În adâncul fizicii există o presupunere norocoasă. A fost o presupunere incredibil de bună, una care rămâne solidă în fața timpului și a experimentelor, iar acum este un principiu fundamental în mecanica cuantică.
Se numește regula lui Born și, deși este folosită pentru predicții, nimeni nu înțelege cu adevărat cum funcționează. Dar o nouă încercare îndrăzneață de a o rescrie ar putea fi ruptura pe care o căutam pentru a o înțelege în sfârșit în întregime.
Fizicienii Lluís Masanes și Thomas Galley de la University College London au făcut echipă cu Markus Müller de la Academia Austriacă de Științe pentru a găsi o nouă modalitate de a descrie această lege de bază a fizicii.
Ei nu sunt primii care caută adevăruri mai profunde pentru acest principiu cuantic cel mai uluitor. Și, să fim sinceri, nu vor fi nici ultimii. Dar dacă există o soluție de găsit, probabil că va fi nevoie de o abordare unică ca a lor.
În primul rând, pentru a înțelege ce este atât de special la regula lui Born, trebuie să dăm puțin înapoi.
A devenit un clișeu să spunem că mecanica cuantică este ciudată. Cu pisicile care sunt în același timp vii și moarte și cu particulele care teleportează informații prin spațiu și timp, suntem obișnuiți să vedem subsolul fizicii ca pe un spectacol de magie.
Numele mari precum Schrödinger, Heisenberg și Einstein tind să primească gloria, dar fizicianul și matematicianul german Max Born este cel care merită cu adevărat creditul pentru durerea de cap monumentală pe care o oferă mecanica cuantică.
Pentru a înțelege contribuția sa, trebuie doar să ne uităm la încurcătura fierbinte în care se aflau fizicienii la începutul anilor 1920. Structura atomului fusese recent dezvăluită ca fiind formată dintr-un nucleu dens, încărcat pozitiv, înconjurat de particule mai mici încărcate negativ.
De ce nu se prăbușea întregul sistem era marea întrebare care se punea, până când fizicianul francez Louis de Broglie a venit cu o sugestie îndrăzneață – la fel cum undele de lumină aveau o natură de particule, acei electroni negativi ar putea rămâne în aer dacă ar fi, de asemenea, de tip undă.
Dualitatea luminii era deja destul de greu de înghițit. Dar a descrie materia cu aparență solidă ca și cum ar fi fost un val pe ocean era pur și simplu o nebunie. Cu toate acestea, experimentele au arătat că era o potrivire bună.
Atunci, în 1926, Born a venit cu o sugestie simplă – inspirându-se din matematica colegilor săi, el a arătat cum aceste unde reflectau probabilitatea și a venit cu o regulă care îmbina observațiile cu măsurile de șansă. Această regulă le permite fizicienilor să prezică poziția particulelor în experimente, folosind probabilitățile reflectate de amplitudinile acestor funcții de undă.
Dar regula lui Born nu s-a bazat pe un set de axiome de bază sau pe adevăruri mai profunde ale naturii. Într-o prelegere pe care a ținut-o cu ocazia primirii Premiului Nobel pentru Fizică pentru munca sa în 1954, Born a explicat că momentul „aha!” a reieșit din munca lui Einstein.
„El a încercat să facă inteligibilă dualitatea dintre particule – cuante de lumină sau fotoni – și unde prin interpretarea pătratului amplitudinilor undelor optice ca densitate de probabilitate pentru apariția fotonilor”, a spus Born.
A fost o presupunere inspirată, și chiar una precisă. Dar nu existau axiome de bază, nu existau legi fundamentale care să-l conducă pe Born la concluzia sa. Era pur predictivă, nu spunea nimic despre principii mai profunde care transformă o multitudine de posibilități într-o singură realitate.
Einstein a urât implicațiile, afirmând în mod faimos că Dumnezeu nu joacă zaruri, și a simțit că mecanica cuantică era o teorie incompletă, așteptând noi piese care să clarifice imaginea.
La aproape un secol distanță, acele piese sunt la fel de evazive ca întotdeauna. Iar regula lui Born se află încă în centrul ei, prezicând în tăcere fără a dezvălui secretul alegerii sale.
Ceea ce este necesar este o reformulare a faimoasei legi care să păstreze puterea sa de predicție, făcând în același timp aluzie la alte adevăruri. Astfel, Masanes, Galley și Muller au refăcut formularea regulii pe baza unei mâini de ipoteze aparent triviale.
În primul rând, ei au subliniat că stările cuantice sunt descrise în funcție de măsuri de mărime și direcție.
În al doilea rând, ei au arătat cum aceste stări pot fi descrise în conformitate cu ceea ce se numește unitaritate. Acest jargon se referă la informația care leagă punctele de început și de sfârșit ale unui proces. (Pentru a folosi o analogie rudimentară, s-ar putea să nu știm cum am ajuns acasă de la bar, dar metoda care ne-a dus acolo descrie, de asemenea, traseul de întoarcere.)
În continuare, ei au presupus că oricum am alege să grupăm părțile unui sistem cuantic complex, acest lucru nu ar trebui să facă o diferență pentru măsurarea stării finale. Împărțirea unui curcubeu în șapte culori este o alegere pe care o facem sub rezerva contextului; natura nu este întotdeauna preocupată de diviziuni convenabile.
În ultimul rând, ei au afirmat că măsurarea unei stări cuantice este unică. La urma urmei, o multitudine de posibilități se termină cu un răspuns solid.
De la aceste puncte de plecare simple, trio-ul a construit în mod logic până la regula lui Born. Lucrarea lor este disponibilă pentru oricine pentru a fi citită pe site-ul web arxiv.org, dar deja stârnește discuții.
Nu este o soluție în sine, atenție, deoarece nu reușește să explice de ce un val de posibilități se prăbușește în realitatea pe care o observăm.
În schimb, arată cum presupunerile fundamentale pot da naștere aceleiași legi, oferind o nouă perspectivă asupra modului de abordare a problemei.
Deocamdată, Dumnezeu încă aruncă acele zaruri corect și cinstit. Poate că așa îl vom prinde trișând.