Cum a salvat mecanica cuantica Universul, partea I - Atomul lui Rutherford
Intotdeauna atunci cand vrei sa pari inteligent este obligatoriu sa arunci in discutie termenul "cuantic". Cand oamenii aud "orice cuantic", deodata se simt invaluiti in mister, si au impresia ca discuta cu o eminenta. De fapt, de acest lucru au profitat o multime de "scam artists", care, utilizand cuvinte pompoase in reclamele pe care acestia le-au realizat in vanzarea unor "produse-minune", cum ar fi "cuantic", "energie", "energie negativa", "qualia", "legea atractiei" si altele, au pacalit o sumedenie de creduli. De la paturi cuantice la bratari cuantico-energetice, care iti "dau energia Universului", misterul cuvantului "cuantic" si al cuvintelor asociate cu acesta are o prezenta destul de importanta in societatea contemporana.
De unde tot acest mister? De la faptul ca fizica cuantica este, in realitate, misterioasa. Este cu adevarat complet contra-intuitiva, complet in dezacord cu observatia "clasica" a fizicii, pe care creierul uman este construit, de catre evolutie, sa o interpreteze intr-o maniera intuitiva. Fiind contra-intuitiva si greu accesibila experimental, caracterul fizicii cuantice este intr-o totala antiteza cu experienta de zi cu zi a oamenilor, fie ei si oameni de stiinta. Din acest caracter greoi si complet ciudat al fizicii cuantice, cea "reala", deriva inselatoriile ce au succes, pe "baze cuantice", la care apeleaza acei "intreprinzatori" care vand "lucruri cuantice": pe faptul ca informatia referitoare la acest subiect este greu accesibila, iar gradul ridicat de ignoranta asupra lui si nivelul indoielnic de cultura a celor ce urmeaza sa fie pacaliti sunt la ele acasa.
De ce spun toate aceste lucruri? Pentru ca as vrea sa va ofer, prin intermediul acestei serii de posturi, o privire asupra naturii cu adevarat importante a fizicii cuantice pentru realitatea in care traim. In formularea acestei serii ma voi folosi de diferite resurse, printre care enumar cartile lui Richard Feynman, "Sase lectii usoare" si "Universul nostru matematic", de Max Tegmark.
Este poate cel mai greu subiect despre care cineva poate discuta, atunci cand discuta la modul serios. Cele mai grele subiecte din stiinta, la ora actuala, dupa parerea mea (si, in mod important, nu numai a mea) sunt: fizica cuantica, constiinta umana si natura fundamentala a universului (natura fundamentala care, asa cum bine argumenteaza Max Tegmark, profesor de fizica la MIT (Massachusetts Institute of Technology), este foarte posibil sa fie in esenta pur matematica).
Aceste trei subiecte sunt lucrurile asupra carora comunitatea stiintifica nu a ajuns la niciun consens, ci mai mult, pare ca deriva in soi si soi de interpretari. Este deci lesne de inteles de ce nu stiu ce fel de succes voi avea in abordarea vreunuia dintre aceste subiecte (fizica cuantica, in acest caz), dar am sa incerc oricum. As dori sa fac cateva observatii, inainte de a incepe, ce vor fi valabile ori de cate ori voi mai scrie despre acest subiect in viitor:
Mai intai sa "atacam" celelalte doua subiecte despre care vorbeam mai sus:
Constiinta umana - Poate cel mai in voga subiect din ultimii ani asupra caruia comunitatea stiintifica nu a cazut inca de acord. Dupa parerea mea (si aici trebuie sa fiu de acord cu Max Tegmark, cu care, apropos, sunt de acord din ce in ce mai des in ultima vreme) - calitatea stiintifica a constiintei umane este o calitate "emergenta". Cu alte cuvinte, se pare ca avem de-a face pur si simplu cu o chestiune de "efect" al unor distributii, relatii, conexiuni, care duc la aparitia constiintei umane - ea nu este o chestiune fundamentala, ci apare ca urmare a lucrului comun al neuronilor creierului nostru. Din nou, nu sunt sigur ca e usor de inteles ce vreau sa zic, pentru ca ar trebui sa intram in detalii pentru a ma face inteles mai usor.
In principiu, neuronii nostri interpreteaza, prin conexiunile si descarcarile electro-chimice pe care le realizeaza, realitatea, iar modul in care noi simtim, la nivel subiectiv, realitatea, tine de maniera in care neuronii comunica, ce neuron cu ce neuron, pe ce cale, utilizand ce neurotransmitator, cand, si asa mai departe. Din aceste efecte pur fizico-chimice deriva un lucru unic, si anume constiinta umana. Poate ca este greu de crezut ca asa sta situatia, dar la fel cum ADNul tuturor vietuitoarelor de pe Pamant este format din aceleasi elemente, si totusi avem toata aceasta diversitate a vietii, la fel se intampla si in cazul constiintei - diferenta dintre ADNul unui cartof si ADNul unui om nu consta in numarul de gene pe care fiecare il are, in sensul de "mai multe gene, organism mai complex", ci in modul in care aceste gene sunt secventiate, in modul in care aceste gene codeaza diferite fenotipuri (expresii proteice) si organizari ale vietatii respective.
Exista animale sau plante cu mai multe gene decat omul (omul are aproximativ 20000 de gene, iar orezul aproximativ 40000), dar modul acestora de organizare nu duce la complexitatea pe care o vedem in cazul unui persoane umane. Aceeasi situatie este si in cazul constiintei umane - ea "emerge" (apare, reiese) datorita relatiilor extrem de complexe dintre cei ~86 de miliarde de neuroni din sistemul nervos uman, ce alcatuiesc ~150 de trilioane de sinapse. De exemplu, un elefant african are ~267 de miliarde de neuroni, dar nu sunt organizati ca in sistemul nervos uman, si nu are inteligenta unui om.
Natura fundamentala a Universului (sau a Multiversului) - Un alt subiect extrem de complex. Si este extrem de complex pentru ca mai intai trebuie sa stabilim ce intelegem prin termenul de "Univers"? Tot ce exista? Tot ceea ce putem observa? Tot ceea ce are aceleasi legi ale fizicii cu spatiul-timpul observabil? Pentru ca, in functie de ce fel de termen folosim pentru descrierea "Universului", ajungem la concluzia ca fiecare dintre noi vorbeste despre un cu totul alt termen, care inseamna cu totul altceva. Daca este sa luam in calcul efectele cuantice despre care urmeaza sa vorbim, ajungem la concluzii poate uimitoare conform carora nu numai ca exista o multime de alte Universuri (si deci ajungem sa vorbim despre termenul de Multivers) - dar ca exista mai multe tipuri de Multivers, fiecare derivat din predictiile unor teorii diferite - de exemplu, putem avea un tip de Multivers derivat din predictiile teoriei inflationiste a Universului, in care acest tip de Nivel I functioneaza pe baza acelorasi legi ale fizicii cu cel in care ne aflam in prezent (de fapt, este EXACT acelasi Univers, doar ca lumina nu a avut timp sa ajunga la noi inca - practic vorbim despre spatiul inca ne-probat al Universului in care traim), un alt tip de Nivel II deriva din aceeasi teorie inflationista, acesta avand insa proprietati diferite ale legilor fizicii, in functie de maniera in care materia inflationista s-a descompus in tranzitia de faza de imediat dupa Big Bang, si de fluctuatiile cuantice care au stat la baza formarii acesteia initial, caz in care discutam despre Universuri paralele cu legi ale fizicii diferite.
Daca este sa introducem legile mecanicii cuantice in aceasta discutie, ajungem la un alt tip de Multivers, si anume acela de Nivel III, in care colapsarea aparenta a functiei de unda cuantice a fiecarei particule de fapt determina existenta unui singur Univers subiectiv, dar in realitatea obiectiva - a unui infinit de Universuri paralele - aici ajungem la principiul de decoerenta cuantica.
In finalul acestui interludiu pe tema subiectului naturii "Universului", va trebui sa fiu din nou de acord cu Max Tegmark cand acesta considera ca de fapt Universul nu este altceva decat un pur obiect matematic, abstract, iar valorile matematice ale diferitelor constante ale naturii si ale relatiilor dintre acestea permit complexitatea pe care noi o observam, in mod subiectiv, internalizat.
Din nou, o tona de termeni complicati, legati unii de altii, ce trebuie explicati fiecare (mult), pentru ca orice fel de incercare in realizarea unui post coerent sa aiba cea mai mica sansa de succes.
De aceea, inacest post aceasta serie (initial am scris "in acest post" dupa care mi-am dat seama ca o astfel de discutie este mult prea complexa pentru a putea fi redusa sau comprimata la dimensiunea unui singur post) voi vorbi putin despre cum fizica cuantica a salvat Universul (prin "Universul", ma refer la acesta in care ne aflam).
In primul rand, haideti sa trecem in revista denumirile catorva dintre interpretarile actuale ale fizicii cuantice: interpretarile ansamblului, Copenhaga, instrumentala, hidrodinamica, a constientei, Bohm, logica cuantica, lumile multiple, mecanica cuantica stocastica, mintile multiple, istoriile coerente, colapsul obiectiv, tranzactionala, modala, existentiala, relationala, Montevideo si cosmologica. Ba mai mult, sustinatorii aceleiasi interpretari au pareri diferite referitoare la detaliile interpretarii respective, si asa mai departe.
Uitandu-ma la lista de mai sus, nu pot decat, de fiecare data, sa imi dau seama de imposibilitatea mea de a fi in orice fel coerent referitor la acest subiect, dar trebuie totusi sa incerc.
Si am sa incerc doar printr-un foarte scurt (si folosim valoarea eufemistica a sintagmei "foarte scurt") comentariu referitor la existenta in sine a Universului:
Daca Universul ar fi supus legilor mecanicii Newtoniene, care are o valoare deterministica (cunoastem pozitia particulelor unui sistem in prezent, cunoastem fortele care actioneaza asupra lor - atunci putem prezice ce se va intampla in viitor) - daca Universul ar functiona in concordanta cu maniera intuitiva pe care creierul nostru uman a evoluat sa o poata evalua, atunci Universul nu ar exista.
Pentru ca Universul (si aici ma refer la materia din care suntem construiti, noi, animalele, planetele, stelele, galaxiile si tot ceea ce "vedem") sa existe, este obligatoriu ca acesta sa se supuna mecanicii cuantice.
In primul rand, ce este mecanica cuantica? Mecanica cuantica este ramura fizicii care se ocupa cu modul in care realitatea functioneaza la cea mai mica scara. Cand zic "cea mai mica scara" ma refer la particule - la atomi, si particule subatomice (mai multe despre acest subiect puteti citi in articolul meu anterior referitor la modelul standard al particulelor, aici). Fizica cuantica studiaza deci maniera in care aceste particule se comporta in interactiunile lor. Cum insa tot ceea ce exista, format din materie conventionala (ignoram energia intunecata si materia intunecata), este format din particule, rezulta deci ca de fapt fizica cuantica este legea suprema a realitatii. Mecanica Newtoniana, fizica clasica, este o "aproximatie" a fizicii cuantice, la fel cum legea gravitatiei Newtoniene este o aproximatie a Teoriei Generale a Relativitatii a lui Albert Einstein, care descrie cu o mai mare precizie felul in care gravitatia se manifesta (nu numai matematic, dar si conceptual, ca fiind geometria spatio-temporala).
In al doilea rand, de ce spun ca mecanica cuantica este eroul existentei noastre? Dintr-un motiv foarte simplu: pentru ca daca atomii (de Hidrogen) s-ar supune mecanicii Newtoniene (mecanicii clasice, cu care suntem obisnuiti) - ei ar supravietui doar 0,02 nanosecunde! Nicidecum cele 13.72-13.82 miliarde de ani, varsta Universului nostru. Procentele in care elementele au fost eliberate dupa Big Bang sunt de 75% hidrogen, ~25% heliu si foarte putin deuteriu (un izotop de hidrogen cu un neutron in plus) si litiu.
Deci Universul nostru a fost initial in proportie de 3 sferturi hidrogen. Dupa aceea, in urma formarii stelelor si a exploziei acestora in supernove, alte elemente mai masive au fost formate prin fuziune nucleara - alte elemente mai usoare se pot forma si in stele mai mici, fara ca acestea sa explodeze, cum ar fi carbonul sau oxigenul. Soarele nostru este capabil sa fuzioneze carbon si oxigen.
Cu alte cuvinte, existenta noastra si a Universului este datorata mecanicii cuantice. De ce? Pentru ca urmand legile mecanicii cuantice, atomul de hidrogen (si orice alt atom) nu colapseaza in 0,02 nanosecunde.
Pentru a intelege de ce, trebuie sa clarificam cateva lucruri:
Modelul pe care majoritatea dintre noi il avem in minte cand ne referim la atomi este unul care arata in felul urmator:
Acest model pe care il vedeti mai sus, si la care majoritatea oamenilor se gandesc atunci cand aud cuvantul "atom" (pentru ca asa a fost el prezentat la scoala, la lectiile de chimie sau fizica) este un model eronat al realitatii. Plecand de la acest model, putem presupune ca electronii orbiteaza nucleul atomului in aceeasi maniera in care planetele orbiteaza Soarele, si deci ca electronii se supun legilor Newtoniene. In sistemul nostru Solar planetele sunt atrase de catre Soare prin intermediul gravitatiei, iar in modelul acesta al atomului, electronul cu sarcina negativa este atras de catre protonul din nucleu (in cazul atomului de hidrogen, avem de-a face cu un singur nucleon, si anume un singur proton) cu sarcina pozitiva prin intermediul fortei electromagnetice (atractiei electrice dintre plusul protonului cu minusul electronului).
Toate calculele referitoare la orbita electronului functioneaza, initial, foarte bine. Apare insa o problema: un electron care accelereaza (isi schimba viteza sau directia de deplasare) va radia energie - telefoanele mobile utilizeaza acest efect pentru a agita electronii in antena si a transmite unde radio. Electronii intr-o astfel de orbita circulara se vor afla in miscare accelerata, fiind accelerati spre centru, spre proton (fiecare miscare circulara este miscare accelerata, cu acceleratie spre centru, spre pivotul in jurul caruia se realizeaza acea rotatie). Cum exista legea conservarii energiei, energia eliberata de catre electron trebuie sa aiba o sursa - in cazul electronilor din antena telefonului, aceasta provine de la baterie, iar in cazul electronului in orbita clasica in jurul protonului, energia provine din energia cinetica a electronului, facand ca acesta sa se prabuseasca din ce in ce spre proton (fiind oricum atras de catre acesta). Ne putem imagina acest lucru similar cu maniera in care satelitii aflati pe o orbita joasa in atmosfera superioara a Pamantului pierd energie cinetica din ce in ce datorita frecarii cu aerul rarefiat din acea zona si se prabusesc intr-un final pe suprafata Pamantului.
Acest lucru inseamna ca electronul va pierde din ce in ce mai multa energie, iar dupa circa 100.000 de orbite, electronul se va izbi de proton, iar atomul de hidrogen va colapsa dupa numai 0,02 nanosecunde. Acest model instabil al atomului se cheama "Atomul lui Rutherford".
Predictia acestui model conform careia atomul de hidrogen (ca si orice fel de alt atom) ar fi trebuit sa colapseze dupa 0,02 nanosecunde desi el este in existenta de ~14 miliarde de ani a fost, la momentul respectiv, cel mai mare esec cantitativ din fizica in raport cu realitatea observata, la 28 de ordine de magnitudine mai mult decat prezice fizica clasica.
Pentru mai multe informatii asupra acestui fenomen, click aici.
Modul in care putem vizualiza acest atom care colapseaza este urmatorul:
Aceasta nu era singura problema in presupunerea ca particulele elementare se supuneau legilor clasice ale fizicii - au mai fost si altele (de exemplu, s-a descoperit ca energia necesara pentru a incalzi obiecte foarte reci era mai mica decat s-a prezis). Un lucru era cert: particulele elementare nu se supuneau legilor fizicii clasice.
Am sa ma opresc aici, deocamdata, si am sa continuu in urmatorul post cu maniera prin care Niels Bohr a solutionat, temporar, acest paradox.
Pentru a putea aprecia ultima parte a acestei serii de postari, aceea in care vom discuta despre fizica cuantica, trebuie mai intai sa intelegem de ce fizica clasica nu a functionat si nu ar functiona pentru particule, si de ce Universul nu ar putea sa existe daca particulele s-ar subjuga comportamentului clasic cu care noi oamenii suntem obisnuiti.
Dupa cum vom vedea, si ideea lui Niels Bohr se va dovedi a fi, in cele din urma, incorecta.
De unde tot acest mister? De la faptul ca fizica cuantica este, in realitate, misterioasa. Este cu adevarat complet contra-intuitiva, complet in dezacord cu observatia "clasica" a fizicii, pe care creierul uman este construit, de catre evolutie, sa o interpreteze intr-o maniera intuitiva. Fiind contra-intuitiva si greu accesibila experimental, caracterul fizicii cuantice este intr-o totala antiteza cu experienta de zi cu zi a oamenilor, fie ei si oameni de stiinta. Din acest caracter greoi si complet ciudat al fizicii cuantice, cea "reala", deriva inselatoriile ce au succes, pe "baze cuantice", la care apeleaza acei "intreprinzatori" care vand "lucruri cuantice": pe faptul ca informatia referitoare la acest subiect este greu accesibila, iar gradul ridicat de ignoranta asupra lui si nivelul indoielnic de cultura a celor ce urmeaza sa fie pacaliti sunt la ele acasa.
De ce spun toate aceste lucruri? Pentru ca as vrea sa va ofer, prin intermediul acestei serii de posturi, o privire asupra naturii cu adevarat importante a fizicii cuantice pentru realitatea in care traim. In formularea acestei serii ma voi folosi de diferite resurse, printre care enumar cartile lui Richard Feynman, "Sase lectii usoare" si "Universul nostru matematic", de Max Tegmark.
Este poate cel mai greu subiect despre care cineva poate discuta, atunci cand discuta la modul serios. Cele mai grele subiecte din stiinta, la ora actuala, dupa parerea mea (si, in mod important, nu numai a mea) sunt: fizica cuantica, constiinta umana si natura fundamentala a universului (natura fundamentala care, asa cum bine argumenteaza Max Tegmark, profesor de fizica la MIT (Massachusetts Institute of Technology), este foarte posibil sa fie in esenta pur matematica).
Aceste trei subiecte sunt lucrurile asupra carora comunitatea stiintifica nu a ajuns la niciun consens, ci mai mult, pare ca deriva in soi si soi de interpretari. Este deci lesne de inteles de ce nu stiu ce fel de succes voi avea in abordarea vreunuia dintre aceste subiecte (fizica cuantica, in acest caz), dar am sa incerc oricum. As dori sa fac cateva observatii, inainte de a incepe, ce vor fi valabile ori de cate ori voi mai scrie despre acest subiect in viitor:
- Initial, m-am intrebat daca nu cumva ar fi cazul sa scriu un astfel de post dupa ce voi acumula ceva mai multa informatie. Am ajuns la concluzia ca "ceva mai multa" informatie mereu va cere, la randul ei, "ceva si mai multa informatie", care va cere la randul ei "ceva si mai multa si mai multa informatie" care va cere l... ok, intelegeti ideea. Cu cat incerci sa intri mai adanc in acest domeniu, cu atat ramificatiile lui se extind si se scindeaza din ce in ce mai mult, in mai multa si mai multa informatie care trebuie explicata. Marimea unui simplu post, in acest context, ar deveni foarte mare, si posibil plictisitoare.
- O multime de autori au scris despre acest subiect (si aici ma refer la oameni de stiinta, nu "persoane ordinare" cum as fi eu) - si totusi el ramane unul evaziv - din motivele enumerate de mine mai sus - fizica cuantica are un caracter contraintuitiv, in completa opozitie cu modul in care creierul uman interpreteaza realitatea "obiectiva". Pentru ca, sa nu uitam, creierul uman are un model al realitatii propriu, subiectiv (il putem denumi "intern"), construit pe baza informatiilor pe care organele de simt i le furnizeaza.
- Referitor la celelalte doua subiecte "grele", constiinta umana si natura fundamentala a Universului (sau a Multiversului, dupa cum vom putea vedea mai tarziu), putem face cateva comentarii si despre ele (din nou, putem vorbi in detaliu si despre aceste subiecte, dar, "din nou din nou", trebuie sa reiterez dificultatea acestora si adancimea de detaliu in care trebuie sa intri pentru a face orice fel de post pe aceste teme ca fiind unul coerent, explicativ, din care sa poti invata ceva/in care sa poti explica ceva intr-o maniera usor de inteles). Sunt practic obligat sa fac aceste comentarii deoarece complexitatea subiectelor dicteaza acest lucru.
Mai intai sa "atacam" celelalte doua subiecte despre care vorbeam mai sus:
Constiinta umana - Poate cel mai in voga subiect din ultimii ani asupra caruia comunitatea stiintifica nu a cazut inca de acord. Dupa parerea mea (si aici trebuie sa fiu de acord cu Max Tegmark, cu care, apropos, sunt de acord din ce in ce mai des in ultima vreme) - calitatea stiintifica a constiintei umane este o calitate "emergenta". Cu alte cuvinte, se pare ca avem de-a face pur si simplu cu o chestiune de "efect" al unor distributii, relatii, conexiuni, care duc la aparitia constiintei umane - ea nu este o chestiune fundamentala, ci apare ca urmare a lucrului comun al neuronilor creierului nostru. Din nou, nu sunt sigur ca e usor de inteles ce vreau sa zic, pentru ca ar trebui sa intram in detalii pentru a ma face inteles mai usor.
In principiu, neuronii nostri interpreteaza, prin conexiunile si descarcarile electro-chimice pe care le realizeaza, realitatea, iar modul in care noi simtim, la nivel subiectiv, realitatea, tine de maniera in care neuronii comunica, ce neuron cu ce neuron, pe ce cale, utilizand ce neurotransmitator, cand, si asa mai departe. Din aceste efecte pur fizico-chimice deriva un lucru unic, si anume constiinta umana. Poate ca este greu de crezut ca asa sta situatia, dar la fel cum ADNul tuturor vietuitoarelor de pe Pamant este format din aceleasi elemente, si totusi avem toata aceasta diversitate a vietii, la fel se intampla si in cazul constiintei - diferenta dintre ADNul unui cartof si ADNul unui om nu consta in numarul de gene pe care fiecare il are, in sensul de "mai multe gene, organism mai complex", ci in modul in care aceste gene sunt secventiate, in modul in care aceste gene codeaza diferite fenotipuri (expresii proteice) si organizari ale vietatii respective.
Exista animale sau plante cu mai multe gene decat omul (omul are aproximativ 20000 de gene, iar orezul aproximativ 40000), dar modul acestora de organizare nu duce la complexitatea pe care o vedem in cazul unui persoane umane. Aceeasi situatie este si in cazul constiintei umane - ea "emerge" (apare, reiese) datorita relatiilor extrem de complexe dintre cei ~86 de miliarde de neuroni din sistemul nervos uman, ce alcatuiesc ~150 de trilioane de sinapse. De exemplu, un elefant african are ~267 de miliarde de neuroni, dar nu sunt organizati ca in sistemul nervos uman, si nu are inteligenta unui om.
Natura fundamentala a Universului (sau a Multiversului) - Un alt subiect extrem de complex. Si este extrem de complex pentru ca mai intai trebuie sa stabilim ce intelegem prin termenul de "Univers"? Tot ce exista? Tot ceea ce putem observa? Tot ceea ce are aceleasi legi ale fizicii cu spatiul-timpul observabil? Pentru ca, in functie de ce fel de termen folosim pentru descrierea "Universului", ajungem la concluzia ca fiecare dintre noi vorbeste despre un cu totul alt termen, care inseamna cu totul altceva. Daca este sa luam in calcul efectele cuantice despre care urmeaza sa vorbim, ajungem la concluzii poate uimitoare conform carora nu numai ca exista o multime de alte Universuri (si deci ajungem sa vorbim despre termenul de Multivers) - dar ca exista mai multe tipuri de Multivers, fiecare derivat din predictiile unor teorii diferite - de exemplu, putem avea un tip de Multivers derivat din predictiile teoriei inflationiste a Universului, in care acest tip de Nivel I functioneaza pe baza acelorasi legi ale fizicii cu cel in care ne aflam in prezent (de fapt, este EXACT acelasi Univers, doar ca lumina nu a avut timp sa ajunga la noi inca - practic vorbim despre spatiul inca ne-probat al Universului in care traim), un alt tip de Nivel II deriva din aceeasi teorie inflationista, acesta avand insa proprietati diferite ale legilor fizicii, in functie de maniera in care materia inflationista s-a descompus in tranzitia de faza de imediat dupa Big Bang, si de fluctuatiile cuantice care au stat la baza formarii acesteia initial, caz in care discutam despre Universuri paralele cu legi ale fizicii diferite.
Daca este sa introducem legile mecanicii cuantice in aceasta discutie, ajungem la un alt tip de Multivers, si anume acela de Nivel III, in care colapsarea aparenta a functiei de unda cuantice a fiecarei particule de fapt determina existenta unui singur Univers subiectiv, dar in realitatea obiectiva - a unui infinit de Universuri paralele - aici ajungem la principiul de decoerenta cuantica.
In finalul acestui interludiu pe tema subiectului naturii "Universului", va trebui sa fiu din nou de acord cu Max Tegmark cand acesta considera ca de fapt Universul nu este altceva decat un pur obiect matematic, abstract, iar valorile matematice ale diferitelor constante ale naturii si ale relatiilor dintre acestea permit complexitatea pe care noi o observam, in mod subiectiv, internalizat.
Din nou, o tona de termeni complicati, legati unii de altii, ce trebuie explicati fiecare (mult), pentru ca orice fel de incercare in realizarea unui post coerent sa aiba cea mai mica sansa de succes.
De aceea, in
In primul rand, haideti sa trecem in revista denumirile catorva dintre interpretarile actuale ale fizicii cuantice: interpretarile ansamblului, Copenhaga, instrumentala, hidrodinamica, a constientei, Bohm, logica cuantica, lumile multiple, mecanica cuantica stocastica, mintile multiple, istoriile coerente, colapsul obiectiv, tranzactionala, modala, existentiala, relationala, Montevideo si cosmologica. Ba mai mult, sustinatorii aceleiasi interpretari au pareri diferite referitoare la detaliile interpretarii respective, si asa mai departe.
Uitandu-ma la lista de mai sus, nu pot decat, de fiecare data, sa imi dau seama de imposibilitatea mea de a fi in orice fel coerent referitor la acest subiect, dar trebuie totusi sa incerc.
Si am sa incerc doar printr-un foarte scurt (si folosim valoarea eufemistica a sintagmei "foarte scurt") comentariu referitor la existenta in sine a Universului:
Daca Universul ar fi supus legilor mecanicii Newtoniene, care are o valoare deterministica (cunoastem pozitia particulelor unui sistem in prezent, cunoastem fortele care actioneaza asupra lor - atunci putem prezice ce se va intampla in viitor) - daca Universul ar functiona in concordanta cu maniera intuitiva pe care creierul nostru uman a evoluat sa o poata evalua, atunci Universul nu ar exista.
Pentru ca Universul (si aici ma refer la materia din care suntem construiti, noi, animalele, planetele, stelele, galaxiile si tot ceea ce "vedem") sa existe, este obligatoriu ca acesta sa se supuna mecanicii cuantice.
In primul rand, ce este mecanica cuantica? Mecanica cuantica este ramura fizicii care se ocupa cu modul in care realitatea functioneaza la cea mai mica scara. Cand zic "cea mai mica scara" ma refer la particule - la atomi, si particule subatomice (mai multe despre acest subiect puteti citi in articolul meu anterior referitor la modelul standard al particulelor, aici). Fizica cuantica studiaza deci maniera in care aceste particule se comporta in interactiunile lor. Cum insa tot ceea ce exista, format din materie conventionala (ignoram energia intunecata si materia intunecata), este format din particule, rezulta deci ca de fapt fizica cuantica este legea suprema a realitatii. Mecanica Newtoniana, fizica clasica, este o "aproximatie" a fizicii cuantice, la fel cum legea gravitatiei Newtoniene este o aproximatie a Teoriei Generale a Relativitatii a lui Albert Einstein, care descrie cu o mai mare precizie felul in care gravitatia se manifesta (nu numai matematic, dar si conceptual, ca fiind geometria spatio-temporala).
In al doilea rand, de ce spun ca mecanica cuantica este eroul existentei noastre? Dintr-un motiv foarte simplu: pentru ca daca atomii (de Hidrogen) s-ar supune mecanicii Newtoniene (mecanicii clasice, cu care suntem obisnuiti) - ei ar supravietui doar 0,02 nanosecunde! Nicidecum cele 13.72-13.82 miliarde de ani, varsta Universului nostru. Procentele in care elementele au fost eliberate dupa Big Bang sunt de 75% hidrogen, ~25% heliu si foarte putin deuteriu (un izotop de hidrogen cu un neutron in plus) si litiu.
Deci Universul nostru a fost initial in proportie de 3 sferturi hidrogen. Dupa aceea, in urma formarii stelelor si a exploziei acestora in supernove, alte elemente mai masive au fost formate prin fuziune nucleara - alte elemente mai usoare se pot forma si in stele mai mici, fara ca acestea sa explodeze, cum ar fi carbonul sau oxigenul. Soarele nostru este capabil sa fuzioneze carbon si oxigen.
Cu alte cuvinte, existenta noastra si a Universului este datorata mecanicii cuantice. De ce? Pentru ca urmand legile mecanicii cuantice, atomul de hidrogen (si orice alt atom) nu colapseaza in 0,02 nanosecunde.
Pentru a intelege de ce, trebuie sa clarificam cateva lucruri:
Modelul pe care majoritatea dintre noi il avem in minte cand ne referim la atomi este unul care arata in felul urmator:
 |
| Practic, imaginea pe care majoritatea dintre noi o au in minte este aceea de "Sistem Solar in miniatura", cu electronii orbitand in jurul nucleului de protoni si neutroni ai atomului. Aceasta imagine este incorecta. |
Toate calculele referitoare la orbita electronului functioneaza, initial, foarte bine. Apare insa o problema: un electron care accelereaza (isi schimba viteza sau directia de deplasare) va radia energie - telefoanele mobile utilizeaza acest efect pentru a agita electronii in antena si a transmite unde radio. Electronii intr-o astfel de orbita circulara se vor afla in miscare accelerata, fiind accelerati spre centru, spre proton (fiecare miscare circulara este miscare accelerata, cu acceleratie spre centru, spre pivotul in jurul caruia se realizeaza acea rotatie). Cum exista legea conservarii energiei, energia eliberata de catre electron trebuie sa aiba o sursa - in cazul electronilor din antena telefonului, aceasta provine de la baterie, iar in cazul electronului in orbita clasica in jurul protonului, energia provine din energia cinetica a electronului, facand ca acesta sa se prabuseasca din ce in ce spre proton (fiind oricum atras de catre acesta). Ne putem imagina acest lucru similar cu maniera in care satelitii aflati pe o orbita joasa in atmosfera superioara a Pamantului pierd energie cinetica din ce in ce datorita frecarii cu aerul rarefiat din acea zona si se prabusesc intr-un final pe suprafata Pamantului.
Acest lucru inseamna ca electronul va pierde din ce in ce mai multa energie, iar dupa circa 100.000 de orbite, electronul se va izbi de proton, iar atomul de hidrogen va colapsa dupa numai 0,02 nanosecunde. Acest model instabil al atomului se cheama "Atomul lui Rutherford".
Predictia acestui model conform careia atomul de hidrogen (ca si orice fel de alt atom) ar fi trebuit sa colapseze dupa 0,02 nanosecunde desi el este in existenta de ~14 miliarde de ani a fost, la momentul respectiv, cel mai mare esec cantitativ din fizica in raport cu realitatea observata, la 28 de ordine de magnitudine mai mult decat prezice fizica clasica.
Pentru mai multe informatii asupra acestui fenomen, click aici.
Modul in care putem vizualiza acest atom care colapseaza este urmatorul:
Aceasta nu era singura problema in presupunerea ca particulele elementare se supuneau legilor clasice ale fizicii - au mai fost si altele (de exemplu, s-a descoperit ca energia necesara pentru a incalzi obiecte foarte reci era mai mica decat s-a prezis). Un lucru era cert: particulele elementare nu se supuneau legilor fizicii clasice.
Am sa ma opresc aici, deocamdata, si am sa continuu in urmatorul post cu maniera prin care Niels Bohr a solutionat, temporar, acest paradox.
Pentru a putea aprecia ultima parte a acestei serii de postari, aceea in care vom discuta despre fizica cuantica, trebuie mai intai sa intelegem de ce fizica clasica nu a functionat si nu ar functiona pentru particule, si de ce Universul nu ar putea sa existe daca particulele s-ar subjuga comportamentului clasic cu care noi oamenii suntem obisnuiti.
Dupa cum vom vedea, si ideea lui Niels Bohr se va dovedi a fi, in cele din urma, incorecta.
Comentarii