Darwinisme Kuantum: Sebuah Ide yang Menjelaskan Realitas Objektif Lulus Tes Pertama

Tiga percobaan telah mengkonfirmasi Darwinisme kuantum - sebuah teori yang menjelaskan bagaimana probabilitas kuantum dapat menghasilkan realitas klasik yang objektif

Tidak mengherankan bahwa fisika kuantum memiliki reputasi untuk ilmu yang aneh dan berlawanan dengan intuisi. Dunia tempat kita hidup tampaknya bukan mekanika kuantum. Dan sampai abad ke-20, semua orang berasumsi bahwa hukum fisika klasik, disimpulkan oleh Isaac Newton dan ilmuwan lain - yang menurutnya objek selalu memiliki posisi dan sifat yang tepat - bekerja pada semua skala. Tetapi Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr, dan orang-orang sezamannya menemukan bahwa di bagian paling bawah, di antara atom-atom dan partikel-partikel subatomik, kekhususan ini menghilang, berubah menjadi kekacauan dari berbagai kemungkinan. Misalnya, seseorang biasanya tidak dapat mengaitkan lokasi tertentu dengan ini - kami hanya dapat menghitung probabilitas menemukannya di tempat tertentu. Sebuah pertanyaan yang tidak menyenangkan muncul: bagaimana probabilitas kuantum bergabung menjadi gambaran yang jelas tentang dunia klasik?

Fisikawan kadang-kadang menyebut transformasi ini "transisi kuantum-klasik." Tetapi pada kenyataannya, tidak ada alasan untuk percaya bahwa yang besar dan yang kecil memiliki aturan yang berbeda secara mendasar, atau bahwa ada lompatan yang tajam di antara mereka. Dalam beberapa dekade terakhir, para peneliti telah sangat memahami bagaimana mekanika kuantum menjadi klasik melalui interaksi partikel atau sistem mikroskopis lainnya dengan lingkungannya.

Salah satu ide yang paling penting dalam platform teoretis ini adalah bahwa sifat-sifat tertentu dari objek yang kita kaitkan dengan fisika klasik - misalnya, lokasi dan kecepatan - dipilih dari menu kemungkinan kuantum dalam proses yang sedikit mirip dengan seleksi alam dalam evolusi: sifat yang bertahan hidup ternyata, dalam arti tertentu, yang paling "cocok". Seperti dalam seleksi alam, mereka yang membuat lebih banyak salinan diri mereka bertahan hidup. Ini berarti bahwa beberapa pengamat independen dapat mengukur sistem kuantum dan menyetujui hasil - yang merupakan kriteria perilaku klasik.


Chaoyang Lu dan Jian-Wei Pan dari Universitas Sains dan Teknologi Hefei, Cina

Gagasan ini, yang disebut "kuantum Darwinisme" (CD), menjelaskan dengan baik mengapa kita memandang dunia di sekitar kita dengan cara ini, dan bukan dengan cara aneh yang memanifestasikan dirinya dalam skala atom dan partikel fundamental. Dan sementara detail dari teka-teki itu masih belum jelas, CD membantu menutup kesenjangan yang tampak antara fisikawan kuantum dan klasik.

Dan hanya baru-baru ini CD dapat memverifikasi secara eksperimental. Tiga kelompok penelitian independen dari Italia, Cina dan Jerman sedang mencari fitur karakteristik seleksi alam - beberapa "pencetakan" sistem kuantum di berbagai lingkungan yang terkendali. Sejauh ini, tes-tes ini dilakukan pada tingkat yang belum sempurna, dan para ahli mengatakan bahwa masih banyak yang harus dilakukan sebelum kita dapat dengan yakin mengatakan bahwa CD memberi kita gambaran nyata tentang bagaimana realitas konkret kita muncul dari banyak pilihan yang ditawarkan oleh mekanika kuantum. Tetapi untuk saat ini, teorinya sedang dikonfirmasi.

Kelangsungan hidup yang terkuat

Di jantung CD terletak ide ambigu pengukuran, yaitu mengamati. Dalam fisika klasik, kita hanya melihat semuanya apa adanya. Kami melihat bola tenis melakukan 200 km per jam karena memiliki kecepatan seperti itu. Apa lagi yang bisa dibicarakan?

Dalam fisika kuantum, tidak demikian halnya. Sama sekali tidak jelas bahwa prosedur matematika formal berbicara tentang "keadaan" tentang objek kuantum. Mereka mewakili deskripsi tertentu, yang menunjukkan apa yang mungkin kita temui setelah pengukuran. Ambil, misalnya, fakta bahwa partikel kuantum dapat memiliki beberapa kemungkinan keadaan sekaligus - keadaan ini disebut "superposisi". Ini tidak berarti bahwa partikel berada di beberapa keadaan sekaligus - itu berarti bahwa ketika kita melakukan pengukuran, kita akan melihat salah satu dari hasil ini. Dan sebelum pengukuran, keadaan yang berbeda saling mengganggu dalam cara gelombang, memberikan hasil dengan probabilitas yang lebih besar atau lebih kecil.

Tetapi mengapa kita tidak melihat superposisi kuantum? Mengapa tidak semua probabilitas dari keadaan yang berbeda dari suatu partikel bertahan, meningkat ke skala manusia?

Sering dikatakan bahwa superposisi adalah hal yang rapuh, mudah untuk mematahkannya ketika sistem kuantum bertabrakan dengan lingkungan yang bising. Tetapi ini tidak sepenuhnya benar. Dua objek kuantum, yang berinteraksi, "terjerat" satu sama lain, memasuki keadaan kuantum umum di mana probabilitas sifat-sifatnya mulai bergantung satu sama lain. Misalkan kita meletakkan sebuah atom dalam superposisi dari dua keadaan yang mungkin dari sifat kuantumnya yang disebut "spin": keadaan "naik" dan "turun". Kami melepaskan atom ke udara, di mana ia bertabrakan dengan molekul udara dan terjerat dengan itu. Sekarang mereka berada di superposisi bersama. Jika spin atom diarahkan ke atas, maka molekul udara dapat didorong ke satu arah, dan jika turun, maka di sisi lain, kedua kemungkinan ini ada bersama-sama. Dengan peningkatan jumlah tabrakan dengan molekul udara lain, belitan menyebar, dan superposisi, yang dulu hanya diterapkan pada atom ini, menjadi semakin tersebar. Keadaan sebuah atom tidak lagi mengganggu secara koheren satu sama lain, karena sekarang mereka terjerat dengan keadaan lingkungan lainnya - termasuk, mungkin, beberapa alat pengukur yang besar. Untuk instrumen ini, semuanya tampak seolah-olah superposisi atom telah menghilang, dan telah digantikan oleh menu kemungkinan kondisi klasik yang tidak lagi saling mengganggu.

Proses ini, di mana "kuantum" menghilang di lingkungan, disebut dekoherensi. Ini adalah bagian penting dari transisi kuantum-klasik, menjelaskan mengapa perilaku kuantum sulit dilihat dalam sistem besar dengan banyak partikel yang berinteraksi. Proses ini sangat cepat. Jika partikel debu konvensional di udara diberi superposisi kuantum dari dua lokasi fisik yang berbeda yang terletak pada jarak lebar partikel debu ini dari satu sama lain, maka tabrakan dengan molekul udara akan menghasilkan dekoherensi - tidak terdeteksinya superposisi - sekitar 10 ^-31 detik. Bahkan dalam ruang hampa, foton cahaya akan dengan cepat menyebabkan dekoherensi: Anda tidak dapat melihat setitik debu tanpa merusak superposisi-nya.

Anehnya, meskipun dekoherensi adalah konsekuensi langsung dari mekanika kuantum, fisikawan Jerman Heinz-Dieter Zee menemukannya hanya pada 1970-an. Seorang fisikawan Amerika keturunan Polandia Wojciech Zurek menyusun ide ini pada awal 1980-an dan menambahkan ketenaran padanya, dan sekarang eksperimen juga mendukungnya.


Wojciech Zurek, fisikawan teoritis di Los Alamos National Laboratory

Namun, untuk menjelaskan penampilan objektif, realitas klasik, tidak cukup hanya dengan mengatakan bahwa dekoherensi menghilangkan semua perilaku kuantum dan oleh karena itu bagi pengamat semuanya terlihat klasik. Beberapa pengamat mungkin sepakat tentang sifat-sifat sistem kuantum. Zurek, yang bekerja di Laboratorium Nasional Los Alamos di New Mexico, percaya bahwa dua syarat itu benar.

Pertama, sistem kuantum harus memiliki keadaan yang sangat tahan terhadap dekoherensi destruktif yang diberikan oleh lingkungan. Zurek menyebut mereka "negara indikatif", karena mereka dapat dikodekan melalui kemungkinan status penunjuk pada pemutar alat ukur. Lokasi spesifik partikel, kecepatannya, nilai putaran kuantum, arah polarisasi - semua ini dapat ditulis sebagai posisi penunjuk pada alat ukur. Zurek berpendapat bahwa perilaku klasik - keberadaan sifat-sifat objektif yang terdefinisi dengan baik, stabil, dan mungkin - hanya mungkin karena keberadaan keadaan indikatif objek kuantum.

Dari sudut pandang matematis, kekhasan keadaan indikatif adalah bahwa mereka tidak terganggu oleh interaksi dengan lingkungan yang menyebabkan dekoherensi: keadaan indikatif dipertahankan atau menjadi hampir identik. Ini berarti bahwa lingkungan tidak menghancurkan tanpa pandang bulu, tetapi memilih negara tertentu, menghancurkan yang lain. Sebagai contoh, lokasi partikel tahan terhadap dekoherensi. Tetapi pada saat yang sama, superposisi dari berbagai lokasi bukanlah status indikatif: interaksi dengan lingkungan menguraikannya menjadi status indikatif lokal, sehingga menjadi mungkin untuk mengamati hanya satu dari mereka. Zurek menggambarkan ini "super-seleksi yang dihasilkan lingkungan" dari negara indikatif pada 1980-an.

Tetapi ada kondisi kedua yang harus dipatuhi oleh properti kuantum agar dapat diamati. Meskipun kekebalan terhadap interaksi dengan lingkungan menjamin stabilitas negara indikatif, kami masih mendapatkan cukup banyak informasi tentang itu. Dan ini hanya mungkin jika dicetak pada lingkungan objek. Misalnya, ketika Anda melihat suatu objek, informasi ini masuk ke retina Anda berkat foton yang tersebar di sana. Mereka mentransfer informasi ini kepada Anda dalam bentuk salinan sebagian aspek tertentu dari objek, mengatakan sesuatu tentang lokasi, bentuk, dan warnanya. Agar banyak pengamat setuju dengan nilai yang terukur, banyak salinan seperti itu diperlukan - dan ini adalah kriteria dari gambaran klasik dunia. Dengan demikian, seperti yang diklaim Zurek pada tahun 2000-an, kemampuan kita untuk mengamati properti tertentu tidak hanya bergantung pada apakah properti itu dipilih sebagai negara indikatif, tetapi juga pada seberapa kuat jejaknya pada lingkungan. Hanya kondisi-kondisi itu yang paling baik mengatasi penciptaan salinan - bisa dikatakan, yang paling disesuaikan dari mereka - yang bisa kita amati. Karena itu, Zurik menyebut ide ini sebagai kuantum Darwinisme.

Ternyata properti stabilitas yang sama yang mempromosikan tampilan super-seleksi negara indikatif di bawah pengaruh lingkungan juga berkontribusi terhadap kemampuan beradaptasi sesuai dengan prinsip CD, yaitu, kemampuan untuk membuat salinan Anda sendiri. "Sekeliling melalui pengamatan mengarah pada dekoherensi sistem," kata Zurek, "dan proses yang sama yang bertanggung jawab atas dekoherensi harus meninggalkan banyak salinan informasi di lingkungan."

Kelebihan informasi

Tentu saja, tidak masalah jika informasi tentang sistem kuantum yang tercetak di lingkungannya dibaca oleh pengamat - seseorang; semua yang diperlukan untuk penampilan perilaku klasik, agar informasi muncul di sana, sehingga dapat dipertimbangkan secara prinsip. "Tidak perlu bahwa sistem dipelajari dalam pengertian formal", sehingga itu berubah menjadi klasik, kata Jess Riedel , seorang ahli fisika dari Institute of Theoretical Physics Perimeter di Waterloo, seorang pendukung CD. "Diasumsikan bahwa CD menjelaskan atau membantu menjelaskan semua fisika klasik, termasuk benda makroskopik sehari-hari yang ada di luar laboratorium atau ada jauh sebelum penampilan manusia."

Sepuluh tahun yang lalu, ketika Riedel adalah seorang mahasiswa pascasarjana dari Zurek, mereka secara teoritis menunjukkan bahwa informasi dari sistem kuantum yang sederhana dan ideal "meninggalkan sejumlah besar salinan di lingkungan," kata Riedel, "sehingga cukup untuk mengakses sebagian kecil dari lingkungan untuk mengetahui arti dari variabel" . Mereka menghitung bahwa setitik debu dengan diameter 1 μm, diterangi oleh matahari selama 1 μs, mencetak informasi tentang lokasinya per 100 juta foton yang tersebar.

Karena redundansi inilah maka ada sifat klasik objektif. Sepuluh pengamat dapat mengukur lokasi setitik debu dan menemukannya di tempat yang sama, karena setiap orang memiliki salinan informasi yang terpisah. Dalam pengertian ini, kita dapat menetapkan setitik debu pada "lokasi" yang objektif, bukan karena "memilikinya" (apa pun artinya), tetapi karena keadaan lokasinya dapat mencetak banyak salinannya di lingkungan, sehingga berbeda pengamat akan mencapai konsensus.

Selain itu, Anda tidak perlu melacak sebagian besar lingkungan untuk mengumpulkan hampir semua informasi yang mungkin - dan Anda tidak akan mendapatkan manfaat apa pun jika Anda melacak lebih dari persentase kecil dari lingkungan. "Informasi yang dapat Anda kumpulkan tentang sistem cepat jenuh," kata Riedel.

Redundansi ini adalah ciri khas dari CD, jelas Mauro Paternostro , seorang fisikawan di Queen's University di Belfast, yang berpartisipasi dalam salah satu dari tiga percobaan baru. "Properti ini mencirikan transisi ke gambar klasik," katanya.

CD menentang mitos luas mekanika kuantum, seperti yang dikatakan fisikawan teoritis Adan Cabello dari University of Seville di Spanyol, yaitu: bahwa transisi antara dunia kuantum dan dunia klasik tidak jelas, dan bahwa teori kuantum tidak dapat menggambarkan hasil pengukuran. Sebaliknya, katanya, "teori kuantum dengan sempurna menggambarkan penampilan dunia klasik."

Pertanyaan tentang seberapa sempurna sempurna tetap terbuka. Beberapa peneliti berpikir bahwa dekoherensi dan CD memberikan deskripsi lengkap tentang transisi kuantum-klasik. Tetapi, meskipun ide-ide ini mencoba menjelaskan mengapa, dalam skala besar, superposisi menghilang dan hanya sifat konkret, "klasik" tetap ada, pertanyaan yang tersisa adalah mengapa pengukuran memberikan hasil yang unik. Ketika lokasi tertentu dari partikel dipilih, apa yang terjadi pada kemungkinan lain yang muncul dari deskripsi kuantumnya? Apakah mereka nyata? Para peneliti dipaksa untuk benar-benar berpegang pada interpretasi filosofis mekanika kuantum, karena tidak ada yang bisa mencari cara untuk mendapatkan jawaban atas pertanyaan ini dalam percobaan.

Ke lab

Di atas kertas, CD terlihat cukup meyakinkan. Dan sampai saat ini, hanya itu yang bisa ia banggakan. Tetapi selama satu tahun terakhir, tiga tim peneliti secara independen mengajukan teori pada tes eksperimental, mempelajari fitur utamanya: cara sistem kuantum mencetak salinan mereka di lingkungan mereka.

Eksperimen tergantung pada kemampuan untuk melacak secara terperinci informasi apa tentang sistem kuantum yang tercetak di lingkungannya. Ini tidak dapat dilakukan dalam kasus ini, misalnya, ketika setitik debu terbang bersama dengan miliaran molekul udara yang tak terhitung jumlahnya. Jadi kedua tim menciptakan objek kuantum dalam semacam "lingkungan buatan", yang hanya mengandung beberapa partikel. Kedua percobaan - salah satunya dilakukan oleh Paternostro dengan rekan-rekannya di Universitas Sapienza di Roma, dan yang lainnya oleh pakar informasi kuantum Jian-Wei Pan dan rekan penulisnya dari Universitas Sains dan Teknologi Cina - menggunakan satu foton sebagai sistem kuantum, dan beberapa foton lagi dimainkan peran lingkungan, berinteraksi dengannya dan mengirimkan informasi tentangnya.

Kedua tim melewati foton melalui perangkat optik yang menggabungkannya menjadi beberapa kelompok rumit. Kemudian mereka mempelajari foton dari lingkungan untuk mencari tahu informasi apa tentang status indikatif dari foton sistem yang mereka kodekan - dalam hal ini adalah polarisasi (orientasi medan elektromagnetik berosilasi), salah satu properti kuantum yang dapat melewati filter pemilihan CD.

Prediksi utama CD adalah efek saturasi. Hampir semua informasi yang dapat Anda kumpulkan tentang sistem kuantum akan tersedia bagi Anda jika Anda melacak sejumlah kecil partikel di lingkungan. "Setiap fraksi kecil dari lingkungan yang berinteraksi akan cukup untuk memberikan jumlah maksimum informasi klasik mengenai sistem yang diamati," kata Pan.

Dua tim menemukan hal itu. Pengukuran hanya satu foton dari lingkungan mengungkapkan banyak informasi yang tersedia tentang polarisasi foton sistemik, dan mengukur fraksi yang lebih besar dari foton sekitarnya memberikan informasi baru yang semakin sedikit. Bahkan satu foton dapat berfungsi sebagai lingkungan yang menyebabkan dekoherensi dan seleksi, Pan menjelaskan, jika ia berinteraksi cukup aktif dengan satu foton sistemik. Dengan interaksi yang lebih lemah, Anda harus melacak sebagian besar lingkungan.


Fedor Zhelezko, Direktur Institute of Quantum Optics, Universitas Ulm di Jerman


Berlian sintetis

Verifikasi eksperimental ketiga CD di bawah bimbingan fisikawan yang berspesialisasi dalam optik kuantum, Fyodor Zhelezko dari Institute of Quantum Optics University of Ulm di Jerman, di mana Zurek dan yang lainnya berpartisipasi, menggunakan sistem dan lingkungan yang sama sekali berbeda. Mereka terdiri dari atom nitrogen tunggal berdiri di tempat atom karbon di kisi kristal berlian - yang disebut lowongan yang tersubstitusi nitrogen dalam intan, atau pusat NV. Karena ada satu lebih banyak elektron dalam atom nitrogen daripada atom karbon, kelebihan elektron tidak dapat menemukan pasangan untuk dirinya sendiri di atom karbon tetangga dan membentuk ikatan kimia. Akibatnya, elektron yang tidak berpasangan memainkan peran sebagai "putaran" tunggal, yang merupakan sesuatu seperti panah yang menunjuk ke atas atau ke bawah, atau, dalam kasus umum, dalam superposisi kedua arah.

Spin dapat berinteraksi secara magnetis dengan inti karbon yang ada dalam atom sebagai isotop karbon-13, dan membentuk sekitar 0,3% dari total jumlah atom karbon.Isotop ini, tidak seperti karbon-12 yang lebih umum, juga memiliki putaran. Rata-rata, setiap putaran pusat NV sangat terkait dengan empat putaran karbon-13 pada jarak 1 nm.

Dengan mengendalikan dan melacak putaran dengan laser dan pulsa radio, para peneliti dapat mengukur bagaimana perubahan dalam putaran nitrogen merespons perubahan dalam putaran nuklir lingkungan. Seperti yang mereka tulis dalam pracetak September lalu, mereka juga melihat redundansi karakteristik yang diprediksi oleh CD: keadaan putaran nitrogen "direkam" dalam bentuk banyak salinan di lingkungan, dan informasi mengenai putaran cepat jenuh dengan peningkatan volume lingkungan yang dipertimbangkan.

Zurek mengatakan bahwa karena percobaan dengan foton membuat salinan secara artifisial, dalam bentuk simulasi lingkungan nyata, mereka tidak memasukkan proses seleksi yang memilih status indikatif “alami” yang tahan terhadap dekoherensi. Peneliti sendiri meresepkan negara indikatif. Dalam hal ini, lingkungan intan sebenarnya menyebabkan status indikatif. "Skema berlian memiliki masalah karena ukuran lingkungan," tambah Zurek, "tapi setidaknya alami."

Generalisasi kuantum Darwinisme

Sejauh ini, CD masih bertahan. "Semua studi ini telah menemukan apa yang diharapkan, setidaknya sekitar," kata Zurek.

Riedel mengatakan bahwa orang hampir tidak dapat mengharapkan yang sebaliknya: dalam pendapatnya, CD hanyalah aplikasi yang menyeluruh dan sistematis dari mekanika kuantum standar untuk interaksi sistem kuantum dengan lingkungannya. Dan meskipun hampir mustahil untuk membuat sebagian besar pengukuran kuantum, jika pengukurannya cukup disederhanakan, prediksi akan menjadi jelas, katanya: "CD seperti verifikasi internal teori kuantum untuk konsistensi."

Tetapi meskipun studi ini, pada pandangan pertama, konsisten dengan CD, mereka tidak dapat dianggap sebagai bukti bahwa teori ini adalah satu-satunya deskripsi yang benar dari proses penciptaan dunia klasik, atau bahkan bahwa itu sepenuhnya benar. Untuk mulai dengan, kata Cabello, tiga percobaan hanya memberikan versi skematis dari apa lingkungan sebenarnya terdiri. Selain itu, eksperimen tidak mengecualikan cara lain penampilan gambar klasik dunia. Teori penyiaran spektrum yang dikembangkan oleh Pavel Gorodetsky dan rekan-rekannya dari Universitas Teknologi Gdansk di Polandia, misalnya, mencoba menggeneralisasi CD. Teori propagasi spektrum (yang sejauh ini telah dikerjakan untuk beberapa kasus ideal) menyangkut keadaan sistem kuantum terjerat dan lingkungannya, yang memberikan informasi obyektif,yang dapat diperoleh banyak pengamat tanpa mengganggu kondisi sistem. Dengan kata lain, dia berusaha untuk menjamin tidak hanya bahwa pengamat yang berbeda dapat mengakses salinan sistem di lingkungan, tetapi juga bahwa selama proses akses mereka tidak mempengaruhi salinan lain. Ini juga merupakan properti dimensi yang benar-benar "klasik".

Gorodetsky dan ahli teori lainnya juga mencoba memasukkan CD ke dalam platform teoretis yang tidak memerlukan pembagian dunia yang sewenang-wenang ke dalam suatu sistem dan lingkungannya, tetapi hanya mempertimbangkan bagaimana realitas klasik muncul dari interaksi berbagai sistem kuantum. Paternostro mengatakan bahwa tugas menemukan metode eksperimental yang dapat menentukan perbedaan yang sangat halus antara prediksi teori-teori ini bisa sulit.

Namun, para peneliti tidak menyerah, dan mereka sendiri harus meningkatkan kemampuan kita untuk mempelajari prinsip-prinsip dunia kuantum. "Argumen terbaik untuk melakukan eksperimen ini mungkin latihan yang bagus," kata Riedel. "Demonstrasi langsung CD mungkin memerlukan pengukuran yang sangat kompleks yang memperluas batas kemampuan teknologi laboratorium yang ada." Satu-satunya cara untuk memahami apa arti pengukuran kami adalah mengambil pengukuran kualitas yang lebih baik.