An Exactly Solvable Model of Local Energy Oscillations in Everettian Branching

In de kwantumwereld zijn de regels van energiebehoud meestal absoluut. Als je de energie van elk deeltje in een gesloten systeem bij elkaar optelt, verandert dat totale bedrag nooit; het verplaatst zich simpelweg van de ene naar de andere plaats. Dit principe blijft waar, of je nu kijkt naar een zwaaiende slinger of een subatomair deeltje. Echter, een specifieke interpretatie van de kwantummechanica, bekend als de Veel-Werelden-Interpretatie, introduceert een verwarrende wending. Deze visie suggereert dat wanneer een meting plaatsvindt, het universum niet instort tot één enkele uitkomst. In plaats daarvan splitst het zich op in meerdere, parallelle versies van de werkelijkheid, vaak "takken" genoemd, waarin elke mogelijke uitkomst van een gebeurtenis daadwerkelijk plaatsvindt. Decennialang hebben natuurkundigen gedebatteerd over een subtiele vraag binnen dit kader: als de totale energie van het hele universum strikt behouden blijft, blijft de energie binnen slechts één van deze nieuwe, afgesplitste takken dan ook constant? Het leek mogelijk dat een waarnemer die leeft binnen een enkele tak, energie zou zien verschijnen of verdwijnen, wat een lokale schending van de fysica zou creëren, zelfs terwijl het globale totaal perfect bleef.

Een onderzoeker aan het Bandung Institute of Technology heeft nu een nauwkeurig wiskundig model gebouwd om deze vraag te beslechten. Door een vereenvoudigde, oplosbare versie van een kwantummeting te creëren waarbij slechts twee minuscule deeltjes betrokken zijn, volgt de studie exact hoe energie zich gedraagt terwijl het systeem splitst. Het werk demonstreert dat hoewel de totale energie van het hele systeem perfect stabiel blijft, de energie die door een waarnemer binnen een enkele tak wordt gemeten, inderdaad wild kan fluctueren. De onderzoeker vond dat deze lokale fluctuaties geen teken zijn van gebroken fysica. In plaats daarvan zijn ze een natuurlijk gevolg van hoe het "gewicht" of de waarschijnlijkheid van elke tak in de loop van de tijd verandert. Naarmate de energie in één tak stijgt, daalt de waarschijnlijkheid dat die tak bestaat met een evenredig bedrag, waardoor het globale totaal nooit wankelt.

Om dit te onderzoeken, construeerde de onderzoeker een model met behulp van twee kwantumbits, of qubits, die fungeren als het meetsysteem en het meetapparaat. Eén qubit vertegenwoordigt het object dat wordt gemeten, en de andere de qubit vertegenwoordigt het apparaat. Ze interageren via een specifiek type verbinding die hen in staat stelt energie uit te wisselen, vergelijkbaar met hoe twee pendels die door een veer verbonden zijn, hun beweging heen en weer kunnen uitwisselen. De studie begon met het systeem in een staat van superpositie, waarbij het object zich in twee toestanden tegelijk bevindt, en het apparaat klaar is om te meten. Naarmate de tijd verstreek, zorgde de interactie ervoor dat de twee qubits verstrengeld raakten, een proces dat het enkele universum effectief splitst in twee afzonderlijke takken. In de ene tak registreert het apparaat een "nul"-resultaat, en in de andere registreert het een "één"-resultaat.

De onderzoeker berekende vervolgens de energie binnen elk van deze opkomende takken afzonderlijk. De resultaten onthulden een opvallende asymmetrie. In de tak waar het apparaat een "één" registreerde, bleef de energie over de tijd perfect vlak en constant. Dit zou een saai resultaat kunnen lijken, maar het was cruciaal voor het begrijpen van het mechanisme. De onderzoeker toonde aan dat deze stabiliteit niet gebeurde omdat de tak zich in een speciale, onveranderlijke energietoestand bevond. In plaats daarvan was het constant simpelweg omdat de regels van de interactie die tak beperkten tot één specifieke configuratie. Het was een structurele beperking, geen staat van rust.

In de andere tak, waar het apparaat een "nul" registreerde, was het verhaal volkomen anders. De energie in deze tak bleef niet stil; ze oscilleerde, stijgend en dalend in een vloeiend, ritmisch patroon. Op bepaalde momenten was de energie in deze tak op zijn laagst, en op andere momenten was deze op zijn hoogst. Voor een waarnemer die in deze specifieke tak leeft, zou het lijken alsof energie wordt gecreëerd en vernietigd, wat de fundamentele wetten van de thermodynamica schendt. Echter, de onderzoeker bewees dat dit een illusie was, veroorzaakt door slechts naar een deel van het geheel te kijken.

De sleutel tot de oplossing lag in de waarschijnlijkheid van elke tak. Naarmate de energie in de oscillerende tak zijn piek bereikte, daalde de waarschijnlijkheid dat jij jezelf in die tak zou bevinden tot zijn laagste punt. Omgekeerd, wanneer de energie in die tak laag was, was de waarschijnlijkheid dat deze bestond hoog. De onderzoeker berekende dat deze twee veranderingen elkaar perfect opheffen. Wanneer je de fluctuerende energie vermenigvuldigt met de veranderende waarschijnlijkheid, is het resultaat een constante waarde. Deze wiskundige balans zorgt ervoor dat wanneer je de energie van alle takken bij elkaar optelt, gewogen naar hoe waarschijnlijk ze zijn om voor te komen, het totaal precies hetzelfde blijft als aan het begin. De studie bevestigde dit met hoogprecisie computer-simulaties, waarbij werd aangetoond dat de totale energie met minder dan één deel per miljard afweek, een verschil dat zo klein is dat het effectief nul is.

De onderzoekers verkenden ook hoe deze takken van elkaar scheiden. Aanvankelijk waren de twee mogelijkheden met elkaar verbonden, waardoor ze met elkaar konden interfereren als overlappende golven. Naarmate de interactie voortduurde, nam deze verbinding af en werden de takken afzonderlijke, onderscheidende realiteiten. De onderzoeker volgde deze scheiding door te meten hoeveel informatie er gedeeld werd tussen de twee delen van het systeem. De gegevens toonden aan dat naarmate de takken meer geïsoleerd raakten, de interferentie tussen hen verdween, waardoor er twee onafhankelijke werelden ontstonden. Dit proces gebeurde snel, binnen één cyclus van de energie-uitwisseling, wat weerspiegelt hoe metingen in de echte wereld schijnbaar direct lijken te gebeuren.

Een van de meest significante bevindingen van de studie was het corrigeren van een veelvoorkomend misverstand over waarom één tak een constante energie had. Velen zouden aannemen dat een tak met een constante energie zich in een speciale, onveranderlijke toestand van het universum moet bevinden. De onderzoeker sloot dit expliciet uit door aan te tonen dat de constante energie het gevolg was van het feit dat de tak werd beperkt tot één enkel type configuratie door het behoud van het totale aantal excitaties. Het was een geometrische beperking, geen staat van evenwicht. Dit onderscheid is essentieel omdat het bewijst dat een waarnemer een stabiel energieniveau kan ervaren zonder zich in een speciale, onveranderlijke toestand van het universum te bevinden.

De studie testte ook hoe robuust dit gedrag was door de sterkte van de verbinding tussen de twee qubits te veranderen. Of de verbinding nu zwak of sterk was, hetzelfde patroon kwam naar voren: één tak bleef vlak, de andere oscilleerde, en de waarschijnlijkheden verschoven om de totale energie behouden te houden. Deze consistentie over verschillende omstandigheden heen suggereert dat het fenomeen een fundamenteel kenmerk is van hoe kwantumsystemen splitsen, in plaats van een toevalstreffer van een specifieke opstelling. De onderzoeker merkte op dat hoewel dit model slechts twee deeltjes gebruikte, de onderliggende logica ook zou gelden voor grotere, complexere systemen, hoewel de oscillaties ingewikkelder zouden worden en de scheiding tussen de takken permanent in plaats van tijdelijk zou worden.

Uiteindelijk biedt dit werk een helder, wiskundig antwoord op een langlopende vraag in de kwantumfundamenten. Het laat zien dat de schijnbare schending van energiebehoud in een enkele tak geen fout in de theorie is, maar een natuurlijk kenmerk van het leven binnen een subsystem van een groter, unitair universum. De energie verdwijnt niet of verschijnt niet uit het niets; het wordt simpelweg herverdeeld tussen de energie van de tak en de waarschijnlijkheid dat die tak bestaat. Voor een waarnemer binnen een van deze takken mogen de wetten van de fysica misschien wankelen, maar vanuit het perspectief van het gehele universum komt de balansrekening altijd uit. De studie bevestigt dat de Veel-Werelden-Interpretatie lokale energieschommelingen kan accommoderen zonder de universele regel van behoud te breken, en biedt een rigoureuze verklaring voor hoe onze subjectieve ervaring van de werkelijkheid past binnen een globaal consistente structuur.