Paradigma fizicii cuantice din topor, pentru popor

Cuvânt înainte

Articolul ăsta e necesar pentru altul în viitor.

Mă cac asupra mea de un an cu o carte ( despre aia în articolul ăla viitor) , jur că nu m-am mai ostoit atâta până acum – ori terminam, ori muie, că nu îmi pierd vremea cu plictiseli, dar aici nu plictisela a fost problema, ci niște lacune în înțelegere, care au dus la necesitatea citirii altor materiale și-așa mai departe.

Nu mi-am propus să explic într-un articol popular fizica cuantică pe care oricum o înțeleg doar limitat și nu știu cine să spun că o înțelege complet că e formulată incomplet și are lacune destul de mari.

Mi-am propus să sintetizez doar niște diferențe elementare de paradigmă într-un mod care să o facă interesantă, că, după mintea mea, vrem nu vrem cam trebuie să ne îndeptăm în direcția asta.

Majoritatea oamenilor înțeleg principiile fizicii clasice Newtoniene și percep spațiul Euclidian. Nu zic că știu toate formulele pe de rost , că pot calculeze orbite de planete și sateliți, dar majoritatea înțeleg acum legile după care funcționează mișcarea și poziția, chiar și cum funcționează gravitația, fie și intuitiv, ignorând precizia matematică.

Cei mai tineri dintre noi, de la generația mea și mai proaspăt, am trăit schimbarea de paradigma din mecanica clasică în fizica relativistă. Ea s-a întâmplat cu mai bine de un secol în urmă, dar pentru populime, mai târziu. În popor generația mea și mai sus a prins mai mult onomatopeic fizica relativistă , adică nu prea înțeleg cum funcționează, folosesc doar clișee cu ”totul e relativ”, deseori pentru a-și scuza unele imprecizii, sau greșeli pe care le fac și citate incorecte.

Au o vagă înțelegere a conceputului de ”viteză limită” care este viteza luminii, dar nu înțeleg schimbarea de paradigmă. Generațiile mai tinere prind partea asta mai bine și e natural, că se dezvoltă metode de a comunica mai bine, avem unelte mai bune de comunicare, dar și o schimbare colectiva de paradigmă și intuiție.

Cu privire la al treilea salt într-un nou framework ( cadru de referință) către lumea cuantică, la cum văd treaba, momentan, foarte puțini înțeleg paradigma și cred că e musai să mergem în direcția aia și încet încet să înțelegem cum stau lucrurile – măcar principiile de bază astfel ca copiii noștri să capete inuiția necesară, că noi n-o s-o avem ( vorbesc de popor, nu de oamenii de știință care cercetează fundamentele fizicii cuantice) în direcția aia.

Motivele pentru care avem nevoie e că ingineria ( mai ales cea software) se mișcă în direcția aia și vom fi înconjurați de tehnologie care folosește paradigma asta ( mă feresc de a spune tehnologie cuantică, că nu e vorba de asta), iar cei care trăiesc mai bine sunt, evident, ăia care înțeleg lumea în care trăiesc și o folosesc în folosul lor.

Știu că încă se vorbește despre cum educația e degeaba și școala nu mi-a folosit la nimic că ne umple de abstracțiuni fără sens, dar e bine să te gândești că fără capacitatea de abstracțiune la nivelul ăla, copiii tăi vor fi similari cu oamenii care se vaită că nu înțeleg matematică și la ce le folosește matematica azi. Că ei nu folosesc integrale și pula mea. Problema fiind nu formulele matematice în sine, ci că fără înțelegerea unor modele și sisteme de abstractizare ești, vrei-nu-vrei, un individ inferior.

Elementele de importanță centrală în evoluția înțelegerii lumii

Sunt spațiul și timpul.

În fizica clasică, încă înainte ca Newton să fi descoperit gravitația și să inventeze calculul matematic – o chestie aproape la fel de importantă ca legile fizicii și gravitația, în sensul că ar fi fost improbabil să poți defini legile mecanicii clasice fără a avea cadrul de referință matematic și metodele de calcul care să-ți permită dezvoltarea logicii dincolo de capacitatea de a descrie în cuvinte, grafice, măsurări și metode numerice bazate pe aritmetică simplă, sau geometrie de pâna atunci.

Asta deoarece cunoașterea completă a unui obiect necesită informații despre două mărimi derivate ( în sensul derivatelor matematice), anume viteza și momentul. Viteza se referă la variația poziției, care e mărime derivată și nu e pur numerică ( scalară, pentru că poziția în spațiul Newtonian e tridimensională, iar mișcarea implică direcție și viteza e ceea ce se numește un vector, adică o mărime caracterizată de amplitudine ȘI direcție. Atât amplitudinea cât și direcția generează efecte, mai ales prin variația amplitudinii și a direcției ( accelerație / forță).

Momentul introduce mărimea definită ca masă în poză, iar masa are de aface cu gravitația.

Nu vreau să intru în detalii plictisitoare, vreau doar să spun că în mecanica clasică SPAȚIUL este FUNDAMENTAL. La fel și timpul .

Poziția nu se poate măsura în afara spațiului, iar mărimile derivate ( viteza și moment mecanic) depind de timp, faptul că poziția unui obiect e măsurată o dată într-un loc din spațiu și altă dată în alt loc nu ne poate spune nimic, dar nu știm relația dintre secvențele din timp în care au loc măsurările.

Fizica nu există în afara spațiului și a timpului, iar spațiul și timpul sunt cadrul de referință omogene și distribuite uniform în tot universul. Sunt așa cum le-ai învățat la matematică din clasa a IV-a în sus.

Ele sunt absolute și nu sunt înlocuibile deplasarea în spațiu e o funcție de timp. Diferă doar funcțiile și sunt incluse niște limitări.

Partea complicată pe care n-a înțeles-o Newton și a declarat asta, a fost fix gravitația.

A înțeles CUM ACȚIONEAZĂ GRAVITAȚIA ( rețineți asta ) matematic, și cum influențează poziția și mișcarea obiectelor, dar nu a înțeles fizic cum funcționează ea, cum pot două corpuri exercita acțiune unul asupra altuia la distanță fără să medieze ceva vizibil acțiunea aia . A recunoscut asta, și a lăsat publicul, aka pe alții mai deștepți ca el să se preocupe de asta, el s-a preocupat de efecte. Cam așa funcționează descoperirile, e mai ușor să înțelegi cum funcționează un lucru decât să înțelegi de ce.

Ce a înțeles el e că corpurile interacționează în proporțional cu raporturile de masă și ÎNVERS proporțional cu PĂTRATUL distanței dintre ele. Adică dacă Pământul s-ar afla la dublul distanței față de Soare atracția gravitațională ar scădea de 4 ori. De ce este relația proporțională cu pătratul distanței l-a preocupat, dar nu a avut o idee cu privire la asta și nu intrăm în detalii, ne concentrăm pe schimbarea de paradigmă .

Schimbarea de paradigmă, deși este creditată lui Einstein, ca recunoaștere a meritelor lui pe bună dreptate, nu s-a putut face fără o schimbare de cadru de referință matematic, care a fost dezvoltat de Laplace și extins de Minkowsky.

Dezvoltarea cadrului de referință a dus la teoria mecanicii ondulatorii – anume că anumite obiecte din spațiu au proprietăți de undă. Teoria, deși valoroasă, și cu aplicabilitate în domenii ale fizicii – electrică, avea unele găuri pe care nu le putea închide.

Însă a deschis drumul către schimbarea de paradigmă și evoluția de la mecanica clasică la cea relativistă prin schimbarea cadrului de referință dezvoltat într-o geometrie Euclidiană, cu repere fixe, la o geometrie cu coordonate relative.

În fizica relativistă spațiul în sine este fundamental, dar doar ca parte din spațiu-timp.

Dacă în spațiul euclidian deplasarea se măsoară împărțind spațiul în dimensiuni pe direcții perpendiculare și măsurând fiecare direcție după care re-compui matematic vectorul de deplasare, iar timpul este mereu același pentru toți observatorii în relativism cadrul de referință are 4 dimensiuni, ambele proprietăți fiind fundamentale, ele nu sunt influențate de ce se întâmplă și nici nu se influențează între ele.

Elementul nou care poate fi modelat în noul sistem matematic este un mecanism de definiție al gravitației ca fiind o curbură a spațiului în funcție de masa obiectelor conținute în respectivul spațiu.

Prin urmare spațiu-timpul este ceva fundamental fizicii relativiste, dar proprietățile nu sunt absolute, ele sunt emergente și dependete de masă.

Nu o să intru și mai mult în detalii. O să spun doar că diferența este posibilă dacă renunți la geometria Euclidiană, care ne învață că suma unghiurilor unui triunghi e 180 de grade si ca o linie dreaptă poate fi continuată drept infinit, și folosești alte geometrii poți modula conceptele enunțate mai sus.

Teoria încă se bazează pe descrierea obiectelor cu ajutorul poziției și vitezei, se introduce însă un concept nou de energie și echivalență între energie și masă , dar măsurare se face tot în spațiu și timp și este nevoie doar de legi de modelare si parametri care să ne ofere altă metrică a spațiu-timpului, anume ”constanta universală”.

Practic mare lucru nu se schimbă, dar o abordare mai flexibila a făcut posibilă noțiunea de ”naștere a universului”, origine a ”spațiu-timpului”, ”găuri negre” și alte elemente mai comune și folosite de toată lumea, fără să înțeleaga ceva din ce folosesc.

Se măsoară pe lângă particule ȘI unde și se definesc forțele ca fiind câmpuri de forță ( fields) care sunt și ele modelate matematic.

Spațiul în fizica cuantică

La apariția bazelor fizicii cuantice s-a plecat conservator, urmărind particule și căutând relații între stările lor.

Problema pe care n-a reușit s-o înțeleagă Einstein a fost să găsească o metrică continuă după care să poți modela spațiul ( dacă nu spațiu-timpul) în legile fizicii cuantice. Ecuația lui Schrodinger nu ajută prea mult în sensul ăsta și poți, cel mult să identifici anumite coordonate distincte unde ai putea, sau nu găsi o particulă cu o anume probabilitate. Matematica potrivită explorării fizicii cuantice a fost dezvoltată în 1929 de un nene ungur John von Neumann, folosing un spațiu numeric de referintă al altui matematician german, și-i poartă numele, de spațiu Hilbert.

Un spațiu Hilbert e ca mulțimea numerelor nu știu care, să le spunem reale, sau iraționale, cu niște condiții mai ciufute. Anume spațiul este desigur o colecție infinită de numere, cu proprietatea că suma pătratelor tuturor numerelor ( deși numărul lor e infinit) este un număr finit.

Ce căutau ei atunci era un spațiu n-dimensional. Un spațiu ( numeric, a nu se face confuzie cu spațiul cosmic, sau spațiu-timpul din fizica relativistă) care să permită un număr infinit de dimensiuni.

Matematica asta nu prea avea sens în momentul ăla, pentru relativiști și cu atât mai puțin sens pentru ăia ancorați în intuiția clasică ( era destul de greu de închipuit un spațiu relativist, acum nu mai e așa de greu).

Motivul era că nu aveai o relație măsurabilă de coordonate în spațiu și un mod continuu de navigare și stabilire de vecinătăți. În mintea noastră lucrurile se așează așa cum le vedem, așa cum le percepem și le modelăm noi. Nu înseamnă că percepția noastră e corectă, nici că e greșită. S-a dovedit că-i doar limitată.

Poza de mai jos nu e cu titlu științific, nu vă bateți capul , e să vi se deznoade un pic neuronii.

În fizica cuantică o particulă, să-i spunem ”electron”, este definită ca câmpul electronic ( o funcție de undă )să fluctueze în așa fel și în relație cu restul proprietăților ( fiecare proprietate poate fi modelată ca un câmp) , încât să putem defini o probabilitate ca ea să existe. Variația câmpului se transmite din aproape în aproape, dar nu mai avem definiția aproapelui, că nu mai avem metrica spațiului. Ceea ce avem este grade de libertate, proprietăți și interacțiunea dintre particule sau elemente de câmp.

Apare un element nou – anume corelația ( entanglement) care este esențial în fizica asta. Anume proprietatea ca proprietățile un element de câmp să fie influențate de elementele altuia.

Și spui că două particule sunt apropiate în funcție de interacțiunea dintre ele.

În programare modelul acesta se studia la teoria grafurilor.

În sistemul ăsta de referință spațiul nu este o proprietate fundamentală a universului. Se spune că spațiul este emergent, anume o manifestare. Spațiul derivă din proprietățile de stare ale universului, care sunt modelate de câmpuri cuantice ( quantum fields).

Noțiunea de continuitate a spațiului care se construiește în percepția noastră e una care nu este definită în vreun sistem de referință, ci pur și simplu este una aparentă pe baza interacțiunilor și coerenței ce se dezvoltă din alte constrângeri, la fel cum faptul că eu am un calculator în față nu e o predicție sau o proprietate a fizicii newtoniene sau relativiste, ci e rezultatul unei interacțiuni între materia din univers.

Nu are importanță dacă direcția în care se duce acum fizica cuantică descoperă gaura din covrig, dacă vom avea fiecare în 30 de ani telefoane cu procesor cuantic și animoji cu pisica lui Schrodinger în superpoziție, sau e o direcție care ne va adânci / încurca și mai mult.

Ce contează e că matematica din spatele fundației teoriei ăștia e superioară – iar fizica cuantică nu reprezintă Adevărul Suprem, sau Sfântul Grail, ci doar un mod mai complex, mai generic și mai elevat de a cuprinde lumea atât cât o percepem și că are utilitate mare pentru că fără ea multe din lucrurile pe care le folosim nu puteau fi folosite, că folosesc fenomene care nu se puteau explica astfel.

În lumea tehnică ( STEM ), teoriile ăstea reprezintă idei de modelare, iar matematica din spatele lor un limbaj, profund mai evoluat decât ce pot transmite eu în cuvinte și/ sau poze – de fapt, recitind am comis o serie de inexactități crâncene și nu știu dacă o să fiu capabil să transmit mai bine în cuvinte simple, că unele modele și idei se translatează foarte inexact în cuvinte fără relațiile matematice dintre ele.

Ce propun nu e să învățați limbajul matematic din spate, nu e ca și când eu l-aș vorbi fluent, mai mult mă chinui și mă zgârii, dar veți trăi într-o lume care se va modela încet încet după cadrul ăsta de referință, până la apariția altuia mai cuprinzător. Imaginează-ți o lume în care zboară idei pe lângă tine cu care lumea operează și eventual face bani, iar tu te uiți cu bale curgându-ți din gură și te poți gândi doar la pansamente muzicale cu manele și dansuri din buric expirate.

Acesta nu reprezintă un curs de fizică cuantică, nici măcar începutul , ci că ar trebui să vă preocupe, măcar la nivel trivial.