Albert Einstein era foarte tulburat de ideea că Universul manifestă un caracter aleatoriu intrinsec. El avea o neîncredere profundă în mecanica cuantică, setul de reguli care descriu cum se comportă particulele - aparent la întâmplare - la cea mai mică scară. Într-o scrisoare din 1926 pe această temă către colegul lui fizician Max Born, Einstein a scris într-un protest devenit faimos "Dumnezeu nu joacă zaruri".
Mecanica cuantică a subminat viziunea lui Einstein despre legi ale naturii elegante şi deterministe. În 1935 s-a alăturat altor 2 oameni de ştiinţă ca să dezaprobe unul dintre principiile acesteia - principiul de incertitudine al lui Heisenberg - care arată că este imposibil să cunoaştem simultan poziţia exactă şi viteza exactă a unei particule.
Dar, din nefericire pentru Einstein, numeroasele lui încercări de a "curăţa" mecanica cuantică au fost în zadar. Decenii de cercetare în fizică arată că natura, la cel mai fundamental nivel, pare să fie guvernată de hazard.
În loc să se războiască cu acest element de incertitudine, oamenii de ştiinţă - împreună cu economişti, meteorologi şi proprietari de cazinouri - au creat modele statistice pentru a prezice comportarea particulelor, stocurilor, furtunilor şi clienţilor la o masă de blackjack. Ei nu pot prevedea cu exactitate ceea ce se va întâmpla, dar pot trasa probabilitatea diferitelor situaţii şi să dezvolte o idee generală referitoare la ce se pot aştepta. De exemplu, un proprietar de cazinou nu ştie exact câţi bani va lua un anume client de la o masă de blackjack. Dar, mulţumită modelării statistice, el sau ea ştie sumele medii şi apoi foloseşte această informaţie pentru a-şi asigura un profit stabil.
Fizicienii fac ceva similar pentru a prezice posibilele rezultate experimentale. Ei derulează simulări. Ca o recunoaştere a rolului pe care acest tip de modelare îl joacă în economia cazinourilor ei l-au numit "simulare Monte Carlo", după numele faimosului cazinou din Monaco.
Simulările Monte Carlo fac predicţii despre fenomene fizice, bazate pe tot ceea ce ştiu oamenii de ştiinţă, atât despre setările experimentale, cât şi despre cum funcţionează fizica particulelor. Simulările ajută experimentatorii să-şi conceapă detectoarele si să înţeleagă datele culese de acestea, iar pe teoreticieni îi ajută să facă predicţii. Compararea predicţiilor cu rezultatele experimentale poate spune fizicienilor dacă teoriile lor sunt corecte. Orice abateri pot furniza indicii că poate au descoprit ceva nou.
Astăzi simulările Monte Carlo joacă un rol vital în orice domeniu care foloseşte statistici pentru a face predicţii - incluzând finanţele, managementul riscului, computerele, ingineria, meteorologia, baseballul, jocurile video şi ştiinţele politice. De exemplu, analiştii sportivi folosesc medii ale pariurilor şi statistici ale jucătorilor pentru a simula sute de meciuri de baseball şi a prezice cum îi va merge fiecărei echipe pe durata sezonului.
Simulările Monte Carlo sunt, de asemenea, un instrument necesar pentru conducerea experimentelor de la Large Hadron Collider (Marele Accelerator de Particule). Deoarece este imposibil să prezici exact cum se va comporta orice particulă dată într-o ciocnire de mare energie, cercetătorii de la LHC folosesc statistici pentru interpretarea atât a rezultatelor lor experimentale, cât şi a rezultatelor simulărilor Monte Carlo. Ei creează programe pentru calculator care iau în considerare toate variabilele unui experiment şi le derulează odată şi încă odată pentru a determina toate rezultatele posibile.
"Particulele se comportă cu un element de hazard", spune Oliver Gutsche, fizician de la Fermilab în cadrul experimentului CMS, unul din cele două experimente cu caracter general de la LHC. "Trebuie să derulezi experimentul de milioane de ori pentru a vedea clar ce tendinţe rezultă. Simulările Monte Carlo lucrează la fel, cu excepţia faptului că în loc să derulezi un experiment, noi simulăm rezultatele bazându-ne pe fizica pe care o cunoaştem."
Prin derularea virtuală de milioane de ori a experimentului în simularea Monte Carlo, fizicienii pot prezice probabilitatea diferitelor rezultate sub condiţii diferite.
Găsirea unui nou fenomen fizic este ca şi "adulmecarea" unui jucător card-counter (care contabilizează cărţile) într-un joc de blackjack cu miză mare. Dacă rezultatele se abat de la predicţii, fie modelul statistic conţine o eroare, fie jucătorul nu joacă după reguli. În cazul fizicii particulelor asta ar putea însemna că regulile sunt greşite.
"Datele ne arată cum se potrivesc predicţiile cu realitatea", spune cercetătorul Daniel Elvira de la Fermilab, membru al experimentului CMS şi şef al departamentului de simulări ştiinţifice computerizate laboratorului. "Atunci când ele diferă, lucrurile devin interesante".
Cel mai interesant exemplu recent de folosire a simulărilor Monte Carlo pentru descoperirea a ceva nou au avut loc în 2012, când cercetătorii de la experimentele CMS şi ATLAS au verificat predicţiile lor teoretice cu datele experimentale obţinute în căutarea bosonului Higgs.
"Am găsit bosonul Higgs deoarece am văzut un semnal rezultând din datele experimentale", spune Gutsche. "Semnalul era în concordanţă cu predictille noastre Monte Carlo pentru un boson Higgs în cadrul Modelului Standard cu o masă de 125 miliarde electronvolţi".
În ciuda antipatiei lui Einstein, hazardul joacă un rol nu numai în mecanica cuantică, ci îi şi ajută pe oamenii de ştiinţă să prezică rezultate, să conceapă detectoare şi să facă descoperiri.
Traducere de Marian Stănică după physicists-harness-the-power-of-probability, cu acordul autorului.
