Uitaţi de particule şi de unde. Când vine vorba de adevărata deghizare a realităţii materiale, ceea ce se află acolo depăşeşte imaginaţia noastră...cu alte cuvinte, dacă veţi alege dintre cele două variante, nu puteţi decât greşi. Realitatea e altfel şi nu încape în cuvinte.
Se spune că John Archibald Wheeler a observat că „Dacă nu găseşti ceva straniu într-o zi, atunci n-a fost cine ştie ce zi”. Şi totuşi stranietatea a fost aliatul lui Wheeler. Ca unul dintre fizicienii teoreticieni de marcă ai secolului XXI, lucrurile cu care se ocupă zi de zi – deformarea spaţiu-timpului curb din teoria einsteiniană a relativităţii, incertitudinile vagi şi improbabilităţile – ar fi copleşit minţile oamenilor obişnuiţi.
Chiar şi aşa, una din zilele anului 1978 trebuie să fi însemnat într-adevăr ceva pentru Wheeler. Acest lucru s-a întâmplat atunci când a aprins pentru prima oară fitilul unei idei foarte ciudate de a testa modul în care se presupunea că se comportă fotonii. Jumătate de secol mai devreme fizica cuantică produsese perspectiva uluitoare că lumina – de fapt totul în lumea cuantică – are un comportament dual. Uneori se comportă ca şi când ar fi formată din bucăţi concrete de materie care urmează trasee bine definite - particule. Alteori, adoptă forma de undă, mai amorfă, care umple spaţiul. Acest lucru a dus la o întrebare exersată de Wheeler: ce o face să arate când într-un fel, când altfel?
A fost nevoie de ceva timp până când testele concepute de Wheeler să devină realitate experimentală. Dar atunci când s-a întâmplat, răspunsul care a venit a fost suficient de straniu. Totuşi acum experimentul fusese refăcut cu o întorsătură cuantică suplimentară. Şi probabil că este momentul să abandonăm orice pretenţie de a înţelege rezultatul. Uitaţi de unde, uitaţi de particule, uitaţi de tot ce este ori una, ori alta. Realitatea este mult mai de nepătruns.
Timp de secole, lumina a aprins ideile noastre asupra lumii materiale. Dezbaterea cu privire la natura ei, undă sau particulă, datează încă din vremea filozofilor Greciei antice şi a inclus, de o parte sau de alta, deschizători de drumuri precum Newton, Descartes şi Einstein. Pe la începutul secolului al XX-lea, rezultatul era de egalitate, ambele părţi având un sprijin semnificativ (vezi diagrama de mai jos).
Clic pe imagine pentru dimensiunea maximă.
credit imagine: New Scientist
Misterul primordial
Fizica cuantică a distrus blocajul spunând în esenţă că toată lumea avea dreptate. Dovada aparentă vine cu o versiune cuantică a experimentului realizat pentru prima dată de către fizicianul englez Thomas Young în anul 1803, pentru a sprijini, în mod ironic, teoria luminii ca undă. Young a proiectat lumina pe un ecran cu două fante mici, paralele, în ea. Pe un alt ecran, la o oarecare distanţă faţă de primul, a văzut franje verticale alternativ luminoase şi întunecoase care păreau a fi dovada incontestabilă a caracterului de undă al luminii. Valurile de apă care ar trece prin două fante înguste dintr-un zid de apă, ar refracta şi ar interfera într-un mod similar, uneori amplificându-se în mod constructiv, iar alteori reducându-şi în mod distructiv puterea unul altuia.
Ciudăţenia începe atunci când scădeţi intensitatea luminii până într-acolo încât un singur foton intră la un moment dat în instalaţia experimentală. În anul 1905, Einstein susţinea înfocat că un singur foton este o particulă şi, într-adevăr, dacă puneţi un detector în dreptul oricărei fante veţi auzi bip, bip-ul unei singure particule lovindu-l. Îndepărtaţi însă detectorul şi aşezaţi în schimb un ecran pentru colectarea luminii – un fel de cameră cu expunere îndelungată – la o anumită distanţă în spatele fantelor şi se va forma treptat acelaşi tipar de lumini şi umbre pe care îl observase şi Young. Este ca şi cum fiecare foton este o undă suprapusă care trece în mod simultan prin ambele fante. Acelaşi lucru se întâmplă şi cu celelalte particule cuantice: electronii, neutronii, atomii şi chiar şi moleculele de fulerene (C60).
Pentru Niels Bohr, marele pionier danez al fizicii cuantice, acest „mister principal” nu era altceva decât un principiu pentru o nouă teorie, una pe care el a numit-o principiul complementarităţii. Obiectele cuantice, cum ar fi fotonii, au pur şi simplu proprietăţi complementare – să fie, de exemplu, şi undă, şi particulă – care pot fi observate individual, dar niciodată împreună. Şi care să fie factorul care determină forma pe care o adoptă lucrurile? Bohr a formulat pentru prima dată conturul unui răspuns la o mare adunare a fizicienilor de la Istituto Carducci, pe malul lacului Como în Italia, în septembrie 1927: noi o determinăm. Căutaţi o particulă şi veţi vedea o particulă. Căutaţi o undă şi asta este ceea ce veţi vedea.
Ideea că realitatea fizică depinde de bunul plac al observatorului l-a deranjat pe Einstein foarte tare. „Nu există o definiţie rezonabilă a realităţii care să fie de aşteptat să permită acest lucru”, se răţoia el într-o lucrare realizată împreună cu Boris Podolsky şi Nathan Rosen în 1935 (Physical Review, vol 47, p 777). Einstein era în favoarea unei idei alternative a unui fundament de bază, dar încă neaccesibil al realităţii, care ar fi conţinut influenţa ascunsă care să îi „spună” fotonului despre natura experimentului care avea să fie realizat, schimbându-i în consecinţă comportamentul.
Este mai mult aici decât o sălbatică teorie a conspiraţiei. Imaginaţi-vă o explozie care trimite două bucăţi de şrapnel în direcţii opuse. Explozia respectă legea conservării impulsului, astfel încât masa şi viteza bucăţilor sunt corelate. Dar dacă nu aţi şti nimic despre conservarea impulsului, aţi putea crede cu uşurinţă că măsurarea proprietăţilor unui fragment determină proprietăţile celuilalt, în loc să vă gândiţi că ambele sunt determinate la punctul de explozie. Era oare o realitate ascunsă similară responsabilă pentru întâmplările din lumea cuantică?
Aici este momentul în care a intrat în joc experimentul gândit de Wheeler. Scopul experimentului era acela de a lămuri problema – ce îi spunea fotonului cum să se comporte, folosind o versiune actualizată a experimentului celor două fante. Fotonii ar fi avut de ales între două căi de acces într-un dispozitiv numit interferometru. La capătul cel mai îndepărtat al interferometrului, cele două căi se puteau recombina sau nu. Dacă fotonii ar fi fost măsuraţi fără această recombinare – un interferometru „deschis” – ar fi fost echivalentul aşezării unui detector în dreptul uneia sau alteia dintre fante. V-aţi aştepta să vedeţi particule unice mergând fie pe o cale, fie pe cealaltă, şansele între cele două fiind egale, 50:50 (vezi imaginea „Nici una, nici alta”).
Alternativ, fotonii puteau fi măsuraţi după recombinare – dispozitiv „închis”. În cazul acesta, ceea ce vă aşteptaţi să vedeţi depinde de lungimea celor două căi care trec prin interferometru. Dacă ambele au exact aceeaşi lungime, vârful undelor ajunge în acelaşi timp la unul dintre detectoare şi interferează în mod constructiv: 100% dintre lovituri apar pe acel detector şi niciuna pe celălalt. Modificând lungimea uneia dintre căi însă, puteţi scoate undele total din sincronizare şi interferenţa la primul detector ar varia de la complet constructivă la total distructivă, astfel încât acesta să nu mai primească nicio atingere. Acesta este echivalentul unei treceri rapide totale de la o franjă luminoasă la una întunecoasă pe un ecran de interferenţă din experimentul dublei fante.
Varianta lui Wheeler în cadrul acestui experiment a fost să întârzie în alegerea metodei de a măsura fotonul – într-un dispozitiv deschis sau închis – până la momentul când fotonul a intrat în interferometru. În felul acesta, fotonul nu putea „şti” sub nicio formă dacă să aleagă una sau ambele căi şi, în consecinţă, nu ar putea "şti" dacă să se comporte ca particulă sau ca undă.
Sau ar putea?
A fost nevoie de aproape 30 de ani până ca experimentul să poată fi pus în practică. Pentru a fi siguri că nu exista nicio influenţă ascunsă de natura celei sugerate de Einstein a fost nevoie de un interferometru foarte mare, astfel încât nimic referitor la alegerea măsurătorii să nu ajungă la foton, nici dacă informaţia ar fi călătorit cu viteza luminii (orice alt lucru mai rapid era interzis în mod special chiar de teoria relativităţii a lui Einstein). În 2007, Alain Aspect împreună cu echipa sa de la Institutul de Optică din Palaiseau, Franţa, au construit un interferometru cu braţe de 48 m lungime. Rezultatul? De câte ori alegeau în ultimul moment să măsoare fotonii cu un interferometru închis au văzut interferenţa de undă. De câte ori alegeau însă un interferometru deschis vedeau particule (Science, vol 315, p 966).
Era indiscutabil. Comportamentele de undă şi particulă chiar par a fi două feţe ale unei monede reprezentând realitatea materială. Cât despre faţa pe care cade moneda – ei bine, voi decideţi. „Nu este minunat?”, spunea Aspect într-o prezentare publică la conferinţa Physics@FOM din Veldhoven, Olanda, anul trecut. „Cred că nu există nicio altă concluzie care să fie trasă din acest experiment”.
Asta dacă, bineînţeles, nu faci lucrurile să devină şi mai stranii. În decembrie 2011, Radu Ionicioiu de la Institute for Quantum Computing din Waterloo, Canada şi Daniel Terno de la Macquarie University din Sydney, Australia, au propus extinderea experimentului gândit de Wheeler (Physical Review Letters, vol 107, p 230406). Noua lor variantă era legată de faptul că decizia de măsurare a unui foton, ca particulă sau ca undă, trebuia să fie ea însăţi una de natură pur cuantică – nu un da sau nu definitiv, ci un da-şi-nu nedeterminat, neclar.
Nuanţe infinite de gri
Există o modalitate de a face acest lucru: se foloseşte lumina pentru a controla detectorul proiectat să sondeze lumina. Mai întâi se pregăteşte un foton „de control” într-o superpoziţie cuantică a două stări. Una dintre aceste stări comută interferometrul într-o stare deschisă, de măsurare a particulei, şi cealaltă, la o stare închisă, de măsurare a undei. Esenţial e faptul că se măsoară starea fotonului de control doar după ce s-a măsurat fotonul experimental „de sistem” care trece prin interferometru. În ceea ce ne priveşte, fotonul de sistem trece printr-un interferometru care este deschis şi închis în acelaşi timp; nu ştim dacă am stabilit să măsurăm comportamentul de undă sau de particulă (vezi diagrama de mai jos). Aşadar, ce măsurăm?
Ce măsurăm? Nici una, nici alta
credit imagine: New Scientist
De această dată, experimentatorii au avut nevoie doar de câteva luni pentru a-i ajunge din urmă pe teoreticieni. Dar atunci când trei grupuri independente conduse de Chuan-Feng Li de la University of Science and Technology din Hefei, China, Jeremy O'Brien de la University of Bristol, Marea Britanie şi Sébastien Tanzilli de la University of Nice, Franţa, au realizat variante diferite ale experimentului anul trecut, rezultatele au fost tulburătoare – chiar şi pentru aceia care se consideră a fi obişnuiţi cu ciudăţeniile fizicii cuantice (Nature Photonics, vol 6, p 600; Science, vol 338, p 634 and p 637).
Răspunsul este acela că ceea ce vedem depinde de fotonul de control. Dacă privim măsurătorile fotonilor de sistem fără a verifica măsurătorile corespondente ale fotonilor de control – deci neştiind vreodată ce măsurăm – vom vedea o distribuire de lovituri pe cele două detectoare care nu reprezintă nici semnătura particulelor, nici pe cea a undelor, ci un amestec ambiguu al celor două. Dacă particula este neagră şi unda este albă, aceasta este o nuanţă de gri.
Să facem acelaşi lucru, dar de data aceasta uitându-ne şi la măsurătorile fotonului de control; este ca şi cum ne-am pune o pereche de ochelari magici. Griul se separa clar în alb şi negru. Putem deosebi fotonii de sistem care au trecut printr-un interferometru deschis, iar ei sunt clar particule. Cei care au trecut printr-un interferometru închis arată exact ca undele. Fotonii îşi arată culorile în funcţie de tipul de experiment pe care fotonul de control spune că l-am făcut.
Lucrurile devin şi mai stranii. Mecanica cuantică ne permite să folosim fotonii de control nu doar într-un amestec egal de stări, ci şi în diferite proporţii. Acest lucru ar fi echivalentul unui interferometru configurat, să spunem, a fi deschis 70% din timp şi închis 30% din timp. Dacă măsurăm un grup de fotoni de sistem în această configurare şi vedem datele înainte de a ne pune ochelarii magici, vom vedea din nou o semnătură ambiguă – dar de această dată, o nuanţă de gri care s-a mutat mai aproape de particula neagră decât de unda albă. Dacă ne punem însă ochelarii, vom vedea fotonii de sistem din care 70% s-a comportat aparent – dar în mod clar – ca particule, iar procentul de 30% rămas, s-au comportat ca unde.
Într-un fel, rezultatele fac argumentul lui Bohr referitor la realitatea cuantică chiar mai puternic. Există o strânsă corelaţie între starea fotonului de control, reprezentând natura măsurătorii, şi fotonul de sistem, reprezentând starea realităţii. Faceţi mai mult decât o măsurătoare a particulei şi veţi măsura ceva mai mult de o particulă şi viceversa. Ca şi în experimentele anterioare, o teorie a realităţii ascunse à la Einstein nu poate explica rezultatele.
Putem interpreta şi altfel, deşi ne e greu să găsim cuvintele potrivite pentru a descrie asta. „Experimentul nostru sfidează graniţele convenţionale impuse de principiul complementarităţii”, spune Li. Ionicioiu este de acord. „Complementaritatea arată numai cele două extremităţi, negru şi alb, ale unui spectru între particulă şi undă”, spune el. „Acest experiment ne permite să vedem şi nuanţele de gri dintre cele două”.
Aşadar, s-a dovedit că şi Bohr a greşit? Johannes Kofler de la Max Planck Institute of Quantum Optics din Garching, Germania, nu crede acest lucru. „Sunt de fapt foarte, foarte sigur că ar fi total de acord cu toate aceste experimente”, spune el. Principiul complementarităţii este în centrul „interpretării Copenhaga” a fizicii cuantice, numită astfel după oraşul natal al lui Bohr, interpretare care susţine în esenţă că vedem un conflict în aceste rezultate doar pentru că minţile noastre, adaptate pentru un cosmos macroscopic, care funcţionează clasic, nu sunt dotate pentru a înţelege lumea cuantică. „Interpretarea Copenhaga, încă de la bun început, nu a cerut nici o concepţie „realistă” a sistemului cuantic”, spune Kofler.
Rezultatele celor mai recente experimente confirmă pur şi simplu acest lucru. „Particulă” şi „undă” sunt concepte pe care le pricepem deoarece par să corespundă unei disimulări a materiei în lumea noastră familiară, clasică. Dar a încerca să descriem adevărata realitate cuantică cu acestea sau cu oricare alte concepte clare, în alb-negru, reprezintă o încercare sortită eşecului.
Este o noţiune care ne duce înapoi direct în peştera lui Platon, spune Ionicioiu. În alegoria filozofului antic grec, prizonierii încătuşaţi într-o peşteră vedeau doar umbrele obiectelor proiectate pe unul dintre pereţii peşterii, dar niciodată obiectul însuşi. Un cilindru, de exemplu, se poate vedea ca un dreptunghi sau ca un cerc, sau orice altceva între cele două. Ceva similar se întâmplă şi cu pietrele de temelie ale realităţii. „Uneori fotonul arată ca o undă, alteori, ca o particulă sau ca orice altceva între ele”, spune Ionicioiu. În realitate însă nu este nici unul dintre aceste lucruri. Şi totuşi nu avem cuvintele sau conceptele pentru a exprima ceea ce este de fapt.
Abia acum este straniu. Şi pentru fizicienii domeniului cuantic, toate acestea într-o singură zi de muncă.
Textul de mai sus reprezintă traducerea articolului quantum-shadows-the-mystery-of-matter-deepens.html, publicat de New Scientist. Scientia.ro este singura entitate responsabilă pentru eventuale erori de traducere, Reed Business Information Ltd şi New Scientist neasumându-şi nicio responsabilitate în această privinţă.
Traducere: Silvia Gergely