Mecanica cuantică – o teorie plină de mistere

Joi, 5 mai 2011, la un restaurant în Trastevere la Roma, la o cină între cercetătorii care se ocupă de mecanica cuantică, veniţi la Roma pentru un Congres legat de interpretarea mecanicii cuantice, se putea asista la următoarea discuţie.

„Ce ai prefera să fii, o fiinţă reală, în carne şi oase, care însă suferă şi are o viaţă grea, sau o creatură simulată pe un calculator cuantic, fericită şi cu o viaţă minunată? Evident, simularea ar fi perfectă – adică nu ţi-ai da seama că eşti o simulare”.
Câte discuţii, câte opinii, între fizică şi filozofie. Discuţii aprinse, pasionate, pline de idei pe care nu le găsit nici măcar în romanele ştiinţifico-fantastice.

Clienţii de la celelalte mese ne priveau amuzaţi, crezând probabil că am băut cam mult. Aceste discuţii, împreună cu multe altele, chiar mai bizare, sunt însă la ordinea zilei în cadrul comunităţii fizicienilor, a cercetătorilor care se ocupă de mecanica cuantică, atât teoreticieni cât şi experimentatori. Vă voi povesti pe scurt în acest articol câteva dintre aceste mistere bizare, lămurirea cărora este însă necesară pentru a înţelege mai bine lumea în care trăim.

În perioada 5-7 mai 2011 a avut loc la Roma, în Trastevere, un Congres Internaţional (Entanglement, Quantum Information and the Quantum-To-Classical Transition) dedicat celor mai spinoase şi interesante subiecte din cadrul mecanicii cuantice.
Congresul a fost organizat de către faimoasa Accademia Nazionale dei Lincei, cea mai veche academie ştiinţifică din lume, care a luat naştere în 1603, şi are sediul la Palazzo Corsini, o splendid edificiu din Roma; această Academie a fost cea care l-a avut în rândurile sale pe nimeni altul decât Galileo Galiei, fondatorul ştiintei moderne.
În cadrul Congresului au fost dezbătute probleme legate de misterele mecanicii cuantice. Bazele mecanicii cuantice au fost puse acum mai bine de 100 de ani de către Max Planck, care a reuşit să explice aşa-numită radiaţie a corpului negru introducând „pachete” de energie – „quantum”.
Planck însuşi a recunoscut că introducerea acestor cuante de energie a fost un act de disperare. De atunci au trecut mai bine de 100 de ani şi mecanica cuantică a evoluat enorm. Printre altele, a produs toată electronică bazată pe siliciu, la baza căreia stă înţelegerea atomilor şi a materiei ce ne înconjoară cu ajutorul acestei teorii.
Mecanica cuantică are la bază o formulare matematică extrem de solidă, care funcţionează foarte bine pentru descrierea proceselor ce ne înconjoară.
Interpretarea mecanicii cuantice este însă o problemă spinoasă, care nu a fost încă rezolvată. Einstein şi Bohr, figuri reprezentative ale noii teorii, au avut discuţii aprinse mai bine de 40 de ani pe marginea interpretării noii teorii. Einstein credea că mecanica cuantică nu poate să fie teoria finală (mecanica cuantică fiind incompletă după părerea lui), în timp ce Bohr susţinea că mecanica cuantică descrie lumea ce ne înconjoară foarte bine şi că realitatea este chiar aşa cum este descrisă – nu trebuie să căutam o interpretare deterministică completă în spatele actualei teorii.
Au rămas faimoase cuvintele lui Einstein care nu credea că Dumnezeu joacă zaruri, referindu-se la procesele care sunt descrise de mecanica cuantică prin probabilitate şi nu în mod deterministic, şi răspunsul lui Bohr care îl sfătuia pe Einstein să nu-i mai spună lui Dumnezeu ce să facă şi ce nu.
Au trecut de atunci aproape 100 de ani şi încă se mai discută aprins despre interpretarea mecanicii cuantice. Ce anume înseamnă această teorie?
Pisica lui Schrodinger, o pisică nici vie, dar nici moartă – este unul dintre subiectele cele mai dezbătute; fizicienii încearcă să genereze în laborator aşa-numite „pisici ale lui Schrodinger”, agregate de particule sau fotoni, pe care să le studieze.
Însă. aşa cum sublinia unul dintre participanţii la acest Congres, faptul că o pisica reală este în stare să facă „miau”, adică că este vie, are vreun efect? Proprietatea cuantică de „entanglement” (un fel de înfrăţire a particulelor care au interacţionat) permite să se efectueze studii asupra calculatoarelor cuantice sau asupra teletransportului. S-a realizat la Viena interferenţa moleculelor complexe ce conţin sute de atomi – şi se încearcă interferenţa celulelor vii (un fel de mini-pisici ale lui Schrodinger).
Autoarea articolului conduce un grup de cercetători care efectuează un experiment în laboratorul subteran de la Gran Sasso, ce studiază o posibilă contrazicere a unuia dintre principiile mecanicii cuantice: principiul de excluziune al lui Pauli, cel care ne spune de exemplu cum se aşază electronii pe diverse orbite în cadrul atomilor. Ce s-ar întâmpla dacă acest principiu ar fi încălcat? Există anumite teorii care ar putea permite încălcarea acestui principiu.
Ce rol are mecanica cuantică în cadrul materiei vii? Ar putea să aibe un rol în funcţionarea creierului? Sunt fizicieni care spun că da, la nivelul neuronilor de exemplu – ba chiar cei care susţin că ar avea un rol în generarea acestei proprietăţi unice care este conştiinţa (care ar lua naştere prin efecte de coerenţă în cadrul creierului).
Care este mecanismul care produce aşa-numitul colaps al funcţiei de undă – cel care ne duce la un fel de „alegere” a unei soluţii dintre multele soluţii posibile în cadrul mecanicii cuantice şi care co-există în cadrul funcţiei de undă (elementul fundamental cu care descriem procesele în cadrul acestei teorii)? Soluţia nu este banală şi se discută aprins de fiecare dată legat de această problemă – ar putea să existe o teorie care include actuala mecanică cuantică ca un caz limită.
Teorie în cadrul căreia răspunsul ar fi evident. Sau ar putea exista aşa-numitele lumi paralele, în fiecare realizându-se una dintre soluţii. Există, ce-i drept puţini, şi cei care susţin următoarea: conştiinţa are un rol în colapsarea funcţiei de undă…. Apoi sunt Bohmianii, cei care susţin că există atât particule cât şi unde care le poartă prin spaţiu precum undele oceanelor îi îndrumă pe surfişti. Ce rol joacă gravitaţia? Această interacţiune pentru care încă nu există o versiunea cuantică acceptată de toată lumea (chiar dacă există încercări extrem de interesante – precum teoria corzilor – String Theory, în cadrul căreia însă Universul are un număr de dimensiuni spaţiale mult mai mare decât cele trei pe care le percepem).
Şi ca să revenim la discuţia de la începutul articolului – realitatea ar putea să fie doar informaţie! Un enorm calculator cuantic care ar fi o „fabrică a realităţii”. Deci am fi mai degrabă Lara Croft (cea din jocurile pe calculator) decât Marilyn Monroe… Voi, dragi cititori, ce aţi alege, legat de întrebarea de la început?
Mecanica cuantică este încă plină de mistere – unul mai fascinant decât altul; studiul acestora precum şi metodele dezvoltate pentru a le studia vor duce la o înţelegere mai profundă a lumii ce ne înconjoară şi la dezvoltarea unor noi tehnologii care ne-ar putea îmbunătăţi viaţa.

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi colaborator al Scientia.ro. Autoarea multumeşte pentru colaborare dnei Diana Sirghi.

Sursa: Cristina