Implicatiile mecanicii cuantice, partea I - Constanta Cosmologica
"Atunci cand dai de o bifurcatie, mergi pe ea." - Yogi Berra"Acum, ca am inteles comportamentul cuantic, putem vorbi despre implicatiile acestuia". Pun intre ghilimele pentru ca are cam la fel de mult sens ca si citatul celebrului (celebrului in sens negativ) jucator de baseball, Yogi Berra.
Si asta pentru ca nimeni, de fapt, nu intelege mecanica cuantica. Richard Feynman spunea "Daca crezi ca intelegi mecanica cuantica, nu intelegi mecanica cuantica". Mecanica cuantica este in batalie cu intuitia umana, si uneori chiar cu logica intuitiva. Oameni care au studiat domeniul foarte mult timp (decenii) spun exact acest lucru. Ideea pe care merg ei, la nivel de cercetare, este sa fie purtati acolo unde ecuatiile ii poarta, si sa ignore tendintele umane si intuitia, pentru ca ar intra foarte in dezacord cu ceea ce matematica si experimentele le demonstreaza sa fie, de fapt, realitatea.
Asta pentru ca noi, oamenii, suntem programati de catre evolutie sa fim fiinte care inteleg fizica si mecanica clasica. Am avut nevoie sa ne adaptam la rezolvarea intuitiva a problemelor de natura clasica - sa prindem obiecte, sa aruncam cu pietre, sa vanam, sa calculam o saritura, chestii legate de supravietuire. Nu sa intelegem intuitiv notiuni in care ne apropiem de limitele realitatii, ori in domeniul vitezei (aproape de viteza luminii - relativitatea speciala), ori in domeniul gravitatiei (corpuri foarte masive cu gravitatie foarte puternica - relativitatea generala), ori in domeniul particulelor subatomice (fizica cuantica).
Insa nu cred ca ceea ce am discutat in primele 3 parti referitoare la comportamentul cuantic "de baza", reprezentat, in cele din urma, de principiul de incertitudine, este ceva greu de inteles. Am vazut, pas cu pas, si cum am ajuns la principiul de incertitudine. Toate bune si frumoase, insa, pana la urma, ce implicatii are natura cuantica a realitatii? Pentru ca altfel totul este doar o poveste teoretica (desi am vazut experimente practice, care au demonstrat natura teoretica subsidiara), interesanta, dar fara cine stie ce implicatii referitoare la realitate. Sa nu uitam, insa, ca principiul de incertitudine este exact acel lucru care permite existenta tuturor atomilor din Univers. Sa nu sarim, totusi, atat de usor peste ceva atat de important. Si daca ar fi avut doar aceasta unica implicatie, cred ca este evident ca natura cuantica a realitatii ar fi fost extraordinar de importanta oricum.
Dar nu are o singura implicatie. Are foarte multe implicatii. Are atat de multe si mai ales interesante implicatii, incat nu poti decat sa fii uimit cu fiecare implicatie aditionala pe care o auzi. Cand auzi o a doua implicatie, dincolo de faptul ca permite atomilor sa existe, esti uluit ca respectivul efect este datorat, din nou, mecanicii cuantice. Nu-ti vine sa crezi ca ceva ce parea ca n-are nicio legatura cu mecanica cuantica este, de fapt, rezultatul direct al mecanicii cuantice.
Voi incerca sa aduc in discutie cateva astfel de efecte (incerc sa evit cuvantul "implicatii" pentru ca l-am folosit deja de prea multe ori, insa acela este termenul "corect" ce ar trebui folosit de fiecare data) si sper ca veti fi uluiti la fel de mult precum am fost si eu, cand am realizat ca se datoreaza mecanicii cuantice, si naturii ei incerte.
In speta, lucruri ce par complet neimportante si irelevante, se dovedesc a fi extrem de importante. Acestea se leaga unele de altele, cauzalitatea unor lucruri esentiale pentru existenta noastra, dincolo de existenta atomilor, ducand, pe un lant de evenimente, la mecanica cuantica.
Bun. Care ar fi unul dintre aceste efecte?
In prezent, stim ca Universul nostru este in expansiune. Nu intamplator am pus "nostru" dupa "Universul". Vom ajunge, mai tarziu, si la motivul pentru care am folosit "nostru" si nu am folosit doar "Universul". In 1929, Edwin Hubble a descoperit ca Universul nostru se afla in expansiune, fiecare galaxie indepartandu-se de galaxia noastra cu o viteza direct proportionala cu distanta fata de noi. El a observat un redshift al luminii venite dinspre galaxii indepartate, cu foarte putine exceptii (de exemplu, galaxia cea mai apropiata de noi, Andromeda, se indreapta catre noi, nu se indeparteaza de noi, si se va "ciocni" cu Calea Lactee in circa 4 miliarde de ani).
Iata o simulare a "ciocnirii":
Daca Andromeda se indreapta catre noi, deci lumina acesteia are un blueshift, celelalte galaxii au lumina deplasata catre rosu (redshift).
Acest lucru se datoreaza efectului Doppler, mult mai cunoscut noua prin intermediul sunetelor. Efectul Doppler este evident atunci cand ascultam de exemplu claxonul unei masini care se apropie de noi (claxonul se aude mai "sus", mai subtire, pentru ca undele acustice sunt comprimate in directia "spre noi"), care apoi, dupa ce masina trece de noi, incepe sa se auda din ce in ce mai "jos" (pentru ca undele acustice sunt "lungite" pe masura ce masina se indeparteaza de noi).
Acelasi lucru este valabil si in cazul undelor electromagnetice, mai exact, si in cazul luminii:
Daca liniile de absorbtie sunt deplasate catre albastru, obiectul se apropie de noi. Daca liniile de absorbtie sunt deplasate catre rosu, obiectul se indeparteaza de noi. Simplu.
In cazul marii majoritati a galaxiilor observate de catre Edwin Hubble in 1929, lumina era deplasata catre rosu. Ceea ce inseamna ca se indepartau si se indeparteaza de noi. Ceea ce inseamna ca Universul nostru nu este static, ci in continua expansiune. Unele galaxii foarte indepartate par ca se deplaseaza cu viteze mai mari decat viteza luminii fata de noi, ceea ce ar viola legea relativitatii speciale care spune ca niciun obiect nu se poate deplasa cu o viteza mai mare decat viteza luminii.
Insa nu este un paradox sau o violare a legii relativitatii. Galaxiile par ca se indeparteaza cu viteze mai mari decat viteza luminii deoarece spatiul se expandeaza (mai mult spatiu este creat intre noi si respectiva galaxie) si este creat atat de mult incat viteza de separatie dintre noi si respectiva galaxie depaseste viteza luminii, dar atat noi cat si respectiva galaxie suntem "stationari". Nu ne deplasam nici noi, nici ea, ci pur si simplu este creat mai mult spatiu intre noi si ea astfel incat nici lumina cu viteza sa incredibila nu poate face fata si acoperi aceasta distanta creata. Deci, nu survine nicio violare a relativitatii, pentru ca nu se deplaseaza niciun obiect prin spatiu cu o viteza mai mare decat viteza luminii, ci insusi spatiul se expandeaza. Ceea ce e perfect acceptabil conform teoriei generale, de data aceasta, a relativitatii. Spatiul se poate expanda cu o viteza mai mare decat viteza luminii (de fapt, acest lucru s-a intamplat in timpul Big Bangului, in perioada inflationista a Universului).
Hubble a observat, deci, aceasta expansiune, si faptul ca era direct proportionala cu distanta pana la acea galaxie, si, de-a lungul timpului, a fost masurata constanta lui Hubble de expansiune a Universului, in jurul valorii de 70 km/s/Megaparsec. (1 Megaparsec este aproximativ 30.000 de miliarde de miliarde de kilometri). Pentru 2 Mpc, viteza va fi de 140 km/s. Si asa mai departe. Cand o galaxie este indeajuns de indepartata, viteza cu care aceasta se indeparteaza de noi va fi mai mare de 300.000 km/s, adica mai mare decat viteza luminii. O astfel de galaxie nu este observabila, pentru ca lumina de la ea nu mai poate ajunge la noi. Putem insa calcula unde se afla o galaxie observabila, in prezent, stiind cand a fost emisa lumina acesteia si la ce distanta se afla in momentul emiterii luminii. Astfel, in loc sa vedem Universul pe o distanta egala cu varsta lui, deci ~13.8 miliarde de ani distanta (13.8 miliarde de ani lumina), datorita expansiunii Universului, Universul observabil are un diametru de 93 de miliarde de ani lumina. Cum un an lumina are in jur de 10 trilioane de kilometri, diametrul Universului observabil este de 930 de miliarde de trilioane de kilometri.
Inainte de descoperirea lui Hubble, se credea ca Universul era static. Insusi Einstein credea asta. Ce observase insa folosind propria teorie a relativitatii generale era faptul ca Universul, asa dupa cum fusese calculat, nu putea fi stabil. Putea fi in expansiune sau putea fi in colaps. Era extraordinar de greu sa fie stabil, static, etern, neschimbabil. Si ca sa rezolve acest lucru, Einstein a introdus in ecuatiile sale o noua constanta, numita "Constanta Cosmologica". Aceasta avea rolul sa tina Universul static - nici in colaps, nici in expansiune. Practic, a introdus un fel de "anti-gravitatie" care sa actioneze ca o forta repulsiva, astfel incat sa combata exact forta gravitationala care incearca sa atraga toata materia intr-un singur loc (sa faca colapsul Universului inapoi intr-o singularitate). Cand a aflat, mai apoi, ca Hubble a descoperit ca Universul se afla in expansiune, a numit introducerea constantei cosmologice drept "cea mai mare gafa a carierei sale".
Se va dovedi, insa, ca introducerea constantei cosmologice nu a fost, pana la urma, atat de "rea". Doar ca Einstein alesese o valoare pentru ea astfel incat Universul sa fie static, in timp ce el se afla in expansiune. Valoarea corecta a constantei cosmologice era diferita de cea aleasa de Einstein, insa exista. Era o realitate.
In prezent, constanta cosmologica se cheama "Dark Energy", sau "Energia Intunecata". Ea mai poarta numele si de "energia vidului". Ideea este ca spatiul, complet golit de orice fel de particule, are energie. Nu este "gol" complet, in ciuda faptului ca nu are materie in el. Intrebarea este, ce furnizeaza aceasta energie vidului, spatiului gol?
Cred ca banuiti in ce directie ne indreptam. Va mai amintiti bunul nostru prieten, principiul de incertitudine? Ei bine, el nu se aplica doar pentru pozitia si impulsul unei particule. El se aplica, de exemplu, si in cazul campurilor electric si magnetic. Principiul de incertitudine se aplica pentru multe lucruri in mecanica cuantica, iar aceste "lucruri" se cheama "perechi de marimi conjugate". Nu putem sti atat starea campului magnetic cat si a campului electric. Acest lucru da o incertitudine campurilor, care "foiesc". Nu sunt statice si "linistite". Ci sunt intr-o stare de fluctuatie. Genereaza particule virtuale care supravietuiesc doar o unitate de timp Planck, adica 5,39 * 10-44 secunde. Acestea sunt create in perechi particula-antiparticula si se autoanihileaza dupa o unitate Planck de timp. Astfel, ele nu violeaza legea conservarii energiei. Ca sa intelegem mai exact, durata de viata a unor astfel de particule este de ~50 de miliardimi de trilionimi de trilionimi de trilionimi de secunda.
Deci, astfel de fluctuatii la nivel de camp participa cu energie la "energia spatiului gol". Problema este ca valoarea constantei cosmologice este diferita de valoarea calculata a constantei cosmologice. Conform calculelor, folosind teoria cuantica a campurilor, o teorie foarte robusta, ajungem la o anumita valoare foarte mare. Diferenta dintre valoarea calculata si valoarea reala este de 10120. Aceasta diferenta dintre valoarea constantei cosmologice calculate si valoarea constantei cosmologice observate poate fi considerata, de departe, cea mai mare eroare de calcul din istoria fizicii. Valoarea reala este aproape 0, dar nu exact 0. Este 0,000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000427432759 - primele 120 de zecimale sunt 0, a 121a este non-zero (427432759 este un numar "pus din burta", doar pentru a demonstra ca din acel punct valoarea nu mai este zero). Pentru ca este atat de apropiata de zero, valoarea constantei cosmologice permite Universului nostru sa existe.
Daca valoarea constantei cosmologice ar fi fost mai mare, Universul ar fi intr-o expansiune prea rapida, gravitatia nu ar avea indeajuns de multa forta sa traga materia astfel incat sa creeze galaxii, stele, energie nucleara, elemente chimice, viata.
Daca valoarea constantei cosmologice ar fi fost mai mica, gravitatia ar fi fost prea puternica si ar fi colapsat materia prea repede, s-ar fi format foarte multe gauri negre, chimia ar fi fost diferita, viata nu ar putea exista.
Valoarea constantei cosmologice pare aleasa special pentru existenta noastra. Maniera prin care putem explica o astfel de valoare extraordinar de precisa, si extraordinar de improbabil sa fie intamplatoare, se poate interpreta in doua moduri:
1) O entitate supranaturala (Dumnezeu) a planuit ca Universul nostru sa aiba o astfel de valoare pentru ca noi sa putem exista;
2) De fapt, nu suntem singurul Univers - sunt o sumedenie de alte Universuri care au alte valori ale constantelor, iar noi se intampla sa traim intr-un Univers cu aceasta valoare, altfel nu am fi existat sa ne punem intrebarea - aceasta idee se cheama "principiul antropic" si este in stransa legatura cu conceptul de Multivers. Acum intelegeti de ce am spus "Universul nostru" si nu doar "Universul". Pentru ca exista o posibilitate puternica ca Universul nostru sa nu fie singurul.
De fapt, conceptul de Multivers deriva din multe teorii, sau teorii combinate - atat din teoria inflationista a Universului, cat si din interpretarea lui Hugh Everett a mecanicii cuantice si din peisajul teoriei corzilor. Evident, este un subiect mult prea complex pentru a fi discutat in acest post. Dar vom discuta despre el intr-un post viitor.
Revenind insa la implicatia mecanicii cuantice in constanta cosmologica, ce da valoarea constantei cosmologice? Raspunsul este ca (si aici ne intoarcem la modelul standard al particulelor) in fizica particulelor avem doua tipuri de particule: bosoni si fermioni (apropo, bosonii au fost numiti dupa fizicianul indian Satyendra Nath Bose, iar fermionii dupa Enrico Fermi). Bosonii sunt particulele ce mediaza fortele naturii (asta in general, pentru ca bosonul Higgs este un alt tip de boson), cum ar fi gluonii, fotonii, bosonii W+, W- si Z, gravitonii (presupunand ca gravitatia poate fi cuantizata, deocamdata gravitonul are valoare de particula teoretica) si asa mai departe. Bosonii sunt sociabili, si pot ocupa acelasi loc in acelasi timp. Fermionii sunt particulele materiei, cum ar fi cuarcii si leptonii, si nu pot ocupa aceeasi stare cuantica in acelasi timp. Nu sunt sociabili. Ei sunt supusi principiului de excluziune al lui Pauli.
Ideea este ca cele doua tipuri de particule, in acest caz, virtuale, participa la energia vidului, prin intermediul principiului de incertitudine. Mai exact, bosonii virtuali contribuie cu energie pozitiva la energia vidului, iar fermionii virtuali contribuie cu energie negativa la energia vidului.
Aparent, modul in care acestia fluctueaza este "atat de bine reglat" incat balansul dintre contributia pozitiva a bosonilor virtuali si contributia negativa a fermionilor virtuali este aproape zero, energia vidului avand totusi o valoare pozitiva (in acest caz, care duce la expansiunea spatiului) dupa cea de-a 120a zecimala. Cu alte cuvinte, contributiile bosonilor virtuali, cei care dau energie pozitiva vidului, sunt foaaaaaaaaaaaaaaaaaaarte putin mai mari decat contributiile fermionilor virtuali. Din aceasta cauza, o mare parte dintre fizicieni suspecteaza ca o forma de supersimetrie a particulelor exista in Universul nostru, dar nu perfecta (o supersimetrie perfecta ar face ca valoarea constantei cosmologice sa fie zero, contributiile bosonilor virtuali fiind perfect balansate de contributiile fermionilor virtuali).
Mult prea precis pentru a fi doar o simpla coincidenta. Ce implicatie are acest lucru? O alta implicatie uimitoare, si anume faptul ca radiatia de fundal din urma Big Bangului are o frecventa in spectrul microundelor. Cu alte cuvinte, dupa "explozia" Big Bangului, deoarece spatiul se afla in expansiune, energia fotonilor din momentul Big Bangului, frecventa acestor fotoni, a fost foarte foarte lungita de catre expansiunea Universului. Cum stim ca energia unui foton este direct proportionala cu frecventa acestuia (prin intermediul formulei E=hf), aceasta expansiune a scazut energia fotonilor, si a lungit unda acestora pana in spectrul microundelor. Daca nu am fi avut constanta cosmologica cu valoarea pe care o are ca urmare a contributiilor particulelor virtuale ca urmare a naturii cuantice a realitatii, si a principiului de incertitudine, energia fotonilor de dupa Big Bang ar fi avut alte valori la momentul de fata.
Poate am fi avut fotoni de raze gamma care ar fi bombardat Pamantul, sau raze X, sau ultraviolete, toate acestea fiind unde electromagnetice ionizante, care ar fi distrus toata viata de pe Pamant instantaneu. In schimb, datorita constantei cosmologice si valorii ei, avem parte de unde ne-ionizante, in spectrul microundelor, care nu distrug viata de pe Pamant.
Absolut fabulos. Fac pariu ca nu v-ati fi gandit niciodata ca motivele pentru care Universul este in expansiune si radiatia de fundal a Universului este in spectrul microundelor in locul luminii ionizante, mortale, sunt acelea ca mecanica cuantica ne-a salvat, asa ciudata cum e, din nou.
Intr-adevar, implicatiile pe care mecanica cuantica le are asupra realitatii sunt incredibile. Iata cum natura cuantica a realitatii, chiar si in spatiul gol, in vid, ne salveaza inca o data. Si cum influenteaza intregul Univers, nu doar materia, ci si spatiul-timpul insusi.
Si, ganditi-va, acest post foarte lung este doar o implicatie e mecanicii cuantice, pe langa faptul ca permite atomilor sa existe. In urmatorul post voi incerca sa mai vorbesc depre alte cateva astfel de implicatii. De asemenea, am vazut cum se leaga lucrurile unul de celalalt, cum o implicatie duce la o alta si asa mai departe.
Intr-adevar, putem spune ca mecanica cuantica este eroul din umbra al existentei.
Comentarii
Poti sa-ti imaginezi asta ca pe un sir infinit de numere: 1,2,3,...infinit.
Daca incepi sa pui si 0.5 intre ele, vei avea numere intre acele numere: 0,0.5,1,1.5,2,2.5,3...infinit. Deci vei ramane tot cu infinit, insa vei "expanda" acel infinit (intre punctele pe care le aveai deja vei avea noi puncte, cele cu "0.5").