Nu ar trebui să încerci să încadrezi fizica cuantică

Tocmai când credeai că fizica cuantică nu poate deveni mai ciudată, încalcă principiul porumbeilor.

Nu, nu este vorba despre un porumbel într-o groapă care este simultan viu și mort. Principiul porumbeilor este un principiu de bază al matematicii. Ea ilustrează despre ce este însăși ideea de numere. Și e ușor de afirmat: Dacă pui trei porumbei în două adăposturi, cel puțin doi dintre porumbei ajung în același orificiu.

Cum poate cineva, chiar și un fizician cuantic, să argumenteze cu asta? Tot ce trebuie să faci este să poți număra. Ghici din nou, spun fizicianul cuantic Yakir Aharonov și colaboratorii într-o nouă lucrare despre principiul porumbeilor. „Se pare… a fi un adevăr abstract și imuabil, dincolo de orice îndoială”, scriu ei. „Totuși… pentru particulele cuantice, principiul nu este valabil.”

Ideea de bază a fost elaborată în formă riguroasă în 1834 de Peter Gustav Lejeune Dirichlet, un matematician german talentat din secolul al XIX-lea, de origine belgiană. El a numit-o Schubfachprinzip, ceea ce înseamnă ceva ca principiul sertarului. În zilele noastre, matematicienii cărora nu le plac porumbeii îl numesc principiul cutiei Dirichlet. În această formă, principiul este enunțat ca ori de câte ori mai mult de n obiecte sunt distribuite în n cutii, atunci va exista cel puțin o cutie care conține două obiecte.

Dirichlet a arătat că acest principiu aparent simplu ar putea fi folosit pentru a demonstra propoziții matematice mai complexe. A devenit utilizat pe scară largă și apreciat în rândul matematicienilor pentru puterea și scopul său.

„Încapsulează noțiuni matematice abstracte care merg la nucleul a ceea ce sunt numerele și numărarea”, subliniază Aharonov și colegii. „Deci stă la baza, implicit sau explicit, practic întregii matematici.”

Dar în lumea cuantică, este greșit.

Pentru a fi corect, notează sporturile cuantice, nu este întotdeauna greșit. Dar, în unele circumstanțe, matematica cuantică arată că, după o revizuire ulterioară, decizia lui Dirichlet trebuie să fie inversată.

Ați putea demonstra acest punct acasă chiar dacă sunteți echipat corespunzător cu laserele și oglinzile potrivite pe o masă de laborator de optică cuantică perfect stabilă. Sau poți doar să faci calculul. Începeți cu trei particule și două cutii. Pregătiți particulele astfel încât fiecare să se afle în ambele două cutii în același timp – suprapunerea de bază a locațiilor mecanice cuantice. Acum puteți scrie ecuația cuantică pentru starea tuturor celor trei particule. Îl puteți folosi pentru a calcula probabilitățile pentru ceea ce se va întâmpla atunci când veți căuta de fapt particulele.

La urma urmei, particulele pot fi în două locuri deodată numai atunci când nu te uiți. Când observați o particulă pentru a vedea unde se află, aceasta capătă o poziție specifică într-o cutie sau în alta.

Aharonov și colegii iau în considerare situațiile în care alegeți să măsurați în mod independent locațiile oricăror două dintre particule. În funcție de modul în care efectuați măsurătorile, în unele situații, veți descoperi că particulele 1 și 2 sunt ambele în aceeași cutie. Dar în alte circumstanțe, măsurătorile dvs. vor descoperi că nu sunt. Și aplicarea acestor condiții dă același rezultat, indiferent de două particule pe care alegeți să le măsurați. Deci, puteți avea o situație în care aveți mai multe particule decât cutii, dar nu mai mult de o particulă în fiecare cutie.

„Cu alte cuvinte”, scriu fizicienii, „avem trei particule în două cutii, dar nu pot fi găsite două particule în aceeași cutie – principiul nostru cuantic de porumbei”.

Aharonov și prietenii spun că această nouă enigma cuantică poate fi de valoare pentru a oferi perspective mai profunde asupra încurcăturii, conexiunea misterioasă care leagă proprietățile fiecărei perechi de particule chiar și atunci când sunt separate la distanțe mari. Și are implicații pentru alte procese cuantice.

„Efectul de adăpost cuantic are implicații majore pentru înțelegerea naturii însăși a interacțiunilor cuantice”, scriu fizicienii.

Dar poate că o implicație și mai profundă a noii lucrări este un semnal al unor surprize suplimentare care urmează să vină. Pe măsură ce mecanica cuantică se apropie de împlinirea a 90 de ani, fizicienii încă descoperă aspecte aparent absurde ale realității pe care o descrie. Care, ne place sau nu, este realitatea în care trăim cu toții.

Așa că fii în alertă pentru noi atacuri cuantice asupra logicii convenționale. Nu va trebui să așteptați mult. Doar du-te să citești ziarul Aharonov. La un loc, autorii subliniază că puteți pregăti particulele și efectua măsurători în așa fel încât să obțineți un alt rezultat confuz: Particula 2 este în aceeași cutie cu particulele 1, particulele 3 se află în aceeași cutie ca și particula 1, dar particulele 2 și 3 nu sunt în aceeași cutie.

De ce? Păcat că Walter Cronkite nu este încă în viață. El dădea răspunsul în fiecare seară la sfârșitul fiecărei știri: Așa este.

Urmărește-mă pe Twitter: @tom_siegfried