شاید توضیح دهد چرا ما در یک واقعیت مشترک زندگی می‌کنیم
داروینیسم کوانتومی که از ایده‌های داروین در زیست‌شناسی الهام گرفته شده است، شاید بتواند توضیح دهد که چرا دو ناظر مختلف، ظهور یک دنیای غیر کوانتومی یکسان را از میان تمام احتمالات مبهم کوانتومی مشاهده می‌کنند.
جای تعجب نیست که فیزیک کوانتوم به عنوان پدیده‌ای عجیب و خلاف شهود شهرت یافته است. دنیایی که در آن زندگی می‌کنیم، به هیچ‌وجه حسِ “کوانتومی” ندارد. تا قرن بیستم، همه تصور می‌کردند که قوانین کلاسیک فیزیک — که توسط ایزاک نیوتن و دیگران تدوین شده و بر اساس آن، اشیا در هر لحظه دارای موقعیت و ویژگی‌های مشخصی هستند — در تمام مقیاس‌ها کاربرد دارند. اما ماکس پلانک، آلبرت اینشتین، نیلز بور و هم‌عصرانشان کشف کردند که در سطح اتم‌ها و ذرات زیراتمی، این قطعیت به “ملغمه‌ای از احتمالات” تبدیل می‌شود. برای مثال، معمولا نمی‌توان برای یک اتم موقعیت دقیقی تعیین کرد؛ فقط می‌توان احتمالات حضور آن در مکان‌های مختلف را محاسبه کرد. سپس این پرسش آزاردهنده مطرح می‌شود: چگونه این احتمالات کوانتومی به جهانِ ملموسِ کلاسیک تبدیل می‌شوند؟
فیزیکدانان گاهی این تغییر را “گذار کوانتومی-کلاسیک” می‌نامند. اما در واقع، هیچ دلیلی وجود ندارد که فکر کنیم قوانین حاکم بر اجسام بزرگ و کوچک اساساً متفاوت هستند، یا اینکه مرز ناگهانی بین آن‌ها وجود دارد. در چند دهه گذشته، محققان درک بهتری از این موضوع پیدا کرده‌اند که چگونه مکانیک کوانتومی، از طریق تعامل یک ذره یا سیستم میکروسکوپی با محیط اطرافش، ناگزیر به مکانیک کلاسیک تبدیل می‌شود.
یکی از چشمگیرترین ایده‌ها در این چارچوب نظری این است که ویژگی‌های قطعی اشیاء — مانند موقعیت و سرعت — که در فیزیک کلاسیک با آن‌ها سروکار داریم، از میان طیفی از احتمالات کوانتومی انتخاب می‌شوند. این فرآیند تا حدی شبیه “انتخاب طبیعی” در تکامل است: ویژگی‌هایی که باقی می‌مانند، به نوعی “مناسب‌ترین”ها هستند. همانند انتخاب طبیعی، بازمانده‌ها آن‌هایی هستند که بیشترین تعداد از خود را تکثیر می‌کنند. این یعنی ناظران مستقل متعدد می‌توانند یک سیستم کوانتومی را اندازه‌گیری کنند و در مورد نتیجه به توافق برسند — که نشانه‌ای از رفتار کلاسیک است.
این ایده، که “داروینیسم کوانتومی” (QD) نامیده می‌شود، توضیح می‌دهد که چرا جهان را به این شکل تجربه می‌کنیم و نه به شیوهٔ عجیبی که در مقیاس اتم‌ها و ذرات بنیادی رخ می‌دهد. اگرچه بخش‌هایی از این معما هنوز حل‌نشده باقی مانده، اما QD به پر کردن شکاف ظاهری بین فیزیک کوانتومی و کلاسیک کمک می‌کند.
قلمرو کوانتومی مملوء از عدم قطعیت‌هاست، اما ناظرانی مانند ما همچنان موفق می‌شوند بر سر چگونگی تجربه‌ی آن به شیوه‌های بسیار ملموس توافق کنند. یک چارچوب کوانتومی الهام‌گرفته از اصول فرگشت داروین ممکن است توضیح دهد که چگونه چنین اجماعی امکان‌پذیر است و اکنون پژوهشگران آن را به صورت ریاضی اثبات کرده‌اند.
اکرم طوئیل از آزمایشگاه ملی لوس آلاموس (LANL) در نیومکزیکو می‌گوید: «هر روز، وقتی بیرون می‌روید، چیزهایی را می‌بینید. و آن‌ها را به صورت موضوعی (مکان‌مند) (localized) می‌بینید. ویژگی‌های عجیب کوانتومی را مشاهده نمی‌کنید. بنابراین، سوال این است که چگونه می‌توانیم این شکاف میان کوانتوم و کلاسیک را به هم متصل کنیم؟»
چارچوبی به نام داروینیسم کوانتومی می‌تواند این ارتباط را برقرار کند. این ایده که در سال ۲۰۰۰ توسط وویچک زورک، از LANL، پیشنهاد شد، از فرآیندی شبیه به انتخاب طبیعی داروین استفاده می‌کند تا نشان دهد چگونه ما در نهایت یک دنیای غیرکوانتومی را می‌بینیم و بر سر چگونگی آن توافق می‌کنیم.
دنیای کوانتومی در هاله‌‌ای از ابهام وجودی است: هر موجود کوانتومی ابری از حالت‌های ممکن است تا زمانی که اندازه‌گیری یا مشاهده شود، و پس از اندازه‌گیری یا مشاهده یک حالت به خوبی تعریف‌شده یا «کلاسیک» را به خود می‌گیرد. فیزیکدانان دهه‌هاست که بر سر سازوکاری که در پس این گذار از کوانتوم به کلاسیک قرار دارد، بحث می‌کنند. زورک با داروینیسم کوانتومی، پیشنهاد کرد که حالت‌هایی که ما در نهایت می‌بینیم، به نوعی پایدارتر از بقیه در ابر احتمالات هستند؛ به زبان انتخاب طبیعی، این حالت‌ها «سازگارتر» هستند.
هنگامی که یک موجود کوانتومی با محیط خود برهم‌کنش می‌کند، برخی از حالت‌های ممکن آن از بین می‌روند، اما این حالت‌های ویژه با تکثیر خود باقی می‌مانند. بنابراین، وقتی شما به یک شیء نگاه می‌کنید و آن را واضح می‌بینید، در واقع یکی از نسخه‌ها در زنجیره بلند این کپی‌ها را مشاهده می‌کنید.
طوئیل، زورک و همکارانشان در پژوهش جدیدشان، این بررسی کرده‌اند که دو ناظر تا چه حد می‌توانند بر سر پیامد این فرآیند توافق داشته باشند. آن‌ها سناریویی را مورد مطالعه قرار داده‌اند که در آن هر ناظر تنها به بخشی از محیط شیء دسترسی دارد و هرگز به خودِ شیء دسترسی ندارد. با چنین اطلاعات محدودی، هر ناظر ممکن است به تصویر ذهنی بسیار متفاوتی از شیء دست یابد.
این گروه تحقیقاتی برای کمی‌سازی تفاوت در دریافت‌های ناظرها، «اطلاعات متقابل» ناظران را محاسبه کرد؛ عددی که هم‌پوشانی بین آن‌چه هر یک از ناظرها درباره شیء می‌فهمد را نشان می‌دهد. آن‌ها دریافتند که برای طبقه گسترده‌ای از اشیاء و محیط‌ها با اندازه‌های مختلف، ناظران در مورد دنیای غیرکوانتومی که مشاهده می‌کنند به اجماع می‌رسند.
یاروسواو کوربیچ در آکادمی علوم لهستان می‌گوید این کار جزئیاتی را تکمیل می‌کند که تاکنون در داروینیسم کوانتومی غایب بود؛ چارچوبی که به گفته او برای درک چگونگی تعامل ما با دنیای کوانتومی «درخشان و ضروری» است. او می‌گوید: «فرض کنید من و شما به چیزی نگاه می‌کنیم، مثلاً به لیوان آب من». «یک همبستگی بین لیوان آب و دیدنِ ما وجود دارد، و سپس سوال این است: ‘آیا همبستگی مستقیمی بین من و شما وجود دارد؟’ این پژوهش آن تصویر را کامل می‌کند.» به طور مشخص، پژوهشگران دریافتند که این همبستگی وجود دارد. او می‌گوید: «اگرچه چنین سوالاتی در زندگی عادی پیش‌پاافتاده هستند، اما در دنیای کوانتومی لزوما بدیهی نیستند.»
علاوه بر محاسبات ریاضی، طوئیل و همکارانش با پژوهشگرانی در دانشگاه ژجیانگ در چین همکاری کردند تا کار خود را به یک آزمایش تبدیل کنند. در این آزمایش از ۱۲ بیت کوانتومی یا کیوبیت در داخل یک رایانه کوانتومی استفاده شد، که دو کیوبیت به عنوان شیء و ۱۰ کیوبیت باقیمانده به عنوان محیط آن‌ها تعیین شدند. پژوهشگران داده‌های اولیه‌ای در مورد چگونگی تغییر حالت‌های کوانتومی آن کیوبیت‌ها در طول زمان به دست آوردند و این نتایج با پیش‌بینی‌های داروینیسم کوانتومی سازگار بود.
طوئیل کار ریاضیاتی این پژوهش را ارائه داد و کیرا سالیس (Kiera Salice) از دانشگاه هیوستون در تگزاس، آزمایش را در تاریخ ۱۹ مارس در اجلاس جهانی فیزیک انجمن فیزیک آمریکا در کالیفرنیا ارائه کرد.
طوئیل می‌گوید این بزرگترین آزمایش از این نوع تا به امروز است، اما مطالعات مشابه نیز در گذشته نتایج دلگرم‌کننده‌ای ارائه داده بودند. کوربیچ می‌گوید چنین آزمایش‌هایی استدلال به نفع داروینیسم کوانتومی به عنوان توضیحی برای چگونگی تبدیل دنیای کوانتومی به دنیایی که ما می‌شناسیم را تقویت می‌کنند.
جراردو آدسّو (Gerardo Adesso) از دانشگاه ناتینگهام در بریتانیا می‌گوید که کار جدید به داروینیسم کوانتومی به عنوان روشی برای درک چگونگی پدیدار شدن دنیای کلاسیک از دل کوانتوم، وزن بیشتری می‌بخشد، اما هنوز جا برای افزودن جزئیات بیشتر به این چارچوب وجود دارد. به عنوان مثال، محاسبات آینده می‌توانند نه تنها میزان توافق ناظران بر دنیای کلاسیکی که مشاهده می‌کنند، بلکه محتوای دقیق مشاهداتشان را نیز مشخص کنند. و این سوال باقی می‌ماند که آیا اثری از کوانتومی بودن می‌تواند از فرآیند رسیدن به اجماع جان سالم به در ببرد یا خیر.
طوئیل همچنین می‌خواهد فراتر از کیوبیت‌ها برود و کاوش کند که چگونه داروینیسم کوانتومی می‌تواند غنای کامل دنیای فیزیکی را توضیح دهد. به عنوان مثال، او می‌خواهد کار تیمش را به حالت‌های کوانتومی ماده مرتبط کند، که می‌توان آن‌ها را در آزمایشگاه با مواد ویژه یا اتم‌های بسیار سرد ایجاد کرد. به این ترتیب، داروینیسم کوانتومی ممکن است بتواند نه تنها توضیح دهد که چرا ما یک دنیای غیرکوانتومی می‌بینیم، بلکه همچنین چرا آن دنیا هنوز شامل نمونه‌هایی از کوانتومی بودن است.
