Reviews of Modern Physics”, marzec 2020;
M. Schlosshauer, Experimental observation of decoherence, “Physics Reports”, vol. 831, październik 2019.
Najgenialniejszy samouk w dziejach – Srinivasa Ramanujan Szanuj swój statek kosmiczny Nieobiektywny przyjaciel pana Wignera