În cadrul proiectelor de cercetare științifică efectuate în laboratoare subterane, precum cel din Italia de la Gran Sasso, se pot verifica limitele de valabilitate ale principiului excluziunii al lui Pauli. O încălcare a acestui principiu este prevăzută de modele ale teoriei gravitației cuantice. Un experiment recent la Gran Sasso a reușit să ajungă la limite în verificarea acestor modele – până la scara lui Planck.

Principiul de excluziune al lui Pauli (PEP)

Cu toții învățăm la chimie cum se completează cu electroni orbitalii atomilor: doi electroni pe nivelul 1s fundamental și așa mai departe.

Modul în care electronii se „așează” în orbitali este dat de principiul excluziunii – care spune că într-un sistem (precum ar fi atomul) nu pot exista doi electroni cu toate numerele cuantice identice. Electronii nu sunt… prietenoși.

Acest principiu a fost ulterior demonstrat de Pauli (care a primit premiul Nobel pentru această descoperire), dar și de alții, în cadrul teoremei statisticii spinului, cea care leagă simetria funcției de undă a unui sistem cuantic de spinul particulelor care-l formează, atunci când este vorba despre particule identice precum electronii.

Particulele cu spin semi-întreg (de exemplu electronii) au o funcție de undă anti-simetrică, în timp ce particulele cu spin întreg (precum fotonii) o funcție de undă simetrică. Acest principiu este extrem de important și îl întâlnim în fizică, chimie, biologie, dar și astrofizică – de exemplu în stelele de neutroni (neutronii fiind fermioni). Recent însă, atât din punct de vedere teoretic, cât și experimental, se investighează o posibilă încălcare a acestui principiu, care ar putea avea loc în teoria gravitației cuantice.

Tabloul particulelor elementare. Sursa: Scientia.ro.

Gravitația cuantică și încălcarea principiului excluziunii

Dacă una dintre ipotezele care stă la baza teoremei statisticii spinului nu ar fi valabilă, atunci principiul excluziunii ar putea să nu fie valabil 100%; ar putea exista sisteme unde acest principiu este încălcat. Evident, vorbim despre efecte extrem de mici.

În cadrul gravitației cuantice – teoria care încearcă să pună împreună mecanica cuantică cu relativitatea generală (cu geometria spațiu-timpului) – ar putea exista condiții pentru încălcarea principiului excluziunii.

Precizăm că încă nu avem o teorie a gravitației cuantice; există însă mai multe ipoteze: de la teoria corzilor la teoria gravitației cuantice cu bucle. În modele ale acestor teorii geometria spațiu-timpului poate fi ne-comutativă (simplificând, schimbând două puncte între ele din spațiu-timp nu obținem același lucru). În acest caz ar avea loc o încălcare a principiului lui Pauli care depinde de energie, dependența fiind în funcție de modelul folosit. Teste experimentale ale principiului excluziunii pot deci reprezenta teste ale modelelor de gravitație cuantică.

Noi rezultate de la Gran Sasso

Un nou studiu al cărui rezultat a fost recent publicat în revista Physical Review Letters, la care am fost coordonatoare, prezintă rezultatele unui experiment efectuat în cadrul laboratorului subteran (sub munte) de la Gran Sasso în Italia (cu proiecte finanțate de INFN,  Centro Ricerche Enrico Fermi, Foundational Questions Institute (FQXi) și John Templeton Foundation, cu suportul LNGS-INFN), unde s-a studiat o posibilă încălcare a principiului excluziunii prin tranziții atomice în atomul de plumb, interzise de acest principiu. Adică o tranziție a unui electron pe nivelul fundamental 1s care conține deja doi electroni; ar fi al treilea electron pe 1s, ceea ce ar reprezenta o evidentă încălcare a principiului excluziunii al lui Pauli.

Experimentul nu a descoperit aceste tranziții, punând limite asupra probabilității de încălcare a principiului, care au fost transformate în limite ale modelelor de gravitație cuantică, în anumite modele ajungându-se la scara lui Planck  și chiar depășind-o (scara lui Planck indică nivelul de energie la care fizica actuală nu mai este valabilă – și se așteaptă să se măsoare efecte ale unei noi teorii, cea a gravitației cuantice).

Planuri de viitor

Pentru viitor, planurile sunt de a efectua experimente și măsurători și mai precise. Se va ajunge să se pună noi limite pentru modelele gravitației cuantice sau, dimpotrivă, să se descopere încălcări ale principiului excluziunii, ceea ce ar reprezenta o revoluție în fizică.

CITIȚI ȘI:

Conștiința, mecanica cuantică și colapsul funcției de undă

LĂSAȚI UN MESAJ

Introduceti comentariul
Introdu numele

fourteen + = 21