Poate că un ceas clasic poate explica ciudățenia cuantică

A doua din două părți (Citiți partea 1)

Fizica cuantică este ca viața. Nu urât, brutal și scurt, ci mai degrabă imprevizibil, uneori interesant și adesea deprimant. Cel puțin a fost deprimant pentru mulți oameni de știință, cum ar fi Einstein, care credeau că știința ar trebui să prezică ce se întâmplă, nu doar să vă ofere șansele pentru ceea ce s-ar putea întâmpla, cum ar fi meteorologii care prognozează ploi.

Cel puțin cu fizica cuantică, spre deosebire de prognozele meteo, șansele sunt întotdeauna exacte. Dar asta nu-i mulțumește pe toți cei care doresc o înțelegere cu adevărat profundă a legilor naturii. Deci, deși predicțiile teoriei cuantice sunt întotdeauna remarcabil de fiabile, fizicienii au dezbătut de zeci de ani ce înseamnă cu adevărat aparatul matematic pentru realizarea acestor predicții, cunoscut sub numele de mecanică cuantică.

Unele interpretări sugerează că realitatea este prost definită până când se fac observații și măsurători. Este ca și cum ai transforma o monedă care se învârte fie în capete, fie în cozi, prinzând și privind-o. Alții spun că există mai multe universuri paralele, așa că toate monedele care se rotesc apar ca cap într-un univers și cozi în altul. Sau poate – o viziune minoritară – monedele cuantice sunt la fel ca monedele reale: dacă se ridică capul sau cozile este complet determinist, respectând legile stricte ale cauzei și efectului. Dacă ai cunoaște toate forțele, puterea flipului și rezistența gravitației și a aerului și orice altceva, ai putea prezice corect rezultatul capului sau al cozii unei monede de fiecare dată. Unii oameni speră că fizica cuantică se va dovedi a fi așa, cu totul preordonat de un ceas determinist tac-după-tic, ca în fizica clasică newtoniană.

Din păcate pentru fanii lui Newton, rezultatele ciudate ale multor experimente cuantice au exclus aparent orice astfel de revenire la certitudine. Luați, de exemplu, fenomenul confuz al încurcăturii cuantice. Două particule dintr-o sursă comună pot fi separate la o distanță mare, dar o măsurare a uneia determină instantaneu ce poate fi măsurat despre cealaltă. Niciun semnal nu poate fi trimis prin spațiu-timp pentru ca cauza și efectul obișnuit să explice acea legătură. Este magie cuantică. Cu excepția cazului în care unele proprietăți invizibile sau „variabile ascunse” determină conexiunea.

De-a lungul anilor, se presupune că diferite experimente au exclus astfel de variabile ascunse. Dar nu neapărat cele propuse de laureatul Nobel Gerard ‘t Hooft. Dacă urmăriți toate cauzele și efectele până la începutul universului, atunci poate că misterele cuantice, cum ar fi încâlcirea, pot fi explicate într-un mod clasic cauză-efect, susține el.

„Se poate ca, la nivelul său cel mai de bază, să nu existe aleatoriu în natură, nici un aspect fundamental statistic pentru legile evoluției”, scrie el într-o nouă lucrare. „Totul, până la cel mai mic detaliu, este controlat de legi invariabile. Fiecare eveniment semnificativ din universul nostru are loc dintr-un motiv, a fost cauzat de acțiunea legii fizice, nu doar din întâmplare.”

‘t Hooft numește viziunea sa despre mecanica cuantică interpretarea automatului celular. Cu alte cuvinte, el crede că fizica cuantică este ca Viața. Un automat celular este ca o grilă pe care pătratele alb-negru își schimbă culoarea pe baza unor reguli simple. Exemplul prototip este jocul cunoscut sub numele de Life, inventat cu câteva decenii în urmă de matematicianul John Conway.

Gândiți-vă la univers ca fiind format din rânduri de pixeli pe ecranul unui computer. Configurația pixelilor se modifică de la rând la rând prin aplicarea unui algoritm, un set de reguli pentru a spune fiecărui pixel ce culoare să devină pe baza culorilor curente ale pixelilor săi vecini. Această abordare este echivalentă, subliniază ‘t Hooft, cu a spune că stările naturii pot fi descrise printr-o succesiune de numere întregi care evoluează în timp, determinate de un algoritm care le spune cum să se schimbe.

Un astfel de algoritm, susține ‘t Hooft, poate reproduce toate trăsăturile misterioase ale fizicii cuantice. Toate fenomenele observabile se vor supune în continuare probabilităților calculate folosind matematica cuantică. Din această perspectivă, chiar dacă viitorul este determinat de trecut, oamenii nu ar putea prezice viitorul, deoarece nu cunosc algoritmul de bază. Și chiar dacă ar fi făcut-o, nu ar putea să o calculeze mai repede decât evoluția universului în sine.

Dacă are dreptate, fundamentele realității ar putea fi descrise printr-o teorie deterministă. „Va fi o teorie care descrie fenomenele la o scară foarte mică de distanță în termeni de legile evoluției care procesează biți și octeți de informație”, scrie ‘t Hooft.

Tehnicile matematice abundă în lucrarea sa de 202 de pagini. El arată cu o matematică elaborată cum poate funcționa ideea lui pentru modele de „jucării”, cum ar fi o lume cu particule care se mișcă într-o singură dimensiune și nu interacționează între ele. El sugerează modalități prin care ideile din teoria superstringurilor ar putea ajuta lucrurile să funcționeze în sisteme mai complicate. El continuă să sublinieze modul în care lucrările ulterioare ar putea dezvolta o teorie completă capabilă să explice întreaga fizică a particulelor, cu toate caracteristicile sale cuantice, de la o bază non-cuantică.

Recapitularea celor 200 de pagini de argumente ale lui ‘t Hooft în câteva paragrafe omite multe nuanțe. Dar la baza abordării sale se află noțiunea că elementele ultime ale realității, oricare ar fi ele, nu corespund modelelor pentru realitate concepute de mintea umană. Concepte precum particulele și câmpurile utilizate în fizica standard de astăzi sunt invenții umane. Particulele subatomice, atomii, moleculele – lucrurile care prezintă o ciudățenie cuantică – sunt șabloane impuse de teoria umană asupra obiectelor cu adevărat reale care stau la baza naturii. Misterele cuantice apar din cauza lipsei de conștientizare a nivelului de bază. Un electron poate fi în două locuri simultan, deoarece un electron nu este un element de bază al realității – este un șablon care include mai multe „beables”, stările submicroscopice ale realității adevărate.

„Datorită gândirii noastre intuitive, șabloanele noastre reprezintă într-un fel realitatea, că ne-am lovit de paradoxurile aparent inevitabile” ale fizicii cuantice, scrie ‘t Hooft. El crede că un automat celular poate descrie stările reale care stau la baza șabloanelor în mod determinist, cu matematica care poate fi transformată în descrierile aparent probabiliste ale realității ale teoriei cuantice.

„Luăm în considerare cazurile în care cineva are o automat clasic, determinist pe de o parte, și an aparent sistem mecanic cuantic pe de altă parte”, scrie el. „Atunci, se consideră că maparea matematică arată că aceste două sisteme sunt echivalente în sensul că soluțiile unuia pot fi folosite pentru a descrie soluțiile celuilalt.”

Cu toate acestea, deși ‘t Hooft face multe progrese, el recunoaște că bătălia este departe de a fi câștigată. Există dificultăți de depășit înainte ca el să poată reproduce toate victoriile obținute prin modelul standard al fizicii particulelor. Ca să nu mai vorbim de încorporarea soluțiilor la puzzle-urile rămase, cum ar fi modul de formulare a unei teorii cuantice a gravitației.

„Poate dura ani, decenii, poate secole pentru a ajunge la o teorie cuprinzătoare a gravitației cuantice, combinată cu o teorie a materiei cuantice care va fi o extensie elaborată a modelului standard”, scrie el. Numai atunci va fi posibil să se identifice beables, ingredientele de bază pentru teoria deterministă și să se descopere relația dintre beables și șabloanele umane, cum ar fi particulele și câmpurile. „Numai atunci putem spune dacă interpretarea automatului celular funcționează cu adevărat.”

‘t Hooft a dezvoltat aceste idei de mulți ani. Până acum, ei nu s-au prins printre alți fizicieni cuantici. Dar eforturile lui sunt mult mai subtile și mai sofisticate decât multe alte încercări de a restabili determinismul cauza-efect în univers. Și chiar dacă nu a reușit încă să stabilească că această abordare va funcționa, a oferit suficiente dovezi că opiniile sale ar trebui luate în serios. Și acesta este unul dintre scopurile lui.

„Sperăm să inspirăm mai mulți fizicieni să… să ia în considerare în mod serios posibilitatea ca mecanica cuantică, așa cum o știm noi, să nu fie o trăsătură fundamentală, misterioasă, impenetrabilă a lumii noastre fizice, ci mai degrabă un instrument pentru a descrie statistic o lume în care legile fizice, la rădăcinile lor cele mai de bază, nu sunt deloc mecanice cuantice. Sigur, nu știm cum să formulăm cele mai elementare legi în prezent, dar colectăm indicii că o lume clasică care stă la baza mecanicii cuantice există.”

Urmărește-mă pe Twitter: @tom_siegfried