Experimentul care a schimbat pentru totdeauna modul în care gândim despre realitate

Principiul incertitudinii spune că nu se pot cunoaște anumite proprietăți ale unui sistem cuantic în același timp. De exemplu, nu poți cunoaște simultan poziția unei particule și impulsul său. Dar ce implică acest lucru despre realitate? Dacă am putea arunca o privire în spatele cortinei teoriei cuantice, am descoperi că obiectele au într-adevăr poziții și momente bine definite? Sau principiul incertitudinii înseamnă că, la un nivel fundamental, obiectele pur și simplu nu pot avea o poziție și un moment clar în același timp. Cu alte cuvinte, neclaritatea este în teoria noastră sau este în realitatea însăși?

Vezi mai mult

Cazul 1: Ochelari neclari, realitate clară

Prima posibilitate este că utilizarea mecanicii cuantice este ca și cum ai purta ochelari neclarificați. Dacă am putea cumva să ridicăm acești ochelari și să tragem cu ochiul în spatele scenei la realitatea fundamentală, atunci bineînțeles că o particulă trebuie să aibă o poziție și un moment definit. La urma urmei, este un lucru în universul nostru, iar universul trebuie să știe unde se află acest lucru și în ce direcție se îndreaptă, chiar dacă noi nu știm acest lucru. Conform acestui punct de vedere, mecanica cuantică nu este o descriere completă a realității – sondăm finețea naturii cu un instrument contondent și, prin urmare, este inevitabil să ne scape unele detalii.

Acest lucru se potrivește cu modul în care funcționează orice altceva în lumea noastră. Când îmi scot pantofii și vedeți că port șosete roșii, nu presupuneți că șosetele mele erau într-o stare de culoare nedeterminată până când le-am observat, cu o oarecare șansă ca ele să fi fost albastre, verzi, galbene sau roz. Astea sunt vorbe nebunești. În schimb, presupui (corect) că șosetele mele au fost întotdeauna roșii. Deci, de ce ar trebui ca o particulă să fie diferită? Cu siguranță, proprietățile lucrurilor din natură trebuie să existe independent de faptul că le măsurăm sau nu, nu-i așa?

Cazul 2: Ochelari clari, realitate neclară

Pe de altă parte, s-ar putea ca ochelarii noștri să fie perfect clari, dar realitatea să fie neclară. Potrivit acestui punct de vedere, mecanica cuantică este o descriere completă a realității la acest nivel, iar lucrurile din univers pur și simplu nu au o poziție și un moment definit. Acesta este punctul de vedere la care aderă majoritatea fizicienilor cuantici. Nu este vorba de faptul că instrumentele sunt contondente, ci de faptul că realitatea este în mod inerent nebuloasă. Spre deosebire de cazul șosetelor mele roșii, atunci când măsori unde se află o particulă, aceasta nu a avut o poziție definită până în momentul în care ai măsurat-o. Actul de a-i măsura poziția a forțat-o să aibă o poziție definită.

Acum, ați putea crede că aceasta este una dintre acele întrebări metafizice de tipul „dacă un copac cade în pădure” care nu pot avea niciodată un răspuns definit. Totuși, spre deosebire de majoritatea întrebărilor filozofice, există un experiment real pe care îl puteți face pentru a rezolva această dezbatere. Mai mult, experimentul a fost făcut, de multe ori. Din punctul meu de vedere, aceasta este una dintre cele mai subapreciate idei din înțelegerea noastră populară a fizicii. Experimentul este destul de simplu și extraordinar de profund, deoarece ne spune ceva profund și surprinzător despre natura realității.

Iată care este montajul. Există o sursă de lumină în mijlocul camerei. La fiecare minut, la minut, aceasta trimite doi fotoni, în direcții opuse. Aceste perechi de fotoni sunt create într-o stare specială cunoscută sub numele de entanglement cuantic. Aceasta înseamnă că amândoi sunt conectați într-un mod cuantic – astfel încât, dacă efectuați o măsurătoare asupra unui foton, nu modificați doar starea cuantică a acelui foton, ci modificați imediat și starea cuantică a celuilalt foton.

Am înțeles până acum?

În stânga și în dreapta acestei încăperi se află două cutii identice concepute pentru a primi fotonii. Fiecare cutie are o lumină pe ea. În fiecare minut, în momentul în care fotonul lovește cutia, lumina clipește una dintre cele două culori, fie roșu, fie verde. De la minut la minut, culoarea luminii pare destul de aleatorie – uneori este roșie, alteori este verde, fără un model clar într-un fel sau altul. Dacă vă băgați mâna în calea fotonului, becul nu clipește. Se pare că această cutie detectează o anumită proprietate a fotonului.

Așa că, atunci când vă uitați la oricare dintre cutii, aceasta emite o lumină roșie sau verde, complet la întâmplare. Oricine poate ghici ce culoare va clipi în continuare. Dar iată ce este cu adevărat ciudat: ori de câte ori o cutie clipește o anumită culoare, cealaltă cutie va clipi întotdeauna aceeași culoare. Indiferent cât de departe încercați să îndepărtați cutiile de detector, ele ar putea fi chiar în capetele opuse ale sistemului nostru solar, ele vor clipi aceeași culoare fără greș.

Este aproape ca și cum aceste cutii conspiră pentru a da același rezultat. Cum este posibil acest lucru? (Dacă aveți propria voastră teorie preferată despre modul în care funcționează aceste cutii, păstrați-o. Peste puțin timp veți putea să vă testați ideea cu un experiment.)

„Aha!”, spune entuziastul cuantic. „Pot să explic ce se întâmplă aici. De fiecare dată când un foton lovește una dintre cutii, cutia măsoară starea sa cuantică, pe care o raportează clipind fie o lumină roșie, fie una verde. Dar cei doi fotoni sunt legați între ei prin întrepătrundere cuantică, așa că atunci când măsurăm că un foton este în stare roșie (să zicem), am forțat și celălalt foton să intre în aceeași stare! Acesta este motivul pentru care cele două cutii clipesc întotdeauna în aceeași culoare.”

„Stai așa”, spune fizicianul clasic prozaic. „Particulele sunt ca niște bile de biliard, nu ca niște păpuși voodoo. Este absurd ca o măsurătoare într-un colț al spațiului să poată afecta instantaneu ceva aflat într-un loc total diferit. Când observ că una dintre șosetele mele este roșie, acest lucru nu schimbă imediat starea celeilalte șosete, forțând-o să fie și ea roșie. Explicația mai simplă este că fotonii din acest experiment, ca și șosetele, sunt creați în perechi. Uneori sunt amândoi în stare roșie, alteori sunt amândoi în stare verde. Aceste cutii nu fac decât să măsoare această „stare ascunsă” a fotonilor.”

Experimentul și raționamentul enunțat aici este o versiune a unui experiment de gândire articulat pentru prima dată de Einstein, Podolsky și Rosen, cunoscut sub numele de experimentul EPR. Esența argumentului lor este că pare absurd ca o măsurătoare într-un loc să poată influența imediat o măsurătoare într-un loc total diferit. Explicația mai logică este că aceste cutii detectează o proprietate ascunsă pe care ambii fotoni o împărtășesc. Din momentul creării lor, acești fotoni ar putea purta o ștampilă ascunsă, ca un pașaport, care îi identifică ca fiind fie în stare roșie, fie în stare verde. În acest caz, cutiile trebuie să detecteze această ștampilă. Einstein, Podolsky și Rosen au susținut că aleatorismul pe care îl observăm în aceste experimente este o proprietate a teoriei noastre incomplete a naturii. Potrivit acestora, ochelarii noștri sunt cei care sunt încețoșați. În jargonul domeniului, această idee este cunoscută sub numele de teoria variabilelor ascunse ale realității.

Se pare că fizicianul clasic a câștigat această rundă, cu o explicație care este mai simplă și are mai mult sens.

A doua zi, o nouă pereche de cutii sosește prin poștă. Noua versiune a cutiei are trei uși încorporate în ea. Poți deschide doar o singură ușă pe rând. În spatele fiecărei uși se află o lumină și, la fel ca înainte, fiecare lumină poate străluci roșu sau verde.

Cei doi fizicieni se joacă cu aceste noi cutii, capturând fotoni și urmărind ce se întâmplă când deschid ușile. După câteva ore de tatonare, iată ce au descoperit:

1. Dacă deschid aceeași ușă a ambelor cutii, luminile clipesc întotdeauna de aceeași culoare.

2. Dacă deschid ușile celor două cutii la întâmplare, atunci luminile clipesc de aceeași culoare exact în jumătate din timp.

După ce se gândește puțin, fizicianul clasic găsește o explicație simplă pentru acest experiment. „Practic, acest lucru nu este foarte diferit de cutiile de ieri. Iată un mod de a ne gândi la asta. În loc de a avea doar o singură ștampilă, să spunem că fiecare pereche de fotoni are acum trei ștampile, un fel de a deține mai multe pașapoarte. Pe fiecare ușă a cutiei se citește o ștampilă diferită dintre aceste trei ștampile. Deci, de exemplu, cele trei ștampile ar putea fi roșu, verde și roșu, ceea ce înseamnă că prima ușă ar clipi roșu, a doua ușă ar clipi verde, iar a treia ușă ar clipi roșu.”

„Mergând pe această idee, este logic că atunci când deschidem aceeași ușă la ambele cutii, obținem aceeași lumină colorată, deoarece ambele cutii citesc aceeași ștampilă. Dar când deschidem uși diferite, cutiile citesc ștampile diferite, așa că pot da rezultate diferite.”

Din nou, explicația fizicianului clasic este simplă și nu invocă noțiuni fanteziste, cum ar fi încurcătura cuantică sau principiul incertitudinii.

„Nu atât de repede”, spune fizicianul cuantic, care tocmai a terminat de mâzgălit un calcul pe carnețelul său. „Când tu și cu mine am deschis ușile la întâmplare, am descoperit că o jumătate din timp, luminile clipesc în aceeași culoare. Acest număr – o jumătate – concordă exact cu predicțiile mecanicii cuantice. Dar, conform ideilor tale de „ștampile ascunse”, luminile ar trebui să clipească în aceeași culoare mai mult de jumătate din timp!”

Antologul cuantic are ceva aici.

„Conform ideii ștampilelor ascunse, există 8 combinații posibile de ștampile pe care le-ar putea avea fotonii. Să le etichetăm după primele litere ale culorilor, pe scurt, deci RRG = roșu roșu verde.”

RRG
RGR
GRR
GGR
GRG
GRG
RGG
RRR
GGG

„Acum, când alegem uși la întâmplare, o treime din timp vom alege aceeași ușă din întâmplare, iar când o vom face, vom vedea aceeași culoare.”

„În celelalte două treimi din timp, alegem uși diferite. Să spunem că întâlnim fotoni cu următoarea configurație de ștampile:”

RRG

„Într-o astfel de configurație, dacă am ales ușa 1 pe o cutie și ușa 2 pe alta, luminile clipesc de aceeași culoare (roșu și roșu). Dar dacă am ales ușile 1 și 3, sau ușile 2 și 3, acestea ar clipi în culori diferite (roșu și verde). Așadar, într-o treime din astfel de cazuri, cutiile clipesc în aceeași culoare.”

„Ca să rezumăm, într-o treime din cazuri cutiile clipesc în aceeași culoare pentru că am ales aceeași ușă. În două treimi din timp am ales uși diferite, iar într-o treime din aceste cazuri, cutiile clipesc de aceeași culoare.”

„Adăugând acest lucru,”

⅓ + ⅔ ⅔ ⅓ = 3/9 + 2/9 = 5/9 = 55.55%

„Deci 55,55% este probabilitatea ca cutiile să clipească de aceeași culoare atunci când alegem două uși la întâmplare, conform teoriei timbrelor ascunse.”

„Dar așteptați! Ne-am uitat doar la o singură posibilitate – RRG. Cum rămâne cu celelalte? Este nevoie de puțină gândire, dar nu este prea greu să arătăm că matematica este exact aceeași în toate cazurile următoare:”

RRG
RGR
GRR
GGR
GRG
RGG

„Rămân doar două cazuri:”

RRR
GGG

„În aceste cazuri, obținem aceeași culoare indiferent de ușile pe care le alegem. Deci nu poate decât să crească șansele generale ca cele două cutii să lumineze aceeași culoare.”

„Culmea este că, potrivit ideii timbrelor ascunse, șansele ca ambele cutii să lumineze aceeași culoare atunci când deschidem ușile la întâmplare sunt de cel puțin 55,55%. Dar, conform mecanicii cuantice, răspunsul este de 50%. Datele sunt de acord cu mecanica cuantică și exclud teoria „ștampilelor ascunse”.”

Dacă ați ajuns până aici, merită să vă opriți să vă gândiți la ceea ce tocmai am arătat.

Tocmai am parcurs argumentarea unui rezultat revoluționar în mecanica cuantică, cunoscut sub numele de teorema lui Bell. Cutiile negre nu clipesc cu adevărat lumini roșii și verzi, dar în detaliile care contează ele se potrivesc cu experimentele reale care măsoară polarizarea fotonilor încurcați.

Teorema lui Bell trasează o linie în nisip între lumea cuantică ciudată și lumea clasică familiară pe care o cunoaștem și o iubim. Ea dovedește că teoriile variabilelor ascunse de genul celor pe care Einstein și amicii săi le-au inventat pur și simplu nu sunt adevărate1. În locul ei se află mecanica cuantică, cu tot cu particulele sale care pot fi încurcate pe distanțe mari. Când perturbați starea cuantică a uneia dintre aceste particule încurcate, o perturbați instantaneu și pe cealaltă, indiferent de locul din univers în care se află.

Este reconfortant să ne gândim că am putea explica ciudățenia mecanicii cuantice dacă ne-am imagina particule de zi cu zi cu mici angrenaje invizibile în ele, sau ștampile invizibile, sau un caiet ascuns, sau ceva de genul acesta – niște variabile ascunse la care nu avem acces – iar aceste variabile ascunse stochează poziția și impulsul „reale” și alte detalii despre particulă. Este reconfortant să ne gândim că, la un nivel fundamental, realitatea se comportă în mod clasic și că teoria noastră incompletă nu ne permite să tragem cu ochiul în acest registru ascuns. Dar teorema lui Bell ne răpește acest confort. Realitatea este neclară și trebuie doar să ne obișnuim cu acest fapt.

Note de subsol

1. Din punct de vedere tehnic, teorema lui Bell și experimentul subsecvent exclud o mare clasă de teorii cu variabile ascunse cunoscute sub numele de teorii locale cu variabile ascunse. Acestea sunt teorii în care variabilele ascunse nu călătoresc mai repede decât lumina. Ea nu exclude teoriile variabilelor ascunse nelocale în care variabilele ascunse călătoresc mai repede decât lumina, iar mecanica Bohmiană este cel mai reușit exemplu de astfel de teorie.

Am întâlnit pentru prima dată această explicație cu cutii cu lumini intermitente a teoremei lui Bell în cartea lui Brian Greene, Fabric of the Cosmos. Această versiune pedagogică a experimentului lui Bell se trage de la fizicianul David Mermin, care a venit cu ea. Dacă doriți să gustați o mostră din marca sa unică și strălucită de expunere a fizicii, luați un exemplar al cărții sale Boojums All the Way Through.

Homepage Image: NASA/Flickr

.