Численное моделирование показывает, как классический мир может возникнуть из мульти-вселенных квантовой механики

Студентам, изучающим квантовую механику, рассказывают об уравнении Шредингера и о том, как решить его, чтобы получить волновую функцию. Но при этом пропускается важнейший шаг, потому что он озадачивал ученых с самых первых дней — как реальный, классический мир возникает из, зачастую, большого числа решений волновых функций?

Каждая из этих волновых функций имеет свою индивидуальную форму и связанный с ней уровень энергии, но как волновая функция «коллапсирует» в то, что мы видим как классический мир — атомы, молекулы, и все остальное вплоть до звезд и галактик

На высоком уровне это регулируется «правилом Борна» — постулатом о том, что плотность вероятности обнаружения объекта в определенном месте пропорциональна квадрату волновой функции в этом месте.

Эрвин Шредингер придумал своего знаменитого кота как способ усилить последствия коллапса волновой функции — простое событие, такое как квантовое событие радиоактивного распада атомного ядра, каким-то образом приводит к тому, что макроскопический кот в коробке либо жив, либо мертв.

Традиционная квантовая механика утверждает, что в любой момент времени кот становится либо живым, либо мертвым, когда ящик открывается и состояние кота «измеряется». До этого кот, в некотором смысле, и жив, и мертв — он существует в квантовой суперпозиции каждого состояния. Только когда ящик открывается и рассматривается его внутренняя часть, волновая функция кота коллапсирует в определенное состояние — тогда кот становится живым либо мертвым.

Мы наглядно демонстрируем, что классические миры могут возникать из квантовой системы, которая в целом находится в термодинамическом равновесии Филипп Страсберг

В последние годы физики стали глубже изучать этот процесс, чтобы понять, что происходит. Модификация уравнения Шредингера принесла лишь ограниченный успех. Другие идеи, отличные от описанной выше копенгагенской интерпретации, такие как теория пилотных волн Де Бройля-Бома и многомировая интерпретация квантовой механики, привлекают все больше внимания.

Теперь группа ученых из Испании использовала численное моделирование, чтобы показать, что в больших масштабах черты классического мира могут возникать из широкого класса квантовых систем. Их работа опубликована в журнале Physical Review X.

«Квантовая физика противоречит нашему классическому опыту в том, что касается поведения отдельных электронов, атомов или фотонов», — говорит автор работы Филипп Страсберг из Автономного университета Барселоны.

«Однако, если уменьшить масштаб и рассмотреть грубые величины, которые мы, люди, можем воспринимать (например, температуру нашего утреннего кофе или положение камня), наши результаты показывают, что эффекты квантовой интерференции, которые отвечают за странное квантовое поведение, исчезают».

Открытие предполагает, что классический мир, который мы видим, может возникнуть из многомировой картины квантовой механики, где множество вселенных существуют в одной и той же точке пространства-времени и где потенциально огромное количество миров ответвляется от нашего каждый раз, когда проводится измерение.

В качестве грубой аналогии представьте себе пакет, наполненный водой. Проделайте в пакете отверстия, и вода, которая внутри пакета представляет собой большую коллекцию часто сталкивающихся молекул, движущихся в случайных направлениях, выльется в основном ровным потоком. Это похоже на то, как сложный беспорядок квантовой системы, тем не менее, представляется в классическом мире как нечто, что мы узнаем и чувствуем знакомым.

Но с портретом многих миров оставалась техническая проблема: как примирить множество вселенных с классическим опытом, который мы имеем в рамках нашей единственной вселенной? В конце концов, мы никогда не видим кошек в суперпозиции живых и мертвых. Априори, как мы можем говорить о других вселенных, мирах или ветвях в каком-либо значимом смысле?

В своей статье Филипп Страсберг и соавторы пишут: «Разговор о разных мирах или историях становится осмысленным, если мы можем рассуждать об их прошлом, настоящем и будущем в классических терминах».

Ученые попытались решить эту проблему по-новому. В то время как предыдущая работа ввела идею квантовой декогеренции — когда объекты, которые мы видим, возникают из множества суперпозиций квантовой системы, когда она взаимодействует со своей средой. Но этот подход имеет проблему тонкой настройки — он работает только для определенных типов взаимодействий и типов начальных волновых функций.

Напротив, группа ученых показала, что стабильный, самосогласованный набор признаков возникает из диапазона многих возможных эволюций волновой функции (со многими уровнями энергии) в наблюдаемых, немикроскопических масштабах. Это решение не имеет проблемы тонкой настройки, работает для широкого выбора начальных условий и деталей взаимодействий между уровнями энергии.

«В частности, мы представляем четкие доказательства того, что это исчезновение [эффектов квантовой интерференции] происходит чрезвычайно быстро — точнее, экспоненциально быстро — с ростом размера системы. То есть даже несколько атомов или фотонов могут вести себя классически. Более того, это повсеместное и общее явление, которое не требует какой-либо тонкой настройки: возникновение классического мира неизбежно».

Исследователи численно смоделировали квантовую эволюцию для пяти временных шагов и до 50 000 уровней энергии для нетривиальных квантовых систем. Хотя эта эволюция все еще мала по сравнению с тем, что потребуется для моделирования повседневных классических явлений, она намного больше, чем любая предыдущая работа.

Они рассмотрели широкий диапазон вариантов начальной волновой функции и сил связи и обнаружили, что существует примерно одна и та же крупномасштабная структура устойчивых ветвей — возникновение устойчивой и медленно развивающейся макроскопической структуры.

«Примечательно, что мы также наглядно демонстрируем, что классические миры могут возникать из квантовой системы, которая в целом находится в термодинамическом равновесии. Даже если это очень маловероятно в нашей Вселенной, это, тем не менее, демонстрирует, что порядок, структура и стрела времени могут возникнуть на отдельных ветвях квантовой Мультивселенной, которая в целом выглядит хаотичной, неструктурированной и симметричной во времени».

Связывая свою работу со статистической механикой, где макроскопические характеристики, такие как температура и давление, возникают из смеси случайно движущихся частиц, группа ученых обнаружила, что некоторые ветви ведут к мирам, где энтропия увеличивается, а другие — к мирам, где энтропия уменьшается. Такие миры будут иметь противоположные энтропийные стрелы времени.

Статья была опубликована в журнале Physical Review X (Philipp Strasberg et al, First Principles Numerical Demonstration of Emergent Decoherent Histories, Physical Review X (2024). DOI: 10.1103/PhysRevX.14.041027).