Квантовый дарвинизм
| Часть серии статей о |
| Квантовая механика |
|---|
Квантовый дарвинизм — это теория, призванная объяснить возникновение классического мира из квантового мира в результате процесса дарвиновского естественного отбора , вызванного взаимодействием окружающей среды с квантовой системой; где множество возможных квантовых состояний отбираются в пользу стабильного состояния указателя . [1] Он был предложен в 2003 году Войцехом Зуреком и группой его сотрудников, в том числе Оливье, Пуленом, Пасом и Блюм-Когоутом. [2] Развитие теории обусловлено интеграцией ряда тем исследований Зурека, проводимых на протяжении 25 лет, включая состояния указателя , энселекцию и декогеренцию .
Утверждается, что исследование, проведенное в 2010 году, предоставило предварительные подтверждающие доказательства квантового дарвинизма с шрамами от квантовой точки , «превращающимися в семейство состояний мать-дочь», что указывает на то, что они могут «стабилизироваться в множественные состояния указателя»; [3] кроме того, аналогичная сцена была предложена с рубцами, вызванными возмущениями, в неупорядоченных квантовых точках. [4] [5] [6] [7] [8] (см. шрамы ). Однако заявленные доказательства также подвергаются критике за цикличность со стороны Рут Кастнер (см. Последствия ниже). По сути, фактическое явление декогеренции, лежащее в основе утверждений квантового дарвинизма, может на самом деле не возникать в унитарной динамике. Таким образом, даже если имеет место декогеренция, это не означает, что состояния макроскопического указателя естественным образом возникают без какой-либо формы коллапса.
Подразумеваемое
[ редактировать ]Зурека Наряду с родственной теорией инвариантности (инвариантностью вследствие квантовой запутанности ), квантовый дарвинизм пытается объяснить, как классический мир возникает из квантового мира, и предлагает ответить на проблему квантового измерения , главную проблему интерпретации квантовой теории. Проблема измерения возникает потому, что вектор квантового состояния, источник всех знаний о квантовых системах, развивается в соответствии с уравнением Шредингера в линейную суперпозицию различных состояний, предсказывая парадоксальные ситуации, такие как « кот Шредингера »; ситуации, никогда не встречавшиеся в нашем классическом мире. Квантовая теория традиционно рассматривала эту проблему как решение неунитарного преобразования вектора состояния в момент измерения в определенное состояние. Он обеспечивает чрезвычайно точные средства прогнозирования значения определенного состояния, которое будет измерено в виде вероятности для каждого возможного значения измерения. Физическая природа перехода от квантовой суперпозиции состояний к определенному классическому измеряемому состоянию не объясняется традиционной теорией, но обычно принимается за аксиому и лежит в основе споров между Нильс Бор и Альберт Эйнштейн о полноте квантовой теории.
Квантовый дарвинизм пытается объяснить переход квантовых систем от огромной потенциальности наложенных состояний к значительно сокращенному набору состояний-указателей. [2] как процесс отбора, einselection , налагаемый на квантовую систему посредством ее непрерывного взаимодействия с окружающей средой. Все квантовые взаимодействия, включая измерения, но гораздо чаще взаимодействия с окружающей средой, например, с морем фотонов, в которое погружены все квантовые системы, приводят к декогеренции или проявлению квантовой системы в определенном базисе, продиктованном природой квантовой системы. взаимодействие, в котором участвует квантовая система. В случае взаимодействия с окружающей средой Зурек и его сотрудники показали, что предпочтительным базисом, в который будет декогерироваться квантовая система, является базис указателей, лежащий в основе предсказуемых классических состояний. Именно в этом смысле состояния-указатели классической реальности выбираются из квантовой реальности и существуют в макроскопической сфере в состоянии, способном подвергаться дальнейшей эволюции. Однако программа «einselection» зависит от предположения о конкретном разделении универсального квантового состояния на «систему» + «окружающую среду», при этом различные степени свободы среды предполагаются как имеющие взаимно случайные фазы. Эта фазовая случайность не возникает сама по себе из квантового состояния Вселенной, и Рут Кастнер [9] отметил, что это ограничивает объяснительную силу программы квантового дарвинизма. Зурек отвечает на критику Кастнера в «Классическом отборе и квантовом дарвинизме» . [10]
Поскольку взаимодействие квантовой системы с окружающей средой приводит к записи множества избыточных копий информации о состояниях ее указателя, эта информация доступна многочисленным наблюдателям, способным достичь консенсусного соглашения относительно их информации о квантовом состоянии. Этот аспект выбора, названный Зуреком «Окружающая среда как свидетель», приводит к появлению возможности объективного знания.
Дарвиновское значение
[ редактировать ]Возможно, не менее важным, чем свет, который эта теория проливает на квантовые объяснения, является идентификация дарвиновского процесса, действующего как селективный механизм, устанавливающий нашу классическую реальность. Как ясно показали многочисленные исследователи, любая система, использующая дарвиновский процесс, будет развиваться. Как утверждается в тезисе универсального дарвинизма , дарвиновские процессы не ограничиваются биологией, а следуют простому дарвиновскому алгоритму:
- Репродукция/Наследственность; способность делать копии и тем самым производить потомков.
- Выбор; Процесс, в котором один признак отдается предпочтение перед другим, что приводит к тому, что один признак становится более многочисленным после достаточного количества поколений.
- Вариация; различия в наследственных чертах, которые влияют на «приспособленность» или способность выживать и размножаться, что приводит к дифференцированному выживанию.
Квантовый дарвинизм, по-видимому, соответствует этому алгоритму и поэтому удачно назван:
- Из состояний указателя создаются многочисленные копии.
- Последовательные взаимодействия между состояниями указателя и их окружением показывают, что они развиваются и выживают те состояния, которые соответствуют предсказаниям классической физики в макроскопическом мире. Это происходит постоянно и предсказуемо; то есть потомки наследуют многие свои черты от государств-предков.
- Аналогии с принципом вариации «простого дарвинизма» не существует, поскольку состояния указателя не мутируют, а выбор окружающей среды осуществляется среди состояний указателя, предпочитаемых средой (например, состояний местоположения).
С этой точки зрения квантовый дарвинизм дает дарвиновское объяснение основ нашей реальности, объясняя развертывание или эволюцию нашего классического макроскопического мира.
Примечания
[ редактировать ]- ^ Журек, Войцех Хуберт (март 2009 г.). «Квантовый дарвинизм» . Физика природы . 5 (3): 181–188. arXiv : 0903.5082 . Бибкод : 2009NatPh...5..181Z . дои : 10.1038/nphys1202 . ISSN 1745-2481 . S2CID 119205282 .
- ^ Перейти обратно: а б Журек, Войцех Хуберт (2003). «Декогеренция, энселекция и квантовое происхождение классики» (PDF) . Обзоры современной физики . 75 (3): 715–775. arXiv : Quant-ph/0105127 . Бибкод : 2003РвМП...75..715Z . дои : 10.1103/RevModPhys.75.715 . S2CID 14759237 . Архивировано из оригинала (PDF) 21 февраля 2009 г. Проверено 5 августа 2008 г.
- ^ Берк, AM; Акис, Р.; День, Т.е.; Шпейер, Гил; Ферри, Дания; Беннетт, БР (2010). «Периодические поврежденные состояния в открытых квантовых точках как свидетельство квантового дарвинизма». Письма о физических отзывах . 104 (17): 176801. Бибкод : 2010PhRvL.104q6801B . doi : 10.1103/PhysRevLett.104.176801 . ПМИД 20482124 .
- Лиза Зыга (10 мая 2010 г.). «Новые доказательства квантового дарвинизма обнаружены в квантовых точках» . Физика.орг .
- ^ Кески-Рахконен, Дж.; Руханен, А.; Хеллер, Э.Дж.; Рясянен, Э. (21 ноября 2019 г.). «Квантовые шрамы Лиссажу» . Письма о физических отзывах . 123 (21): 214101. arXiv : 1911.09729 . Бибкод : 2019PhRvL.123u4101K . doi : 10.1103/PhysRevLett.123.214101 . ПМИД 31809168 . S2CID 208248295 .
- ^ Луукко, Пертту Дж. Дж.; Друри, Байрон; Клалес, Анна; Каплан, Лев; Хеллер, Эрик Дж.; Рясянен, Эса (28 ноября 2016 г.). «Сильное квантовое рубцевание местными примесями» . Научные отчеты . 6 (1): 37656. arXiv : 1511.04198 . Бибкод : 2016НатСР...637656Л . дои : 10.1038/srep37656 . ISSN 2045-2322 . ПМК 5124902 . ПМИД 27892510 .
- ^ Кески-Рахконен, Дж.; Луукко, PJJ; Каплан, Л.; Хеллер, Э.Дж.; Рясянен, Э. (20 сентября 2017 г.). «Управляемые квантовые шрамы в полупроводниковых квантовых точках» . Физический обзор B . 96 (9): 094204. arXiv : 1710.00585 . Бибкод : 2017PhRvB..96i4204K . дои : 10.1103/PhysRevB.96.094204 . S2CID 119083672 .
- ^ Кески-Рахконен, Дж; Луукко, PJJ; Оберг, С; Рясянен, Э (21 января 2019 г.). «Влияние рубцевания на квантовый хаос в неупорядоченных квантовых ямах» . Физический журнал: конденсированное вещество . 31 (10): 105301. arXiv : 1806.02598 . Бибкод : 2019JPCM...31j5301K . дои : 10.1088/1361-648x/aaf9fb . ISSN 0953-8984 . ПМИД 30566927 . S2CID 51693305 .
- ^ Кески-Рахконен, Йоонас (2020). Квантовый хаос в неупорядоченных двумерных наноструктурах . Университет Тампере. ISBN 978-952-03-1699-0 .
- ^ Кастнер, Рут Э. (2014). « Эйнселекция» наблюдаемых указателей: новая H-теорема?». Исследования по истории и философии науки. Часть B: Исследования по истории и философии современной физики . 48 : 56–58. arXiv : 1406.4126 . Бибкод : 2014ШПМП..48...56К . дои : 10.1016/j.shpsb.2014.06.004 . S2CID 20719455 .
- ^ Журек, Войцех Х. (2015). «Классический отбор и квантовый дарвинизм». Физика сегодня . 68 (5): 56–58. Бибкод : 2015PhT....68e...9Z . дои : 10.1063/PT.3.2761 .
Ссылки
[ редактировать ]- С. Гарош, Ж.-М. Раймонд, Исследование квантов: атомы, полости и фотоны , Oxford University Press (2006), ISBN 0-19-850914-6 , с. 77
- М. Шлоссхауэр, Декогеренция и квантово-классический переход , Springer 2007, ISBN 3-540-35773-4 , глава 2.9, с. 85.
- Журек, Войцех Хуберт (2009). «Квантовый дарвинизм». Физика природы . 5 (3): 181–188. arXiv : 0903.5082 . Бибкод : 2009NatPh...5..181Z . дои : 10.1038/nphys1202 . S2CID 119205282 .
- Блюм-Когоут, Робин; Журек, WH (2006). «Квантовый дарвинизм: запутанность, разветвления и возникающая классичность избыточно хранимой квантовой информации». Физический обзор А. 73 (6): 062310. arXiv : quant-ph/0505031 . Бибкод : 2006PhRvA..73f2310B . дои : 10.1103/PhysRevA.73.062310 . S2CID 11786634 .
- Журек, WH (2003). «Квантовый дарвинизм и инвариантность». arXiv : Quant-ph/0308163 .
- Блюм-Когоут, Робин; Журек, WH (2006). «Квантовый дарвинизм: запутанность, разветвления и возникающая классичность избыточно хранимой квантовой информации». Физический обзор А. 73 (6): 062310. arXiv : quant-ph/0505031 . Бибкод : 2006PhRvA..73f2310B . дои : 10.1103/PhysRevA.73.062310 . S2CID 11786634 .
- Оливье, Гарольд; Пулен, Дэвид; Журек, Войцех Х. (2005). «Окружающая среда как свидетель: избирательное распространение информации и возникновение объективности в квантовой Вселенной». Физический обзор А. 72 (4): 042113. arXiv : quant-ph/0408125 . Бибкод : 2005PhRvA..72d2113O . дои : 10.1103/PhysRevA.72.042113 . S2CID 56301210 .
- Журек, WH (2005). «Вероятности из запутанности, правило Борна из неизменности». Физический обзор А. 71 (5): 052105. arXiv : quant-ph/0405161 . Бибкод : 2005PhRvA..71e2105Z . doi : 10.1103/PhysRevA.71.052105 . S2CID 18210481 .
- Войцех Хуберт Журек (2018). «Квантовая теория классического: квантовые скачки, правило Борна и объективная классическая реальность через квантовый дарвинизм» . Философские труды Королевского общества A: Математические, физические и технические науки . 376 (2123). arXiv : 1807.02092 . Бибкод : 2018RSPTA.37680107Z . дои : 10.1098/rsta.2018.0107 . ПМЦ 5990654 . ПМИД 29807905 .
- Войцех Хуберт Журек (2007). «Относительные состояния и окружающая среда: выборка, неизменность, квантовый дарвинизм и экзистенциальная интерпретация». arXiv : 0707.2832 [ квант-ph ].