چگونه همه ما یک واقعیت واحد را می‌بینیم

چگونه همه ما یک واقعیت واحد را می‌بینیم

(How we see the same reality)

خلاصه‌

با آن‌که جهان کوانتومی آکنده از عدم‌قطعیت است، انسان‌ها جهان پیرامون را به‌صورت واضح و مشترک تجربه می‌کنند. نظریه‌ای الهام‌گرفته از فرگشت — موسوم به داروینیسم کوانتومی (Quantum Darwinism) — توضیح می‌دهد که چگونه از میان بی‌نهایت حالت احتمالی، تنها برخی حالت‌های پایدارتر و «برگزیده‌تر» به دنیای کلاسیک تبدیل می‌شوند. پژوهش تازه‌ای اکنون این ایده را ریاضی‌وار اثبات کرده و آزمایش‌های اولیه نیز آن را تأیید می‌کنند. این چارچوب می‌تواند یکی از مهم‌ترین پاسخ‌ها به این پرسش باشد که چگونه جهان مبهم کوانتومی، به واقعیتی یکپارچه تبدیل می‌شود که همگی آن را می‌بینیم.

متن کامل ترجمه‌شده مقاله با بخش‌های مهم بولد شده

جهان کوانتومی به‌بدنامی سرشار از عدم‌قطعیت‌ها است، اما ناظران همچون ما همچنان می‌توانند درباره‌ی تجربه‌ی خود از آن به‌شکل بسیار مشخصی توافق داشته باشند. چارچوبی کوانتومی که از اصول فرگشتی الهام گرفته است، شاید بتواند توضیح دهد که چنین اجماعی چگونه ممکن می‌شود — و اکنون پژوهشگران این موضوع را به‌طور ریاضی اثبات کرده‌اند.

وقتی در زندگی روزمره به اشیاء نگاه می‌کنید، آن‌ها را به‌صورت مشخص و بدون ویژگی‌های عجیب کوانتومی می‌بینید. «پس پرسش این است که چگونه می‌توان شکاف میان جهان کوانتومی و کلاسیک را پر کرد؟» اکرم تویل از آزمایشگاه ملی لوس آلاموس می‌گوید.

ممکن است چارچوبی به نام داروینیسم کوانتومی (quantum Darwinism) بتواند این پیوند را برقرار کند. این ایده که در سال ۲۰۰۰ توسط وویچک زوریگ پیشنهاد شد، از فرآیندی مشابه انتخاب طبیعی استفاده می‌کند تا توضیح دهد چگونه ما در نهایت یک جهان غیرکوانتومی را می‌بینیم و درباره‌ی ویژگی‌های آن توافق پیدا می‌کنیم.

جهان کوانتومی پر است از مه‌آلودگی وجودی: هر شیء کوانتومی ابری از حالت‌های ممکن است تا زمانی که اندازه‌گیری یا مشاهده شود؛ در این لحظه، جسم یک حالت مشخص یا «کلاسیک» را اختیار می‌کند. فیزیک‌دانان دهه‌ها درباره‌ی سازوکار این گذار کوانتومی–کلاسیک بحث کرده‌اند.

در چارچوب داروینیسم کوانتومی، زوریگ پیشنهاد داد که حالت‌هایی که ما می‌بینیم، از میان ابر حالات ممکن، به‌نوعی »پایدارتر یا سازگارتر « (fit) هستند. زمانی که یک شیء کوانتومی با محیط خود برهم‌کنش می‌کند، برخی حالت‌ها نابود می‌شوند، اما حالت‌های باقی‌مانده با نوعی تکثیر دوام می‌آورند. بنابراین، وقتی به یک جسم نگاه می‌کنید و آن را بدون تیرگی کوانتومی می‌بینید، در واقع یکی از نسخه‌های تکثیرشده‌ی پایدار آن را مشاهده می‌کنید.

در کار جدید خود، تویل، زوریگ و همکارانشان بررسی کردند که دو ناظر تا چه اندازه می‌توانند درباره‌ی پیامد این فرآیند با هم توافق داشته باشند. آن‌ها سناریویی را مطالعه کردند که در آن هر ناظر تنها به بخشی از محیط کوانتومی جسم دسترسی دارد — و نه خود جسم. در چنین حالتی، هر ناظر می‌توانست تصویری ذهنی بسیار متفاوت از جسم تشکیل دهد.

برای سنجش تفاوت میان برداشت‌های دو ناظر، تیم پژوهشی مقدار اطلاعات متقابل (mutual information) را محاسبه کرد — کمیتی که نشان می‌دهد هر ناظر چقدر از اطلاعات دیگری درباره‌ی شیء را درک کرده است. نتیجه شگفت‌انگیز بود: برای طیف گسترده‌ای از شرایط، ناظران به اجماع مشترک درباره‌ی جهان غیرکوانتومی می‌رسند.

یاروسواف کربیچ از آکادمی علوم لهستان می‌گوید که این یافته» قطعه‌ی گمشده« داروینیسم کوانتومی را تکمیل می‌کند. او این چارچوب را »فوق‌العاده و ضروری« برای فهم تعامل ما با جهان کوانتومی می‌داند. او توضیح می‌دهد: «فرض کنید من و شما به لیوان آب من نگاه می‌کنیم. بین لیوان و دیدن ما هم‌بستگی وجود دارد. پرسش این است که: آیا بین من و شما نیز هم‌بستگی مستقیم وجود دارد؟ این پژوهش نشان می‌دهد بله. «

محیط کوانتومی

علاوه بر محاسبات تئوریک، پژوهشگران این نتایج را به کمک یک رایانه‌ی کوانتومی نیز آزمایش کردند. آن‌ها از ۱۲ کیوبیت استفاده کردند: دو کیوبیت به‌عنوان «جسم» و ۱۰ کیوبیت دیگر به‌عنوان »محیط.« داده‌های اولیه درباره‌ی تحول حالت‌های کوانتومی این کیوبیت‌ها در طول زمان به‌دست آمد — داده‌هایی که با پیش‌بینی‌های داروینیسم کوانتومی سازگار بودند.

تویل این نتایج نظری را در اجلاس جهانی فیزیک APS ارائه کرد و کیرا سالیس داده‌های آزمایشگاهی را معرفی کرد. تویل می‌گوید که این بزرگ‌ترین آزمایش داروینیسم کوانتومی تا به امروز است و نتایج گذشته نیز همگی امیدبخش بوده‌اند.

کربیچ می‌گوید این آزمایش‌ها جایگاه داروینیسم کوانتومی را به‌عنوان توضیحی از اینکه چگونه جهان کوانتومی به جهان کلاسیک تبدیل می‌شود، تقویت می‌کنند.

جراردو آدسو از دانشگاه ناتینگهام بریتانیا نیز می‌گوید این کار وزن بیشتری به داروینیسم کوانتومی می‌دهد، اما جا برای جزئیات بیشتر وجود دارد: مثل اینکه محاسبات بتوانند محتوای دقیق برداشت ناظران را مشخص کنند، نه فقط میزان توافق را.
او همچنین می‌پرسد: «آیا هیچ ردی از کوانتومی‌بودن پس از رسیدن به توافق باقی می‌ماند؟«

تویل همچنین می‌خواهد داروینیسم کوانتومی را به حالت‌های کوانتومی ماده که در آزمایشگاه با مواد ویژه یا اتم‌های فوق‌سرد ایجاد می‌شوند، مرتبط کند. به این ترتیب، داروینیسم کوانتومی ممکن است توضیح دهد که چرا ما نه تنها دنیایی غیرکوانتومی می‌بینیم، بلکه چرا این دنیا همچنان نشانه‌هایی از کوانتومی‌بودن را حفظ می‌کند.