Ивет Фуентес (Ivette Fuentes) е теоретска физичарка која работи со нобеловецот Роџер Пенроуз (Roger Penrose) и ја истражува можната примена на Општата теорија на релативноста со цел попрецизно да се опишат квантните појави испитувајќи го  влијанието на гравитацијата во микросветот на честичките.

Повеќе децении наназад теоретските физичари безуспешно се обидуваат да ја опишат гравитацијата како четврта основна сила со помош на најразлични системи на хипотези како Теорија на струни, Јамкасто-квантна гравитациска теорија или да ја вградат во Теоријата на квантно поле и да извршат нејзино квантизирање. Квантизирањето на гравитацијата подразбира прилагодување на Општата теорија на релативноста со вградување на принципите на квантната механика. Ваквото прилагодување на Општата теорија на релативноста би овозможило да се даде попрецизен модел на гравитацијата во услови кога таа делува на најмали можни дистанци и највисоки можни нивоа на енергии, услови до кои доаѓаме кога се разгледуваат состојбите непосредно по Големата експлозија^[1] и сингуларностите кај црните дупки^[2]. За да се постигнат горните цели, научниците се обидуваат да го напуштат принципот “Гравитацијата не е сила^[3]” и обидите до овој модел да се дојде преку вклучување на хипотетичката честитичка гравитон која би служела како носител на гравитациското дејство, слично како кај другите три фундаментални сили во природата. Гравитонот би бил квант на енергија кај гравитациските бранови аналогно како што фотонот е квант на енергија кај електромагнетните бранови.

За разлика од нив, Роџер Пенроуз и Ивет Фуентес се обидуваат гравитацијата да ја вклучат во кватната механика онака како што Општата теорија на релативноста ја дефинира – како ефект на закривување на простор-времето без притоа да се обидат да ја изменат или прилагодат. Пресметките ги прават во услови на послаби гравитациски полиња и не се обидуваат да ги решат претходно споменатите проблеми кои Општата теорија на релативноста не може да ги објасни. Според нив простор-времето е фундаментална сцена на која се одвива взаемодејството на микрочестичките и трите основни сили – електромагнетната, силната нуклеарна и слабата нуклеарна сила. Оттука гравитациските ефекти не можат да бидат опишани со т.н. квантни полиња и честички кои ја посредуваат гравитацијата како сила, т.н. гравитони кои до ден денешен не се лабораториски детектирани. Произлегува дека т.н. Теорија на сè (Theory of everything) е бесплоден обид и фикција на физичарите сите нешта да ги опишат на универзален начин, онака како што Теоријата на квантни полиња ги опишува 3-те сили.

Левo: Класична претстава на закривувањето на простор-времето според Општата теорија на релативност, ефектот се случува без гравитони; Десно: Гравитацијата како квантен феномен би морала да биде квантизирана, па така гравитациските бранови би биле составени од гравитони, хипотетички честички кои немаат маса и се движат со брзина на светлината 

Општата теорија на релативноста е детерминистичка и со пресметките точно се определуваат просторното и временското закривување, геодезиските патеки и движењето на телата. Ова е целосно во спротивност со принципите на квантната механика која во согласност со принципот на неопределеност на Хајзенберг и Шредингеровата бранова функција, простор-времето би го опишала како суперпозиција од можности дадено тело или честичка да создаде ефект на закривување на простор-времето на две или повеќе места истовремено^[4]. Дополнително, немаме експериментални докази за евентуално квантно испреплетување (quantum entaglement) на просторот^[5], времето се третира како апсолутно според начелата на Њутновата механика, и со експерименти не се докажани други квантни појави кои се типични за трите фундаментални сили. Освен тоа принципот на еквивалентност според кој даден набљудувач не може да направи разлика дали неговата референтна рамка се наоѓа во состојба на релативно мирување под дејство на гравитација или неинерцијална рамка која забрзува во отсуство на гравитациско поле, е неприменлив кај другите три сили и е својствен исклучиво за гравитацијата. Заради погоре наведените противречности се чини дека прилагодувањето на Општата теорија на релативноста во склад со принципите на  Квантната механика е невозможно.

Во видео презентацијата (дадена на завршетокот од овој напис) Ивет прави убава аналогија на неуспехот да се дојде до “Теорија на сè” со обидот патеките на планетите во времето на Кеплер да се опишат со кружни патеки заради распространетото верување дека кругот е совршена геометриска слика и дека патеките на планетите следствено би морале да ја следат оваа совршена геометриска слика. Во одредени ситуации астрономите се обидувале со 500 до 600 фрагменти на кружници да ја дефинираат патеката на дадена планета. Кеплер дошол до заклучок дека планетите не ги следат совршените кружни патеки туку се движат по “несовршените” елиптични патеки. Науката е во потрага по вистината и не секогаш симетријата и математичката перфекција е реален модел на појавите и светот што сакаме да го опишеме. Оттука Ивет Фуентес претходниот пример го споредува со обидот во Теоријата на струните математички да се “наштелуваат” несовпаѓањата на хипотезите со експерименталните резултати, со додавање на дополнителни димезнии на нашиот 4 димензионален простор-време. Така доаѓаме до апсурдот во една варијанта на стринг-теоријата со која се опишуваат само бозоните^[6], нашиот 4-димензионален простор-време да биде трансформиран во 26 димензионален простор-време. Дали овој математички модел ја опишува нашата вселена????

Ивет Фуентес во моментов е фокусирана на предлози за изработка на многу поефтини, помалечки и попрецизни мерачи на гравитацијата а воедно со предложените експерименти да ја потврди или побие хипотезата на Роџер Пенроуз за колапсот на брановата функција преку можното влијание на гравитацијата.

Според Роџер Пенроуз, кватната механика не е комплетна заради тоа што нема соодветно објаснување за колапсот на брановата функција и проблемот со кватното мерење кој накратко подолу ќе се обидеме да го објасниме.

Ервин Шредингер (Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger) математички ја дефинирал брановата функција како комплексна функција означена со Ψ (пси) сѐ со цел да ја опише состојбата на честичките кои пројавуваат и особини на бранови. Во понатамошниот текст со цел да ги поедноставиме работите, со терминот  бранова функција ќе посочуваме на квадратот од нејзиниот модул  |Ψ|²кој ја претставува густината на веројатноста дадена честичка во даден миг да се најде во дадена позиција во просторот или да добие конкретна вредност за дадено квантно својство. Вредно е да се напомене дека со брановата функција можат да се опишат состојбите на сложени квантни системи кои се состојат од огромен број на честички и дека одредени физичари дури зборуваат за хипотетичка бранова функција која ја опишува еволуцијата на целата вселена.

Очигледно Шредингер не бил задоволен со Копенхагеншкото толкување на познатиот експеримент со два процепa^[7] каде што се демонстрира дека електроните, протоните, па дури и атомите можат да покажат својства на интереференца типична за брановите. Загадочно,  експериментот завршува со интерференца на веројатности опишани со брановата функција само доколку на патот на електронот помеѓу двата процепи до плочата на која се регистрира неговата позиција, не се постави опрема која би се обидела го "улови" електронот додека тој поминува низ двата истовремено или само низ едниот од двата процепa.

Шематски приказ на експериментот со два процепа

Копенхагеншкото толкување на Нилс Бор и неговите следбеници било дека за физичарите е беспредметно да зборуваат за позиција на честичката или некое друго нејзино квантно својство, сѐ дури не извршат мерење, односно взаемодејство со неа по што ја откриваат нејзината позиција или некои други нејзини својства – импулс, енергија или спин. Ова толкување инсистира дека откако сме ја измериле позицијата, брановата функција со која се опишуваат густините на веројантостите на сите можни позиции кои можат да интерферираат помеѓу себе, веќе не постои како таква, односно колабира во точно одредена точка во просторот која сме ја одредиле со мерењето. Тоа наводно го оневозможува ефектот на понатамошната интерференција во експериментот со двoен процеп, бидејќи веќе немаме бран од веројатности на позиции / патеки кои би можеле да интерферираат помеѓу себе и да дадат ефект на интерференција на плочата на која се регистрира електоронот, па оттука и отсуството на ефектот на интерференција кој инаку би го забележале доколку ги отстраниме детекторите поставени во близина на процепите.

На Интернет ќе налетате и на голем број на псевдонаучни објаснувања за тоа дека микрочестичките се појавуваат со своите својства само тогаш кога нив ги набљудува или мери некој свесен набљудувач (Dr Quantum Double Slit Experiment). Под поимот мерење / набљудување подразбираме взаемодејство помеѓу опремата за мерење и честичката чии својства сакаме да ги измериме, а тоа нема никаква врска со свеста и свесните набљудувачи. Опремата може автоматски да ги регистрира резултатите од мерењето и без присуство на луѓе повторно да го предизивка колапсот на брановата функција.

Лево: Опис на густината на веројатности за позицијата на дадена честичка во хипотетичка рамнина, пред нејзината позиција да биде утврдена со мерење; Десно: Наместо бран од веројатности, по мерењето брановата функција колабира во дадена точка од рамнината.

За Шредингер овој премин од состојба на суперпозиција и да се биде на повеќе места истовремено во една точно определан позиција, било вистинска загатка што го мачела долго време. Уште поголема загатка претставувал фактот што нашиот макросвет, кој поприлично определено можел да се опише и предвиди со класичната физика, е изграден од микрочестички кои можат да се најдат на повеќе различни локации, состојби на импулс и енергија што е во целосна спротивност со нашето секојдневно искуство. Макроскопските објекти не ги гледаме на две или повеќе позиции истовремено и настаните ги доживуваме во поприлично предвидлив след. Како е можно макросветот да е толку определен и предвидлив а да произлегува од микросветот кој се опишува со веројатности?

Сѐ со цел да го покаже овој апсурд, како и проблемот со мерењето и колапсот на брановата функција, Шредингер го опишал мисловниот експеримент со мачката која се наоѓа затворена во кутија во која има Гајгер-Милеров бројач кој треба да детектира радиоактивно распаѓање на јадро атом и по неговата детекција да активира отровен гас што ќе ја убие мачката (очигледно не ги сакал мачките :( ). Но, со оглед на фактот дека распаѓањето на јадрото на атомот е квантен процес опишан со брановата функција, доаѓаме до тоа парадоксот на суперпозиција од нераспаднато и распаднато атомско јадро да создава суперпозиција на мртва и жива мачка, ситуација која целосно се коси со нашето секојдневно искуство.

Нилс Бор укажал на повеќе неправилности околу тоа како Шредингер го толкува мисловниот експеримент: Мачката во затворената кутијата е поврзана (entangled) со брановата функција на состојбата на атомското јадро, но во никој случај таа не се наоѓа во суперпозиција на состојба на жива или мртва. Тоа е само резултат на немање информација на тој што гo мери исходот на експериментот и нема никаква врска со тоа што вистински се случува во кутијата.

Многу години подоцна, научниците дале и други објаснувања, како на пример фактот што Гајгер-Милеровиот бројач периодично ја колабира брановата функција на јадрото на атомот, бидејќи постајно ја мери неговата состојба и дека не само што мачката не се наоѓа во суперпозиција на жива или мртва мачка туку и самото јадро не е во суперпозиција на распаднато и нераспаднато јадро туку постојано е во само една од двете можни состојби. Дополнително, мачката се наоѓа во взаемодејство со околината на внатрешноста на кутијата и заради ефектот на квантна декохерентност односно фазно поместување на веројантостите за можните состојби, тие веќе не можат да влезат во суперпозиција. Вреди да се спомене и тоа што толкувањето дека електронот или некоја друга честичка може да се најде истовремено на повеќе места е непрецизно бидејќи во ниту едно мерење никогаш не е добиен таков резултат. Брановата функција само ги пресметува веројатностите и тие можат меѓусебно да интерферираат, но штом еднаш ќе го извршиме мерењето, честичките секогаш ги наоѓаме на една дадена позиција, никогаш во две или повеќе позиции или состојби.

Сепак, Шредингеровата мачка останала со децении да се прераскажува и толкува на различни начини, без објаснување за тоа како е можно микросветот да се наоѓа во суперпозиција, збир на повеќе можни состојби пред да се случи некое взамедејство / мерење, а нашиот макросвет да е толку добро определен / предвидлив и таквите ефекти да не ги забележуваме за макроскопските тела. На проблемот на колапсот на брановата функција се надоврзалe и други прашања врзани за проблемот на квантното мерење. Кризата со проблемот на мерењето се продлабочила уште повеќе со Беловите неравенства и ја достигнала својата кулминација со експериментот за кој група научници добија Нобелова награда од областа на физиката во 2022 година, докажувајќи дека едниот или можеби и двата принципа на т.н. реализам и локализам не важат во микросветот:

• честичките немаат конкретни својства туку во моментот на взаемно дејство со нив, во согласност со густините на веројатностите опишани со брановата функција, тие добиваат една од можните вредности на својствата: позиција, спин, импулс. Ова претставува негирање на принципот на реализам. Некој би можел на шега да тврди дека живееме во симулирана вселена во која некој програмер се обидел да направи оптимизирање на кодот, па својствата на честичките се пресметуваат само тогаш кога има взаемодејство со останатите симулирани елементи???

• честичките можат да комуницираат една со друга со брзини кои се поголеми од брзината на светлината – негирање на принципот на локализам. Можеме да влијаеме со брзини поголеми од светлината и да имаме т.н. временски парадокси и да праќаме сигнали во минатото менувајќи го исходот во сегашноста???

Една од најегзотичните хипотези кои се обидуваат да го објаснат т.н. колапс на брановата функција односно проблемот на мерењето е и Теоријата на повеќе светови (Many Worlds), според која брановата функција не колабира туку нејзините делови заради влијанието со околината етапно ја губат фазната синхронизација, по што доаѓа до декохеренција на можните на веројатностите за можните состојби. Според оваа теорија колапсот никогаш не се случува, декохернтните фазно неусогласени делови на брановата функција продолжуваат да постојат и да ја опишуваат состојбата на паралелни светови, но тие веќе не можат меѓусебно да влијаат. Хипотезата не објаснува што се случува со законот за конзервација на енергијата и дали евентуално постојаното разделување на брановата функција води и кон споделување на енергијата на вселената, па така во секој нареден чекор се наоѓаме во еден од паралелните светови со дел од вкупната енергија. Освен тоа ваквата хипотеза освен што се обидува да даде толкување и да го реши проблемот на колапсот на брановата функција така што го негира ваквиот процес, не нуди никакви предвидувања, напротив укажува на тоа дека не можеме да комуницираме со другите паралелни светови заради декохерентноста, па оттука не можеме да ја побиеме или да ја докажеме што ни дава за право да ја отфрлиме како ненаучна хипотеза.

Роџер Пенроуз нуди поинакво објаснување и смета дека целиот процес на колапс на брановата функција е физички процес што се случува под дејство на гравитацијата. Оттука колку се телата помасивни толку е поизразен ефектот на гравитацијата, па затоа времетраењето на суперпозицијата е пократко и затоа ваквите чудни квантни ефекти не можеме да ги регистрираме во макросветот.

Ова донекаде може да се согледа и од равенката на Луј Де Броли според која секое тело може да покаже својство на бран со бранова должина која се пресметува како количник од Планковата константа и импулсот на движење – производ на маса и брзина, а изразот подолу е даден за брзини многу помали од брзината на светлината:

Станува јасно дека Планковата константа е премногу мала и кога таа ќе се подели со тело со голема маса во релативно движење, брановата должина е многу мала и практично немерлива како ефект. Интересно е прашањето, што би се случило кога наместо Планковата константа да е од ред на магнитуда на 10^-34, би била некоја многу поголема вредност, тогаш веројатно би почнале да ги согледуваме чудните квантни ефекти на микросветот и во нашиот макросвет, но за среќа или несреќа тоа не е така. Барем не во нашата вселена (шега на сметка на Tеоријата за Многу светови).

Ивет Фуентес предлага експерименти преку кои хипотезата за влијанието на гравитацијата во колапсот на брановата функција би се потврдила или отфрлила.

Експерименталните резултатите се неверојатни, се со цел да можат повеќе атоми да се постават во бранова суперпозиција и да ги откријат крајните граници на максималната композиција на систем од честички кои можат да пројават карактеристики на бран од веројатности и суперпозиција, спротивно на нашата интуиција од термодинамика, истите ги ладат до температура на речиси апсолутна нула при што заради определеноста на импулсот на движењето - кинетичката енергија (многу малечка), позицијата на атомите станува се по неопределена заради неравенството и принципот на неопределеност на Хајзенберг (истовремено не можеме да ги предвидиме со голема точност и позицијата и импулсот)

Ваквата екстремна состојба на материјата настанува на екстремно ниски температури од близу 0 Келвини и е теоретски предвидена од страна на Ајнштајн врз основа на претходен труд на Босе, поради што оваа состојба во нивна чест е наречена Босе-Ајнштајнов кондензат. Она што е карактеристично за оваа состојба е фактот што бозонските честички потпаѓаат на исто енергетско ниво и нивната бранова функција почнува да се преклопува создавајќи ефект на единствена квантна состојба при што тие го губат индивидуалниот идентитет на честички и почнуваат да делуваат како една масивна честичка. Оттука и доаѓа терминот кондензат, аналогно на капка вода настаната со кодензација на молекули на вода.

Со погоре споменатата техника Ивет и нејзините колеги успеваат комплекси од 10^⁸ атоми да постават во состојба на Босе-Ајнштајновиот кондензат, но не успеале да добијат суперпозиција од целиот комплекс на две можни простор-време позиции. Ова можеби е навестување дека хипотезата на Роџер Пенроуз е точна и дека поради појавата на т.н. тензија помеѓу двете простор-време позиции и потребата ваквата состојба да се одржува со некаква минимум енергија, ваквата суперпозиција е крајно нестабилна и ја колабира брановата функција во една простор-време позиција. Остануваат неодговорени следните загатки кои со нетрпение чекаме да се расветлат со идните експериментални резултати:

• Која е квантитативната врска помеѓу масата и времетраењето на суперпозицијата во слабо или умерено гравитациско поле? Која е најголемата маса на даден квантен систем за кој можеме да регистрираме две или повеќе простор-време позиции, односно каде е точно границата помеѓу царството на квантната механика и она на макросветот на класичната механика и детерминизмот?

• Дали гравитациски иницираното колабирање на брановата функција доаѓа независно од декохеренцијата која се случува заради взаемедејството со околината и фазното поместување, или можеби е последниот чекор на процесот кога брановата функција се разделува на два декохрентни – фазно поместени густини на веројатности, мигот кога наместо да дојде до разделување на вселената на две паралелни (целосно луда и неприфатлива идеја), едната од двете можни позиции финално колабира под дејство на гравитацијата и така влегуваме во нашата макроскопска реалност?

• Експериментите се изведуваат во релативно слаби или умерено сили гравитациски полиња, што би се случило со простор-време суперпозицијата во близина на силно гравитациско поле каде што временската дилатација во повисокиот гравитациски потенцијал е поголема од позицијата во понискиот потенцијал? Дали заради побавното протекување на времето во повисокиот гравитациски потенцијал брановата функција побавно ќе западне во декохеренција заради ефектите на околината и со тоа подолго време ќе се одржи во однос на позицијата во понискиот гравитациски потенцијал? Дали ова внесува своевиден дарвинизам со кој брановата функција од супепрозиција на две простор-време позиции ја избира таа со повисок гравитациски потенцијал? Дали ова го решава парадоксот на црните дупки, фактот дека во непосредна близина на хоризонтот на настани, времето застанува гледано од агол на надворешниот набљудувач и оттука се чини како ништо да не може да го помине и да навлезе во внатрешноста на црната дупка? Можеби материјата на хоризонтот на настани  благодарејќи на квантниот ефект на суперпозиција вон и зад хоризонтот на настани на крајот завршува во нејзината внатрешност поради колапсот на брановата функција и колабирањето на позицијата која се наоѓа на понискиот гравитациски потенцијал (вон хоризонтот на настани)?

• Ефектите на просторно-временското закривување се далеку поизразени во посилно гравитациско поле. Како би требале да ја адаптираме Шредингеровата равенка (бранова фунцкија) во делот на простор-времето за да ја отсликаме оваа разлика? Ивет укажува дека дел од физичарите земаат просечно време и тоа го користат во пресметките, но очигледно тоа не доволно прецизно дури и во умерено гравитациско поле каде експериментално се забележуваат разлики во кватните часовници поставени на само 1cm растојание еден од друг, нормално во однос на подлогата.

За крај, како мотив во ова возбудливо истражување на самите принципи на кои почива природата, да се потсетиме на смелите зборови на познатиот германски математичар Дејвид Хилберт и неговата верба и оптизам во силата на човечкиот разум и моќта на математика да проникне и да ја разбере природата: “Ние мора да дознаме, ние ќе дознаеме” (We must know, we will know).