An Exactly Solvable Model of Local Energy Oscillations in Everettian Branching

In der Quantenwelt sind die Regeln der Energieerhaltung normalerweise absolut. Wenn man die Energie jedes Teilchens in einem geschlossenen System zusammenzählt, bleibt diese Gesamtmenge niemals unverändert; sie verschiebt sich lediglich von einem Ort zum anderen. Dieses Prinzip gilt sowohl für ein schwingendes Pendel als auch für ein subatomares Teilchen. Eine spezifische Interpretation der Quantenmechanik, bekannt als die Viele-Welten-Interpretation, führt jedoch eine rätselhafte Wendung ein. Diese Sichtweise legt nahe, dass das Universum bei einer Messung nicht in ein einzelnes Ergebnis kollabiert. Stattdessen spaltet es sich in mehrere, parallele Versionen der Realität auf, die oft als „Zweige“ bezeichnet werden, in denen tatsächlich jedes mögliche Ergebnis eines Ereignisses eintritt. Jahrzehntelang haben Physiker eine subtile Frage innerhalb dieses Rahmens debattiert: Wenn die Gesamtenergie des gesamten Universums streng erhalten bleibt, bleibt dann auch die Energie innerhalb eines dieser neu entstandenen, abgespaltenen Zweige konstant? Es schien möglich, dass ein Beobachter, der in einem einzelnen Zweig lebt, das Erscheinen oder Verschwinden von Energie beobachten könnte, was eine lokale Verletzung der Physik zur Folge hätte, selbst während die globale Summe perfekt blieb.

Ein Forscher am Institut für Technologie in Bandung hat nun ein präzises mathematisches Modell entwickelt, um diese Frage zu klären. Durch die Erstellung einer vereinfachten, lösbaren Version einer Quantenmessung, die nur zwei winzige Teilchen umfasst, verfolgt die Studie genau, wie sich die Energie verhält, während sich das System aufspaltet. Die Arbeit zeigt, dass, während die Gesamtenergie des gesamten Systems vollkommen stabil bleibt, die von einem Beobachter innerhalb eines einzelnen Zweiges gemessene Energie in der Tat wild schwanken kann. Der Forscher fand heraus, dass diese lokalen Fluktuationen kein Zeichen für eine gebrochene Physik sind. Stattdessen sind sie eine natürliche Konsequenz daraus, wie sich das „Gewicht“ oder die Wahrscheinlichkeit jedes Zweiges im Laufe der Zeit verändert. Wenn die Energie in einem Zweig steigt, sinkt die Wahrscheinlichkeit, dass dieser Zweig existiert, um einen entsprechenden Betrag, wodurch sichergestellt wird, dass die globale Summe niemals schwankt.

Um dies zu untersuchen, konstruierte der Forscher ein Modell unter Verwendung von zwei Quantenbits, oder Qubits, die als das Messsystem und das Messgerät fungieren. Ein Qubit repräsentiert das gemessene Objekt und das andere das Messgerät. Sie interagieren durch eine spezifische Art von Verbindung, die es ihnen ermöglicht, Energie auszutauschen, ähnlich wie zwei Pendel, die durch eine Feder verbunden sind, und so ihre Bewegung hin und her tauschen können. Die Studie begann mit dem System in einem Zustand der Superposition, in dem das Objekt in zwei Zuständen gleichzeitig ist und das Gerät bereit ist zu messen. Im Laufe der Zeit führte die Interaktion dazu, dass die beiden Qubits miteinander verschränkt wurden, ein Prozess, der das einzelne Universum effektiv in zwei unterschiedliche Zweige aufspaltet. In einem Zweig registriert das Gerät ein „Null“-Ergebnis, und im anderen registriert es ein „Eins“-Ergebnis.

Der Forscher berechnete dann die Energie in jedem dieser entstehenden Zweige separat. Die Ergebnisse zeigten eine auffällige Asymmetrie. In dem Zweig, in dem das Gerät eine „Eins“ registrierte, blieb die Energie über die Zeit vollkommen flach und konstant. Dies mag wie ein langweiliges Ergebnis erscheinen, war aber entscheidend für das Verständnis des Mechanismus. Der Forscher zeigte, dass diese Stabilität nicht zustande kam, weil der Zweig in einem speziellen, unveränderlichen Energiezustand verharrte. Stattdessen war sie konstant, einfach weil die Regeln der Interaktion diesen Zweig auf eine einzige, spezifische Konfiguration beschränkten. Es war eine strukturelle Begrenzung, kein Zustand der Ruhe.

In dem anderen Zweig, in dem das Gerät eine „Null“ registrierte, war die Geschichte völlig anders. Die Energie in diesem Zweig blieb nicht stationär; sie oszillierte, stieg und fiel in einem glatten, rhythmischen Muster. Zu bestimmten Zeitpunkten war die Energie in diesem Zweig am niedrigsten, und zu anderen war sie am höchsten. Für einen Beobachter, der in diesem spezifischen Zweig lebt, würde es so aussehen, als ob Energie erschaffen und zerstört würde, was die grundlegenden Gesetze der Thermodynamik verletzen würde. Der Forscher bewies jedoch, dass dies eine Illusion war, die dadurch entstand, dass man nur einen Teil des Gesamtbildes betrachtete.

Der Schlüssel zur Lösung lag in der Wahrscheinlichkeit jedes Zweiges. Wenn die Energie im oszillierenden Zweig seinen Höhepunkt erreichte, sank die Wahrscheinlichkeit, dass man sich in diesem Zweig befindet, auf ihren tiefsten Punkt. Umgekehrt, wenn die Energie in diesem Zweig niedrig war, war die Wahrscheinlichkeit seiner Existenz hoch. Der Forscher berechnete, dass sich diese beiden Veränderungen perfekt aufheben. Wenn man die schwankende Energie mit der sich ändernden Wahrscheinlichkeit multipliziert, ist das Ergebnis eine konstante Zahl. Dieses mathematische Gleichgewicht stellt sicher, dass, wenn man die Energie aller Zweige aufsummiert, gewichtet nach ihrer Wahrscheinlichkeit, die Summe exakt dieselbe ist wie zu Beginn. Die Studie bestätigte dies mit hochpräzisen Computersimulationen und zeigte, dass die Gesamtenergie um weniger als einen Teil zu einer Milliarde abwich – ein Unterschied, der so klein ist, dass er effektiv Null ist.

Die Forschung untersuchte auch, wie diese Zweige voneinander getrennt werden. Anfänglich waren die beiden Möglichkeiten miteinander verknüpft, was es ihnen erlaubte, miteinander zu interferieren, wie überlappende Wellen. Als die Interaktion fortschritt, schwächte sich diese Verbindung ab, und die Zweige wurden zu distinkten, separaten Realitäten. Der Forscher verfolgte diese Trennung, indem er maß, wie viel Information zwischen den beiden Teilen des Systems ausgetauscht wurde. Die Daten zeigten, dass mit zunehmender Isolation der Zweige die Interferenz zwischen ihnen verschwand und zwei unabhängige Welten hinterließ. Dieser Prozess geschah schnell, innerhalb eines einzigen Zyklus des Energieaustauschs, was widerspiegelt, wie reale Messungen scheinbar instantan geschehen.

Eine der bedeutendsten Erkenntnisse der Studie war die Korrektur eines weit verbreiteten Missverständnisses darüber, warum ein Zweig eine konstante Energie hatte. Viele könnten annehmen, dass ein Zweig mit stabiler Energie in einem speziellen, unveränderlichen Zustand des Universums sein muss. Der Forscher schloss dies explizit aus und zeigte, dass die konstante Energie das Resultat davon war, dass der Zweig durch die Erhaltung der Gesamtzahl der Anregungen auf einen einzigen Typ von Konfiguration beschränkt war. Es war eine geometrische Beschränkung, kein Zustand des Gleichgewichts. Diese Unterscheidung ist wichtig, da sie beweist, dass ein Beobachter ein stabiles Energieniveau erleben kann, ohne sich in einem speziellen, unveränderlichen Zustand des Universums zu befinden.

Die Studie testete auch, wie robust dieses Verhalten war, indem sie die Stärke der Verbindung zwischen den beiden Qubits änderte. Ob die Verbindung schwach oder stark war, dasselbe Muster trat hervor: Ein Zweig blieb flach, der andere oszillierte, und die Wahrscheinlichkeiten verschoben sich, um die Gesamtenergie zu erhalten. Diese Konsistenz über verschiedene Bedingungen hinweg deutet darauf hin, dass das Phänomen ein fundamentales Merkmal dessen ist, wie Quantensysteme sich aufspalten, und kein Zufall eines spezifischen Aufbaus ist. Der Forscher merkte an, dass dieses Modell zwar nur zwei Teilchen verwendete, die zugrunde liegende Logik jedoch für größere, komplexere Systeme gelten sollte, wenngleich die Oszillationen komplizierter würden und die Trennung zwischen den Zweigen permanent statt temporär wäre.

Letztlich liefert diese Arbeit eine klare, mathematische Antwort auf eine langjährige Frage der Quantengrundlagen. Sie zeigt, dass die scheinbare Verletzung der Energieerhaltung in einem einzelnen Zweig kein Fehler der Theorie ist, sondern ein natürliches Merkmal des Lebens innerhalb eines Subsystems eines größeren, unitären Universums. Die Energie verschwindet nicht oder erscheint nicht aus dem Nichts; sie wird lediglich zwischen der Energie des Zweiges und der Wahrscheinlichkeit der Existenz dieses Zweiges umverteilt. Für einen Beobachter innerhalb eines dieser Zweige mögen die Gesetze der Physik zu wanken scheinen, aber aus der Perspektive des gesamten Universums geht die Bilanz immer auf. Die Studie bestätigt, dass die Viele-Welten-Interpretation lokale Energieschwankungen aufnehmen kann, ohne die universelle Regel der Erhaltung zu brechen, und bietet eine rigorose Erklärung dafür, wie unsere subjektive Erfahrung der Realität in einen global konsistenten Rahmen passt.