شبیه‌سازی‌ها نکاتی را ارائه می‌دهند که چگونه چندجهانی تولید شده بر اساس تفسیر جهانی مکانیک کوانتومی ممکن است با جهان کلاسیک و پایدار ما سازگار باشد.

شکل 1: طبق شبیه‌سازی‌های مبتنی بر «تفسیر جهان‌های متعدد» مکانیک کوانتومی، مانند مجموعه‌ای از جت‌های آبپاش که از ذرات کوانتومی بی‌شمار پدید می‌آیند، مجموعه‌ای از جهان‌ها با ویژگی‌های کلاسیک ممکن است به طور طبیعی از یک سیستم کوانتومی پیچیده پدید آیند.

ما مکانیک کوانتومی را به اندازه کافی خوب می‌شناسیم که بتوانیم پیش‌بینی‌های بسیار دقیقی از طیف اتمی گرفته تا ساختار ستاره‌های نوترونی انجام دهیم و از این پیش‌بینی‌ها در دستگاه‌هایی مانند لیزر، ماشین‌ها MRI و میکروسکوپ‌های تونل‌زنی با موفقیت استفاده کنیم. با این حال، هیچ توضیح پذیرفته‌شده‌ای وجود ندارد که چگونه واقعیت چنین دستگاه‌هایی - یا اشیایی مانند گربه‌ها، ماه‌ها و مردم - از یک موج کوانتومی ابرگونه در یک فضای ریاضی انتزاعی به وجود می‌آیند. برخی از فیزیکدانان ترجیح می دهند مشکل را نادیده بگیرند و پیشنهاد می کنند که ما فقط باید "ساکت بمانیم و محاسبه کنیم!" برخی دیگر از طریق اصلاح نظریه کوانتومی به طرق مختلف یا با جستجوی راه هایی برای توضیح چگونگی پدید آمدن ساختارهای پایدار از خود نظریه کوانتومی به دنبال پاسخ هستند. با اتخاذ رویکرد دوم، فیلیپ استراسبرگ و همکارانش در دانشگاه بارسلون در اسپانیا از شبیه‌سازی استفاده می‌کنند تا نشان دهند که در مقیاس‌های بزرگ، یک واقعیت قوی با ویژگی‌های کلاسیک می‌تواند برای دسته وسیعی از سیستم‌های کوانتومی، مستقل از ریزساختار دقیق آنها پدیدار شود[1] .نتیجه گیری آنها نشان می دهد که چگونه پیدایش جهان کلاسیک ما را می توان در چارچوب "تفسیر جهان های متعدد" مکانیک کوانتومی توضیح داد، که در آن هر بار که اندازه گیری انجام می شود، جهان های موازی بی شماری از یکدیگر منشعب می شوند. به زبان ساده، ایده این است که ویژگی‌های کلاسیک در مقیاس بزرگ از دینامیک کوانتومی زیرین بیرون می‌آیند، بسیار شبیه جت‌های ماکروسکوپی پایدار یک آبپاش باغی که از مسیرهای چرخشی میکروسکوپی بی‌شمار مولکول‌های آب بیرون می‌آیند (شکل 1). نتایج دارای پیامدهای بالقوه گسترده ای هستند، از کیهان شناسی تا مکانیک آماری.

پارادوکس معروف گربه شرودینگر در مورد تقویت یک اثر کوانتومی - یک اتم رادیواکتیو که هم دچار واپاشی شده و هم نشده - یک اثر در مقیاس بزرگ است - گربه ای که هم مرده و هم زنده است. اما ما چنین گربه هایی را نمی بینیم. به طور کلی، جهان اطراف ما شامل اجسام پایدار با ویژگی هایی است که توسط فیزیک کلاسیک به خوبی توصیف شده است. با این حال، این اجرام پایدار از بسیاری از سیستم‌های ریزمقیاسی تشکیل شده‌اند که توسط فیزیک کوانتومی کنترل می‌شوند. چگونه این دو تصویر را با هم هماهنگ کنیم؟

دریک روش مناسب برای انجام این کار دو نوع دینامیک کوانتومی فرض میشود: اولی معادله شرودینگر است که بر تکامل تابع موج کوانتومی یک سیستم کوانتومی ایزوله حاکم است. دومی فروپاشی این تابع موج است که زمانی رخ می دهد که سیستم با یک سیستم کلاسیک برهمکنش داشته باشد. در حالی که این رویکرد از نظر محاسباتی مفید است، در آن صرفاً یک تمایز کوانتومی-کلاسیک بدون توضیح آن پیش‌فرض گرفته می شود. در عوض، رویکردهای پیچیده‌تر پیشنهاد می‌کنند که خود معادله شرودینگر باید اصلاح شود و آن را به گونه‌ای تغییر دهیم که باعث شود تابع موج در مرکز جرم هر جسم معینی فرو بریزد. با این حال، تا به امروز، رویکردهای مبتنی بر چنین تغییراتی توسط آزمایش‌ها پشتیبانی نشده‌اند [2].

یک رویکرد متفاوت، توضیح ظهور دنیای کلاسیک به عنوان پیامد ذاتی خود معادله شرودینگر است. به عنوان مثال، در تفسیر جهان های متعدد، این معادله به عنوان توصیف مجموعه ای از جهان های موازی درک می شود که به طور مداوم در نتیجه رویدادهای کوانتومی به جهان های جدید منشعب می شوند [3]. گربه شرودینگر همیشه در هر جهان یا مرده یا زنده است، بسته به اینکه آیا اتم در آن جهان دچار واپاشی شده باشد یا نه. وعده این رویکرد این است که تکامل کوانتومی و واقعیت درک شده ما را یکی کند: همه چیز در کوچکترین و بزرگترین مقیاس ها کوانتومی است، بدون نیاز به دینامیک اصلاح شده یا فروپاشی تابع موج. با این حال، بسیاری از فیزیکدانان متقاعد نشده اند که این وعده محقق شده است: چگونه انشعاب مداوم جهان ها به جای تصادفی کاملاً آشفته، به واقعیت پایدار گربه ها، ماه ها و مردم منجر می شود؟

استراسبرگ و همکارانش به شیوه ای بدیع به این مسئله می پردازند. بسیاری از کارهای قبلی پاسخ را به ایده ناپیوستگی ناشی از محیط مرتبط می‌سازد، که به موجب آن اجسام پایدار از برهمکنش‌های بسیاری از اجزای یک سیستم کوانتومی با محیط خارجی خود به وجود می‌آیند [4]. این فعل و انفعالات به طور موثر اثرات تداخل کوانتومی را در اعماق بسیاری از درجات آزادی محیطی دورتر پنهان می کنند و مشاهده آنها را در عمل غیرممکن می کند. با این حال، این رویکرد از یک تنظیم ظریف مشکل دار رنج می برد، به این معنی که فقط برای انواع خاصی از برهمکنش ها و توابع موج اولیه به خوبی کار می کند. علاوه بر این، معمولاً فقط برای مدل‌های بسیار ساده‌شده مورد بررسی قرار گرفته است. در مقابل، استراسبرگ و همکارانش نشان می‌دهند که برای طیف وسیعی از تحولات احتمالی یک تابع موج با سطوح انرژی زیاد، مجموعه‌ای از ویژگی‌های پایدار خودسازگار در مقیاس‌های بزرگ قابل مشاهده پدیدار می‌شوند. علاوه بر این، مدل آنها نیازی به تنظیم دقیق ندارد: این ویژگی ها برای انتخاب شرایط اولیه و جزئیات برهمکنش ها بین سطوح انرژی در مقیاس های کوچک قوی هستند.

برای دستیابی به نتیجه، محققان از قدرت فوق‌العاده رایانه‌های مدرن برای شبیه‌سازی تکامل کوانتومی تا مقدار چشمگیر 50000 سطح انرژی استفاده می‌کنند. چنین عددی در مقایسه با آنچه که برای شبیه‌سازی پدیده‌های کلاسیک روزمره مورد نیاز است، هنوز کم است، اما در مقایسه با شبیه‌ سازی‌های قبلی در سیستم‌های بسیار ساده‌تر، بسیار قابل توجه است. این تیم طیف گسترده‌ای از قدرت جفت شدگی و توابع موج اولیه را در نظر می‌گیرد (به طور تصادفی در دسته های خاصی از تکامل توصیف‌شده توسط هامیلتونی‌ها با همان شکل گسترده انتخاب شده‌اند). نتایج آنها نشان می دهد که، صرف نظر از این انتخاب ها، تقریباً همان ساختار مقیاس بزرگ انشعاب های پایدار ظاهر می شود. این نتیجه‌گیری که بدون توسل به محیط خارجی یا تنظیم ظریف به دست آمده است، از این ایده پشتیبانی می‌کند که واقعیت کلاسیک ما می‌تواند خود را از یک بستر کاملاً کوانتومی بالا بکشد.

نتایج مربوط به درک تمایز مرموز کوانتومی-کلاسیک است و یک رویکرد عددی نوآورانه را معرفی می‌کند که می‌تواند راه را برای حل برخی از کاستی‌های درک شده در تفسیر جهان‌های متعدد هموار کند. اما این کار همچنین به ایده‌هایی از مکانیک آماری مربوط می‌شود، از جمله تلاش‌هایی برای توضیح ظهور یک جهت زمانی در جهان ما. به عنوان مثال، محققان نتیجه اصلی خود را (ظهور یک ساختار ماکروسکوپی پایدار و به آرامی در حال تکامل) به عنوان تصادفی‌سازی ذاتی ناشی از فازهای کوانتومی در مقیاس خرد تفسیر می‌کنند - شبیه به اینکه چگونه، در مکانیک آماری کلاسیک، ویژگی‌های ماکروسکوپی مانند فشار و دما از حرکت میکروسکوپی آشفته و بی نظم ناشی می شود. آنها همچنین نشان می‌دهند که برای طبقه تکاملی که در نظر می‌گیرند، برخی از انشعاب‌ها به جهان‌هایی منتهی می‌شوند که در آن‌ها آنتروپی به طور کلی افزایش می‌یابد، مانند جهان ما، و برخی که در آنها به طور کلی کاهش می‌یابد - که منجر به دو دسته از جهان‌ها با جهت ‌های آنتروپیک از زمان مخالف می‌شود. جالب است که این دنیاها بخشی از یک چندجهانی فراگیر هستند که در آن تقارن زمانی در سطح جهانی رعایت می شود.

این نتایج همه سؤالات برجسته در مورد تفسیر جهان های متعدد و نیاز آن به جهان ها و شاخه های بی شماری را برای توضیح دنیای واحدی که ما تجربه می کنیم حل نمی کند. به عنوان مثال، محققان نشان می‌دهند که مجموعه‌ای پایدار از جهان‌ها و شاخه‌ها وجود دارد، اما نشان نمی‌دهند که این مجموعه منحصربه‌فرد است (اگرچه از نظر کیفی استدلال می‌کنند که احتمالاً چنین است). و آنها نمی توانند توضیح دهند که چرا ما قوانینی مانند بقای انرژی یا قانون بورن را - که احتمال اینکه اندازه گیری در یک سیستم کوانتومی نتیجه خاصی داشته باشد - را در شاخه واحدی از چندجهانی که به آن دسترسی داریم (دنیای ما) تجربه می کنیم. کار اخیر دو محقق از این تیم نشان می‌دهد که رویکردی مشابه با رویکردی که در اینجا دنبال می‌شود می‌تواند تا حدودی موضوع دوم را روشن کند [5]. واضح است که برای پیشرفت در این جبهه ها به کار بیشتری نیاز است.

1. P. Strasberg et al., “First principles numerical demonstration of emergent decoherent histories,” Phys. Rev. X 14, 041027 (2024).
2. A. Bassi et al., “Collapse models: A theoretical, experimental and philosophical review,” Entropy 25, 645 (2023).
3. L. Vaidman, “Many-worlds interpretation of quantum mechanics,” in The Stanford Encyclopedia of Philosophy, edited by E. N. Zalta (Metaphysics Research Lab, Stanford University, 2021), edition Fall; https://plato.stanford.edu/archives/fall2021/entries/qm-manyworlds/.
4. W. H. Zurek, “Decoherence, einselection, and the quantum origins of the classical,” Rev. Mod. Phys. 75, 715 (2003).
5. P. Strasberg and J. Schindler, “Shearing off the tree: Emerging branch structure and Born’s rule in an equilibrated multiverse,” arXiv:2310.06755.

منبع:

Can Classical Worlds Emerge from Parallel Quantum Universes?