Este relevantă mecanica cuantică pentru cosmologie?

Povestea mecanicii cuantice (MC) a fost concepută pentru a rezolva anumite fenomene microscopice, care implică ceea ce acum știm ca fiind particule elementare și câmpuri fundamentale (inclusiv, probabil, gravitaționale) și a fost testată în domeniul microscopic la precizie nelimitată. Dar, așa cum se întâmplă cu alte eforturi mentale, construcția teoretică inițială a fost împinsă spre un domeniu mai larg și mai larg de aplicare, mult mai departe decât cel original. Motivul pentru această extindere a domeniului de aplicare inițial constă în convingerea, deși tacită, că MC este în esență o entitate epistemică, independentă de orice proprietate care stă la baza materiei (aspect ontologic). Deoarece aceste proprietăți sunt fapte empirice, afirmația unei universalități nelimitate a MC înseamnă a afirma că teoria este independentă de model, aproape de natura logică. Se întâmplă deseori afirmații conform cărora MC este aplicabilă oricărui sistem fizic, în special corpuri macroscopice, chiar cerești, fără o dovadă concretă a acestei universalități. Adevărat, se recurge, de obicei, la dificultăți practice în descrierea sistemelor mari cu multe „particule elementare”, cum ar fi electronii, protonii, neutrinii etc, dar incapacitatea noastră de a efectua calcule practice în acest domeniu nu ne dă dreptul să pretindem că este posibil în principiu. Inabilitatea nu dovedește nimic dincolo de incapacitate. Acest lucru trebuie avut în vedere atunci când încercăm să descriem Universul prin funcția de undă a lui Schrodinger, așa cum fac unii cosmologi. MC este o construcție a unui observator extern, înzestrat cu mintea (pentru a crea teoria) și cu simțurile (atât cele corecte cât și cele artificiale) pentru a-și testa predicțiile (sau realitatea, în sensul einsteinian). Încercările de a interpreta și / sau modifica MC fără observator nu au oferit încă argumente convingătoare împotriva interpretării originale a lui Bohr. Astfel, tratarea universului ca un sistem izolat, unic, apare în varianta cu ipotezele pe care a fost construit MC. Toate ingredientele esențiale ale teoriei cuantice, cum ar fi contabilitatea probabilistică din rezultatele experimentale (în sens larg al conceptului de experiment), etc., devin lipsite de sens. Desigur, jocul cu multitudinea de universuri, cum ar fi ideea cu multitudinea de îngeri pe vârful acului, este legitim din punct de vedere logic, dar puțin relevant pentru o teorie a pretențiilor științifice serioase. Nu putem scăpa de compararea unor interpretări / modificări radicale specifice, cum ar fi conceptul Everett a mai multor lumi, cu conceptul lui Einstein despre un Univers limitat, dar fără granițe.

O caracteristică esențială a interpretării standard (Copenhaga) a (fenomenologiei) mecanicii cuantice este că orice experiment constă dintr-un obiect microscopic și un aparat macroscopic (de măsurare), inclusiv chiar observatorul. Așa cum se poate imagina universul ca obiect al unui observator / experimentator extern, apare o întrebare crucială atunci când se manipulează funcția undelor Universului.

Extinderea sferei teoriei cuantice este o încercare teoretică legitimă, dar se impune justificării din experiența existentă în utilizarea MC la nivel de laborator. Această extindere poate lua diverse forme. Cea mai evidentă și cea mai comună este aplicarea directă a formulării existente, de exemplu, prin ecuația lui Schrodinger. În afară de structura foarte formală, MC conține constanta fundamentală h, care o cuplează cu realitatea fizică și, ca atare, pare externă formalismului matematic implicat. Cineva poate fi tentat să introducă valori mai mari acestei constante pe măsură ce merge în spațiul cosmic mai mare, potrivit subsistemelor cosmice mai mari, cum ar fi, de exemplu, cazul paradigmei ierarhice. Astfel, se poate postula o ierarhie a constantelor cosmice Planck, în funcție de parametrul scalei, cu ecuațiile lui Schrodinger corespunzătoare. Această procedură, care înseamnă cuantificarea lui Planck (deși în direcția opusă), ar putea fi relevantă pentru tratarea diferitelor niveluri de semnificație cosmică, dar nu este deloc o soluție pentru rezolvarea problemei funcției de undă a întregului Univers.

Relativitatea generală (RG) și MC sunt două teorii fizice generale pe care le avem astăzi. Dar ele sunt relevante pentru cosmologie în sensul cel mai larg? Răspunsul depinde de paradigma specială pe care o avem în vedere atunci când punem întrebarea. Știm că forța puternică gravitațională, care este ingredientul principal al RG, poate distruge structura unui subsistem cosmic limitat, cum ar fi galaxia (de exemplu, formarea găurilor negre), într-o asemenea măsură încât MC (mai exact, teoria câmpului cuantic) trebuie să fie invocată pentru a descrie proprietățile și comportamentul subsistemului în cele mai extreme condiții, cum ar fi o densitate de masă enormă. Aceste circumstanțe ne reamintesc că structura formală a unei construcții teoretice nu este suficientă pentru a considera o teorie fizică , fără a determina domeniul său de aplicare.

Problema domeniului fizic al unei teorii (aspectul ontologic) apare ca o instanță specifică a unei probleme mai generale, aceea a unei completitudini a unei constrângeri teoretice (aspect epistemologic). Acesta din urmă a fost luat în considerare de un număr de autori. Omul veșnic se străduiește să găsească o cheie universală, de la piatra filosofală la „teoria tuturor”, dar întotdeauna această încercare s-a încheiat cu un eșec dezamăgitor. Unul dintre motivele acestui fapt constă în dovezi empirice limitate pe care le putem avea despre realitatea fizică (aspectul ontologic), ceea ce duce la imposibilitatea noastră de a acoperi cu constrângeri teoretice o experiență radical nouă. Cazul de față este cosmologia, deoarece nu vom avea niciodată ocazia să experimentăm universul într-un mod direct. Acest aspect face ca cosmologia să depășească abordarea deductivă. Dar limitele mai grave sunt impuse de constrângerile noastre mentale, așa cum a demonstrat Godeel în cazul structurii matematice, în special în ceea ce privește sistemele aritmetice. În general, se pare că orice schemă specială care urmărește o teorie cuprinzătoare este sortită eșecului, deoarece nu poate fi niciodată închisă (incompletența internă). Într-o formă mai puțin strictă se dovedește că nu se poate dovedi niciodată că un sistem matematic nu conține contradicții. Acest rezultat se datorează logicii matematice și este independent de experiența noastră empirică. După cum argumentează Hon în analiza sa lucidă, omul de știință este obligat să aleagă între un sistem cuprinzător care, în mod inevitabil, eșuează în unele cazuri și o constrângere teoretică mai puțin ambițioasă, cu un domeniu limitat și bine definit. El demonstrează aceasta referindu-se din nou la Godel, dar nu la faimoasa dovadă a incompletenței esențiale a sistemelor matematice, ci la contribuția sa mai puțin cunoscută dar importantă la cosmologie însăși.

Prin rezolvarea ecuației RG a lui Einstein pentru o clasă de modele universale de rotație cosmică, Godel a găsit o soluție care deposedează timpul de o direcție unică, permițând astfel emergența curbele de timp închise. Aceasta s-a dovedit a fi una dintre modalitățile posibile de a călători în timp, un concept lipsit de semnificație reală (fizică). Făcând asta, Godel a demonstrat că RG a lui Einstein pare să fie mai mult decât completă, permițând efecte fără sens.

Godel a demonstrat că matematica, ca sistem formal, este inepuizabilă. Deși nu există încă o dovadă analogică că același lucru se aplică fizicii, în special cosmologiei, este rezonabil să presupunem că știința Naturii nu se află într-o poziție diferită. Prin urmare, lumea platonică a noțiunilor pure nu trebuie neapărat să fie mai perfectă decât cea reală fizică. Ceea ce face ca distincția noastră între univers și Univers să fie doar una semantică.

Sursa: Petar V. Grujic, Some epistemic questions of cosmology