De ce mecanica cuantică ar putea avea nevoie de o revizuire

SAN ANTONIO — Mecanica cuantică este echivalentul științei al polarizării politice.

Alegătorii fie iau partea și se ceartă între ei la nesfârșit, fie rămân acasă și acceptă politica așa cum este. Fizicienii fie acceptă doar mecanica cuantică și își fac calculele, fie iau partea în dezbaterea fără sfârșit asupra a ceea ce spune mecanica cuantică despre realitate.

Steven Weinberg obișnuia să fie mulțumit de mecanica cuantică așa cum este și nu și-a făcut griji pentru dezbateri. Dar, așa cum s-a gândit la asta de-a lungul anilor, laureatul Nobel, în vârstă de 83 de ani, a reevaluat.

„Acum nu sunt atât de sigur”, a declarat el pe 30 octombrie, la San Antonio, la o sesiune pentru scriitori de știință organizată de Consiliul pentru Progresul Scrierii Științifice. (Dezvăluire: sunt membru al consiliului CASW.) „Nu sunt la fel de încântat de mecanica cuantică cum eram înainte și nu la fel de disprețuitor față de criticii ei.”

Unul dintre motivele pentru care Weinberg crede că este nevoie de un nou capitol în povestea cuantică este că cei care cred că totul este în regulă cu mecanica cuantică iau părți diferite în dezbaterile despre aceasta.

„Este un semn rău în special că acei fizicieni care sunt fericiți de mecanica cuantică și nu văd nimic în neregulă cu ea, nu sunt de acord între ei în ceea ce privește ceea ce înseamnă”, spune Weinberg.

Mecanica cuantică a stârnit consternare încă de la începuturile ei. În urmă cu mai bine de un secol, fizicieni precum Max Planck, Albert Einstein și Niels Bohr au arătat că fizica standard din secolul al XIX-lea era inadecvată pentru a explica diferitele caracteristici ale căldurii, luminii și atomilor. Până în anii 1920, alți fizicieni, inclusiv Werner Heisenberg, Erwin Schrödinger, Paul Dirac și Max Born, au dezvoltat acele realizări timpurii în matematica mecanică cuantică cu drepturi depline, care stă astăzi la baza înțelegerii fizice a aproape orice. Mecanica cuantică, a remarcat Weinberg, este „baza înțelegerii noastre nu numai a atomilor, ci și a nucleelor ​​atomice, conducție electrică, magnetism, radiații electromagnetice, semiconductori, supraconductori, stele pitice albe, stele neutronice, forțe nucleare și particule elementare”.

Dar puterea explicativă a teoriei cuantice a venit la un preț substanțial: necesitatea de a accepta ciudățenia contraintuitivă cu privire la realitate pe care mulți fizicieni, inclusiv pionieri precum Einstein și Schrödinger, au refuzat să o accepte.

Un astfel de aspect inacceptabil a fost respingerea cuantică a determinismului newtonian, convingerea că toate evenimentele sunt pe deplin determinate de circumstanțele precedente. Puteți calcula exact unde va ateriza o minge de baseball, de exemplu, dacă îi cunoașteți viteza și direcția când este lovită de o bâtă. Mecanica cuantică, dimpotrivă, impune un element probabilist în descrierea proceselor naturale. Când un electron sare de pe un atom, nimeni nu poate prezice exact în ce direcție va merge electronul; mecanica cuantică vă permite doar să calculați șansele ca aceasta să meargă într-o direcție sau alta. O formulă matematică numită funcție de undă oferă instrucțiuni pentru calcularea unde este probabil să fie un electron – atunci când faceți o măsurare a electronului, este cel mai probabil să-l găsiți acolo unde unda sa de probabilitate este cea mai intensă. Măsurătorile repetate ar găsi o gamă de rezultate corespunzătoare probabilităților pe care le specifică matematica cuantică.

Einstein a obiectat, spunând că Dumnezeu nu joacă zaruri. El a obiectat în continuare la un alt aspect ciudat al mecanicii cuantice, care implică descrierea perechilor de particule separate la naștere. Doi fotoni care ies dintr-un singur atom, de exemplu, ar putea zbura foarte departe unul de celălalt, dar au o singură descriere cuantică; a face o măsurătoare pe unul poate dezvălui ceva despre celălalt, indiferent cât de departe ar fi.

Încercările de a explica aceste enigme se încadrează în două mari categorii, a spus Weinberg: „instrumentist” și „realist”. Instrumentiștii susțin că funcția de undă este doar un instrument pentru calcularea rezultatelor experimentelor – nu există nicio modalitate de a ști mai multe despre realitate. Devotații abordării realiste susțin că funcția de undă este un lucru real în lume, care evoluează în timp și, la un nivel fundamental, este responsabilă pentru ceea ce se întâmplă cu adevărat.

Weinberg consideră viziunea instrumentistului neatractiv. Este „atât de urât să ne imaginăm că nu știm nimic acolo – putem spune doar ce se întâmplă atunci când facem o măsurătoare”, spune el. „Abordarea instrumentista presupune atitudinea că pur și simplu nu știm ce se întâmplă acolo.”

Pe de altă parte, viziunea realistă spune ce se întâmplă „acolo”, dar cu prețul unei complexități enorme, sub forma unui număr nenumărat de fluxuri independente de realitate. „Ceea ce se întâmplă acolo este o funcție de undă care progresează în timp într-un mod perfect determinist, dar incredibil de complicat”, spune Weinberg. Din această perspectivă, toate rezultatele posibile ale proceselor cuantice (adică totul) se întâmplă într-un flux sau altul (chiar dacă nimeni nu este conștient de niciunul dintre celelalte fluxuri, sau „istorii”).

Weinberg ar prefera o realitate cu o singură istorie. Dar în afară de această preferință, abordarea realistă nu explică de ce rezultatele măsurătorilor respectă regulile probabilităților cuantice. Dacă totul se întâmplă într-adevăr în diferitele istorii, nu pare să existe niciun motiv pentru care regulile cuantice pentru probabilitate s-ar aplica în cadrul oricărui flux.

Deci, Weinberg crede că ar putea exista ceva dincolo de mecanica cuantică, o teorie mai profundă care introduce probabilități la un nivel fundamental, mai degrabă decât să solicite unui om să facă măsurători pentru a obține probabilitățile să apară. Și există o linie de cercetare care încearcă să generalizeze mecanica cuantică pe aceste linii. Dar până acum nu există o teorie convingătoare care reușește să generalizeze mecanica cuantică.

Poate că un înlocuitor al teoriei cuantice de astăzi se va aduna oricând acum. Sau poate nu. „Poate că modul în care exprimăm teoria este rău”, spune Weinberg, „și teoria în sine este corectă”.

Sau poate o surpriză este pregătită.

„Există întotdeauna o a treia posibilitate”, a spus Weinberg, „aceasta este cu totul altceva, că vom avea o revoluție în știință care este la fel de mult o ruptură cu trecutul, precum mecanica cuantică este o ruptură de fizica clasică. Asta e o posibilitate. S-ar putea ca o lucrare de la un student absolvent mâine dimineață să o așeze. Prin definiție, nu știu ce ar fi asta.”

În orice caz, a observat Weinberg, există un pericol în evaluarea oricărei teorii în termeni de prejudecăți filozofice contemporane. Gravitația newtoniană, a remarcat Weinberg, a fost ea însăși considerată inacceptabilă de mulți oameni de știință ai epocii sale.

„Teoria lui Newton … părea neplacută contemporanilor săi”, a spus Weinberg. Gravitația newtoniană era acțiune la distanță, fără nicio împingere sau tragere tangibilă care să ghideze planetele pe orbitele lor. Aceasta „părea ca introducerea unui element ocult în știință și a fost respinsă din acest motiv de adepții lui Descartes”, a spus Weinberg. În plus, „forța de gravitație a fost ceva care nu a putut fi dedus din considerații filozofice fundamentale și a fost respins în parte din acest motiv de către adepții lui Leibniz”. Și Newton a scăpat de visele lui Kepler și ale altora de a deduce dimensiunea orbitelor planetare din principii fundamentale.

Cu toate acestea, de-a lungul timpului, teoria lui Newton a întocmit o listă impresionantă de succese (la fel ca mecanica cuantică).

„Până la sfârșitul secolului al XVIII-lea, era perfect clar pentru toată lumea că teoria lui Newton era corectă, sau cel puțin o aproximare spectaculos de succes”, a spus Weinberg. „Putem lua lecția că nu este chiar o idee bună să menținem noile teorii fizice prea strict la un standard filosofic preexistent. Trebuie să mergem cu ea și să vedem unde ne duce – și să vedem dacă poate sau nu trebuie să ne schimbăm standardele filozofice.”

Urmărește-mă pe Twitter: @tom_siegfried