M-am decis cu greutate să scriu textul de mai jos. În el vă voi povesti despre o ipoteză îndrăzneață privitoare la realitatea în care ființăm.
Nici n-aş fi îndrăznit să abordez subiectul dacă nu l-aș fi găsit tratat amplu în ediția din 8 iulie 2023 a revistei New Scientist. Citesc această publicație de popularizare a științei de decenii bune și nu am găsit niciodată articole cu subiecte din categoria năzbâtiilor. În plus, autorul articolului, Heinrich Päs, este un om de știință autentic, care predă fizica teoretică la Universitatea Tehnică din Dortmund, Germania. A publicat 91 de articole în prestigioase reviste de fizică. De asemenea, este și autorul a două cărți de popularizare a științei: The Perfect Wave: With Neutrinos at the Boundary of Space and Time, în 2014, și The One: How an Ancient Idea Holds the Future of Physics, în 2023. Putem deduce de aici că Heinrich Päs este atât un cercetător serios, cât și un bun popularizator al științei.
Articolul din New Scientist începe provocator: ”Imaginează-ţi că poți mări obiectele din jurul tău, pentru a vedea din ce sunt făcute. De exemplu, dacă ai mări brațul unui scaun, ai vedea că este format din atomi. Măriți mai departe și veți vedea că acești atomi conțin particule subatomice numite protoni, neutroni și electroni. Mărind și mai mult, veți vedea că protonii și neutronii sunt alcătuiți din quarci. Acestea sunt straturi succesive ale realității și așa înțeleg fizicienii Universul, prin descompunerea lui în părțile sale constitutive. Această abordare este cunoscută sub numele de reducționism. Ca fizician al particulelor, am crescut cu această abordare. Ea a făcut ca fizicienii să își formeze imaginea actuală referitoare la materie. Dar acum, cu progresele actuale ale fizicii, sunt convins că trebuie să trecem la o abordare diferită. În loc să mărim tot mai mult obiectele, cred că trebuie să ne micșorăm (noi înșine). Făcând acest lucru, putem vedea că tot ceea ce există, inclusiv lucruri aparent fundamentale cum ar spațiul și timpul, se fragmentează dintr-un întreg unificat. Acest lucru ar putea suna ca filozofie sau misticism, de fapt este rezultatul direct al aplicării mecanicii cuantice la întregul Univers. Atunci când faci asta, îți dai seama că Universul nu este în mod fundamental format din părți separate, ci este un singur obiect cuantic.”
Reducționismul științific
Cred că, înainte de a trece mai departe, se cuvine să ne tragem un pic sufletul și să precizăm ce reprezintă reducționismul ca metodă a științei. El a fost introdus pentru prima dată de către Descartes. În esenţă, el ne spunea ”Îmi vor fi suficiente următoarele patru reguli cu condiţia de a nu mă abate de la hotărârea fermă şi statornică de a le respecta întotdeauna. Prima era de a nu accepta niciodată un lucru ca adevărat dacă nu-mi apărea astfel in mod evident; adică de a evita cu grijă precipitarea a şi prejudecata şi de a nu introduce nimic în judecăţile mele decât ceea ce s-ar prezenta clar și distinct spiritului meu, neputând nicicum să fie pus la îndoială. A doua , de a împărţi fiecare dificultate analizată în câte fragmente ar fi posibil şi necesar pentru a fi mai bine rezolvate. A treia , de a-mi conduce în ordine gândurile, începând cu obiectele cele mai simple şi mai uşor de cunoscut , pentru a mă ridica puţin câte puţin, ca pe nişte trepte, la cunoaşterea celor mai complexe şi presupunând o ordine chiar între cele care nu se succed în mod firesc. Şi ultima, de a face peste tot enumerări atât d e complete şi revizuiri atât de generale încât să fiu sigur că n-am omis nimic”
Reducționismul științific nu trebuie văzut literal, ci ca una dintre metodele profunde ale științei. Ea a generat progres din ce în ce mai accelerat, pentru ca în zilele noastre să asistăm la o adevărată revoluție a științei, inclusiv în domeniul atât de straniu, pentru noi, profanii, al mecanicii cuantice.
Ce este realitatea?
Revenind la Päs, în cartea despre care am amintit mai devreme, The One: How An Ancient Idea Holds the Future of Physics, el ne spune că ”Mecanica cuantică este știința din spatele exploziilor nucleare, telefoanelor inteligente și acceleratoarelor de particule. Dar ea este mai mult decât atât. Cu ajutorul ei se poate schița o realitate ascunsă, dincolo de ceea ce trăim în viața noastră de zi cu zi. Tot ea are puterea de a transforma noțiunea de realitate – cu condiția ca aceasta să fie luată în serios ca o teorie despre natură. Și aici apare dezbaterea cu care ne începem călătoria: cum putem ști că există ceva ascuns dar pe care nu îl putem experimenta direct? Îndoielile cu privire la această întrebare au declanșat dezbaterea care, în cele din urmă, au condus la ideea că «totul este Unul», și că știința nu ar trebui să se concentreze pe studierea celor mai capricioase bucăți din Univ eres”
Pentru noi, cei care nu avem structura mentală necesară pentru a înțelege subtilității a legăturilor dintre mecanica cuantică și realitate, Päs apelează la metafore: ”Putem obține o înțelegere și mai bună comparând istoria cosmică cu un film vechi de la Hollywood. (…) Dar povestea pe care o trăim în sala de cinema nu este cu adevărat cea stocată pe rola de film. Avem un proiector care afișează informațiile de pe film, o imagine după alta, atât de repede încât spectatorul are impresia unei povești care se desfășoară sub ochii lui. Din nou, povestea nu este cu adevărat pe filmă; este creată de perspectiva privitorului asupra filmului proiectat. Povestea este creată de noi atunci când o urmărim, în timp ce sursa originală de informație rămâne nemodificată, pe rola de film. În același mod, realitatea, istoria cosmică, poate fi înțeleasă ca ceea ce experimentăm din perspectiva noastră asupra unei «realități cuantice» fundamentale.”
El continuă spunându-ne că filmul de la Hollywood ne ”oferă o imagine uimitor de precisă a modului în care funcționează mecanica cuantică, subliniind cea mai importantă întrebare pe care mecanica cuantică ne obligă să o punem: ce este realitatea? Este becul și colecția de imagini stocate pe rola de film din interiorul proiectorului sau este povestea trăită pe ecran? Chiar și astăzi, există două tabere de fizicieni și filozofi care se ceartă cu ardoare exact despre această întrebare. Interpretarea ortodoxă a mecanicii cuantice, cea de la Copenhaga susținută de Niels Bohr, Werner Heisenberg și de majoritatea covârșitoare a fizicienilor, insistă că intriga filmului constituie realitatea. Timp de multe decenii, doar un număr mic de proscriși, inclusiv (cel puțin de ceva timp) Erwin Schrödinger, studentul lui Wheeler, Hugh Everett și fizicianul german H. Dieter Zeh, susțin că realitatea este reprezentată de becul și colecția de imagini stocate pe rola de film din interiorul proiectorului. Această viziune renegată devine, totuși, din ce în ce mai populară.”
O fizică în criză
Revenind la textul din New Scientist cercetătorul german ne aduce aminte că timp de aproape un secol, fizicienii care au încercat să înțeleagă cele mai fundamentale straturi ale realității și au descris din neatenție sistemele fără să cunoască cu adevărat ce se întâmplă în interiorul lor. În anii 1930, Enrico Fermi a descoperit cum neutronul se descompune într-un proton și un electron – proces cunoscut sub numele de dezintegrare beta. Päs: ”Abia zeci de ani mai târziu, atunci când fizicienii au descoperit o particulă intermediară, numită bosonul W, și-au dat seama că există un strat mai profund de interacțiuni care se desfășoară la scări mult mai mici. Din perspectiva actuală, descrierea lui Fermi este primul exemplu de teorie eficientă a câmpului (Effective Field Theory, EFT), un cadru matematic care ne permite să împărțim realitatea în diferite scări de mărime și să le analizăm separat. Astfel, fizica se comportă ca un set de păpuși Matrioșka, rusești, unde poți înțelege păpușa exterioară fără să știi nimic despre păpușile din interior.”
Päs crede că EFT ne duce mai aproape de realitatea Universului. El mai subliniază faptul, susţinut și de mulți ați cercetători, că Modelul Standard folosit în mecanica cuantică modernă, deși a adus contribuții formidabile la înțelegerea universului la scară mică, se află în prezent în fața unor probleme de nerezolvat. El ne prezintă două dintre ele. Prima dintre ele implică bosonul Higgs, particula responsabilă de masa quarcurilor și electronilor. În Modelul Standard, există particulele care se pot transforma temporar în particule cu durată de viață extrem de scurtă, care sunt cunoscute sub numele de particule virtuale, pentru ca mai apoi să se dezintegreze rapid înapoi în particula originală. ”Printr-o ciudățenie a mecanicii cuantice, regulile care guvernează lumea particulelor, aceste fluctuații contribuie la masa unei particule. Amploarea acestei contribuții depinde de cea mai mare energie pe care o pot avea particulele virtuale.”, explică Päs. În ceea ce privește masa bosonului Higgs, avem o mare problemă. Calculele efectuate pe baza Modelului Standard, ținând cont de fluctuațiile amintite mai devreme, ne dau ca rezultat o masă cu 17 ordine de mărime mai mare decât cea măsurată în experimentele desfășurate la marele accelerator de particule, LHC, de lângă Geneva.
O problemă similară apare și în cosmologie. Aceasta implică energia întunecată, forța misterioasă care alimentează expansiunea accelerată a universului. Se crede că expansiunea este cauzată de energia stocată în vidul cosmic. Dar aici, realitatea noastră observată diferă și mai mult de predicție: valoarea energiei vidului cosmic pe care o măsurăm este cu aproximativ 30 de ordine de mărime mai mică decât cea prevăzută de teorie.
Au existat mai multe încercări pentru a rezolva aceste probleme, despre care, de-a lungul timpului, v-am povestit deja. Una dintre ele poartă numele de supersimetrie, prezice că ar exista noi particule care anulează fluctuațiile cuantice produse de particulele Modelului Standard. O altă rezolvare presupune existența unor dimensiuni suplimentare ale spațiu-timpului.
Din păcate, ne spune Päs, ”Atât ideea supersimetriei, cât și a dimensiunilor suplimentare, ar fi trebuit să genereze o nouă fizică la LHC, fie sub formă de noi particule supersimetrice, fie sub forma unor dimensiuni suplimentare. Până acum, însă, la LHC, a fost găsit bosonul Higgs și nimic altceva.”
Din acest motiv, un număr mic de fizicieni teoreticieni s-au îndreptat către o abordare radicală, prin care se propune o alternativă la reducționismul științific. Pentru a explica această alternativă Päs ne propune o analogie (sunt nevoit să precizez că analogiile sunt mai degrabă niște metafore, care ne ajută să înțelegem unele lucruri). Päs ne sugerează să ne aducem aminte cum stau lucrurile cu lumina pe care o vedem cu ochii noștri, cea vizibilă: ”La energii mari și, prin urmare, la cele mai mici lungimi de undă, dincolo de culoarea violetă din spectrul electromagnetic avem ceea ce numim radiații ultraviolete (UV). La energii mai joase, corespunzătoare unor lungimi de undă mai mici decât cea a culorii roșii, avem ceea ce numim infraroșu (IR). Între cele două, în partea vizibilă a spectrului electromagnetic, se află lumina vizibilă care este echivalentă cu tărâmul în care funcționează Modelul Standard.”
Päs continuă: ”Calculele nu au sugerat nicio valoare concretă pentru limita de jos a energiei. Așa că (…) s-a încercat cea mai mare scară la care ne puteam gândi: raza Universului observabil. Într-o altă întorsătură fascinantă, valoarea corespunzătoare infraroșului din spectrul electromagnetic s-a dovedit a fi exact valoarea energiei întunecate a universului – nu scara Planck. Dacă particulele virtuale care contribuie la energia întunecată respectă această limită, acest lucru ar putea explica de ce aceste efecte nu fac ca energia întunecată să atingă valorile ridicol de mari. (cum sunt cele care rezultă în urma calculelor realizate pe baza Modelului Standard).” Fără a intra în detalii vă voi spune că, în ceea ce privește lungimea, unitatea de măsură are valoare de 10 la puterea -35 m. În plus, ne spune Päs, teoretic, scările Universului echivalente cu UV-ul și IR-ul din spectrul electromagnetic par să comunice între ele. El ne vorbește despre un amestec (mixing) UV/IR.
Cercetările teoretice realizate de Heinrich Päs și alți fizicieni au arătat că, drept consecință acestei constatări, ar putea exista o proprietate fundamentală a realității, care ar avea consecințe importante pentru felul în care percepem Universul.
Heinrich Päs își continuă articolul din New Scientist descriind entanglement-ul (corelarea) cuantică. ”Pregătiți două particule într-un mod specific și veți constata că o măsurare a uneia dintre ele este «simțită» imediat și de cealaltă, indiferent de distanța dintre ele. Aceste corelații pot fi considerate ca fiind o dovadă a faptului că sistemele corelate cuantice nu pot fi înțelese ca fiind alcătuite din părți componente: ele sunt una și aceeași particulă. Așa cum această indivizibilitate leagă particulele aflate la distanțe mari, ea poate lega și efecte cuantice la diferite energii. Cu alte cuvinte, entanglement-ul cuantic ar putea fi responsabil pentru faptul că scalele UV și IR ale universului par să comunice între ele.”
Apoi, după câteva paragrafe, el vine cu ipoteza uimitoare, care m-a făcut să scriu acest articol: ”Dacă este așa, există implicaţii uriașe pentru înțelegerea realității la nivelul său cel mai fundamental. Dacă entanglement-ul poate fi aplicat întregului cosmos, atunci, în loc ca totul să fie alcătuit din componente din ce în ce mai mici, Universul este «o unitate singură și indivizibilă», așa cum spunea David Bohm, pionier al mecanicii cuantice. Toate obiectele din realitate ar fi codate într-o funcție universală de undă, o entitate matematică care descrie o singură componentă.” Altfel spus, întreg Universul este reprezentat de o entitate cuantică solitară…
Desigur, sună frumos cele spuse de Heinrich Päs, dar avem de-a face deocamdată cu o ipoteză. Și așa cum spun deseori, ipotezele, oricât de fascinante ar fi, doar deschid drumuri. Pentru a ajuta la progresul științei ele trebuie dovedite experimental. Päs: ”Curând, vom ști dacă aceasta corespunde realității. (…) s-a sugerat că entanglement-ul UV/IR ar afecta interacțiunea electronilor sau a particulelor subatomice numite muoni cu câmpurile electromagnetice, apărând ca o discrepanță între predicțiile Modelului Standard și măsurători. Fenomenul ar putea apărea și în alte procese. Un exemplu pe care colegii mei și cu mine îl explorăm în prezent se referă la masele neutrinilor. Spre deosebire de alte particule, masele extrem de mici ale neutrinilor pot fi generate în întregime de particule virtuale. Acest lucru înseamnă că ar trebui să fie mai sensibile decât alte particule la orice efecte de entanglement UV/IR.”
Încheiere
Mi-ar fi plăcut să posed instrumentul filosofic care să mă ajute să comentez consecințele acestei ipoteze fascinante, fără discuție. Cum nu prea sunt mulțumit de ce am, prefer să închei citându-l pe Heinrich Päs: ”Dacă găsim dovezi care să susțină această idee, s-ar schimba dramatic modul în care concepem cosmosul. Ar însemna că nu am putea vedea doar un univers într-un grăunte de nisip, cum spunea poetul William Blake, ci am putea vedea cu adevărat întregul Univers în cele mai mici componente și particule ale sale. În timp ce acest lucru ar putea părea doar o altă modalitate de a aborda fizica, este mult mai mult decât atât. Cred că suntem pe calea unei înțelegeri complet noi a modului în care este construit Universul.”
