Patru concepții greșite despre fizica cuantică
Mecanica cuantică, teoria care guvernează lumea atomilor și particulelor, este bizară și contraintuitivă spre deosebire de multe alte domenii ale fizicii.
Nu întâmplător acordarea premiului Nobel pentru fizică în 2022 lui Alain Aspect, John Clauser și Anton Zeilinger, pentru cercetările care au ajutat la o mai bună înţelegere a mecanicii cuantice, a stârnit entuziasm și multe discuții.
Dezbaterile despre mecanica cuantică, fie ele pe forumuri de chat, în mass-media sau în science fiction, devin adeseori derutante ca urmare a unui număr de mituri persistente și concepții greșite.
Iată în continuare doar patru dintre acestea.
1. O pisică poate fi, simultan, moartă și vie
Probabil că Erwin Schrödinger nu ar fi putut prezice niciodată că experimentul său de gândire, pisica lui Schrödinger, va atinge statutul de meme pe internet în secolul XXI.
Experimentul lui Schrödinger sugerează că o pisică nefericită blocată într-o cutie cu un comutator letal declanșat de un eveniment cuantic aleatoriu, cum ar fi o dezintegrare radioactivă, ar putea fi în viață și moartă în același timp, atâta timp cât nu deschidem cutia pentru a verifica.
„Pisica lui Shrödinger” este un experiment faimos, dar ce înseamnă cu adevărat? Credit: Robert Couse-Baker/Flickr, CC BY-SA
Ştim că particulele cuantice pot fi în două stări, de exemplu în două locații, în același timp. Numim asta o suprapunere sau superpoziţie cuantică.
Oamenii de știință au reușit să demonstreze acest lucru în celebrul experiment cu două fante, în care o singură particulă cuantică, cum ar fi un foton sau un electron, poate trece, simultan, prin două fante diferite dintr-un perete. De unde știm asta?
În fizica cuantică starea fiecărei particule poate fi descrisă printr-o undă. Atunci când trimitem un flux de fotoni, unul câte unul, prin fante, se creează un model de două unde care interferează una cu cealaltă pe un ecran din spatele fantei. Deoarece fiecare foton nu a avut alți fotoni cu care să interfereze atunci când a trecut prin fante, rezultă că a trecut, simultan, prin ambele fante interferând cu el însuși (imaginea de mai jos).
Totuși, pentru ca acest lucru să se producă, undele din superpoziţia particulei care trec prin ambele fante trebuie să fie „coerente”, adică să aibă o relație bine definită una cu alta.
Model de interferență. Credit: grayjay
Aceste experimente de superpoziţie pot fi făcute cu obiecte de dimensiune și complexitate tot mai mari. Un experiment faimos al lui Anton Zeilinger din 1999 a demonstrat suprapunerea cuantică cu molecule mari de carbon-60.
Deci, ce înseamnă asta pentru biata noastră pisică? Este aceasta într-adevăr vie și moartă, în acelaşi timp, atâta timp cât nu deschidem cutia?
Evident, o pisică nu este ca un foton individual dintr-un mediu controlat de laborator. Ea este mult mai mare și mai complexă. Orice eventuală coerență intre trilioanele și trilioanele de atomi care alcătuiesc pisica are o durată extrem de mică.
Acest lucru nu înseamnă că coerența cuantică este imposibilă în sistemele biologice, doar că, în general, nu se va aplica unor organisme mari, cum ar fi o pisică sau un om.
2. Analogiile simple pot explica inseparabilitatea cuantică
Inseparabilitatea cuantică este o proprietate care leagă două particule cuantice diferite, astfel încât, dacă se măsoară starea cuantică a unei particule atunci se cunoaşte, automat și instantaneu, starea cuantică a celeilalte particule, indiferent cât de departe se află acestea.
Explicațiile obișnuite pentru acest fenomen cuantic implică, de obicei, obiecte de zi cu zi din lumea noastră macroscopică clasică, cum ar fi zarurile sau cărțile de joc.
De exemplu, imaginați-vă că îi spuneți prietenului dumneavoastră că ați plasat un cartonaș albastru într-un plic și un cartonaș portocaliu în altul. Dacă prietenul tău deschide unul dintre plicuri și găsește cartonașul albastru, atunci va ști instantaneu că aveţi cartonaşul portocaliu.
Pentru a înțelege mecanica cuantică trebuie să vă imaginați că cele două cartonaşe din interiorul plicurilor sunt într-o suprapunere comună, adică ambele sunt portocaliu și albastru în același timp (în special portocaliu/albastru și albastru/portocaliu). Deschiderea unui plic dezvăluie o culoare determinată la întâmplare. Dar deschiderea celei de-a doua dezvăluie întotdeauna culoarea opusă, care este astfel „înfricoșător” legată de culoarea primului cartonaş.
Cineva ar putea forța lucrurile astfel încât cartonaşele să apară într-un set diferit de culori, asemănător cu efectuarea unui alt tip de măsurare. Am putea deschide un plic cu întrebarea: „Ești un cartonaș verde sau roșu?”. Răspunsul ar fi din nou aleatoriu: verde sau roșu. Dar, în mod esențial, dacă cartonaşele ar fi inseparabile cuantic, atunci celălalt cartonaş va avea întotdeauna rezultatul opus atunci când i se pune aceeași întrebare.
Albert Einstein a încercat să explice acest lucru prin intuiția clasică. Astfel, cartonaşele ar putea avea un set de instrucțiuni interne ascunse, care le spune în ce culoare să apară la o anumită întrebare. De asemenea, Einstein a respins aparenta acțiune „înfricoșătoare” intre cartonase ce, aparent, le permite să se influențeze instantaneu unele pe altele. Acest lucru ar însemna o comunicare mai rapidă decât viteza luminii, lucru interzis de teoriile lui Einstein.
Cu toate acestea, explicația lui Einstein a fost ulterior exclusă de teorema lui Bell (un test teoretic creat de fizicianul John Stewart Bell) și de experimentele laureaților Nobel din 2022. Ideea că prin măsurarea unui cartonaş aflat într-o stare de inseparabilitate cuantică cu un altul se schimbă starea acestuia din urmă nu este adevărată.
Particulele cuantice sunt, pur și simplu, corelate misterios într-un mod pe care nu-l putem descrie cu logica sau limbajul de zi cu zi. Ele nu comunică chiar dacă conțin și un cod ascuns, așa cum crezuse Einstein.
În concluzie, uitaţi de obiectele de zi cu zi atunci când vă gândiţi la inseparabilitatea cuantică.
3. Natura este ireală și „non-locală”
Deseori se spune că teorema lui Bell demonstrează că natura nu este ”locală” şi că un obiect nu este influențat direct doar de împrejurimile sale apropiate. O altă interpretare comună este că proprietățile obiectelor cuantice nu sunt „reale”, că ele nu există înainte de măsurare.
Teorema lui Bell ne permite doar să spunem că fizica cuantică sugerează că natura nu este reală și locală decât dacă presupunem alte câteva lucruri în același timp. Aceste ipoteze includ ideea că măsurătorile au doar un singur rezultat (și nu multiple, poate în lumile paralele), cauza și efectul se produc succesiv în timp și că nu trăim într-un ”univers mecanic” în care totul a fost predeterminat de la începutul timpului.
Conceptul de inseparabilitate cuantică. Credit: Lawrence Berkeley National Laboratory
În ciuda teoremei lui Bell, natura poate fi reală și locală, dacă se permite încălcarea altor lucruri pe care le considerăm de bun simț, cum ar fi trecerea normală a timpului din trecut spre viitor.
Cercetările ulterioare, sperăm, vor reduce numărul mare de interpretări potențiale ale mecanicii cuantice. Cu toate acestea, majoritatea opțiunilor, cum ar fi, de exemplu, timpul care curge înapoi sau absența liberului arbitru, sunt cel puțin la fel de absurde ca renunțarea la conceptul de realitate locală.
4. Nimeni nu înțelege mecanica cuantică
Un citat clasic (atribuit fizicianului Richard Feynman, dar sub această formă parafrazându-l și pe Niels Bohr) presupune: „Dacă crezi că înțelegi mecanica cuantică, nu o înțelegi”.
Această viziune este larg răspândită în public. Se presupune că fizica cuantică este imposibil de înțeles, inclusiv de către fizicieni. Cu toate acestea, dintr-o perspectivă a secolului al XXI-lea, fizica cuantică nu este nici matematic, nici conceptual deosebit de dificilă pentru oamenii de știință. O înțelegem extrem de bine, până la un punct în care putem prezice fenomene cuantice cu mare precizie, putem să simulăm sisteme cuantice extrem de complexe și chiar să începem să construim computere cuantice.
Superpoziţia și inseparabilitatea cuantică, atunci când sunt explicate în limbajul informațiilor cuantice, nu necesită mai mult decât matematică de liceu. Teorema lui Bell nu necesită deloc fizică cuantică. Poate fi derivată în câteva linii folosind teoria probabilității și algebră liniară.
Adevărata dificultate constă, probabil, în modul de a reconcilia fizica cuantică cu realitatea noastră intuitivă. Chiar dacă nu avem toate răspunsurile, acest lucru nu ne va împiedica să facem progrese suplimentare cu tehnologia cuantică. Putem, pur și simplu, să păstrăm tăcerea despre ce nu ştim din mecanica cuantică și să continuăm să calculăm.
Din fericire pentru omenire, Aspect, Clauser și Zeilinger, laureații Nobel din acest an, au refuzat să tacă și au continuat să se întrebe de ce. Alții ca ei ar putea ajuta într-o zi la reconcilierea ciudățeniei cuantice cu experiența noastră a realității.
Traducere după Four common misconceptions about quantum physics