DE CE FIZICIENII NU ȘTIU ÎNCĂ CE ESTE REALITATEA?
„Nu cer ca o teorie să corespundă realității, pentru că nu știu ce este aceasta. Realitatea nu este o calitate pe care să o poți testa cu o hârtie turnesol. Preocuparea mea este legată de faptul că teoria ar trebui să prezică rezultatele măsurătorilor.” (Stephen Hawking).
Îmi urmăresc câinele bătrân dormind pe scaunul lui. Vârful cozii sale se ondulează sub botul lui. Mă uit în altă parte și apoi privesc înapoi. Nimic nu s-a schimbat. Am toate motivele să cred că atenția mea asupra sa nu a avut nici un efect asupra lui. Ce fac câinii adormiți când privim în altă parte? Exact ceea ce fac când îi privim cu atenție.
Dar ce fac particulele microscopice atunci când nu le observăm? Asta este o cu totul altă problemă. Vom încerca, cu o oarecare trepidație, să aplicăm bunul simț. Problema este că bunul simț nu funcționează întotdeauna.
Haideți să presupunem că observând niște particule, acestea dezvăluie pur și simplu proprietăți pe care particulele le aveau deja înaintea măsurării. Nici o surpriză în această chestiune. Să presupunem, mai departe, că măsurarea unei particule nu are nici un efect asupra altei particule, îndepărtate. Din nou nesurprinzător, de ce ar avea? Să presupunem, iarăși, că avem liber arbitru în a alege cum și când vom măsura particula. Să presupunem, în cele din urmă, că o particulă deviată în sus nu este, într-un univers paralel, de neatins, deviată în jos.
Ce se poate întâmpla atunci când vom combina aceste presupuneri rezonabile de zi cu zi? Vom descoperi că presupunerile noastre cotidiene impun constrângeri asupra cantităților măsurabile. Aceasta înseamnă că putem face experimente pentru a testa dacă natura respectă constrângerile impuse de bunul nostru simț.
Aș dori să ofer un exemplu de constrângere impusă de bunul simț. Nu necesită decât ceva logică simplă, aritmetică și câteva minute de concentrare.
(Suntem pe cale să dăm o argumentare simplă, dar riguroasă. Dovezile au fost excluse studios din cărțile timpurii despre implicațiile filozofice asupra mecanicii cuantice. Fritijof Capra a scris: ”Am suprimat toată matematica”, iar Gary Zukav a scris că dovada este ”indescifrabilă unui matematician”. În deceniile scurse de la momentul scrierii acelor cuvinte, fizicienii au dezvoltat multe dovezi accesibile, chiar interesante. Unele dintre acestea sunt incluse în recenta mea carte ”Entanglarea Cuantică”, publicată de MIT Press.)
Să îi considerăm pe Alice și Bob, fizicienii neobosiți frecvent implicați în aceste experimente de gândire. O pereche de particule este emisă în așa fel încât una din particule zboară în instrumentul de măsurare al lui Alice, iar cealaltă în instrumentul măsurător al lui Bob. Instrumentul de măsurare al lui Alice are două setări: A și A’. Indiferent de setare, doar două rezultate ale măsurării sunt posibile: de exemplu, particulele sunt deviate fie în sus, fie în jos. Dacă particula este deviată în sus, Alice înregistrează +1. Dacă particula este deviată în jos, Alice înregistrează -1. Similar, instrumentul de măsurare al lui Bob are două opțiuni, B și B’, iar rezultatul acestei măsurători nu poate fi decât +1 sau -1. Acum să presupunem că Alice setează instrumentul său pe A, iar Bob setează instrumentul său pe B. Fiecare dintre ei măsoară o particulă și înregistrează rezultatul, +1 ori -1. Apoi ei multiplică rezultatul lui Alice cu rezultatul lui Bob, iar produsul acestei multiplicări trebuie să fie, de asemenea, +1 sau -1. Să numim acest produs AB, unde A și B reprezintă rezultate individuale, +1 sau -1. Să presupunem că Alice și Bob vor repeta acest proces pentru multe perechi de particule și vor înregistra AB pentru fiecare pereche. Apoi ei vor calcula valoarea medie a lui AB.
Mai departe, Alice păstrează instrumentul său setat pe opțiunea A, în timpt ce Bob modifică setarea pe instrumentul său către B’. Ei realizează multe măsurători și calculează valoarea medie a lui AB’. Similar, Alice și Bob determină valoarea medie a lui A’B, și valoarea medie a lui A’B’.
Așa încât, Alice și Bob au obținut patru valori măsurate: mediile lui AB, AB’, A’B, și A’B’. Acum voi scrie o ecuație și promit să fie unica ecuație din acest articol. Voi defini o cantitate numită S, după cum urmează: S = AB – AB’ + A’B + A’B’.
S nu are nici un sens fizic evident; este doar ceva ce putem calcula. De vreme ce A, A’, B, și B’ pot fi numai +1 sau -1, singurele valori posibile ale lui S sunt +2 sau -2. Dacă nu mă credeți, verificați matematica chiar dumneavoastră…
Acum, valoarea medie a lui S este valoarea medie a lui AB, minus valoarea medie a lui AB’, plus valoarea medie a lui A’B, plus valoarea medie a lui A’B’. Utilizând patru rezultate experimentale obținute de Alice și Bob, putem calcula valoarea medie a lui S.
De vreme ce singurele valori posibile ale lui S sunt +2 și -2, în mod sigur valoarea medie a lui S se află între -2 și +2. Aceasta este o constrângere mandatată de bunul simț.
Și totuși, natura nu respectă această constrângere. Experimental am descoperit că valoarea medie a lui S este mai mare decât 2!
Unde am greșit oare? Tot ce am utilizat a fost logica de bază și aritmetica. Tocmai am invalidat aritmetica? Trebuie să informăm profesorii de matematică elementară pentru ca ei să se oprească din a răspândi minciuni? Nu, aritmetica nu este problematică aici. Dar anumite presupuneri, false, ne-ar putea conduce spre o constrângere neagreată flagrant de către natură.
Să revedem ecuația noastră: S = AB – AB’ + A’B + A’B’. Dacă If A, A’, B, și B’ sunt proprietăți fizice care au existat tot timpul, independent de măsurare, și fiecare dintre aceste proprietăți este reprezentată de +1 sau -1, atunci S trebuie într-adevăr să fie +2 sau -2, iar media lui S trebuie într-adevăr să se situeze între -2 și +2. De vreme de această medie nu este respectată de natură, putem concluziona doar că proprietățile particulelor (A, A’, B, și B’) nu există tot timpul, independent de măsurare.
Ce poate însemna asta? Deși Alice poate măsura fie A sau A, probabil aceste două valori nu au existat niciodată în același timp pentru o singură particulă. Aceasta ar putea însemna că valoarea măsurată nu a fost necunoscută doar înainte de măsurare; ea nici măcar nu a existat. Alternativ, poate că decizia lui Alice de a măsura A (de exemplu) a fost predeterminată, așa încât A a existat tot timpul, în timp ce A’ nu a existat deloc. Încă o posibilitate ar fi ca A și A’ să depindă de alegerea lui Bob de a măsura B sau B’. În acest caz, A nu este o valoare singulară de introdus în ecuația pentru S, iar noi nu voi mai găsi necesar ca S să fie +2 sau -2. Cel puțin un pilon al bunului simț trebuie să colapseze pentru a împăca rezultatul experimental al lui care excede valoarea 2.
Noi am descoperit în laborator, din nou și din nou, că natura nu se supune bunului nostru simț și în timp ce face asta, simultan aderă unui set diferit de formule, acelea stabilite de mecanica cuantică.
Aceasta îi pune pe fizicieni în dificultate. Mecanica cuantică prezice cu acuratețe rezultatele măsurătorilor, dar nu știm ce să spunem despre comportamentul particulelor atunci când nu sunt observate; tot ceea ce știm cu siguranță este că bunul nostru simț … conține erori. Așa încât, interpretarea mecanicii cuantice rămâne un topic ce ține de speculație, controversă, echivoc sau privit cu indiferență.
Unii fizicieni argumentează că particulele neobservate nu ar trebui să ne intereseze; treaba fizicii este să prezică observații. Trebuie lăsați filozofii să se ocupe de particulele neobservate. Așa încât fizicienii se eliberează de povara unor întrebări incomode și se concentrează pe ceea ce fac ei cel mai bine. Acest punct de vedere este admirabil de umil în recunoașterea limitărilor fizicii. Sau este vorba doar de lene?
Unii fizicieni susțin că fiecare rezultat posibil al măsurării are loc simultan în universuri paralele. Sunt prezentate pasionat argumente pro și contra acestei ”interpretări a mai multor lumi”. Însă interpretarea universurilor paralele are ca aspect benefic evitarea distincției între măsurători abrupte și evoluția lină a probabilităților.
Legile mecanicii cuantice oferă probabilități ale unor rezultate diferite. Ce anume, finalmente, determină care rezultat survine și care nu? Interpretarea mai multor lumi eludează această întrebare întrucât toate rezultatele survin. Argumentele împotriva interpretării lumilor multiple sunt abundente și includ faptul că pur și simplu nu avem dovezi ale existenței universurilor paralele.
Probabil, în loc de asta, eroarea în bunul nostru simț se datorează credinței în liberul arbitru. Poate că suntem automatoni pre-programați, sau particulele aflate sub observare influențează diabolic deciziile noastre.
Această posibilitate, deși nepotrivită și ciudat, este luată – totuși – în considerare de către fizicieni și filozofi deopotrivă.
Sau, poate eroarea noastră ține de presupunerea că măsurarea unei particule nu poate afecta o particulă îndepărtată. Entanglarea cuantică este o conexiune subtilă care nu este diminuată de distanța oricât de mare. Putem considera că această conexiune nu este atât de subtilă, dar că măsurarea unei particule alterează fizic o particulă îndepărtată?
Cred că această revendicare nu poate fi nici dovedită și nici nedovedită. Dacă spunem că măsurarea unei particule afectează o altă particulă, chiar avem în vedere că prima măsurare, a oricăreia dintre particule, le-a afectat pe amândouă; rezultatele subsecvente sunt determinate de această primă măsurare.
Am dori să privim cu atenție particula lui Alice înainte și după ce Bob măsoară propria particulă, pentru a vedea dacă măsurătoarea lui Bob afectează particula lui Alice. Dar atunci, măsurătoarea inițială a particulei lui Alice devine prima măsurătoare, care determină rezultate subsecvente! Pentru că este imposibil să faci o măsurare înainte de prima măsurare, este imposibil să observi dacă măsurarea unei particule alterează fizic o altă particulă.
Pe măsură ce continuăm să extindem frontierele cunoașterii, misterul riguros al entanglării cuantice rămâne – cu încăpățânare – nerezolvat.
Mă întreb dacă aceasta este o verificare salutară a hybrisului uman, o amintire a locului omului într-o lume pe care nu el a creat-o. Fizica atinge țelul alchimiei medievale și al astrologiei, de a lumina forțele invizibile care guvernează destinele tuturor lucrurilor. Dar ceva întotdeauna face ca lumina să se îndepărteze, iar setea de înțelegere absolută rămâne întotdeauna nestinsă.
Mă împotrivesc tentației de a termina cu o glumă despre universurile paralele. Probabil în alt univers, am reușit.
Sursa: Salon.com; Data: 28 March 2020; Autor: Jed Brod – Physics teacher at Emory University. His book, “Quantum Entanglement,” was published in 2020 by MIT Press; Traducere: Crișan Petru Ciprian
Despre Imagine: Grafică artistică conceptuală a unei perechi de particule sau evenimente conectate (entanglate) cuantic, interacționând la distanță. Credit/Source: Getty Images/MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY.
