În esență, fizicienii au păreri diferite cu privire la interpretarea corectă a mecanicii cuantice, teoria fizicii despre care Richard Feynman spunea că nimeni nu înțelege mecanica cuantică. După cum se observă, fizicienii moderni confirmă ce spunea Feynman la jumătătea secolului trecut :)
Revista Nature, la 100 de ani la nașterea teoriei mecanicii cuantice, a pus o serie de întrebări cu privire la mecanica cuantică unui grup de peste 15.000 de cercetători care au publicat recent lucrări în legătură cu mecanica cuantică. S-au primit peste 1.000 de răspunsuri, în special de la fizicieni.
Sinteza răspunsurilor acestora o puteți vedea în imaginea de mai jos.
Interpretarea „Copenhaga” - dominantă
E interesant de observat nu doar procentele, ci și gradul de încredere în opțiunea lor. De exemplu, deși majoritatea (36%) s-a exprimat în favoarea interpretării „standard”, interpretarea „Copenhaga” (care și-a luat numele de la universitatea în care lucrau doi dintre fizicienii care au pus bazele teoriei: Niels Bohr și Werner Heisenberg), doar circa 6% dintre respondenți chiar cred că interpretarea selectată reflectă realitatea.
Funcția de undă - instrument matematic?
O altă întrebare s-a referit la ce anume reprezintă „funcția de undă”, un instrument matematic sau o descriere parțială/ completă a realității fizice. Dintre cei 1.014 care au răspuns la întrebare, 47% au fost de opinie că funcția de undă este un instrument matematic, 19% că reflectă partial realitatea fizică, iar 17% că ar reprezenta totalmente realitatea. Alte 8 procente cred că funcția de undă reprezintă „descrierea subiectivă a credințelor noastre despre rezultatele experimentale”. 8% au alte opinii, iar 2% nu au nicio opinie.
Dar ce este funcția de undă?
În mecanica cuantică, fiecare sistem este descris de o funcție de undă, pe baza căreia se calculează probabilitatea obținerii unui anume rezultat al măsurării. Funcția de undă se calculează folosind o ecuație creată de fizicianul german Erwin Schrödinger în 1926. Fizicienii folosesc de obicei litera greacă Psi (Ψ) pentru a referi la funcția de undă.
Cu ajutorul funcției de undă, puteți calcula, de exemplu, că o particulă care intră într-un divizor de fascicule prezintă o probabilitate de 50% de a merge la stânga și de 50% de a merge la dreapta. Dar - și acesta este punctul important - după ce ați măsurat particulele, știți cu o probabilitate de 100% unde se află. Aceasta înseamnă că acum trebuie să actualizați probabilitatea și, odată cu aceasta, funcția de undă. Această actualizare se mai numește colapsul funcției de undă.
Într-o altă formulare, o funcție de undă este atribuirea unui număr complex fiecărei configurații posibile a unui sistem.
Puteți citi mai multe pe tema funcției de undă aici, aici și aici.
Alte aspecte greu de digerat ale mecanicii cuantice
Punerea a două particule într-o stare de superpoziție poate duce la o stare de cuplare cuantică numită „inseparabilitate cuantică”, care are o consecință greu de acceptat și explicat: stările cuantice ale celor două particule rămân cuplate chiar și când acestea sunt la mare distanță una de alta, ca și când particulele ar putea comunica instantaneu (aspect interzis de teoria relativității a lui Einstein, care limitează totul la viteza luminii în vid, c), indiferent unde ar fi în univers.
Cei doi fizicieni menționți mai sus, Bohr și Heisenberg, au „ocolit” dificultățile teoriei, arătând că lumea cuantică nu are corespundent în lumea clasică. De exemplu, au „depășit” dualitatea undă-particulă - faptul că ceea ce numim particule fundamentale au o dublă natură, și de unde, și de particulă, în funcție de cum le măsurăm - acceptând că modul clasic de a înțelege realitatea este limitat, iar omul poate ști doar ceea ce observă (rezultatul măsurătorilor).
În aceeași notă de stranietate, cei doi erau de opinie că este imposibil să vorbești despre locația unui obiect până în momentul în care îl observi (măsori), adăugând că proprietățile unei particule neobservate sunt nefixate până la momentul măsurătorii, ceea ce, desigur, a ridicat multe întrebări din partea altor fizicieni, printre care și Einstein.
În ce privește interpretarea „Copenhaga”, asociată cu cei doi fizicieni, o dificultate mare este ceea ce se numește „problema măsurătorii”, despre care am scris în detaliu aici. Cum poate actul măsurării să treacă de la stări cuantice descrise de probabilități la proprietăți bine definite specifice lumii clasice, macroscopice?
Cele cinci interpretări majore ale mecanicii cuantice
Există 5 mari abordări interpretative ale mecanicii cuantic. În teoria cuantică un sistem neobservat poate fi descris ca fiind în superpoziție, adică în mai multe stări în același timp, ca, de exemplu, în multiple locații. Starea cuantică a sistemului este descrisă de ecuația care descrie funcția de undă. Atunci când interacționează cu aparatul de măsură, sistemul obține o stare clară (prin colapsul funcției de undă), determinată, dar care nu poate fi prezisă înainte de actul măsurării.
Experimentul mental numit „Pisica lui Schrödinger”, despre care puteți citi pe larg aici, ilustrează bine dificutățile teoriei. Pe scurt, Schrödinger şi-a imaginat o pisică închisă într-o cameră ce nu putea fi observată din exterior, în interiorul căreia a plasat şi un dispozitiv ingenios, constând dintr-un container plin cu o substanţă otrăvitoare, un contor Geiger, un ciocan şi o mostră de material radioactiv. Pe măsură ce materialul radioactiv suferă fenomenul de descompunere radioactivă (o particulă alfa este emisă), contorul Geiger pune în mişcare „trăgaciul” radioactiv care eliberează în cele din urmă ciocanul; ca urmare a căderii ciocanului sticla umplută cu o substanţă toxică (cianură, în versiunea imaginată de Schrödinger) se sparge, iar pisica moare otrăvită. Dar, spune Schrödinger, este posibil să determinăm un moment la care există 50% şanse ca materialul radioactiv să se fi descompus (probabilităţi egale ca particula alfa să fi fost sau nu ejectată de nucleul atomic radioactiv), ceea ce înseamnă probabilităţi egale ca pisica să fie vie sau moartă.
Iată cum se raportează cele cinci interpretări la problema pisicii lui Schrödinger.
Interpretarea „Copenhaga”
Observatorul este diferit de sistemele cuantice cu care interacționează, particulele obținând proprietăți fixe doar când sunt măsurate de observator.
Interpretarea „Copenhaga” descrie observațiile experimentale bine, dar evită să explice ce este o măsurătoare și cum poate aceasta să declanșeze trecerea de la stări cuantice la cele clasice, macroscopice, fixe.
În ce privește pisica lui Schrödinger, abia măsurătoarea forțează un obiect cosmic să aibă o stare definită (pisica e vie sau moartă).
Interpretarea sistemică
În această abordare, stările cuantice sunt doar informație; acestea codifică probabilitățile de a obține diferite rezultate după măsurătoare. În mecanica cuantică relațională, stările cuantice al unui sistem pot fi definite doar în relație cu un alt sistem cuantic.
Această interpretare permite ca inseparabilitatea cuantică să fie ceva non-fizic, ceea ce evită conflictul cu relativitatea generală (limita vitezei luminii în vid).
Problema este că această interpretare nu permite ca realitatea să fie văzută dintr-o perspectivă obiectivă, unele forme ale teoriei renunțând să pretindă că poate descrie realitatea.
În ce privește pisica - funcția de undă este văzută ca un aparat matematic, colapsul funcției de undă nefiind un proces fizic, deci nu apare niciun paradox.
Lumile multiple
În acestă interpretare, propusă în 1957 de fizicianul american Hugh Everett, funcția de undă descrie ceva ce corespunde realității fizice. Funcția de undă nu colapsează. Când un observator face o măsurătoare, obține un rezultat ce corespunde perspectivei sale asupra lumii. Funcția de undă separă lumea în multiple universuri, fiecare descriind un rezultat al măsurătorii.
Această interpretare este adoptată de unii fizicieni și pentru că rezolva problema măsurătorii. Rezolvă și problema inseparabilității cuantice, explicând măsurătorile asupra particulelor corelate cuantic, explicând că fiecare combinație de rezultate ale corelării există în lumi diferite, nefiind necesară influența fizică la distanțe mari.
Problema e că interpretarea generează un număr practic infinit de realități.
În ce privește problema pisicii - fiecare univers înseamnă o altă copie a observatorului, care va vedea un rezultat diferit al măsurătorii, pisica fiind vie sau moartă, în funcție de universul în care se află observatorul.
Interpretarea lui Bohm
În această interpretare, propusă de fizicianul David Bohm în 1952, dar propusă inițial de fizicianul francez Louis de Broglie, particule punctiforme urmează traiectorii definite, iar acestea au proprietăți fixe. Funcția de undă descrie realitatea fizică, având rolul unei unde-pilot care ghidează particulele. Dar starea completă a unei particule descrisă de poziția nu poate fi fi cunoscută pe deplin.
Această interpretare susține că natura nu este probabilistică, că lucrurile au proprietăți fixe înainte de a fi măsurate.
Dar are dificultăți în a interpreta inseparabilitatea cuantică, căci interacțiunile undei-pilot trebuie să aibă efecte instantanee, intrând în conflict cu relativitatea generală.
În privința pisicii lui Schrödinger, lucrurile sunt simple: pisica are o stare definită, dar ascunsă; măsurătoarea o arată.
Interpretarea colapsului spontan
Această interpretare, apărută în deceniul 9 al secolului trecut, vede mecanica cuantică ca o aproximare a unei teorii diferite, în care ecuația lui Schrödinger este modificată astfel încât funcția de undă colapseasă de la sine, fără a fi nevoie de actul măsurării.
Interpretarea rezolvă problema măsurării, dar niciun experiment nu a găsit vreo dovadă pentru modificarea ecuației lui Schrödinger. Cum presupune calapsarea instantanee a funcției de undă, intră în conflict cu teoria relativității.
Cu privire la pisica lui Schrödinger - când starea pisicii este observată, aceasta devine cuplată cu echipamentul de măsură (camera de observare); orice grupare mare de obiecte cuantice colapsează către o stare fixă, definită, conform ecuației lui Schrödinger modificate.
Are nevoie măsurătoarea de un observator?
O altă întrebare pusă cercetătorilor a fost cea referitoare la observatorul dintr-o măsurătoare. Ce înseamnă asta?
56% dintre cei care au răspuns au spus că da, o măsurătoare are nevoie de un observator, dar asta nu presupune un observator conștient, ci că prin „observator” putem înțelege orice obiect macroscopic cu care interacționează un obiect cuantic. Doar 9% au fost de opinie că este nevoie de un observator conștient. 28% cred că nu este nevoie de un observator, iar 8% nu sunt siguri.
Este interesant că la o altă întrebare, dacă acțiunea la distanță (inseparabilitaea cuantică) este reală, 39% au spus că da, ceea ce cam intră în conflict cu teoria relativității.
Experimentul cu dublă fantă - trec electronii prin ambele fante?
O altă întrebare a fost în legătură cu faimosul experiment cu dublă fantă (vezi aici detalii): trece un electroc prin ambele fante atunci când nu este observat?
48% au spus că întrebarea nu are sens când vorbim despre un obiect cuantic, 31% sunt de părere că da, 14% că nu, iar 6% nu sunt siguri.
75% dintre cei care au răspuns la întrebări cred că mecanica cuantică va fi înlocuită de o altă teorie, deși vor fi păstrate elemente ale sale. O mare lipsă a teoriei este lipsa unei explicații pentru gravitație, care rămână „în slujba” teoriei generale a relativității, iar o cuplare a celor două teorii s-a dovedit imposibilă până în prezent.
Notă: În secțiunea site-ului dedicată mecanicii cuantice puteți găsi explicate în detaliu teoria, în ansamblu, și toate conceptele sale fundamental.
> Citiți și - Patru interpretări ale mecanicii cuantice, cu accent pe interpretarea relațională
Sursa: Nature
