Totul în univers este o undă cuantică

Vlatko Vedral, profesor de știința informației cuantice la Universitatea din Oxford, propune o interpretare radical nouă a mecanicii cuantice: totul în univers este o undă cuantică. În acest fel, dificultatea unificării teoriilor privind lumea clasică și lumea cuantică este depășită: totul este cuantic, iar cuanticul dă naștere clasicului. Teoria sa vine cu o soluție implicită, de asemenea, pentru problema măsurării, problema observatorului și problema inseparabilității cuantice (acțiunea stranie la distanță). Iată principalele idei. 

Vedral crede că sunt două motive principale pentru care fizica pare blocată în prezent: (1) lipsa unei tehnologii pentru a efectua experimente în regimuri care ar putea arăta că ceva nu funcționează în teorie și (2) nu există un acord cu privire la cum ar trebui interpretată mecanica cuantică. Odată cu progresele privind construcția unui calculator cuantice, primul motiv se îndreaptă într-o direcție bună.

Vedral propune propria interpretare, pe care unii ar putea să o considere radicală, dar care este, crede, singura care se potrivește cu toate dovezile experimentale și constrângerile teoretice de până acum.

Astăzi, viziunea dominantă în ce privește mecanica cuantică rămâne „interpretarea Copenhaga”, promovată inițial de Niels Bohr. Potrivit acesteia, sistemele cuantice au nevoie de observatori clasici pentru a interacționa cu ele și pentru a reduce superpozițiile cuantice („a fi în mai multe stări diferite în același timp”) la o singură stare „clasică” bine definită.

Există multiple alte interpretări:
- cea a universurilor multiple, care consideră că ideea superpozițiilor cuantice este universală și se aplică nu doar sistemelor cuantice, ci tuturor lucrurilor din univers;
- cea ce invocă variabile ascunse, inițiată de Louis de Broglie și David Bohm, care încearcă să păstreze o realitate clasică, dar cu prețul introducerii acțiunii la distanță (lucruri care se propagă mai repede decât lumina, dar care nu pot fi detectate);
- Bayesiansimul cuantic (cunoscut și drept QBism), care-și are originea în lucrările lui Carlton Caves, Christopher Fuchs și Ruediger Schack, care susține că fizica cuantică există doar în mințile observatorilor.

Interpretarea - totul este o undă cuantică

Întregul sens al revoluției cuantice a fost acela de a unifica două tipuri de obiecte clasice anterior foarte diferite: particulele și undele. 

Particulele din fizica clasică respectă legile mișcării ale lui Newton, iar undele respectă un anumit tip de ecuație de undă, în funcție de natura lor – apă, sunet sau unde ale câmpului electromagnetic.

Comportamentele lor sunt diferite: undele clasice interferează, adică, de pildă, se pot curba în jurul colțurilor; particulele nu pot face acest lucru. Undele pot trece și prin două fante în același timp și pot produce franje de interferență pe baza efectului combinat, în timp ce particulele trec doar printr-o singură fantă la un moment dat.

Fizica cuantică a prezis că și particulele pot interfera, iar experimentele au confirmat rapid această idee. Un singur electron poate, într-adevăr, să treacă simultan prin două fante și să producă interferență. 

În acest fel, fizica cuantică a eliminat dihotomia clasică dintre particule și unde și a stipulat că totul, în fizica cuantică, este alcătuit din același tip de „substanță”. 

Dar obiectele cuantice nu se comportă doar ca undele clasice. Atât particulele clasice, cât și undele clasice devin, în mecanica cuantică, unde cuantice. 

Ce este o undă cuantică? O undă clasică este caracterizată de două mărimi: amplitudinea și faza, ambele definite în fiecare punct din spațiu și variabile în timp. Amplitudinea este înălțimea undei într-un punct dat, iar faza ne spune cât de departe a ajuns unda în „ciclul de oscilație” în acel punct.

Ideea genială a lui Heisenberg din 1925 a fost să înlocuiască aceste numere clasice cu ceea ce Dirac avea să numească ulterior numere q(uantice). 

Numerele q sunt tabele de numere, reprezentate matematic prin obiecte numite matrici. Motivația fizică pentru introducerea lor a fost faptul că, atunci când investigăm atomii, aceștia emit fotoni, iar noi măsurăm intensitățile și frecvențele acestor fotoni. Aceste intensități (care sunt amplitudini la pătrat) și frecvențe (care determină faza luminii) apar doar în seturi discrete atunci când un electron face o tranziție de pe un orbital pe altul. Astfel, Heisenberg, puternic influențat de filosofia pozitivistă, a considerat că ar trebui să eliminăm lucrurile pe care nu le măsurăm direct, precum traiectoria electronului în interiorul atomului, și să păstrăm doar entitățile observabile, care sunt colecții de numere ce caracterizează toate tranzițiile posibile din atom.

Această intuiție s-a dovedit, în cele din urmă, corectă. Procedura pe care o numim „cuantificare” înseamnă pur și simplu „promovarea” tuturor numerelor c relevante (adică a numerelor reale obișnuite) asociate poziției, impulsului, amplitudinii, fazei și așa mai departe, la statutul de numere q. 

Consecința cea mai uimitoare a acestui pas este că ordinea în care aceste mărimi sunt înmulțite devine importantă: poziția înmulțită cu impulsul nu este același lucru cu impulsul înmulțit cu poziția în lumea cuantică. 

Putem vorbi în continuare despre poziția unui electron și despre mișcarea sa, dar nu mai putem concepe electronii ca deplasându-se pe traiectorii clasice bine definite și continue. 

Din punct de vedere fizic, aceasta este baza principiului incertitudinii al lui Heisenberg și implică faptul că poziția și impulsul nu pot fi specificate cu o precizie arbitrară. 

Același lucru este valabil și pentru faza și amplitudinea unei unde: cu cât știm mai bine înălțimea undei, cu atât știm mai puțin cât de mult a avansat ea în ciclu.

Vlatko Vedral susține existența unei realități susținute de toate aceste numere q, care se comportă dinamic ca niște unde. Aceasta înseamnă pur și simplu că ele oscilează în timp și spațiu, așa cum fac undele, adică, formal, satisfac o ecuație de undă. Ele interacționează unele cu altele, iar din aceste interacțiuni rezultă orice fenomen complex: emisia de fotoni de către un atom, formarea moleculelor, respingerea sarcinilor de același semn, existența solidelor, lichidelor și gazelor sau a orice altceva – toate fac parte (până acum) din acest tablou. Caracteristica sa cheie este presupunerea că totul în univers este alcătuit din aceleași unde q care interacționează. Interpretarea aceasta a mecanicii cuantice ar fi astfel completă.

Consecințele care, cred autorul, fac superioară această interpretare majorității celorlalte interpretări:
- nu există o problemă a măsurării. Dacă totul este alcătuit din numere q, atunci o măsurare cuantică este doar formarea unei corelări cuantice între două sisteme cuantice. Inseparabilitatea cuantică este o corelație între numerele q ale două sisteme, astfel încât ambele ar furniza aceleași rezultate dacă ar fi măsurate aceleași numere q corespunzătoare. Această corelație cuantică se stabilește pur și simplu printr-o interacțiune între cele două sisteme, de exemplu interacțiunea dintre sarcini electrice prin intermediul forței electromagnetice (fiecare fiind o colecție de unde cuantificate prin numere q).
Și noi suntem o colecție de unde q. Atunci când undele noastre q se corelează cu undele q ale sistemului observat, rezultatele apar sub forma numerelor c obișnuite. Deoarece corelațiile cuantice dintre undele q dau naștere proprietăților clasice, lumea clasică își datorează, de fapt, existența inseparabilității cuantice. În fizica cuantică, chiar și o coliziune între două particule este descrisă ca o interacțiune între două unde q. Acest tip de descriere constituie cea mai precisă relatare a tuturor fenomenelor naturale, numită teoria câmpurilor cuantice. O particulă, în această teorie, nu este o entitate fundamentală, ci doar o configurație stabilă a undei q subiacente (sau o singură excitație a câmpului cuantic, în limbajul mai formal al teoriei câmpurilor cuantice).
Deoarece totul este cuantic, nu există niciun rol special sau necesar pentru observatori, spre deosebire de „interpretarea Copenhaga” și de QBism. Inseparabilitatea cuantică este o proprietate complet simetrică a sistemelor cuplate cuantic, iar observatorii și ceea ce este obsevat își pot schimba locurile fără nicio consecință: un atom ne „observă” pe noi la fel de mult cum îl observăm noi pe atom. Atât interpretarea cu variabile ascunse, cât și cea a Multiversului ar fi de acord cu lipsa necesității observatorilor. O consecință imediată este că nu există discontinuități sau „salturi cuantice” cauzate de măsurări. Evoluția dinamică este întotdeauna netedă, deoarece nu există o graniță artificială între lumea cuantică și cea clasică.
- în al doilea rând, putem păstra noțiunea de „localitate” (caracteristica de a fi „local”), care ne-a servit atât de bine în fizica clasică (mai precis, în teoria clasică a câmpurilor). Numerele q dintr-o anumită locație nu pot fi modificate prin schimbarea numerelor q dintr-o altă locație. Nu există nicio acțiune stranie la distanță într-un univers în care totul este alcătuit din unde cuantice. Acest lucru este valabil chiar și pentru inseparabilitatea cuantică, unde particulele devin supercorelate: nici măcar particulele cuplate cuantic nu se pot influența instantaneu. Descrierea inseparabilității cuantice în termenii undelor q este următoarea: numerele q ale particulelor devin cuplate cuantic prin interacțiunea lor, iar apoi, atunci când interacționăm cu una dintre particule, propriile noastre numere q se corelează cu numerele q ale acelei particule. Dar, esențial pentru conceptul de „localitate”, nu apare nicio schimbare în numerele q ale celeilalte particule până când nu interacționăm direct și cu ea. În contrast, interpretarea cu variabile ascunse, care păstrează o realitate bazată pe numere c, poate face acest lucru doar introducând acțiunea stranie la distanță pentru a explica inseparabilitatea cuantică și observațiile noastre asupra particulelor inseparabile. QB-iștii, probabil, nu se preocupă de această problemă, deoarece totul se petrece în mințile observatorilor (și este, prin urmare, întotdeauna local). Interpretarea universurilor multiple ar trebui, de asemenea, considerată locală, deși unii dintre susținătorii săi afirmă contrariul.
- în al treilea rând, toate simetriile pe care le considerăm importante – precum legile conservării energiei și impulsului, precum și principiul echivalenței din relativitatea generală – pot fi formulate în cadrul unui univers complet bazat pe numere q, fără nicio inconsistență. În interpretarea Copenhaga, unde observatorii sunt clasici, energia și impulsul sunt conservate doar „în medie”. Uneori o măsurare ne poate da mai multă energie, alteori mai puțină, iar abia pe termen lung, când facem media tuturor rezultatelor măsurărilor, obținem aceeași cantitate ca la început. QBismul și interpretările cu variabile ascunse par să aibă aceeași problemă de a nu putea conserva mărimile exact. Până în prezent, niciun experiment nu a detectat vreo încălcare a legilor de conservare, ceea ce reprezintă un alt argument în favoarea undelor cuantice.

Toate paradoxurile aparente din fizica cuantică (aparente, deoarece nu există paradoxuri reale), fie sunt legate de problema măsurării, de inseparabilitatea cuantică sau de incertitudinea lui Heisenberg, apar doar pentru că nu tratăm totul pe picior de egalitate, în termenii numerelor q. Dacă există un element radical în viziunea autorului, acesta este următorul: sugerează eliminarea din fizică a tuturor noțiunilor clasice. De aceea „interpretarea universurilor multiple” este insuficientă, deoarece însăși noțiunea de „lume” este o relicvă a fizicii clasice. Este mai potrivit să spunem că există o singură lume, dar că ea este cuantică în întregime. Universul cuantic nu este doar o superpoziție de universuri clasice (deși și aceasta este o stare cuantică posibilă) – el conține infinit mai multe posibilități. Ne permite chiar să recombinăm (să interferăm cuantic) unele „lumi” și să le contopim într-una singură (acest procedeu este esențial pentru calculul cuantic, deoarece nu are niciun sens să obținem rezultatul corect într-un alt univers).

Ceea ce întărește încrederea în imaginea undelor-q este progresul experimental din ultimii 30 de ani. Am extins fizica cuantică din domeniul microscopic inițial al atomilor și particulelor subatomice către domeniul obiectelor mari, precum circuitele electrice, și am arătat că trăsăturile cuantice persistă și acolo. Premiul Nobel pentru fizică din acest an este o nouă dovadă în acest sens, fiind acordat unui număr de trei cercetători care au demonstrat că și curenții electrici pot exista în superpoziții, încălcând astfel legile clasice ale lui Kirchhoff. Realitatea bazată pe numere q va continua să ne inspire să testăm și alte regiuni ale universului (gravitația fiind ultimul bastion rămas al clasicității, dar, probabil, nu pentru mult timp), precum și să înțelegem mai bine procesele din chimie și biologie. Și deja se speculează că și conștiința ar putea să își aibă originea în mecanica cuantică…

Vlatko Vedral consideră că implicațiile filosofice ale acestei perspective sunt remarcabile. Unele interpretări, precum QBismul sau chiar interpretarea Copenhaga, au o tentă idealistă, în sensul că toate acțiunile importante au loc în mințile observatorilor. Uneori auzim afirmații potrivit cărora actul observației creează realitatea. Aceasta ar face ca fizica cuantică să ofere sprijin filosofiei idealismului, conform căreia un copac care cade într-o pădure nu produce niciun sunet dacă nu este nimeni acolo să-l audă. 

În opoziție cu această idee, interpretarea „totul este undă cuantică”, asemenea interpretărilor cu variabile ascunse și a multiversului, este una realistă. Numerele q există întotdeauna. Ele se schimbă în timp, se cuplează cuantic unele cu altele, dar nu pot fi nici create, nici distruse; ele pur și simplu sunt. 

Aeasta este, așadar, o frumoasă unificare a tuturor fenomenelor fizice cunoscute până acum, care, în același timp, nu ne obligă să renunțăm la ideea unei realități independente. Dacă această intepretare va rezistan timpului, doar experimentele viitoare ne vor putea spune.