Квантовый дарвинизм: Как случайность порождает порядок и почему реальность одна для всех

Век назад квантовая механика подарила нам самый мощный и точный инструмент для описания мира, но взамен потребовала расплатиться здравым смыслом. Она утверждает, что электрон может находиться везде и нигде одновременно, пока на него не посмотрят. Что кот может быть и жив, и мертв, пока не открыли ящик. И что сам акт наблюдения словно обладает магической силой, превращающей призрачную реальность в нечто осязаемое.

Ни одна из классических интерпретаций не смогла до конца примирить нас с этой странностью. Копенгагенская школа предлагает просто смириться и провести черту между квантовым и классическим мирами, не объясняя, где проходит эта граница. Теория многих миров предлагает расплачиваться за порядок в нашей Вселенной бесконечным количеством ее копий, где существуют все наши альтернативные версии. А теории коллапса требуют поверить в таинственный процесс, который "схлопывает" волновую функцию по неизвестным причинам.

Но в марте 2025 года вышла книга, претендующая на то, чтобы закрыть этот спор. Физик Войцех Зурек из Лос-Аламосской лаборатории в своей работе «Декогеренция и квантовый дарвинизм» предлагает механизм, который объясняет переход от квантового мира к классическому, используя лишь саму квантовую теорию и — теорию эволюции.

В чем истинная странность квантов?

Обыватель думает, что главная странность квантов — в их непредсказуемости или принципе неопределенности Гейзенберга (нельзя знать и скорость, и положение частицы). Но это лишь верхушка айсберга.

Главная загадка — в онтологической бедности теории. Уравнения квантовой механики (волновая функция Шрёдингера) блестяще предсказывают вероятности исходов экспериментов, но они абсолютно ничего не говорят о том, что происходит до измерения. В классической физике мяч либо летит, либо лежит. В квантовой — электрон находится в суперпозиции всех возможных траекторий. Реальность как бы «решает», какой ей быть, только в момент контакта с прибором или наблюдателем.

Нильс Бор и Вернер Гейзенберг, отцы-основатели, называли это «разрезом». Для них существовало два сорта физики: классическая (для нас, больших и тяжелых) и квантовая (для атомов). Вопрос «где кончается одно и начинается другое?» они считали метафизическим. Однако сегодня мы умеем наблюдать квантовые эффекты в объектах, видимых в микроскоп. Разрез стерся, и проблема «становления реальным» встала в полный рост.

Шепот Вселенной: Как декогеренция крадет квантовость

Зурек начал с простого, но гениального хода. Он задался вопросом: а что говорит сама квантовая механика о процессе измерения, если рассматривать прибор и частицу как единую квантовую систему?

Ключом стала квантовая запутанность. Когда частица взаимодействует с окружением (с атомом воздуха, фотоном света или детектором), она неизбежно запутывается с ним. Они перестают быть отдельными объектами и становятся частями общей волновой функции.

Что это значит на практике? Представьте, что информация о частице «размазывается» по огромному числу частиц среды. Зурек и его коллега Х. Дитер Це назвали это декогеренцией. Суперпозиция не исчезает магическим образом — она просто «перетекает» в окружение.
Это похоже на каплю чернил в океане. Теоретически чернила никуда не делись, и молекулы красителя по-прежнему существуют. Но восстановить исходную каплю, собрав их обратно, уже невозможно. Так и с квантовым состоянием: оно становится «размазанным» по миллиардам частиц среды.

Декогеренция происходит с убийственной скоростью. Для пылинки в воздухе этот процесс занимает около 10⁻³¹ секунды. Это в миллионы раз быстрее, чем свет проходит сквозь атом. Квантовые эффекты гибнут в этом шуме практически мгновенно.

Эволюция по Дарвину в мире атомов

Но декогеренция — это только половина истории. Если бы информация просто исчезала в среде, мы бы никогда не могли ничего измерить. Мы бы видели только шум.

Зурек пошел дальше и обнаружил, что некоторые квантовые состояния обладают удивительной способностью: они могут создавать свои копии в окружении, не разрушаясь. Эти состояния он назвал «состояниями-указателями».
Например, положение частицы (где она находится) — это состояние-указатель. Фотоны света могут отражаться от частицы и разносить информацию о ее местоположении, при этом сама частица продолжает двигаться по своей траектории. А вот суперпозиция «здесь и там одновременно» не может оставить четкого отпечатка — любая попытка скопировать такое состояние разрушит его.

Здесь в игру вступает метафора Дарвина. В окружающей среде идет настоящий естественный отбор информации. Состояния-указатели (положение, импульс, заряд) — это «наиболее приспособленные» виды. Они умеют размножаться, создавая бесчисленные копии себя в фотонах, молекулах и атомах среды. Те состояния, которые не умеют копироваться (квантовые суперпозиции, интерференционные картины), проигрывают в этой гонке и исчезают из поля зрения наблюдателя. Это и есть квантовый дарвинизм.

Расчеты показывают, что процесс «размножения» информации идет молниеносно. В 2010 году Зурек подсчитал, что фотоны от Солнца за микросекунду создают около 10 миллионов отпечатков местоположения обычной пылинки.

Почему мы видим один мир, а не тысячу?

Если среда полна копий информации об объекте, может ли так случиться, что разные копии будут нести разные данные? Ведь исходное квантовое состояние содержит в себе все вероятности.
Представьте, что электрон может быть со спином «вверх» или «вниз». Может ли один фотон улететь с информацией «вверх», а другой — «вниз», создав две разные реальности для двух разных наблюдателей?

Теория Зурека дает четкий ответ: нет. Все отпечатки должны быть идентичны. Как только объект вступает во взаимодействие со средой, его состояние фиксируется, и среда начинает штамповать копии именно этого состояния. Возникает эффект «навязывания консенсуса».
Объект оказывается окружен облаком идентичной информации о себе. Посмотрев на него, мы неизбежно увидим то, что уже миллионы раз «записано» в окружающем пространстве. Так формируется то, что Зурек называет «относительно объективным существованием» — основа нашей классической реальности.

Эпионтическая природа бытия

Самая красивая часть теории Зурека — это попытка примирить два главных философских лагеря физиков.

• Копенгагенцы считают волновую функцию лишь инструментом знания (эпистемической концепцией).

• Сторонники многих миров считают волновую функцией истинной реальностью (онтической концепцией), где существуют все ветки сразу.

Зурек вводит понятие «эпионтической» природы. По его мнению, волновая функция — это и то, и другое. До декогеренции все возможности существуют в абстрактном, потенциальном пространстве (они есть, но их нет в нашем мире). Декогеренция и квантовый дарвинизм играют роль «шлюза»: они отбирают одну из возможностей и переводят ее в разряд наблюдаемой, классической реальности, тиражируя ее в среде.

Это избавляет нас от необходимости верить в реальность бесконечного числа параллельных вселенных. Другие исходы никуда не деваются, но они остаются «призраками» в математическом пространстве, не имея шанса прорасти в наш мир через взаимодействие со средой.

Тени на стене платоновской пещеры

Несмотря на элегантность, теория Зурека оставляет вопросы, которые перекликаются с древней философией.
Если классический мир — это лишь «тени» на стене пещеры, отбрасываемые более фундаментальной квантовой реальностью, то что есть сама эта реальность? Физик Салли Шрапнел замечает, что подход Зурека объясняет, как возникает классичность, но не отвечает на вопрос, чем является квантовая субстанция.

Критики, такие как Ренато Реннер, указывают на существование мысленных экспериментов, где наблюдатели могут временно расходиться во мнениях до обмена данными. Это намекает на то, что последнее слово в интерпретации квантовой механики, возможно, еще не сказано.

Тем не менее, работа Зурека — это, пожалуй, самый убедительный на сегодняшний день ответ на вопрос, почему мы живем в мире порядка, а не в квантовом хаосе. Реальность едина не потому, что так хочет наблюдатель, а потому, что среда вокруг нас действует как безжалостный редактор, вырезающий всё лишнее и оставляющий лишь то, что можно скопировать.