Die Studie weist auf physikalische Prinzipien hin, die dem Quantendarwinismus zugrunde liegen

Auf atomarer und subatomarer Ebene verhalten sich Objekte auf eine Weise, die das klassische Weltbild auf der Grundlage alltäglicher Interaktionen mit der makroskopischen Realität herausfordert. Ein bekanntes Beispiel ist die Entdeckung, dass sich Elektronen je nach experimentellem Kontext, in dem sie beobachtet werden, sowohl als Teilchen als auch als Wellen verhalten können. Um dieses und andere Phänomene zu erklären, die den aus früheren Jahrhunderten geerbten Gesetzen der Physik zu widersprechen scheinen, wurden von Wissenschaftlern wie Louis de Broglie (1892-1987), Niels Bohr (1885 -1962), Erwin Schrödinger (1887-1961) und David Böhm (1917-1992).

Die großen Debatten, die die Formulierung der Quantentheorie begleiteten, insbesondere unter Beteiligung von Einstein und Bohr, führten jedoch nicht zu abschließenden Ergebnissen. Die meisten Physiker der nächsten Generation entschieden sich für Gleichungen, die sich aus widersprüchlichen theoretischen Rahmenwerken ableiten, ohne sich große Gedanken über die zugrunde liegenden philosophischen Konzepte zu machen. Die Gleichungen „funktionierten“, und das war anscheinend ausreichend. Verschiedene heute triviale technologische Artefakte basierten auf praktischen Anwendungen der Quantentheorie.

Es liegt in der Natur des Menschen, alles in Frage zu stellen, und eine Schlüsselfrage, die sich später stellte, war, warum sich das seltsame, sogar kontraintuitive Verhalten, das in Quantenexperimenten beobachtet wurde, nicht in der makroskopischen Welt manifestierte. Um diese Frage zu beantworten oder zu umgehen, hat der polnische Physiker Wojciech Zurek das Konzept des „Quantendarwinismus“ entwickelt.

Einfach ausgedrückt lautet die Hypothese, dass die Interaktion zwischen einem physikalischen System und seiner Umgebung bestimmte Verhaltensweisen selektiert und andere ausschließt und dass die Verhaltensweisen, die durch diese „natürliche Selektion“ konserviert werden, genau die sind, die der klassischen Beschreibung entsprechen.

Wenn also jemand beispielsweise diesen Text liest, empfängt sein Auge Photonen, die mit seinem Computer- oder Smartphone-Bildschirm interagieren. Eine andere Person wird aus einem anderen Blickwinkel andere Photonen empfangen, aber obwohl sich die Partikel auf dem Bildschirm auf ihre eigene seltsame Weise verhalten und möglicherweise völlig unterschiedliche Bilder erzeugen, wählt die Interaktion mit der Umgebung nur eine Art von Verhalten aus und schließt die aus ruhen, so dass die beiden Lesarten am Ende auf denselben Text zugreifen.

Diese Linie der theoretischen Untersuchung wurde mit einem noch größeren Grad an Abstraktion und Verallgemeinerung in einem Artikel des brasilianischen Physikers Roberto Baldijão weitergeführt, der in veröffentlicht wurde Quantumeine von Experten begutachtete Open-Access-Zeitschrift für Quantenwissenschaft und verwandte Bereiche.

Das Papier berichtet über Ergebnisse, die Teil von Baldijãos Ph.D. Forschung unter der Leitung von Marcelo Terra Cunha, Professor am Institut für Mathematik, Statistik und Wissenschaftliches Rechnen an der Universität von Campinas (IMECC-UUNICAMP) in Brasilien.

Zu den Co-Autoren des Papers gehört Markus Müller, der Baldijãos Forschungspraktikum am Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften in Wien betreute.

„Der Quantendarwinismus wurde als Mechanismus vorgeschlagen, um die klassische Objektivität zu erreichen, an die wir von inhärent Quantensystemen gewöhnt sind. In unserer Forschung haben wir untersucht, welche physikalischen Prinzipien hinter der Existenz eines solchen Mechanismus stehen könnten“, sagte Baldijão.

Bei der Durchführung seiner Untersuchung wandte er einen Formalismus an, der als verallgemeinerte probabilistische Theorien (GPTs) bekannt ist. „Dieser Formalismus ermöglicht es uns, mathematische Beschreibungen verschiedener physikalischer Theorien zu erstellen und sie somit zu vergleichen. Er ermöglicht es uns auch zu verstehen, welche Theorien bestimmten physikalischen Prinzipien gehorchen. Die Quantentheorie und die klassische Theorie sind zwei Beispiele für GPTs, aber viele andere können es auch sein beschrieben“, sagte er.

Die Arbeit mit GPTs sei praktisch, so Baldijão, weil man damit valide Ergebnisse erhalte, auch wenn die Quantentheorie irgendwann aufgegeben werden müsse. Darüber hinaus sorgt der Rahmen für ein besseres Verständnis des Quantenformalismus, indem er ihn mit dem vergleicht, was er nicht ist. Beispielsweise kann es verwendet werden, um die Quantentheorie aus einfacheren physikalischen Prinzipien abzuleiten, ohne die Theorie von Grund auf neu zu übernehmen. „Basierend auf dem Formalismus der GPTs können wir herausfinden, welche Prinzipien die Existenz des ‚Darwinismus‘ zulassen, ohne auf die Quantentheorie zurückgreifen zu müssen“, sagte er.

Das paradoxe Ergebnis, zu dem Baldijão in seiner theoretischen Untersuchung gelangte, war, dass die klassische Theorie nur dann durch „natürliche Selektion“ aus Theorien mit bestimmten nicht-klassischen Merkmalen hervorgeht, wenn sie „Verschränkung“ beinhalten.

„Überraschenderweise hängt die Manifestation klassischer Verhaltensweisen durch den Darwinismus von einer so bemerkenswert nicht-klassischen Eigenschaft wie Verschränkung ab“, sagte er.

Verschränkung, ein Schlüsselkonzept der Quantentheorie, tritt auf, wenn Teilchen so erzeugt werden oder interagieren, dass der Quantenzustand jedes Teilchens nicht unabhängig von den anderen beschrieben werden kann, sondern vom gesamten Satz abhängt.

Das bekannteste Beispiel für Verschränkung ist das als EPR (Einstein-Podolsky-Rosen) bekannte Gedankenexperiment. Zur Erläuterung sind mehrere Absätze erforderlich. In einer vereinfachten Version des Experiments stellte sich Bohm eine Situation vor, in der zwei Elektronen wechselwirken und dann durch eine beliebig große Entfernung getrennt sind, wie etwa die Entfernung zwischen Erde und Mond. Wenn der Spin eines Elektrons gemessen wird, kann es Spin up oder Spin down sein, wobei beide die gleiche Wahrscheinlichkeit haben. Elektronenspins zeigen nach einer Messung immer entweder nach oben oder nach unten – niemals in einem Winkel dazwischen. Aufgrund ihrer Wechselwirkung müssen die Elektronen jedoch paarweise angeordnet sein, was bedeutet, dass sie sich unabhängig von der Messrichtung in entgegengesetzte Richtungen drehen und umkreisen. Welcher der beiden Spin-up oder Spin-down ist, ist unbekannt, aber die Ergebnisse werden aufgrund ihrer Verschränkung immer gegensätzlich sein.

Das Experiment sollte zeigen, dass der Formalismus der Quantentheorie unvollständig war, weil die Verschränkung voraussetzte, dass sich Informationen zwischen den beiden Teilchen mit unendlicher Geschwindigkeit bewegten, was nach der Relativitätstheorie unmöglich war. Wie könnten die entfernten Teilchen „wissen“, in welche Richtung sie sich drehen müssen, um entgegengesetzte Ergebnisse zu erzielen? Die Idee war, dass verborgene Variablen lokal hinter der Quantenszene wirken und dass das klassische Weltbild bestätigt würde, wenn diese Variablen von einer umfassenderen Theorie berücksichtigt würden.

Albert Einstein starb 1955. Fast ein Jahrzehnt später wurde seine Argumentation mehr oder weniger von John Bell (1928-1990) widerlegt, der einen Satz aufstellte, um zu zeigen, dass die Hypothese, dass ein Teilchen unabhängig vom Beobachtungsprozess definitive Werte hat, damit unvereinbar ist Quantentheorie ebenso wie die Unmöglichkeit der unmittelbaren Fernkommunikation. Mit anderen Worten, die Nicht-Lokalität, die die Verschränkung charakterisiert, ist kein Defekt, sondern ein Schlüsselmerkmal der Quantentheorie.

Unabhängig von ihrer theoretischen Interpretation wurde die empirische Existenz der Verschränkung in mehreren Experimenten nachgewiesen, die seitdem durchgeführt wurden. Die Erhaltung der Verschränkung ist heute die größte Herausforderung bei der Entwicklung von Quantencomputern, da Quantensysteme dazu neigen, schnell ihre Kohärenz zu verlieren, wenn sie mit der Umgebung interagieren. Das bringt uns zurück zum Quantendarwinismus.

„In unserer Studie haben wir gezeigt, dass, wenn ein GPT Dekohärenz zeigt, dies daran liegt, dass es eine Transformation in der Theorie gibt, die in der Lage ist, den von uns betrachteten idealisierten Prozess des Darwinismus umzusetzen“, sagte Baldijão. „In ähnlicher Weise, wenn eine Theorie eine ausreichende Struktur hat, um umkehrbare Berechnungen zu ermöglichen – Berechnungen, die rückgängig gemacht werden können – dann gibt es auch eine Transformation, die in der Lage ist, den Darwinismus umzusetzen. Dies ist höchst interessant, wenn man die rechnerischen Anwendungen von GPTs betrachtet.“

Als ergänzendes Ergebnis der Studie bieten die Autoren ein Beispiel für „Nicht-Quanten-Darwinismus“ in Form von Erweiterungen des Spielzeugmodells von Spekkens, einer Theorie, die 2004 vom kanadischen Physiker Robert Spekkens, derzeit leitender Forscher am Perimeter Institute, vorgeschlagen wurde für Theoretische Physik in Waterloo, Ontario. Dieses Modell ist wichtig für die vertiefte Untersuchung der Grundlagen der Quantenphysik, da es viele Formen des Quantenverhaltens auf der Grundlage klassischer Konzepte reproduziert.

„Das Modell weist keinerlei Nicht-Lokalität auf und ist nicht in der Lage, Bell-Ungleichungen zu verletzen“, sagte Baldijão. „Wir zeigen, dass es Darwinismus zeigen kann, und dieses Beispiel zeigt auch, dass die Bedingungen, die wir gefunden haben, um das Vorhandensein von Darwinismus zu garantieren – Dekohärenz oder umkehrbare Berechnung – ausreichend, aber nicht notwendig sind, damit dieser Prozess in GPTs stattfindet.“

Als Hauptforscher des von FAPESP geförderten Projekts sagte Cunha: „Die Quantentheorie kann als Verallgemeinerung der Wahrscheinlichkeitstheorie angesehen werden, aber sie ist bei weitem nicht die einzig mögliche in diesem Ozean möglicher Theorien die klassische Theorie von der Quantentheorie zu unterscheiden Baldijãos Doktorarbeit erklärte, wie der Quantendarwinismus eines der eindeutigsten nicht-klassischen Merkmale der Quantentheorie eliminieren könnte: die Kontextualität, die das Konzept der Verschränkung umfasst.

„Während seines Forschungspraktikums in der Gruppe von Markus Müller in Wien arbeitete Baldijão an etwas noch Allgemeinerem: dem Prozess des Darwinismus in allgemeinen probabilistischen Theorien. Seine Ergebnisse helfen uns, die Dynamik bestimmter Arten von Theorien besser zu verstehen, und zeigen, dass der Darwinismus nur die am besten geeignet ist und somit eine klassische Welt erschafft, ist es kein ausschließlich quantenmechanischer Vorgang.“