Fizica cuantică este de obicei intimidantă încă de la început. Este destul de ciudată și poate părea contra-intuitivă, chiar și pentru fizicienii care se ocupă de ea în fiecare zi. Dar nu este de neînțeles. Dacă citești ceva despre fizica cuantică, există într-adevăr șase concepte cheie despre ea pe care ar trebui să le ai în vedere. Faceți asta și veți găsi fizica cuantică mult mai ușor de înțeles.
Toate lucrurile sunt făcute din unde; de asemenea, particule
Lumina ca particulă și undă. (Credit imagine: Fabrizio Carbone/EPFL)
Există o mulțime de locuri pentru a începe acest tip de discuție, iar acesta este la fel de bun ca oricare altul: totul în univers are atât natura de particule, cât și de unde, în același timp. Există o replică în duologia fantasy a lui Greg Bear (The Infinity Concerto și The Serpent Mage), în care un personaj care descrie elementele de bază ale magiei spune: „Totul este valuri, fără ca nimic să se unduiască, pe nicio distanță”. Întotdeauna mi-a plăcut foarte mult asta ca o descriere poetică a fizicii cuantice – în adâncul sufletului, tot ceea ce există în univers are natura undelor.
Desigur, tot ceea ce există în univers are și natura particulelor. Acest lucru pare complet nebunesc, dar este un fapt experimental, elaborat printr-un proces surprinzător de familiar:
(există și o versiune animată a acestui lucru pe care am făcut-o pentru TED-Ed).
Descrierea obiectelor reale atât ca particule cât și ca unde este în mod necesar oarecum imprecisă. Propriu-zis, obiectele descrise de fizica cuantică nu sunt nici particule, nici unde, ci o a treia categorie care împărtășește unele proprietăți ale undelor (o frecvență și o lungime de undă caracteristice, o anumită răspândire în spațiu) și unele proprietăți ale particulelor (sunt în general numărabile și pot fi localizate într-o anumită măsură). Acest lucru conduce la dezbateri aprinse în cadrul comunității de educație fizică cu privire la faptul dacă este cu adevărat adecvat să se vorbească despre lumină ca despre o particulă în cadrul cursurilor introductive de fizică; nu pentru că există vreo controversă cu privire la faptul că lumina are o anumită natură de particulă, ci pentru că numirea fotonilor „particule” mai degrabă decât „excitații ale unui câmp cuantic” ar putea conduce la unele concepții greșite ale studenților. Tind să nu fiu de acord cu acest lucru, pentru că multe dintre aceleași preocupări ar putea fi ridicate în legătură cu numirea electronilor „particule”, dar aceasta constituie o sursă sigură de conversații pe blog.
Această natură de „ușă numărul trei” a obiectelor cuantice se reflectă în limbajul uneori confuz pe care fizicienii îl folosesc pentru a vorbi despre fenomenele cuantice. Bosonul Higgs a fost descoperit la Large Hadron Collider ca o particulă, dar veți auzi, de asemenea, fizicienii vorbind despre „câmpul Higgs” ca despre un lucru delocalizat care umple tot spațiul. Acest lucru se întâmplă deoarece, în anumite circumstanțe, cum ar fi experimentele de coliziune, este mai convenabil să se discute despre excitațiile câmpului Higgs într-un mod care să sublinieze caracteristicile asemănătoare particulelor, în timp ce în alte circumstanțe, cum ar fi discuțiile generale despre motivul pentru care anumite particule au masă, este mai convenabil să se discute despre fizică în termeni de interacțiuni cu un câmp cuantic care umple universul. Este doar un limbaj diferit care descrie același obiect matematic.
Fizica cuantică este discretă
Aceste oscilații au creat o imagine a luminii „înghețate”. (Credit: Princeton)
Este chiar în nume – cuvântul „cuantic” vine din latină pentru „cât de mult” și reflectă faptul că modelele cuantice implică întotdeauna ceva care vine în cantități discrete. Energia conținută într-un câmp cuantic vine în multipli întregi ai unei energii fundamentale. Pentru lumină, aceasta este asociată cu frecvența și lungimea de undă a luminii – lumina cu frecvență înaltă și lungime de undă scurtă are o energie caracteristică mare, pe când lumina cu frecvență joasă și lungime de undă lungă are o energie caracteristică mică.
În ambele cazuri, totuși, energia totală conținută într-un anumit câmp luminos este un multiplu întreg al acelei energii – de 1, 2, 14, 137 de ori – niciodată o fracție ciudată precum unu și jumătate, π sau rădăcina pătrată a lui doi. Această proprietate se observă, de asemenea, în nivelurile energetice discrete ale atomilor și în benzile energetice ale solidelor – anumite valori ale energiei sunt permise, altele nu. Ceasurile atomice funcționează datorită caracterului discret al fizicii cuantice, folosind frecvența luminii asociată cu o tranziție între două stări permise în cesiu pentru a menține timpul la un nivel care necesită mult discutata „secundă bisectă” adăugată săptămâna trecută.
Spectroscopia ultraprecisă poate fi folosită, de asemenea, pentru a căuta lucruri precum materia întunecată și este o parte din motivația pentru un institut de fizică fundamentală de joasă energie.
Acest lucru nu este întotdeauna evident – chiar și unele lucruri care sunt fundamental cuantice, precum radiația corpului negru, par să implice distribuții continue. Dar există întotdeauna un fel de granularitate în realitatea subiacentă, dacă sapi în matematică, și aceasta este o mare parte din ceea ce duce la ciudățenia teoriei.
Fizica cuantică este probabilistă
(Credit: Graham Barclay/Bloomberg News)
Unul dintre cele mai surprinzătoare și (cel puțin din punct de vedere istoric) controversate aspecte ale fizicii cuantice este faptul că este imposibil de prezis cu certitudine rezultatul unui singur experiment asupra unui sistem cuantic. Atunci când fizicienii prezic rezultatul unui anumit experiment, predicția ia întotdeauna forma unei probabilități de a găsi fiecare dintre rezultatele particulare posibile, iar comparațiile dintre teorie și experiment implică întotdeauna deducerea distribuțiilor de probabilitate din multe experimente repetate.
Descrierea matematică a unui sistem cuantic ia de obicei forma unei „funcții de undă”, reprezentată în general în ecuații prin litera greacă psi: Ψ. Există o mulțime de dezbateri cu privire la ceea ce reprezintă, mai exact, această funcție de undă, împărțindu-se în două tabere principale: cei care consideră că funcția de undă este un lucru fizic real (termenul de jargon pentru acestea este teoriile „ontice”, ceea ce a determinat o persoană ingenioasă să îi numească pe susținătorii lor „psi-ontologi”) și cei care consideră că funcția de undă este doar o expresie a cunoștințelor noastre (sau a lipsei lor) cu privire la starea de bază a unui anumit obiect cuantic (teoriile „epistemice”).
În oricare dintre cele două clase de modele fundamentale, probabilitatea de a găsi un rezultat nu este dată direct de funcția de undă, ci de pătratul funcției de undă (în linii mari, oricum; funcția de undă este un obiect matematic complex (ceea ce înseamnă că implică numere imaginare, cum ar fi rădăcina pătrată a lui unu negativ), iar operația pentru a obține probabilitatea este puțin mai complicată, dar „pătratul funcției de undă” este suficient pentru a obține ideea de bază). Acest lucru este cunoscut sub numele de „regula Born”, după fizicianul german Max Born, care a sugerat pentru prima dată acest lucru (într-o notă de subsol la o lucrare din 1926), și li se pare unora că este o adăugare ad-hoc urâtă. Există un efort activ în unele părți ale comunității fundațiilor cuantice pentru a găsi o modalitate de a deriva regula Born dintr-un principiu mai fundamental; până în prezent, niciunul dintre acestea nu a avut succes deplin, dar generează o mulțime de știință interesantă.
Acesta este, de asemenea, aspectul teoriei care conduce la lucruri precum particule care se află în mai multe stări în același timp. Tot ceea ce putem prezice este probabilitatea, iar înainte de o măsurătoare care determină un anumit rezultat, sistemul care este măsurat se află într-o stare nedeterminată care, din punct de vedere matematic, se corelează cu o suprapunere a tuturor posibilităților cu probabilități diferite. Dacă considerați că acest lucru înseamnă că sistemul se află cu adevărat în toate stările în același timp sau doar într-o singură stare necunoscută depinde în mare măsură de sentimentele dvs. față de modelele ontice versus cele epistemice, deși ambele sunt supuse constrângerilor din următorul punct de pe listă:
Fizica cuantică este nelocală
Un experiment de teleportare cuantică în acțiune. (Credit: IQOQI/Viena)
Ultima mare contribuție a lui Einstein la fizică nu a fost recunoscută pe scară largă ca atare, mai ales pentru că s-a înșelat. Într-o lucrare din 1935, realizată împreună cu colegii săi mai tineri Boris Podolsky și Nathan Rosen („lucrarea EPR”), Einstein a oferit o declarație matematică clară a unui lucru care îl frământa de ceva timp, o idee pe care acum o numim „entanglement.”
Lucrarea EPR susținea că fizica cuantică permitea existența unor sisteme în care măsurătorile efectuate în locații foarte îndepărtate puteau fi corelate în moduri care sugerau că rezultatul uneia dintre ele era determinat de cealaltă. Ei au argumentat că acest lucru însemna că rezultatele măsurătorilor trebuie să fie determinate în avans, printr-un factor comun, deoarece alternativa ar necesita transmiterea rezultatului unei măsurători la locația celeilalte cu viteze mai mari decât viteza luminii. Astfel, mecanica cuantică trebuie să fie incompletă, o simplă aproximare la o teorie mai profundă (o teorie a „variabilei ascunse locale”, una în care rezultatele unei anumite măsurători nu depind de nimic mai îndepărtat de locația măsurătorii decât ar putea călători un semnal cu viteza luminii („local”), ci sunt determinate de un factor comun ambelor sisteme dintr-o pereche încurcată („variabila ascunsă”)).
Aceasta a fost privită ca o notă de subsol ciudată timp de aproximativ treizeci de ani, deoarece nu părea să existe nicio modalitate de a o testa, dar la mijlocul anilor 1960, fizicianul irlandez John Bell a elaborat consecințele lucrării EPR mai în detaliu. Bell a arătat că se pot găsi circumstanțe în care mecanica cuantică prezice corelații între măsurători la distanță care sunt mai puternice decât orice teorie posibilă de tipul celei preferate de E, P și R. Acest lucru a fost testat experimental la mijlocul anilor 1970 de către John Clauser, iar o serie de experimente realizate de Alain Aspect la începutul anilor 1980 este considerată în general ca fiind cea care a demonstrat definitiv că aceste sisteme încurcate nu pot fi explicate de nicio teorie locală a variabilelor ascunse.
Abordarea cea mai comună pentru a înțelege acest rezultat este de a spune că mecanica cuantică este nelocală: că rezultatele măsurătorilor efectuate într-o anumită locație pot depinde de proprietățile obiectelor îndepărtate într-un mod care nu poate fi explicat folosind semnale care se deplasează cu viteza luminii. Cu toate acestea, acest lucru nu permite trimiterea de informații la viteze care depășesc viteza luminii, deși au existat numeroase încercări de a găsi o modalitate de a utiliza non-localitatea cuantică pentru a face acest lucru. Refutarea acestor încercări s-a dovedit a fi o întreprindere surprinzător de productivă – pentru mai multe detalii, consultați lucrarea lui David Kaiser „How the Hippies Saved Physics”. Non-localitatea cuantică este, de asemenea, esențială pentru problema informațiilor în găurile negre care se evaporă și pentru controversa „firewall” care a generat o mulțime de activități recente. Există chiar unele idei radicale care implică o legătură matematică între particulele încurcate descrise în lucrarea EPR și găurile de vierme.
Quantum Physics Is (Mostly) Very Small
Imagini ale unui atom de hidrogen văzut printr-un telescop cuantic. (Credit: Stodolna et al. Phys. Rev…. Lett.)
Fizica cuantică are reputația de a fi ciudată, deoarece predicțiile sale sunt dramatic de diferite de experiența noastră de zi cu zi (cel puțin, pentru oameni – concepția cărții mele este că nu pare atât de ciudată pentru câini). Acest lucru se întâmplă deoarece efectele implicate devin mai mici pe măsură ce obiectele devin mai mari – dacă vreți să vedeți un comportament cuantic fără ambiguitate, practic vreți să vedeți particule care se comportă ca niște unde, iar lungimea de undă scade pe măsură ce crește impulsul. Lungimea de undă a unui obiect macroscopic, cum ar fi un câine care se plimbă prin cameră, este atât de ridicol de mică încât, dacă ați extinde totul astfel încât un singur atom din cameră să aibă dimensiunea întregului Sistem Solar, lungimea de undă a câinelui ar fi aproximativ de mărimea unui singur atom din acel sistem solar.
Aceasta înseamnă că, în cea mai mare parte, fenomenele cuantice sunt limitate la scara atomilor și a particulelor fundamentale, unde masele și vitezele sunt suficient de mici pentru ca lungimile de undă să devină suficient de mari pentru a fi observate direct. Cu toate acestea, există un efort activ într-o serie de domenii pentru a împinge dimensiunea sistemelor care prezintă efecte cuantice până la dimensiuni mai mari. Am scris pe blog despre experimentele grupului lui Markus Arndt care arată un comportament ondulatoriu în molecule din ce în ce mai mari, iar în „opto-mecanica cavităților” există o serie de grupuri care încearcă să folosească lumina pentru a încetini mișcarea unor bucăți de siliciu până la punctul în care natura cuantică discretă a mișcării ar deveni evidentă. Există chiar unele sugestii că ar fi posibil să se facă acest lucru cu oglinzi suspendate având mase de câteva grame, ceea ce ar fi uimitor de mișto.
Fizica cuantică nu este magie
Comic din „Surviving the World” de Dante Shepherd. (http://survivingtheworld.net/Lesson1518.html )… Folosit cu permisiune.
Punctul anterior duce foarte natural la acesta: oricât de ciudat ar părea, fizica cuantică nu este, în mod categoric, magie. Lucrurile pe care le prezice sunt ciudate după standardele fizicii de zi cu zi, dar ele sunt riguros constrânse de reguli și principii matematice bine înțelese.
Așa că, dacă cineva vine la tine cu o idee „cuantică” care pare prea bună pentru a fi adevărată – energie gratuită, puteri mistice de vindecare, motoare spațiale imposibile – este aproape sigur că este. Asta nu înseamnă că nu putem folosi fizica cuantică pentru a face lucruri uimitoare – puteți găsi o fizică foarte mișto în tehnologia banală – dar acele lucruri rămân bine în limitele legilor termodinamicii și ale bunului simț de bază.
Atunci iată-le: elementele esențiale de bază ale fizicii cuantice. Probabil că am omis câteva lucruri, sau am făcut unele afirmații care nu sunt suficient de precise pentru a mulțumi pe toată lumea, dar acest lucru ar trebui să servească cel puțin ca punct de plecare util pentru discuții ulterioare.