Θα καταλάβουμε ποτέ την κβαντική θεωρία;

Εάν η μπερδεμένη συμπεριφορά των υποατομικών σωματιδίων σας κάνει να ξύνετε το κεφάλι σας από σύγχυση, μην ανησυχείτε. Ούτε οι φυσικοί δεν την έχουν κατανοήσει πλήρως.

Η κβαντομηχανική θα πρέπει να είναι μία από τις πιο επιτυχημένες θεωρίες της επιστήμης. Αναπτύχθηκε στις αρχές του εικοστού αιώνα, έχει χρησιμοποιηθεί με απίστευτη ακρίβεια για τον υπολογισμό του πώς συμπεριφέρονται το φως και η ύλη - πόσο ηλεκτρικό ρεύμα περνάει μέσα από ένα τρανζίστορ πυριτίου στα κυκλώματα του υπολογιστή, ή από τα μοριακά πλέγματα και το πώς απορροφούν το φως. Μεγάλο μέρος της τεχνολογίας των πληροφοριών του σήμερα στηρίζεται στην κβαντική θεωρία, όπως και ορισμένες πτυχές των χημικών διεργασιών, μοριακή βιολογία, την ανακάλυψη νέων υλικών και πολλά άλλα.

Ωστόσο, το περίεργο είναι ότι κανείς δεν καταλαβαίνει πραγματικά την κβαντική θεωρία. Το απόσπασμα που αποδίδεται ευρέως στον φυσικό Ρίτσαρντ Φάινμαν είναι πιθανώς κρυφό, αλλά εξακολουθεί να ισχύει: αν νομίζετε ότι έχετε καταλάβει την κβαντική μηχανική, τότε δεν την έχετε καταλάβει. Το σημείο αυτό αποδεικνύεται από μια δημοσκόπηση μεταξύ 33 κορυφαίων στοχαστών σε συνέδριο στην Αυστρία το 2011. Σε αυτή την ομάδα μαθηματικών, φυσικών και φιλοσόφων δόθηκαν 16 ερωτήσεις πολλαπλής επιλογής σχετικά με τις έννοιες της θεωρίας και οι απαντήσεις τους εμφανίζονται να συμφωνούν λίγο.

Αυτό συμβαίνει γιατί η κβαντική θεωρία θέτει όλα τα είδη των περίεργων ερωτήσεων που εξάπτει τη φαντασία μας - μας αναγκάζει, για παράδειγμα, να συλλάβουμε αντικείμενα όπως τα ηλεκτρόνια που μπορούν, σε διαφορετικές συνθήκες, να είναι είτε κύματα ή σωματίδια.

Ένα από τα πιο αμφιλεγόμενα ζητήματα αφορά το ρόλο των μετρήσεων. Έχουμε συνηθίσει να σκεφτόμαστε ότι ο κόσμος υπάρχει σε μια συγκεκριμένη κατάσταση και ότι μπορούμε να ανακαλύψουμε τι κατάστασή του κάνοντας μετρήσεις και παρατηρήσεις. Η κβαντική θεωρία όμως ("κβαντική μηχανική" θεωρείται συχνά ως συνώνυμο, αν και αυστηρά αναφέρεται στις μαθηματικές μεθόδους, που έχουν αναπτυχθεί για τη μελέτη των κβαντικών σωματιδίων) δείχνει ότι, τουλάχιστον για τα μικροσκοπικά σωματίδια, όπως τα άτομα και τα ηλεκτρόνια, μπορεί να μην υπάρχει μια μοναδική κατάσταση πριν γίνει μια παρατήρηση: το σωματίδιο υπάρχει ταυτόχρονα σε διάφορα σημεία, που ονομάζεται υπέρθεση. Πριν από τη μέτρηση, το μόνο που μπορούμε να πούμε είναι ότι υπάρχει κάποια πιθανότητα το αντικείμενο να είναι σε κατάσταση Α ή Β και ούτω καθεξής. Μόνο κατά τη διάρκεια της μέτρησης υπάρχει η «επιλογή» σχετικά με το ποια από αυτές τις πιθανές καταστάσεις θα έχει το σωματίδιο: στην κβαντική-γλώσσα, η υπέρθεση "καταρρέει με τη μέτρηση". Δεν είναι ότι, πριν από τη μέτρηση, δεν ξέρω ποια από αυτές τις επιλογές είναι αλήθεια - το γεγονός είναι ότι η επιλογή δεν έχει γίνει ακόμη.

Αυτό ίσως είναι το πιο ανησυχητικό απ' όλα τα αινίγματα που βάζει η κβαντική θεωρία. Ο Albert Einstein είχε ενοχληθεί τόσο πολύ που αρνήθηκε να το δεχτεί για όλη του τη ζωή. Ο Αϊνστάιν ήταν ένας από τους πρώτους επιστήμονες που αγκάλιασαν τον κόσμο της κβαντικής μηχανικής: το 1905 πρότεινε ότι το φως δεν είναι ένα συνεχές κύμα, αλλά έρχεται σε "πακέτα", ή κβάντα, ενέργειας, που ονομάζονται φωτόνια, τα οποία είναι "σωματίδια φωτός". Ωστόσο, ως τους συγχρόνους του, όπως ο Niels Bohr, ο Werner Heisenberg και ο Erwin Schrodinger, επινόησαν μια μαθηματική περιγραφή του κβαντικού κόσμου στον οποίο οι βεβαιότητες αντικαταστάθηκαν από πιθανότητες, ο Αϊνστάιν διαμαρτυρήθηκε ότι ο κόσμος δεν θα μπορούσε πραγματικά να είναι τόσο ασαφής. Όπως ο ίδιος το έθεσε περίφημα, "ο Θεός δεν παίζει ζάρια". (Απάντηση του Bohr είναι λιγότερο γνωστή, αλλά αξίζει να μαθευτεί: "Αϊνστάιν, σταμάτα να λες στον Θεό τι πρέπει να κάνει.").

Υπέροχη, υπέροχη Κοπεγχάγη

Ο Schrodinger σχημάτισε μια εξίσωση που, όπως είπε, εκφράζει όλα όσα μπορούμε να γνωρίζουμε για ένα κβαντικό σύστημα. Αυτή η γνώση ενσωματώνεται σε μια λεγόμενη κυματοσυνάρτηση, μια μαθηματική έκφραση από την οποία μπορούμε να συμπεράνουμε, για παράδειγμα, τις πιθανότητες ενός κβαντικού σωματιδίου που είναι εδώ κι εκεί, ή να είναι σε μια ή άλλη κατάσταση. Η μέτρηση "καταρρέει" τη κυματοσυνάρτηση, έτσι ώστε να δώσει ένα οριστικό αποτέλεσμα. Αλλά ο Heisenberg έδειξε ότι δεν μπορούμε να απαντήσουμε σε κάθε ερώτηση σχετικά με ένα κβαντικό σύστημα ακριβώς. Αυτή είναι η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg: η μεγαλύτερη ακρίβεια θα καθορίσει την ορμή ενός ηλεκτρονίου (όπως μετράται από την μάζα επί την ταχύτητα), το λιγότερο που μπορείτε να γνωρίζετε σχετικά με τη θέση του στο χώρο και το αντίστροφο. Με άλλα λόγια, υπάρχουν μερικά ζεύγη ιδιοτήτων για τις οποίες μια ακριβής μέτρηση της μιας από αυτές καθιστά την άλλη ασαφή.

Πηγή, BBC News

Απόδοση, Δ. Γιάκας