Pre tačno jednog veka, u jeku kvantne revolucije 1926. godine, austrijski fizičar Ervin Šredinger podneo je na objavljivanje rukopis koji će iz korena promeniti naučnu koncepciju stvarnosti. Njegov centralni deo bila je naizgled jednostavna jednačina, koja je ubrzo postala najvažniji prozor čovečanstva u subatomski svet. Iako je prošlo stotinu godina, Šredingerova jednačina i dalje predstavlja temelj moderne fizike, objašnjavajući kako kvantni objekti interaguju sa svojom okolinom sa neverovatnom preciznošću.

Međutim, uprkos njenom trijumfu u laboratorijama, ova formula i dalje drži naučnike u stanju intelektualne napetosti, jer mnoge misterije koje ona opisuje ostaju neuhvatljive. Danas, povodom njene stogodišnjice, fizičari i filozofi rade na svojevrsnom "glow-up" osvežavanju ove legendarne jednačine. Centralna teza ovog novog pristupa je revolucionarna: da bismo zaista razumeli univerzum, u samu jednačinu moramo uključiti onoga ko ga posmatra.

Šta je zapravo Šredingerova jednačina?

Da bismo razumeli zašto je uloga posmatrača toliko kritična, moramo se osvrnuti na ono što ova jednačina zapravo opisuje. Ona određuje sudbinu talasne funkcije — matematičkog objekta koji je, tehnički rečeno, kompleksna funkcija amplituda verovatnoće. Talasna funkcija u sebi nosi sve bezbrojne mogućnosti jednog kvantnog sistema; ona nam govori kolika je verovatnoća da elektron pronađemo na jednom mestu u odnosu na drugo.

Glavni problem nastaje onog trenutka kada sistem prestane da bude izolovan. Dok god čestica "miruje" bez nadzora, talasna funkcija se razvija glatko. Međutim, čim naučnik pokuša da izmeri njenu poziciju, dešava se čuveni "kolaps" talasne funkcije. Iz oblaka verovatnoća, sistem se trenutno pretvara u jednu fiksnu, opipljivu tačku. Ovaj "problem merenja" ostaje centralna enigma kvantne mehanike, a rešenje se možda krije u tome što smo predugo ignorisali sam merni aparat.

"Pokušavali smo da se bavimo fizikom kao da je ona jednostavno 'tamo'", kaže Anne-Catherine de la Hamette, fizičarka sa ETH Zurich. "A zaboravili smo da pitamo: 'Pa, ko zapravo meri stvari?'"

Kvantni referentni okviri i "čupavi" satovi

Ovaj novi pravac istraživanja poznat je kao kvantni referentni okviri. Ideja se zasniva na jednostavnoj, ali dubokoj premisi: ako je sve u univerzumu podložno zakonima kvantne mehanike, onda su to i instrumenti kojima merimo svet, poput satova.

• Hajzenbergov princip neodređenosti: Pošto su satovi sami po sebi kvantni sistemi, oni podležu principu koji je Verner Hajzenberg definisao 1927. godine — određena svojstva kvantnih sistema nikada ne mogu biti poznata sa apsolutnom sigurnošću.
• "Čupavo" (fuzzy) vreme: Zbog ove fundamentalne neodređenosti, vreme koje takav sat meri prestaje da bude apsolutna, fiksna vrednost. Ono postaje "čupavo" ili nejasno.
• Ažurirana jednačina: Kvantni referentni okviri unose merni uređaj direktno u Šredingerovu jednačinu. Talasna funkcija sada opisuje i sistem koji se posmatra i "čupavi" sat kojim se on meri, stvarajući potpuniju sliku realnosti.

Uključivanjem instrumenata u samu srž matematike, fizičari po prvi put dobijaju alat koji prepoznaje da posmatrač nije odvojen od sistema, već je njegov neodvojivi deo.

Subjektivnost prepletenosti i superpozicije

Uvođenje posmatrača u jednačinu dovelo je do zapanjujućih uvida koji prkose tradicionalnoj intuiciji o objektivnoj realnosti. Istraživanja iz 2019. godine pokazala su da neki od najosnovnijih kvantnih fenomena zavise isključivo od perspektive onoga ko ih gleda.

* Kvantna prepletenost (entanglement): Fenomen gde su dve udaljene čestice neraskidivo povezane nije objektivna činjenica za sve. Ono što je za jednog posmatrača prepleteno, za drugog u drugačijem referentnom okviru ne mora biti.

* Superpozicija: Stanje u kojem objekt postoji u više mogućnosti istovremeno takođe postaje subjektivno. Jedan posmatrač može videti "oblak" verovatnoća, dok drugi vidi jasno definisano, fiksno stanje.

Ovo nas primorava da prihvatimo ideju da realnost nije ista za sve — ona je relativna u odnosu na okvir iz kojeg se vrši posmatranje, što je koncept koji duboko potresa temelje klasične fizike.

Krotitelj crnih rupa i beskonačnosti

Možda najuzbudljivija primena ovog novog ruha Šredingerove jednačine leži u rešavanju problema crnih rupa, gde se Ajnštajnova opšta relativnost sukobljava sa kvantnom mehanikom. Do sada je pokušaj mirenja ove dve teorije često rezultirao nemogućim "beskonačnostima" u matematičkim proračunima, čineći entropiju crnih rupa nemogućom za precizno definisanje.

Međutim, u radu iz 2023. godine, tim fizičara predvođen Edwardom Wittenom otkrio je da se ovi matematički čvorovi odvezuju čim se u priču uvede posmatrač sa kvantnim satom. Upravo je dodavanje tog "čupavog" sata učinilo da jednačine crnih rupa postanu pitome i rešive.

"Ako uzmete u obzir kvantne referentne okvire, otkrićete da te beskonačnosti postaju konačne", objašnjava fizičar Joshua Kirklin. Ovaj pristup je pokazao da merna oprema nije samo "dodatak", već ključ za transformaciju nemoguće matematike u logičan fizički rezultat.

Zaključak: Povratak posmatrača

Kako Šredingerova jednačina zakoračuje u svoj drugi vek, fokus nauke se pomera sa objektivnog proučavanja "sveta tamo negde" ka razumevanju našeg mesta u njemu. Kvantni referentni okviri mogli bi biti ključ za ujedinjenje Ajnštajnove relativnosti i kvantne mehanike, rešavajući paradokse u kojima sam prostor i vreme gube svoju stabilnost.

U dosadašnjoj fizici, prostor i vreme su tretirani kao nepomična "pozornica" na kojoj se odvija drama univerzuma. Međutim, kada uključimo posmatrača, i sama pozornica postaje neizvesna. Naučnici se sada vraćaju misaonim eksperimentima kao što je "Vignerov prijatelj", pokušavajući da dokuče samu prirodu trenutka u kojem posmatranje stvara realnost.

Anne-Catherine de la Hamette nas podseća na najvažniju lekciju ovog jubileja: "Lekcija bi mogla biti da nismo smeli da zaboravimo posmatrača."

Na kraju, dok redefinišemo granice Šredingerove jednačine, ostaje nam provokativno pitanje o prirodi svega što znamo: ako svako svojstvo sveta zavisi od onoga ko meri i čime meri, da li objektivni svet uopšte postoji bez onoga ko u njega gleda? Da li mogu da postoje drugi univerzumi u kojima nema posmatrača?

Priredio: Dragan Tanaskoski

Izvor: scientificamerican