Minimalismul universurilor multiple

David Wallace, fizician și autor al acestui articol, susține „viziunea decoerentă” asupra mecanicii cuantice - unde la nivel fundamental nu există nici probabilitate, nici colaps al funcției de undă - și în forma ei cea mai pură, interpretarea universurilor multiple a lui Hugh Everett III.

Fizicienii privesc de mult timp cu suspiciune „problema măsurării cuantice”: presupusa enigmă a felului în care putem înțelege mecanica cuantică. Toată lumea este de acord (nu-i așa?) asupra formalismului mecanicii cuantice; orice discuție suplimentară privind interpretarea acelui formalism poate părea doar vorbe goale. Iar celebra „interpretare a universurilor multiple” a lui Hugh Everett III pare și mai dubioasă decât altele: nu doar vorbe inutile, ci și universuri inutile. Nu-ți pierde vremea cu vorbe sau lumi; taci și calculează.

Dar problema măsurării a stimulat mai mult decât filosofie. Întrebările despre cum să înțelegem mecanica cuantică au fost mereu inseparabile, ca să spunem așa, de întrebările despre cum să o aplicăm și folosim și chiar despre cum să o formulăm; controversele continue privind problema măsurării sunt și controverse continue privind aplicarea, predarea și descrierea matematică a MQ.

Interpretarea Everett apare ca lectura firească a unei strategii de a face mecanică cuantică, pe care o numesc „viziunea decoerentă” și care a înlocuit în mare măsură rivala, „viziunea de laborator”, și astfel – voi argumenta – interpretarea Everett poate și trebuie înțeleasă nu ca un adaos inutil la mecanica cuantică modernă, ci ca parte a dezvoltării înțelegerii noastre a teoriei de-a lungul ultimului secol.

Viziunea din laborator

Viziunea de laborator își are originile în lucrările lui Niels Bohr și Werner Heisenberg și ia în serios cuvântul „observabil” care apare în fiecare manual de mecanică cuantică.

În această viziune, mecanica cuantică nu este o teorie ca a lui Newton sau Einstein, care urmărește o descriere obiectivă a unei lumi externe supuse propriei dinamici; mai degrabă, este în mod esențial și ireductibil o teorie a observației și măsurării.

Stările cuantice, în viziunea de laborator, nu reprezintă trăsături obiective ale unui sistem așa cum (de pildă) punctele din spațiul fazelor clasice o fac: ele reprezintă cunoașterea parțială a acelui sistem de către cel care efectuează experimentul.

Procesul de măsurare nu este ceva ce poate fi descris în interiorul mecanicii cuantice: în cele din urmă, el este extern. Iar așa-numitul „colaps” al stărilor cuantice în timpul măsurării nu reprezintă un proces stocastic misterios, ci pur și simplu „actualizarea” cunoașterii noastre atunci când obținem mai multe informații.

Măsurători valoroase

Viziunea de laborator a condus la fizică serioasă. În special, ideea de „măsură valorică de operatori pozitivi” (positive operator valued measure), centrală în multe aspecte ale informației cuantice, apare cel mai firesc din această perspectivă.

Tot de aici provin multe extensii, totale și parțiale, aduse mecanicii cuantice din concepte provenite inițial din teoria clasică a probabilităților și a informației.

De fapt, în informația cuantică, mai general, aceasta este probabil abordarea dominantă. Totuși, în afara acelui context, se confruntă cu dificultăți severe. Cel mai notabil: dacă mecanica cuantică nu descrie sisteme fizice în sine, ci doar un calcul al rezultatelor măsurătorilor, dacă un sistem cuantic poate fi descris doar relativ la un context experimental, atunci ce teorie descrie acele rezultate și acele contexte experimentale?

Un răspuns popular – cel puțin în informația cuantică – este că măsurarea este primitivă: nu este nevoie de o teorie dinamică pentru a explica ce este măsurarea, iar ideea că ar trebui să o descriem în termeni dinamici nu este decât un alt prejudecată newtoniană. (Abordarea „QBistă” a mecanicii cuantice adoptă cu îndrăzneală această linie.)

Putem critica acest răspuns pe baze filosofice, dar mai presant este altceva: nu așa se face de fapt măsurarea în laborator. Echipamentele experimentale nu sunt găsite împrăștiate prin deșert (fiecare dispozitiv ștampilat de zei, poate cu operatorul operatorul pe care-l măsoară); ele sunt construite folosind principii fizice. Faptul că LHC măsoară impulsul și spectrele particulelor diverselor procese de dezintegrare, de pildă, este ceva stabilit prin cantități uriașe de analiză științifică, nu ceva pur și simplu presupus. Avem nevoie de o explicație a practicii experimentale care să ne permită să înțelegem cum funcționează dispozitivele de măsurare și cum să le construim.

Bohr avea o astfel de explicație: măsurătorile cuantice trebuie descrise prin mecanica clasică. Clasicul este inevitabil în mecanica cuantică tocmai pentru că la mecanica clasică apelăm atunci când vrem să descriem contextul experimental al unui sistem cuantic. Pentru Bohr, tranziția cuantic–clasic este la fel de mult o chestiune conceptuală și filosofică pe cât este una tehnică, iar ideile clasice sunt inevitabil necesare pentru a da sens oricărei descrieri cuantice.

Poate că aceasta era viabilă în anii 1930. Dar astăzi nu doar sistemele măsurate, ci și dispozitivele de măsurare însele se bazează esențialmente pe principii cuantice, dincolo de orice poate descrie mecanica clasică. Și astfel, oricare ar fi punctele tari și slabe filosofice ale acestei abordări – sau ale viziunii de laborator în general – avem nevoie de ceva mai mult pentru a înțelege mecanica cuantică modernă, ceva care să ne permită să aplicăm chiar mecanica cuantică procesului de măsurare.

Practica duce la perfecțiune

Putem privi la practica fizicii pentru a vedea cum. După cum a intuit von Neumann și a arătat clar pentru prima dată Everett, nimic nu ne împiedică să creăm un dispozitiv de măsurare chiar în interiorul mecanicii cuantice. Când facem asta, descoperim că sistemul măsurat devine cuplat cuantic cu dispozitivul, astfel încât (de pildă) dacă un atom măsurat este într-o superpoziție a spinului față de un anumit ax, după măsurare și dispozitivul se află într-o superpoziție a valorilor citite.

În principiu, aceasta riscă un regres infinit: cum interpretăm acea nouă superpoziție, dacă nu printr-un dispozitiv de măsurare și mai mare? În practică, tratăm pur și simplu amplitudinile la pătrat ale diverselor valori de citire ca probabilități și le comparăm cu frecvențele observate. Asta seamănă puțin cu viziunea de laborator, dar există o diferență subtilă: aceste probabilități nu sunt înțelese în raport cu o măsurare ipotetică, ci ca probabilitățile reale ca sistemul să fie într-o anumită stare.

Desigur, dacă am putea întotdeauna înțelege amplitudinile la pătrat astfel, n-ar mai exista problema măsurării! Dar interferența exclude asta.

Să construim, de exemplu, un interferometru Mach–Zehnder, cu un fascicul de particule împărțit în două și apoi reinterferat, și două detectoare după reinterferență. Știm că dacă oricare dintre cele două căi este blocată, astfel încât orice particulă detectată trebuie să fi mers pe cealaltă cale, atunci fiecare dintre cele două rezultate este la fel de probabil: pentru fiecare particulă trimisă, detectorul A se declanșează cu probabilitate 50% și detectorul B cu 50%. Deci, indiferent pe ce cale a mers particula, obținem A cu 50% și B cu 50%. Și totuși știm că dacă interferometrul este reglat corect și ambele căi sunt deschise, putem obține A cu 100% sau 0% sau orice între acestea. Oricare ar fi superpozițiile microscopice, ele nu sunt pur și simplu probabilități ale unor fenomene clasice.

Interferență nefezabilă

Dar superpozițiile macroscopice sunt altceva. Acolo, interferența este nefezabilă (mult succes în a reinterfera cele două stări ale pisicii lui Schrödinger); nimic nu ne împiedică formal să tratăm amplitudinile la pătrat ca probabilități.

Iar teoria decoerenței ne-a oferit o înțelegere clară a motivului pentru care interferența este invizibilă în sistemele mari și, mai general, când putem și când nu putem trata amplitudinile la pătrat ca probabilități.

După cum au arătat lucrările lui Zeh, Zurek, Gell-Mann, Hartle și ale multor altora (inspirându-se din Everett și din studiile tranziției cuantic–clasic încă de la Mott), decoerența – adică suprimarea interferenței – este pur și simplu un aspect al mecanicii statistice de neechilibru.

Gradele de libertate colective, la scară mare, ale unui sistem cuantic, fie acul unui dispozitiv de măsurare, fie centrul de masă al unei particule de praf, interacționează constant cu un număr mult mai mare de grade de libertate la scară mică: fononii de lungime de undă scurtă din interiorul obiectului, lumina ambientală, radiația de fond cosmic în microunde. Putem găsi în continuare o dinamică autonomă pentru gradele de libertate colective, dar datorită transferului constant de informație către scara mică, coerența oricărei superpoziții macroscopice se scurge rapid în gradele de libertate microscopice, unde este dinamic inertă și practic nemăsurabilă.

Emergență și scară

Decoerența poate fi înțeleasă în limbajul familiar al emergenței și separării scărilor. Stările cuantice nu sunt fundamental probabilistice, dar sunt probabilistice prin emergență. Acea emergență apare pentru că, în cazul sistemelor macroscopice, scara de timp prin care energia este transferată de la gradele de libertate macroscopice la cele reziduale este foarte lungă în comparație cu scara de timp a propriei dinamici a sistemului macroscopic, care, la rândul ei, este foarte lungă în comparație cu scara de timp prin care se transferă informația. (Ca exemplu extrem, informația despre poziția planetei Jupiter este înregistrată foarte rapid în particulele vântului solar sau chiar în fotonii radiației cosmice de fond, dar Jupiter pierde doar o fracțiune infimă din energia sa către oricare dintre acestea.) Astfel, sistemul ajunge la decoerență rapid, dar odată ce a făcut-o poate fi totuși tratat ca autonom.

În această viziune decoerentă asupra mecanicii cuantice, există în cele din urmă doar dinamica unitară a sistemelor închise; tot restul este un caz limită sau special. Probabilitatea și caracterul clasic apar prin procese dinamice ce pot fi înțelese prin tehnici cunoscute ale fizicii: înțelegerea acelei emergențe poate fi o provocare tehnică, dar nu ridică probleme de principiu. Și asta înseamnă că viziunea decoerentă poate rezolva deficiențele viziunii de laborator: poate analiza procesul de măsurare în termeni cuantici; poate aplica mecanica cuantică chiar în contexte cosmologice unde paradigma „măsurării” nu mai funcționează; poate chiar să recupereze viziunea de laborator în interiorul ei ca un caz special limitat. Și astfel, viziunea decoerentă, nu cea de laborator, este – susțin eu – cea care stă la baza felului în care teoria cuantică este în cea mai mare parte utilizată în secolul XXI, inclusiv în aplicațiile ei din fizica particulelor și cosmologie.

Două viziuni asupra mecanicii cuantice

Dar dacă viziunea decoerentă este corectă, atunci la nivel fundamental nu există nici probabilitate, nici colaps al funcției de undă; și nici vreo diferență fundamentală între o superpoziție microscopică, ca cele din experimentele de interferență, și o superpoziție macroscopică, precum pisica lui Schrödinger. Diferențele sunt de grad și de scară: la nivel microscopic, interferența este manifestă; pe măsură ce trecem la sisteme mai mari și mai complexe, ea se ascunde tot mai eficient; în practică este invizibilă pentru sistemele macroscopice. Dar chiar dacă nu putem detecta coerența superpoziției unei pisici vii și moarte, aceasta nu dispare prin asta. Și astfel, conform viziunii decoerente, pisica este simultan vie și moartă, în același fel în care atomul aflat în superpoziție este simultan în două locuri. Nu avem nevoie de o schimbare a dinamicii teoriei, nici măcar de o reinterpretare a ei, pentru a explica de ce nu vedem pisica ca vie și moartă în același timp: decoerența a explicat deja acest lucru. Există o ramură „pisică vie” a stării cuantice, cuplată cuantic cu mediul ei într-o măsură mereu crescătoare; există de asemenea o ramură „pisică moartă”; interferența dintre ele este redusă la neglijabil de inseparabilitate.

Universuri multiple

În cele din urmă ajungem la interpretarea „universurilor multiple”: căci atunci când observăm noi înșine pisica, intrăm și noi într-o superpoziție de a vedea o pisică vie și o pisică moartă. Dar aceste „lumi” nu sunt adăugate mecanicii cuantice ca o ontologie exotică nouă: ele sunt descoperite, ca trăsături emergente ale gradelor de libertate colective, pur și simplu lucrând cu mecanica cuantică în contexte dincolo de viziunea de laborator și apoi gândind limpede despre conținutul ei. 

Interpretarea Everett – teoria lumilor multiple – este doar viziunea decoerentă luată pe deplin în serios. Interferența explică de ce superpozițiile nu pot fi înțelese pur și simplu ca parametri ai ignoranței noastre; unitaritatea explică modul în care ajungem noi înșine în superpoziții; decoerența explică de ce nu avem conștiință de acest fapt.

(Cu patruzeci și cinci de ani în urmă, David Deutsch a sugerat testarea interpretării Everett prin simularea unui observator în interiorul unui computer cuantic, astfel încât să-l putem ajunge la coerență după o măsurătoare. Atunci era științifico-fantastic; în această eră a progresului rapid în IA și calculul cuantic, poate mai puțin.)

Am putea păstra viziunea decoerentă și totuși să evităm angajamentul față de „universuri”? Da, dar numai în același sens în care am putea păstra relativitatea generală și totuși să refuzăm să ne angajăm cu privire la ceea ce se află dincolo de orizontul evenimentelor cosmologic: teoria oferă o explicație perfect bună atât a celorlalte lumi everettiene, cât și a materiei de dincolo de orizont, dar poate prudența epistemică ne-ar putea conduce să nu ne angajăm excesiv. Dar chiar și așa, conținutul mecanicii cuantice include celelalte lumi, la fel cum conținutul relativității generale include fizica de dincolo de orizont, și ne vom induce în eroare dacă evităm chiar și să vorbim despre acel conținut. (Astfel, Hawking, care observa că atunci când a auzit prima dată de pisica lui Schrödinger a întins mâna după pistol, era totuși bucuros să vorbească despre ramurile everettiene atunci când făcea cosmologie cuantică.)

Viziuni alternative

Ar putea exista o altă cale de a da sens viziunii decoerente? Niciodată să nu spui niciodată; dar perspectiva lumilor multiple rezultă aproape automat din simpla luare în serios a acestei viziuni ca descriere literală a sistemelor cuantice și a felului în care ele evoluează, așa că orice varantă ar trebui să fie filosofic subtilă, dând o interpretare diferită și mai puțin literală mecanicii cuantice. (Poate relaționalismul, discutat de Carlo Rovelli, oferă o cale, deși în multe privințe pare mai degrabă o versiune a viziunii de laborator. Interpretările cu colaps fizic și variabile ascunse modifică formalismul și, prin urmare, cad în afara oricărei categorii.)

Forțează absurditatea aparentă sau extravaganța ontologică a interpretării Everett să abandonăm, ca buni oameni de știință, universurile multiple sau, dacă e nevoie, însăși viziunea decoerentă? Doar dacă acceptăm un principiu științific care respinge teoriile prea stranii sau care postulează un univers prea mare. Dar fizica nu acceptă un asemenea principiu, după cum arată limpede cosmologia modernă.

Există probleme filosofice pentru interpretarea Everett? Desigur: cum să înțelegem ontologia emergentă a lumilor și ramurilor; cum să înțelegem probabilitatea atunci când toate rezultatele sunt reale? Dar probleme de acest fel apar în toate teoriile fizice. Probabilitatea este contestată filosofic chiar și în afara Everett: este ea frecvență, credință rațională, simetrie sau altceva? În orice caz, aceste probleme nu constituie o barieră pentru folosirea ideilor everettiene în fizică.

Argumentul în favoarea interpretării Everett este că ea este lectura conservatoare, literală, a versiunii mecanicii cuantice pe care o folosim de fapt în fizica modernă și că nu există nicio presiune științifică să renunțăm la această lectură.

Am putea, desigur, să căutăm alte variante. Cine știe ce am putea găsi? Sau am putea pur și simplu să tăcem și să calculăm – în interiorul interpretării Everett.

>  Citiți și - Ce cred fizicienii azi că spune mecanica cuantică despre realitate 

Traducere după The minimalism of many worlds de David Wallace.