Teoria undelor pilot ar putea fi viitorul fizicii cuantice?
În anii 1920, atunci când domeniul fizicii cuantice era încă la început, un om de știință francez pe nume Louis de Broglie a avut o idee intrigantă.
Ca răspuns la confuzia dacă lumina și materia erau, în mod fundamental, particule sau unde, el a sugerat o alternativă: ce se întâmplă dacă ambele posibilităţi ar fi adevărate? Ce-ar fi dacă traiectoriile parcurse de obiectele cuantice ar fi ghidate de ceva care se ridică și coboară precum valurile mării?
Ipoteza lui de Broglie a stat la baza a ceea ce avea să devină mai târziu teoria undelor pilot, dar nu a fost lipsită de probleme. Așadar, ca orice idee frumoasă care se clătină în fața experimentului, aceasta a devenit rapid o relicvă a istoriei științei.
Astăzi, majoritatea fizicienilor subscriu la ceea ce se numește ”interpretarea Copenhaga a mecanicii cuantice”, care, în general, nu oferă poziţii și momente precise particulelor până când acestea nu sunt măsurate și, prin urmare, observate.
Pe de altă parte, teoria undelor pilot sugerează că particulele au poziții precise în orice moment, dar pentru aceasta este necesar ca lumea să fie ciudată și în alte moduri, ceea ce i-a făcut pe mulți fizicieni să respingă această ipoteză.
Cu toate acestea, ceva în legătură cu teoria lui Broglie ne face să nu putem renunţa la ea, iar în ultimul secol ideea a continuat să apară, din ce în ce mai mult, în fizica modernă.
Pentru unii, conceptul din teoria undelor pilot ar putea ajuta la înţelegerea Universului în ansamblu, de la cele mai mici particule cuantice până la cele mai mari galaxii.
Ce este o undă pilot?
Pentru a înțelege ce este o undă pilot, este mai bine să înțelegeți mai întâi ce nu este.
Până în anii 1920, fizicienii erau derutați de rezultatele unor experimente, extrem de precise, asupra particulelor de lumină și a celor subatomice și de comportamentul acestor particule care părea mai degrabă al unei unde decât al unei particule.
Rezultatele au fost cel mai bine explicate printr-un nou domeniu al matematicii, unul care a legat teoria probabilității cu comportamentul undelor.
Pentru fizicienii teoreticieni precum teoreticianul danez Niels Bohr și colegul său german Werner Heisenberg, care au pus bazele interpretării de la Copenhaga, cea mai bună explicație a fost înţelegerea probabilității ca pe o parte fundamentală a naturii. Comportamentul de tip undă implică o incertitudine inerentă.
Acesta nu este tipul de incertitudine cauzat de lipsa de cunoștințe. Potrivit lui Bohr, este ca și cum Universul încă nu s-a hotărât unde să plaseze particula, în ce direcție ar trebui să se rotească și ce fel de impuls ar putea avea aceasta. Toate aceste proprietăți, a susținut Bohr, există doar odată ce a fost făcută o observație.
Este greu de spus ce înseamnă toate acestea la nivel intuitiv.
Înainte de fizica cuantică, matematica probabilităților era un instrument pentru prezicerea aruncării unui zar. Acum, fizicienii propuneau o formă de probabilitate care nu depindea de necunoaşterea noastră, ceea ce nu este ușor de imaginat.
Ideea lui Broglie despre această undă ipotetică a fost menită să readucă caracterul fizic noțiunii de probabilitate. Modelele de împrăștiere formate din linii și puncte observate în experimente sunt exact așa cum par, consecințe ale unor unde care se ridică și coboară printr-un mediu, puțin diferite de o undă ce se propagă pe suprafaţa unui lac. Undeva pe acea undă există o particulă reală cu o poziție reală, dar care depinde de dinamica unui mediu care o ghidează.
Credit: kertlis/iStock/Getty Plus
Din această perspectivă, idee lui Broglie pare corectă. Este o metaforă la care ne putem raporta mult mai ușor decât în cazul unui Univers ezitant.
Din punct de vedere experimental, nu era însă momentul potrivit pentru ideea simplă a lui de Broglie.
„Deși punctul de vedere al lui de Broglie pare mai rezonabil, unele dintre problemele sale inițiale au determinat comunitatea științifică să adopte ideile lui Bohr”, a declarat Paulo Castro de la Universitatea din Lisabona, Portugalia, pentru Science Alert.
Eminentul fizician austriac Wolfgang Pauli, unul dintre pionierii fizicii cuantice, a subliniat la acea vreme că modelul lui Broglie nu explică, de exemplu, observațiile asupra împrăștierii particulelor.
De asemenea, nu explică, în mod adecvat, de ce particulele cuantice care au interacționat unele cu altele rămân corelate atunci când sunt observate mai târziu, un fenomen cunoscut sub numele de inseparabilitate cuantică.
Când a apărut teoria undelor pilot?
Timp de aproximativ un sfert de secol, noțiunea lui Broglie despre particulele ghidate de undele de posibilități a rămas în umbra incertitudinii fundamentale a lui Bohr și Heisenberg. Ulterior, în 1952, fizicianul teoretician american David Bohm a revenit la acest concept prin versiunea sa, pe care a numit-o unda pilot.
Similar cu sugestia lui de Broglie, ipoteza undei pilot a lui Bohm combină particulele și undele într-un parteneriat care există indiferent de ce se urmăreşte într-un experiment. Totuși, interferenţa cu unda schimbă caracteristicile acesteia.
Spre deosebire de ideea lui de Broglie, această nouă propunere ar putea explica corelarea stărilor unor particule separate în timp și spaţiu prin invocarea prezenței unui ”potențial” cuantic care a acționat ca un canal pentru ca informațiile să fie schimbate între particule.
Această teorie a undelor pilot a fost denumită în mod obișnuit teoria de Broglie-Bohm.
„Noua ipoteză principală este că unda cuantică codifică informații fizice, acționând ca un dispozitiv de calcul natural care implică diferite stări posibile.
În consecinţă, poate exista orice suprapunere de stări codificate ca informații fizice în unda tridimensională. Particula trece dintr-o stare în alta pe baza informațiilor din undă”, a declarat Castro.
De ce teoria undelor pilot nu este acceptată pe scară largă?
Din punct de vedere filosofic, o teorie este atât de bună pe cât de bine explică rezultatele experimentale și prezice observațiile. Indiferent de cât de atrăgătoare este o idee, dacă nu poate descrie un fenomen mai precis decât alte idei concurente, atunci este puțin probabil să cucerească mulți fani.
Undele pilot nu prezintă un model robust al naturii, oferind doar explicaţii despre fizica cuantică într-un mod intuitiv prin care atrage atenția, dar care nu sunt suficiente pentru a schimba fondul problemei.
Ce dovezi există pentru teoria undelor pilot?
De exemplu, în anul 2005, cercetătorii francezi au observat picături de ulei care țopăiau într-un mod ciudat într-o baie vibrantă de ulei, interacționând cu mediul într-o buclă de feedback care amintea mai degrabă de particulele lui de Broglie. Esențială pentru observațiile lor a fost o anumită cuantificare a mișcărilor particulei, asemănătoare măsurătorile stricte care limitează mișcările electronilor în jurul nucleului unui atom.
Asemănările dintre aceste unde la scară macro și cele cuantice au fost suficient de interesante pentru a sugera un fel de mecanică unificatoare care necesită investigații suplimentare.
Fizicienii de la Institutul Niels Bohr din Universitatea din Copenhaga au testat ulterior una dintre descoperirile de tip cuantic făcute pe analogia picăturilor de ulei pe baza modelelor lor de interferență printr-un experiment clasic cu fantă dublă și nu au reușit să reproducă rezultatele.
Cu toate acestea, s-a detectat un efect ”interesant” de interferență în mișcările modificate ale undelor, ceea ce ne-ar putea ajuta să aflăm mai multe despre undele de tip cuantic.
Propriul nepot al lui Bohr, un fizician pe nume Tomas Bohr, a intervenit și el în această dezbatere propunând un experiment de gândire care exclude efectiv undele pilot.
Chiar dacă rezultatele nule și experimentele de gândire cu greu infirmă principiile de bază ale versiunii actuale a undelor pilot ale lui de Broglie-Bohm, ele întăresc provocările cu care se confruntă susţinătorii acestora în dorinţa lor de a promova modelele lor către un adevărat statut de teorie.
„Memoria cuantică a undei este un concept puternic, dar, desigur, mai este mult de făcut”, a declarat Castro.
Teoria undelor pilot ar putea fi viitorul fizicii cuantice?
Este evident că există o lacună dureroasă în fizică privind explicarea dualismului undă-corpuscul.
Poate că dualismul undă-particulă nu are nicio analogie în experiența noastră zilnică. Cu toate acestea, ideea unui mediu sub formă de undă care acționează ca un fel de dispozitiv computațional pentru fizică este prea tentantă pentru a renunţa la ea.
Pentru ca teoria undelor pilot să triumfe, fizicienii trebuie să găsească o modalitate de a scoate o particulă din unda sa cuantică și să arate că cele două pot exista independent. Experimental, acest lucru ar putea fi realizat prin emiterea a două particule și separarea uneia de pe traiectoria sa prin măsurarea ei.
„Apoi facem ca această undă cuantică goală să interfereze cu unda celeilalte particule, modificând comportamentul celei de-a doua particule. Am prezentat acest lucru la prima conferință internațională privind progresele în teoria undelor pilot”, a declarat Castro.
Practic vorbind, dispozitivele necesare pentru a detecta un astfel de eveniment ar trebui să fie extrem de sensibile. Acest lucru nu este în afara limitelor fezabilității, dar este o sarcină care așteaptă cu răbdare o oportunitate. Undele pilot goale ar putea deține cheia pentru rezolvarea problemelor practice în calculul cuantic, făcând undele mai puțin predispuse la zgomotul din jur.
Viitorii fizicieni ar putea ajunge, în cele din urmă, la observații prin care Universul ar putea fi înţeles în ansamblu. Dacă experimentele detectează ceva, atunci va fi un indiciu solid că, departe de a fi goală, inima fizicii bate cu un puls. Chiar și atunci când nimeni nu se uită.
Traducere după Could an Overlooked Quantum Theory Help The Universe Make Sense Again?