Es ist nicht verwunderlich, dass die Quantenphysik den Ruf hat, seltsam und nicht intuitiv zu sein. Die Welt, in der wir leben, fühlt sich nicht quantenmechanisch an. Und bis zum 20. Jahrhundert gingen alle davon aus, dass die von Isaac Newton und anderen entwickelten klassischen Gesetze der Physik - nach denen Objekte zu jeder Zeit genau definierte Positionen und Eigenschaften haben - in jeder Größenordnung funktionieren würden. Doch Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr und ihre Zeitgenossen stellten fest, dass sich diese Konkretheit zwischen Atomen und subatomaren Partikeln in eine Vielzahl von Möglichkeiten auflöst. Beispielsweise kann einem Atom normalerweise keine bestimmte Position zugewiesen werden. Wir können lediglich die Wahrscheinlichkeit berechnen, mit der es an verschiedenen Orten gefunden wird. Die lästige Frage lautet dann: Wie verschmelzen Quantenwahrscheinlichkeiten mit dem scharfen Fokus der klassischen Welt?
Physiker sprechen manchmal von dieser Umstellung als dem „quantenklassischen Übergang“. Tatsächlich gibt es jedoch keinen Grund zu der Annahme, dass große und kleine Regeln grundsätzlich unterschiedlich sind oder dass es einen plötzlichen Wechsel zwischen ihnen gibt. In den letzten Jahrzehnten haben Forscher ein besseres Verständnis dafür erlangt, wie aus der Quantenmechanik zwangsläufig eine klassische Mechanik wird, wenn ein Teilchen oder ein anderes mikroskopisches System mit seiner Umgebung in Wechselwirkung tritt.
Eine der bemerkenswertesten Ideen in diesem theoretischen Rahmen ist, dass die bestimmten Eigenschaften von Objekten, die wir mit der klassischen Physik assoziieren - etwa Position und Geschwindigkeit - aus einem Menü von Quantenmöglichkeiten in einem Prozess ausgewählt werden, der der natürlichen Selektion in der Evolution locker entspricht: Eigenschaften, die überleben, sind in gewisser Weise die „Stärksten“. Wie bei der natürlichen Selektion sind die Überlebenden diejenigen, die die meisten Kopien von sich selbst anfertigen. Dies bedeutet, dass viele unabhängige Beobachter ein Quantensystem messen und sich auf das Ergebnis einigen können - ein Kennzeichen des klassischen Verhaltens.
Diese Idee, die als Quantendarwinismus (QD) bezeichnet wird, erklärt viel darüber, warum wir die Welt so erleben, wie wir es tun, und nicht so, wie sie sich auf der Skala von Atomen und fundamentalen Teilchen manifestiert. Obwohl Aspekte des Puzzles ungelöst bleiben, hilft QD, die offensichtliche Kluft zwischen der Quantenphysik und der klassischen Physik zu beseitigen.
Der Quantendarwinismus wurde jedoch erst kürzlich experimentell auf die Probe gestellt. Drei Forschungsgruppen, die unabhängig voneinander in Italien, China und Deutschland arbeiten, haben nach der verräterischen Signatur des natürlichen Selektionsprozesses gesucht, durch den Informationen über ein Quantensystem wiederholt in verschiedene kontrollierte Umgebungen eingeprägt werden. Diese Tests sind rudimentär und Experten sagen, dass noch viel zu tun ist, bevor wir uns sicher sein können, dass QD das richtige Bild davon liefert, wie sich unsere konkrete Realität aus den vielfältigen Möglichkeiten der Quantenmechanik zusammensetzt. Bislang hat sich die Theorie jedoch bewährt.
Überleben der Stärksten
Das Herzstück des Quantendarwinismus ist der schlüpfrige Begriff der Messung - der Prozess der Beobachtung. In der klassischen Physik sehen Sie einfach, wie die Dinge sind. Sie beobachten einen Tennisball, der mit 200 Stundenkilometern fährt, weil das seine Geschwindigkeit ist. Was gibt es noch zu sagen?
In der Quantenphysik stimmt das nicht mehr. Es ist überhaupt nicht offensichtlich, was die formalen mathematischen Prozeduren der Quantenmechanik über "wie die Dinge in einem Quantenobjekt sind" aussagen. Sie sind nur ein Rezept, das uns sagt, was wir sehen könnten, wenn wir eine Messung durchführen. Nehmen wir zum Beispiel an, wie ein Quantenteilchen eine Reihe möglicher Zustände haben kann, die als „Überlagerung“bezeichnet werden. Dies bedeutet nicht, dass es sich gleichzeitig um mehrere Zustände handelt. Vielmehr bedeutet dies, dass wir bei einer Messung eines dieser Ergebnisse sehen werden. Vor der Messung interferieren die verschiedenen überlagerten Zustände wellenförmig miteinander und führen zu Ergebnissen mit höheren oder niedrigeren Wahrscheinlichkeiten.
Aber warum können wir keine Quantenüberlagerung sehen? Warum können nicht alle Möglichkeiten für den Zustand eines Teilchens bis zum menschlichen Maßstab überleben?
Die oft gegebene Antwort lautet, dass Überlagerungen zerbrechlich sind und leicht zerstört werden können, wenn ein empfindliches Quantensystem von seiner verrauschten Umgebung getroffen wird. Aber das stimmt nicht ganz. Wenn zwei beliebige Quantenobjekte interagieren, werden sie miteinander verwickelt und treten in einen gemeinsamen Quantenzustand ein, in dem die Möglichkeiten für ihre Eigenschaften voneinander abhängig sind. Nehmen wir also an, ein Atom überlagert zwei mögliche Zustände für die Quanteneigenschaft namens Spin: "up" und "down". Nun wird das Atom in die Luft abgegeben, wo es mit einem Luftmolekül kollidiert und sich mit diesem verwickelt. Die beiden sind jetzt in einer gemeinsamen Überlagerung. Wenn das Atom hochgedreht ist, kann das Luftmolekül in eine Richtung gedrückt werden, während das Luftmolekül bei heruntergedrehtem Atom in eine andere Richtung geht - und diese beiden Möglichkeiten koexistieren. Während die Teilchen noch mehr Kollisionen mit anderen Luftmolekülen erfahren, breitet sich die Verschränkung aus, und die anfangs für das Atom spezifische Überlagerung wird immer diffuser. Die überlagerten Zustände des Atoms interferieren nicht mehr kohärent miteinander, da sie jetzt mit anderen Zuständen in der Umgebung verstrickt sind - einschließlich vielleicht eines großen Messinstruments. Für dieses Messgerät sieht es so aus, als wäre die Überlagerung des Atoms verschwunden und durch ein Menü möglicher klassizistischer Ergebnisse ersetzt worden, die sich nicht mehr gegenseitig stören.
Diesen Vorgang, bei dem die „Quantenhaftigkeit“in der Umwelt verschwindet, nennt man Dekohärenz. Es ist ein entscheidender Teil des quantenklassischen Übergangs und erklärt, warum das Quantenverhalten in großen Systemen mit vielen wechselwirkenden Partikeln schwer zu erkennen ist. Der Prozess läuft extrem schnell ab. Wenn ein typisches Staubkorn, das in der Luft schwebt, in eine Quantenüberlagerung von zwei verschiedenen physikalischen Orten gebracht würde, die etwa um die Breite des Korns voneinander entfernt sind, würden Kollisionen mit Luftmolekülen in etwa 10–31 Sekunden eine Dekohärenz verursachen, wodurch die Überlagerung nicht nachweisbar wäre. Selbst im Vakuum würden Lichtphotonen eine solche Dekohärenz sehr schnell auslösen: Man könnte das Korn nicht betrachten, ohne seine Überlagerung zu zerstören.
Überraschenderweise wurde Dekohärenz, obwohl sie eine direkte Folge der Quantenmechanik ist, erst in den 1970er Jahren vom verstorbenen deutschen Physiker Heinz-Dieter Zeh identifiziert. Der polnisch-amerikanische Physiker Wojciech Zurek hat die Idee in den frühen 1980er Jahren weiterentwickelt und bekannter gemacht, und es gibt jetzt eine gute experimentelle Unterstützung dafür.
Um das Entstehen der objektiven, klassischen Realität zu erklären, reicht es jedoch nicht aus, zu sagen, dass Dekohärenz das Quantenverhalten abwäscht und es dadurch für einen Betrachter klassisch erscheinen lässt. Irgendwie ist es möglich, dass sich mehrere Beobachter über die Eigenschaften von Quantensystemen einig sind. Zurek, der im Los Alamos National Laboratory in New Mexico arbeitet, argumentiert, dass zwei Dinge wahr sein müssen.
Erstens müssen Quantensysteme Zustände aufweisen, die gegenüber einer störenden Dekohärenz durch die Umwelt besonders robust sind. Zurek nennt diese „Zeigerzustände“, weil sie in den möglichen Zuständen eines Zeigers auf dem Zifferblatt eines Messgeräts codiert werden können. Beispielsweise kann ein bestimmter Ort eines Teilchens oder seine Geschwindigkeit, der Wert seines Quantenspins oder seine Polarisationsrichtung als die Position eines Zeigers auf einem Messgerät registriert werden. Zurek argumentiert, dass klassisches Verhalten - die Existenz wohldefinierter, stabiler, objektiver Eigenschaften - nur möglich ist, weil Zeigerzustände von Quantenobjekten existieren.
Das mathematisch Besondere an Zeigerzuständen ist, dass die Dekohärenz-induzierenden Wechselwirkungen mit der Umgebung sie nicht verschlüsseln: Entweder bleibt der Zeigerzustand erhalten oder er wird einfach in einen Zustand umgewandelt, der nahezu identisch aussieht. Dies impliziert, dass die Umgebung die Quantität nicht wahllos drückt, sondern einige Zustände auswählt, während andere zerstört werden. Die Position eines Partikels ist zum Beispiel gegenüber Dekohärenz belastbar. Überlagerungen verschiedener Orte sind jedoch keine Zeigerzustände: Interaktionen mit der Umgebung zerlegen sie in lokalisierte Zeigerzustände, so dass nur einer beobachtet werden kann. Zurek beschrieb diese "umweltbedingte Überauswahl" von Zeigerzuständen in den 1980er Jahren.
Es gibt jedoch eine zweite Bedingung, die eine Quanteneigenschaft erfüllen muss, um beobachtet zu werden. Obwohl die Immunität gegen Interaktion mit der Umgebung die Stabilität eines Zeigerzustands sicherstellt, müssen wir dennoch irgendwie an die Information darüber gelangen. Wir können das nur tun, wenn es in der Umgebung des Objekts eingeprägt wird. Wenn Sie zum Beispiel ein Objekt sehen, werden diese Informationen durch die von ihm gestreuten Photonen auf Ihre Netzhaut übertragen. Sie enthalten Informationen in Form einer teilweisen Nachbildung bestimmter Aspekte des Objekts, die etwas über seine Position, Form und Farbe aussagen. Viele Nachbauten sind nötig, wenn sich viele Beobachter auf einen Messwert einigen wollen - ein Kennzeichen der Klassik. Wie Zurek in den 2000er Jahren argumentierte, hängt unsere Fähigkeit, eine Eigenschaft zu beobachten, nicht nur davon ab, ob sie als Zeigerstatus ausgewählt wurde, sondern auch davon, wie umfangreich sie in der Umgebung ist. Die Zustände, die am besten zum Erstellen von Replikaten in der Umgebung geeignet sind - der „Stärkste“, könnte man sagen -, sind die einzigen, die für die Messung zugänglich sind. Deshalb nennt Zurek die Idee Quantendarwinismus.
Es stellt sich heraus, dass die gleiche Stabilitätseigenschaft, die die durch die Umgebung hervorgerufene Überselektion von Zeigerzuständen fördert, auch die Quantendarwin-Fitness oder die Fähigkeit zur Erzeugung von Replikaten fördert. "Die Umgebung entschlüsselt durch ihre Überwachungsbemühungen Systeme", sagte Zurek, "und derselbe Prozess, der für die Dekohärenz verantwortlich ist, sollte mehrere Kopien der Informationen in die Umgebung einschreiben."
Informationsüberlastung
Es spielt natürlich keine Rolle, ob Informationen über ein Quantensystem, das in die Umwelt eingedrückt wird, tatsächlich von einem menschlichen Beobachter ausgelesen werden; alles, was für das Entstehen eines klassischen Verhaltens wichtig ist, ist, dass die Informationen dort ankommen, damit sie im Prinzip ausgelesen werden können. "Ein System muss in keiner formalen Hinsicht untersucht werden", sagt Jess Riedel, Physiker am Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Kanada, und Befürworter des Quantendarwinismus. "QD erklärt mutmaßlich oder hilft, die gesamte Klassik zu erklären, einschließlich alltäglicher makroskopischer Objekte, die sich nicht in einem Labor befinden oder die existierten, bevor es Menschen gab."
Vor etwa einem Jahrzehnt, als Riedel als Doktorand bei Zurek arbeitete, zeigten die beiden theoretisch, dass Informationen von einigen einfachen, idealisierten Quantensystemen „stark in die Umwelt kopiert werden“, sagte Riedel, „so dass nur auf a zugegriffen werden muss kleine Menge der Umgebung, um den Wert der Variablen abzuleiten. “Sie errechneten, dass ein Staubkorn mit einem Durchmesser von einem Mikrometer, nachdem es nur eine Mikrosekunde von der Sonne beleuchtet wurde, ungefähr 100 Millionen Mal in die gestreuten Photonen eingeprägt wird.
Aufgrund dieser Redundanz existieren überhaupt objektive, klassizistische Eigenschaften. Zehn Beobachter können jeweils die Position eines Staubkorns messen und feststellen, dass es sich an derselben Stelle befindet, da jeder auf eine bestimmte Replik der Informationen zugreifen kann. In dieser Ansicht können wir dem Fleck eine objektive „Position“zuweisen, nicht weil er eine solche Position „hat“(was auch immer das bedeutet), sondern weil sein Positionsstatus viele identische Repliken in die Umgebung einprägen kann, so dass verschiedene Beobachter eine erreichen können Konsens.
Darüber hinaus müssen Sie nicht viel in der Umgebung überwachen, um die meisten verfügbaren Informationen zu erfassen. Durch die Überwachung von mehr als einem Bruchteil der Umgebung können Sie auch nicht wesentlich mehr erreichen. "Die Informationen, die man über das System sammeln kann, sättigen sich schnell", sagte Riedel.
Diese Redundanz ist das Unterscheidungsmerkmal von QD, erklärte Mauro Paternostro, ein Physiker an der Queen's University in Belfast, der an einem der drei neuen Experimente beteiligt war. "Es ist die Eigenschaft, die den Übergang zur Klassik kennzeichnet", sagte er.
Der Quantendarwinismus stellt laut dem theoretischen Physiker Adán Cabello von der Universität Sevilla in Spanien einen verbreiteten Mythos der Quantenmechanik in Frage: Der Übergang zwischen der Quanten- und der klassischen Welt wird nämlich nicht verstanden und die Messergebnisse können nicht mit der Quantentheorie beschrieben werden. Im Gegenteil, er sagte: "Die Quantentheorie beschreibt die Entstehung der klassischen Welt perfekt."
Wie perfekt das ist, bleibt jedoch umstritten. Einige Forscher glauben, dass Dekohärenz und QD eine vollständige Darstellung des quantenklassischen Übergangs liefern. Obwohl diese Ideen zu erklären versuchen, warum Überlagerungen im großen Maßstab verschwinden und warum nur noch konkrete „klassische“Eigenschaften übrig bleiben, bleibt die Frage, warum Messungen einzigartige Ergebnisse liefern. Was passiert mit den anderen Möglichkeiten der Quantenbeschreibung, wenn ein bestimmter Ort eines Teilchens ausgewählt wird? Waren sie jemals in irgendeiner Weise real? Die Forscher sind gezwungen, philosophische Interpretationen der Quantenmechanik zu übernehmen, gerade weil niemand einen Weg finden kann, diese Frage experimentell zu beantworten.
Ins Labor
Der Quantendarwinismus wirkt auf dem Papier ziemlich überzeugend. Aber bis vor kurzem war das so weit wie es ging. Im vergangenen Jahr haben drei Forscherteams die Theorie unabhängig voneinander auf den Prüfstand gestellt, indem sie nach ihrem Hauptmerkmal gesucht haben: Wie ein Quantensystem Replikate von sich selbst in seine Umgebung einprägt.
Die Experimente hingen von der Fähigkeit ab, genau zu überwachen, welche Informationen über ein Quantensystem an seine Umgebung weitergegeben werden. Das ist zum Beispiel nicht möglich, wenn ein Staubkorn zwischen unzähligen Milliarden von Luftmolekülen schwebt. So haben zwei der Teams ein Quantenobjekt in einer Art „künstlicher Umgebung“mit nur wenigen Partikeln erzeugt. Beide Experimente - eines von Paternostro und Mitarbeitern der Sapienza-Universität in Rom und das andere von dem Quanteninformationsexperten Jian-Wei Pan und Co-Autoren der Universität für Wissenschaft und Technologie in China - verwendeten ein einzelnes Photon als Quantensystem. mit einer Handvoll anderer Photonen, die als „Umgebung“dienen, die mit ihr interagiert und Informationen darüber sendet.
Beide Teams ließen Laserphotonen durch optische Geräte laufen, die sie zu mehrfach verschränkten Gruppen kombinieren konnten. Anschließend fragten sie die Umgebungsphotonen ab, um festzustellen, welche Informationen sie über den Zeigerzustand des Systemphotons codierten - in diesem Fall seine Polarisation (die Ausrichtung seiner oszillierenden elektromagnetischen Felder), eine der Quanteneigenschaften, die das Filter der Quantendarwinschen Selektion passieren können.
Eine wichtige Vorhersage für QD ist der Sättigungseffekt: Nahezu alle Informationen, die Sie über das Quantensystem sammeln können, sollten verfügbar sein, wenn Sie nur eine Handvoll umliegender Partikel überwachen. "Jeder kleine Bruchteil der Interaktionsumgebung reicht aus, um die maximale klassische Information über das beobachtete System bereitzustellen", sagte Pan.
Genau das fanden die beiden Teams. Messungen von nur einem der Umgebungsphotonen ergaben viele der verfügbaren Informationen über die Polarisation des Systemphotons, und die Messung eines zunehmenden Anteils der Umgebungsphotonen lieferte abnehmende Ergebnisse. Sogar ein einzelnes Photon kann als eine Umgebung wirken, die Dekohärenz und Selektion einführt, erklärte Pan, wenn es stark genug mit dem Photon des einsamen Systems interagiert. Wenn die Interaktionen schwächer sind, muss eine größere Umgebung überwacht werden.
Der dritte experimentelle QD-Test, der vom quantenoptischen Physiker Fedor Jelezko an der Universität Ulm in Deutschland in Zusammenarbeit mit Zurek und anderen durchgeführt wurde, verwendete ein ganz anderes System und eine andere Umgebung, die aus einem einzelnen Stickstoffatom bestand, das ein Kohlenstoffatom im Kristall ersetzte Diamantgitter - ein sogenannter Defekt der Stickstoff-Leerstelle. Da das Stickstoffatom ein Elektron mehr hat als Kohlenstoff, kann sich dieses überschüssige Elektron nicht mit jenen an benachbarten Kohlenstoffatomen paaren, um eine chemische Bindung zu bilden. Infolgedessen fungiert das ungepaarte Elektron des Stickstoffatoms als einsamer „Spin“, der einem Pfeil nach oben oder unten oder im Allgemeinen in einer Überlagerung beider möglichen Richtungen gleicht.
Dieser Spin kann magnetisch mit denen der etwa 0, 3 Prozent der im Diamant vorhandenen Kohlenstoffkerne als Isotop Kohlenstoff-13 wechselwirken, das im Gegensatz zu dem häufiger vorkommenden Kohlenstoff-12 ebenfalls Spin aufweist. Im Durchschnitt ist jeder Stickstoff-Leerstellenspin in einem Abstand von etwa 1 Nanometer stark an vier Kohlenstoff-13-Spins gekoppelt.
Durch Steuern und Überwachen der Spins mithilfe von Lasern und Hochfrequenzpulsen konnten die Forscher messen, wie eine Änderung des Stickstoffspins durch Änderungen der Kernspins der Umgebung registriert wird. Wie sie in einem Vorabdruck vom vergangenen September berichteten, beobachteten auch sie die von QD vorhergesagte charakteristische Redundanz: Der Zustand des Stickstoffspins wird als mehrere Kopien in der Umgebung „aufgezeichnet“, und die Informationen über den Spin sättigen sich schnell, je mehr von der Umgebung berücksichtigt.
Laut Zurek enthalten die Photonenexperimente, da sie Kopien auf künstliche Weise erstellen, die eine tatsächliche Umgebung simulieren, keinen Auswahlprozess, bei dem „natürliche“Zeigerzustände ermittelt werden, die gegenüber Dekohärenz widerstandsfähig sind. Vielmehr legen die Forscher selbst die Zeigerzustände fest. Im Gegensatz dazu löst die Diamantumgebung Zeigerzustände aus. "Das Diamantenschema hat auch aufgrund der Größe der Umgebung Probleme", fügte Zurek hinzu, "aber zumindest ist es natürlich."
Verallgemeinernder Quantendarwinismus
So weit, so gut für den Quantendarwinismus. "Alle diese Studien sehen, was zumindest annähernd erwartet wird", sagte Zurek.
Riedel sagt, wir könnten kaum etwas anderes erwarten: Aus seiner Sicht ist QD eigentlich nur die sorgfältige und systematische Anwendung der Standardquantenmechanik auf die Wechselwirkung eines Quantensystems mit seiner Umgebung. Obwohl dies in der Praxis für die meisten Quantenmessungen praktisch unmöglich ist, sind die Vorhersagen klar, wenn Sie eine Messung ausreichend vereinfachen können: „QD ist am ehesten wie eine interne Selbstkonsistenzprüfung der Quantentheorie selbst.“
Obwohl diese Studien mit QD in Einklang zu stehen scheinen, können sie nicht als Beweis dafür angesehen werden, dass dies die einzige Beschreibung für die Entstehung der Klassik ist oder sogar, dass sie völlig korrekt ist. Zum einen, sagt Cabello, bieten die drei Experimente nur schematische Versionen dessen, woraus eine reale Umgebung besteht. Darüber hinaus schließen die Experimente andere Sichtweisen auf die Entstehung der Klassik nicht sauber aus. Eine von Pawel Horodecki an der Technischen Universität Danzig in Polen und Mitarbeitern entwickelte Theorie namens „Spektrum-Rundfunk“versucht, die QD zu verallgemeinern. Die Spektrum-Broadcast-Theorie (die nur für einige wenige idealisierte Fälle ausgearbeitet wurde) identifiziert diejenigen Zustände eines verschränkten Quantensystems und einer Umgebung, die objektive Informationen liefern, die viele Beobachter erhalten können, ohne sie zu stören. Mit anderen Worten, es soll nicht nur sichergestellt werden, dass verschiedene Beobachter auf Repliken des Systems in der Umgebung zugreifen können, sondern dass sie dadurch die anderen Repliken nicht beeinflussen. Auch das ist ein Merkmal von wirklich „klassischen“Messungen.
Horodecki und andere Theoretiker haben ebenfalls versucht, QD in einen theoretischen Rahmen einzubetten, der keine willkürliche Aufteilung der Welt in ein System und seine Umgebung erfordert, sondern nur darüber nachdenkt, wie die klassische Realität aus Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Quantensystemen entstehen kann. Nach Ansicht von Paternostro könnte es schwierig sein, experimentelle Methoden zu finden, mit denen die eher subtilen Unterschiede zwischen den Vorhersagen dieser Theorien identifiziert werden können.
