Un nou paradox cuantic pune sub semnul întrebării ceea ce considerăm a fi fundaţia realităţii empirice

Dacă un copac cade într-o pădure fără a se afla nicio persoană în preajmă, face el zgomot? Probabil că nu, este răspunsul pe care-l auzim din ce în ce mai mult dinspre fizicienii specializaţi în domeniul cuantic al realităţii, conform unui material publicat vineri de Live Science, pornind de la un studiu coordonat de profesorul Eric Cavalcanti de la Universitatea australiană Griffith şi publicat în revista Nature Physics, în care sunt aduse în discuţie însăşi fundaţiile pe care suntem obişnuiţi că se bazează realitatea empirică: rolul observatorului în modul în care se desfăşoară un eveniment.

De asemenea, dacă în apropiere se află cineva care poate auzi cum cade acel copac, ar părea evident că a făcut zgomot, însă şi această supoziţie trebuie revizuită, conform Live Science.

Fizicienii au descoperit un nou paradox în mecanica cuantică – una dintre cele două teorii ştiinţifice fundamentale despre Univers, alături de Teoria relativităţii formulată de Albert Einstein – care pune sub semnul întrebării unele consideraţii pe care le consideram „de bun simţ” despre realitatea înconjurătoare.

Mecanica cuantică vs. simţul comun

Să examinăm aceste trei afirmaţii intuitive: (1) Când cineva observă un eveniment, respectivul eveniment chiar se întâmplă; (2) Este posibil să faci alegeri libere sau cel puţin, alegeri aleatoare din punct de vedere statistic; şi (3) O alegere făcută într-un anumit loc poate influenţa în mod instantaneu un eveniment ce se produce la distanţă (fizicienii îi spun principiul „locaţiei” sau poziţiei)

Toate aceste afirmaţii sunt de fapt doar nişte idei intuitive şi marea majoritate a oamenilor, inclusiv fizicienii, au încredere în valoarea lor de adevăr. Însă noul studiu publicat în revista Nature Physics arată că aceste trei afirmaţii nu pot fi toate adevărate – caz în care ar fi infirmate principii de bază ale mecanicii cuantice.

Acesta este cel mai puternic rezultat obţinut până în prezent într-o lungă serie de experimente şi descoperiri din mecanica cuantică, descoperiri care ne schimbă percepţia asupra realităţii. Dar pentru a înţelege de ce este atât de important, să ne întoarcem la istorie.

Bătălia pentru realitate

Mecanica cuantică funcţionează foarte bine pentru a descrie comportamentul celor mai mici obiecte, atomi sau particule de lumină (fotoni). Însă acest comportament poate fi… foarte ciudat.

În numeroase cazuri, teoria cuantică nu oferă răspunsuri definitive la întrebări cum ar fi: „unde se află această particulă în acest moment?”. În schimb, oferă probabilităţi cu privire la locul unde ar putea fi identificată respectiva particulă atunci când este observată.

Pentru Niels Bohr, unul dintre părinţii mecanicii cuantice de acum un secol, acest lucru nu este legat de insuficienţa informaţiilor despre un anumit eveniment fizic ci pentru că proprietăţile fizice, aşa cum este „locaţia”, nu există până nu sunt măsurate.

Mai mult decât atât, pentru că anumite proprietăţi ale unei particule nu pot fi observate perfect în mod simultan – cum ar fi poziţia şi viteza – ele nu pot fi reale în mod simultan.

Lui Albert Einstein această idee i s-a părut de neconceput. Într-un articol din 1935, semnat alături de alţi doi mari fizicieni teoreticieni din epocă, Boris Podolsky şi Nathan Rosen, Einstein susţinea că realitatea trebuie să însemne mai mult decât fenomenologia ce poate fi descrisă de mecanica cuantică.

Articolul făcea referire la o pereche de particule aflate la mare distanţă una de alta, dar aflate într-o stare specială de „inseparabilitate cuantică”. Atunci când una dintre proprietăţile unei particule (de exemplu poziţia sau viteza) este măsurată la ambele particule aflate în această stare de inseparabilitate, rezultatul va fi aleator – dar va exista o corelaţie între rezultatele obţinute cu fiecare dintre cele două particule în parte.

Spre exemplu, un observator care măsoară poziţia primei particule, poate prezice în mod perfect care va fi rezultatul măsurării poziţiei celeilalte particule aflată la distanţă, fără să interacţioneze cu ea. Sau observatorul poate alege să prezică viteza în schimb. Acest lucru ar fi avut o explicaţie naturală, susţinea Einstein şi colegii săi în articol, dacă ambele proprietăţi existau încă dinainte să fie măsurate, în mod contrar interpretării lui Bohr.

Însă în 1964, fizicianul irlandez John Bell demonstra că argumentul lui Einstein nu se susţine dacă se realizează o combinaţie mai complicată de măsurători diferite asupra celor două particule aflate în stare de inseparabilitate cuantică.

Bell a arătat că dacă cei doi observatori aleg în mod aleator şi independent unul de altul între a măsura una sau alta dintre proprietăţile particulelor lor, cum ar fi poziţia şi viteza, media rezultatelor obţinute nu poate fi explicată de nicio teorie în care aceste proprietăţi, viteza şi poziţia, ar fi avut o existenţă predeterminată.

Acest lucru pare incredibil, însă experimentele au demonstrat clar că aceste corelaţii de care vorbea Bell se produc într-adevăr. Pentru numeroşi fizicieni aceasta este dovada că Bohr avea dreptate: proprietăţile fizice ale obiectelor nu există înainte de a fi măsurate. Evident că acest lucru ridică întrebarea: de ce „măsurătoarea” este atât de specială?

Observatorul, observat

În 1961 fizicianul teoretician ungaro-american Eugene Wigner a conceput un experiment de gândire pentru a arăta ce este atât de complicat cu ideea de măsurare.

El a propus o situaţie în care prietenul său intră într-un laborator perfect izolat şi desfăşoară o măsurătoare asupra unei particule cuantice – să spunem că alege să-i măsoare poziţia. Wigner a observat că dacă aplică ecuaţiile mecanicii cuantice pentru a descrie această situaţie din exterior, rezultatul este foarte diferit. În loc ca măsurătoarea aplicată de prietenul său să transforme în realitate una dintre poziţiile potenţiale ale particulei, din perspectiva lui Wigner, prietenul său a intrat într-o stare de inseparabilitate cu particula şi a fost la rândul său „infectat” de incertitudinea cuantică ce o înconjoară.

Acest experiment de gândire este similar celui propus de Schrödinger, cu faimoasa sa pisică – experiment în care soarta pisicii din cutie devine inseparabilă în relaţie cu un eveniment cuantic aleator.

Pentru Wigner, aceasta a fost o concluzie absurdă. În schimb, el credea că odată ce conştiinţa unui observator este implicată, starea de inseparabilitate cuantică se prăbuşeşte, iar observaţiile prietenului său devin definitive. Dar dacă Wigner se înşela?

Noul experiment

În nou experiment de gândire propus de profesorul Eric Cavalcanti şi colegii săi s-a construit o versiune extinsă a „paradoxului prietenului lui Wigner”, versiune propusă pentru prima oară de profesorul Časlav Brukner de la Universitatea din Viena. În acest nou scenariu sunt implicaţi doi fizicieni – să le spunem Alice şi Bob – fiecare dintre ei cu câte un prieten în două laboratoare aflate la mare distanţă (Charlie şi Debbie).

În noua variantă de experiment, Charlie şi Debbie măsoară o pereche de particule aflate în stare de inseparabilitate cuantică, la fel ca în experimentele lui Bell.

La fel cum susţinea Wigner, ecuaţiile mecanicii cuantice ne spun că Charlie şi Debbie ar trebui să intre la rândul lor în stare de inseparabilitate cu particulele pe care le observă. Însă pentru că aceste particule erau deja în stare de inseparabilitate una faţă de cealaltă, teoretic, şi între Charlie şi Debbie ar trebui să apară o astfel de inseparabilitate. Dar ce ar implica acest lucru din punct de vedere experimental?

În noul experiment teoretic propus de Cavalcanti, prietenii intră în laboratoarele lor pentru a măsura particulele ce le-au fost atribuite. La un moment ulterior, Alice şi Bob aruncă fiecare cu o monedă. Dacă pică partea cu efigia, ei deschid uşa şi îşi întreabă prietenul ce a văzut. Dacă pică faţa cu valoarea monedei, cercetătorii vor opera o măsurătoare diferită.

Această măsurătoare diferită are mereu un rezultat pozitiv pentru Alice, dacă Charlie este în stare de inseparabilitate cuantică cu particula pe care o observă, în modul formulat de Wigner. La fel pentru Bob şi Debbie.

Însă, prin modul în care se desfăşoară acest experiment, nicio informaţie despre observaţiile desfăşurate în interiorul laboratoarelor nu ajunge în exterior. Charlie sau Debbie nici măcar nu-şi vor mai aminti ce au observat în interiorul laboratorului, ca şi când s-ar trezi dintr-o anestezie generală.

Dacă cele trei afirmaţii intuitive de la începutul acestui articol sunt corecte, fiecare dintre prieteni a fost martorul unui rezultat real şi unic obţinut prin măsurătoare în laborator, independent de decizia ulterioară luată de Alice şi de Charlie de a deschide sau nu uşa laboratorului. De asemenea, ceea ce au văzut Alice şi Charlie ar trebui să nu depindă de modul în care a căzut moneda aruncată de Bob şi invers.

În noul experiment se arată că dacă lucrurile ar fi stat aşa, ar apărea nişte limite ale corelaţiilor pe care Alice şi Bob s-ar aştepta să le observe între rezultatele pe care fiecare le-a obţinut. De asemenea, acest experiment a mai arătat că mecanica cuantică prezice că Alice şi Bob vor vedea corelaţii care depăşesc aceste limite.

S-ar putea ca acest tip de experiment să nu poată fi niciodată organizat practic, cu oameni în carne şi oase, dar, crede Cavalcanti, într-o zi ar putea fi posibilă o demonstraţie concludentă dacă „prietenul” va fi un sistem de inteligenţă artificială (AI) de nivel uman care să opereze dintr-un puternic computer cuantic.

Ce înseamnă toate acestea?

Deşi ar putea să mai treacă zeci de ani până se va ajunge la un experiment cu adevărat concludent, dacă predicţiile mecanicii cuantice continuă să reziste, acest lucru are implicaţii puternice pentru modul în care înţelegem realitatea – chiar mai mult decât corelaţiile lui Bell. Spre exemplu, corelaţiile pe care le-au descoperit fizicienii nu pot fi explicate doar prin faptul că proprietăţile fizice nu există până în momentul în care sunt măsurate.

Conform lui Cavalcanti, rezultatele obţinute îi obligă pe fizicieni să se confrunte în mod direct cu problema măsurătorii: fie experimentul nu poate fi extins, iar mecanica cuantică trebuie să facă loc aşa-numitei „teorii a colapsului obiectiv”, sau una dintre cele trei afirmaţii „de bun simţ” făcute la început trebuie respinsă.

Există şi unele teorii, precum teoria Broglie-Bohm, care postulează „acţiunea la distanţă”, în care acţiunile pot avea în mod instantaneu efecte în alte părţi ale Universului. Însă acestea sunt în conflict deschis cu teoria relativităţii.

Alţii se află în căutare de argumente pentru o teorie care să respingă complet libertatea de alegere, dar o astfel de teorie are nevoie de o cauzalitate inversă, sau de o formă de-a dreptul conspirativă de fatalism denumită „superdeterminism”.

O altă modalitate de a rezolva conflictul ar fi o revizuire a teoriei lui Einstein care ar trebui să devină chiar şi mai „relativă”. Pentru Einstein, observatori diferiţi se pot contrizice cu privire la momentul sau locul unde se produce un eveniment – dar evenimentul în sine este un adevăr absolut.

În unele interpretări, aşa cum este cea a mecanicii cuantice relaţionale, QBism, sau în interpretarea universurilor paralele, evenimentele în sine se pot produce doar în relaţie cu unul sau mai mulţi observatori. Un copac căzut observat de cineva, ar putea să nu fie o realitate pentru ceilalţi. Toate acestea nu implică faptul că ne putem alege singuri realitatea. În primul rând, putem alege ce întrebări să punem, însă răspunsurile sunt oferite de lumea înconjurătoare. Şi chiar într-o lume raţională, atunci când doi observatori comunică, realităţile lor devin inseparabile, iar în acest mod apare o realitate comună – adică dacă doi oameni sunt martorii prăbuşirii aceluiaşi copac, iar unul dintre ei spune că nu poate auzi zgomotul făcut de acesta, atunci mai mult ca sigur că are nevoie de aparat auditiv.

Sursa: Agerpres