Cu toții știm ce este determinismul. Faptul că ceva urmează la altceva, există o cauză pentru orice efect. Și atunci ce este cu „super” din „superdeterminism”?
Mecanica cuantică nu seamănă cu fizica clasică, căci rezultatul măsurătorilor se bazează pe probabilități. De exemplu, dacă încerci să determini unde se află un electron al atomului de hidrogen, nu poți calcula exact unde va fi electronul, ci care este probabilitatea de a fi într-un anume loc.
Prin urmare, superdeterminismul este, într-un fel, determinismul aplicat la nivelul mecanicii cuantice.
Superdeterminismul spune că, în fapt, nu putem prezice exact un rezultat al unei măsurători cuantice pentru că nu dispunem de informația necesară. Cumva, teoria ar fi incompletă (ori greșită). Această informație lipsă este indicată sub denumirea de „variabile ascunse”.
Dar nu a dovedit fizicianul John Stewart Bell că ipoteza variabilelor ascunse este greșită? În fapt, nu, deși chiar și mulți fizicieni cred asta. Bell a dovedit că o teorie a variabilelor ascunse care este locală și îndeplinește o ipoteză denumită „independență statistică” - trebuie să se supună unei inegalități, denumite „inegalitatea Bell”. Dar știm, în urma unor experimente, că această inegalitate este însă încălcată. Asta înseamnă că orice teorie a variabilelor ascunse trebuie să încalce independența statistică.
Dar dacă este încălcată independența statistică (care spune că distribuția variabilelor ascunse este independentă de setările măsurătorii), atunci rezultă că ceea ce face o particulă cuantică depinde de măsurătoare. Și acesta este modul în care funcționează superdeterminismul: ce face o particulă cuantică depinde de măsurătoare.
Cum a apărut conceptul de „superdeterminism”?
Einstein, deși a contribuit la dezvoltarea mecanicii cuantice, a fost în opoziție cu forma consolidată a teoriei, căci i se părea că este incompletă. De exemplu, avea o problemă cu fenomenul de „inseparabilitate cuantică”, căci două particule cuplate cuantic, indiferent de distanța la care se află una de alta, par că-și pot transfera informație instantaneu, ceea ce încalcă un principiu fundamental al universului nostru, stabilit tocmai de Einstein: nimic nu se poate transmite cu o viteză mai mare decât c, viteza luminii.
Bell a vrut să arate că Einstein nu are dreptate. În 1983, la BBC, Bell a afirmat că:
„Există o cale de a scăpa de a salva vitezele superluminice și „bizara acțiune la distanță” (n.n. inseparabilitatea cuantică). Dar asta presupune un determinism absolut în univers și lipsa liberului-arbitru. Imaginați-vă cum arată o lume superdeterministă [...], comportamentul nostru, inclusiv credința noastră că suntem liberi să alegem să facem un experiment și nu altul, ar fi predeterminate, inclusiv „decizia” experimentatorului de a efectua un set de măsurători și nu altul; în acest fel dificultatea dispare”.
Bell a numit încălcarea independenței statistice „superdeterminism” și a pretins că asta presupune să renunțăm la liberul-arbitru. Altfel spus, acceptând inseparabilitatea cuantică (aparenta comunicare mai rapidă decât viteza luminii), păstrăm liberul-arbitru; altfel nu.
Dar, în fapt, inseparabilitatea cuantică nu prea are a face cu liberul-arbitru.
Cum funcționează superdeterminismul. Cazul experimentului cu două fante
În experimentul cu două fante, trimiți un fascicul de lumină către o plăcuță care are două deschizături mici, adică două fante.
Experimentul se poate face și acasă cu un laser și o bucată de plastic, proiectând laserul pe un perete. Există clipuri pe YouTube care-ți arată cum anume să faci; nu e cine știe ce complicat.
Dacă transmiți câte un singur foton prin cele două fante, vei observa că fiecare foton se va regăsi ca un punct pe ecran în final. Pe ecranul-detector din spatele plăcuței cu fantele vei observa un model de interferență care indică faptul că fotonul se comportă ca și cum ar fi o undă, observând modul în care fotonii sunt concretizați pe ecranul-detector. Acesta este motivul pentru care descriem deplasarea fotonilor cu ajutorul „funcției de undă”, care ne permite să calculăm probabilitatea de a găsi particula într-un anume loc.
Partea ciudată este următoarea: dacă măsori la nivelul celor două fante prin care anume fantă trece fotonul, modelul de interferență dispare. Este ca și cum fotonul își pierde caracterul de undă în momentul măsurătorii și se deplasează ca o particulă către ecranul-detector. Din nou, dispare modelul de interferență, în locul acestuia apărând un model în care fotonii se comportă exclusiv ca particule. În momentul măsurătorii la nivelul fantelor, funcția de undă este „actualizată”, în sensul că înainte de măsurătoare era 50% probabilitatea de a găsi fotonul în oricare dintre fante, dar după măsurătoare știi cu precizie în ce fantă este fotonul. Spunem că a avut loc „colapsarea” funcției de undă.
Cu funcția de undă este însă o mare problemă: nu prea se poate înțelege cum funcționează, dacă este înțeleasă ca un fenomen fizic care are loc în natură, nu doar un artificiu matematic. De ce? Pentru că actul măsurătorii influențează ce se întâmplă cu fotonul. Cumva, partea de funcție undă de la o fantă află instantaneu rezultatul măsurătorii de la cealaltă fantă, iar acest „instantaneu” intră în conflict cu limita impusă de Einstein (nimic nu depășește viteza luminii). Este ceea ce a numit Einstein „bizara acțiune la distanță”.
Fizicienii trec, de regulă, peste această problemă, considerând colapsarea funcției de undă nu un proces fizic, ci... actualizarea unei informații. Dar, se pune întrebarea, informații despre ce? În mecanica cuantică nu există altă informație, dincolo de funcția de undă.
Să înțelegi colapsarea funcției de undă ca o actualizare de informație are sens doar în cadrul unei teorii a variabilelor ascunse. În felul acesta, o măsurătoare îți spune mai mult despre posibilele valori ale variabilelor ascunse.
Cum rezolvă superdeterminismul problema experimentului cu două fante
Gândește-te la variabilele ascunse ca fiind etichete pentru posibilele traiectorii pe care o particulă, ca un foton, le poate lua. Să spunem că traiectoriile 1, 2 și 3 trec prin fanta stângă, traiectoriile 4, 5 și 6 prin cea dreaptă, iar traiectoriile 7, 8, 9, 10, 11 și 12 trec prin ambele. Apoi, dacă măsori particula la nivelul fantei din stânga, asta înseamnă că particula era pe una dintre primele 3 traiectorii, dacă măsori la nivelul fantei din dreapta, particula era pe una dintre traiectoriile 4, 5 sau 6 șamd. În acest caz, nu mai vorbim despre colapsarea instantanee a funcției de undă, căci nu mai e nevoie. În acest fel misterul experimentului cu două fante dispare.
Dar asta înseamnă că traiectoria particulei depinde de ce tip de măsurătoare are loc. Pentru că particulele trebuie să „știe” când se află pe traiectoria către fante pe care anume o „aleg” ori dacă trec prin ambele. Și exact asta ne spun măsurătorile.
Să ne întoarcem la Bell. Mai sus vedeți exprimată situația de încălcare a independenței statistice. Lambda (λ) reprezintă variabilele ascunse, iar ro (ρ) reprezintă distribuția probabilă a acestor variabile. Această distribuție ne spune probabilitatea ca o particulă cuantică să facă un anume lucru.
În teorema lui Bell, a și b sunt setări ale măsurătorii la două detectoare diferite la momentul măsurătorii. Iar bara [|] din ecuație indică existența unei probabilități condiționate, adică probabilitatea pentru lambda pentru o anumită combinație de setări. Atunci când independența statistică este încălcată, asta înseamnă că probabilitatea de a face un anumit lucru pentru o particulă cuantică depinde de setarea detectorului la momentul măsurătorii.
Nu contează care este setarea anterior, ci doar cea de la momentul măsurătorii. Tot ce trebuie să știi este rezultatul măsurătorii propriu-zise. Și nu contează nici cum se aleg setările detectorului. Contrar celor afirmate de Bell și Zeilinger, această relație nu restrânge libertatea experimentatorului. Acesta poate măsura orice vrea; dar ce face particula depinde de ce măsori.
În mecanica cuantică, superdeterminismul reprezintă o lacună a teoremei lui Bell. Prin postularea faptului că toate sistemele care sunt măsurate sunt corelate cu alegerile cu privire la ce măsurători să fie efectuate - condițiile teoremei nu mai sunt îndeplinite. O teorie a variabilelor ascunse care este superdeterministă poate îndeplini condiția de cauzalitate locală a lui Bell și totuși să încalce inegalitățile derivate din teorema lui Bell. Asta permite crearea unei teorii a variabilelor ascunse locale ce poate reproduce predicțiile mecanicii cuantice.
Este metoda științifică afectată?
Unii se tem că studiile clinice ar fi imposibile dacă alegerea grupului de control ar depinde de ce măsori mai târziu.
Să presupunem că distribui aleator subiecți în două grupuri pentru a testa eficiența unui vaccin. Grupul 1 primește vaccinul, grupul doi primește placebo. Grupul în care subiecții sunt distribuiți reprezintă „variabila ascunsă”. Dacă cineva se îmbolnăvește, faci teste și vezi ce are; asta este echivalentul măsurătorii. Dacă ajungi să crezi că ce se întâmplă cu subiecții depinde de măsurătoarea pe care o faci, nu poți trage concluzii despre eficiența vaccinului. Dar știm că oamenii nu sunt particule cuantice. Iar ideea că superdeterminismul joacă vreun rol în studiile clinice e ca și cum ai crede că pisica lui Schrödinger chiar este și vie și moartă în același timp.
Superdeterminismul nu distruge știința
Corelarea dintre setările detectorului și comportamentul particulei cuantice, care este esența superdeterminismului, are loc doar atunci când mecanica cuantică prezice colapsul non-local al funcției de undă. Amintiți-vă care este ideea cu superdetermismul: să rezolve problema inseparabilității cuantice („bizara acțiune la distanță”). Dar odată ce ai măsurat starea cuantică, acesta reprezintă sfârșitul încălcării independenței statistice.
O măsurătoarea în mecanica cuantică nu necesită în mod obligatoriu un instrument de măsură. Ce numim „măsurătoare” este, în fapt, orice interacțiune suficient de puternică sau de frecventă cu mediul. De aceea nu vedem pisici moarte și vii în același timp. Pentru că există mediu, ca aerul, radiația cosmică de fond etc. Și acesta este motivul pentru care nu vedem corelații superdeterministice la oameni.
Superdeterminismul nu elimină liberu-arbitru și nici nu distruge știința.
Odată ce înțelegi ce se întâmplă în cazul experimentului cu două fante, toate celelalte efecte cuantice presupus misterioase se clarifică. De exemplu, experimentul alegerii întârziate. În acest experiment, decizia de a măsura prin care fantă trece particula este luată abia după ce particula și-a început deplasarea pe o anumită traiectorie. Și obținem același rezultat ca în cazul experimentului cu două fante.
Și asta nu este surprinzător. Traiectoria particulei depinde de ce măsori, iar asta este exact ce spune superdeterminismul.
Partea bună cu superdeterminismul este că, fiind local, poate fi ușor armonizat cu teoria generală a relativității, ceea ce ne-ar putea ajuta să ajungem la o teorie cuantică a gravitației.
Cum poți testa superdeterminismul?
Nu poți testa superdeterminismul prin măsurarea încălcării inegalității lui Bell, pentru că nu îndeplinește condițiile teoremei lui Bell, așa că nu trebuie să respecte inegalitatea. Dar superdeterminismul prezice că rezultatul măsurătorii este determinat, nu întâmplător.
Așadar, orice teorie care rezolvă problema măsurătorii trebuie să fie ne-liniară, așa că motivul pentru care nu am observat superdeterminismul până acum este că măsurătorile noastre s-au realizat într-un regim haotic. Încercarea de a prezice rezultatul unei măsurători a echivalat cu încercarea de a stabili vremea peste un an. Cel mult poți calcula valorii medii cu mecanica cuantică.
Dar dacă vrei să afli dacă valorile măsurătorii sunt în fapt determinate, trebuie să ieși din acest regim haotic. Asta înseamnă să ne îndreptăm către sisteme mici aflate la temperaturi joase, iar măsurătorile să fie multiple și la intervale foarte scurte, în mod ideal asupra aceleași particule. Acest tip de măsurătoarea pur și simplu nu se efectuează în prezent. Totuși, s-a reușit un progres enorm în ce privește tehnologia cuantică în ultima perioadă, iar combinația cu inteligența artificială permite identificare unor modele. Iar asta ar putea face evident faptul că rezultatul măsurătorii este mult mai predictibil decât spune mecanica cuantică. Poate datele există deja, dar nu au fost analizate în maniera adecvată.
Poate totuși Einstein a avut dreptate în poziția sa față de mecanica cuantică, pe care a considerat-o o teorie incompletă. Mai ales că pare evident că superdeterminismul este explicația corectă pentru unele fenomene considerate bizare ale mecanicii cuantice.
Notă: Articolul are la bază textul din videoclipul de mai jos, care merită urmărit, dat fiind că unele aspecte sunt mai bine înțelese cu ajutorul unor ilustrații care se găsesc doar în videoclip. Fiziciana germană Sabine Hossenfelder este o adeptă a superdeterminismului, care spune, apropo de experimentul cu două fante (deși ea nu spune acest lucru, poate, suficient de explicit), că toate aspectele experimentului cu două fante sunt predeterminate, inclusiv faptul că, în anumite cazuri, experimentatorul va măsura particula la una dintre fante ori nu. Hossenfelder este și o adeptă a teoriei că liberul-arbitru nu există, pentru că nu găsește compatibilă ideea de univers determinist cu ceva nedeterminist, cum este liberul-arbitru. Ce pare să aibă sens, deși eu am o altă opinie, exprimată aici.
Salvează determinismul mecanica cuantică?
