Experimentul cu două fante ar putea releva indicii privind „teoria totului”

Experimentul cu două fante demonstrează proprietățile ciudate ale lumii cuantice şi acesta ar putea furniza indicii privind modalitatea de unificare a celor două teorii de bază din fizica modernă, mecanica cuantică şi teoria relativităţii generale.

Fizicienii au găsit dovezi că o caracteristică cheie a „experimentului cu două fante” ar putea fi testată, ceea ce înseamnă că prin verificarea modului cum aceasta încalcă legile actuale ale fizicii s-ar putea   identifica lacunele actuale din mecanica cuantică.

Experimentul cu două fante a furnizat unul dintre cele mai ciudate rezultate experimentale din fizica modernă. Configuraţia acestuia este simplă: Dacă aruncăm cu bile de mici dimensiuni în direcţia unui perete pe care există o fantă, acestea vor lovi un ecran aflat în spatele peretelui şi în scurt timp pe acest ecran se va forma un model, o linie verticală, în regiunea corespunzătoare locului unde este amplasată fanta.

Dacă repetăm experimentul cu un perete având două fante verticale, atunci vom obţine un model format din două linii verticale pe ecranul din spatele peretelui, corespunzătoare poziţiei celor două fante.

Experimentul cu două fante. Credit: NekoJaNekoJa/Wikimedia

În continuare, dacă în loc de bile vom trimite spre peretele cu o singură fantă o undă, atunci aceasta va trece prin fantă și poziţia locului unde aceasta va lovi ecranul cu intensitatea maximă va fi similară cazului anterior în care am utilizat bile.

Cu toate acestea, atunci când trimitem o undă printr-un perete cu două fante vom obţine ceea ce este cunoscut sub numele de model de interferență. Aceasta înseamnă că pe ecranul din spatele fantelor nu se formează un model format din două linii verticale evidente, ci un model format din mai multe linii verticale, cu spații goale între ele.

Model de interferenţă. Credit: Jordgette/wikimedia

Această constatare nu e chiar atât de ciudată, deoarece știm că materia (bilele) nu se comportă în același mod ca și undele. Problema constă în faptul că fizicienii care au trimis electroni şi fotoni spre peretele cu două fante s-au aşteptat să observe un model specific particulelor de materie, în schimb aceste particule s-au comportat ca nişte unde, care produc un model de interferență.

Pentru a evita fenomenul de interferenţă, fizicienii au trimis electroni sau fotoni unul câte unul spre peretele cu două fante şi au constatat cu surprindere că, după un timp, se formează acelaşi model de interferență.

Cum se poate forma un model de interferenţă dacă particulele utilizate în experiment nu au cum să interfereze între ele, fiind trimise spre peretele cu fante pe rând, una câte una?

Experimentul cu două fante este un exemplu perfect al modului cum se comportă lumea cuantică şi acesta evidenţiază, de asemenea, lacunele noastre privind înţelegerea mecanicii cuantice, tocmai pentru că aceste caracteristici ale lumii cuantice nu le putem explica pe baza conceptelor actuale din fizică.

Celebrul fizician Richard Feynman a afirmat odată că experimentul cu două fante prezintă „misterul central” al lumii cuantice şi că acesta ar putea fi cheia înțelegerii motivului pentru care cele două teorii de bază din fizica actuală, mecanica cuantică și teoria relativității generale, sunt incompatibile una cu alta.

Surprinzător, fizicienii pot prezice locul în care un electron sau un foton va lovi ecranul din experimentul cu două fante, chiar dacă nu au o explicaţie pentru aceasta.

Aceste predicții se bazează pe un principiu denumit regula lui Born, aşa cum explică Anil Ananthaswamy pentru New Scientist:

„Nu există niciun motiv fundamental pentru care regula lui Born se poate aplica în acest caz. Se pare că aceasta funcţionează în toate situațiile pe care le-am testat, dar nimeni nu știe de ce.

Unii fizicieni au încercat să deducă această regulă din interpretarea „lumilor multiple” a mecanicii cuantice, care propune că toate stările posibile ale unui sistem cuantic ar putea exista în diferite universuri paralele, dar aceste încercări au fost neconcludente”.

Deoarece regula lui Born nu poate fi explicată pe baza conceptelor actuale din fizică, s-ar putea ca aceasta să fie cheia explicării unora dintre misterele mecanicii cuantice și a motivului pentru care nu s-a reuşit până în prezent unificarea teoriei relativităţii generale cu mecanica cuantică pentru a obţine o teorie unificatoare denumită „teoria totului”.

Practic, dacă putem înţelege în ce condiţii regula lui Born este încălcată, atunci s-ar putea identifica indicii privind modalitatea prin care s-ar putea îmbunătăţi actuala înţelegere asupra mecanicii cuantice.

„Dacă regula lui Born este încălcată, atunci o axiomă fundamentală a mecanicii cuantice a fost încălcată și acest lucru ar trebui să furnizeze indicii privind elaborarea unei teorii a gravitației cuantice”, a declarat James Quach de la Barcelona Institute of Science and Technology din Spania. Acesta a propus o modalitate prin care s-ar putea încălca regula lui Born și cum ar putea fi aceasta testată.

Într-un studiu recent, Quach arată că dacă ţinem cont de toate traiectoriile posibile prin care un electron sau un foton ar putea ajunge pe ecranul din experimentul cu două fante, s-ar putea identifica unele traiectorii ciudate, „non-clasice”, care vor conduce la diferite modele de interferență pe care regula lui Born nu le poate prezice.

Această idee se bazează pe o propunere a lui Feynman din anul 1948 care a arătat că „toate traiectoriile posibile contribuie la funcția de undă”, afirmă Quach.

„Printre aceste traiectorii se numără şi una în care particula trece printr-o fantă, apoi prin cealaltă, înainte de a lovi ecranul, adaugă Quach.

Ideea lui Quach furnizează trei traiectorii posibile pentru particulă în loc de două: prima traiectorie în care particula trece prin fanta A, a doua traiectorie în care particula trece prin fanta B, iar a treia traiectorie în care particula trece prin fanta A, dar se deplasează spre ecran din fanta B, aşa cum se poate observa în imaginea de mai jos:

O traiectorie non-clasică în experimentul cu doua fante. Credit: James Quach

Quach arată că dacă se ţine cont de interferența dată de toate cele trei traiectorii, atunci probabilitatea de apariţie a acesteia va fi diferită de ceea ce prezice regula lui Born.

Mai mult, Quach afirmă că această idee poate fi testată amplasând două detectoare după peretele cu două fante: unul care detectează dacă o particulă a trecut prin fanta A sau fanta B și un altul care detectează dacă o particulă a trecut prin una sau prin ambele fante.

„Includerea acestor traiectorii non-clasice furnizează corecții de ordin superior pentru modelele de interferență”, afirmă Quach.

Să sperăm că studiul lui Quach, care a fost deja postat pe siteul arXiv.org, va fi verificat de comunitatea fizicienilor, pentru că ideea acestuia ar putea dezvălui ceva important privind înțelegerea fundamentală a realității.

Puteţi afla mai multe informaţii despre experimentul cu două fante în clipul video de mai jos:

Sursă: Science Alert