La un secol după nașterea mecanicii cuantice, enigmele sale îi forțează pe fizicieni să redefinească realitatea, cu ei înșiși în centrul poveștii.
Într-o zi de iunie, într-o grădină de pe insula germană Helgoland, doi fizicieni teoreticieni discută aprins despre cine — sau ce — construiește realitatea. Carlo Rovelli, de la Universitatea Aix-Marseille, insistă că este real în raport cu o piatră de pe jos; își poate proiecta umbra asupra ei, ca dovadă a existenței sale relative. Chris Fuchs, de la University of Massachusetts Boston, replică imediat: e absurd să atribuim pietrei vreo perspectivă asupra lumii, din moment ce este… o piatră. Deși împărtășesc convingerea că realitatea este mai degrabă subiectivă decât absolută, amândoi rămân nesatisfăcuți; nu cad de acord nici măcar asupra faptului că tocmai au fost de acord.
Așa arată astăzi dezbaterile din mecanica cuantică, cea mai profundă descriere a lumii atomice. Teoria a fost formulată acum un secol pe Helgoland, unde Werner Heisenberg, la doar 23 de ani, fugise de febra fânului și, între plimbări prin vânt și reprize de înot în Marea Nordului, a renunțat la reprezentarea simplistă a electronilor pe orbite fixe, imaginând o nouă descriere matematică a atomului. În 1925, Erwin Schrödinger avea să ofere o perspectivă complementară prin ecuația sa de undă, care descrie pozițiile electronilor în termeni probabilistici.
În câțiva ani, această matematică a scos la iveală o imagine tulbure: unele proprietăți ale particulelor sunt imposibil de cunoscut simultan, iar altele par să depindă de modul în care sunt măsurate. „Ceea ce observăm nu este natura însăși, ci natura expusă metodei noastre de interogare”, scria Heisenberg după câștigarea Premiului Nobel în 1932.
Astăzi, sute de fizicieni se întorc pe Helgoland pentru a aniversa un secol de mecanică cuantică. Teoria a fost o forță creatoare: nu doar a prezis experimente cu precizie impecabilă, ci a permis tehnologii precum laserul, tranzistorul și ceasurile atomice. Și totuși, interpretarea ei rămâne un mister.
În centrul problemei se află faptul că măsurarea pare să „fixeze” comportamentul altfel indeterminat al atomilor. Formularea standard are o nuanță antropică deranjantă: sugerează că observatorii — în special oamenii — joacă un rol special în constituirea universului. Susținuți de experimente recente, teoreticieni precum Fuchs și Rovelli merg și mai departe: observatorii chiar creează lumea în care trăiesc. Miza este chiar natura realității.
„Nu trebuie să reparăm mecanica cuantică pentru a o face compatibilă cu ceea ce observăm; trebuie doar să admitem că există moduri alternative de a privi lumea”, spune Alyssa Ney, filosof al fizicii la Ludwig Maximilian University din München. Teoria cuantică obligă fizicienii să „facă loc unor noțiuni diferite despre ce înseamnă să fii real”.
Faimoasa problemă a observației
Rolul misterios al observației este ilustrat de celebrul experiment al „celor două fante”. Dacă trimiți atomi individuali spre un perete printr-o barieră cu două fante, pe perete apare un model de interferență — ca și cum fiecare atom ar fi trecut simultan prin ambele fante, asemenea unui val aflat într-o superpoziție de stări. Dar dacă montezi detectoare la fante pentru a afla pe unde trece fiecare atom, modelul dispare: rămân doar două zone luminoase, ca și cum atomii ar fi particule obișnuite. Detectorul pare să „forțeze” atomii să se comporte altfel.
Heisenberg și Niels Bohr adoptau o perspectivă pragmatică: acceptau dualitatea undă–particulă și colapsul funcției de undă în urma măsurării. Însă această interpretare — „Copenhaga” — ocolește întrebările incomode: cum se produce exact colapsul și ce este, în fond, o măsurare?
Einstein a respins ideea. Pentru el, atomii trebuie să aibă reguli bine definite, indiferent dacă sunt măsurați. Această suspiciune a condus, începând din anii ’70, la testele Bell, experimentate pe particule corelate cuantic (entanglement). Rezultatele au depășit orice model bazat pe „variabile ascunse” preexistente. Concluzia: particulele există în superpoziții reale de stări până în clipa măsurării — sau, cum spunea Asher Peres, „Experimentele neefectuate nu au rezultate”.
Această idee duce la o situație derutantă, ilustrată de experimentul imaginar al lui Eugene Wigner. Într-un laborator închis, prietena lui măsoară un atom și obține un rezultat clar. Pentru Wigner, aflat în afara laboratorului, starea atomului — și a prietenei sale — este încă o superpoziție. Cele două niveluri de descriere par să ducă la realități incongruente.
Căutând interpretări ale realității
În ultimele decenii, au apărut numeroase interpretări ale mecanicii cuantice, unele apelând la procese fizice necunoscute (gravitație, conștiință), altele renunțând la ideea că nimic nu poate călători mai repede decât lumina. Niciuna nu a fost confirmată. O altă direcție, însă, câștigă teren: reinterpretarea radicală a noțiunii de realitate.
Rovelli, format în climatul revoluționar al anilor ’70 din Bologna, a început să vadă fizica asemenea unei explorări filozofice. În 1996, el a formulat mecanica cuantică relațională: nu există o descriere universală a lumii. Proprietățile obiectelor nu există în sine, ci doar în raport cu alte sisteme fizice. Realitatea este compusă din relații, nu din lucruri. În experimentul Wigner, realitatea lui Jimena din laborator nu trebuie să coincidă cu realitatea lui Wigner din exterior.
Fuchs, inspirat de John Wheeler, a pornit pe o altă cale. După ani de studiu, a dezvoltat QBism (Quantum Bayesianism), conform căruia stările cuantice exprimă gradele de credință ale unui agent privind rezultatele unor măsurători. Starea cuantică este, în acest sens, un „manual de utilizare” al universului, personalizat pentru fiecare observator.
La conferința de pe Helgoland, Rovelli și Fuchs își confruntă viziunile. Pentru Rovelli, orice obiect fizic — chiar și o piatră — poate fi un observator în sens relațional, deoarece interacționează cu mediul și înmagazinează informație. Pentru Fuchs, noțiunea devine lipsită de sens fără un agent capabil de decizii.
QBism și mecanica relațională par apropiate, însă aspirațiile lor diferă: una este o teorie despre natură, cealaltă un ghid despre cum agenții își actualizează credințele. Ambele însă duc la același tip de întrebări care forțează mintea, iar reformulările matematice ale lui Fuchs în termeni pur probabilistici îi ajută deja pe experimentatori.
Noi versiuni ale paradoxului lui Wigner
Experimente și teoreme recente încearcă să extindă scenariul lui Wigner, adăugând perechi suplimentare de observatori entanglați. În unele analize, cei patru observatori ajung la rezultate ireconciliabile. Eric Cavalcanti a arătat că, pentru a evita contradicțiile, trebuie abandonată fie ideea de agenție locală, fie cea de evenimente absolute. Majoritatea fizicienilor preferă varianta a doua: măsurările efectuate nu au rezultate universale.
Aceste concluzii întăresc tabăra interpretărilor relaționale și informaționale. Un sondaj Nature arată că ele câștigă popularitate mai ales printre tinerii cercetători.
Pe de altă parte, unii fizicieni susțin altă direcție: problema măsurării apare pentru că teoria actuală omite gravitația. Unificarea mecanicii cuantice cu gravitația ar putea produce o colapsare obiectivă a funcției de undă.
Interpretări, experimente și limite
Primele încercări de a pune în scenă un „Wigner extins” real au folosit fotoni cuplați cuantic ce joacă rolul observatorilor. Rezultatele sugerau dependența de observator, dar criticile nu au întârziat. Echipele încearcă acum versiuni mai robuste ale experimentului, eventual prin utilizarea viitoarelor computere cuantice, unde agenți IA izolați pot juca rolul observatorilor.
Dar dacă evenimentele nu sunt absolute, cum mai poate funcționa știința? Un răspuns recent formalizează „tăietura Heisenberg”, punctul exact unde superpoziția este tratată ca fiind colapsată. Paradoxurile apar doar când se fac inferențe care amestecă tăieturi diferite. În practică, noi trăim într-o lume în care numeroase interacțiuni macroscopic ireversibile stabilizează aceeași versiune a realului pentru toți observatorii umani.
De ce contează subiectivitatea realității?
Markus Müller compară situația cu efectele relativiste ale dilatării timpului: invizibile în viața de zi cu zi, dar indispensabile pentru GPS. Dacă non-absolutul este o caracteristică generală a teoriilor fizice, interpretările trebuie să includă experiența observatorilor.
Pentru Rovelli, lecția e: nu accesăm realitatea ultimă, ci doar o realitate relativă, în raport cu noi. Pentru Fuchs, caracterul activ al universului — faptul că ceea ce faci are consecințe reale în propria-ți lume — conferă fizicii o dimensiune aproape spirituală.
Notă:
• Superpoziția nu înseamnă că un obiect este „în mai multe locuri simultan” într-un sens clasic, ci că descrierea matematică a obiectului folosește un ansamblu de posibilități care pot interfera. Când măsori, nu „alegi” dintre posibilități, ci faci ca doar una dintre ele să devină relevantă pentru relația ta cu sistemul.
• Inseparabilitatea cuantică nu este o formă de comunicare, ci o corelare structurală între particule care își conservă relațiile chiar și la distanță mare. Nimic nu „călătorește”; schimbarea stării uneia redefinește doar modul în care interpretăm corelațiile cu cealaltă.
• Colapsul funcției de undă este un concept problematic: în formalismul standard ea apare ca un postulat, nu ca un proces fizic. Niciun experiment nu a surprins până acum „momentul” prăbușirii, ceea ce face ca interpretările relaționale și bayesiene să considere prăbușirea drept un act epistemic, nu ontologic.
• Interpretările mecanicii cuantice nu schimbă predicțiile experimentale. Toate fac exact aceleași previziuni. Diferența este conceptuală — o încercare de a reface modul în care înțelegem relația dintre matematică, realitate și observator.
Sursa: Science
