Scientia

După o analiză mai atentă a fenomenelor care au dat naştere ideii că mecanica cuantică este o teorie foarte ciudată, concluzia care se desprinde este că teoria nu este stranie şi de neînţeles din cauză că descrie ceva complet diferit de realitatea cotidiană. Este bizară şi neinteligibilă tocmai pentru că descrie întocmai lumea în care trăim.

Cât de ciudată este mecanica cuantică? (3)

TREI DIFICULTĂŢI CONCEPTUALE ALE MECANICII CUANTICE

La modul în care este de obicei prezentată, mecanica cuantică este dificil de înţeles şi reprezintă cu siguranţă mult mai mult decât mecanica clasică tratată cu ajutorul unui mecanism de tipul roţii topografice. Merită deci să abordăm direct trei dintre cele mai evidente dificultăţi ale teoriei cuantice:

1) Răspunsurile pe care ni le oferă mecanica cuantică sunt întotdeauna sub forma unui set de probabilităţi care există simultan. Un asemenea rezultat este complet contraintuitiv, ireal pentru om. Aşa cum a arătat însuşi Schrödinger, mecanica cuantică pare să ne spună că am putea pune în practică anumite scenarii în care, de pildă, o pisică să fie atât moartă, cât şi vie în acelaşi timp, lucru neîntâlnit în realitate. Iar tocmai acest tip de argumentaţie a ajuns să fie folosit în mod curios drept “muniţie” împotriva mecanicii cuantice.

Există un cuvânt din afara vocabularului ştiinţei foarte potrivit pentru a descrie un amestec de lucruri posibile care coexistă în acelaşi timp – îi spunem cu toţi viitor. Cu excepţia cazului în care credem că toate evenimentele sunt predeterminate, ceea ce ar reprezenta o viziune destul de sumbră despre lumea în care trăim, cam asta pare să fie semnificaţia a ceea ce numim viitor. Desigur, niciodată nu îl experimentăm înainte de transformarea sa în prezent, moment în care doar una dintre eventualităţi se manifestă, dar viitorul, în fapt, spre deosebire de  prezicerea unei singure versiuni a lui, trebuie să fie ceva foarte apropiat de ceea ce descrie mecanica cuantică. Iar acest lucru reprezintă o victorie importantă a mecanicii cuantice în faţa mecanicii clasice care, prin descrierea tuturor evenimentelor ca fiind ineluctabile, de fapt ne privează de un viitor.

Desigur că se naşte o nouă întrebare privind modalitatea în care una dintre eventualităţile care dau formă viitorului aşa cum tocmai l-am descris este selectată pentru a da formă noţiunilor pe care le numim prezent şi apoi, pentru a se transforma în trecut, numai că nu ar trebui să privim lipsa unui răspuns rapid ca pe un defect al mecanicii cuantice. Este o întrebare atât de profundă şi care ar presupune discuţii despre concepte precum soarta şi liberul arbitru, încât o vom lăsa deoparte. Un titlu de articol de ziar precum “Fizica nu poate prezice viitorul în detaliu” nu ar trebui să reprezinte un mare impediment.

2) Mecanica cuantică sugerează faptul că există un fel de comunicare care se manifestă instantaneu între tot ceea ce există. Acest lucru este adevărat, dar prin abordarea aleasă aici pentru a prezenta mecanica cuantică, comunicarea este de un tip foarte limitat – limitată la informaţiile dobândite cu ajutorul mecanismului de măsurare a acţiunii pe parcursul verificării tuturor destinaţiilor posibile. Este foarte dificil de imaginat cum numai aceste informaţii, aceste rezultate ale măsurătorilor - deci probabilităţile asociate fiecărei destinaţii – ar putea fi folosite pentru a transmite un semnal cu viteză superluminică ori cum ar putea viola vreunul dintre celelalte principii “sfinte” ale fizicii. Mai degrabă poate fi vorba despre înţelegerea faptului că unul dintre puţinele fenomene cuantice noi poate avea aplicaţii în criptografie – deci ar putea reprezenta o modalitate de a ascunde un semnal, mai degrabă decât de a transmite unul.

3) Mecanica cuantică nu ne permite să cunoaştem unde se află toate lucrurile, la orice moment de timp. Această idee reprezintă cel mai interesant “defect” al mecanicii cuantice, iar neajunsul poate fi (şi este – n.n.) exprimat în multiple feluri: particulele trebuie să fie în mai multe locuri în acelaşi timp; poziţiile acestora nu sunt definite decât în momentul “observării” lor; particulele se comportă asemenea undelor. Vom rezuma toate aceste formule prin inabilitatea de a afirma cu exactitate unde se găsesc particulele la orice moment de timp.

Ilustrarea “clasică” a acestei idei este experimentul în cadrul căruia un fascicul de electroni este îndreptat în direcţia unui obstacol prevăzut cu două fante în spatele căruia se află un perete pe care este montat un ecran (figura 5). În locul semnelor pe care intuiţia ne spune că ar trebui să le observăm pe ecran dacă particulele nu ar fi nimic altceva decât... simple particule materiale, se observă apariţia unor franje de interferenţă, ca şi cum electronii s-ar fi dematerializat luând forma unor unde, trecând astfel prin ambele fante simultan.

Figura 5: Diagramă de principiu a experimentului cu două fante.

Există câteva modalităţi prin care putem înţelege şi accepta aceste observaţii experimentale. Primul lucru de notat este că lipsa unor informaţii complete nu este cu adevărat o problemă care s-a născut odată cu mecanica cuantică – ea aflându-şi originile în cea de-a treia versiune a mecanicii clasice. În versiunea lui Feynman, esenţa mişcării este reprezentată de procesul de stabilire a validităţii ori invalidităţii unei destinaţii posibile. Înainte de a trece la mecanica cuantică, putem face acest lucru cât de des dorim, pentru a putea umple golurile cât de mult ne dorim, dar precedentul a fost creat: fizica se referă mai degrabă la testarea unor poziţii discrete şi nu la calcularea de traiectorii continue. Vorbim de o caracteristică intrinsecă a fizicii clasice, fizica de modă veche, şi nu doar “straniei” fizici cuantice, aşa că poate e cazul să ne relaxăm puţin.

În al doilea rând trebuie să clarificăm problema în sine. În cazul experimentului cu două fante dificultatea de înţelegere nu apare din cauza faptului că am vedea electroni dematerializându-se ori ondulându-se prin vreun mediu, ci aceasta apare doar pentru că noi considerăm necesar să înţelegem ce se întâmplă cu electronii pentru a explica forma modelului care apare pe ecran. Dacă încercăm în mod voit să observăm traiectoria pe care aceştia se deplasează, electronii ni se înfăţişează într-o altă poziţie ca particule, dar franjele de interferenţă dispar. De fapt, problema este că nu putem spune cum arată particulele decât atunci când acestea nu pot fi văzute.

Iar aceasta reprezintă o idee nu tocmai uşor digerabilă, deoarece intuiţia ne spune că particulele trebuie să fie undeva, chiar şi atunci când nu le putem vedea. Dar dacă mecanica cuantică poate descrie cu exactitate toate informaţiile pe care le putem obţine vreodată despre lumea exterioară, poate că suntem doar lacomi când ne dorim şi mai mult decât atât. Din nou, un titlu de ziar care ar suna la modul “Fizica nu poate descrie evenimentele ce nu pot fi observate direct”  nu este tocmai de mare impact.

Ultima idee este oarecum vagă, dar fundamentală. Dacă acceptăm faptul că viitorul nu este prestabilit, ne aşteptăm ca acesta să ne rezerve surprize. La drept vorbind, acest aspect nu e tocmai plauzibil într-o lume în care particulele au traiectorii continue şi în care este disponibilă gratis o cantitate infinită de informaţie. Ideea devine mai degrabă plauzibilă în cazul unui univers discontinuu din anumite puncte de vedere, unde informaţia disponibilă are un caracter limitat. Deşi am lăsat deoparte întrebarea privind modul în care un viitor plin de eventualităţi se transformă într-un trecut imuabil, răspunsul trebuie să aibă legătură cu ceva destul de ciudat în comparaţie cu experienţele noastre cotidiene. Poate că acest tip de fizică neconformă cu intuiţia noastră este formulată în contextul unui model acceptabil de bizarerie.

UN NOU CONCEPT - SPINUL PARTICULELOR

Am menţionat anterior că o altă idee nouă este necesară înainte ca fizica clasică a electronilor şi nucleelor atomice să devină chimie. Este vorba despre conceptul de spin, o a treia proprietate a electronilor şi nucleelor, alături de masă şi sarcină electrică. Paul Dirac a demonstrat că spinul reprezintă o proprietate naturală a particulelor în contextul mecanicii cuantice. Wolfgang Pauli a fost cel care a arătat că spinul electronului este cel care împiedică mai mult de un electron să ocupe aceeaşi stare la acelaşi moment de timp – principiul excluziunii – un aspect esenţial pentru întreg edificiul ştiinţei chimiei. Detaliile nu sunt importante în acest context, dar alăturarea conceptului de spin mecanicii cuantice pare să poată lămuri cam toate aspectele lumii în care trăim.

MECANICA CUANTICĂ - UN FACTOR DE STABILITATE ÎN FIZICĂ

Unul din beneficiile îmbrăţişării acestei perspective asupra lumii cuantice, perspectivă care nu este fundamental diferită de universul clasic, este faptul că ne putem imagina transformarea unei lumi în cealaltă. Cu doar câteva presupuneri, o lume clasică care înglobează electroni şi nuclee atomice punctiforme devine haotică. Atomii se îndreaptă încontinuu spre colaps, dar sunt împiedicaţi să-l şi atingă de o cantitate imensă de radiaţie electromagnetică care este eliberată pe parcursul procesului. Nu este tocmai locul confortabil sugerat de folosirea cuvântului clasic.

Pe măsură ce ne imaginăm trecerea spre tărâmul cuantic prin creşterea valorii constantei lui Planck de la valoarea 0 către h, se întâmplă ceva remarcabil. La un anumit  punct, lumina orbitoare dispare pentru a lăsa loc atomilor stabili, capabili să formeze molecule. Departe de a da naştere unei lumi complet stranii, mecanica cuantică o face chiar să funcţioneze normal. Ca o măsură de siguranţă, dacă valoarea asociată constantei lui Planck creşte prea mult, atomii se dezintegrează şi o formă diferită de haos pune stăpânire pe univers, lucru care nu face decât să condimenteze şi mai mult povestea imaginată de noi.

Aşadar, se pare că mecanica cuantică nu este stranie şi de neînţeles pentru că descrie ceva complet diferit de realitatea cotidiană. Este bizară şi neinteligibilă tocmai pentru că descrie întocmai lumea în care trăim – trecut, prezent şi viitor.

REFERINŢE

Feynman, Richard P. 1985. QED: The Strange Theory of Light and Matter (Electrodinamica cuantică – Strania teorie a luminii şi materiei). Princeton, N.J.: Princeton University Press.

DESPRE AUTOR

Paul Quincey este fizician în cadrul National Physical Laboratory, Hampton Road, Teddington, Middlesex, TW11 0LW, United Kingdom.

SFÂRŞIT

Textul de mai sus reprezintă traducerea articolului Why quantum mechanics is not so weird after all de Paul Quincey, traducere realizată cu acordul revistei Skeptical Inquirer.