Quantendarwinismus

Der Quantendarwinismus ist eine Theorie, die eine auf Darwinscher Selektion basierende Entstehung der klassischen Welt aus der Quantenwelt beschreibt. Sie wurde von Wojciech Zurek und einer Forschergruppe, zu deren Mitgliedern Ollivier, Poulin, Paz und Blume-Kohout gehören, vorgeschlagen. Die Entwicklung der Theorie geht auf eine Vernetzung einiger Forschungsgebiete Zureks zurück: sogenannte Pointerzustände (pointer states), die in ihrer Umgebung robust sind und nich verschmieren, die Theorie der Dekohärenz und der einselection ("environment-induced superselection", der durch die Umwelt verursachten Selektion von Zuständen). Zurek betreibt diese Forschungen seit 25 Jahren.

Auswirkungen

Ähnlich wie Zureks Theorie der envariance (von "entanglement-assisted invariance", also der durch Quantenverschränkung gestützten Invarianz), erklärt der Quantendarwinismus, wie die klassische Welt aus der Quantenwelt entsteht und bietet mögliche Lösungen für das Messproblem der Quantenphysik, welches die größte Herausforderung auf dem Gebiet der Quantentheorie darstellt. Dieses Problem kommt dadurch zustande, dass der Vektor des Quantenzustands, die Quelle jedes Wissens um Quantensysteme, sich gemäß der Schrödingergleichung zu einer linearen Superposition unterschiedlicher Zustände entwickelt, womit widersprüchliche Situationen wie z. B. „Schrödingers Katze“ vorausgesagt werden können - Situationen, die in unserer klassischen Welt nie stattfinden. Die Quantentheorie hat dieses Problem üblicherweise behandelt, als sei es durch eine nicht-unitäre Transformation des Zustandsvektors in einen definitiven Zustand zum Zeitpunkt der Messung gelöst.

Es bietet eine sehr genaue Möglichkeit der Einschätzung des Wertes des definitiven Zustands, welcher in Form einer Wahrscheinlichkeit für jeden möglichen Messwert gemessen wird.

Der physikalische Charakter des Übergangs von der Superposition der Zustände zum eindeutigen, gemessenen klassischen Zustand wird durch die traditionelle Theorie nicht erklärt, sondern normalerweise wie ein Axiom behandelt und war die Grundlage für die - möglicherweise berühmteste in der Physikgeschichte - auf Vollständigkeit der Quantentheorie bezogene Auseinandersetzung zwischen Niels Bohr und Albert Einstein.

Der Quantendarwinismus beschreibt den Übergang der Quantensysteme vom riesigen Potenzial an Quantensystemen zur sehr eingeschränkten Menge an Pointerzuständen als einen Selektionsprozess der sogenannten einselection, dem das Quantensystem durch seine ständigen Wechselwirkungen mit der Umwelt ausgesetzt ist. Alle Quantenwechselwirkungen, Messprozesse eingeschlossen, typischerweise aber eher Wechselwirkungen mit der Umwelt wie z. B. mit einem Photonenmeer, in das alle Quantensysteme eintauchen, führen zu einer Quantendekohärenz oder der Manifestierung des Quantensystems auf einer bestimmten Grundlage, die vom Charakter der Wechselwirkung, an der das Quantensystem beteiligt ist, vorgeschrieben wird. Für den Fall einer Wechselwirkung mit der Umwelt haben Zurek und seine Mitarbeiter gezeigt, dass eine bevorzugte Grundlage, in die ein Quantensystem dekohäriert, die Pointer-Grundlage ist, die vorhersagbaren klassischen Zuständen zugrunde liegt. Auf diese Weise werden die Pointerzustände der klassischen Realität aus der Quantenrealität selektiert und existieren in einem Zustand im makroskopischen Bereich, welcher eine weitere Entwicklung - Evolution - ermöglicht.

Da die Wechselwirkungen eines Quantensystems mit seiner Umwelt in einer Erfassung vieler redundanten Kopien der Information über seine Pointerzustände resultiert, steht diese Information vielen Beobachtern zur Verfügung, welche sich über ihre Information bezüglich des Quantenzustands einigen können. Dieser Aspekt der einselection, welcher von Zurek „Environment as Witness - Die Umgebung als Zeuge“ bezeichnet wird, führt potenziell zu objektivem Wissen.

Die Bedeutung des Darwinismus

Möglicherweise ist es genauso wichtig, diese Theorie als einen darwinistischen Prozess zu identifizieren, welcher als Selektionsmechanismus arbeitet und unsere klassische Realität entstehen lässt. Wie zahlreiche Wissenschaftler verdeutlicht haben, wird jedes System, das einen darwinistischen Prozess beinhaltet, sich entwickeln (evolvieren). Darwinistische Prozesse sind nicht auf die Biologie beschränkt, sondern sind stets solche, die den einfachen darwinistischen Algorithmen Folge leisten:

1. Reproduktion - die Fähigkeit, Kopien von sich herzustellen und so Nachfahren zu produzieren.
2. Vererbung - die Fähigkeit, Eigenschaften an Kopien weiterzugeben.
3. Variabilität - Unterschiede zwischen vererbbaren Eigenschaften, die "Fitness" oder auch Fähigkeit zu überleben und sich zu fortzupflanzen, was zu unterschiedlichen Überlebenschancen führt.

Der Quantendarwinismus scheint diesem Algorithmus zu folgen und die Bezeichnung daher treffend gewählt zu sein.

1. Vielfältige Kopien von Pointerzuständen
2. Die Pointerzustände entwickeln sich auf eine kontinuierliche, vorhersagbare Art und Weise, das heißt, dass Nachfahren viele ihrer Eigenschaften von vorhergehenden Zuständen erben.
3. Sukzessive Wechselwirkungen zwischen Pointerzuständen und ihrer Umwelt zeigen, dass diese sich weiterentwickeln und die Zustände "überleben", was mit den Vorhersagen der klassischen Physik innerhalb der makroskopischen Welt übereinstimmt.

Aus dieser Perspektive bietet der Darwinismus eine darwinistische Erklärung der Grundlage unserer Realität und erklärt den Verlauf oder die Evolution unserer klassischen makroskopischen Welt. Es ist vielleicht überraschend, dass derselbe Mechanismus, der die Entstehung der klassischen Realität aus der Quantenrealität ermöglicht, laut wissenschaftlichen Theorien auch als ein Mechanismus angesehen wird, der die Entstehung der Biologie aus der Chemie und der Kultur aus der Biologie ermöglicht.

Literatur

• S. Haroche, J.-M. Raimond, Exploring the Quantum: Atoms, Cavities, and Photons, Oxford University Press (2006), ISBN 0-198-50914-6, S. 77 ff.
• M. Schlosshauer, Decoherence and the Quantum-to-Classical Transition, Springer 2007, ISBN 3-540-35773-4, Kap. 2.9, S. 85 ff.

Weblinks

• Universal Darwinism: Quantum Darwinism
• American Physical Society: Quantum Darwinism Published

Originalarbeiten und Belege

• W. Zurek, Quantum Darwinism, Nature Physics 5 (2009) S. 181 - 188 (doi:10.1038/nphys1202).
• R. Blume-Kohout, W. H. Zurek, Quantum Darwinism: Entanglement, branches, and the emergent classicality of redundantly stored quantum information, Phys. Rev. A 73, 062310 (2006).arXiv:quant-ph/0505031v2, Online als pdf Datei.
• Zurek Quantum Darwinism and Envariance, 2003, pdf Datei
• Ollivier, Poulin, Zurek Environment as a Witness: Selective Proliferation of Information and Emergence of Objectivity in a Quantum Universe, 2004, pdf Datei
• Zurek Probabilities from entanglement, Born’s rule vom envariance, 2004, pdf Datei
• Zurek Decoherence and the Transition from Quantum to Classical—Revisited, Los Alamos Science 2002, Update seines Aufsatzes zur Dekohärenz in Physics Today 1991
• Zurek Relative States and the Environment: Einselection, Envariance, Quantum Darwinism, and the Existential Interpretation, 2007, pdf Datei
• Quantum Darwinism on arxiv.org