Zwycięża ten, który odciśnie ślad
O ile umiemy precyzyjnie mierzyć oraz opisywać zjawiska i obiekty fizyczne w skali makro, to nasze postrzeganie świata kompletnie zawodzi w skali subatomowej. Atomy i cząstki elementarne wymykają się kryteriom takim jak miejsce i czas. Mogą przebywać w kilku stanach i miejscach jednocześnie, a dzięki zjawisku splątania kwantowego są w stanie błyskawicznie reagować na to, co dzieje się z innym, partnerskim obiektem/obiektami. Funkcjonują w świecie, w którym dominuje prawdopodobieństwo zamiast pewności.
Koncepcja darwinizmu kwantowego, sformułowana w 2003 r. przez fizyka Wojciecha Żurka, odnosi się do momentu przechodzenia z układu kwantowego do układu klasycznego. Trzy niezależne grupy badawcze, pracujące we Włoszech, w Chinach i w Niemczech, uzyskały w laboratoriach wyniki umacniające teorię polskiego naukowca.
Wojciech Żurek, absolwent AGH w Krakowie, od 1984 r. pracuje w Laboratorium Los Alamos. Jest też profesorem Instytutu w Santa Fe. Zajmuje się m.in. zagadnieniami mechaniki kwantowej: stanów wskaźnikowych, nadwyboru wywołanego przez otoczenie, dekoherencji, oddziaływaniem obiektu kwantowego z otoczeniem. W teorii darwinizmu kwantowego odwołał się do fundamentalnego dla ewolucji mechanizmu selekcji naturalnej, by wyjaśnić zjawisko dekoherencji. To nie obserwacja zmusza system kwantowy do określonego stanu. Prof. Żurek przekonuje, że to interakcje systemu z otoczeniem powodują dekoherencję. A ponieważ obiekty makro są zawsze poddane działaniu czynników środowiskowych, dlatego nie widzimy ich w stanie kwantowym.
Układy kwantowe mają jednak "stany wskaźnikowe", które mogą być rejestrowane za pomocą urządzeń pomiarowych (np. prędkość cząstki, wartość jej obrotu kwantowego lub kierunek polaryzacji). To istnienie stanów wskazań obiektów kwantowych pozwala nam, jak tłumaczy naukowiec, na ustalenie dobrze zdefiniowanych, stabilnych, obiektywnych właściwości używanych w fizyce klasycznej. Gdy cząstka wchodzi w interakcję z otoczeniem, rozpadają się wszystkie superpozycje tych cech, alternatywne lokalizacje lub prędkości. Pozostaje jedynie stan wskaźnika, który możemy obserwować, ponieważ urządzenie "odciska" swoje repliki na środowisku.
Według Żurka, tylko ten stan, który jest najlepiej dopasowany do danego środowiska, przetrwa proces dekoherencji. Sam proces zanikania kwantowości zachodzi błyskawicznie - nawet umieszczone w próżni fotony świetlne wyzwalają utratę części informacji. Trudno więc prowadzić obserwacje układów wielu cząstek, choćby drobin kurzu, bez zniszczenia ich superpozycji. Co więcej, jak twierdzi prof. Żurek (2), zależy to nie tylko od tego, co zostanie utrwalone jako stan wskaźnika, ale także od tego, jak duży jest ślad tego układu i cząstek w środowisku. Bowiem tylko stany o największej zdolności do tworzenia replik w środowisku - te najliczniejsze - są jedynymi dostępnymi do pomiarów.
Zespół pod kierownictwem Polaka obliczył np., że ziarno kurzu o średnicy 1 mikrometra, po oświetleniu przez Słońce w ciągu zaledwie 1 mikrosekundy, będzie miało swoją lokalizację odciśniętą ok. 100 mln razy w rozproszonych fotonach. To właśnie z powodu tej obfitości dostępnych replik dziesięciu obserwatorów może zmierzyć położenie drobiny kurzu i na tej podstawie przypisać jej obiektywną "pozycję".
- Główną ideą kwantowego darwinizmu jest to, że prawie nigdy nie dokonujemy bezpośrednich pomiarów - powiedział Żurek w 2008 r.
Eksperymenty potwierdzają
Kwantowy darwinizm wygląda przekonująco i nawet całkiem atrakcyjnie na papierze. Od niedawna, dzięki eksperymentom trzech różnych zespołów naukowych, teoria zaczyna weryfikować się w badaniach laboratoryjnych. Wspomniane już ekipy pracujące niezależnie we Włoszech, w Chinach i w Niemczech szukały śladów naturalnego procesu selekcji, za pomocą którego informacje o systemie kwantowym są wielokrotnie umieszczane w różnych kontrolowanych środowiskach.
W dwóch eksperymentach - jeden przeprowadził zespół Uniwersytetu Sapienza w Rzymie, a autorami kolejnego byli ekspert w dziedzinie informacji kwantowej Jian-Wei Pan, a także Chaoyang Lu oraz zespół Uniwersytetu Nauk i Technologii w Hefei w Chinach - wykorzystano pojedynczy foton jako system kwantowy, zaś garść innych fotonów posłużyła jako współpracujące "środowisko", które przekazuje informacje.
Oba zespoły przepuściły fotony laserowe przez urządzenia optyczne, by łączyć je w wielopłaszczyznowe grupy. Następnie zbadano fotony z otoczenia, aby sprawdzić, jakie informacje zakodowały na temat stanu wskaźnikowego systemu (m.in. polaryzacji). Zgodnie z teorią prof. Żurka, nawet niewielka próbka oddziałującego środowiska jest wystarczająca, aby zapewnić maksymalną klasyczną informację o obserwowanym systemie. Doświadczenia potwierdziły teorię. Pomiary jednego z fotonów środowiska ujawniły wiele dostępnych informacji na temat polaryzacji całego systemu. Oznacza to, że pojedynczy foton może działać jako czynnik, który wprowadza dekoherencję i selekcję, jeśli oddziałuje wystarczająco silnie z samotnym systemem fotonowym. Gdy interakcje są słabsze, należy monitorować większe środowisko.
Trzeci eksperymentalny test został przeprowadzony przez fizyka kwantowo-optycznego Fedora Jelezko na Uniwersytecie Ulm w Niemczech, we współpracy z prof. Żurkiem. Tym razem wykorzystano odmienny system i środowisko. Kontrolowano pojedynczy atom azotu w sieci krystalicznej diamentu. Ponieważ atom azotu ma o jeden elektron więcej niż atomy węgla, a swobodny elektron nie może związać się z atomem węgla, więc w rezultacie elektron atomu azotu działa jak samotny spin, niczym strzałka skierowana w górę lub w dół, albo w superpozycji obu możliwych kierunków.
Za pomocą laserów i impulsów o częstotliwości radiowej naukowcy mogą badać, jak zmiana w spinie azotu jest rejestrowana przez zmiany w wirach jąder środowiska atomowego. Eksperyment wykazał, że stan spinu azotu jest "rejestrowany" jako wiele kopii w otoczeniu.
Jak podkreślają sami naukowcy, mimo że badania potwierdzają teorię darwinizmu kwantowego i są poprawne metodologicznie, to nie wykluczają innych koncepcji. Choćby prawdziwości konkluzji wynikających z prac Pawła Horodeckiego z Politechniki Gdańskiej, dotyczących ujawnienia uniwersalnego "śladu" formowania własności obiektywnych w kwantowych układach złożonych.
W ocenie Adána Cabello, fizyka teoretycznego z Uniwersytetu w Sewilli, darwinizm kwantowy podważa dość powszechny mit o mechanice kwantowej, głoszący że przejście między światem kwantowym a klasycznym nie jest zrozumiałe i że wyniki pomiarów nie mogą być opisane przez teorię kwantową. Przeciwnie, teoria kwantowa jest w stanie w doskonały sposób opisywać pojawienie się świata fizyki klasycznej.
Jednak komentujący eksperymenty fizycy są wstrzemięźliwi. Wyniki doświadczeń traktują jako obiecujący sygnał, choć na pewno nie ostateczne potwierdzenie teorii. Badania i eksperymenty trzeba powtórzyć na większych, bardziej zróżnicowanych i skomplikowanych układach, co nie jest proste.
Mirosław Usidus
