Студентам объясняют, как решать уравнение и получать волновую функцию, остается неясным, как эта функция «схлопывается» в единственное наблюдаемое состояние. Этот процесс, лежащий в основе перехода от квантового мира к классическому, исследуется учеными с момента появления квантовой теории.
Работа команды исследователей из Испании проливает свет на эту проблему. Ученые из Автономного университета Барселоны провели численные симуляции, которые показали, что на макроскопических масштабах свойства классического мира могут естественным образом возникать из квантовой системы.
Квантовая механика описывает поведение отдельных частиц, например, электронов или фотонов, на основе волновых функций. Эти функции могут находиться в суперпозиции состояний, что приводит к странным явлениям, вроде знаменитого парадокса кота Шредингера, который может быть одновременно живым и мертвым до момента измерения. Однако, как подчеркивают ученые, в больших масштабах квантовые эффекты, например, интерференция, исчезают, что и приводит к появлению привычной нам картины мира.
«Квантовая физика противоречит нашему классическому опыту на уровне поведения отдельных частиц, — объясняет ведущий автор исследования Филипп Штрасберг. — Однако при переходе к крупным объектам, которые мы можем воспринимать, квантовые эффекты исчезают, и мир становится классическим».
Исследователи изучили, как из множества энергетических уровней и форм волновой функции может формироваться стабильная структура, напоминающая наш привычный мир. Они показали, что этот процесс не требует тонкой настройки параметров системы, а является универсальным явлением, происходящим в самых разных условиях. При этом переход от квантового к классическому состоянию происходит очень быстро — экспоненциально с увеличением размера системы.
Для своих исследований команда смоделировала квантовую эволюцию с использованием до 50 тысяч энергетических уровней, что значительно превышает масштаб предыдущих работ. Они обнаружили, что на макроскопических уровнях возникает устойчивая структура, медленно изменяющаяся со временем, и это позволяет говорить о появлении «классических миров» из квантового хаоса.
Особенно интересным стало открытие того, что такие классические структуры могут возникать даже в системах, находящихся в состоянии термодинамического равновесия. Хотя наш мир, вероятно, не соответствует этим условиям, это демонстрирует, что порядок и направление времени могут возникать в отдельных «ветвях» квантовой многомировой структуры, даже если общая система остается хаотичной и симметричной во времени.
Работа также связана с законами статистической механики, где такие макроскопические свойства, как температура или давление, возникают из случайного движения частиц. Исследователи обнаружили, что некоторые ветви квантовой системы приводят к мирам с увеличением энтропии (стрелой времени), тогда как другие, напротив, — к ее уменьшению.
Полученные результаты углубляют наше понимание того, как из квантового хаоса формируется наблюдаемый нами мир, и открывают новые возможности для изучения фундаментальных законов природы.
Ранее физики впервые в истории описали геометрию квантов.