1. Câteva zeci de ordine de mărime. Sunt extrapolările justificate?

Un metru este scara activităţilor noastre de zi cu zi. Moleculele şi atomii au dimensiuni de ordinul a 10^-10 metri (o zecime de miliardime de metru), particulele elementare sunt de încă 10^-5 ori mai mici (adică sunt cam de o milionime de miliardime de metru); la dimensiuni mai mici, nu prea ştim ce se întâmplă. Într-unul din articolele trecute „Multiversurile şi obscurantismul contemporan” am povestit cum, la scara lungimii Planck (10^-35 metri, adică o sutime de milionime de miliardime de miliardime de miliardime de metru) apar celebrele dimensiuni suplimentare (opt suplimentare, în total unsprezece, dacă nu s-a schimbat nimic între timp) în care Universul pluteşte ca o biată foiţă tridimensională, în aşteptarea vreunei coliziuni cu vreo altă asemenea foiţă, atât de aproape şi, de fapt, atât de altundeva… Oricum, experienţele noastre directe, folosind reactoare şi acceleratoare oricât de gigantice, se opresc la 10^-15 metri, iar mai încolo nu ştim încă ce se întâmplă, şi aceasta cale de încă douăzeci de ordine de mărime. Ne putem imagina lungimea Planck ca fiind dimensiunea unui atom pe lângă o bilă de un metru diametru pe care ne-o imaginăm ca un alt atom pe lângă o altă bilă de un metru, pe care o transformăm (ca să variem puţin) într-un proton pe care-l comparăm cu dimensiunile noastre (un metru). Deoarece a început să ne cam ia ameţeala, vă propun să ne oprim cu consideraţiile microscopice la scara de lungimi situate între lungimile caracteristice ale fizicii atomice şi ale fizicii nucleare, adică între 10^-10 şi 10^-15 metri.

Facem o excursie şi „în sus”, ca să ne mai revenim. Pământul are un diametru de cam douăsprezece milioane de metri, adică de ordinul a 10⁷ metri, asta o ştie oricine. Sistemul nostru solar, incluzând exoplanetele de dincolo orbitei lui Pluton şi norul Oort, are cam zece miliarde de kilometri, adică vreo 10¹³ metri. Un an-lumină este aproape 10¹⁶ metri, iar Galaxia noastră are un diametru estimat de cam o sută de mii de ani-lumină, deci cam 10²¹ metri. La o distanţă de 10 ori mai mare (10²² metri) găsim galaxia Andromeda, pe la 10²⁴ metri vorbim de superclusterul Virgo, care conţine şi grupul nostru local de galaxii, iar pe la 10²⁶ metri se cam termină cartierul nostru.

N-ar trebui să mire pe nimeni că ordinele de mărime despre care vorbim sunt cam aceleaşi „în sus” şi „în jos”. Numai semnul exponentului se schimbă. Şi aceasta nu înseamnă decât că eforturile au fost făcute cu aproximativ la fel de multă tenacitate pentru a explora ce se întâmplă la distanţe mari sau la distanţe mici. De fapt, restrângând niţeluş, aş spune că sunt cunoscute cu o precizie mulţumitoare lumile de la scara de 10¹³ la scara de 10^-13 metri. De la sistemul solar până la graniţa căruia au ajuns vreo câteva sonde spaţiale până la scara nucleelor atomice, pe care le folosim pentru producerea de energie.

Iar legile fizicii pe care le înţelegem cel mai bine, adică mecanica şi electromagnetismul, au fost formulate la scara umană. Imediat ce s-a încercat aplicarea lor la scări microscopice, au apărut fenomene care nu puteau fi înţelese cu una, cu două, iar aceasta a dat naştere mecanicii cuantice, despre care ne vom ocupa mai pe larg în continuare.

Acesta este primul lucru pe care-l învăţăm când începem să încercăm să facem o tentativă să ne iniţiem în mecanica cuantică: Legile fizicii nu se pot aplica ad literam în domeniul microscopic, adică de la câteva grupuri de atomi în jos.

Drept care, răspunsul la întrebarea privind justificarea extrapolărilor este unul singur.

Nu.

De ce n-ar fi la fel şi când privim „în sus”? De ce mecanica, termodinamica sau electromagnetismul ar trebui să fie neschimbate cale de douăzeci de ordine de mărime? Sondele Pioneer şi-au modificat acceleraţiile la distanţe considerabile de Soare şi, în ciuda unor explicaţii mai mult sau mai puţin liniştitoare privind presiunea radiaţiei emise de aceste sonde, dubii încă mai există privind valabilitatea legii atracţiei a lui Newton la asemenea distanţe mari (de Soare). Faptul că galaxiile nu se rotesc după cum prevede legea atracţiei universale, iarăşi, a dat naştere speculaţiilor privind materia întunecată. Nimeni nu a văzut vreodată o gaură neagră, însă existenţa lor este speculată extrapolând mecanica lui Newton sau a lui Einstein undeva la milioane de ani-lumină depărtare (la 10²² metri de aici), pentru obiecte dintre care cel mai micuţ este cam cât tot sistemul nostru solar şi care cântăresc câteva miliarde de mase solare (10⁴⁰ kilograme, pentru cei sau cele care tocmai s-au întors de la piaţă).

Însă despre acest lucru ne vom ocupa, sper, într-un articol viitor.

2. Sunt manifestările cuantice atât de neobişnuite?

Dacă este să ne luăm după cărţile de fizică (indiferent de nivel), da. În primul rând trebuie să acceptăm fără nicio explicaţie că electronii în mişcare în jurul nucleului pe orbite care satisfac anumite condiţii nu radiază, cum fac toate particulele încărcate cumsecade, odată accelerate. Sau că lumina este şi undă, şi corpuscul. Cum sunt, de altfel, şi particulele materiale. Sau că o particulă merge de colo până dincolo pe toate traiectoriile posibile. Şi aşa mai departe.

Totuşi, trebuie să fii orb ca să nu-ţi dai seama că manifestările cuantice sunt peste tot în jurul nostru. De unde vin culorile? dacă nu din procese de emisie-absorbţie selectivă a undelor electromagnetice, ceea ce implică niveluri de energie cuantificată. De ce este cerul albastru? bine, asta nu-i chiar mecanică cuantică, dar este dovada că există în cer nişte entităţi mult mai mici decât lungimea de undă a luminii. Ce este focul? Ce este Soarele? De unde vine lumina, până la urmă?

Nu-i de mirare că lumina a fost manifestarea fizică cea mai des folosită în imagini supranaturale până în prezent. De la „Să fie lumină”, până la diferitele reprezentări ale Sfântului Duh, ale îngerilor, omniprezentă în invocările ritualurilor de iniţiere, asociată cu binele, cu fericirea, cu viaţa.

Mecanică cuantică, spunem noi, fără să intuim cu nimic mai mult decât neiniţiaţii sau iniţiaţii de care tocmai s-a făcut vorbire.

Mergând mai departe, trebuie spus că însăşi existenţa materiei din jurul nostru, a aceleia pe care o putem pipăi, în care ne putem înmuia degetele sau ale cărei adieri le simţim uneori – este tot datorată mecanicii cuantice. Dacă pornim de un adevăr elementar, acela că materia este constituită din entităţi cu sarcini electrice de semne opuse, în cantităţi egale, faptul că aceste entităţi nu „se prăbuşesc” unele în altele este datorat acelui principiu al mecanicii cuantice care interzice frânarea electronilor şi „căderea” lor pe nucleu. Marea majoritate a obiectelor din jurul nostru sunt constituite din obiecte în care atomii formează legături covalente, iono-covalente sau metalice. În fiecare din aceste obiecte există un echilibru subtil între poziţia ionilor şi electronii care participă la legăturile chimice şi care sunt delocalizaţi fie în întreg corpul (la metale), fie pe direcţia anumitor legături (la cristalele covalente). Dacă li s-ar ridica restricţiile de mecanică cuantică, electronii s-ar aşeza cuminţi pe nucleele atomice, totul s-ar transforma în neutroni, iar aceştia s-ar aglomera în nişte frumoase găuri negre. Iar, în aceste condiţii, dumneavoastră, eu şi rândurile scrise de mine ca să le citiţi ar arăta niţeluş altfel.

Chimia este, iarăşi, o manifestare directă a proprietăţilor cuantice ale electronilor, a existenţei păturilor electronice, a modului cum se organizează aceşti electroni pe orbitele lor. Spre ruşinea mea, numai recent am aflat de la o colegă chimist de ce radicalul hidroxil -OH este foarte stabil în alcooli şi este instabil în acizii organici, pierzând cu uşurinţă un proton în cel din urmă caz: aceasta se întâmplă din cauza faptului că atomul de carbon de care este legat radicalul în chestiune are sau nu o legătură dublă cu un alt atom de oxigen. Adică, starea hidrogenului depinde nu de oxigenul de care este legat, ci de învecinarea carbonului de care este legat oxigenul, adică de vecinii vecinului vecinului. Iar, din cauza asta, acizii graşi se lipesc pe orice, iar alcoolii dimpotrivă, sunt volatili şi degresează suprafeţele.

Dacă facem un mic efort de imaginaţie, deducem că toată fizica clasică, aceea pe care ni se pare că o înţelegem atât de bine, este doar un caz particular, la scara de un metru (mergând de la hai să zicem 10⁷ la 10^-7 metri, adică de la dimensiunea planetei la aceea a virusurilor şi a celor mai mari macromolecule), a interacţiunilor dintre corpuri unde realitatea cuantică şi-a jucat cu prisosinţă rolul şi a produs corpurile solide, lichidele, gazele şi câmpurile macroscopice (electromagnetic şi gravitaţional) pe care le putem măsura în viaţa de zi cu zi. Chiar şi procese destul de uşor de intuit, cum ar fi topirea sau evaporarea implică ceva mecanică cuantică sub forma căldurii latente care apare la transformarea de fază. Nu mai vorbesc de ardere (cea mai întâlnită reacţie chimică), respiraţie  (incorporarea oxigenului în hemoglobină) sau de fotosinteză (care este destul de greu de explicat: scrierea detaliată a tuturor reacţiilor chimice umplu vreo câteva pagini de tratat gros de biochimie).

Frecarea corpurilor este o proprietate microscopică, legată de modul cum se întrepătrund atomii dintre cele două corpuri aflate în contact. Formarea picăturilor de apă este legată de interacţiunea mult mai puternică a moleculelor de lichid cu alte molecule de lichid decât cu gazul din jurul lichidului. Tunetele şi fulgerele sunt legate de ionizarea prin avalanşă a atomilor în prezenţa unor câmpuri electrice puternice, produse de această dată de ionizarea prin frecare. Celulele solare, laserele, ecranele actuale de televizor, toată electronica sunt aplicaţii directe numai şi numai ale fizicii cuantice.

…Magnetismul permanent este, iarăşi, dovada imediată a manifestării unui efect de natură cuantică. Originea feromagnetismului în marea majoritate a materialelor magnetice este interacţiunea de schimb, care este destul de greu de intuit şi apare din cauză că, „dintre doi electroni, Dumnezeu nu şi l-ar recunoaşte niciodată pe al său” (Eyvind H. Wichman, Cursul de fizică Berkeley, Vol. 4, Fizică Cuantică). Această interacţiune „ordonează” momentele magnetice de spin ale atomilor vecini unul faţă de altul şi produce, în anumite condiţii, magneţi permanenţi (iar în alte condiţii, nu). Oricum, este destul de greu de imaginat lumea civilizată fără magneţi permanenţi, care sunt înglobaţi în cea mai mare parte a generatoarelor şi a motoarelor electrice.

Rezumatul acestei părţi este că fizica cuantică este chiar cu mult mai prezentă în jurul nostru, în viaţa de zi cu zi, decât fizica clasică. Hai să ne imaginăm o zi oarecare. Gheorghe se trezeşte dimineaţa, se ridică din pat (fizică clasică), se spală (stropii de apă şi săpunul sunt manifestări ale fizicii cuantice), aprinde aragazul (cuantică), îşi fierbe două ouă (toate procesele biochimice au origini cuantice), le mănâncă (asimilarea aminoacizilor şi lipidelor sunt tot procese cuantice), apoi pleacă la serviciu cu autovehiculul personal ticsit de electronică şi folosind un motor cu ardere internă (de aici, doar producerea lucrului mecanic şi transformarea acestuia în energie cinetică ţin de fizica clasică). La serviciu, Gheorghe foloseşte din plin calculatorul şi telefonul mobil, pointerul laser sau cuptorul cu microunde. Niciun fel de fizică clasică, exceptând deplasarea cu scaunul pe roţi dintr-un loc în altul sau mişcarea câte unui pix pe birou. Până şi modul în care se pliază o hârtie înainte de a fi aruncată la coş ţine tot de nişte proprietăţi cuantice ale materiei (deformările plastice, ipotezele de rupere). Drumul lui Gheorghe înapoi spre casă este identic cu drumul la dus, doar ceva mai aglomerat din cauza unei furtuni subite (tunetele şi trăsnetele sunt cuantice, restul este mecanica fluidelor) şi: odată ajuns acasă, este surprins de şocul luminos şi electromagnetic (fizică cuantică), apoi observă pe geamul de la balcon prima ciupercă atomică (cuantică) urmând, peste cam un minut, unda de şoc aferentă primei explozii nucleare administrată Europei de către Kim Jong-un. Fizică clasică. Noapte bună.

Lăsând glumele sinistre la o parte, avem aici şi o problemă de natură educativă: în mod tradiţional, studiul fizicii cuantice este lăsat spre ultimul an de liceu (dacă se mai face), când aspiranţilor în ale fizicii li s-a cam acrit de planuri înclinate, legile gazelor, lentile sau circuite cu fel de fel de rezistenţe şi condensatoare în serie sau paralel. Nu este de mirare că la şcoala generală chimia are un succes mai mare decât fizica. Dacă s-ar suplimenta amuzanta chimie în care amesteci fel de fel de chestii şi obţii schimbări de culoare, bule de gaz, mici explozii sau tot felul de fumuri, cu o fizică cuantică la un nivel corespunzător de asimilare, micile posibile genii (şi poate că şi ştiinţa, în general) n-ar avea decât de câştigat. Este mult mai greu de asimilat fizica cuantică de o minte „bătătorită” de determinismul mecano-electro-magnetic decât de o minte liberă de ecuaţiile acestea pe care, odată ce le-ai învăţat temeinic, îţi dai seama că nu explică mare lucru şi că se referă doar la cazuri extrem de particulare. Vezi faptul că Einstein n-a acceptat niciodată mecanica cuantică, vezi şi faptul că şcoala de la Copenhaga n-a acceptat niciodată vreo altă interpretare a funcţiei de undă decât aceea de densitate de probabilitate. Vezi şi mai jos.

3. Problema grea a conştiinţei

Mai avem de povestit despre încă o mare categorie de lucruri din jurul nostru: organismele vii – şi, în particular, despre organismele conştiente. Subiectul este intens dezbătut în zilele noastre de felurite conştiinţe, pornind de la filosofi la fizicieni, biologi sau parapsihologi şi, în esenţă, revine la întrebarea: există vreo explicaţie raţională, materialistă a conştiinţei? Dacă da, are aceasta legătură cu fizica cuantică?

Probabil că avem de a face cu primul fenomen al lumii acesteia care se auto-analizează. Or mai fi şi altele, dar nu le ştim noi.

Ca observaţie generală: viaţa este bazată pe nişte complecşi moleculari atât de sofisticaţi, este chiar greu de crezut că a apărut de la sine. Iar conştiinţa se bazează probabil pe nişte interacţiuni atât de subtile între miliarde de miliarde de entităţi, încât este greu de crezut că s-a format în mod spontan.

În 1995, David John Chalmers formula problema „grea” a conştiinţei, care s-ar traduce la modul următor: De unde provine senzaţia conştientizării experienţelor senzoriale? Cu o formaţie de matematician, David Chalmers migrează destul de timpuriu spre neuroştiinţe şi filosofie, urmând să-şi consolideze o carieră în filosofia conştiinţei. El propune, în esenţă, un nou tip de dualism, dar nu undă-particulă, ca în mecanica cuantică, ci între filosofia materialistă şi cea a conştiinţei ca summum al teoriilor posibile.

Însă fără să ia în considerare că una dintre teorii, cea materialistă, este în eternă schimbare în urma noilor şi noilor experienţe; iar cealaltă teorie este cam lipsită de suport, ca să zic aşa, cam „pluteşte”. Unii fizicieni, cum ar fi de exemplu Eugene Paul Wigner, David Bohm, Roger Penrose sau specialistul în anestezie şi terapie intensivă (A.T.I.) Stuart Hameroff, au încercat să împingă cunoaşterea ştiinţifică spre limitele explicării fenomenelor conştiente. Recent (de vreo 15 ani) au fost descoperite microtuburile care formează citoscheletul neural, iar Hameroff a propus că aceste microtuburi conţin electroni delocalizaţi ale căror stări cuantice interacţionează de la un microtub la altul, influenţându-şi reciproc stările prin acţiune la distanţă, specifică mecanicii cuantice, şi realizând o coerenţă la nivelul întregului encefal, sau măcar a unei părţi importante a acestuia (cortex şi talamus).

Teoriile acestea evoluează rapid, împănate fiind de dispute sau chiar de date experimentale falsificate. Pe scurt, o parte din istorie a fost următoarea: matematicianul Roger Penrose a abordat din punct de vedere filosofic teoremele lui Gödel, care demonstrează că niciun sistem axiomatic nu poate fi complet şi că poate fi construită întotdeauna o propoziţie care să nu poată fi demonstrată în teoria respectivă. Propoziţia Gödel este de tipul „Propoziţia aceasta nu poate fi demonstrată de teoria actuală” şi este destul de simplu să vezi că, dacă această propoziţie poate fi demonstrată de teoria cu pricina, atunci se contrazice pe ea însăşi; iar dacă nu poate fi demonstrată, atunci am construit o propoziţie nedemonstrabilă de acea teorie. Aceste consideraţii sunt extrem de apropiate de paradoxul mincinosului al lui Epinemides, care se interoghează asupra valorii de adevăr a propoziţiei „Eu, autorul rândurilor acestora, mint”.

Şi totuşi, dacă luăm în considerare o interpretare probabilistică şi interzicem cuvintele „totdeauna” şi „niciodată”, propoziţia „Eu mint în marea majoritate a cazurilor”, de exemplu, nu are nimic paradoxal. Dar atunci nu mai operăm cu valori de adevăr de 0 şi 1, ci cu valori fracţionare, cu qubiţi de informaţie.

Fără consideraţii de tipul acelora de mai înainte, Penrose a dedus că, dacă matematicienii au fost în stare să formuleze teoreme de tip Gödel, aceasta înseamnă că modul lor de gândire nu este pur formal, nu se încadrează la capitolul „maşini de calcul” sau „zombies filosofici”, cum spune Chalmers. În consecinţă, gândirea matematicienilor „are ceva în plus”, pe care Penrose le-a numit procese „non-computaţionale”. În termeni mai uzuali, am putea vorbi de „intuiţie” ca de un proces de analiză care nu poate fi redus la algoritmi matematici uzuali.

În mod evident, comportarea sistemelor cuantice ar avea destul de multe trăsături comune cu aceste procese „non-computationale”. Colapsul funcţiilor de undă, înlănţuirea cuantică (quantum entanglement), transmiterea la distanţă practic instantanee a stării cuantice între două entităţi corelate, toate acestea seamănă destul de mult cu procesele acestea de care legăm conştiinţa şi care scapă unei analize prin algoritmi simpli, mecanicişti. Am întâlnit în studiile acestea deseori aserţiunea „dacă se mişcă precum o raţă şi măcăne ca o raţă, atunci chiar este o raţă”. Deseori facem asemenea extrapolări, pentru că altfel n-o scoatem la capăt.

Eu aş apune aici altceva: senzaţia de neputinţă, zidul cognitiv de care te loveşti este cam de aceeaşi natură când încerci să-ţi reprezinţi lumea cuantică sau originea conştiinţei. Poate că aceasta este valabil numai pentru unii oameni. Însă toată lumea trăieşte cu angoasa morţii şi ar vrea să afle ceva mai mult despre ce suntem, cu adevărat, la urma urmei?

În orice caz, pe la sfârşitul secolului trecut (1989-1994) Penrose şi Hameroff au elaborat, pornind de la considerente filosofice legate de teorema lui Gödel şi de la propunerea microtuburilor neurali ca suporturi pentru procesare cuantică a informaţiei, teoria Orch-OR (Orchestrated Objective Reduction), un fel de colaps al funcţiilor de undă intermediat de activitatea sinapselor neurale. Microtuburile sunt conectate reciproc intra- şi inter-neural printr-un fel de joncţiuni electrice foarte înguste (2 nanometri) şi mai sunt conectate şi la restul lumii prin nişte proteine, care intermediază interacţiunea între acest macrosistem cuantic şi activitatea neurală convenţională. Într-o imagine absolut naivă, conştiinţa este o stare cuantică generală a unui creier care „zbârnâie” (iniţial s-a spus că pe la 40 Hz, fiind vorba de undele sincrone gamma; ulterior s-a împins această frecvenţă pe la 8 MHz). Aceste stări cuantice „colapsează” după principii numai de ele ştiute, uneori în interacţiune cu semnalele transmise prin sinapse, alteori fără legătură cu acestea. Şi iată de ce uneori facem crize de furie fără să ştim ce ne-a apucat, sau râdem de unii singuri, fără motiv. Este posibil ca nebunii să aibă stările acestea cuantice mai pregnante, deci un nivel de conştiinţă mai ridicat?

Este oarecum de crezut că mecanica cuantică şi originea conştiinţei să fie intim legate, în virtutea fie a teoriei Orch-OR, fie a similitudinii senzaţiei de neputinţă pe care am formulat-o mai înainte. Este posibil şi ca toţi aceşti domni pe care i-am pomenit mai înainte, la care ar trebui adăugat şi celebrul Erwin Schrödinger, chiar şi Einstein sau Feynman uneori, să se înşele. După descoperirea radiului şi a radioactivităţii acestuia, multora li s-a părut că s-a descoperit, de fapt, originea vieţii şi că, administrându-şi radiu, care substituia cu mare succes calciul din oase, îşi prelungeau viaţa. Este lesne de înţeles cum au murit pe capete. A fost un fel de selecţie naturală socialistă, pentru că numai oamenii cu dare de mână îşi permiteau dozele de radiu, care nu se găseşte chiar pe toate drumurile. În orice caz, cimitirele din Franţa sunt şi acum pline de schelete autoradiante, care sunt capabile să impresioneze singure, fără vrei sursă externă, filme radiologice. Şi aici a fost abordat acelaşi principiu pe care l-am enunţat mai sus: viaţa este un mister, radioactivitatea altul, înseamnă că există şanse destul de mari să vorbim de unul şi acelaşi lucru. Devenind radioactivi, vom deveni mai vii. Şi au greşit.

Cu această rezervă finală, aş dori să închei, reamintindu-ne de ordinele de mărime. Viaţa şi (eventual) conştiinţa, dacă este legată de acele microtuburi, încep să se manifeste la scara unui micron sau chiar puţintel mai jos (10^-7-10^-6 metri), adică pe la jumătate între cele mai mici ordine de mărime despre care avem o imagine cât de cât experimentală (nucleele atomice) şi scara macroscopică. Iarăşi, în sus, la jumătatea scării Sistemului Solar, pe care am acceptat-o ca o scară unde pricepem cum merg lucrurile (10¹³ metri), pe la 10⁶-10⁷ metri, avem scara planetei, cu tot ce înseamnă ea (unii i-au spus Gaia). Văzută de la 10¹³ metri, planeta noastră poate fi considerată o celulă, un tot unitar, cu mult mai mult decât putem fi consideraţi fiecare din noi studiaţi de la scară planetară. Sau fiecare din celulele din propriile corpuri pe care le studiem la microscop. Sau fiecare din atomii care constituie aceste celule.

Or fi existând manifestări cuantice şi la scară planetară?

O fi Gaia aceasta a noastră interconectată cuantic cu alte entităţi, aşa cum sunt organismele de pe planetă, aşa cum sunt celulele într-un organism sau atomii dintr-o celulă?

O presupunere rezonabilă ar fi că „adevărata” ştiinţă este cea cuantică, prezentă de la scări mici la scări extrem de mari, iar toată mecanica şi electromagnetismul tradiţionale sunt doar câteva manifestări cu totul particulare, pe care s-a întâmplat să le înţelegem mai bine doar din norocul de a fi descoperit analiza matematică şi ecuaţiile diferenţiale înaintea altor reprezentări.

Mulţi oameni se opresc cu înţelegerea chiar înaintea reprezentărilor acestora „tradiţionale”. Vă rog să experimentaţi câţi directori economici, şefi de resurse umane, manageri, jurnalişti sau politicieni ştiu să rezolve o ecuaţie diferenţială simplă.

Poate că au, pe undeva, dreptatea lor.