Teoria relativităţii şi mecanica cuantică formează coloana vertebrală a fizicii moderne, însă un grup de fizicieni crede că utilizarea lor zilnică face ca uimirea în faţa imensului succes empiric să se atenueze. În acelaşi timp întrebările fundamentale asupra semnificaţiilor celor două teorii rămân fără răspuns.
În 2010, experimentatori, teoreticieni şi filosofi ai fizicii s-au întâlnit la o conferinţă desfăşurată la Universitatea Oxford, conferinţă numită Quantum Physics and the Nature of Reality (Fizica cuantică şi semnificaţia realităţii). Ei au conceput un set de probleme, lansate sub numele de "Oxford Questions" (Întrebările de la Oxford), destinate a identifica unele subiecte deschise, specifice, despre semnificaţia realităţii cuantice, cu scopul stimulării şi ghidării viitoarelor cercetări în domeniu.
Oxford Questions sunt prezentate într-un articol publicat de către fizicienii G.A.D. Briggs de la Universitatea Oxford, J.N. Butterfield de la Universitatea Cambridge şi A. Zelinger de la Universitatea din Viena, într-un recent număr al revistei "Proceedings of the Royal Society".
La această conferinţă, oamenii de ştiinţă au subliniat că s-a dorit "evitarea rediscutării a diferite aspecte ce constituie statu-quo în dezbaterile privind fundamentele fizicii cuantice." În locul acestora, ei ridică o serie de probleme ce se concentrează pe teme ce pot fi investigate în mod concret prin metode şi teorii curente. Cele cinci mari categorii de probleme propuse sunt:
1 - timpul, ireversibilitatea, entropia şi informaţia;
2 - interrelaţia cuantic-clasic;
3 - experimentele ce probează fundamentele fizicii cuantice;
4 - fizica cuantică în contextul teoriilor existente;
5 - interacţiunile cu problemele filosofice. (Pentru detalii, vezi mai jos).
Problemele Oxford
1. Timpul, ireversibilitatea, entropia şi informaţia
(a) Este ireversibilitatea fundamentală în descrierea lumii clasice?
(b) Cum este implicată ireversibilitatea în măsurarea cuantică?
(c) Ce putem învăţa despre fizica cuantică utilizând noţiunea de informaţie?
2. Relaţia cuantic-clasic
(a) Îşi are lumea clasică rădăcinile în fenomenul cuantic, şi dacă da – ce concepte sunt necesare în descrierea acestei relaţii?
(b) Cum trebuie înţeleasă tranziţia de la observarea la realizarea stării?
(c) Cum poate fi interpretarea teoriei cuantice ca unică realitate, compatibilă cu non-localizarea şi relativitatea specială?
3. Experimentele ce dovedesc fundamentele fizicii cuantice
(a) Ce experimente pot dovedi la nivel macroscopic superpoziţiile de stare, incluzând testarea inegalităţilor Leggett-Garg?
(b) Ce experimente pot fi utilizate în studiul sistemelor complexe, incluzând pe cele tehnologice şi biologice?
(c) Cum poate fi monitorizat experimental colapsul progresiv al funcţiei de undă?
4. Fizica cuantică în descrierile teoretice
(a) Ce perspective sunt de a obţine prin abordări strict teoretice, informaţionale, geometrice şi operaţionale, formalisme de reprezentare a mecanicii cuantice?
(b) Care este semnificaţia euristicelor productive în revizuirea teoriei cuantice?
(c) Cât de coerentă poate fi fizica cuantică cu noţiunile de spaţiu-timp şi masă-energie?
5. Interacţiunea cu întrebările puse de filosofie
(a) Cum pot diversele aspecte ale noţiunii de realitate să influenţeze în moduri diferite viziunea noastră asupra interpretării teoriei cuantice?
(b) Cum pot diversele concepte de probabilitate să contribuie la interpretarea teoriei cuantice?
"Oxford Questions încearcă să preia problemele cunoscute de către comunitatea academică şi să le articuleze pe subiectele pentru care există perspectivă de progres în viitor", a declarat Briggs în Phys.org. "Pe această cale, sperăm ca Oxford Questions să poată furniza o agendă de lucru care să asigure succesul cercetărilor făcute de către filosofi, teoreticieni şi experimentatori. Unele dintre acestea vor necesita expertize a mai multor discipline. Oxford Questions includ subiecte pe care se dezvoltă divergenţe de opinii chiar între experţi."
Într-o perspectivă mai largă, fizicienii explică faptul că Oxford Questions poate fi considerată o nouă abordare a marilor "nori" de la orizont ce pot pune în pericol reuşita fizicii secolului 20, aşa cum s-a întâmplat şi cu anomaliile cu care s-a confruntat fizica clasică la sfârşitul secolului 19.
Primul dintre aceşti nori îl constituie problema măsurării cuantice: "dificultatea de a explica în mod complet, în termenii teoriei cuantice, existenţa lumii clasice, atât de precis descrise de către mărimile deterministe care o definesc şi atât de lipsită de superpoziţii şi entanglement. "Oamenii de ştiinţă numesc acest nor întunecat "pisica din incintă", arătând faptul că unele dintre problemele de la Oxford abordează problema măsurării într-un mod mult mai subtil.
Analogul "elefantului dintr-un magazin de sticlărie" este căutarea unei teorii cuantice a gravitaţiei, acesta fiind cel de-al doilea nor întunecat. Fizicienii consideră că există multiple motive pentru care reconcilierea relativităţii generale cu teoria cuantică este atât de evazivă. Unul dintre acestea este că, în timp ce teoria relativităţii se bazează pe principii fizice rezonabile, este încă neclar dacă teoria cuantică are la bază principii comparabile. Un alt motiv îl constituie lipsa acută de date experimentale, testabilitatea gravitaţiei cuantice devenind posibilă doar în condiţii implicând energii foarte mari, distanţe extrem de mici şi intervale de timp extraordinar de scăzute, toate acestea făcând fenomenele inaccesibile cercetătorilor. De exemplu, fizicienii remarcă faptul că raportul între lungimea Plank (10-35 m) şi mărimea medie a diametrului unui quark (10-18 m) este de acelaşi ordin de mărime cu raportul între această din urmă valoare şi familiara scară a centimetrului, atât de comună lumii noastre.
Deşi aceşti doi nori scot în evidenţă problemele ridicate de fizica cuantică, fizicienii arată că Oxford Questions emană din munca empirică a ultimilor 100 de ani prin care s-a confirmat imensul succes al construcţiilor bazate pe postulatele relativiste şi cele cuantice. Ei vin cu numeroase exemple în care aceste postulate s-au dovedit s-au dovedit valabile în domenii aflate dincolo de cele iniţiale, pentru care au fost formulate:
De ce ar trebui ca, de exemplu, cronogeometria, introdusă în fizică odată cu teoria specială a relativităţii în 1905 de către Einstein, să fie extensibilă şi pentru mecanică, termodinamică şi alte domenii fizice? Şi de ce ar trebui ca teoria cuantică, concepută pentru sisteme de dimensiuni atomice (10-10 m), să se dovedească potrivită şi pentru scări cu mult mai mici (conforme cu cele implicate de experimentele la mari energii, cu valori cuprinse între 10-17 şi 10-20 m) sau cu mult mai mari (corespunzător fenomenelor de supraconductibilitate şi suprafluiditate sau chiar a celor de interferometrie neutronică, implicând scări de fracţiuni de metru sau chiar mai mari)? Există oare vreo limită superioară de scară peste care teoria cuantică să nu mai poată funcţiona? Există vreun sens în a spune că toate proprietăţile materiei îşi au originea în mecanica cuantică? Diverse subiecte, precum schimbările de fază în aliaje sau conducţia în semiconductori, sunt explicate prin teoria cuantică. Noi modele, bazate pe mecanica cuantică, sunt în curs de dezvoltare pentru domenii ce se ocupă de supraconductori, magneţi, multiferite şi izolatori topologici.
La fel de bine putem privi dincolo de fizica terestră. Relativitatea generală îşi are propria şi minunata sa poveste, creată în principal de către o singură persoană, şi motivată conceptual şi în parte filosofic de consideraţii dovedite în mod precis de numeroase experimente efectuate pe toate tipurile de situaţii astronomice. Acestea variază de la câmpurile gravitaţionale slabe, cum ar fi cele întâlnite în sistemul nostru solar, explicând spre exemplu mica, dar celebra precesie a periheliului lui Mercur (43 secunde de arc pe secol) care a rămas o enigmă pentru teoria newtoniană, până la câmpuri de 10 mii de ori mai puternice pentru un pulsar binar îndepărtat prin care s-a dovedit, în mod convingător în ultimii 30 de ani, fenomenul de radiaţie gravitaţională prezis de teoria relativităţii generale şi îndelung căutat.
În general, scopul problemelor ridicate la Oxford este de a continua extinderea acestor aplicaţii şi unificarea conceptelor fizicii cuantice, ceea ce oamenii de ştiinţă au şi făcut în ultimele decenii.
Pentru descrierea stării actuale a fizicii, fizicienii folosesc adesea o analogie făcută de teoreticianul Carlo Rovelli. El compară situaţia actuală din fizică cu cea din secolul 17, atunci când Galileo şi Kepler au folosit mecanica ca fundament pentru zorii ştiinţei moderne. Privind înapoi la acel moment, savanţii de azi văd ideile lui Galileo şi Kepler ca un amestec de înţelegere şi eroare. Savanţii din viitor vor vedea ideile străluciţilor cercetători de azi, în acelaşi fel.
În acelaşi timp, fizicienii utilizează Oxford Questions ca pe un ghid în propriile lor cercetări. Pentru Briggs acesta a fost un motiv în plus în analiza mai aprofundată a aspectelor filosofice ale teoriei cuantice.
"În propriul meu laborator de la Oxford, am beneficiat de un filosof-rezident ce se distinge prin contribuţiile sale atât în fizică cât şi în filosofie", a spus Briggs. "El a contribuit deja la elucidarea posibilităţilor de interpretare a realităţii cuantice prin teste teoretice şi experimentale, ajutând chiar la conceperea unor experimente practice. Împreună, am formulat un nou program de cercetare intitulat Teste Experimentale de Mecanică Cuantică. El va aborda trei teme din cea de-a treia categorie de probleme Oxford. Programul a fost finanţat în totalitate şi va starta pe 1 octombrie 2013."
Fizicienii au, de asemenea, în plan să urmărească modul în care Oxford Questions contribuie la progres pe măsura efortului de căutare a răspunsurilor.
"Subvenţia pentru Testele Experimentale de Mecanică Cuantică va asigura organizarea unei conferinţe în 2014, similară în format cu conferinţa din 2010 - Fizica Cuantică şi Natura Realităţii, atunci când au fost formulate problemele de la Oxford", a mai spus Briggs. "Acest lucru va oferi ocazia de a formula noi întrebări, în lumina progreselor realizate. În anul următor vom organiza o conferinţă de dimensiuni mai mici, destinată în mod special teologilor şi liderilor bisericilor, având ca scop asigurarea posibilităţii ca ei să beneficieze de nivelul avansat de cunoaştere la care s-a ajuns."
Traducere de George Mahalu după oxford-curtain-foundations-quantum-physics cu acordul editorului
