Inseparabilitate cuanticaRealitatea, relativitatea, cauzalitatea sau liberul arbitru? Dacă luăm teoria cuantică de bună, cel puţin unul dintre lucrurile anterior menţionate este o iluzie. Dar care anume?

 

 

 

La o privire superficială seamănă cu o oglindă obişnuită. Dar nu este. Este, de fapt, una semi-argintată. Jumătate din cantitatea de lumină care o loveşte este reflectată. Cealaltă jumătate trece nestingherită prin ea. Acest fapt nu reprezintă, în sine, ceva extraordinar. De fiecare dată când priviţi pe fereastra camerei dumneavoastră şi observaţi încăperea reflectată parţial în geam, are loc un fenomen similar. Oglinzi speciale care separă fasciculele luminoase (separatoare de fascicule sau aşa-numitele beam splittere) sunt parte a fiecărui prompter folosit în televiziune, şi, dacă vă doriţi cu adevărat, puteţi cumpăra asemenea dispozitive de pe Internet la preţuri nu foarte mari.

Lucrul ciudat este reprezentat însă de efectul pe care aceste dispozitive îl au asupra fotonilor din spectrul vizibil. Dacă vei privi de foarte aproape e posibil ca aceste oglinzi să îţi distrugă percepţia asupra realităţii. S-ar putea să nu mai fii sigur unde ori chiar cine eşti, ba chiar să te facă să te întrebi dacă exişti cu adevărat. S-ar putea să îţi modifice înţelegerea conceptului de cauză şi efect până la punctul în care vei ajunge să te întrebi dacă nu cumva tu, mai degrabă decât oglinda, eşti de vină pentru toate astea. Întrebarea este dacă există fenomen mai profund decât acesta, foarte straniu, care se petrece la nivelul unei oglinzi semi-argintate, pe care ştiinţa să îl abordeze. "Nu cred că există," spune Terry Rudolph, fizician la Imperial College,
din Londra.

Vinovatul de serviciu din momentele în care suntem asaltaţi de îndoială şi chinuiţi de frici existenţiale este teoria cuantică. Aceasta reprezintă cea mai bună încercare a oamenilor de ştiinţă de a descrie lumea materială la nivelurile sale fundamentale, iar predicţiile acestei teorii au fost confirmate iar şi iar de către experimente. Numai că realitatea pe care ne-o oferă această teorie pare a avea foarte puţin în comun cu ceea ce noi înţelegem prin, ei bine, tocmai conceptul de... realitate.

Pentru început, e de menţionat faptul că realitatea lumii cuantice este una neplăcut de aleatorie, de întâmplătoare. Să luăm de pildă în considerare atomii care intră în componenţa unui obiect la fel de real, cel puţin aparent, ca noi înşine. Potrivit teoriei cuantice, atunci când sunt izolaţi, nu pot fi localizaţi cu precizie într-o anumită poziţie. Tot ce se poate spune despre ei este probabilitatea cu care putem găsi un atom într-un punct A, care este o altă probabilitate de a îl regăsi într-un punct B, ori alta de a îl descoperi într-un alt punct, C. Atâta vreme cât nu ne punem problema să aflăm unde anume se găseşte atomul în discuţie, el există într-o "superpoziţie" dată de toate locurile posibile în care ar putea fi localizat. Puneţi-vă problema să îl detectaţi - faceţi o măsurătoare - şi atomul vi se va înfăţişa undeva anume, dar într-un punct imposibil de prezis.

Bizareria atinge apogeul la nivelul oglinzilor semi-argintate. Dacă lumina va intersecta oglinda în maniera corespunzătoare, nu doar fasciculul luminos va fi
separat, dar şi fotonii individuali luaţi în parte. Fiecare foton individual se va transforma, literalmente, în doi fotoni. Unul dintre ei va trece prin oglindă, iar celălalt va fi reflectat.

Fiecare din aceşti doi fotoni are proprietăţi speciale, de pildă spinul – o cantitatea caracteristică particulelor din lumea cuantică, proprietate care poate fi imaginată şi descrisă aproximativ printr-o analogie cu rotaţia particulelor în spaţiu. Doar că atunci când dorim să măsurăm acest aşa-numit spin pentru cei doi fotoni se petrece ceva foarte straniu. Putem face acest lucru iar şi iar, măsurând de fiecare dată spinul ambilor fotoni relativ la diferite lucruri - podeaua laboratorului, direcţia vântului de afară, direcţia în care se deplasează o muscă pe tavanul camerei. După o vreme veţi constata un lucru care vă va da fiori. Va ieşi la iveală un tipar: de fiecare dată, rezultatul celei de-a doua măsurători va depinde de felul în care o efectuaţi pe prima.

Este un fenomen pe care nu îl putem explica folosind conceptele clasice cu ajutorul cărora descriem lumea care ne înconjoară. Pentru că în acest caz explicaţia corectă este aşa-numita "corelaţie cuantică" (entanglement): abilitatea obiectelor cuantice care au fost la un moment dat "înrudite" să îşi influenţeze aparent proprietăţile una alteia, deşi au fost separate una de cealaltă şi despărţite fie şi de distanţe foarte mari. O acţiune înfricoşătoare la distanţă, ca să folosim exact cuvintele lui Einstein.

Este foarte tentant să căutăm explicaţia acestui fenomen în fizica clasică, aşa cum a încercat Einstein, pentru a păstra nealterate concepţiile noastre prezente despre natura realităţii. Trebuie să existe o influenţă care scapă detecţiei noastre şi care călătoreşte între cei doi fotoni. O entitate fizică trebuie să treacă de la un foton la altul, pentru a-l "informa" pe acesta din urmă despre informaţia care a fost extrasă.

Orice formă va lua această influenţă - un foton, o altă particulă ori poate chiar un tip de undă - ce putem spune cu certitudine e că nu va călători cu o
viteză mai mare decât viteza luminii între cei doi fotoni. Graţie relativităţii lui Einstein, această viteză a ajuns să fie privită drept o limită fundamentală cu care orice gen de informaţie utilă ar putea călători prin univers. Impunerea acestei limite previne tot soiul de consecinţe neplăcute. "Ne-am confrunta cu tot felul de situaţii ciudate, violări stranii ale principiului cauzalităţii, dacă ar fi posibilă transmiterea de semnale cu viteze superluminice," spune Rudolph. Orice canal de comunicare superluminic ar putea fi predispus "deturnării" în scopuri infame: ar putea fi folosit, de pildă, pentru a transmite informaţii în trecut. Permiteţi violări ale cauzalităţii relativiste, şi veţi putea câştiga cu toţii milioane de dolari la loterie.

Posibilitatea existenţei unor influenţe ascunse de natură mai puţin ciudată, cum ar fi cele care respectă legile relativităţii, poate fi testată destul de simplu. Pentru început e nevoie de separarea a doi fotoni "entanglaţi" printr-o distanţă uriaşă. Al doilea foton este trimis, de pildă, pe Staţia spaţială Internaţională, "însoţit" de instrucţiunile necesare realizării unei măsurători specifice la un moment precis de timp. Cu o clipă înainte de măsurătoarea planificată automat pentru a-l doilea foton, se vor măsura proprietăţile primului. Sincronizarea trebuie să fie perfectă, pentru a nu exista timp suficient pentru ca vreo influenţă ascunsă instrumentelor să călătorească între cei doi fotoni, fie şi cu viteza luminii.

Agitaţie şi uimire

Nimeni nu a realizat încă testul imaginat de noi a se desfăşura pe Staţia Spaţială, dar au avut loc experimente similare chiar aici, pe Pământ, de nenumărate ori. De fiecare dată, atunci când datele celei de-a doua măsurători se întorc se constată că efectele ciudatei influenţe s-au făcut totuşi simţite. Cel de-al doilea foton "răspunde" măsurătorilor de parcă ar fi ştiut cumva ce s-a petrecut cu primul. Experimente efectuate de Nicolas Gisin şi colegii săi de la Universitatea din Geneva în Elveţia, în 2008, au arătat că orice influenţă ciudată ar fi călătorit 18 kilometri printr-o reţea de fibră optică, ar fi trebuit să o facă la o viteză de minim 10.000 de ori mai mare decât viteza luminii (Nature, vol 454, pag 861). Experimentele respective au fost efectuate şi cu fotoni separaţi pe distanţe de sute de kilometri, în aer liber, şi s-au încheiat cu concluzii similare, existând şi planuri ambiţioase pentru a le repeta în spaţiu.

Aşadar, ce concluzii să tragem? Probabil uimiţi de aceste ciudate poveşti despre acţiuni înfricoşătoare la distanţă şi corelaţii de neexplicat, aţi putea fi ceva mai dispuşi să acceptaţi o explicaţie diferită, oricât de fantezistă ar putea părea aceasta la început. Relativitatea interzice propagarea unei influenţe cu viteze superluminice doar atunci când aceasta presupune transport de informaţie. Aşadar, dacă un fenomen straniu, necunoscut fizicienilor, ar putea încălca relativitatea, conectând două particule, dar fără a presupune transfer de informaţie?

Avem chiar mai puţine date despre cum ar putea arăta o asemenea influenţă ciudată. Există şanse ca acest lucru să nici nu conteze: de anul trecut, această cale de a salva realitatea, aşa cum o înţelegem în prezent, a fost şi ea blocată. Împreună cu Gisin şi alţii, Jean-Daniel Bancal de la Universitatea din Geneva au cercetat ce s-ar putea întâmpla în cadrul unei reţele de patru emiţători şi receptori care şi-ar putea sincroniza măsurătorile asupra fotonilor corelaţi cuantic. În cadrul acestui scenariu teoretic, influenţele ar putea călători prin spaţiu-timp cu orice viteză, atâta vreme cât nu ar conţine informaţie.

Experimentul a eşuat în a reproduce realitatea. Nu există nicio modalitate prin care vreun mecanism fizic de orice fel să poată produce corelaţiile cuantice observate în experimente în afara unor influenţe ascunse în interiorul reţelei care să poată trimite informaţii la viteze superluminice (Nature Physics, vol 8, pag 867). Dacă avem încredere în teoria relativităţii, atunci ajungem la o contradicţie. "Ciudăţenia este dusă mai departe decât am crezut," spune Bancal. "Încerci să găseşti cauze ale acestor corelaţii, dar totuşi ele nu sunt acolo."

Gisin este chiar mai direct în concluzia sa. Pentru el asta înseamnă că dimensiunile realităţii în care trăim nu pot conţine explicaţiile pentru o posibilă realitate cuantică şi care să îşi facă simţită prezenţa la un nivel chiar mai fundamental. "Nu există nicio poveste în spaţiu-timp care să ne istorisească despre cum anume se petrec aceste corelaţii", spune el. "Trebuie să existe altceva, în afara spaţiu-timpului."

Doar dacă ne scapă ceva la nivel fundamental, dacă am înţeles greşit ceva anume. Violările relativităţii sunt excluse din discuţie deoarece ele vin împotriva ideilor pe care le avem despre cauzalitate. Noi, oamenii, suntem legaţi intrinsec de ideea de ordine cauzală, căutând în trecut cauza oricărui eveniment. La un nivel chiar mai fundamental, suntem fiinţe cu o filozofie exclusiv deterministă, care presupunem că orice eveniment are la bază o cauză specifică. Lucru care funcţionează destul de bine în viaţa de zi cu zi, în lumea macroscopică, dar de care, odată mutaţi la nivelul evenimentelor cuantice, mai putem fi oare la fel de siguri?


Fizicianul teoretician Caslav Brukner şi colegii săi de la Universitatea din Viena, Austria, au purces recent la găsirea unui răspuns la întrebarea dacă sistemele cuantice sunt subiect, în teorie, al aceloraşi legi de cauzalitate cu care suntem familiari din viaţa cotidiană. Au pornit de la situaţia clasică în care doi observatori independenţi, Alice şi Bob, efectuează o măsurătoare asupra unui foton. Brukner şi echipa sa au introdus în ecuaţie şi incertitudinea cuantică, un principiu care restrânge în mod fundamental cantitatea de informaţie care poate fi extrasă dintr-un sistem cuantic - inclusiv informaţia de natură temporală.

Brukner descrie scenariul pe care el şi colegii săi l-au pus în scenă ca similar cu a o pune pe Alice să intre într-o cameră unde găseşte un mesaj scris de Bob. Alice şterge mesajul şi scrie un răspuns, iar apoi intră Bob pentru a scrie mesajul original la care tocmai a răspuns Alice. La fel cum particulele cuantice pot fi în mai multe locuri în acelaşi timp, la fel şi acest sistem poate fi aparent în două stări diferite, în paralel. Sistemul poate fi simultan în stările "Alice a intrat în cameră înaintea lui Bob" şi "Bob a intrat în cameră înaintea lui Alice". "Nu putem spune dacă măsurătoarea lui Alice se petrece înaintea măsurătorii lui Bob, sau invers," spune Brukner (Nature Communications, vol 3, pag 1092).

Brukner se gândeşte deja să testeze rezultatele acestor calcule teoretice în cadrul unor experimente, dar spune că nu va fi simplu. Dată fiind natura foarte delicată a stărilor cuantice, orice încercare de a măsura o superpoziţie de natură cuantică şi de a-i asocia origini în cauzalitatea clasică distruge acea superpoziţie, aducând-o la nivelul unei ordini cauzale clasice.

Totuşi, chiar în absenţa unei experimentări confirmate, el consideră că concluzia este clară. "Ordinea cauzală nu este o proprietate fundamentală a naturii," spune el. Cauzalitatea îşi face simţită prezenţa doar atunci când parametrii experimentului sunt stabiliţi astfel încât să facă particula să se comporte asemenea unor particule mai familiare nouă, cele din mecanica clasică. Acest aspect îl duce în direcţia aleasă de Gisin. Trăim în spaţiu-timp şi resimţim ordinea cauzală care îl caracterizează, dar totuşi această ordine cauzală, cel puţin aparent, nu se regăseşte la baza teoriei cuantice. Dacă acceptăm ideea că teoria cuantică reprezintă cea mai fundamentală descriere a realităţii pe care o avem la dispoziţie, asta înseamnă că spaţiu-timpul nu este un fundament al universului, ci emerge dintr-o realitate cuantică mai profundă, imposibil de descris folosind cunoştinţele prezente.

Universul spontan

Dacă acceptăm validitatea teoriei cuantice, asta e. Tot haosul generat de teoria cuantică în zona noţiunilor foarte preţuite de noi precum realitate, relativitate şi cauzalitate naşte o întrebare firească: să fie chiar teoria cuantică problema? În ciuda succesului uriaş, poate că incertitudinea, caracterul statistic şi influenţa ciudată la distanţă apar doar pentru că mecanica cuantică este o construcţie incompletă. Cel puţin la nivelul la care este formulată în prezent, e posibil să nu ne ofere toate informaţiile de care avem nevoie pentru a explica de ce lucrurile sunt aşa cum sunt. Am putea face o analogie cu legile termodinamicii. Ele oferă o descriere la nivel înalt, infailibilă, a felului în care funcţionează lumea – căldura circulă întotdeauna de la cald la rece - nespunând totuşi nimic despre dinamica subiacentă a atomilor individuali care fac ca acest lucru să se întâmple.

Pentru a investiga această posibilitate, Roger Colbeck şi Renato Renner de la Swiss Federal Institute of Technology (ETH) din Zürich au aruncat o privire asupra a ce s-ar întâmpla în cadrul acelor experimente clasice de tipul Alice-şi-Bob dacă o teorie fundamentală ar oferi o cantitate suplimentară, arbitrară de informaţie despre corelaţiile care au loc între două particule inseparabile cuantic. Ar arăta atunci măsurătorile mai puţin aleatorii şi impredictibile?

Răspunsul scurt este că nu. În orice situaţie în care atât Alice, cât şi Bob pot alege în mod independent tipul de măsurătoare efectuat pe propria particulă, informaţia suplimentară nu face ca predicţiile pe care le formulează cu privire la ceea ce se va întâmpla în cadrul experimentelor să fie mai precise decât dacă ar fi fost făcute exclusiv pe baza mecanicii cuantice. Caracterul misterios, impredictibil al mecanicii cuantice se pare că nu are nimic de-a face cu vreo informaţie lipsă.

"Caracterul statistic este intrinsec," spune Colbeck. La nivel fundamental, universul are un comportament spontan. Nu există nicio raţiune pentru care o particulă cuantică are proprietăţile pe care le are: nu există nicio influenţă ascunsă, vreun mecanism rigid cauză-efect, nicio informaţie lipsă. Lucrurile sunt pur şi simplu aşa cum sunt; nu există o explicaţie pentru asta.

"Unii oameni găsesc acest lucru ca fiind destul de deprimant," spune Colbeck. Atât de deranjant încât asta îi face să pună sub semnul întrebării o presupunere chiar mai fundamentală despre natura realităţii şi relaţia noastră cu ea. Iar acest fapt are la bază un mic detaliu cu privire la modul în care sunt pregătite, la nivel experimental, toate investigaţiile cu privire la realitatea cuantică şi măsurătorile cuantice, inclusiv cele efectuate de Colbeck şi Renner. Să ne întoarcem la primul experiment, cel cu fotonii şi oglinda semi-argintată. Pentru a estima direcţia spinului fotonilor, trebuie ca mai întîi să alegem o referinţă relativ la care să efectuăm măsurătoarea – laboratorul, vântul, musca de pe tavan. Această alegere influenţează rezultatul măsurătorii. Dar dacă această alegere nu ne aparţine cu adevărat? Dacă există ceva care ne "forţează mâna", făcându-ne să efectuăm experimentele astfel încât corelaţiile să apară întotdeauna?

Sclavii propriei noastre condiţii

Acest lucru ne duce în domeniul liberului arbitru, un teritoriu alunecos unde abundă filozofii, nu fizicienii. Deşi sună destul de îndoielnic, există fizicieni de calibru care cred că absenţa liberului arbitru – ideea că suntem simpli participanţi într-un spectacol cu păpuşi de proporţii cosmice – ar reprezenta cea mai bună modalitate de a scăpa de toată bizareria şi lipsa de relativitate şi cauzalitate pe care le presupun corelaţiile cuantice.

De pildă, laureatul Premiului Nobel Gerard't Hooft de la Universitatea din Utrecht, Olanda, găseşte ideea corelaţiilor cuantice care sfidează spaţiul şi timpul "greu de acceptat". El crede că răspunsul ar putea sta într-o formă extremă de determinism în care minţile umane sunt lansate pe o traiectorie de alegeri, precum aceea de a stabili relativ la ce să efectueze o măsurătoare cuantică, traiectorie de la care le este imposibil să se abată.

Alţii sunt mai puţin impresionaţi. "Invocarea unor corelaţii conspirative între toate creierele, instrumentele de măsurare şi particulele subatomice din univers pentru a face 'să pară că' mecanica cuantică este adevărată este cu mult mai ciudat decât însuşi fenomenul pe care chipurile încercăm să îl explicăm astfel," spune Scott Aaronson, un specialist în mecanica cuantică de la MIT (Massachusetts Institute of Technology). În esenţă, spune el, există foarte puţine diferenţe între a invoca posibilitatea existenţei unui asemenea fenomen ori a unei zeităţi supranaturale.

Rudolph nu are un răspuns – nimeni nu are. Dar el crede că problema principală este că suntem iremediabil antropocentrici. Prăpastia tot mai mare dintre experienţa noastră cotidiană şi rezultatele experimentelor cuantice, spune el, reprezintă doar o versiune modernă a epiciclurilor din ce în ce mai complicate pe care Ptolemeu şi cei care i-au urmat le-au folosit pentru a explica mişcarea corpurilor pe bolta cerească. Pe atunci, problema era că nu ne puteam imagina că ar fi posibil ca planetele să nu se rotească în jurul Pământului; a fost nevoie de Copernic şi schimbarea de paradigmă pe care el a adus-o pentru ca lucrurile să devină dintr-o dată foarte simple.

Poate că am dezvoltat teorii precum relativitatea şi mecanica cuantică constrânşi de concepţii în mod similar limitate asupra universului, tributari de această dată unor noţiuni despre spaţiu şi timp care e posibil să nu existe dincolo de noi. "Noi considerăm că timpul, poziţia în spaţiu şi alte variabile asemenea lor sunt atât de importante pentru descrierea realităţii deoarece am evoluat în direcţia perceperii lor," spune Rudolph. "Dar, orice fenomene s-ar petrece la nivelul particulelor fundamentale, acestea par a nu ţine cont de aceste variabile absolut deloc."

Iată deci. Atunci când lumina străluceşte către acea oglindă semi-argintată, ceea ce vedem nu este tocmai o reflexie a lumii aşa cum ne-am dori noi să o cunoaştem. Realitate, relativitate, cauzalitate, liber arbitru, spaţiu şi timp: nu pot fi toate reale. Dar care sunt oare greşite?



Textul reprezintă traducerea articolului quantum-weirdness-the-battle-for-the-basis-of-reality, publicat de New Scientist. Scientia.ro este singura entitate responsabilă pentru eventuale erori de traducere, Reed Business Information Ltd şi New Scientist neasumându-şi nicio responsabilitate în această privinţă.