På den atomära och subatomära skalan beter sig föremål på ett sätt som utmanar den klassiska världsbilden baserat på dagliga interaktioner med makroskopisk verklighet. Ett välbekant exempel är upptäckten att elektroner kan bete sig som både partiklar och vågor, beroende på det experimentella sammanhang där de observeras. För att förklara detta och andra fenomen, som förefaller strida mot fysikens lagar som ärvts från tidigare århundraden, har modeller som är självständiga men har motsägelsefulla tolkningar föreslagits av vetenskapsmän som Louis de Broglie (1892-1987), Niels Bohr (1885). -1962), Erwin Schrödinger (1887-1961) och David Bohm (1917-1992) med flera.

Men de stora debatterna som åtföljde formuleringen av kvantteorin, som involverade särskilt Einstein och Bohr, ledde inte till avgörande resultat. De flesta av nästa generation av fysiker valde ekvationer som härrörde från motstridiga teoretiska ramar utan att oroa sig mycket för de underliggande filosofiska begreppen. Ekvationerna "fungerade", och det var tydligen tillräckligt. Olika tekniska artefakter som nu är triviala baserades på praktiska tillämpningar av kvantteorin.

Det ligger i människans natur att ifrågasätta allt, och en nyckelfråga som dök upp senare var varför det märkliga, till och med kontraintuitiva, beteendet som observerades i kvantexperiment inte visade sig i den makroskopiska världen. För att svara på denna fråga, eller kringgå den, har den polske fysikern Wojciech Zurek utvecklat begreppet "kvantdarwinism".

Enkelt uttryckt är hypotesen att interaktionen mellan ett fysiskt system och dess miljö väljer ut för vissa typer av beteende och utesluter andra, och att de typer av beteenden som bevaras av detta "naturliga urval" är just de som motsvarar den klassiska beskrivningen.

Så, till exempel, när någon läser den här texten, får deras ögon fotoner som interagerar med deras dator- eller smartphoneskärm. En annan person, från en annan synvinkel, kommer att ta emot olika fotoner, men även om partiklarna på skärmen beter sig på sina egna konstiga sätt och potentiellt producerar bilder som är helt olika varandra, väljer interaktion med omgivningen endast en typ av beteende och utesluter vila, så att de två läsningarna kommer åt samma text.

Denna linje av teoretisk undersökning har tagits vidare, med en ännu större grad av abstraktion och generalisering, i en artikel av den brasilianske fysikern Roberto Baldijão publicerad i Quantum , en peer-reviewad tidskrift med öppen tillgång för kvantvetenskap och relaterade områden.

Tidningen rapporterar fynd som är en del av Baldijãos doktorsexamen. forskning, övervakad av Marcelo Terra Cunha, professor vid Institutet för matematik, statistik och vetenskaplig beräkning vid University of Campinas (IMECC-UUNICAMP) i Brasilien.

Medförfattarna till artikeln inkluderar Markus Müller, som ledde Baldijãos forskarpraktik vid Institutet för kvantoptik och kvantinformation (IQOQI) vid den österrikiska vetenskapsakademin i Wien.

"Kvantumdarwinism föreslogs som en mekanism för att erhålla den klassiska objektivitet som vi är vana vid från inneboende kvantsystem. I vår forskning undersökte vi vilka fysiska principer som kan ligga bakom existensen av en sådan mekanism," sa Baldijão.

När han genomförde sin undersökning antog han en formalism som kallas generaliserade sannolikhetsteorier (GPT). "Denna formalism gör det möjligt för oss att producera matematiska beskrivningar av olika fysikaliska teorier och därmed jämföra dem. Den gör det också möjligt för oss att förstå vilka teorier som följer vissa fysikaliska principer. Kvantteori och klassisk teori är två exempel på GPT, men många andra kan också vara beskrivs", sa han.

Enligt Baldijão är det bekvämt att arbeta med GPT eftersom det gör det möjligt att erhålla giltiga resultat även om kvantteorin måste överges någon gång. Dessutom ger ramverket en bättre förståelse av kvantformalism genom att jämföra den med vad den inte är. Till exempel kan den användas för att härleda kvantteorin från enklare fysikaliska principer utan att anta teorin från början. "Baserat på GPTs formalism kan vi ta reda på vilka principer som tillåter existensen av 'darwinism' utan att behöva ta till kvantteorin", sa han.

Det paradoxala resultatet som Baldijão kom fram till i sin teoretiska undersökning var att klassisk teori endast uppstår via "naturligt urval" från teorier med vissa icke-klassiska drag om de involverar "förveckling".

"Överraskande nog beror manifestationen av klassiska beteenden via darwinism på en sådan särskilt icke-klassisk egenskap som förveckling", sa han.

Entanglement, som är ett nyckelbegrepp inom kvantteorin, uppstår när partiklar skapas eller interagerar på ett sådant sätt att varje partikels kvanttillstånd inte kan beskrivas oberoende av de andra utan beror på hela mängden.

Det mest kända exemplet på intrassling är tankeexperimentet som kallas EPR (Einstein-Podolsky-Rosen). Det krävs ett antal stycken för att förklara det. I en förenklad version av experimentet föreställde sig Bohm en situation där två elektroner interagerar och sedan separeras av ett godtyckligt stort avstånd, till exempel avståndet mellan jorden och månen. Om spinn av en elektron mäts kan det vara spin upp eller ner, med båda har samma sannolikhet. Elektronspinn kommer alltid att peka antingen uppåt eller nedåt efter en mätning - aldrig i någon vinkel däremellan. Men på grund av hur de interagerar måste elektronerna paras ihop, vilket innebär att de snurrar och kretsar i motsatta riktningar, oavsett mätriktning. Vilken av de två som kommer att snurras upp eller ner är okänd, men resultaten kommer alltid att vara motsatta på grund av deras intrassling.

Experimentet var tänkt att visa att kvantteorins formalism var ofullständig eftersom intrassling förutsatte att information färdades mellan de två partiklarna med oändlig hastighet, vilket var omöjligt enligt relativitetsteorin. Hur kunde de avlägsna partiklarna "veta" åt vilket håll de skulle snurra för att ge motsatta resultat? Tanken var att dolda variabler verkade lokalt bakom kvantscenen och att den klassiska världsbilden skulle rättfärdigas om dessa variabler övervägdes av en mer omfattande teori.

Albert Einstein dog 1955. Nästan ett decennium senare motbevisades hans argument mer eller mindre av John Bell (1928-1990), som konstruerade ett teorem för att visa att hypotesen att en partikel har definitiva värden oberoende av observationsprocessen är oförenlig med kvantteorin, liksom omöjligheten av omedelbar kommunikation på distans. Med andra ord, den icke-lokalitet som kännetecknar intrassling är inte en defekt utan ett nyckeldrag i kvantteorin.

Oavsett dess teoretiska tolkning har den empiriska existensen av intrassling visats i flera experiment som genomförts sedan dess. Att bevara intrassling är nu den största utmaningen i utvecklingen av kvantberäkning eftersom kvantsystem tenderar att förlora koherens snabbt om de interagerar med miljön. Detta för oss tillbaka till kvantdarwinismen.

"I vår studie visade vi att om en GPT uppvisar dekoherens beror detta på att det finns en transformation i teorin som kan implementera den idealiserade darwinismens process som vi övervägde," sa Baldijão. "På liknande sätt, om en teori har tillräcklig struktur för att möjliggöra reversibel beräkning - beräkning som kan ångras - så finns det också en transformation som kan implementera darwinism. Detta är mycket intressant med tanke på beräkningstillämpningarna av GPT."

Som ett kompletterande resultat av studien ger författarna ett exempel på "icke-kvantdarwinism" i form av förlängningar av Spekkens leksaksmodell, en teori som föreslogs 2004 av den kanadensiske fysikern Robert Spekkens, för närvarande seniorforskare vid Perimeter Institute för teoretisk fysik i Waterloo, Ontario. Denna modell är viktig för den djupgående undersökningen av kvantfysikens grunder eftersom den reproducerar många former av kvantbeteende på basis av klassiska begrepp.

"Modellen uppvisar inte någon form av icke-lokalitet och är oförmögen att bryta mot Bells ojämlikheter," sa Baldijão. "Vi visar att det kan uppvisa darwinism, och det här exemplet visar också att de villkor vi hittade för att garantera närvaron av darwinism - dekoherens eller reversibel beräkning - är tillräckliga men inte nödvändiga för att denna process ska inträffa i GPTs."

Som huvudutredare för projektet finansierat av FAPESP hade Cunha detta att säga:"Kvantumteori kan betraktas som en generalisering av sannolikhetsteorin, men det är långt ifrån den enda möjliga. De stora utmaningarna i vårt forskningsfält inkluderar att förstå egenskaperna som särskilja klassisk teori från kvantteori i denna ocean av möjliga teorier Baldijãos doktorsavhandling syftar till att förklara hur kvantdarwinism kunde eliminera ett av de tydligaste icke-klassiska dragen hos kvantteorin:kontextualitet, som omfattar begreppet förveckling.

"Under sin forskarpraktik hos Markus Müllers grupp i Wien arbetade Baldijão med något ännu mer allmänt:darwinismens process i allmänna sannolikhetsteorier. Hans upptäckter hjälper oss att bättre förstå dynamiken i vissa typer av teorier, vilket visar att eftersom darwinismen endast bevarar starkast och därmed skapar en klassisk värld, det är inte en exklusivt kvantprocess." + Utforska vidare

Entanglement är ett oundvikligt inslag i verkligheten