Wyobraźmy sobie, że każde podjęte działanie – każda decyzja, każde zdarzenie na poziomie kwantowym – tworzy nową wersję rzeczywistości. To nie pomysł rodem z science fiction, lecz konsekwencja jednej z najbardziej intrygujących interpretacji mechaniki kwantowej – tzw. interpretacji wielu światów (Many-Worlds Interpretation, MWI). Choć brzmi to nieprawdopodobnie, badacze z Uniwersytetu Autonomicznego w Barcelonie wykonali właśnie krok, który przybliża nas do zrozumienia, jak z „kwantowego chaosu” mogłaby wyłaniać się nasza klasyczna rzeczywistość.
Many-Worlds Interpretation – czyli jak każda możliwość staje się rzeczywistością
Interpretacja wielu światów zakłada, że wszystkie możliwe rezultaty zdarzeń kwantowych faktycznie się urzeczywistniają – ale w oddzielnych „gałęziach” rzeczywistości. Gdy elektron przechodzi przez układ szczelin, jego stan nie „wybiera” jednej trajektorii – zamiast tego, według MWI, rzeczywistość rozdziela się, tworząc osobne światy dla każdego możliwego wyniku.
To radykalne podejście zakłada, że wszechświat ewoluuje w sposób całkowicie unitarny – czyli deterministycznie, bez ingerencji z zewnątrz. Nie potrzebujemy obserwatora ani „pomiaru”, by rzeczywistość się ukształtowała – wszystko dzieje się automatycznie, rozdzielając świat na liczne wersje.
Ale skoro wszystkie te światy istnieją, dlaczego doświadczamy tylko jednego?
Barcelona kontra kot Schrödingera
Na to pytanie próbują odpowiedzieć Philipp Strasberg, Teresa E. Reinhard i Joseph Schindler z Universitat Autònoma de Barcelona. W serii precyzyjnych symulacji komputerowych, prowadzonych w ramach teorii tzw. historii zdekoherentowanych, wykazali oni, że nawet w całkowicie izolowanych układach kwantowych mogą powstawać trajektorie zachowujące się jak klasyczne światy – bez potrzeby odwoływania się do zewnętrznego „hałasu” czy środowiska.
Ich badania, opublikowane w czasopiśmie Physical Review X w październiku 2024 roku, pokazują, że w odpowiednich warunkach różne wersje rzeczywistości stają się względem siebie „niewidoczne” – czyli nie interferują, tak jakby były od siebie odizolowane. To z kolei umożliwia wyłonienie się złożonych, stabilnych światów – takich jak ten, który postrzegamy na co dzień.
Zdekoherencja i funkcjonał zdekoherencji
Zdekoherencja to zjawisko fizyczne, w którym obiekty kwantowe – poprzez interakcje z otoczeniem lub między sobą – tracą swoją zdolność do interferencji, czyli „bycia w kilku stanach naraz”. W badaniach z Barcelony kluczowym narzędziem jest funkcjonał zdekoherencji (DF), który pozwala sprawdzić, czy różne „historie” danego układu mogą współistnieć bez interferencji. Jeśli tak – mówimy o klasycznych, czyli zdekoherentnych, historiach.
Klucz do klasycznej rzeczywistości: powolne i gruboziarniste wielkości fizyczne
Naukowcy skupili się na tzw. powolnych i gruboziarnistych wielkościach fizycznych – czyli parametrach, które zmieniają się wolno i opisują układ w dużym przybliżeniu. To właśnie one – zgodnie z hipotezą holenderskiego fizyka Nico van Kampena z lat 50. – mają największy potencjał, by zachowywać się klasycznie w skali makro.
Zaskakujące było to, że przejście do klasyczności nie wymagało wcale otwartego układu – nie było potrzeby wprowadzenia środowiska czy szumu termicznego. Kluczowa okazała się tzw. niecałkowitość układu (nonintegrability) – właściwość, która sprawia, że dynamika układu przypomina losowe fluktuacje, zgodne z teorią macierzy losowych.
W uproszczeniu: jeżeli układ zawiera wiele swobodnych cząstek, a jego elementy oddziałują w sposób chaotyczny, to skutkiem będzie zanik zjawisk typowo kwantowych. A więc: złożoność i chaos prowadzą do porządku – przynajmniej z naszej perspektywy.
Niecałkowitość i chaos kwantowy
Układ niecałkowity to taki, którego zachowania nie da się przewidzieć na podstawie skończonego zestawu równań ruchu – innymi słowy, jest „chaotyczny”. W świecie kwantowym chaos przejawia się m.in. przez strukturę widma energetycznego oraz zachowanie funkcji falowej. Badania z Barcelony wskazują, że właśnie takie układy najłatwiej prowadzą do wyłonienia się klasycznych światów.
Eksperyment numeryczny: wszechświat w mikroskali
Aby sprawdzić hipotezy, badacze stworzyli model dwóch identycznych układów kwantowych, które mogły wymieniać między sobą energię. Co ważne – układ był zamknięty, a całość rozpatrywano w ramach czystej ewolucji Schrödingera. Kluczowym celem było sprawdzenie, czy dla rosnącej liczby cząstek układ zacznie wykazywać „klasyczne” zachowania.
Wnioski? Zdekoherencja – czyli zanik efektów kwantowych między różnymi historiami układu – narastała wykładniczo wraz z wielkością układu. Już przy stosunkowo niewielkiej liczbie cząstek efekty interferencyjne stawały się praktycznie nieistotne. Innymi słowy: klasyczna rzeczywistość wyłania się naturalnie ze świata kwantowego – i to bez żadnych zewnętrznych mechanizmów.
Nowe spojrzenie na kota Schrödingera
Słynny paradoks kota Schrödingera – zwierzę jednocześnie martwe i żywe, dopóki nie zostanie zaobserwowane – od dziesięcioleci symbolizuje zderzenie fizyki kwantowej z intuicją klasyczną. Badania z Barcelony nadają temu eksperymentowi nowe znaczenie: pokazują, że to nie obserwator jest potrzebny, by wybrać jedno z rozgałęzień, lecz sama ewolucja układu – pod warunkiem, że jest wystarczająco złożony.
– Ponieważ obiekty codziennego użytku składają się z ogromnej liczby cząstek, tłumaczy to, dlaczego multiwersum nie jest bezpośrednio dostrzegalne – piszą badacze w podsumowaniu.
Gałęzie czasu i strzałki entropii
Ciekawym efektem ubocznym symulacji była możliwość badania tzw. „strzałki czasu”. W niektórych eksperymentach układ ewoluował od stanu mniej uporządkowanego do bardziej – w innych na odwrót. Co ciekawe, symulacje wykazały symetrię: prawdopodobieństwa „czasów do przodu” i „do tyłu” były zbliżone, co potwierdza, że równania kwantowe same w sobie nie narzucają kierunku upływu czasu.
Strzałka entropii i czas
Klasycznie czas kojarzymy z rosnącą entropią – nieporządkiem. Ale równania mechaniki kwantowej są symetryczne czasowo – tzn. nie rozróżniają przeszłości i przyszłości. To nasze doświadczenie rzeczywistości nadaje czasowi kierunek. W modelu badaczy można zaobserwować obie „strzałki czasu” jako równie prawdopodobne.
Co dalej?
Choć badania z Barcelony nie rozstrzygają, czy multiwersum istnieje naprawdę, dostarczają ważnych argumentów na rzecz tego, że klasyczna rzeczywistość nie jest czymś fundamentalnym – lecz zjawiskiem emergentnym. A to oznacza, że nasze „jedno życie” może być tylko jedną z nieskończonych wersji tego, co dzieje się we Wszechświecie.
Zespół badawczy podkreśla jednak ograniczenia swojej pracy – m.in. brak połączenia z ogólną teorią względności, czy trudność w przełożeniu wyników numerycznych na eksperymenty laboratoryjne.
Niemniej ich wkład – oparty na precyzyjnym rozwiązaniu równania Schrödingera i analizie funkcjonału zdekoherencji – jest jednym z najbardziej konkretnych dowodów, że wiele „światów” może współistnieć w tym samym czasie i miejscu.
źródła: Physical Review X, dailygalaxy.com, thebrighterside.news
Dodaj komentarz