Scientia

În urmă cu mai bine de 200 de ani a fost efectuat un experiment (de către Thomas Young) care a uimit lumea fizicii. Acum câteva zile o echipă de fizicieni a publicat rezultatele efectuării unui experiment cu trei fante cu fotoni, ce reconfirmă soliditatea mecanicii cuantice.

Mecanica cuantică şi teoria gravitaţiei a lui Einstein sunt doi dintre cei doi piloni fundamentali ai fizicii moderne. Numai că acestea nu au putut fi încă armonizate de fizicieni. Unii savanţi cred că o cale de unificare este generalizarea uneia dintre ele în aşa fel încât incompatibilităţile să dispară. Generalizarea mecanicii cuantice, de pildă, ar permite interferenţa multiplă (detalii mai jos), care ar invalida însă legea lui Born, una dintre axiomele mecanicii cuantice, care afirmă că interferenţa cuantică apare pe baza "combinări" undelor în perechi, nepermiţând interferenţa  multiplă a undelor unei particule străbătând trei sau mai multe fante.

Un pic de istorie

La începutul secolului al XX-lea Louis de Broglie a venit cu ideea că electronii (şi toate celelalte particule) se comportă ca unde (mai multe pe acest subiect aici). Erwin Schrödinger a scris o ecuaţie care-i poartă numele ce descrie funcţia de undă, o formulă matematică ce are legătură cu starea electronului. Deşi ecuaţia lui Schrödinger determină foarte bine stările permise ale electronului în atomul de hidrogen, nu spune prea multe despre semnificaţia ei: ce înseamnă de fapt funcţia de undă? (citeşte mai multe aici)

Aici intervine fizicianul Max Born. Acesta a avansat ipoteza că pătratul funcţiei de undă exprimă probabilitatea găsirii unui electron într-un anume loc, putându-se acum vorbi despre distribuţia fizică a electronului.

Experimentul cu 3 fante

În anul 1803 a fost efectuat un experiment ale cărui rezultate greu pot fi înţelese şi astăzi: experimentul cu două fante. Acesta a oferit una dintre primele mari surprize privind comportamentul la nivel cuantic (citiţi detalii despre acest experiment aici). La mai mult de 200 de ani iată este realizat şi experimentul cu 3 fante, mult mai dificil din punct de vedere practic.

Într-un articol publicat pe 23.07.2010 în revista Science, o echipă de fizicieni lucrând la diverse laboratoare din Austria, Canada şi Franţa (Urbasi Sinha, Christophe Couteau, Thomas Jennewein, Raymond Laflamme, Gregor Weihs) au publicat rezultatele unui experiment în care au urmărit interferenţele fotonilor trecuţi unul câte unul printr-un perete care avea trei fante.

Una dintre implicaţiile legii lui Born este următoarea: dacă transmitem o particulă subatomică prin două fante şi vrem să aflăm probabilitatea de distribuţie a particulei, avem de-a face cu trei factori, 2 corespunzători probabilităţii de distribuţie pentru fiecare fantă în parte şi unul corespunzător interferenţei rezultate din interacţiunea funcţiilor de undă a particulei trecând prin cele două fante.

Ce se întâmplă când sunt 3 fante? Când ridicăm la pătrat funcţia de undă pentru cele  trei fante, vom avea şase factori: trei pentru probabilitatea distribuţiei pentru fiecare fantă şi 3 pentru interferenţele dintre funcţiile de undă pentru perechi de două fante. Unii teoreticieni au presupus că este posibil să existe şi o interferenţă corespunzătoare trecerii particulei printre cele trei fante. Rezultatul testului  a arătat însă că nu se întâmplă aşa ceva.

Autorii au folosit o mască pe care au adaptat-o la toate combinaţiile de fante posibile, luate două câte două ori individual. Au înregistrat modelul de distribuţie a franjelor de interferenţă pentru toate cele şase cazuri, scăzându-le rând pe rând din distribuţia rezultată în cazul celor 3 fante. Dacă la final  ar mai rămas vreun model de franje de interferenţă, acesta ar fi trebuit pus pe seama unei contribuţii care ar fi invalidat regula lui Born. Numai că modelul de interferenţă rezultat în urma experimentelor a fost în acord cu predicţiile legii lui Born, reconfirmând astfel soliditatea mecanicii cuantice.

Ca o concluzie, rezultatul acestui experiment reprezintă o confirmare a validităţii regulii introduse de Max Born, dar şi o dezamăgire pentru mulţi teoreticieni aflaţi în căutarea acestui veritabil Sfânt Graal al fizicii moderne care este teoria cuantică a gravitaţiei. Şi asta deoarece una dintre căile de urmat în căutarea unei teorii unificatoare a gravitaţiei şi mecanicii cuantice necesită operarea anumitor modificări asupra regulii lui Born.  Cum rezultatele testului exclud posibilitatea reformulării regulii lui Born, confirmându-i acesteia validitatea în forma actuală, abordările teoretice din zona gravitaţiei cuantice, de care vorbeam mai devreme, vor trebui abandonate.