Să ne întoarcem la ce este mecanica cuantică și cum o putem folosi.

O priveliște invizibilă

Bine, deci simți mirosul de cafea, ești aproape treaz. Ochii tăi sunt pregătiți pentru rutina zilnică, clipind și lăsând să intre în lumină. Pe măsură ce vă gândiți, particulele de lumină care vă intră în față și în ochi s-au format acum un milion de ani în centrul soarelui, într-un moment în care strămoșii noștri au început să folosească focul. Soarele nici măcar nu ar trimite particule numite fotoni dacă nu ar fi necesare pentru același fenomen care ar putea sta la baza simțului mirosului, tunelul cuantic.

Aproximativ 150 de milioane de kilometri separă Soarele de Pământ, fotonii durează doar opt minute pentru a parcurge acea distanță. Cu toate acestea, cea mai mare parte a călătoriei lor se desfășoară în interiorul soarelui, unde un foton tipic petrece un milion de ani încercând să scape. Materia este astfel stocată în mijlocul stelei noastre, unde hidrogenul este de aproximativ 13 ori mai dens decât plumbul, iar fotonii pot călători o fracțiune infinitesimală de secundă înainte de a fi absorbiți de ionii de hidrogen, care apoi trag un foton pentru a călători de la Soare etc. După aproximativ un miliard a unor astfel de interacțiuni, un foton apare în cele din urmă pe suprafața Soarelui, care strălucește aici de milioane de ani.

Mecanica cuantică (© Jay Smith)

Fotonii nu s-ar fi format niciodată, iar Soarele nu ar fi strălucit fără tuneluri cuantice. Soarele și toate celelalte stele creează lumină prin fuziune nucleară, descompun ionii de hidrogen și creează heliu într-un proces care eliberează energie. În fiecare secundă, soarele transformă aproximativ 4 milioane de tone de materie în energie. Doar ionii de hidrogen, precum protonii individuali, au sarcini electrice pozitive și se resping reciproc. Deci, cum pot fuziona între ele?
În tunelurile cuantice, natura undelor protonilor le permite uneori să se suprapună cu ușurință, precum valurile care se unesc pe suprafața unui iaz. Faptul că se suprapun aduce undele protonice suficient de aproape încât o altă forță, cum ar fi o forță nucleară puternică care acționează doar la distanțe foarte mici, poate depăși repulsia electrică a particulelor. Protonii se descompun apoi pentru a elibera un foton.

Ochii noștri sunt foarte sensibili la fotoni

Ochii noștri au evoluat pentru a fi foarte sensibili la acești fotoni. Unele experimente recente au arătat că putem detecta chiar și fotoni individuali, ceea ce ridică o posibilitate interesantă: ar putea oamenii să detecteze unele cazuri speciale de mecanică cuantică? Înseamnă asta că o persoană, ca un foton sau un electron sau nefericita pisică a lui Schrödinger, este moartă și vie în același timp dacă este direct implicată în lumea cuantică? Cum ar putea arăta o astfel de experiență?

Ochiul omului

„Nu știm pentru că nimeni nu a încercat”, a spus Rebecca Holmes, fizician la Laboratorul Național Los Alamos din New Mexico. În urmă cu trei ani, când a absolvit Universitatea din Illinois la Urbane-Champaign, Holmes făcea parte dintr-o echipă condusă de Paul Kwiat, care a arătat că oamenii pot detecta flash-uri scurte de lumină formate din trei fotoni. În 2016, a aflat că un grup concurent de oameni de știință, condus de fizicianul Alipaša Vaziri de la Universitatea Rockefeller din New York, a descoperit că oamenii au văzut de fapt fotoni individuali. Cu toate acestea, vedem că experiența nu poate fi descrisă cu precizie. Vaziri, a încercat să vadă ea însăși fotonul, a spus revistei Nature: „Nu este ca și cum ai vedea lumina. Este aproape un sentiment în pragul fanteziei ".

Mecanica cuantică - experimente

În viitorul apropiat, Holmes și Vaziri se așteaptă ca experimentele să testeze ceea ce percep oamenii când fotonii sunt introduși în stări cuantice speciale. De exemplu, fizicienii pot lega un singur foton de ceea ce ei numesc o suprapunere, unde fotoni există simultan în două locuri diferite. Holmes și colegii ei au conceput un experiment care implică două scenarii pentru a testa dacă oamenii pot percepe direct suprapunerea fotonilor. În primul scenariu, un foton ar ajunge fie în partea stângă, fie în partea dreaptă a retinei umane și s-ar observa pe ce parte a retinei a simțit fotonul. În al doilea scenariu, fotonul ar fi plasat într-o suprapunere cuantică care i-ar permite să facă ceea ce pare imposibil - să zboare în partea dreaptă și stângă a retinei în același timp.

Ar detecta cineva lumina de pe ambele părți ale retinei? Sau interacțiunea unui foton din ochi ar cauza suprapunerea „prăbușirii”? Dacă da, s-ar întâmpla atât de des pe partea dreaptă și pe cea stângă, așa cum sugerează teoria?

Rebecca Holmes spune:

„Pe baza mecanicii cuantice standard, un foton în suprapunere probabil nu ar arăta altfel decât un foton transmis cu adevărat aleatoriu la stânga sau la dreapta.”

Dacă se dovedește că unii participanți la experiment au perceput de fapt fotonul în ambele locuri în același timp, înseamnă că persoana însăși se afla într-o stare cuantică?

Rebecca Holmes adaugă:

„Ați putea spune că observatorul a fost singur într-o suprapunere cuantică într-un timp neglijabil de scurt, dar nimeni nu a încercat-o încă, așa că într-adevăr nu știm. De aceea facem un astfel de experiment ".

Percepi în felul tău

Acum să ne întoarcem la ceașca de cafea. Simți cana ca pe o piesă solidă de material, în contact ferm cu pielea mâinii tale. Dar este doar o iluzie. Nu atingem niciodată nimic, cel puțin nu în sensul celor două bucăți solide de materie care se ating. Mai mult de 99,9999999999 la sută dintr-un atom constă în spațiu gol, cu aproape toată materia concentrată în nucleu.

Mecanica cuantică (© Jay Smith)

Când ții ceașca cu mâinile, pare a fi a lui puterea provine din rezistența electronilor din cupă și din mână. Electronii înșiși nu au deloc volum, doar dimensiunile aparente zero ale câmpului de sarcină electrică negativă care înconjoară atomii și moleculele ca un nor. Legile mecanicii cuantice le limitează la niveluri specifice de energie din jurul atomilor și moleculelor. Pe măsură ce mâna apucă ceașca, împinge electronii de la un nivel la altul și acest lucru necesită energie musculară, pe care creierul o interpretează ca rezistență atunci când atingem ceva solid.

Simțul nostru tactil provine din interacțiunea extrem de complexă dintre electronii din jurul moleculelor corpului nostru și moleculele obiectelor pe care le atingem. Din aceste informații, creierul nostru creează iluzia că avem un corp solid care se mișcă în jurul unei lumi pline de alte obiecte solide. Contactul cu ei nu ne oferă un sentiment exact al realității. Este posibil ca niciuna dintre percepțiile noastre să nu corespundă cu ceea ce se întâmplă cu adevărat. Donald Hoffman, neurolog cognitiv la Universitatea din California, Irvine, crede că simțurile și creierele noastre au evoluat pentru a ascunde adevărata natură a realității, nu pentru a o dezvălui.

"Ideea mea este că faptul, oricare ar fi acesta, este prea complicat și ne va lua prea mult timp și energie pentru a procesa."

Compararea imaginii lumii din creier cu interfața grafică din computer

Hoffman compară imaginea construcției lumii în creierul nostru, cu interfața grafică de pe ecranul computerului. Toate pictogramele colorate de pe ecran, cum ar fi Coșul de reciclare, indicatorul mouse-ului și folderele de fișiere, nu au nicio legătură cu ceea ce se întâmplă cu adevărat în interiorul computerului. Doar abstracții, simplificări ne permit să comunicăm cu electronice complexe.

În viziunea lui Hoffman, evoluția ne-a schimbat creierul pentru a funcționa la fel ca o interfață grafică care nu reproduce lumea cu fidelitate. Evoluția nu susține dezvoltarea percepției exacte, ci folosește doar ceea ce permite supraviețuirea.

După cum spune Hoffman:

„Formați reguli asupra realității”.

Hoffman și studenții săi absolvenți au testat sute de mii de modele de computere în ultimii ani pentru a-și testa ideile în simulări de forme de viață artificială care concurează pentru resurse limitate. În orice caz, organismele sunt programate să acorde prioritate condiției fizice atunci când faptele nu sunt potrivite cu cele făcute pentru o percepție exactă.

De exemplu, dacă un organism este conceput pentru a percepe cu precizie, de exemplu, cantitatea totală de apă prezentă în mediu și întâlnește un organism care este reglat pentru a percepe ceva mai simplu, de exemplu, cantitatea optimă de apă necesară pentru a rămâne în viață. Deci, în timp ce un organism ar putea crea o formă mai precisă a realității, această proprietate nu își mărește capacitatea de a supraviețui. Studiile lui Hoffman l-au condus la o concluzie remarcabilă:

„În măsura în care suntem atenți la susținerea vieții, nu vom fi acordați realității. Nu putem face asta ".

Teoria cuantica

Gândurile sale coincid cu ceea ce unii fizicieni consideră a fi ideea centrală a teoriei cuantice - percepția realității nu este în întregime obiectivă, nu putem fi separați de lumea pe care o observăm.

Hoffman surprinde pe deplin acest punct de vedere:

„Spațiul este doar o structură de date, iar obiectele fizice sunt ele însele structuri de date pe care le creăm în zbor. Când mă uit la un deal, creez această structură de date. Apoi mă uit în altă parte și rup această structură de date pentru că nu mai am nevoie de ea. "

După cum arată lucrarea lui Hoffman, nu am luat în considerare încă sensul complet al teoriei cuantice și ceea ce spune despre natura realității. În cea mai mare parte a vieții sale, Planck însuși a căutat să înțeleagă teoria pe care a ajutat-o ​​să creeze și a crezut întotdeauna într-o percepție obiectivă a universului care exista independent de noi.

Odată a scris despre motivul pentru care a ales să urmeze fizica, împotriva sfatului profesorului său:

„Lumea exterioară este ceva independent de om, este ceva absolut și căutarea legilor care se aplică acestui lucru mi s-a părut absolut cea mai nobilă experiență științifică a vieții”.

S-ar putea să treacă încă un secol pentru ca o altă revoluție în fizică să demonstreze dacă a avut dreptate sau nu, ca profesorul său Philip von Jolly.