Αποτελείται η ύλη από σωματίδια και κύματα μαζί;

Απόψεις Ιστορίες

Σύμφωνα με την κβαντομηχανική, τη θεωρία της φυσικής που περιγράφει τα υποατομικά σωματίδια, η ύλη μπορεί να περιγραφεί ως σωματίδια και κύματα μαζί. Αληθεύει όμως αυτό;

Το παρόν αποτελεί μετάφραση ενός άρθρου του Paul Sutter.
Ο Paul M. Sutter είναι ερευνητής καθηγητής αστροφυσικής στο SUNY Stony Brook University και στο Flatiron Institute στη Νέα Υόρκη. Εμφανίζεται τακτικά στην τηλεόραση και σε podcast, συμπεριλαμβανομένου του “Ask a Spaceman”. Είναι συγγραφέας δύο βιβλίων: “Your Place in the Universe” και “How to Die in Space”.

Ο κυματοσωματιδιακός δυϊσμός αποτελεί τον ακρογωνιαίο λίθο της κβαντικής μηχανικής, την σύγχρονη θεωρία για το πώς συμπεριφέρονται τα υποατομικά σωματίδια. Ο δυϊσμός δηλώνει ότι όλα τα σωματίδια (στην πραγματικότητα, όλα τα αντικείμενα) διαθέτουν κυματικές ιδιότητες. Ενώ οι περισσότερες τυπικές ερμηνείες της κβαντικής μηχανικής αντιμετωπίζουν αυτές τις κυματικές ιδιότητες ως ένα καθαρά μαθηματικό τέχνασμα για τον υπολογισμό της πιθανότητας ενός σωματιδίου να βρίσκεται στο ένα ή το άλλο μέρος, ορισμένες πιο ριζοσπαστικές ερμηνείες ανάγουν το κύμα σε μια πραγματική οντότητα, η οποία είναι τόσο υπαρκτή όσο και τα τα σωματίδια. Μία από αυτές τις ερμηνείες, γνωστή ως θεωρία των πιλοτικών κυμάτων (pilot-wave theory), υποστηρίζει ότι όλες οι αλληλεπιδράσεις στο σύμπαν μπορούν να περιγραφούν από ένα και μόνο σετ εξισώσεων — αν μπορούσαμε μόνο να βρούμε ποιές είναι αυτές.

Τα αρχικά κύματα

Το 1924, ο Γάλλος υποψήφιος διδάκτορας Louis de Broglie πρότεινε ότι η ύλη διαθέτει κυματικές ιδιότητες. Ο De Broglie εμπνεύστηκε από την ανακάλυψη του κυματοσωματιδιακού δυϊσμού του φωτός. Για αιώνες, οι φυσικοί διαφωνούσαν για το εάν το φως είναι φτιαγμένο από μικροσκοπικά σωματίδια ή αποτελεί κάποιο είδος κύματος. Στα μέσα του 1800, η ​​συζήτηση φαινόταν να έχει διευθετηθεί με την ανακάλυψη του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου από τον James Clerk Maxwell και τη συνειδητοποίηση, από τον ίδιο, πως το φως είναι φτιαγμένο από ηλεκτρομαγνητικά κύματα, σύμφωνα με το “The History of Quantum Mechanics” (CreateSpace Independent Publishing, 2017).

Το 1899, όμως, ο Γερμανός φυσικός Max Planck προσπαθούσε να κατανοήσει ένα είδος ακτινοβολίας που είναι γνωστό ως ακτινοβολία μέλανος σώματος (το φάσμα του φωτός που εκπέμπει ένα αντικείμενο λόγω της θερμοκρασίας του) και ο μόνος τρόπος με τον οποίο θα μπορούσε να εξηγήσει τις ιδιότητές της ήταν το φως να εκπέμπεται σε διακριτά μικρά κομμάτια ή κβάντα· που σημαίνει ότι το εκπεμπόμενο φως θα μπορούσε να περιγραφεί τόσο ως σωματίδια όσο και ως ηλεκτρομαγνητικά κύματα.

Λίγα χρόνια αργότερα, ο Albert Einstein πρότεινε ότι δεν είναι μόνο η εκπομπή του φωτός κβαντισμένη, αλλά και το ίδιο το φως. Σύμφωνα με τον Einstein, το φως αποτελείται από μικρά σωματίδια (τα οποία τελικά ονομάστηκαν φωτόνια) και πως όταν μερικά από αυτά ενώνονται, ενεργούν ως κύμα. Αυτός ο κυματοσωματιδιακός δυϊσμός -παρότι ριζοσπαστικός- μπορούσε να ερμηνεύσει μια σειρά από πειράματα και παρατηρήσεις.

Οι Planck και Einstein πρότειναν ότι το μήκος κύματος του φωτός είναι αντιστρόφως ανάλογο της ορμής του. Άρα όσο περισσότερη ορμή (ενέργεια) έχει ένα φωτόνιο, τόσο μικρότερο το μήκος κύματος. Αυτή η απλή σχέση έδωσε στον De Broglie μια φαινομενικά τρελή ιδέα. Το φως διαθέτει ορμή και ενέργεια, καθώς και κυματικές ιδιότητες. Η ύλη διαθέτει επίσης ορμή και ενέργεια, οπότε ίσως να έχει και αυτή κυματικές ιδιότητες.

Ο υπεύθυνος της διατριβής του de Broglie, όντας κάπως νευρικός για αυτήν την ιδέα, την έστειλε στον Einstein, ο οποίος και την ενέκρινε.

Κβαντικά κύματα

Και ενώ με το έργο του Planck εκκίνησε η ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής, η πρόοδος φάνηκε να σταματάει για μερικές δεκαετίες. Η ιδέα του De Broglie αποτέλεσε τον καταλύτη που χρειαζόταν η κβαντική θεωρία για να έρθει στη σύγχρονη μορφή της. Με την συνειδητοποίηση του κυματοσωματιδιακού δυϊσμού, φυσικοί όπως ο Erwin Schrödinger μπορούσαν πια να αναπτύξουν μια πλήρη κβαντική θεωρία, η οποία να ερμηνεύει την συμπεριφορά των ηλεκτρονίων στο εσωτερικό των ατόμων, σύμφωνα με την δημοσίευση-ορόσημο του Erwin Schröodinger το 1926.

Το ερώτημα, όμως, παρέμενε: Τι είναι ακριβώς τα κύματα ύλης; Ο Schrödinger υποστήριξε ότι τα υποατομικά σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια, είναι κυριολεκτικά απλωμένα στον χώρο, η ερμηνεία του όμως δεν συμφωνούσε με τα πειράματα που έδειχναν ότι τα ηλεκτρόνια είναι σημειακά σωματίδια. Τότε, ο Γερμανός φυσικός Max Born πρότεινε μια ιδέα, που θα εξελισσόταν στη λεγόμενη “ερμηνεία της Κοπεγχάγης” της κβαντικής μηχανικής: Τα κύματα της ύλης είναι κύματα πιθανότητας που δείχνουν το πού μπορεί κάποιος να βρει τα σωματίδια, την επόμενη φορά που θα ψάξει για αυτά. Εκεί όπου τα κύματα εμφανίζουν υψηλές τιμές, υπάρχει και μεγάλη πιθανότητα να βρεθεί ένα σωματίδιο.

Το πείραμα της διπλής σχισμής δείχνει ότι η ύλη και η ενέργεια μπορούν να εμφανίσουν τόσο σωματιδιακά όσο και κυματικά χαρακτηριστικά. (Image credit: grayjay via Shutterstock)

Πιλοτικά κύματα

Ο De Broglie είχε μια διαφορετική ιδέα. Και ο ίδιος θεωρούσε ότι τα κύματα είναι πραγματικά, δεν τα έβλεπε όμως ως αντικαταστάτες των σωματιδίων. Αντιθέτως, πίστευε πως συνυπάρχουν με τα σωματίδια, και πως διαδίδονται στον χώρο λέγοντας στα σωματίδια πού να πάνε. Όμως κανείς δεν μπορεί να δει την πραγματική διαδρομή που ακολουθούν τα σωματίδια, έτσι αυτά φαίνονταν να καθοδηγούνται από μία κβαντική τυχαιότητα· ο de Broglie, όμως, υποστήριξε ότι δεν εμπλέκετο τυχαιότητα. Αντίθετα: τα “πιλοτικά κύματα” ήξεραν πάντα τι να κάνουν.

Ο De Broglie τελικά θα εγκατέλειπε αυτή την ιδέα υπέρ της ερμηνείας των κυμάτων ως πιθανοτήτων, αλλά δεκαετίες αργότερα ο Αμερικανός φυσικός David Bohm την ζωντάνεψε ξανά ως μια πλήρη ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής. Η θεωρία των πιλοτικών κυμάτων προσέλκυσε κάποιους φυσικούς, καθώς έλυνε κάποιους από τους σημαντικότερους φιλοσοφικούς “πονοκεφάλους” της ερμηνείας της Κοπεγχάγης. Στην ερμηνεία της Κοπεγχάγης, η τροχιά ενός σωματιδίου βρίσκεται σε κάποια ασαφή κβαντική υπέρθεση η οποία υπάρχει στα μαθηματικά μας· δεν “γνωρίζουμε” το τι κάνουν πραγματικά, τα κβαντικά σωματίδια, και το μόνο που μπορούμε να κάνουμε είναι να μαντέψουμε βάσει των πιθανοτήτων για συγκεκριμένες εκβάσεις.

Αντιθέτως, η θεωρία των πιλοτικών κυμάτων έχει το πλεονέκτημα ότι τα πάντα είναι πραγματικά και καθορισμένα· εδώ δεν υπάρχουν πιθανότητες. Στην θεωρία των πιλοτικών κυμάτων -γνωστή επίσης και ως μπομιανή μηχανική (bohmian mechanics)- το κύμα που σχετίζεται με το κάθε σωματίδιο κινείται μέσα στον χώρο, κάνοντας ό,τι κάνουν φυσιολογικά τα κύματα (ανακλώνται, περιθλώνται, συμβάλλουν κ.λπ.). Αυτό που σε έναν παρατηρητή φαίνεται ως κβαντική τυχαιότητα, αποτελεί απλώς αντανάκλαση του γεγονότος ότι η πραγματική τροχιά του σωματιδίου είναι κρυμμένη.

Ωστόσο, η πραγματικότητα αυτή έρχεται με ένα τίμημα. Όταν δύο σωματίδια αλληλεπιδρούν, τα πιλοτικά τους κύματα αλληλεπιδρούν και εναγκαλίζουν τα σωματίδια. Η διεμπλοκή είναι μια κβαντομηχανική διαδικασία κατά την οποία οι τύχες των υποατομικών σωματιδίων συνδέονται -ακόμη και όταν πρόκειται για τεράστιες αποστάσεις- έτσι ώστε μια αλλαγή στο ένα να οδηγεί αμέσως σε μια αλλαγή στο άλλο. Αυτό απαιτεί την ύπαρξη μίας και μόνης κυματοσυνάρτησης η οποία περιγράφει ταυτόχρονα και τα δύο σωματίδια, και αυτά πρέπει μυστηριωδώς να “γνωρίζουν” το ένα τι κάνει το άλλο, ανεξάρτητα από το πόσο μακριά βρίσκονται μεταξύ τους. Αυτό, από μόνο του, είναι τυπικό στην κβαντομηχανική και δεν προκαλεί έκπληξη. Στην θεωρία των πιλοτικών κυμάτων, όμως, ο εναγκαλισμός αυτός εκτείνεται και στις θέσεις των σωματιδίων.

Καθώς όλα τα σωματίδια είναι εναγκαλισμένα με όλα τα υπόλοιπα σωματίδια του σύμπαντος, υπάρχει μία και μόνη κυματοσυνάρτηση που περιγράφει όλα τα σωματίδια ταυτόχρονα, η οποία -με κάποιο τρόπο- συνδέει όλες τις θέσεις τους μεταξύ τους. Αυτό σημαίνει πως στη θεωρία των πιλοτικών κυμάτων, οι κινήσεις των ατόμων στο σώμα σας επηρεάζονται από τη συμπεριφορά κάθε σωματιδίου του σύμπαντος. Και πως υπάρχει μία και μόνη εξίσωση που είναι σε θέση να συνδέσει τα πάντα στο σύμπαν μεταξύ τους.

Παρότι το συμπέρασμα αυτό δεν αποκλείει την θεωρία των πιλοτικών κυμάτων, είναι κάτι που καθιστά δύσκολο το να γίνει αποδεκτή ως θεωρία της φυσικής η συγκεκριμένη πρόταση – στο κάτω κάτω, πώς θα μπορούσαμε ποτέ να ισχυριστούμε, με σιγουριά, ότι έχουμε απομονώσει όλες τις συμπεριφορές μέσα σε ένα πείραμα και κατανοούμε τι ακριβώς συμβαίνει;

Η έμφαση που δίνεται στις θέσεις -και όχι στις ταχύτητες- των σωματιδίων, καθιστά επίσης δύσκολο το να υπάρξει συμβατότητα μεταξύ της θεωρίας αυτής και της σχετικότητας, η οποία λέει ότι οι θέσεις και οι ταχύτητες πρέπει να αντιμετωπίζονται σε ίση βάση. Χωρίς τη συμβατότητα αυτή, είναι δύσκολο να επεκτείνουμε την θεωρία των πιλοτικών κυμάτων σε όλους τους τύπους των φυσικών συστημάτων, στα οποία εφαρμόζεται η κβαντική θεωρία (όπως οι επιταχυντές υψηλής ενέργειας).

Μια μέρα ίσως μπορέσει να υπάρξει απάντηση σε αυτές τις δυσκολίες. Γεγονός είναι επίσης το ότι η θεωρία των πιλοτικών κυμάτων γνωρίζει αυξανόμενο ενδιαφέρον τις τελευταίες δεκαετίες. Μέχρι, όμως, να επιλυθεί πλήρως το ζήτημα, το εάν είναι πραγματικός ο κυματοσωματιδιακός δυϊσμός παραμένει θέμα γούστου.

Πηγή:
https://www.livescience.com/

Αφήστε μια απάντηση

Η ηλ. διεύθυνση σας δεν δημοσιεύεται. Τα υποχρεωτικά πεδία σημειώνονται με *