Laureații Nobel oferă noi interpretări ale misterelor cuantice

Prima din două părți

A scrie despre natura paradoxală a mecanicii cuantice reprezintă un paradox aparte. Dacă o explici suficient de bine pentru ca cititorii tăi să o înțeleagă, ai comis cumva o eroare grosolană, pentru că (așa cum a spus faimosul Feynman) nimeni nu înțelege cu adevărat mecanica cuantică.

Dar nu-ți face griji. Nu există niciun pericol ca cineva care citește acest blog să iasă înțelegându-l. Cu toate acestea, există câteva evoluții noi în căutarea nesfârșită de a explica fizica cuantică despre care, chiar dacă este greu de înțeles, merită să știți. Mai ales având în vedere de unde provin aceste noi dezvoltări. Doi giganți ai fizicii secolului 20 au oferit recent opinii ale secolului 21 cu privire la modul de interpretare a matematicii cuantice care necesită ca lumea subatomică să fie atât de ciudată.

Giganții sunt Steven Weinberg (Nobel 1979) și Gerard ‘t Hooft (Nobel 1999). Ambii au jucat roluri cheie în formarea înțelegerii moderne a particulelor și forțelor cunoscute sub numele de model standard. Ei împărtășesc o preocupare profundă cu privire la problemele care afectează eforturile de a înțelege fundamentele mecanicii cuantice. Dar oferă opinii foarte diferite asupra a ceea ce trebuie făcut în privința asta.

De zeci de ani, fizicienii care caută o bază solidă pentru mecanica cuantică au propus noi interpretări ale matematicii acesteia. Există acum mai multe interpretări cuantice decât filmele Batman, Superman, Spider-Man și X-Men combinate. Nimeni nu a reușit să pună capăt dezbaterii asupra a două probleme persistente: ce se întâmplă atunci când se face o măsurătoare pe un sistem cuantic și ce naiba se întâmplă cu întricarea cuantică „înfricoșătoare”.

Măsurarea este un concept crucial în mecanica cuantică, deoarece nu funcționează ca măsurătorile tradiționale ale fizicii clasice. Pe vremuri, toată lumea credea că obiectele au proprietăți, cum ar fi modul în care o monedă poate arăta capete sau cozi. Aflați ce proprietate afișează uitându-vă la ea. Dar în mecanica cuantică, proprietatea nu există înainte de măsurare. Particulele cuantice, cum ar fi fotonii sau electronii, sunt ca niște monede care se rotesc, fără capete sau cozi până când nu prindeți una.

Matematica mecanică cuantică este așadar probabilistică. Îți spune șansele de a obține cap sau cozi. Dar odată ce faci măsurarea, rezultatul este cert. Nu mai există probabilități. Deci, expresia matematică cuantică folosită pentru calcularea probabilităților, numită funcție de undă (sau vector de stare), aparent doar „se prăbușește”. (Există o distincție tehnică între funcția de undă și vectorul de stare care va fi ignorată dacă nu contează cu adevărat.)

Pentru interpretarea tradițională „Copenhaga”, notează Weinberg, acel colaps exprimă doar o „diviziune misterioasă între lumea microscopică guvernată de mecanica cuantică și o lume macroscopică a aparatelor și observatorilor care se supune fizicii clasice”. Prin urmare, unii experți se întreabă dacă vectorul de stare este de fapt reprezentativ pentru realitate. Dacă este, au susținut unii, atunci toate diferitele rezultate posibile trebuie să aibă loc într-adevăr într-un anumit univers – „creația nesfârșită a neconceput de multe ramuri ale istoriei”, așa cum spune Weinberg. Cu alte cuvinte, unele meciuri importante de fotbal s-ar fi încheiat altfel pentru că cealaltă echipă a câștigat tragerea la sorti cu monede în prelungiri.

Încurcarea este și mai misterioasă, sugerează Weinberg, deoarece vectorul de stare se poate schimba ca urmare a unei măsurători făcute foarte departe. Când două particule interacționează, ele formează un sistem cuantic compozit, descris de un singur vector de stare, chiar și atunci când o particulă zboară departe de cealaltă. Vectorul de stare indică șansele pentru rezultatele măsurătorilor pe oricare dintre cele două particule. Dar odată ce măsurați una dintre ele, șansele pentru rezultate diferite pentru cealaltă particulă se schimbă instantaneu, indiferent cât de departe este cealaltă particulă. Sună a voodoo, motiv pentru care Einstein l-a numit „înfricoșător”.

„Susceptibilitatea vectorului de stare la schimbarea instantanee de la distanță aruncă îndoieli asupra semnificației sale fizice”, scrie Weinberg în noua sa lucrare. Dacă o declarație care descrie starea unui sistem poate fi schimbată instantaneu printr-o măsurătoare îndepărtată, „pare rezonabil să deducem că astfel de afirmații sunt lipsite de sens”, declară el. „Adică, pare că merită luată în considerare o altă interpretare a mecanicii cuantice.”

Titlul lui Weinberg pentru lucrarea despre noua sa interpretare este „Mecanica cuantică fără vectori de stare”. Ea afirmă că vectorul de stare nu este, de fapt, reprezentarea adecvată a realității. Acest rol ar trebui mai degrabă atribuit ceva numit matricea densității.

„Densitatea” în acest context se referă la densitățile de probabilitate; o matrice este doar o expresie matematică în care numerele sunt aranjate în rânduri și coloane. Când vectorul de stare este necunoscut, calculele cuantice folosesc o matrice de densitate pentru a calcula șansele diferitelor rezultate ale măsurătorilor. (Matricea densității reprezintă informațiile pe care le dețineți despre probabilitatea relativă a diferiților vectori de stare posibili care descriu sistemul pe care urmează să-l măsurați.)

După cum subliniază Weinberg, un set dat de vectori de stare vă va spune care este matricea densității. Dar o matrice de densitate dată nu vă spune care sunt vectorii de stare, deoarece seturi diferite de vectori de stare pot da aceeași matrice de densitate. E ca și cum răspunsul este 42, dar nu știi dacă a venit de la 7×6 sau 2×21 sau 3×14. Deoarece 42 este numărul de care aveți nevoie, nu există niciun motiv să vă pese de posibilii săi factori. Așa că Weinberg susține eliminarea tuturor tam-tamului legat de vectorii de stare și concentrarea în schimb pe matricele de densitate.

„Vorbind despre „mecanica cuantică fără vectori de stare” vreau să spun doar că o afirmație conform căreia un sistem se află în oricare dintre diferiți vectori de stare cu diferite probabilități trebuie considerată ca fără semnificație, cu excepția a ceea ce ne spune despre matricea densității. ,” el scrie. „Cu această definiție a unei stări fizice, chiar și în stările încurcate, nimic din ceea ce se face într-un sistem izolat nu poate afecta instantaneu starea fizică a unui sistem izolat îndepărtat.”

Weinberg continuă să exploreze modalitățile prin care ar putea apărea noi caracteristici matematice ale mecanicii cuantice dacă matricea densității este considerată descrierea adecvată a stărilor fizice. Rămâne de văzut dacă în urma unor astfel de explorări vor rezulta noi perspective profunde asupra fizicii.

Dar chiar dacă mecanica cuantică, așa cum o știm, rămâne în esență neschimbată, este totuși de gândit că ceva mai profund îi va explica în cele din urmă ciudățenia. Aceasta este tactica lui ‘t Hooft, care timp de mulți ani a susținut că probabilitățile cuantice maschează o realitate „deterministă” unică cauză-efect, ascunsă vizionarii umane.

Diverse analize și experimente par să fi exclus ideea că „variabilele ascunse” determină soarta măsurătorilor de particule pentru care matematica cuantică poate oferi doar șansele. ‘t Hooft nu contestă aceste experimente. Dar el sugerează că cotele cuantice pot, totuși, să apară dintr-un strat mai profund al realității în care totul este specificat determinist. El își explică părerile într-o nouă lucrare de 202 de pagini. În consecință, va fi nevoie de încă o postare pe blog de 1.000 de cuvinte pentru a explora interpretarea lui în detaliu suficient pentru a garanta că va fi înțeleasă greșit.

Urmărește-mă pe Twitter: @tom_siegfried