Των Alessandro Fedrizzi & Mehul Malik (Καθηγητών Φυσικής στο Πανεπιστήμιο Heriot-Watt)
Η κβαντομηχανική, η θεωρία που κυβερνά τον μικρόκοσμο, είναι γεμάτη παραξενιές. Σε αντίθεση με αρκετούς άλλους τομείς της φυσικής, είναι αλλόκοτη και έρχεται σε αντίθεση με την διαίσθησή μας, κάτι που την καθιστά εκθαμβωτική και συναρπαστική. Η απονομή του Νόμπελ Φυσικής 2022 στους Alain Aspect, John Clauser και Anton Zeilinger για μελέτες που έριξαν φως στην κβαντική μηχανική, πυροδότησε ενθουσιασμό και συζητήσεις.
Ωστόσο, οι διάλογοι σχετικά με την κβαντική μηχανική –σε chat forums, στα ΜΜΕ ή στην επιστημονική φαντασία– πολλές φορές δημιουργούν μπέρδεμα, εξαιτίας μίας σειράς από επίμονους μύθους και παρανοήσεις. Ας ρίξουμε μια ματιά σε τέσσερις.
1. Μια γάτα μπορεί να είναι ταυτόχρονα ζωντανή και νεκρή
Ο Erwin Schrödinger δεν θα μπορούσε να προβλέψει ότι το νοητικό του πείραμα -η γάτα του Schrödinger- θα γινόταν ένα αρκετά διαδεομένο meme στο Διαδίκτυο τον 21ο αιώνα.
Μας λέει ότι ένα άτυχο αιλουροειδές που είναι κλεισμένο σε ένα φονικό κουτί του οποίου ο διακόπτης ενεργοποιείται από ένα τυχαίο κβαντικό συμβάν –π.χ. ραδιενεργό διάσπαση– θα μπορούσε να είναι ταυτόχρονα και ζωντανό και νεκρό, όσο δεν ανοίγουμε το κουτί για να ελέγξουμε τι συμβαίνει.
Γνωρίζουμε, εδώ και καιρό, ότι τα κβαντικά σωματίδια μπορούν να βρίσκονται ταυτόχρονα σε δύο καταστάσεις (για παράδειγμα σε δύο θέσεις). Αυτό ονομάζεται υπέρθεση.
Οι επιστήμονες έδειξαν πως κάτι τέτοιο μπορεί να συμβεί, στο περίφημο πείραμα της διπλής σχισμής όπου ένα μόνο κβαντικό σωματίδιο (όπως ένα φωτόνιο ή ένα ηλεκτρόνιο) μπορεί να περάσει ταυτόχρονα μέσα από δύο διαφορετικές σχισμές ενός πετάσματος.
Και πώς γνωρίζουμε ότι συμβαίνει κάτι τέτοιο;
Στην κβαντική φυσική, η κατάσταση κάθε σωματιδίου είναι επίσης και κύμα. Όταν όμως στέλνουμε μεμονωμένα φωτόνια προς τις σχισμές, τότε επάνω σε ένα δεύτερο πέτασμα, που βρίσκεται πίσω από αυτές, δημιουργείται ένα μοτίβο δύο κυμάτων που συμβάλλουν. Το ότι δεν υπάρχουν άλλα φωτόνια με τα οποία θα μπορούσε να αλληλεπιδράσει καθώς περνά από τις σχισμές, σημαίνει ότι το φωτόνιο περνάει και από τις δύο σχισμές ταυτόχρονα – αλληλεπιδρώντας με τον εαυτό του.
Ωστόσο, για μπορέσει να συμβεί αυτό, οι καταστάσεις (κύματα) της υπέρθεσης του σωματιδίου που διέρχεται και από τις δύο σχισμές, πρέπει να εμφανίζουν συνεκτικότητα – να έχουν μια καλά καθορισμένη σχέση μεταξύ τους.
Τέτοια πειράματα υπέρθεσης μπορούν να εκτελεστούν και με μεγαλύτερα και πιο πολύπλοκα αντικείμενα. Είναι διάσημο το πείραμα του Anton Zeilinger (1999), με το οποίο κατέδειξε την ύπαρξη κβαντικής υπέρθεσης σε μεγάλα μόρια άνθρακα-60, γνωστά ως «buckyballs».
Τι σημαίνει αυτό, λοιπόν, για τη καημένη τη γάτα μας; Είναι, όντως, ταυτόχρονα ζωντανή και νεκρή, για όσο δεν ανοίγουμε το κουτί; Προφανώς, μια γάτα δεν μοιάζει καθόλου με ένα μεμονωμένο φωτόνιο σε ένα ελεγχόμενο εργαστηριακό περιβάλλον· είναι πολύ μεγαλύτερη και πολύ πιο πολύπλοκη. Η οποιαδήποτε συνεκτικότητα που ενδεχομένως να έχουν μεταξύ τους, τα τρισεκατομμύρια τρισεκατομμυρίων άτομα που αποτελούν τη γάτα, θα είναι εξαιρετικά βραχύβια.
Αυτό δεν σημαίνει ότι η κβαντική συνοχή είναι αδύνατη στα βιολογικά συστήματα, απλώς ότι γενικά δεν ισχύει για μεγάλα πλάσματα όπως είναι οι γάτες και οι άνθρωποι.
2. Οι απλές αναλογίες από την καθημερινότητα είναι σε θέση να εξηγήσουν την διεμπλοκή
Η διεμπλοκή (ή εναγκαλισμός) είναι μια κβαντική ιδιότητα που συνδέει δύο διαφορετικά σωματίδια μεταξύ τους, έτσι ώστε αν εκτελέσουμε μία μέτρηση για το ένα, να γνωρίζουμε αυτόματα και άμεσα την κατάσταση του άλλου – ανεξάρτητα από το πόσο μακριά βρίσκονται μεταξύ τους.
Οι συνήθεις απόπειρες επεξήγησης του φαινομένου περιλαμβάνουν καθημερινά αντικείμενα από τον κλασικό μακρόκοσμό μας, όπως ζάρια, τραπουλόχαρτα· ακόμα και ζευγάρια κάλτσες με περίεργα χρώματα. Για παράδειγμα, φανταστείτε πως λέτε σε έναν φίλο σας ότι έχετε τοποθετήσει δύο φύλλα (ένα μπλε και ένα κόκκινο) σε δύο φακέλους αντίστοιχα. Εάν ο φίλος σας ανοίξει έναν από τους φακέλους και βρει το μπλε φύλλο, τότε θα καταλάβει ότι εσείς έχετε το κόκκινο.
Όμως, για να μπορέσετε να κατανοήσετε την κβαντομηχανική, θα πρέπει να φανταστείτε ότι τα φύλλα στους φακέλους βρίσκονται σε μία από κοινού υπέρθεση, κάτι που που σημαίνει πως είναι ταυτόχρονα και μπλε και κόκκινα (συγκεκριμένα μπλε/κόκκινο και κόκκινο/μπλε). Το άνοιγμα του ενός φακέλου θα μας αποκαλύψει -τυχαία- ένα από τα δύο χρώματα (μπλε ή κόκκινο). Το άνοιγμα του δεύτερου φακέλου, ωστόσο, θα αποκαλύπτει πάντα το αντίθετο χρώμα, καθώς τα δύο φύλλα είναι “απόκοσμα” συνδεδεμένα μεταξύ τους.
Κάτι άλλο που θα μπορούσαμε να κάνουμε είναι το να αναγκάσουμε τα φύλλα να εμφανίζονται βάσει ενός διαφορετικού σετ χρωμάτων (αυτό αντιστοιχεί με το να διεξάγουμε έναν άλλο, διαφορετικό τύπο μέτρησης). Θα μπορούσαμε να ανοίξουμε έναν φάκελο και να κάνουμε την εξής ερώτηση: «Είσαι πράσινο ή κίτρινο φύλλο;». Η απάντηση θα ήταν και πάλι τυχαία: ή πράσινο ή κίτρινο. Και πάλι όμως, εάν τα φύλλα είναι εναγκαλισμένα, το άλλο φύλλο θα δίνει πάντα το αντίθετο αποτέλεσμα όταν το ρωτάμε.
Ο Einstein επιχείρησε να ερμηνεύσει το παραπάνω με κλασική διαίσθηση, προτείνοντας ότι τα φύλλα θα μπορούσαν να είναι εφοδιασμένα με ένα κρυφό, εσωτερικό σύνολο οδηγιών, το οποίο τους λέει ποιο χρώμα να εμφανίσουν, όταν ερωτηθούν. Απέρριψε επίσης την ύπαρξη της “απόκοσμης” δράσης μεταξύ των φύλλων, που φαινομενικά τους επιτρέπει να επηρεάζουν άμεσα το ένα το άλλο, καθώς αυτό θα απαιτούσε μεγαλύτερη ταχύτητα επικοινωνίας από την αυτήν του φωτός, κάτι που αποκλείουν οι ίδιες οι θεωρίες του Einstein.
Ωστόσο, η ερμηνεία του Einstein καταρρίφθηκε μέσω του θεωρήματος Bell (θεωρητικό τεστ που δημιουργήθηκε από τον φυσικό John Stewart Bell), από τα πειράματα που διεξήχθησαν από τους νομπελίστες του 2022. Η ιδέα πως η μέτρηση ενός διεμπλεγμένου φύλλου μεταβάλλει την κατάσταση του άλλου, δεν ανταποκρίνεται στην πραγματικότητα. Η αλήθεια είναι ότι τα κβαντικά σωματίδια συσχετίζονται μυστηριωδώς με τρόπους που δεν μπορούμε να περιγράψουμε με την καθημερινή γλώσσα ή λογική – δεν επικοινωνούν διαθέτοντας έναν κρυμμένο κώδικα, όπως είχε υποθέσει ο Einstein. Ξεχάστε λοιπόν τα καθημερινά αντικείμενα όταν σκέφτεστε τη διεμπλοκή.
3. Η φύση είναι “μη πραγματική” και “μη τοπική”
Λέγεται συχνά πως το θεώρημα Bell αποδεικνύει ότι η φύση δεν είναι “τοπική”, ότι ένα αντικείμενο δηλαδή δεν επηρεάζεται μόνο από το άμεσο περιβάλλον του. Βάσει μιας άλλης συνηθισμένης ερμηνείας, το θεώρημα υπονοεί ότι οι ιδιότητες των κβαντικών αντικειμένων δεν είναι “πραγματικές”, ότι δεν υπάρχουν πριν από τη μέτρηση.
Όμως το θεώρημα Bell το μόνο που μάς επιτρέπει να πούμε είναι πως κβαντική φυσική σημαίνει ότι η φύση δεν είναι μαζί και πραγματική και τοπική, εάν παράλληλα κάνουμε και κάποιες υποθέσεις. Οι υποθέσεις αυτές περιλαμβάνουν την ιδέα ότι οι μετρήσεις δίνουν ένα μόνο αποτέλεσμα (και όχι πολλαπλά, ίσως σε παράλληλους κόσμους), ότι η αιτία και το αποτέλεσμα ρέουν στο χρόνο προς τα εμπρός και ότι δεν ζούμε σε ένα “προγραμματισμένο σύμπαν” στο οποίο τα πάντα έχουν προκαθοριστεί από την αυγή του χρόνου.
Παρά το θεώρημα Bell, η φύση μπορεί κάλλιστα να είναι και πραγματική και τοπική, αν επιτρέψουμε να παραβιαστούν κάποια πράγματα που θεωρούμε ως κοινή λογική, όπως ότι ο χρόνος προχωρά προς τα εμπρός. Και ελπίζουμε πως οι μελλοντικές έρευνες θα μπορέσουν να περιορίσουν τον μεγάλο αριθμό πιθανών ερμηνειών της κβαντικής μηχανικής. Ωστόσο, οι περισσότερες επιλογές που έχουμε στα χέρια μας -π.χ. ροή του χρόνου προς τα πίσω ή απουσία ελεύθερης βούλησης- είναι τόσο παράλογες όσο το να εγκαταλείψουμε την έννοια της local reality.
4. Κανείς δεν καταλαβαίνει την κβαντομηχανική
Ένα κλασικό απόφθεγμα (που αποδίδεται στον Richard Feynman, αλλά σε αυτή του την μορφή παραφράζει, επίσης, τον Niels Bohr) δηλώνει: «Αν νομίζεις πως κατανοείς την κβαντική μηχανική, τότε δεν την κατανοείς».
Η άποψη αυτή είναι ευρέως διαδεδομένη. Ότι, δηλαδή, η κβαντική φυσική είναι αδύνατο να γίνει κατανοητή, ακόμη και από τους ίδιους τους φυσικούς. Για τα δεδομένα του 21ου αιώνα, όμως, η κβαντική φυσική δεν είναι ούτε μαθηματικά ούτε εννοιολογικά δύσκολη για τους επιστήμονες. Την κατανοούμε εξαιρετικά καλά. Μπορούμε να προβλέψουμε κβαντικά φαινόμενα με υψηλή ακρίβεια, να προσομοιώσουμε εξαιρετικά πολύπλοκα κβαντικά συστήματα· έχουμε αρχίσει, μάλιστα, να κατασκευάζουμε και κβαντικούς υπολογιστές.
Το να εξηγήσουμε, στην γλώσσα της κβαντικής πληροφορίας, την υπέρθεση και την διεμπλοκή, δεν απαιτεί τίποτα περισσότερο από τα μαθηματικά που μαθαίνουμε στο σχολείο. Για το θεώρημα Bell δεν χρειάζεται καν η κβαντική φυσική. Μπορεί να εξαχθεί σε ελάχιστες γραμμές, με χρήση θεωρίας πιθανοτήτων και γραμμικής άλγεβρας.
Εκεί που βρίσκεται ίσως η πραγματική δυσκολία, είναι στο να καταφέρουμε να συμβιβάσουμε την κβαντική φυσική με την διαίσθησή μας για την πραγματικότητα. Το να μην έχουμε όλες τις απαντήσεις δεν είναι κάτι που θα μας εμποδίσει να σημειώσουμε περαιτέρω πρόοδο επάνω στην κβαντική τεχνολογία. Μπορούμε απλά να “το βουλώσουμε” και να κάνουμε υπολογισμούς. (Σημ. Αναφέρεται στην γνωστή φράση “Shut up and calculate!” του David Mermin)
Ευτυχώς για την ανθρωπότητα οι Aspect, Clauser και Zeilinger (Νόμπελ Φυσικής 2022) αρνήθηκαν να σωπάσουν και συνέχισαν να ρωτούν γιατί. Ίσως μια μέρα, κάποιοι σαν αυτούς να μπορέσουν να συμβιβάσουν την κβαντική παραξενιά με αυτό που βιώνουμε ως πραγματικότητα.
Πηγή: https://theconversation.com/
