Una dintre sarcinile deosebite în fizica fundamentală, conform multor fiziciști teoreticieni, este construirea unei teorii cuantice a gravitației. Încercarea de până acum de a construi o astfel de teorie este încercarea de a unifica teoria generală a relativității lui Einstein cu teoria cuantică (sau cu teoria câmpului cuantic). În timp ce gravitatea cuantică urmărește să descrie totul în univers în termenii teoriei cuantice, scopul proiectului apropiat al cosmologiei cuantice este de a descrie chiar universul ca un întreg ca sistem cuantic. În prezent, o teorie cuantică a gravitației se caută în principal pe două căi (ambele fiind asociate cu o serie de probleme tehnice și conceptuale). Prima dintre acestea este gravitația canonică cuantică în care ecuațiile clasice Einstein sunt cumva cuantificate. A doua și cel mai popular program pentru gravitația cuantică este cel al teoriei corzilor. Contrar gravitației cuantice canonice, teoria corzilor urmărește să unească descrierea gravitației cu cele ale celorlalte forțe din natură (forțe electromagnetice, slabe și puternice) și, în acest sens, este cea mai ambițioasă încercare a unei teorii cuantificate a gravitației. Astfel, teoria corzilor nu numai că posedă (ca și gravitatea canonică gravitabilă) unificarea în sensul că toate forțele sunt cuantice în natură, dar și că toate forțele cuantice pot fi derivate dintr-o singură teorie. Teoria corzilor este, prin urmare, adesea menționată ca un candidat pentru o teorie finală.
Căutarea unificării este o forță majoră în spatele căutării gravitației cuantice. De exemplu, Kiefer (2004) scrie în introducerea cărții sale despre gravitația cuantică privind principalele motivații ale acestei teorii:
”Prima motivație este unificarea. Istoria științei arată că un punct de vedere reducționist a fost foarte fructuos în fizică (Weinberg 1993). Modelul standard al fizicii particulelor este o teorie a câmpului cuantic care a unit într-un anumit sens toate interacțiunile non-gravitaționale. […] Cuplarea universală a gravitației la toate formele de energie ar face plauzibil ca gravitația să fie implementată și într-un cadru cuantic.”
Nu este întotdeauna cazul ca unificarea să coincidă cu reducționismul. În orice caz, este adevărat că ideea de unificare între diferitele fenomene naturale și teoriile care le descriu a fost un principiu călăuzitor în fizică, cel puțin din zilele lui Galileo. Într-adevăr, istoria „succesului” fizicii poate, cel puțin parțial, să fie reprezentată ca istorie a unificării. Gândiți-vă de exemplu la unificarea lui Newton a fenomenelor cerești și terestre prin universalitatea gravitației; sau 0rsted, Faraday, și unificarea lui Maxwell a forțelor electrice și magnetice încorporate în ecuațiile lui Maxwell. Un exemplu mai modern este oferit de teoria electroslabă a particulelor elementare Glashow, Salam și Weinberg, care cuplează forțe electromagnetice și slabe (acestea din urmă fiind responsabile pentru anumite tipuri de radioactivitate). Pentru a vedea unde se încadrează gravitația cuantică în tabloul de unificare, este util să analizăm pe scurt relațiile dintre unele teorii centrale ale fizicii.
Teoria câmpului cuantic și relativitatea generală reprezintă două dintre cele mai mari realizări din fizica secolului 20. 2 Ambele teorii sunt deja unificate în sensul că ele combină diverse teorii anterioare într-un cadru comun. Astfel, teoria specială a relativității este o combinație de electromagnetism cu partea non-gravitațională a mecanicii clasice; și relativitatea generală este o generalizare a teoriei speciale în care gravitația este de asemenea inclusă. În mod similar, teoria câmpului cuantic este o combinație între relativitatea specială și mecanica cuantică.
În concordanță cu aceste tendințe reducționiste, nivelele mai ridicate sunt deseori considerate ca fiind cazuri speciale de utilitate a nivelurilor mai profunde. Din punct de vedere cantitativ, acest gând este susținut de faptul că cel puțin unele dintre expresiile matematice ale nivelelor mai profunde sunt identice cu cele ale nivelelor superioare în anumite cazuri limitative. Când identitatea matematică poate fi stabilită, reducționismul conține posibilitatea de a reconstrui nivelele mai înalte din cele mai adânci. Într-adevăr, o motivație importantă în spatele celui mai ambițios program de gravitație cuantică, teoria corzilor, este tocmai să deducă toate fizica cunoscută din câteva principii de bază ale acestei teorii. Acest lucru este în conformitate cu declarația lui Einstein din 1918:
”Sarcina supremă a fizicianului este de a ajunge la acele legi universale de la care cosmosul poate fi construit prin deducție pură.”
Ambiția einsteiniană nu este doar o reducere a teoriilor mai fundamentale – adică să dissectăm obiectele în părți mai mici și mai mici sau să arătăm că teorii la un nivel superior sunt cazuri speciale ale celor de nivel mai profund (sau ambele în cazul teoria corzilor). De asemenea, și mai explicit în citat, ideea este reconstruirea universului de la zero. Așadar, dacă avem legile universale descrise de o teorie fundamentală și am identificat constituenții fundamentali ai materiei, putem deduce – cel puțin în principiu – toate fenomenele din univers (modulo indeterminismul care rezultă din teoria cuantică), precum și teoriile care descriu aceste fenomene. O expresie contemporană a unui astfel de reducționism / reconstructivism ambițios poate fi găsită în Tegmark și Wheeler (2001).
Se poate pune sub semnul întrebării reducerea. Deseori, dezbaterea se concentrează asupra noțiunii de apariție – întrebarea dacă există fenomene noi și ireductibile la nivelele superioare de descriere (ireductibil în sensul că fenomenele emergente nu pot fi explicate prin nivelul mai profund) . Pentru discuțiile ulterioare despre cât de mult se poate aștepta dintr-o teorie a gravitației cuantice, cu toate acestea, va fi mai util să revizuiți pe scurt un alt argument anti-reducționist care poate fi asociat cu insistența lui Bohr asupra necesității fizicii clasice în descrierea fenomenelor cuantice. Dacă este corect, acest argument demonstrează nu numai că fenomenul (unor) nivele superioare nu poate fi redus la (sau reconstruit) din cele mai adânci, ci și faptul că fenomenul nivelelor mai profunde nu poate fi definit și de aceea depinde, (de unele din) nivelele superioare.
Bohr a susținut că nu putem explica (sau înțelege) fenomenele cuantice – de exemplu mișcarea unui atom sau modelul de interferență în faimosul experiment cu fantă dublă – decât dacă se face referire la un context experimental specific în care aparatul de măsură să fie descris de conceptele de fizică clasică. Ideea de a fi descrisă de conceptele clasice de fizică implică faptul că aparatul de măsurare – spre deosebire de sistemele cuantice – are valori bine definite ale poziției și ale impulsului și astfel nu este supusă unor incertitudini sau suprapuneri cuantice. Potrivit lui Bohr, un motiv principal pentru necesitatea acestei distincții între obiectele cuantice și instrumentul de măsurare este că interacțiunea dintre obiect și aparat este o caracteristică definitorie a fenomenului cuantic.
Desigur, punctul de vedere al lui Bohr este doar unul dintre numeroasele interpretări alternative propuse ale teoriei cuantice. Majoritatea acestor alternative urmează linia lui von Neumann și încearcă (într-un spirit reducționist) să trateze aparatul de măsurare ca un sistem cuantic. După cum este bine cunoscut, totuși, astfel de abordări se întâlnesc în problema obișnuite de măsurare. Pe scurt, problema este că dacă totul, inclusiv aparatele de măsură, este cuantic (și deci corect descris de ecuația lui Schrodinger), atunci ar trebui să vedem suprapuneri în rezultatele măsurării, de ex. indicatoarele de aparate fiind în diferite poziții în același timp – și acest lucru contrazice în mod clar ceea ce vedem de fapt. Răspunsul la această problemă presupune invocarea ipotezelor – cum ar fi multe lumi, variabile ascunse sau dinamice modificate – care depășesc formalismul cuantic însuși pentru a „explica” într-un fel „de ce nu este văzută nicio ciudățenie cuantică în rezultatele măsurătorilor.
Bohr de fapt a fost de acord că aparatul de măsurare poate fi descris, de asemenea, prin teoria cuantică. Totuși, el scrie (1939, p. 104):
”… în fiecare caz, niște instrumente de măsură superioare, cum ar fi scalele și ceasurile care determină cadrul de coordonare spațiu-timp – pentru care, în ultimă instanță, chiar și definițiile impulsului și cantităților de energie rămân – trebuie să fie descrise întotdeauna în întregime în linii clasice și, prin urmare, ținute în afara sistemului supus unui tratament mecanic cuantic.”
Ideea este că putem trata un aparat de măsurare (sau o parte din acesta) ca sistem cuantic, dar numai atunci când un alt sistem este apoi tratat clasic. Această cerință garantează, în concordanță cu ceea ce observăm, că măsurătorile au într-adevăr rezultate definitive. Astfel, poate fi considerat în mod eficient argumentul că orice sistem, cel puțin în principiu, poate fi tratat cuantic mecanic, dar nu toate sistemele pot fi tratate în același fel în același timp. Aceasta înseamnă că pentru cei care susțin că toate obiectele sunt cuantice într-un sens ontologic, Bohr ar fi putut să răspundă că, deși existența ambelor aparate de măsurare și, de exemplu, atomii, sunt fără îndoială – nu putem spune exact care sunt aceste obiecte. Tot ce se poate deduce este că, în anumite circumstanțe, obiectele pot fi descrise ca și cum ar fi cuantice și în alte circumstanțe ca și cum ar fi clasice.
Aceste scurte remarci nu pot, desigur, să constituie o analiză cuprinzătoare a vederii lui Bohr – și cu atât mai puțin o apărare satisfăcătoare a acestuia. Dar ele indică o cale de a avea unitate fără reducționism. Căci dacă fizica cuantică (și fenomenele cuantice) nu pot fi înțelese fără fizica clasică (și fenomene clasice, de exemplu, obiecte cu valori bine definite ale poziției și ale momentului), este cu totul neclar ce ar însemna să le reducem pe cele din urmă. Iar unitatea nu este negată dacă se înțelege că entitățile și fenomenele a două teorii sunt interconectate, dar nu pot fi reduse între ele. Într-adevăr, Bohr a subliniat că, pe de o parte, fizica clasică este necesară pentru a defini fenomene cuantice și, pe de altă parte, legile cuantice sunt necesare pentru a explica stabilitatea obiectelor clasice.
Sursa: Henrik Zinkernagel, The Philosophy behind Quantum Gravity
Lasă un răspuns