„QBists” abordează problemele cuantice adăugând un aspect subiectiv științei

Prima din două părți

Alfred North Whitehead, matematician-filosof-teolog, a fost unul dintre cei mai cerebrali comentatori ai secolului al XX-lea despre știință, gândire și omenire. În prelegerile întocmite ca un tratat numit Știința și lumea modernăel a descris „secolul geniului” (anii 1600) în timpul căruia știința modernă a crescut, iar oamenii au început să înțeleagă raționalitatea universului, eliminând lumea de „fanteziile medievale”.

Dar acesta nu a fost sfârșitul poveștii. Undeva de-a lungul liniei, știința a luat o întorsătură neprevăzută.

„Secolul al XVIII-lea s-a deschis cu încrederea liniștită că în cele din urmă prostiile au fost scăpate”, a scris Whitehead. „Astăzi suntem la polul opus al gândirii. Cerul știe ce prostie aparentă s-ar putea să nu se demonstreze mâine adevărul.”

Și asta a fost în 1925.

Whitehead reacționa la surprizele de la începutul secolului al XX-lea ale teoriei relativității și fizicii cuantice. Ambele i-au semnalat că teoria științifică „depășește bunul simț”. El a găsit evident că ordinea stabilită a legilor gravitației și mișcării lui Newton, completată de electromagnetismul lui Maxwell — materialismul ortodox din inima științei — nu ar putea supraviețui.

„Trebuie să existe o reorganizare”, a declarat Whitehead. În cele aproape nouă decenii care au trecut de atunci, acea reorganizare, deși a fost urmărită energic, nu a fost complet realizată.

Sigur, lumea deterministă îngrijită a lui Newton, efect de urmărire a cauzelor, cum ar fi felul în care tac-ul unui ceas urmează fiecare tic-tac, a fost înlocuită de un nou univers mai degrabă ca un cazinou decât un ceas. Fizica cuantică face din știință un factor de risc, prevăzând probabilități așa cum prognozează meteorologii ploile. Doar mult mai precis. Dar nimeni nu poate spune o poveste complet coerentă despre de ce funcționează teoria cuantică sau despre ce înseamnă aceasta. Singurul consens este că este ciudat.

Acea ciudățenie este bine documentată. Particulele sunt unde, iar undele sunt particule. Nu există așa ceva ca locația și viteza simultane. Mai multe locații simultan pentru o singură particulă. Pisicile simultan moarte și vii. Realități multiple, chiar, cum ar fi sutele de canale TV prin satelit. Toate prostii pentru mintea secolului al XVIII-lea. La fel și pentru multe minți încă din jur astăzi.

De fapt, niciuna dintre mințile din jur nu a reușit să dea sens tuturor acestor lucruri. Deși nu din lipsă de efort. „Interpretarea” fizicii cuantice, exprimată uneori ca articularea „fundamentelor” ei, a devenit la fel de populară precum ridiculizarea lui Dennis Rodman. Există mai multe interpretări cuantice propuse decât canale disponibile pe DirecTV, Platinum Package. Cu toate acestea, fizica cuantică rămâne o ghicitoare. Interpretarea propusă de nimeni nu reușește spre satisfacția nimănui cu o interpretare diferită.

Mulți fizicieni nu le pasă. Dacă matematica funcționează și funcționează, de ce să vă faceți griji despre ceea ce înseamnă, ei raționează.

Dar alții cred profund că știința ar trebui să caute să înțeleagă natura mai profund.

Este o problemă veche – dacă știința ar trebui să descrie pur și simplu ceea ce se întâmplă în natură sau, de asemenea, să explice de ce se întâmplă. O parte din problema interpretării cuantice este legată de această dispută. Dar există o diviziune mai profundă în filosofia științifică care afectează și interpretările cuantice. Este vorba despre rolul jucat de om de știință.

O rămășiță a abordării newtoniene persistă în fizica modernă: a privi natura ca obiect de studiu fără nici un rol pentru un subiect să o studieze. Unii oameni de știință insistă că acest punct de vedere este miop.

„Recunoașterea faptului că știința se referă la subiect (utilizatorul științei) și nu doar despre obiect (lumea exterioară acelui utilizator) poate elimina confuzia bine înrădăcinată”, scrie fizicianul David Mermin de la Universitatea Cornell într-o lucrare recentă.

Opinia sa provine dintr-o interpretare relativ recentă a mecanicii cuantice numită Bayesianism cuantic sau QBism pe scurt. Este o abordare susținută de mult de fizicianul cuantic Christopher Fuchs, dezvoltată cu colaboratorii Rüdiger Schack și Carlton Caves.

Părerea lor este că enigmele teoriei cuantice provin din alungarea subiectului – omul de știință sau oricine – din faptele despre „realitatea obiectivă”. Când un fizician calculează șansele de a găsi un electron în diferite locații sau probabilitatea ca un atom radioactiv să se descompună astăzi, acele probabilități sunt în general considerate fapte obiective despre natură. Deci realitatea este ca zarurile. Lui Einstein nu i-a plăcut. Cu toate acestea, lumea respectă probabilitățile pe care le oferă mecanica cuantică și nu le sfidează niciodată.

Dar nu este atât de evident pentru unii fizicieni că probabilitățile sunt fapte fizice. La urma urmei, probabilitățile sunt doar numere, calculate dintr-o expresie matematică numită funcție de undă, o formulă care descrie „starea cuantică” a unor lucruri precum electronii sau fotonii. A existat mult discurs filozofic despre dacă starea cuantică este ceva real sau pur matematic.

QBists spun că starea cuantică nu posedă o realitate fizică obiectivă independentă. Mai degrabă reprezintă pur și simplu informațiile pe care le deține un om de știință despre cum să calculeze probabilitățile pentru a face pariuri pe ceea ce se va întâmpla. Și QBists aderă la o versiune a școlii bayesiene de inferență statistică, în care probabilitățile sunt subiective – o măsură a gradului de credință al unei persoane despre ceea ce se va întâmpla. Probabilitățile bayesiene sunt calculate prin combinarea așteptărilor anterioare cu date observabile. QBists văd mecanica cuantică ca o metodă de calculare a cotelor într-un mod similar.

„Conform QBism, mecanica cuantică este un instrument pe care oricine îl poate folosi pentru a evalua, pe baza experienței anterioare, așteptările probabilistice ale cuiva pentru experiența ulterioară”, au scris Fuchs, Mermin și Schack într-o lucrare de anul trecut.

O mare parte din presupusa ciudățenie cuantică inexplicabilă se dizolvă atunci când acest punct de vedere este adoptat, susțin QBists. Când se face o măsurătoare, de exemplu, posibilitățile multiple cuprinse de funcția de undă dispar toate, cu excepția celei corespunzătoare rezultatului măsurării. Acest „prăbușire a funcției de undă” a provocat tot felul de frământări filozofice despre măsurători care „creează realitatea” în loc să o înregistreze doar. Dar din perspectiva QBist, o măsurare este doar o experiență pentru un „agent” care acționează ca un investigator al naturii. Ceea ce se creează este doar o nouă experiență pentru agent.

Orice astfel de agent poate folosi regulile mecanicii cuantice pentru a calcula cotele pentru diferite rezultate de măsurare pe un sistem descris de o stare cuantică dată. Dar aceste șanse sunt judecata personală a agentului. Aceasta înseamnă că, în primul rând, starea cuantică este, de asemenea, o judecată personală a agentului. „Celebratul „colaps al funcției de undă” nu este altceva decât actualizarea atribuției de stat a unui agent pe baza experienței sale”, scriu Fuchs, Mermin și Schack.

În mod similar, misterioasa „acțiune înfricoșătoare la distanță” care l-a consternat atât de mult pe Einstein nu este o problemă pentru QBism. Dacă Alice și Bob posedă fiecare una dintre cele două particule care sunt conectate cuantic sau încurcate, măsurarea lui Alice pe una va garanta rezultatul pe care Bob îl va obține pe cealaltă. Sună înfricoșător. Dar Alice nu știe ce rezultat obține Bob până nu vorbește cu el. Fiecare rezultat, al lui Bob și al lui Alice, este personal. Rezultatele corespund doar atunci când Bob și Alice compară notele prin canale de comunicare obișnuite (mai lente decât luminoase). Nu este necesară nicio mesagerie cuantică magică înfricoșătoare între ele.

Această formulare diferă în unele privințe de opiniile lui Niels Bohr, părintele fondator al fizicii cuantice. Dar unele aspecte ale QBism rezonează cu accentul pus de Bohr asupra inutilității descrierii unei realități cuantice obiective. În schimb, știința ar trebui să se concentreze pe găsirea ordinii în experiențele umane ale naturii. „În descrierea noastră a naturii scopul nu este de a dezvălui esența reală a fenomenelor, ci doar de a urmări, în măsura în care este posibil, relațiile dintre multiplele aspecte ale experienței noastre”, a afirmat Bohr.

Un alt pionier cuantic, Erwin Schrödinger, și-a exprimat un sentiment similar (chiar dacă nu a fost puternic de acord cu Bohr în alte chestiuni). Schrödinger a subliniat odată că „deoarece tot ceea ce știe oricare dintre noi despre lume este construit din experiența sa privată individuală, poate fi neînțelept să te bazezi pe o imagine a lumii fizice din care experiența personală a fost exclusă în mod explicit”, scrie Mermin. .

Pentru un QBist, experiența personală a unui agent este cel mai important lucru despre fizica cuantică. Stările cuantice nu pot fi elemente obiective ale realității deoarece sunt informații subiective, personale, folosite de un agent pentru calcularea șanselor experiențelor viitoare. În acest sens, QBismul are ceva în comun cu originile științei, așa cum a spus Whitehead.

„Nu putem realiza prea atent că știința a început cu organizarea experiențelor obișnuite”, a scris Whitehead Știința și lumea modernă. „Nu a cerut semnificații finale. S-a limitat la investigarea conexiunilor care reglementează succesiunea evenimentelor evidente.”

Dar modul în care a început știința nu trebuie neapărat să restrângă libertatea practicanților săi actuali de a căuta explicații mai profunde. Pentru unii fizicieni, imaginea cuantică a universului trebuie să fie diferită de cei care fac calculele cuantice. Oamenii nu sunt doar subiecții care efectuează cercetări cuantice, ei fac și parte din existența pe care o descrie teoria cuantică. O explicație științifică adecvată a lumii nu ar trebui să depindă de oamenii care evoluează pentru a face calcule, susțin mulți experți, ci ar trebui să permită o explicație la nivel înalt pentru acțiunile acelor agenți și de ce obțin rezultatele pe care le obțin. Multe interpretări actuale ale fizicii cuantice merg pe această cale în loc de QBism.

Urmărește-mă pe Twitter: @tom_siegfried