Nou la Editura Humanitas. Fragment în avanpremieră din M. Suhail Zubairy, „Un univers misterios. Mecanică cuantică, relativitate şi cosmologie pentru toţi”

Un fragment în premieră din volumul Un univers misterios. Mecanică cuantică, relativitate şi cosmologie pentru toţi de M. Suhail Zubairy, recent apărut la Editura Humanitas, în colecția Știință. Traducere de Walter Fotescu

Despre carte:

Prin apariția teoriei relativității și a mecanicii cuantice, reprezentările pe care oamenii și le-au construit secole de-a rândul despre lumea fizică au fost bulversate. Simțul comun nu mai era suficient pentru a o înțelege, ceea ce l-a făcut pe Werner Heisenberg să spună: „Universul nu e doar mai straniu decât ne închipuim, ci e mai straniu decât ne putem închipui.“ Pe de altă parte, limbajul matematic pune o barieră între fizicieni și publicul larg, care vrea să i se ofere o imagine intuitivă asupra relativității și mecanicii cuantice.

Cu atât mai spectaculoasă e performanța profesorului Suhail Zubairy: Un univers misterios (cartea pe care a publicat-o la Oxford University Press) reușește să explice în termeni simpli, fără să apeleze la matematică, nu doar ideile care stau la baza mecanicii cuantice, relativității și cosmologiei, dar și consecințele lor subtile, devenind un compendiu al cunoștințelor actuale din fizică. De un interes aparte, și de o tratare originală, se bucură domeniul criptografiei, comunicării și informaticii cuantice (în care Suhail Zubairy are contribuții notabile), însă poate că meritul cel mai important al cărții este că analizează problemele filozofice cu care se confruntă înțelegerea lumii.

Fragment în avanpremieră:

2.2 Eșecuri ale mecanicii newtoniene

Legile lui Newton conțineau însă în mod implicit anumite pre­dicții care n‑au trecut testul timpului. Aceasta a dus, la începutul secolului XX, la înlocuirea lor cu legi mai fundamentale care au redus mecanica newtoniană la a fi o bună aproximație pentru obiecte care sunt suficient de mari și se deplasează cu viteze mici.

O consecință a legilor de mișcare ale lui Newton este că mișcarea unei particule e deterministă: dacă cunoaștem poziția inițială și viteza unei particule, precum și forțele care acționează asupra ei, putem prezice cu certitudine poziția și viteza ei la un moment ul­terior cu o precizie arbitrară. Cu alte cuvinte, traiectoria particulei poate fi indicată anticipat. Un alt mod de a privi acest lucru este că, dacă cunoaștem poziția exactă a fiecărui obiect din univers, și cu­noaștem de asemenea toate forțele care acționează asupra lor, atunci evoluția viitoare a universului poate fi determinată cu precizie.

Așa cum vom discuta într‑un capitol ulterior, legile newtoni­ene au eșuat lamentabil când au fost aplicate unor obiecte mici precum atomii. Căutarea unui set nou de legi a dus la nașterea mecanicii cuantice la începutul secolului XX. Mecanica cuantică a înlocuit determinismul newtonian cu natura probabilistică a observațiilor noastre.

Un semn distinctiv al mecanicii newtoniene este natura ab­solută a spațiului și a timpului.

Newton a descris noțiunea de timp cu aceste cuvinte: „Timpul absolut, adevărat și matematic, în sine și după natura sa, curge în mod egal fără nici o legătură cu ceva extern.“ Spațiul și timpul sunt prin urmare distincte. Două evenimente care se produc în două puncte diferite din spațiu vor fi percepute ca simultane dacă au loc în același moment în timpul absolut. Conceptul lui Newton de timp absolut și matematic se aplică în mod echivalent pentru toți observatorii în toate locurile – de exemplu, trei prieteni, unul aflat acasă, altul într‑un tren și al treilea călătorind într‑un avion, pot lua prânzul în același timp „absolut“. Timpul curge continuu și regulat din trecut spre prezent și spre viitor. Curgerea timpului nu poate fi afectată de nimic – gravitație, căldură, forță.

„Spațiul absolut, considerat în natura sa, fără nici o relație cu ceva extern, rămâne totdeauna asemenea și imobil.“ Astfel a descris Newton natura absolută a spațiului – spațiul tridimensional. Spațiul e însă diferit: spre deosebire de timp, care curge într‑o singură direcție, în spațiu ne putem deplasa după plac. Pu­tem merge într‑o direcție și, după ce străbatem o anumită dis­tanță, ne putem întoarce pe urmele noastre până în punctul de pornire. Lungimea unui obiect este aceeași, indiferent dacă obiec­tul e în repaus sau se mișcă cu mare viteză.

O altă consecință a legilor newtoniene este că nu există nici o limită pentru cât de repede se poate mișca un obiect. În principiu, dacă o forță constantă este aplicată unui obiect un timp suficient de lung, viteza obiectului poate să crească nelimitat.

Aceste concluzii, privind natura absolută a spațiului și a tim­pului precum și posibilitatea unei viteze nelimitate pentru un obiect, au fost contestate de Albert Einstein prin teoria relativi­tății, cu consecințe uimitoare. Lucrările lui Einstein au schimbat pentru totdeauna concepția noastră despre spațiu și timp. Per­cepția spațiului plat și a timpului absolut, care a fost formulată cu atâta succes în mecanica newtoniană și e înrădăcinată în noi, a fost năruită de teoria lui Einstein. Natura universului înconju­rător nu e ceea ce pare. La un nivel fundamental, legile care gu­vernează universul sunt cu adevărat stranii și bizare, așa cum vom afla în capitolele următoare.

3. NAȘTEREA MECANICII CUANTICE

Fizica clasică putea să explice lumea, dar a înțeles

greșit câteva detalii; fizica cuantică înțelege corect

toate detaliile, dar nu poate să explice lumea.

— Bruce Rosenblum

La sfârșitul secolului XIX, fenomenele mișcării mecanice, electri­cității și magnetismului, termodinamicii și luminii puteau fi ex­plicate satisfăcător de legile științifice descoperite de Isaac Newton, Thomas Young, Rudolf Clausius, Michael Faraday, James Clerk Maxwell și alții, ceea ce justifica ideea că legile fundamentale ale naturii erau pe deplin înțelese. Satisfacția legată de legile existente ale fizicii era atât de mare, încât un eminent om de știință britanic, Lord Kelvin, e citat cu următoarea afirmație făcută într‑un discurs adresat Asociației Britanice pentru Progresul Științei în 1900: „Nu mai e nimic nou de descoperit în fizică acum. Tot ce rămâne de făcut sunt măsurători din ce în ce mai precise.“ La începutul seco­lului XX existau însă câteva probleme nesoluționate care nu pu­teau fi explicate pe baza teoriilor existente. Rezolvarea acestor probleme a dus la o revizuire majoră a legilor existente, care, la rândul ei, a dus la nașterea a două teorii revoluționare: mecanica cuantică și teoria relativității. Scopul acestui capitol este de a re­vedea pașii care au condus la dezvoltarea mecanicii cuantice. Des­coperirea teoriei relativității va fi discutată într‑un capitol ulterior.

Dezvoltarea mecanicii cuantice, care a înlocuit fizica clasică a lui Newton și Maxwell, a avut loc în două perioade distincte. Pentru început, discutăm perioada dintre 1900 și 1925, când anu­mite fenomene inexplicabile prin legile cunoscute ale fizicii au cerut o ipoteză cuantică pentru a fi explicate. A fost o perioadă de criză fără precedent în istoria fizicii, când bazele teoriilor fizice construite de Newton, Young, Maxwell și alții de‑a lungul seco­lelor se năruiau fără să existe o nouă teorie care să le înlocuiască. Norii s-au risipit în vara anului 1925, când legile unei teorii cuan­tice complete, ce vor înlocui legile lui Newton, au început să se contureze. În partea a doua vom discuta trăsăturile importante ale acestei teorii.

[…]

3.5 Nașterea mecanicii cuantice

Aceste încercări reușite de a explica unele fenomene nerezolvate pe baza ipotezei cuantificării a lui Planck au dus la înțelegerea faptului că vechea teorie clasică, așa cum a fost ea formulată de Newton, Young, Maxwell și alții, s‑ar putea să nu fie valabilă la nivel atomic. Planck, Einstein și Bohr porneau de la postulate implicând cuantificarea energiei care nu aveau nici o bază în te­oriile clasice. În pofida acestor succese, nu exista însă nici o teorie capabilă să explice aceste fenomene într‑o manieră unitară. De­venea clar că era nevoie de o teorie de sine stătătoare care să înlo­cuiască mecanica newtoniană.

A doua eră a început cu progresul revoluționar din vara lui 1925, când Werner Heisenberg, în vârstă de 24 de ani, a făcut primul pas important în formularea unei teorii cuantice, rupân­du‑se tranșant de trecut. Ideea sa fundamentală a fost să dezvolte o teorie care să includă, în principiu, numai acele mărimi care sunt observabile. Iată cum începea articolul său epocal:

Prezentul articol încearcă să stabilească o bază pentru meca­nica cuantică teoretică pornind exclusiv de la relații între mă­rimi care în principiu sunt observabile.

De exemplu, energia emisă de un atom e o mărime observabilă, în vreme ce poziția și perioada de oscilație a electronului în jurul nucleului nu sunt. Max Born și‑a dat repede seama că mărimile de tranziție urmau regulile algebrei matriceale, o ramură a matematicii nu prea bine cunoscută la acea dată. O versiune mai extinsă a versiunii matriceale a mecanicii cuantice a fost formu­lată într‑un articol scris de Born, Jordan și Heisenberg.

În ianuarie 1926, Erwin Schrödinger a formulat în mod inde­pendent teoria cuantică și a scris o ecuație dinamică, numită în cinstea lui ecuația Schrödinger. Ulterior s‑a demonstrat că teori­ile lui Heisenberg și Schrödinger erau formulări diferite, dar com­plet echivalente, ale mecanicii cuantice. Ecuația lui Schrödinger este una dintre cele mai faimoase ecuații din fizică. O vom discuta mai în detaliu în capitolul 7.

Mecanica cuantică, așa cum a fost formulată de Heisenberg și Schrödinger (împreună cu alți părinți fondatori, între care Max Born, Pascual Jordan, Paul Dirac și Wolfgang Pauli), nu numai că a putut explica toate fenomenele existente la nivelele microsco­pic și macroscopic, dar a prezis de asemenea fenomene noi, care au fost apoi observate experimental. În pofida acestor succese uimitoare ale noii teorii, bazele sale conceptuale au devenit un subiect important de discuții. Ceea ce vedem este că, la nivelul unui singur atom, electron sau foton, mecanica cuantică face predicții surprinzătoare. Ele diferă radical de rezultatele cores­punzătoare pentru obiectele obișnuite, ce pot fi descrise cu succes folosind mecanica newtoniană. Aspectul șocant al mecanicii cuantice nu le‑a scăpat părinților fondatori. Într‑adevăr, în ciuda marilor succese în explicarea și prezicerea de noi fenomene, ba­zele conceptuale ale mecanicii cuantice rămân tema unor dezba­teri aprige. Spre deosebire de legile newtoniene, legile mecanicii cuantice contravin simțului comun și au dus la dispute în pri­vința semnificația realității fizice.

***

Despre autor:

M. SUHAIL ZUBAIRY (n. 1952) este profesor la Departamentul de Fizică și Astronomie al Universității din Texas. Autor a mai multe cărți și a peste 300 de articole de cercetare, a adus contribuții importante în domeniile calculului cuantic, fizicii laserelor și opticii cuantice. Între premiile primite pentru cariera sa științifică se numără Abdus Salam Award (1986), Humbold Research Award (2007) și Willis Lamb Award (2014).