Nimic nu pare a fi mai real decât lumea formată din obiectele de zi cu zi, numai că lucrurile nu sunt ceea ce par. Un set de experimente relativ simple scoate la iveală nenumărate găuri în înțelegerea intuitivă a realităţii fizice.
Încercarea de a explica ce se întâmplă cu adevărat duce la unele teorii ciudate şi uneori şi surprinzătoare privind lumea din jurul nostru.
Următorul este un exemplu simplu. Luaţi o lampă de birou obişnuită, câteva bucăţi de carton cu găuri de dimensiuni descrescătoare şi un ecran de proiecţie, cum ar fi un perete alb. Dacă puneţi o bucată de carton între lampă şi zid, veţi vedea o dungă luminoasă formată acolo unde lumina trece prin gaura din carton. Dacă acum înlocuiţi bucăţile de carton cu unele cu găuri cu dimensiuni din ce în ce mai mici şi dunga luminoasă va scădea în dimensiune. Odată ce scădem sub o anumită dimensiune, totuşi, umbra de pe zid se va schimba dintr-un punct mic în inele concentrice succesive, luminoase şi întunecate, asemănătoare cu o ţintă pentru arcaşi. Această este ceea ce numim „Modelul lui Airy”- un semn caracteristic al unei unde care trece printr-o gaură (vezi imaginea de mai sus).
Acest lucru nu este foarte surprinzător. Până la urmă, noi ştim că lumina este o undă, aşa că ar trebui să adopte şi un comportament de tip undă. Dar acum să vedem ce se întâmplă atunci când ne jucăm un pic cu modul de realizare a experimentului. În locul lămpii, vom folosi un dispozitiv capabil să proiecteze electroni, asemănător cu cel din televizoarele vechi; în locul peretelui, vom folosi o placă de sticlă acoperită cu fosfor care luminează atunci când este lovită de un electron. Deci putem folosi acest ecran pentru a descoperi locurile lovite de către electroni. Rezultatele sunt similare: cu găuri suficient de mici obţinem acelaşi model Airy.
Acesta pare a fi un pic ciudat: electronii sunt particule care sunt localizate în puncte precise şi nu pot fi divizate.Totuşi ei se comportă ca niște unde care se împrăștie prin spaţiu, sunt divizibile şi care se pot uni una cu cealaltă atunci când se întâlnesc.
Poate că până la urmă nu este chiar atât de ciudat. Apa este formată din molecule, dar totuşi ea se comportă ca o undă. Modelul Airy poate că apare atunci când destul de multe particule se întâlnesc, indiferent dacă sunt molecule de apă sau electroni.
O variantă simplă a acestor experimente arată, totuşi, că lucrurile nu stau aşa. Să presupunem că reducem rata tunului cu electroni la o particulă pe minut. Modelul Airy nu mai apare şi tot ce mai putem vedea este doar o mică strălucire la fiecare minut. Să lăsăm această organizare a experimentului să ruleze ceva timp, înregistrând poziţia fiecărui străluciri atunci când are loc. Apoi, întocmim harta locaţiilor în care au avut loc flashurile.
În mod surprinzător, nu obţinem doar o aranjare accidentală de puncte, ci obţinem din nou modelul Airy. Acest rezultat este extrem de ciudat. Nici un electron individual nu poate şti locul în care au lovit electronii de dinaintea lui sau în care vor lovi cei de după el, aşa că nu pot comunica unul cu celălalt pentru a forma un model concentric. Mai degrabă, fiecare electron trebuie să fi călătorit sub forma unei unde prin gaură pentru a produce modelul caracteristic, apoi s-a transformat în particulă pentru a produce punctul de pe ecran. Aceasta, desigur, este celebra dualitate undă-particulă din mecanica cuantică.
Acest comportament ciudat este prezent la orice bucată suficient de mică de materie, cum ar fi electroni, neutroni, fotoni şi alte particule elementare, dar nu numai în cazul acestora. Efecte similare au fost observate în cazul unor obiecte care sunt suficient de mari pentru a fi privite cu microscopul, cum ar fi buckminsterfulerenele (molecule sferice cu formula C60, care datorită asemănării cu domurile geodezice, creaţii ale arhitectului Buckminster Fuller, îi poartă numele). Pentru a putea explica comportamentul ciudat al unor asemenea obiecte, fizicienii de obicei asociază o funcţie de undă pentru fiecare dintre ele. În ciuda faptului că aceste unde prezintă proprietăţile uzuale ale unor unde mai familiare, cum ar fi undele de pe suprafaţa apei sau cele sonice, cum ar fi amplitudinea (cât de sus sau de jos deviază de la starea de echilibru), faza (în care punct al ciclului se află unda) şi interferenţa (atunci când fazele de “jos” şi “sus” ale undelor se întâlnesc se anulează una pe cealaltă), ceea ce le transformă în unde nu este la fel de transparent. Einstein a vorbit, pe bună dreptate, atunci când a descris mediul de propagare, ca fiind un “mediu fantomă”.
Pentru o undă aflată într-un mediu obişnuit cum ar fi apa, îi putem calcula energia la orice moment calculând pătratul amplitudinii sale. Funcţiile de undă, totuşi, nu transportă energie. În schimb, calculând rădăcina pătrată a amplitudinilor lor la orice moment dat ne poate folosi pentru a afla probabilitatea de a observa acea particulă dacă un detector, cum este ecranul acoperit cu fosfor este plasat în zonă.
În mod cert, punctul în care un obiect trece de la starea în care este doar o undă probabilistică, cu o existenţă potenţială împrăştiată prin spaţiu, la o stare în care este un obiect actual, localizat în spațiu este extrem de important pentru a înțelege dacă materia este reală sau nu. Ce se întâmplă exact atunci când funcţia de undă colapsează, atunci când printre nenumăratele posibilităţi ale locului în care o particula se poate afla, numai una este aleasă, în timp ce toate celelalte sunt respinse?
Mai întâi, trebuie să ne punem întrebări asupra momentului în care are loc alegerea. În exemplul descris mai sus, pare a avea loc înainte de a apărea acel flash pe ecranul fosforescent. În acest moment, o măsurare a poziţiei electronului a fost făcută de o bucată de fosfor care a strălucit în momentul în care a fost lovită de o particulă, deci în concluzie acolo ar fi trebuit să se afle un electron şi nu doar o undă probabilistică.
Dar să ne imaginăm că nu ne putem afla în laborator să observăm experimentul şi că, în loc, reglăm o cameră pentru a înregistra ecranul fosforescent, iar rezultatele ne sunt transmise printr-o legătură de satelit pe un computer de pe birou. În acest caz, flashul de lumină emis de către ecranul fosforescent trebuie să călătorească până la camera care îl înregistrează şi procesul este repetat: la fel ca electronii şi lumina călătoreşte sub formă de undă şi soseşte sub formă de particulă. Ce motiv putem avea pentru a crede că transformarea din undă probabilistică în particulă a avut loc într-adevăr pe ecranul fosforic şi nu în cameră?
La început, părea că ecranul fosforescent era instrumentul de măsură şi că electronul era cel care era măsurat. Dar în acest caz aparatul de măsură este camera şi ecranul fosforescent este parte a ceea ce este măsurat.
Având în vedere faptul că orice obiect fizic care transmite această măsurare şi pe care îl putem adăuga la această enumerare - camera, computerul, ochii noştri, creierul - este format din particule cu aceleaşi proprietăţi ca şi ale electronilor, cum putem noi determina acel punct particular în care să plasăm tăietura, diferenţierea între ceea ce este măsurat şi ceea ce face măsurarea.
Acest lanţ mereu în expansiune este numit lanţul von Neumann, după numele fizicianului şi matematicianului John von Neumann. Unul dintre colegii săi de la Universitatea Princeton, Eugene Wigner, a făcut o sugestie asupra locului în care ar trebui să facem tăietura. Dacă urmăm lanţul von Neumann în sens ascendent, prima entitate pe care o întâlnim care nu este formată din bucăţi de materie, după tiparul clasic, este conștiința observatorului. Aşa că am putea spune că în momentul în care conştiinţa intră în scenă, funcţia de undă colapsează şi unda probabilistică se transformă într-o particulă. Ideea că conştiinţa este cea care face ca realitatea de zi cu zi să fie posibilă este, desigur, destul de ciudată; probabil că nu este de mirare că are atât de puţini adepţi.
Există un alt mod de a interpreta problema măsurării care nu implică conştiinţa - cu toate că şi acest model prezintă complicaţii ciudate. Dar pe moment să explorăm ideea lui Wigner cu mai multă atenţie.
Dacă un observator conştient nu este cel care colapsează funcţia de undă, au loc consecinţe curioase. Cu cât mai multe şi mai multe obiecte devin parte a lanţului von Neumann prin schimbarea rolului din instrument de măsurare în parte a ceea ce se măsoară, structura de tip “împrăştiere” a undei probabilistice devine de asemenea o proprietate şi a acestor obiecte. Natura de tip superpoziţie a electronului, abilitatea de a fi în locuri diferite în acelaşi timp, acum afectează, de asemenea, şi instrumentele de măsurare.
A fost verificat experimental că nu doar obiectele mici, care nu pot fi observate, dar şi obiectele destul de mari pentru a fi privite la microscop, cum ar benzile de metal cu o lungime de 60 de micrometri, pot prezenta un comportament de tip superpoziţie.
Desigur, nu putem privi printr-un microscop şi să vedem banda de metal ca aflându-se în două locuri odată, pentru că acest lucru ar cauza colapsul imediat al funcţiei de undă. Totuşi este clar că starea de indeterminare pe care am găsit-o la nivel atomic poate avea loc şi la nivel macroscopic.
Totuşi, dacă noi acceptăm că funcţia de undă trebuie să colapseze din momentul în care conştiinţa intră în scena măsurării, consecinţele sunt încă şi mai curioase. Dacă decidem să rupem lanţul în acest punct, vom avea de-a face cu o situaţie în care, conform uneia dintre definiţiile realităţii, materia nu poate fi privită ca fiind reală. Dacă conştiinţa este necesară pentru a transforma undele probabilistice fantomatice în lucruri care sunt mai mult sau mai puţin asemănătoare cu obiectele pe care le întâlnim în viaţa de zi cu zi, cum putem exprima faptul că materia este ceea ce ar putea fi, indiferent dacă în zonă s-ar afla o minte umană sau nu?
Dar poate că ne grăbim un pic. Chiar dacă suntem de acord cu ideea că este necesară conştiinţa pentru a rupe lanţul, tot ce putem concluziona e că atributele dinamice ale materiei cum ar fi poziţia, momentul şi spinul sunt dependente de mintea umană. Asta nu înseamnă că şi atributele statistice cum ar fi masa sau sarcina electrică, sunt de asemenea dependente. Atributele statistice sunt prezente indiferent dacă noi suntem în zonă sau nu.
Cu toate acestea, trebuie să ne întrebăm dacă redefinirea realităţii ca fiind “un set de atribute statistice” păstrează destul din conţinutul ei pentru a ne permite să privim materia ca fiind reală. Într-o lume lipsită de minţi, ar mai exista atribute cum ar fi masa sau sarcina electrică, dar lucrurile nu s-ar mai afla într-un anumit loc sau nu ar mai călători într-o anumită direcţie. O astfel de lume nu ar avea nimic în comun cu lumea pe care noi o observăm. Werner Heisenberg a observat că: “ontologia materialismului s-a bazat pe iluzia că acest tip de existenţă, “actualitatea” directă a lumii din jurul nostru, poate fi extrapolată şi la nivel atomic. Această extrapolare, totuşi, este imposibilă… Atomii nu sunt lucruri”.
Se pare că la acest punct putem cel mult obţine afirmaţia că unele lucruri sunt independente de faptul că noi, ca observatori umani, suntem prezenţi, chiar dacă ele ar putea avea puţine în comun cu interpretarea de zi cu zi a materiei.
Se schimbă oare înțelegerea noastră asupra realităţii materiei dacă alegem cealaltă definiţie forte a realităţii - nu prin ceea ce este prezent, oricum, ci prin ceea ce oferă o fundaţie pentru toate celelalte?
Pentru a putea răspunde acestei întrebări, trebuie să cercetăm o noţiune ştiinţifică cheie, aceea a explicaţiei reductive. Cea mai mare parte a puterii unei teorii ştiinţifice derivă din faptul că noi putem folosi o teorie care se aplică unui anumit set de obiecte pentru a explica comportamentul unui alt set diferit de obiecte. Aşadar, noi nu avem nevoie de un set separat de legi şi principii pentru a explica al doilea set.
Un bun exemplu este modul în care teoriile din fizică şi chimie, care se ocupă cu materia neanimată, pot fi folosite pentru a explica procesele biologice.
Nu trebuie să postulăm o fizică sau o chimie specială pentru a explica metabolismul unui organism, modul în care acesta procreează, cum este transmisă informaţia sa genetică sau modul în care îmbătrâneşte sau moare. Comportamentul celulelor care formează un organism pot fi descrise în legătură cu nucleul, mitocondriile şi alte entităţi subcelulare care la rândul lor pot fi explicate în legătură cu reacţiile chimice care au loc în funcție de comportamentul moleculelor şi atomilor care le compun. Din acest motiv, explicaţiile proceselor biologice se poate spune că pot fi reduse la nivelul proceselor chimice şi în final la nivelul proceselor fizice.
Dacă alegem o explicaţie reductivă a fenomenelor care au loc în jurul nostru, un prim pas este de a reduce explicaţiile asupra obiectelor de dimensiune medie din jurul nostru, cărămizi, creiere, albine, facturi şi bacterii, la nivelul unor explicaţii asupra obiectelor materiale fundamentale, cum ar fi moleculele. Apoi realizăm faptul că orice lucru asupra acestor elemente poate fi explicat în legătură cu constituenţii lor, mai exact atomii. Atomii, desigur, sunt şi ei formaţi din alte parţi şi astfel suntem pe drumul spre lumea unor particule subatomice şi mai mici, poate (dacă teoria stringurilor este corectă) până la nivelul stringurilor vibrante de energie pură. Până acum noi nu am ajuns încă la nivelul obiectelor fundamentale. De fapt nu există nici măcar o teorie care să susţină că ar exista asemenea obiecte.
Deci nu există nici un motiv pentru care ar trebui să ne oprim aici cu explicaţia reducţionistă, având în vedere că putem înţelege obiectele fizice de bază în termeni de spaţiu şi timp. În loc de a vorbi despre o anumită particulă care există într-un anumit loc pentru o anumită perioadă de timp, putem reduce această discuţie la a vorbi despre o anumită regiune din spaţiu care este ocupată între doua momente de timp diferite.
Putem merge chiar la un nivel şi mai adânc; dacă luăm ca reper un punct fix ales arbitrar din spaţiu şi o unitate stabilă de distanţă în spaţiu, putem specifica oricare alt punct din spaţiu prin trei coordonate. În acest fel putem spune de câte unităţi avem nevoie pentru a merge în sus sau în jos, câte unităţi la stânga sau la dreapta şi câte unităţi înainte sau înapoi. Putem face la fel şi cu anumite momente în timp. Acum avem o modalitate de a exprima punctele în spaţiu-timp ca un set de 4 numere, x,y,z şi t, unde x,y şi z reprezintă cele 3 dimensiuni spaţiale şi t dimensiunea timpului. În acest fel, realitatea poate fi redusă la numere.
Şi aceasta ne duce la o chestiune şi mai fundamentală. Matematicienii au găsit o modalitate de a reduce numerele la ceva şi mai simplu: seturile. Pentru a face aceasta, ei înlocuiesc numărul 0 cu setul gol, numărul 1 cu setul care conţine numai setul gol şi aşa mai departe. Toate proprietăţile numerelor se aplică şi acestor numere surogat formate din seturi. Se pare că în acest moment am redus lumea materială din jurul nostru la o matrice de seturi.
Din acest motiv este important să ştim ce sunt cu adevărat aceste obiecte matematice numite seturi. Există două viziuni asupra obiectelor matematice care sunt importante în acest context. Mai întâi să avem în vedere definirea lor ca obiecte “platonice”. Aceasta înseamnă că obiectele matematice nu se aseamănă cu acele obiecte cu care interacţionăm. Ele nu sunt formate din materie, ele nu există în timp şi spaţiu, nu se modifică, nu pot fi create sau distruse şi nu pot fi scoase din existenţă. Conform înțelegerii platonice, obiectele există într-o a “treia lume”, distinctă de lumea materiei şi de lumea entităţilor mentale, cum ar fi percepţiile, gândurile şi trăirile.
În al doilea rând, putem înţelege obiectele matematice ca fiind fundamental mentale în natura lor. Ele sunt de acelaşi tip cu alte lucruri care ne trec prin minte: gânduri şi planuri, concepte şi idei. Ele nu sunt în întregime subiective; alţi oameni pot avea acelaşi obiect matematic în mintea lor aşa cum îl avem şi noi în mintea noastră, aşa că atunci când vorbim despre teorema lui Pitagora, vorbim despre acelaşi lucru. Totuşi, ele nu există decât în minţile în care ele au loc.
Oricare din aceste interpretări duce la un rezultat curios. Dacă nivelul de bază al lumii este format din seturi şi seturile nu sunt materiale, ci în fapt entităţi platonice, obiectele materiale practic au dispărut complet din vedere şi nu pot fi considerate reale în sensul că ar constitui baza fundamentală a întregii existenţe. Dacă urmăm acest model de reducţionism ştiinţific până la capăt, obţinem anumite lucruri care, cu siguranţă, nu seamănă cu pietricelele sau cu bilele de biliard, nici măcar cu stringurile vibratorii dintr-un spaţiu multidimensional, ci mai degrabă cu obiectele cu care se ocupă matematica pură.
Desigur, perspectiva platonică a obiectelor matematice este puţin spus controversată şi multor oameni le este greu să înțeleagă modul în care obiectele există în afara spaţiului şi a timpului. Dar dacă considerăm că obiectele matematice prezintă o natura mentală, obţinem un scenariu încă şi mai straniu.
Reducţionistul ştiinţific încearcă să reducă mintea umană la nivelul activităţii cerebrale, creierul la nivelul ansamblului celulelor care interacţionează, celulele la nivelul moleculelor, moleculele la nivelul atomilor, atomii la nivelul particulelor subatomice, particulele subatomice la nivelul colecţiilor de puncte spaţiu-timp, colecţiile de puncte spaţiu-timp la nivelul seturilor de numere şi seturile de numere la nivelul seturilor pure.
Dar la nivelul final al acestui proces reducţionist se pare că ne întoarcem sub formă de buclă înapoi de unde am plecat: la entităţile mentale.
Întâlnim un exemplu similar de buclă în cea mai influentă interpretare a mecanicii cuantice, interpretarea Copenhaga. Spre deosebire de interpretarea bazată pe conştiinţă a lui Wigner, aceasta nu acceptă faptul că funcţia de undă colapsează atunci când o minte conştientă observă rezultatul unui anumit experiment. În schimb, această interpretare afirmă faptul că funcţia de undă colapsează în momentul în care sistemul (electronul) care este măsurat interacţionează cu instrumentul de măsurare (ecranul fosforescent). Din acest motiv, trebuie să presupunem că ecranul fosforescent nu va prezenta acelaşi comportament cuantic ciudat arătat de către electron.
În interpretarea Copenhaga, lucrurile şi conceptele care pot fi descrise în termenii clasici familiari formează baza oricărei interpretări fizice. Şi acesta este locul în care are loc bucla. Analizăm lumea de zi cu zi a lucrurilor materiale de dimensiune medie la nivelul constituenţilor din ce în ce mai mici până ce ajungem la nivelul componenţilor care devin atât de mici, încât pot fi descrişi folosind efectele cuantice. Dar atunci când trebuie să explicăm ce se întâmplă cu adevărat atunci când o funcţie de undă colapsează într-un electron care loveşte un ecran fosforescent, nu ne bazăm explicaţia pe o altă structură aflată la nivel microscopic; ne-o bazăm pe măsurători făcute de lucruri materiale non-cuantice.
Aceasta înseamnă că în loc de a merge din ce în ce mai jos, ne întoarcem înapoi la nivelul fenomenelor concrete ale percepţiei senzoriale, în special a dispozitivelor de măsurare ca ecranele fosforescente şi camerele de luat vederi. Încă o dată, ne aflăm în situaţia în care nu putem spune că lumea obiectelor cuantice este fundamentală. Nici nu putem zice că lumea dispozitivelor de măsurare este fundamentală, pentru că aceste obiecte nu sunt decât conglomerate gigantice de obiecte cuantice.
Avem aşadar un ciclu de lucruri care depind unul de celălalt, chiar dacă, spre deosebire de cazul precedent, obiectele mentale nu mai fac parte din acest ciclu. Ca rezultat, nici ecranul fosforescent şi nici electronul la minut nu pot fi privite ca fiind reale din perspectiva fundamentală, având în vedere că niciunul dintre ele nu constituie o clasă de obiecte de care depinde orice altceva.
Ceea ce am crezut că am putea considera a fi cel mai fundamental se prezintă a fi format în mod esenţial din ceea ce am privit a fi cel mai puţin fundamental.
În căutarea fundaţiilor, am mers într-un cerc, pornind de la minte, mergând prin diferite componente ale materiei, ajungând înapoi la minte, sau, în cazul interpretării Copenhaga, de la nivel macroscopic la nivel microscopic şi apoi înapoi la nivel macroscopic. Dar aceasta înseamnă că nimic, în fapt, nu este fundamental, în acelaşi mod în care nu există o primă sau o ultimă staţie pe linia de metrou circulară din Londra. Morala pe care ar trebui s-o tragem din acest scenariu reducţionist este ori că orice lucru care este fundamental nu este material, ori că nimic, în fapt, nu este fundamental.
Realitatea: este totul format din numere?
Textul de mai sus reprezintă traducerea articolului reality, 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: Alexandru Hutupanu
