Ştiinţa se mândreşte cu caracterul său obiectiv, dar în cazul mecanicii cuantice Universul ne transmite semnalul că nu vom putea niciodată să fim martorii unei lumi cuantice imaculate. Natura ultimă a realităţii ne va rămâne mereu inaccesibilă.
Heinsenberg şi principiul incertitudinii (6)
ROLUL OBSERVATORULUI ÎN LUMEA CUANTICĂ
De fiecare dată când se efectuează măsurători, o anumită cantitate este înregistrată într-un anumit fel. Dacă nu s-ar realiza acest lucru, dacă nu s-ar petrece nicio modificare a sistemului studiat, atunci actul măsurării nu ar putea fi realizat şi nicio mărime nu ar putea fi înregistrată. Poate nu e tocmai evident la prima vedere, aşa că ar fi bine să facem un experiment. Să măsurăm temperatura unui pahar plin cu apă. Vom aşeza un termometru în apă şi vom observa cu cât se ridică nivelul mercurului din termometru. Pentru a se întâmpla acest lucru este necesar ca o parte a căldurii apei să fie transferată termometrului pentru a-l încălzi şi astfel a dilata mercurul. Cu alte cuvinte, este nevoie să aibă loc un schimb de energie între apă şi termometru înainte de a se putea afirma că măsurătoarea a avut loc.
Dar dacă ne referim la viteza şi poziţia unei rachete? Undele electromagnetice emise de un radar sunt reflectate de suprafaţa rachetei, recepţionate de antena radarului şi procesate electronic. Determinarea poziţiei rachetei devine o procedură simplă având la dispoziţie semnalele reflectate de rachetă şi recepţionate de antenă. Aceleaşi semnale pot fi folosite şi pentru determinarea vitezei de deplasare a rachetei – tehnica utilizată bazându-se pe folosirea deplasării Doppler – o uşoară modificare a frecvenţei semnalului reflectat. (Această deplasare Doppler este similară efectului de modificare a înălţimii sunetului sirenei unei ambulanţe ori a unei maşini de poliţie când acestea se apropie şi apoi se depărtează în viteză de ascultător). Deoarece undele electromagnetice emise de radar au fost reflectate la contactul cu suprafaţa rachetei, asta înseamnă că a avut loc un transfer de energie. Bineînţeles că în acest caz cantitatea de energie este complet neglijabilă prin comparaţie cu energia rachetei mobile.
Indiferent de exemplul considerat, de fiecare dată când se efectuează o măsurătoare are loc un anumit transfer de energie – ridicarea ori coborârea mercurului într-un termometru, sunetele emise de un contor Geiger, variaţiile înregistrate de un aparat de măsură, semnalele electrice provenind de la o sondă care sunt înscrise în memoria unui computer, mişcarea unei peniţe pe un grafic. În lumea macroscopică cu care suntem familiarizaţi nu ne preocupă aceste transferuri de energie. Cantitatea de căldură necesară punerii în mişcare a mercurului termometrului este prea mică, în comparaţie cu cea înmagazinată de un vas plin cu apă fierbinte, pentru a ne preocupa de acest aspect. Mai mult decât atât, este întotdeauna posibil să rafinăm măsurătorile şi să luăm în calcul efectele perturbatoare pentru a le compensa ulterior.
Lucrurile sunt foarte diferite în universul cuantic. Pentru a efectua o observaţie a acestei micro-lumi ori pentru a efectua de orice manieră o anumită măsurătoare, cel puţin o cuantă de energie trebuie schimbată între aparatul de măsură şi sistemul (obiectul) cuantic studiat. Cuanta este însă indivizibilă. Nu poate fi împărţită în unităţi mai mici. La momentul observării sistemului cuantic nu putem şti dacă respectiva cuantă provine de la aparatul de măsură ori de la obiectul observat. Pe durata efectuării măsurătorilor, obiectul şi aparatul de măsură sunt în mod ireductibil înlănţuite.
Pe perioada în care este efectuată o măsurătoare şi o anumită valoare este înregistrată, sistemul cuantic studiat şi aparatul de măsură formează un tot unitar. Observatorul şi obiectul observat formează o singură entitate. Singurul mod în care pot fi separaţi ar fi dacă am putea diviza o cuantă în părţi mai mici – o parte rămânând cu aparatul de măsură şi cealaltă alăturându-i-se sistemului cuantic. Numai că aşa ceva este imposibil de realizat. Astfel că aparatul de măsură şi entitatea cuantică observată sunt strâns legate prin intermediul măcar a unei cuante. În plus, energia acestei cuante nu este neglijabilă în comparaţie cu energia sistemului cuantic.
Asta înseamnă că de fiecare dată când oamenii de ştiinţă încearcă să observe îndeaproape lumea cuantică, aceştia o perturbă. Şi deoarece cel puţin o cuantă de energie este întotdeauna implicată în procesul observaţiei, nu există nicio modalitate de a reduce proporţiile acestei perturbaţii. Actul uman de observare a Universului, de acumulare de cunoştinţe, nu mai este complet obiectiv, deoarece în timp ce acţionăm pentru a descoperi misterele cosmosului, îl modificăm. Ştiinţa se mândreşte cu caracterul său obiectiv, dar de această dată Natura ne transmite semnalul că nu vom putea niciodată să fim martorii unei lumi cuantice pure, imaculate şi obiective. Cu fiecare act de măsurare efectuat subiectul pătrunde în lumea observată şi o perturbă într-o manieră imposibil de evitat.
Din acest punct de vedere, ştiinţa seamănă cu fotografierea unei succesiuni de prim-plan-uri cu spatele la Soare. În orice direcţie s-ar mişca fotograful, umbra sa va cădea întotdeauna peste scena surprinsă pe peliculă. Orice ar face fotograful, nu se va putea retrage niciodată din scena fotografiată.
Fizicianul John Wheeler a folosit metafora ferestrelor de sticlă pentru a descrie acest fenomen. Timp de secole ştiinţa a privit în mod obiectiv Universul, ca şi cum am fi fost separaţi de acesta de un panou de sticlă. Teoria cuantică a sfărâmat sticla pentru totdeauna. Acum putem trece dincolo de panoul de sticlă, dincolo de fereastra care odinioară ne separa de Univers, putem atinge cosmosul cu mâna. În loc să mai fim observatorii obiectivi de altădată ai naturii, am devenit participanţi la spectacolul acesteia.
MICROSCOPUL LUI HEISENBERG
Povestea noastră despre bizareria lumii cuantice nu a ajuns încă la final. Mai avem încă un pas de făcut – o noţiune pe care Einstein nu a putut-o accepta niciodată şi care are implicaţii cu privire la însăşi natura realităţii. Este vorba despre o idee care s-a născut în cadrul unei dispute între Bohr şi Heisenberg pe tema interpretării principiului incertitudinii.
În perioada timpurie a dezvoltării teoriei cuantice Heisenberg a încercat să explice originile incertitudinii care caracterizează universul cuantic într-un mod similar celui abordat în subcapitolele precedente, folosind analogia cu modul în care radarul este utilizat pentru a stabili poziţia şi viteza unei rachete. În lumea macroscopică a rachetelor şi meteoriţilor se foloseşte un flux continuu de semnale radar, dar Heisenberg se gândea la un microscop ideal care să fi putut fi folosit pentru a studia un electron. Acesta ar fi trebuit să poată utiliza la o măsurare minima perturbaţie imaginabilă – un singur foton ori o cuantă de lumină.
Pentru început, un foton determină viteza electronului şi rezultatul este înregistrat. În continuare, un alt foton determină poziţia electronului şi acest rezultat este, de asemenea, înregistrat. Dar prin măsurarea acestei poziţii, electronul primeşte un impuls în urma impactului cu fotonul, ceea ce duce la modificarea vitezei sale. La fel, când se măsoară viteza, impactul cu fotonul deviază electronul de pe traiectoria originală, afectându-i astfel poziţia. Cu alte cuvinte, Heisenberg a atras atenţia asupra faptului că de îndată ce se încearcă măsurarea poziţiei unui electron, viteza acestuia este modificată şi, la fel, imediat ce se încearcă măsurarea vitezei electronului, poziţia sa se schimbă. Există întotdeauna un grad ireductibil de incertitudine în ceea ce priveşte viteza şi poziţia unui electron1.
Acesta este, în viziunea lui Heisenberg, mecanismul prin care se naşte incertitudinea în lumea cuantică. Este rezultatul perturbărilor pe care le generăm atunci când încercăm să aflăm informaţii despre acest microunivers. Deoarece cuanta este indivizibilă acest grad de incertitudine nu poate fi evitat nicicum. Fizicianul francez Bernard D’Espagnat a născocit termenul de „realitate tainică” pentru a descrie această proprietate. El a observat că realitatea cuantică este prin natura sa acoperită cu un voal şi tăinuită faţă de noi, observatorii. Oricât de rafinate ar fi experimentele noastre, natura ultimă a acestei realităţi nu ne va fi niciodată completamente accesibilă.
_____
1.
Deoarece o cuantă este indivizibilă, iar observatorul şi sistemul observat formează un tot unitar în actul măsurării, fizica nu poate spune dacă un anumit foton a fost produs de aparat, de electronul studiat sau de amândouă. Din această cauză nu este posibil să calculăm efectele perturbaţiilor asupra poziţiei şi vitezei şi, în consecinţă, nu e posibilă compensarea pentru a reduce gradul de incertitudine.
Realitatea în mecanica cuantică (8)
Traducerea este făcută cu acordul autorului şi este protejată de legea drepturilor de autor.
