Teoria gier w mechanice kwantowej

Cząstki kwantowe zachowują się w dziwny sposób i często trudno je zbadać doświadczalnie. Korzystając z metody matematycznej zaczerpniętej z teorii gier pokazano, jak bozony, które lubią wprowadzać się w ten sam stan, mogą tworzyć wiele grup.

Badanie tajemniczego zachowania cząstek kwantowych wkrótce osiągnie granice obecnych możliwości eksperymentalnych. Od tego momentu postęp będzie możliwy tylko przy pomocy pomysłów teoretycznych; jednym z nich jest badanie zachowań bozonów. Cząstki kwantowe zwane bozonami lubią tworzyć klastry. Ale przy zastosowaniu metod z dziedziny matematycznej teorii gier, można wyjaśnić, dlaczego i na jakich warunkach bozony tworzą zróżnicowane grupy.

W przyrodzie istnieją dwa rodzaje cząstek kwantowych: fermiony i bozony; to czy cząstka jest fermionem, czy bozonem zależy od jej wewnętrznego momentu pędu i spinu. Dla fermionów, spin jest zawsze połową liczby całkowitej, czego najbardziej znanym przykładem jest elektron. Bozony, z kolei, zawsze wykazują całkowity spin; przykładowo taki spin mają fotony, ale również całe atomy mogą być bozonami. Bozony są zwierzętami społecznymi, które lubią być na tej samej długości fali lub lubią być w tym samym stanie kwantowym. Gdy bozony chłodzi się do temperatury -273,15 °C, w pobliżu zera absolutnego mogą nawet zaczynać pracować jako pojedyncze "super" cząstki. Powodem, dla którego tak się dzieje jest to, że w tak niskich temperaturach, wszystkie bozony chcą osiedlić się w możliwie najniższym stanie energetycznym.

Ta grupa super-cząstek jest nazywana kondensatem Bose-Einsteina, przy czym kondensat  oznacza grupę cząsteczek, które zachowują się w ten sam sposób. Stworzenie takiego kondensatu zostało zaproponowane w latach dwudziestych XX wieku, a  w latach dziewięćdziesiątych eksperymentatorzy ultra-zimnych gazów atomowych ostatecznie potwierdzili te wieloletnie prognozy.

Dopiero niedawno naukowcy wymyślili teorię, że zbiór bozonów powinien być zdolnym do tworzenia wielu kondensatów. Aby osiągnąć ten cel, bozony muszą być w układzie otwartym, w którym energia jest okresowo pompowana z zewnątrz - na przykład za pomocą lasera – następnie każdy bozon uwalnia energię do otoczenia.

Siła teorii gier leży w jej zdolności do wyjaśniania zachowań i interakcji kolektywów. Każdy członek ma własną strategię; teoria gier może wyjaśniać skomplikowane procesy podejmowania decyzji i formowanie się podgrup o różnych opiniach. Obecnie wykazano, że nawet zachowanie bozonów może być rozumiane w kontekście teorii gier. I ten wgląd doprowadził  do fizycznej zasady leżącej u podstaw kondensacji bozonów w wielu stanach.

"Nasza teoria jest oparta na intuicji, wyjaśnia Johannes Knebel, doktorant w grupie badaczy "Na początku, wszystkie bozony robią swoje. Ale ponieważ energia może przepływać do i z systemu, bozony ostatecznie tworzą grupy w poszczególnych stanach kwantowych, podczas gdy inne stany zostają rozładowane”.

Podobnie, gdy wielu graczy - o różnych strategiach konkurowania przeciwko sobie - rywalizuje, tylko skuteczne strategie ostatecznie dominują. Inne strategie znikają w czasie. Ta sama dynamika może być zaobserwowana w trakcie dyskusji przy okrągłym stole. Na początku każdy ma inne zdanie, ale przetrwa tylko kilka opinii, które podziela większość dyskutantów. Stąd powiedzenie: porządek wyłania się z czasem.

Sformułowano ewolucję ustalania się porządku w aspekcie zmniejszania się względnej entropii, prowadzącej do kolektywnych zachowań bozonów. W kwestii wybijania bozonów z równowagi obiecująco rokują na przyszłość eksperymenty z ultra-zimnych gazów atomowych.

Interaktywne wszechświaty

Powyższa koncepcja zakłada, iż cząstki wielu wszechświatów mogą wchodzić w reakcje z cząstkami naszego świata. Ma ona stanowić wyjaśnienie takich zjawisk, implikowanych przez mechanikę kwantową, jak: znajdowanie się cząstek w więcej niż jednym miejscu lub komunikowanie się ich z prędkością większą niż światło na ogromnych dystansach.

Cząstki zajmują konkretne miejsce w danym wszechświecie, ale w zależności od wszechświata miejsca te różnią się – stąd wrażenie, iż są w kilku miejscach naraz.

Komunikowanie się cząstek bardzo od siebie oddalonych, to tak naprawdę komunikacja sąsiadujących ze sobą wszechświatów.

W nanoświecie cząstki nie zachowują się jak większe obiekty, mające stale określoną pozycję. Kiedy naukowcy obserwują cząstki kwantowe, zachowują się one jak cząstki, ale kiedy ich nie obserwują, stają się one falami.

Teoria wielu wszechświatów oparta jest na standardowej matematyce kwantowej, a więc nie jest jasne: gdzie znajdują się owe wszechświaty i jak są zdefiniowane. Jej sposób objaśniania zjawisk przypomina stado ptaków, które wyleciało z jednego gniazda. Pominięcie funkcji falowej w tej teorii tłumaczone jest następująco: „budowanie wszechświata przypomina stawianie rusztowań, im mniej części ruchomych tym łatwiejszy opis matematyczny”.

Istnienie funkcji falowej powoduje narastanie całej masy interpretacji o charakterze filozoficznym; powyższa teoria zadaje pytanie: „Czy funkcja falowa istnieje?” oraz: „Co może ją zastępować?”.

Fizycy kwantowi wiedzą: albo gdzie się znajdują cząstki, albo gdzie zmierzają – nie możliwe jest stwierdzenie tego jednocześnie. Teoria interakcji wielu wszechświatów mogłaby przywrócić poprzednie postrzeganie świata, gdzie obie te informacje są możliwe.

Falę zastąpiłyby trajektorie cząstek, a każda z nich reprezentowałaby inny wszechświat.

Niedokładność pozycji cząstek traktowana jest więc jako przejaw interakcji z innym wszechświatem. Aczkolwiek interakcje zachodzą na poziomie mikroskopowym, nie można wykluczyć, iż inne wszechświaty istnieją także i różnią się w skali makroskopowej. 

Kwantowy termometr

Zdeterminowano granicę najbardziej dokładnego pomiaru temperatury, na jaki pozwalają prawa fizyki.

Termometr ten mogłyby wykryć nawet najmniejsze wahania temperatury w mikroświecie; przykładowo zmian w komórkach organizmów. Składa się on z kilku atomów, a więc jest dostatecznie mały, aby wychwycić efekty kwantowe.

Opracowanie i praktyczne wdrożenie wrażliwego nano-skalowego termometru stanowiłyby ogromny skok do przodu, gdyż taka technologia umożliwiłaby mnóstwo zastosowań w biochemii, chemii, fizyce oraz w diagnostyce i leczeniu wielu chorób.

Dr Gerardo Adesso, który prowadził  badaniu, powiedział: "W tym eksperymencie przeprowadzamy pełną charakterystykę sond, które szacują temperaturę z maksymalną dokładnością, a także margines błędu, który musi towarzyszyć każdemu szacowaniu temperatury Dla potrzeb badania łączymy narzędzia termodynamiki i metrologii kwantowej, która zajmuje się ultra-precyzyjnymi pomiarami układów kwantowych.  Znajdujemy zachwycające i inspirujące połączenia między nimi”.

Uczeni przedstawiają również, jak poświęcając pewną dokładność w pomiarze,  możliwe jest uzyskanie innych pożądanych cech w termometrze, przykładowo stałą czułości w szerokim zakresie temperatur.

Wreszcie możliwe jest uzyskanie maksymalnej dokładności osiąganej w rzeczywistych sytuacjach, w których czas ekspozycji dla pomiaru temperatury może być bardzo krótki ze względu na nieuniknione ograniczenia eksperymentalne.

                                              Dla odmiany termometr gigant

Interferencja atomów

Dziwna natura rzeczywistości, określona przez teorię kwantową, przetrwała kolejny test; stało się tak za sprawą naukowców, którzy wykonali eksperyment i udowodnili, że ​​rzeczywistość nie istnieje, dopóki nie zostanie zmierzona.

Fizycy z Australian National University (ANU) przeprowadzili eksperyment myślowy Johna Wheelera o nazwie: ,delayed-choice thought experiment”: poruszającemu się obiektowi pozostawiona została swoboda w decydowaniu, czy ma się zachowywać jak fala czy jak cząstka. Eksperymentator Wheeler pyta - w którym momencie obiekt ma zdecydować?

Zdrowy rozsądek mówi, że obiekt może być zarówno falą, jak i cząstką, niezależnie od tego, jak mierzymy go. Ale fizyka kwantowa przewiduje, że to, czy obserwujemy zachowanie falowe, czy też nie, zależy od tego: jak badany obiekt zostanie zmierzony pod koniec jego ruchu.

To pokazuje, że pomiar jest wszystkim. Na poziomie kwantowym, rzeczywistość nie istnieje, jeśli nie patrzymy na nią.

Pomimo pozornej tajemniczości, wyniki potwierdzają słuszność teorii kwantowej, która rządzi mikro-światem, i umożliwia rozwój wielu technologii, takich jak diody LED, lasery i komputerowe układy scalone.

Zespoli badaczy udało się nie tylko przeprowadzić eksperyment, co wydawało się prawie niemożliwe, kiedy został zaproponowany w 1978 roku, ale także odwrócić oryginalną koncepcję Wheelera wiązek światła odbijanych przez lustro - zamiast tego uzyskano atomy rozproszone przez światło lasera.

Przewidywania fizyki kwantowej co do interferencji fal wydają się dziwne, ale wnioski po wykonaniu eksperymentu z atomami, które mają masę i oddziałują ze sobą, przeistaczają ową dziwność w dziwaczność.

Zespół badaczy uwięził zbiór atomów helu w stanie zawieszenia znanym jako kondensat Bosego-Einsteina, a następnie pozbywał się kolejnych z nich, dopóki nie został jeden atom.

Pojedynczy pozostały atom został upuszczony na parę przeciwbieżnych wiązek laserowych, które utworzyły coś na kształt kraty, działające w taki sam sposób, jak solidne kraty, które rozpraszają światło.

Drugie światło składające się na kratę została dodane przypadkowo, co prowadziło do konstruktywnej lub destruktywnej interferencji – jakby atom podróżował po obu ścieżkach naraz. Kiedy drugie światło nie zostawało dodane, interferencja nie została zaobserwowana – jakby atom wybrał tylko jedną ścieżkę.

Jednakże należy dodać, iż dodatkowe światło powodujące powstawanie kraty dodawane było już po tym, jak atom został zrzucone na laserowe wiązki.

Jeżeli przyjmiemy za pewnik, że atom w istocie wybrał konkretną jedną ze ścieżek, to oczywistym jest, że późniejszy pomiar atomu określił jego przeszłość.