Czytaj dalej

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.
Autor
Adam Adamczyk

Adam Adamczyk

Naukowy totalitarysta. Jeśli nie chcesz aby wpadli do Ciebie naukowi bojówkarze, zostaw komentarz.