Momentul cuantic

Momentul cuantic

 Autor: Robert P. CREASE & Alfred Scharff GOLDHABER  Categorii: Non-ficțiune, Știință  Editor: Litera  Publicată: 2020  ISBN: 978-606-33-6263-7  Pagini: 464  Țară: România  Limbă: română  Dimensiuni: 110x165  Etichete: Popularizare știință More Details
 Recenzumat:

Recenzumat

Recenzie

Deși în esență este o carte de popularizare a științei, datorită caracterului său istoric, lucrarea are ritmul unui roman. Pe scenă apar nu doar noțiunile științifice (a căror prezentare e menținută totuși la un nivel minimal), ci și eroii: oamenii de știință, cu personalitățile și caracteristicile lor individuale, cu modul lor de lucru. Și apar conflicte, opinii contrare, lupte de idei. Și toate astea, alături de noțiunile științifice prezentate, ne oferă un adevărat spectacol care face la lumea savanților să nu ni se (mai) pară una aridă, ci pulsând de viață, suculentă și atractivă. Mai mult, contribuția filosofului (Robert Crease) este cea care umanizează mult prezentarea unei tematici atât de specifice rarefiatei lumi a fizicii teoretice. Capitolele dedicate introducerii în limbajul cotidian a noțiunilor specifice fizicii cuantice, cu exemplele din lumea artei și ale lingvisticii sunt un adevărat deliciu.

Filosoful Robert P. Crease și fizicianul Alfred Scharff Goldhaber reiau o poveste absolut fascinantă: cea a modului in care cuantica a făcut saltul din lumea fizicienilor spre cultura populară! Înțelegerea și aprecierea imagisticii cuantice, folosirea ei în moduri justificate, eliminându-le pe cele abuzive, fac parte din ceea ce ar trebui să însemne a fi un om educat în secolul XXI. Rezultatul colaborării filosofului cu fizicianul s-a concretizat într-o adevărată sărbătoare a limbajului, la granița dintre fizică și cultură, o sărbătoare ce va fi cu siguranță apreciată de cei atrași de gama variată a ideilor.

Respectând cronologia evenimentelor, cartea pornește de la începuturile teoriei cuantice și duce cititorul spre culmile implicațiilor sale filosofice majore – un drum uimitor, cu o priveliște fascinantă. contrar unor tentative de a lega lumea cuantică de misticism, autorii arată spre altă direcție: pentru ei, mecanica cuantică a acționat ca un apel deșteptător care a scos umanitatea din iluzia unui determinism perfect și din previzibilitatea matematică ce a modelat universul newtonian vreme de două secole și jumătate.

Rezumat

Lesne de intuit, scrisă de un filosof (Robert P. Crease) și un fizician (Alfred Scharff Goldhaber), cartea se încadrează printre cele dedicate popularizării științei. Un pic surprinzător, cartea e lipsită de un cuprins, cel pe care încerc să-l structurez aici:

  • Introducere
  • 1. Momentul newtonian
  • Interludiu: Marele plan
  • 2. O lume în pixeli
  • Interludiu: Max Plank ne prezintă cuanta
  • 3. Salturi cuantice
  • Interludiu: Niels Bohr se folosește de salturi cuantice pentru a justifica funcționarea atomilor
  • 4. Întâmplarea
  • Interludiu: Albert Einstein arată cum joacă Dumnezeu barbut
  • 5. Problema identității: un pantof cuantic care nu a căzut
  • Interludiu: Wofgang Pauli și principiul excluziunii, Satyendra Bose și bosonii
  • 6. Rechini și tigri: schizofrenie
  • Interludiu: Harta lui Ervin Schrödinger/Harta lui Werner Heisenberg
  • 7. Incertitudinea
  • Interludiu: Principiul incertitudinii
  • 8. Realitatea fracturată: Cubism și complementaritate
  • Interludiu: Complementaritate, obiectivitate și experimentul cu fanta dublă
  • 9. Nu joacă barbut!
  • Interludiu: John Bell și teorema sa
  • 10 Pisica lui Schrödinger
  • Interludiu: Război de graniță
  • 11. Vizuina iepurelui: Setea de lumi paralele
  • Interludiu: Multiversuri
  • 12. Salvarea fizicii
  • Concluzie

Momentul cuantic

1900

Cuanta

Origine: explicația radiației corpului negru.
Aplicație metaforică: discreție.

1913÷1914

Salt cuantic

Origine: explicația radiației corpului negru. Aplicație metaforică: discreție.

1916÷1917

Întâmplare

Origine: emisia și absorbția luminii. Aplicație metaforică: ordine din dezordine, haos.

Anii 1920

Dualitatea undă-particulă

Origine: comportamentul fenomenelor cuantice. Aplicație metaforică: schizofrenie.

1927

Principiul incertitudinii

Origine: ΔpΔq ≥ h/2 Aplicație metaforică: imposibilitatea localizării, efectul observatorului, întâmplare, liber arbitru, conștiința afectează realitatea, imposibilitatea descrierii…

1927

Complementaritate

Origine: două trăsături ale unui fenomen (ex. undă și particulă) pot fi necesare, dar se exclud reciproc. Aplicație metaforică: faptul că un fenomen poate avea comportamente paradoxale sau incompatibile, sau arată diferit, în funcție de abordarea observatorului.

1935

Pisica lui Schrödinger

Origine: o glumă ce face haz de faptul că funcția de undă implică ideea că un obiect poate avea o existență nedeterminată până când este „observat”; o critică realistă a interpretării Copenhaga. Aplicație metaforică: o metaforă sau o glumă, uneori sadică, despre existența nedeterminată, sau despre viață și moarte, sau despre comportamentul ciudat al pisicilor.

1957

Lumi paralele

Origine: o interpretare a mecanicii cuantice, opusă Interpretării Copenhaga, în care funcțiile de undă nu se „prăbușesc”; nu e posibilă nici o interacțiune între lumi. Aplicație metaforică: un concept ficțional – sau realitate promisă de șarlatani și șamani – în care lumile paralele există, iar călătoria între ele este posibilă; „Ce ar fi dacă aș fi făcut altceva.”

2004

Multiversuri

Origine: o aplicație a teoriei stringurilor în care fluctuațiile cuantice creează o abundență de „universuri mici” care cresc prin inflație, dar nu se suprapun unele cu altele. Aplicație metaforică: universul nostru este doar unul dintr-un număr nelimitat de universuri.

[bold_timeline_item_button title=”Expand” style=”” shape=”” color=”” size=”inline” url=”#” el_class=”bold_timeline_group_button”]

Momentul newtonian

Deși prin „moment”, în limbajul obișnuit se înțelege o perioadă (scurtă) de timp, fizicienii i-au alocat și o semnificație tehnică, asociată rotației: o forță de răsucire sau de torsiune, sau rezistența unui corp la o astfel de torsiune. Dar, unii istorici i-au mai atribuit un sens: perioada de timp în care s-a conturat o nouă descoperire radicală, sau perioada mai îndelungată în care o astfel de descoperire și-a exercitat efectele în percepția societății umane. Așa se face că putem azi vorbi despre „momentul newtonian” și despre „momentul cuantic”…

Pierre-Simon Laplace (1749÷1827):

Trebuie, prin urmare, să considerăm starea actuală a Universului drept efectul stării sale anterioare și cauza celei ce va urma. Dacă ar exista, timp de o clipă, o inteligență care ar putea să înțeleagă toate forțele prin care natura este animată, împreună cu situația ființelor care o compun – o inteligență suficient de vastă pentru a supune aceste date unei analize –, aceasta ar îmbrăca în aceeași formulă mișcările celor mai mari corpuri din Univers și pe cele ale celui mai ușor atom; pentru această inteligență, nimic nu ar fi nesigur, iar viitorul, ca și trecutul, ar fi prezent în ochii săi.

Înainte apariția noțiunii de cuantă, lumea fizicii newtoniene era bazată pe simplitate și eleganță, fiind o lume complet inteligibilă. Mai mult, era un tot unitar, Pământul și Cerul nefiind separate, ci părți ale unui univers cu spațiu și timp, bazat pe legi unice și uniforme. Acest univers se caracteriza prin omogenitate, iar lucrurile ce-l compuneau aveau identități distincte, aflându-se la un anumit moment, într-un anumit loc. Lumea, ca scenă cosmică, era alcătuită din lucruri supuse acțiunii unor forțe. Lumea newtoniană era sigură, și predictibilă, pentru prima dată în istorie, oamenii putând considera lumea ca fiind consistentă și unitară.

În plus, lumea newtoniană putea fi modelată matematic, înțelegerea ei putând ignora acțiunile umane. Newton a explicat mișcările corpurilor doar în termeni de forțe și mase, în lumea lui singurele lucruri în mișcare fiind masele, iar singurele lucruri ce le pun în mișcare fiind forțele.

Cum era lumea secolului al XVII? Europa însăși era o lume a confruntărilor armate, a terorii și degringoladei. Anglia s-a confruntat cu trei războaie civile doar între 1642 și 1651! Oamenii acelei perioade considerau că lumea funcționa în mod misterios, fiind sub puterea unor forțe oculte ce provocau evenimente enigmatice. Majoritatea populațiilor înțelegeau prea puțin din lume, o lume ce părea un organism supranatural, cu o distincție foarte clară între Cer și Pământ, ce păreau a avea comportamente diferite. Cerul cu eternitatea sa, iar Pământul cu o continuă schimbare ce nu avea explicație.

Transformarea înțelegerii unei astfel de lumi a fost făcută posibilă de către Isaac Newton, un om născut în anul primului război civil englez, de Crăciun. Copil studios, disprețuind distracțiile, își dedica timpul construirii de instalații mecanice. A învățat singur filosofie fizică și matematică, pentru ca în 1665, când Londra a fost lovită de Marea Ciumă, să se retragă la ferma mamei sale, acolo unde, vacanța forțată i-a oferit răgazul unui studiu neîntrerupt ce s-a concretizat în germinarea ulterioarelor lui descoperiri fundamentale din fizică, astronomie, optică și matematică. În același timp, s-a dedicat și unor subiecte mai puțin „științifice” precum alchimia și piatra filosofală.

Una din marile sale realizări a fost calculul infinitezimal, o descriere precisă a situațiilor în care adăugarea sau scăderea a ceva dintr-o cantitate x, indiferent cât de mare sau de mic, are ca rezultat scăderea, respectiv adăugarea a ceva dintr-o altă cantitate. Folosind acest calcul, a elaborat cele trei legi ale mișcării, cele ce au fundamentat viziunea sa despre imaginea lumii ca fiind una unificată, deschisă și inteligibilă, guvernată de forțe total previzibile.

Astfel, lumea expusă de Newton părea o uriașă mașinărie ce nu avea nevoie de Dumnezeu pentru a merge înainte, a cărei funcționare putea fi înțeleasă de oricine. Principala operă a lui Newton, „Principiile matematice ale filosofiei naturale” (1687) a schimbat lumea, a declanșat un „moment istoric”!

Simplitatea, eleganța și inteligibilitatea lumii newtoniene o făceau liniștitoare și frumoasă. Pământul și Cerul nu erau locuri separate alcătuite din lucruri diferite, ci părți ale unui univers, al cărui spațiu, timp și ale cărui legi sunt unice și uniforme, aceleași la orice scară. Universul este, de asemenea, omogen; nu este guvernat de spirite și de fantome care apar și dispar imprevizibil; orice lucru are o identitate distinctă și se află într-un anumit loc, într-un anumit moment. Lucrurile nu se schimbă atingându-și, actualizându-și esența. Lumea este ca o scenă cosmică sau ca o masă de biliard, pe care lucrurile sunt împinse și trase de forțe. Întreg spațiul este la fel și continuu, tote direcțiile sunt comparabile, toate evenimentele au o cauză. A înțelege cum și de ce se schimbă lucrurile înseamnă a înțelege cum se mișcă ele sau părțile lor. Pentru prima dată în istorie, oamenii priveau lumea ca având o reală unitate și consistență – chiar și o logică!

Practic, opera lui Newton oferea răspunsuri la cele trei întrebări filosofice fundamentale pe care le punea (mai târziu) Immanuel Kant: ce putem ști?; cum trebuie să acționăm?; ce putem spera?.

Momentul newtonian a durat cam 250 de ani, până când fizicienii au intrat într-o ambuscadă. Iar ambuscada presupune surpriză. O surpriză apărută din studiul unui domeniu îngust al fizicii, optica! S-a constatat că observațiile din acest domeniu nu pot fi altfel explicate decât prin introducerea unei idei noi și ciudate: cuanta! Acest proces s-a derulat în două faze:

  • 1900 – 1925 noțiunea de cuantă nu părea a-și găsi locul în lumea newtoniană, intrând în conflict cu cele de spațiu, timp și cauzalitate; sigur că, inițial, exista speranța unei căi de a-i găsi cuantei un loc potrivit în elegantul univers newtonian;
  • 1925 – 1927 → speranțele de „îmblânzire” a cuantei s-au spulberat prin introducerea unei teorii noi, botezată mecanica cuantică, diferită fundamental de cea clasică: această teorie avea drept cheie de boltă principiul incertitudinii.

S-a ajuns astfel la acceptarea existenței a două lumi: una „cuantică”, a domeniului microscopic, și cea newtoniană, clasică. Din păcate, părea că cele două teorii păreau a se referi la teritorii complet diferite, guvernate de legi diferite! Unitatea explicării lumii se făcuse țăndări!

Lumea microscopică era un teritoriu nu doar nou, ci și exotic, de-a dreptul magic. Dar îi lipseau eleganța și simplitatea fizicii newtoniene, prezentând – prin contrast –, specificități de-a dreptul supărătoare:

  • diferența dintre scările de mărime (a se vedea ordin de mărime): se aplicau legi diferite în micro-lume și în macro-lume;
  • era lipsită de omogenitate: unele lucruri se prezintă diferit de altele;
  • discontinuitatea: valorile unor proprietăți precum spațiul și timpul nu decurg lin, unele din altele;
  • incertitudinea: unele din proprietățile universului newtonian, precum poziția și momentul cinetic, nu pot fi stabilite concomitent; mai mult, se pune sub semnul întrebării realitatea lor;
  • imprevizibilitatea;
  • dispariția obiectivității: incapacitatea observatorului de a se extrage din anumite tipuri de măsurători; chiar și existența unor proprietăți ale unor fenomene ale microcosmosului păreau a fi condiționate de procesul măsurării lor.

A trecut deja peste un secol, și iată că noi, oamenii, rămânem încă la stadiul de emigranți în Patria Cuanticii, nu am devenit „nativi cuantici”.

Dar există o alternativă: stranietatea să nu țină de lumea cuantică, ci de noi. Lucrurile sunt ciudate doar în contrast cu cele familiare. În cazul în care ceea ce credeam că este familiar s-ar dovedi a fi o fantezie și ar conține presupuneri false – dacă lumea noastră ar fi mai stranie decât credem –, lumea cuantică cu care o comparăm nu ar mai părea atât de sucită.

O lume în pixeli

Așadar, fizicienii ajunseseră să constate că „blânda geometrie a lumii newtoniene, stabilă și atrăgătoare timp de peste două secole, să fie perforată de goluri, inconsistențe, deformări și bule”…

Cel ce a introdus noțiunea de cuantă a fost Max Plank (1858-1947), unul din cei mai conservatori oameni, care, inițial, nu avea nici o intenție de a fi revoluționar. Dimpotrivă, provenind dintr-o familie de preoți și avocați, oameni responsabili, învățând să nu iasă în evidență, a supraviețuit războiului, trecând prin imense drame personale (fiul cel mare i-a fost ucis în Primul Război Mondial, al doilea i-a fost ucis de naziști, iar casa i-a fost distrusă de un bombardament al Aliaților). Domeniul științei l-a atras, ca fiind o lume absolută, ce stătea departe de acțiunile oamenilor, și-i oferea refugiul din amenințătoarea lume înconjurătoare. Concentrându-se inițial pe termodinamică, a ajuns ulterior, ca funcționar public la Biroul German al Standardelor, să se ocupe de radiația corpului negru, pentru a găsi o formulă care să descrie „spectrul normal”. Plank a constata că ar putea elabora o formulă dacă presupunea că materialele absorb și emit lumină selectiv, doar în multipli întregi ai unei cantități de energie numită de el , în care h e o constantă ce-i poartă numele, constanta lui Plank, iar ν, frecvența radiației.

[katex]E=h \nu[/katex]

O presupunere făcută din „pură disperare”, conform spuselor lui Plank, un simplu artificiu matematic făcut cu speranța că ulterior s-ar putea renunța la el, a fost validat după doar cinci ani, de un tânăr angajat la biroul de patente: Albert Einstein, cel care a explicat că energia luminoasă însăși vine în multipli de h. Abia ulterior, cuantele de energie luminoasă au fost denumite fotoni. Cuanta nu era doar un truc matematic, ci o realitate fizică! Dar, n-au fost prea mulți cei ce l-au luat în serios pe Einstein, el avea doar douăzeci și șase de ani…

Prin 1910 totuși, încercările de eliminare sau de reconciliere a cuantei cu fizica newtoniană eșuaseră, cuanta răsărind peste tot, de la teoria moleculară, la conductivitatea termică, dar și în alte domenii. După fiecare colț al lumii subatomice, savanții găseau energia în multipli de și doar în multipli !

Și totuși, noțiunea de cuantă rămânea folosită doar în comunitatea fizicienilor, marele public rămânând străin de bătălia recunoașterii acestui concept. Abia încet-încet, cuvântul a început să-și facă loc în limbajul cotidian. Prin 1959, Ian Fleming publica într-o revistă povestirea (ecranizarea n-a mai păstrat decât titlul!) „Quantum of Solace” (tradus în română ca „Partea lui de consolare”).

Între 1920 și 1930, numele lui Plank era pomenit doar ocazional, dar azi e vedetă a culturii populare, un simbol al unei lumi în pixeli, fiind primul care a identificat fracturile lumii newtoniene. Ecuația lui Plank a fost celebrată, apărând pe căni de cafea, pe tricouri și în multe alte locuri. Plank și-a legat viața de noua vedetă a fizicii, cuanta. Implicat în problematică, Albert Einstein l-a confirmat pe Plank:

Teoria clasică arăta că energia electrică ar trebui să depindă de intensitatea luminii. Nu este așa; energia electrică depinde de frecvență – dacă îndreptați o lumină mai intensă spre suprafața unui metal, sar mai mulți electroni, dar cu aceeași energie. În timp ce Plank spusese, precaut, că trebuie să introduci ciudatul termen h în formulă pentru că rezonatorii pot să absoarbă și să reflecte energie doar în multipli de , Einstein spunea acum că h era o proprietate a luminii în sine. Lumina era granulară, localizată în spațiu și cu energii în multipli de , „cuante” de lumină numite mai târziu „fotoni”. «Energia, în timpul propagării unei raze de lumină», scria el, «nu este distribuită continuu în spații care cresc constant, ci constă într-un număr finit de cuante de energie localizate în puncte din spațiu, care nu se divid și pot fi absorbite sau generate doar ca entități.»

Imaginea de mai sus prezintă cele trei legi propuse pentru radiația corpului negru, exprimată în strălucire (sau intensitate) în raport cu frecvența.

Salturi cuantice

Un alt savant ce și-a legat numele de teoria cuantică a fost Niels Bohr, o adevărată legendă a fizicii.

Cărțile de istorie a științei menționează, de obicei, ca principală contribuție a sa la fizică „atomul lui Bohr”, folosirea în anii 1912-1914 a încă recentei idei a cuantei, pentru a rezolva problema ridicată de descoperirea lui Rutherford că sarcina electrică pozitivă dintr-un atom este localizată într-un „nucleu” masiv, foarte mic. Dar a devenit legendar datorită pasiunii cu care discuta cu oamenii, față în față. Bohr gândea vorbind cu voce tare.

Încercând să explice de ce electronii din modelul Rutherford unui atom nu se prăbușeau pe o traiectorie în spirală în nucleu, s-a folosit de seria lui Balmer pentru a lega cuanta de acțiune și liniile spectrale, ceea ce reprezenta o amprentă a structurii cuantice a atomului.

Atomul lui Bohr era un hibrid; preluase modelul clasic și îi impusese o constrângere cuantică. A eșuat aproape imediat, pentru că nu s-a putut aplica la nimic altceva decât hidrogenul. Alte elemente au trebuit să aștepte lucrările viitoare ale lui Bohr și ale altora.

Și, fără a folosi cuvintele „salt” sau „săritură”, modelul lui Bohr arăta că electronii pot avea doar anumite valori de energie și că nu puteau trece lin de la o locație atomică la alta, fiind necesare treceri instantanee, adică salturi…

Întâmplarea

Prin 1916-1917, lucrările lui Einstein se concentrau pe o mică nișă a fizicii, pe tranzițiile atomice. Dar ele au reprezentat puncte de inflexiune datorită introducerii probabilității în esența naturii. Abia odată cu funcția de undă a lui Schrödinger și a principiului incertitudinii, lucrurile se vor schimba dramatic. Iată ce spunea astronomul britanic Arthur Eddington în „Natura lumii fizice”:

Teoria cuantică este un determinism al probabilităților, o formulă fixă, dar un determinism limitat este posibil. Atomii se mișcă, așa cum lunatici fără discernământ urmează individual regulile generale stabilite ale azilului.

Einstein a tratat lumina ca fiind formată din particule, cel puțin în lucrările sale din 1916-1917.

Einstein și-a imaginat o bucată de materie – el a denumit-o „moleculă”, deși ar fi putut să fie și un oscilator sau un atom – scăldată într-o baie de radiație luminoasă. Cum trebuie să absoarbă și să emită radiație aceasta? Să presupunem că este în echilibru, ceea ce înseamnă că absoarbe și eliberează cantități de energie în același ritm. Rata emisiei sale în prezența acestei băi de radiație este îmbunătățită, în comparație cu ceea ce ar fi, dacă nu ar fi în jur alți fotoni. Einstein a folosit ideea de echilibru termodinamic pentru a concluziona că rata la care un atom ar putea să emită un foton în prezența unui câmp extern este mai mare decât dacă atomul ar fi într-un spațiu liber. Prezența câmpului este ca aceea a unui grup de copii pe un teren de joacă, strigând: „Hai! vino cu noi!” Fotonii ies mai ușor. Einstein a calculat cum s-ar produce acest lucru; cum procesele de emisie și de absorbție sunt legate unul de celălalt. Există o parte spontană – legată doar de atom și de electron – și o altă parte legată de alți fotoni – „copiii”. Dar când o să emită atomul lumina și în ce direcție o să plece aceasta? Ambele sunt imprevizibile. Einstein a abordat caracterul întâmplător al lui „când” în prima lui lucrare. În cea de-a doua și a treia lucrare, publicate în 1917, a explicat caracterul întâmplător al lui „în ce direcție”. Pentru a putea menționa ideea de traiectorie, a trebuit să presupună că există un factor de probabilitate. „Legea statistică postulată a emisiei nu este altceva decât legea lui Rutherford a descompunerii radioactive”, a scris Einstein într-unul din cele trei articole. Einstein a afirmat că „probabilitățile înseși ar putea să trebuiască a fi considerate proprietăți fundamentale, elementare, fizice ale sistemelor atomice”.

Datorită exprimării șocante, nu poate fi ignorată expresia folosită de Einstein într-o scrisoare către Born, conform căreia nu putea să creadă că Dumnezeu joacă barbut! Vezi „Dumnezeu nu joacă zaruri”…

[embedpress]https://issuu.com/klaxxon/docs/dumnezeu_nu_joaca_zaruri[/embedpress]

Problema identității

Încă de la grecii antici am conștientizat că identitatea și individualitatea sunt concepte foarte profunde. Trecând din domeniul naturii umane la domeniul cuantic, caracteristica identitară a particulelor este una ce ține de bizar, chiar dacă există doar două posibilități: obiecte identice ce se pot amesteca (bosoni) și obiecte identice ce nu se pot amesteca (fermioni). Bosonii respectă o regulă matematică cunoscută ca statistica Bose-Einstein, iar fermionii respectă statistica Fermi-Dirac.

În anii ’20 ai veacului trecut, unul din cei mai influenți fizicieni a fost Wolfgang Pauli, în special prin critica practicată:

„Pauli citea totul, știa pe toată lumea și scria mii de scrisori elegant frazate, pasionate, cu limbaj caustic, tuturor celor pe care îi cunoștea. Critica lui era deseori brutală, un curent rece care avea uneori efectul de a îngheța idei bune, dar omora mult mai multe idei proaste.” Una din cele mai celebre – și devastatoare – insulte ale sale era să spună că ideea cuiva era atât de proastă, încât „nu era nici măcar greșită”.

Încă tânăr, la doar 25 de ani, Pauli a formulat principiul ce-i poartă numele, cel al „excluziunii”, pentru care a fost recompensat cu Premiul Nobel în 1945.

Principiul excluziunii al lui Pauli spune că doi fermioni identici – particule cu valoarea spin-ului jumătate dintr-un număr întreg, cum sunt electronii – nu pot ocupa aceeași stare cuantică. Acest principiu ia ca atare faptul că fermionii nu pot fi deosebiți. „Nu putem să oferim un motiv mai precis al acestei reguli”, a scris Pauli în articolul său inițial. Dar ce regulă! Un principiu structural fundamental, ea guverna toate formele de materie, de la atomi la cristale, metale și interacțiuni chimice.

Sunt de-a dreptul bizare implicațiile principiului excluziunii pentru identitate și individualitate:

Pe de o parte, principiul excluziunii implică faptul că electronii nu au identități; doi electroni în două stări diferite sunt total interschimbabili. Pe de altă parte, individualitatea elementelor lumii noastre – orice bucată de materie pe care o cunoaștem – a fost construită datorită acestei lipse de identitate. Individualitatea în macro-volume este cumva făcută posibilă de lipsa de individualitate din micro-lume.

Grație lucrărilor unui fizician din Bengal, Satyendra Nath Bose, a apărut o idee nouă: doi, sau cincizeci, sau un miliard de fotoni pot fi, toți, pe aceeași lungime de undă. Ei par să încalce intuiția faptului că nu pot ocupa simultan același volum, suprapuși. Când există un miliard, sau mai mulți fotoni, în aceeași lungime de undă, există o altă modalitate de a-i percepe, anume aceea a unei unde electromagnetice clasice. Sau altfel spus, pare că toate acele particule identice „se contopesc” unele cu altele, calitatea lor de particule devine aproape invizibilă, formând în schimb o undă sau un câmp electric oscilant, detectat prin forța pe care o exercită asupra particulelor încărcate electric.

A doua revoluție cuantică

Până la a doua revoluție cuantică, situația era în ceață. Sir William Brag scria:

Nici o teorie cunoscută nu poate fi distorsionată astfel încât să ofere chiar și o explicație aproximativă. Trebuie să fie ceva în privința căruia suntem total ignoranți și a cărui descoperire ar revoluționa concepțiile noastre despre relația dintre unde, eter și materie. Pentru moment, trebuie să lucrăm cu ambele teorii. Luni, miercuri și vineri folosim teoria undelor; marți, joi și sâmbătă gândim în curente de energie zburătoare, cuante și corpusculi. Aceasta este, până la urmă, o atitudine foarte corectă. Nu putem clama tot adevărul când avem doar informații parțiale, fiecare acoperind o porțiune a domeniului. Când vrem să lucrăm într-o zonă sau în alta a domeniului, trebuie să folosim harta potrivită. Într-o zi o să unim toate hărțile laolaltă.

1925-1927… Au apărut doi cartografi: Werner Heisenberg și Erwin Schrödinger! Ei n-au încercat însă să adapteze harta clasică, au pornit de la zero. Astfel, în 1925, Heisenberg a pornit pe drumul descrierii cuantelor doar în termenii matematicii proprietăților observate, ca mecanică matriceală, ajungând la o limită specifică a ceea ce se putea ști despre poziția și momentul cinetic al particulelor observate. În ce-l privește pe Schrödinger, acesta a descris cuanta ca pe un tip ciudat de undă ce evolua în timp continuu și predictibil, dar ceea ce oferea această undă nu erau coordonate spațiale, ci informații despre probabilitățile să apară particule. Aceste descoperiri au declanșat a doua revoluție științifică cuantică, ajungându-se la denumirea de „mecanică cuantică”, pentru a fi deosebită de teoria cuantică anterioară.

Incertitudinea

Principiul incertitudinii a fost considerat „proba A” în favoarea ideii că între lumea newtoniană și cea cuantică nu poate exista un pod. Iată glume asociate:

Un polițist îl oprește pe Heisenberg pentru că a condus cu viteză excesivă și îl întreabă: „Știți cât de repede mergeați?” Heisenberg răspunde, plin de încredere: „Nu, dar știu exact unde sunt!” Într-o altă versiune, polițistul îl oprește pe Heisenberg și îi spune: „Știți că mergeați cu 150 de kilometri pe oră?” Iar Heisenberg spune: „Mulțumesc. Acum m-am rătăcit.” Într-o altă variantă, iubita lui Heisenberg se plânge: „Ai o viteză grozavă, dar ești deplasat!”

Și iată cum descria Arthur Eddington esența principiului incertitudinii:

„O particulă poate avea poziție sau poate avea viteză, dar nu le poate avea pe amândouă cu precizie.”

Realitatea fracturată

Iată ce scria James Jeans în „Universul misterios” (The Mysterious Universe):

Curentul cunoașterii se îndreaptă spre o realitate non-mecanică; Universul începe să semene mai mult cu un mare gând decât cu o mare mașină. Mintea nu mai pare să fie un intrus accidental în domeniul materiei […] ar trebui, mai degrabă, să o salutăm ca pe creatoarea și conducătoarea domeniului materiei.

În plus, în observarea fenomenelor cuantice a mai apărut o problemă: cea a observatorului. Ea a fost sintetizată în ceea ce a devenit cunoscută ca „interpretarea Copenhaga”. Niels Bohr a introdus principiul complementarității. Autorii au considerat necesar să sublinieze importanța experimentului fantei duble, ca unul ce a fost votat drept „cel mai frumos experiment din știință, în 2002.

Nu joacă barbut!

Pe măsură ce caracteristicile cuantice (discreție, salturi, întâmplare, identitate, schizofrenia undă-particulă, principiul incertitudinii, unde probabilistice și complementaritate) au început să apară, eminenți savanți au avut reacții alergice, opunându-se acestor ciudățenii. Printre cei mai cunoscuți opozanți a fost Albert Einstein, care avea două motive. În fizica newtoniană, principiile sunt de două tipuri, respectând reguli simple:

  • Dacă faci asta, se va întâmpla aceea; sau, altfel spus, nu poți face asta, fără aceea.
  • Asta nu se poate întâmpla; sau nu poți face asta deloc.

Exemple: cele trei legi ale termodinamicii, prima afirmând că energia nu poate fi creată sau distrusă, a doua că, spre exemplu, căldura nu poate fi transferată de la un corp mai rece la unul mai cald (entropia unui sistem închis crește întotdeauna) și a treia că nu poți ajunge la temperatura de zero absolut.

În acest context, merită amintite așa-numitele „postulate ale neputinței” de care vorbea Edmund Whittaker, care afirmă „imposibilitatea de a realiza ceva, chiar dacă ar exista un număr infinit de căi de a încerca să realizezi acel ceva”.

Termodinamica, a spus Whitetaker, poate fi considerată drept un set de deducții din postulate ale neputinței: conservarea energiei și a entropiei. S-ar putea, a arătat el, ca în viitorul îndepărtat fiecare ramură a științei să fie prezentată, asemănător cu Elementele lui Euclid, ca fiind ancorată în postulatul neputinței care i se potrivește.

Foarte devreme și adeseori, Einstein și-a exprimat opoziția:

„Nu aș vrea să fiu silit să abandonez cauzalitatea strictă fără să o apăr mai puternic decât am făcut-o până acum. Găsesc destul de intolerabilă ideea că un electron expus radiației ar alege cu propria voință nu doar momentul saltului său, ci și direcția. În acel caz, aș fi mai degrabă un cârpaci sau chiar un angajat într-o sală de jocuri, decât un fizician.”

Fără a fi un „negaționist”, Einstein a contestat cu onestitate mecanica cuantică, confruntarea esențială fiind dusă cu Bohr, ea derulându-se până în 1955, la moartea lui Einstein.

Dar lupta nu s-a terminat aici, fiind preluată de noile generații. John Bell a început ca opozant al teoriei cuantice, pentru ca, spre propria-i consternare să ajungă un fel de guru cuantic… Pornind de la un hobby, l-a luat în serios. În 1960 a începu să lucreze la CERN, iar ulterior, a scris două lucrări: „Despre problema variabilelor ascunse în mecaniza cuantică”, neputând evita concluzia că teoriile variabilelor ascunse trebuie să fie non-localizate; „Despre paradoxul Einstein-Podolsky-Rosen”, ajungându-se astfel la Teorema lui Bell.

Pisica lui Schrödinger

Deși a fost doar un experiment mental, uneori a fost considerat paradox, „pisica lui Schrödinger” a făcut furori nu doar în lumea științifică, ci și printre artiști și chiar printre oamenii obișnuiți.

Mecanica cuantică, așa cum am văzut, descrie lumea ca fiind produsul a două ingrediente. Primul este o funcție de informație, funcția Ψ descrisă de ecuația lui Schrödinger, o undă clasică ce se extinde în afară și cuprinde, sau „suprapune”, multe posibilități. Cel de-al doilea ingredient este ceva ce i se întâmplă acestei funcții, făcând-o să dispară, ca una dintre posibilitățile ei să apară.

Interpretarea Copenhaga” a mai fost numită și „mecanica cuantică dogmatică”, fiind elaborată în special de Bohr și Heisenberg, în jurul anului 1930. Această interpretare considera lumea scindată în două: un domeniu cuantic și unul clasic, newtonian, cele două fiind guvernate de legi complet diferite.

Domeniul cuantic este guvernat de inobservabilul și intangibilul câmp Ψ descris de ecuația lui Schrödinger, o rețetă care arată probabilitățile ca anumite stări reale să se materializeze. Când această undă cuantică întâlnește ceva din domeniul clasic, prin măsurare sau alte interacțiuni, întâlnirea provoacă distrugerea sau „prăbușirea” funcției, una dintre stările până atunci probabile devine „reală”, iar celelalte posibilități sunt eliminate. Potrivit acestei interpretări, tot ce putem ști, până la urmă, despre lumea dinaintea acțiunilor de observare sau de măsurare este un set de probabilități ale unor stări care s-ar putea concretiza.

Principalul opozant al acestei interpretări a fost Einstein. El a fost cel ce i-a declanșat lui Schrödinger ideea cu pisica din cutie:

Einstein i-a răspuns cu entuziasm lui Schrödinger și a elaborat pe marginea ideilor sale: fizica descrie realitatea, dar nu toate descrierile sunt complete. Să ne imaginăm două cutii cu capace pe care le putem deschide ca să privim înăuntru, iar într-una este o minge. Înainte de a „face o observație” privind în cutii, cum am putea descrie situația? Am spune, corect, că probabilitatea ca mingea să fie în prima cutie este de 1/2, sau 50%. Este aceasta o descriere completă? Sigur că nu, spune Einstein. Ea caracterizează doar cunoașterea noastră asupra situației, nu realitatea în sine. În realitate, mingea este în prima cutie sau nu. Dar potrivit „m. c. dogmatice” poate fi, în principiu o descriere completă să spui că șansa ca mingea să fie în acea cutie este de 50%. M. c. dogmatică pare să spună că mingea nu este într-una sau în alta dintre cutii, ci că există într-o cutie doar atunci când ne uităm înăuntru. Ridicol, continuă Einstein. Această afirmație încalcă principiul „separării”, potrivit căruia ceea ce se află în a doua cutie este independent de ce este în prima.

Cert este că pisica lui Schrödinger continuă să fascineze într-o lume plină de identități pluraliste, amestecate și incomplete, sau – cum spun autorii –, „abstractă și concretă, orientală și occidentală, creștină și necreștină, hetero și homosexuală, masculină și feminină, etc.”.

O controversă (nerezolvată încă) a fost aceea a stabilirii graniței dintre domeniul clasic și cel cuantic. Bohr a fost cel ce a făcut primii pași prin introducerea „principiului corespondenței”: pe măsură ce mărimile și dimensiunile acțiunii devin mai mari în comparație cu h (constanta lui Plank), va deveni tot mai exactă o descriere clasică a mișcării.

Această descriere este ca și cum ai caracteriza frontiera dintre Statele Unite și Canada spunând că, pe măsură ce mergi mai spre nord, cu atât lucrurile devin mai canadiene. Nu stabilește o frontieră exactă – sugerează că nu se poate face acest lucru –, dar spune că frontiera implică o tranziție lină dintr-un loc în următorul.

Vizuina iepurelui

Autorii fac o succintă trecere în revistă a unor opere culturale ce prezintă fie lumi alternative (ideea că lumea noastră e singura reală, dar că putea fi altfel dacă s-ar fi urmat alte opțiuni) sau lumi paralele (ideea coexistenței a numeroase lumi la fel de reale), enumerând „Vizuina iepurelui” (David Lindsay-Abaire), „Un alt Pământ”, „Aventurile lui Allice în Țara Minunilor” (Lewis Carrol), sau „Oameni ca zeii” (H. G. Wells), „Grădina potecilor ce se bifurcă” (J. L. Borges) și altele. E doar un pretext pentru a-i face intrarea în scenă lui Hugh Everett, un individ cu o viață nu doar scurtă, dar și zbuciumată, un excentric supraponderal și alcoolic, fără „valori emoționale”, ce căuta maximizarea distracției. Everett, nemulțumit de interpretarea Copenhaga, prin teza de doctorat din 1957, a găsit o cale de a explica nu doar „problema de măsurare”:

Când un sitem cuantic este măsurat, sau interacționează într-un alt mod cu lumea clasică, posibilitățile de superpoziție nu dispar – sistemul se „despică” în lumi paralele, locuite de gemeni aproape identici de-ai noștri. Fiecare dintre aceste lumi se bifurcă ea însăși, ca ramurile unui copac, bifurcațiile apărând în fiecare loc în care domeniul cuantic intră în contact cu lumea clasică. În cuvintele lui Everett:

«Cu fiecare observare (sau interacțiune) reușită, starea observatorului „se bifurcă” într-un număr de stări diferite. Fiecare ramură reprezintă un rezultat diferit al măsurătorii și o eigen-stare corespunzătoare stării obiect-sistem. Toate ramurile există simultan în superpoziția de după orice secvență de observații dată.»

O astfel de interpretare „repune în drepturi cauzalitatea și elimină colapsul funcției de undă, făcând praf însăși ideea de realitate; ea postulează un număr infinit de lumi «reale» care se bifurcă la infinit și care sunt «reale» doar pentru o intuiție divină.” Problema e că „singura modalitate imaginabilă de a «vedea» lumile alternative, astfel încât formalismul funcției de undă să le corespundă, ar fi să stai în afara lor, cu o viziune asemănătoare celei a lui Dumnezeu – să ai o intuiție a acestor lumi, fără să «observi» vreuna.”

De fapt, Everett nu crea noi predicții, ci presupunea că ramificațiile păstrează lumi întregi și elimina o problemă cu prețul postulării existenței multor-multor lumi pe care nu le putem detecta. Era deja o încălcare a briciului lui Occam, un principiu ce stipulează că explicația cea mai simplă este, de obicei, cea mai bună. Oricum, cert este că interpretarea lui Everett a deschis o cutie cu daruri și oportunități noi pentru artiști și scriitori, cei care folosind ideea lumilor paralele au putut imagina tot felul de năzdrăvănii.

Revenind la „realitate”, relativ noua noțiune de „multiversuri” susține că, dincolo de posibilitățile noastre de observare, ar trebui să existe multe alte universuri cu proprietăți mult diferite de al nostru, proprietăți determinate aleator.

Iată cum ar funcționa aceasta. Fluctuațiile cuantice din comportamentul a ceea ce numim stringuri pot duce la formarea unor universuri – bule, care sunt mici la început și se extind. În funcție de modul în care se întâmplă să fie așezate stringurile, parametrii fizici rezultați devin o chestiune de șansă. Aceasta produce o așa-numită imagine de „peisaj”: cantitățile pe care fizicienii le-au identificat ca fiind constante fundamentale, cum ar fi sarcina și masa unui electron, s-ar putea să fie foarte diferite în alte universuri, inaccesibile și îndepărtate de universul nostru vizibil. De fapt, s-ar putea ca un alt univers nici măcar să nu aibă o particulă analogă cu electronul. În consecință, viața așa cum o știm noi s-ar putea să nu fie posibilă în cele mai multe dintre aceste universuri ipotetice. Aceasta a condus la ideea că motivul pentru care găsim modelele pe care le găsim în universul nostru este că orice altceva foarte diferit ar fi făcut viața noastră imposibilă, și astfel nu am mai fi aici, ca să găsim ceva! Acestei idei i s-a dat numele de „principiu antropic” – adică singurele universuri care pot fi percepute de oameni sunt cele în care există oameni.

Salvarea fizicii

Apariția mecanicii cuantice a provocat o reală criză filosofică. Încă din 1929, cineva afirma: „Concepția despre lume s-a prăbușit.” S-a conștientizat necesitatea ca studenții la fizică să înțeleagă aspectele epistemologice bizare ale acestei teorii, ei fiind îndemnați să-și „perfecționeze propriul răspuns filosofic”, ca necesitate a educației. Din păcate, a doua conflagrație mondială a eliminat filosofia din fizică (sau cel puțin din fizica americană). Programa școlară s-a concentrat pe rezolvarea problemelor, trecându-se la o „pedagogie de cu mare productivitate”, chiar dacă un filosof știe că dacă nu reușești să tratezi aspectele filosofice la momentul potrivit, ele nu dispar. Și chiar dacă au fost încercări de a lega mecanica cuantică de misticismul oriental (a se vedea Fundamental Fysics Group și misticismul cuantic), importantă a fost dezbaterea.

Acesta a fost punctul în care un filosof întreabă de ce atâta agitație. „Noua epistemologie” la care invită mecaniza cuantic: este ea cu adevărat o epistemologie orientală sau tradiția occidentală are resurse să explice ce se întâmplă fără să celebreze iraționalul și misticul? Cu siguranță că are. Mecanica cuantică subminează o noțiune de obiectivitate bazată pe știința newtoniană din secolul al XIX-lea – însă doar acea noțiune. În aceeași perioadă în care apărea mecanica cuantică, în secolul XX, apărea și o noțiune de obiectivitate care era potrivită pentru descrierea obiectelor cuantice.

Oricine caută cunoașterea, fie în domeniul vieții de zi cu zi, fie în cel științific, este legat de un anumit loc, folosește mijloace particulare de percepție și este motivat de un set particular de întrebări. Mijloacele de observație – fie că sunt pur și simplu simțurile noastre sau instrumente care să ne extindă percepția – sunt parte intrinsecă din a fi capabil să ai o lume. Aceste mijloace ne permit să percepem obiecte pe care nu le-am putea percepe altfel și ne ajută să structurăm aceste obiecte. Nu poți să faci o descriere completă a acestor obiecte, pe care le studiezi, fără să vorbești despre procesul de studiu în sine. Dar lumea este percepută și ca fiind independentă de ființele umane: nu putem să o facem să se comporte cum vrem noi; lumea dă înapoi; lumea poate reacționa neașteptat.

Practic, un punct de vedere obiectiv nu înseamnă că nu vede nimeni un lucru sau că-l vede de niciunde, ci că lucrul respectiv poate fi văzut de oricine.

Nu doar că  nu există „vedere de niciunde” a unui astfel de fenomen, dar nu există nici Google Earth sau o poziție din care să interacționăm cu instrumentele, ca să vedem mai de aproape un profil anume, pentru că nu există o poziție privilegiată, iar „pozițiile” intermediare cu instrumentele în care stăm se schimbă și ele. Faptul că unele evenimente pot avea loc doar în condiții speciale de laborator nu înseamnă că ele sunt abstracte sau nelumești.

Concluzie

În loc de concluzie, un capitol al cărții ce merită savurat, iată doar un citat elocvent:

Înțelegerea și aprecierea limbajului cuantic și a simbolismului de aceeași Natură – împreună cu abilitatea de a recunoaște folosirea lor inadecvată – fac parte din ceea ce înseamnă în prezent a fi o persoană educată. O asemenea educație implică învățarea unor elemente și din științele exacte, și din cele umaniste.

Învățăminte/Concluzii/Acțiune

Ce am putea spune că ne aduce nou citirea acestei cărți? Desigur, având în vedere caracterul de „popularizare a științei”, un prim câștig este acela al fixării unor informații de natură științifică, fie ele și la nivel superficial. Domeniul cuantic nu poate rămâne doar apanajul savanților!

Prezentul recenzumat încearcă să facă mai mult decât o simplă rezumare a cărții, oferind link-uri utile către detalii ale noțiunilor/personajelor prezentate, mai ales pentru cei ce vor să treacă la un alt nivel de cunoaștere a cuantei. Mai mult, filmulețele incluse vor aduce mai multă claritate noțiunilor.

Deși arta (cărți și filme SF, pictură, sculptură) a transfigurat viziuni termeni și semnificații, un om educat va face efortul interiorizării noilor concepții.

SaM
Ultimele postari ale lui SaM (vezi toate)
 Înapoi


BAND
Email

Sandu's books

Din Rusia, cu sange
really liked it
În actualul context internațional, ca oameni ce cred că echilibrul necesar desfășurării unei vieți normale, înțelegerea faptului că un om își poate subordona serviciile de forță ale unui stat ca Rusia și poate pune în practică un întreg ...
O scurtă istorie a românilor povestită celor tineri
really liked it
O carte utilă unei generații tinere care poate pierde ușor busola istorică a nației române. Neagu Djuvara a făcut un mare serviciu citindu-și lucrarea și lăsând posterității o istorie a românilor în care a introdus accente personale. Mer...
O istorie mondială a comunismului: 3. Complicii
really liked it
Deși finalizată mai în primăvară, lectura celui de-al treilea volum al trilogiei lui Thierry Wolton „O istorie mondială a comunismului ia forma „recenzumatului abia acum”. Trebuie să mărturisesc că a treia mie de pagini din trilogie, vol...
Moartea lui Ivan Ilici
it was amazing
Nuvela asta e un text despre viață și moarte, un text analiză a vieții trăite în chiar pragul morții… Pentru oricine, vine un moment neașteptat poate, când pe nepusă masă, realizezi că și tu ești muritor, nu doar oamenii, la modul generi...

goodreads.com
Scroll to Top