Mecanica cuantică este una dintre realizările bizare și, totodată, fascinate ale minții umane. Ne spune că particulele pot fi în două locuri deodată, că universul e profund nedeterminist sau că realitatea însăși este, la un anumit nivel, o chestiune de probabilitate. Dar iată o întrebare pe cât de absurdă, pe atât de provocatoare: ar fi putut grecii antici să inventeze mecanica cuantică? Și dacă da, cum ar fi arătat lumea de azi?
La prima vedere, răspunsul pare un categoric „nu”. Pentru a descoperi mecanica cuantică, trebuie să ai la dispoziție spectroscoape, tuburi cu raze X, surse de lumină controlate, laboratoare șamd. Cu alte cuvinte, o întreagă infrastructură științifică.
Și totuși, provocarea lansată de NewScientist ne obligă să ne gândim altfel: ce a fost cu adevărat necesar pentru nașterea acestei teorii? Și de ce a apărut exact când a apărut, adică acum fix un secol, în 1925?
Heraclit și rădăcinile uitate ale fizicii cuantice
Cu mai bine de două milenii înainte ca fizica cuantică să zdruncine fundamentele științei moderne, doi filosofi greci conturau viziuni radical diferite despre natura realității, viziuni care, într-un mod neașteptat, își găsesc ecoul în dezbaterile actuale din fizică.
Primul, Heraclit, filozoful din Efes, activ în perioada secolului al Vi-lea î. Hr., este celebru pentru afirmația că „nu te poți scălda de două ori în apa aceluiași râu”. Sau „panta rhei”, totul curge. Pentru el, schimbarea era esența existenței. Totul era flux, transformare, tensiune între contrarii.
Lumea nu era fixă, ci se construia clipă de clipă, ca un foc care arde fără să se repete. În gândirea lui, vedem germenii unei fizici a proceselor, o realitate în care ceea ce contează nu sunt obiectele în sine, ci relațiile dintre ele, o viziune care, ironic, rezonează cu unele interpretări moderne ale mecanicii cuantice.
Paradoxul atomismului lui Democrit
Punctul de cotitură a fost atunci când Parmenide, un alt filozof grec, a declarat că universul este unic și neschimbător. Credea chiar că mișcarea este imposibilă, un lucru pe care contemporanul său Heraclit a încercat să-l infirme fluturându-i mâna în fața feței. Parmenide nu s-a lăsat convins. Doar pentru că mâna e într-un loc și apoi în altul, nu înseamnă că putem spune că s-a mișcat, susținea el.
Parmenide l-a inspirat pe Democrit, care, rezonabil, a respins ideea extravagantă că mișcarea nu există, dar a păstrat concepția unei realități neschimbătoare. Atomismul său împăca aceste două viziuni, și permitea lumii vizibile să se schimbe, în timp ce atomii indivizibili care o compun rămân aceiași.
Democrit a oferit, la un secol după Heraclit, o viziune ordonată, predictibilă, mecanicistă, o lume în care schimbarea este doar o combinație diferită de aceleași bucăți fundamentale. O concepție care avea să inspire direct fundamentele științei clasice, de la Newton la chimia atomică.
Numai că, dacă ne uităm atent la fizica de azi, constatăm o întorsătură paradoxală. Cu toate că atomismul lui Democrit a fost validat într-o anumită măsură, ideea lui Heraclit, aceea a unei realități fluide, guvernată de procese, probabilități și transformări constante, respinsă inițial, revine în forță în fizica cuantică.
Unde anume se termină o particulă și unde începe o undă? Ce este cu adevărat „real” în lumea microscopică? Nu știm cu certitudine. Și exact acest tip de incertitudine i-ar fi părut firească lui Heraclit.
Povestea ar fi putut începe acum 2400 de ani
Această idee a unei realități ca o serie de instantanee în evoluție stă la baza fizicii clasice. Însă Bob Coecke, belgianul care ocupă funcția de cercetător-șef la compania americană de calcul cuantic Quantinuum, consideră că este o deviere greșită, pentru că a învins filozoful nepotrivit.
El promovează o viziune asupra mecanicii cuantice care pune accent pe procese și relațiile dintre ele, exact cum vedea Heraclit fizica materiei. „Heraclit favoriza o viziune procesuală a realității, în care totul este într-un flux continuu”, spune Coecke.
Această perspectivă relațională a fost susținută mai târziu de Gottfried Wilhelm Leibniz în secolul al XVII-lea, dar nu a fost dezvoltată cu adevărat ca o teorie cuantică până în secolul XX, o oportunitate ratată, crede cercetătorul belgian. „Știința s-ar fi putut dezvolta cu totul altfel dacă am fi pornit de la Heraclit și l-am fi ignorat pe Democrit”.
Nu toată lumea e de acord
Dacă iei în considerare ideile individuale ale unei teorii, niciuna nu e atât de ciudată încât să nu fi putut fi gândită la un moment dat”, spune Massimiliano Badino, de la Universitatea din Verona, Italia. „Problema este că nu vorbim doar despre niște idei izolate și trăsnite. Vorbim despre o teorie completă, funcțională.”
Și, într-adevăr, dacă descompunem elementele necesare ale mecanicii cuantice, devine clar că multe dintre ele erau inaccesibile grecilor antici. „Ai nevoie de o înțelegere profundă a electromagnetismului, iar grecii nu aveau habar de așa ceva, în afară de electricitatea statică”, spune Suman Seth de la Universitatea Cornell din New York. Abia în anii 1860 James Clerk Maxwell a arătat că electricitatea și magnetismul sunt două fațete ale aceleiași realități.
Ai mai avea nevoie și de alte concepte apărute cam în aceeași perioadă. „Ai nevoie de teoria câmpurilor, care vine odată cu Michael Faraday. Ai nevoie de mecanica statistică, care apare în secolul al XIX-lea”, spune Seth.
Pe urmele particulelor
În secolul al XVII-lea, Newton a propus că lumina este compusă din particule numite „corpusculi”, un urmaș intelectual al atomilor lui Democrit. Ideea lui era opusă celei a lui Christiaan Huygens, care considera că lumina este o undă. La acea vreme, ideea corpusculară a lui Newton a câștigat și nu a fost răsturnată până în secolul XIX, când Thomas Young a demonstrat experimental natura ondulatorie a luminii.
Astăzi știm că ambele abordări erau corecte. Dualitatea undă-particulă, ideea că entitățile fundamentale, cum ar fi lumina, pot avea atât comportament de undă, cât și de particulă, este esențială în mecanica cuantică.
Ar fi putut Newton să ajungă la această teorie mai devreme? „Cu o altă viziune asupra lumii, poate. Dar nu ar fi semănat prea mult cu teoria pe care o cunoaștem astăzi. Ar fi fost o altă teorie a fizicii, și n-ar fi numit-o mecanică cuantică, pentru simplul fapt că nu ar fi fost despre cuante”, susține Coecke.
Presupunând o cale mai convențională spre mecanica cuantică, Seth spune că Newton nu putea ajunge acolo fără datele experimentale necesare. „Newton, după cum știm, a fost unul dintre cele mai mari genii ale omenirii. Dar problemele pe care le rezolva el nu semănau deloc cu cele pe care le aveau de rezolvat fizicienii mai târziu, precum cele din spectroscopia atomică”.
Max Plank și Einstein
În 1900, Max Planck vine însă cu o idee radicală, pentru ca ecuațiile sale despre radiația corpului negru să funcționeze, energia trebuie emisă sau absorbită în cantități discrete, nu continuu. Aceste pachete de energie vor fi numite mai târziu „cuante”. Inițial, Planck nu credea că acestea sunt reale. Era, în fond, doar un „artificiu matematic”.
Dar realitatea nu se lasă păcălită. În 1905, Einstein explica efectul fotoelectric presupunând că lumina este alcătuită din particule – fotoni. Apoi, în 1913, Niels Bohr dezvoltă primul model cuantic al atomului, în care electronii pot avea doar anumite niveluri de energie. Modelul explică perfect spectrul hidrogenului, dar nu poate fi extins cu succes la atomi mai complecși.
Heisenberg și curajul de a renunța la imagine
Marea revoluție vine în 1925. Werner Heisenberg, inspirat de un principiu simplu – să se bazeze doar pe lucruri măsurabile – propune o formulare matematică complet nouă a fizicii atomice. Împreună cu Max Born și Pascual Jordan, el creează mecanica matricială, o teorie care renunță complet la imaginea clasică a electronilor care orbitează în jurul nucleului.
A fost un pas greu de făcut. Renunțarea la reprezentarea vizuală a atomului a fost ca și cum ai renunța la harta lumii pentru o listă de coordonate. Dar a funcționat. Mecanica matricială, urmată de formularea undelor a lui Schrödinger și de principiul incertitudinii al lui Heisenberg, au pus bazele mecanicii cuantice moderne.
În concluzie, ar fi putut grecii antici să anticipeze mecanica cuantică?
Nu, nu ar fi putut inventa mecanica cuantică. Nu aveau instrumentele, nu aveau limbajul, și mai ales, nu aveau motivația dată de datele inexplicabile ale spectroscopiei. Rămâne însă întrebarea: dar dacă ar fi făcut-o, cum ar fi schimbat lumea?
Ei bine,dacă grecii antici ar fi inventat mecanica cuantică, probabil că lumea ar fi fost de nerecunoscut. Să ne imaginăm numai o civilizație care ar fi înțeles, acum 2500 de ani, că realitatea are un caracter probabilistic, că particulele pot exista în stări suprapuse și că observatorul influențează rezultatul.
Am fi avut computere cuantice în epoca romană? Ar fi existat nave spațiale în Evul Mediu? Sau, mai interesant, ar fi fost societatea umană pregătită să accepte o lume fără cauzalitate strictă?
Am fi trăit într-o lume mai bună? Poate
Noi azi trăim într-o lume modelată de gândirea lui Newton, de ideea că totul are o cauză, că universul e o mașinărie precisă. Dar dacă lumea ar fi fost construită, de la început, pe ideea că realitatea e probabilistică, că lucrurile există doar ca posibilități până când le observăm, atunci poate că am fi avut o civilizație mai deschisă la incertitudine, la paradox, la ambiguitate.
Poate că religia, politica, educația, toate ar fi fost mai flexibile, mai puțin autoritare. Poate că am fi învățat să trăim cu ambiguitatea, nu să o combatem. Poate că am fi colonizat alte planete, dar fără a încerca să le controlăm complet, ci doar să „interacționăm cu ele”, ca un observator cu sistemul său cuantic.
Sau, poate, n-am fi avut niciodată o epocă a iluminismului, pentru că nu am fi crezut că adevărul e ceva ce poți descoperi și fixa o dată pentru totdeauna.
O lume construită pe mecanica cuantică ar fi fost, poate, mai fluidă, mai poetică, mai incertă, dar și mai atentă la faptul că realitatea nu e ceva ce descoperi, ci ceva ce creezi, clipă de clipă.
- Ilustrația pentru acest articol a fost realizată cu DeepAI.
