Τοπίο στη Φυσική

Παράθυρο στην Επιστήμη

Περνώντας τη διαχωριστική γραμμή των κβάντων

  • Του Tim Folger
  • Από το Scientific American

Το σύμπαν σύμφωνα με τη κβαντική μηχανική είναι περίεργο και πιθανολογικό, αλλά η καθημερινή μας πραγματικότητα φαίνεται καλά στερεωμένη. Νέα πειράματα στοχεύουν να ερευνήσουν όπου-και γιατί- το ένα βασίλειο περνάει μέσα στο άλλο.

Τα περισσότερα από τα χειροτεχνήματα του Simon Gröblacher είναι αόρατα με γυμνό μάτι. Μία από τις μηχανικές κατασκευές του στο εργαστήριό του στο Πανεπιστήμιο Τεχνολογίας Delft στην Ολλανδία, έχουν μήκος μόνο μερικά εκατομμυριοστά του μέτρου – όχι πολύ μεγαλύτερο από ένα βακτήριο – και πάχος 250 νανόμετρα, περίπου  ένα χιλιοστό του πάχους ενός φύλλου χαρτιού.Ο  Gröblacher χωρίς αμφιβολία θα μπορούσε να συνεχίσει να συρρικνώνει τις κατασκευές του, αλλά έχει διαφορετικό στόχο: θέλει να μεγεθύνει τα πράγματα, όχι τα σμικρύνει. «Αυτό που προσπαθούμε να κάνουμε είναι  πράγματα που υπάρχουν, να γίνουν πραγματικά μεγάλα», λέει, καθώς φέρνει εικόνες του υλικού στον υπολογιστή του. Λάβετε υπόψη ότι για τον Gröblacher, έναν πειραματικό φυσικό, «πραγματικά, πραγματικά μεγάλα» σημαίνει κάτι μόλις ελάχιστα ορατό χωρίς μικροσκόπιο, «ένα χιλιοστό του χιλιοστού μέγεθος.»

Με την εργασία σε αυτή τη μικρή κλίμακα, ο Gröblacher ελπίζει να απευθύνει το ειδικό ερώτημα: Μπορεί ένα μόνο μακροσκοπικό αντικείμενο να βρίσκεται την ίδια στιγμή σε δύο μέρη; Θα μπορούσε κάτι από το μέγεθος μιας κεφαλής καρφίτσας, ας πούμε, να υπάρχει τόσο εδώ όσο και εκεί την ίδια στιγμή; Αυτή η φαινομενικά αδύνατη κατάσταση είναι στην πραγματικότητα ο κανόνας για τα άτομα, τα φωτόνια και όλα τα άλλα σωματιδία. Σύμφωνα με τους σουρεαλιστικούς νόμους της κβαντικής θεωρίας, η πραγματικότητα στο πιο βασικό της επίπεδο αντιμάχεται τις παραδοχές της κοινής σκέψης: Σωματίδια δεν έχουν σταθερές θέσεις, ενέργεια ή οποιαδήποτε άλλη συγκεκριμένη ιδιότητα – τουλάχιστον όσο δεν τα κοιτάζει κανείς. Υπάρχουν σε πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα.

Αλλά για τους λόγους που οι φυσικοί δεν καταλαβαίνουν, η πραγματικότητα που βλέπουμε είναι διαφορετική. Ο κόσμος μας – ακόμα και τα μέρη του που δεν μπορούμε να παρατηρήσουμε άμεσα – φαίνεται ξεκάθαρα μη κβαντικός. Πραγματικά μεγάλα πράγματα – που σημαίνει οτιδήποτε από έναν ιό και πάνω – εμφανίζονται πάντα σε ένα και μόνο ένα μέρος. Υπάρχει μόνο ένας Gröblacher που μιλάει σε έναν δημοσιογράφο με χαρά, που κρατάει σημειώσεις στο εργαστήριο του Delft. Και εκεί υπάρχει ένα μυστήριο: Γιατί, αν όλα είναι χτισμένα σε μια κβαντική θολούρα ύλης και ενέργειας, δεν βιώνουμε την κβαντική παραξενιά στον εαυτό μας; Πού συμβαίνει το κβαντικό παγκόσμιο τέλος και αρχίζει ο λεγόμενος κλασικός κόσμος της Νευτώνειας φυσικής; Υπάρχει στην πραγματικότητα ρήγμα, μια κλίμακα πέρα​ από την οποία να παύουν να υπάρχουν τα κβαντικά αποτελέσματα; Ή η κβαντική μηχανική βασιλεύει παντού και είμαστε κάπως τυφλοί σε αυτό;

«Ξέρουμε ότι ο μικρός κόσμος είναι κβαντικός και εμείς γνωρίζουμε με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, ότι είμαστε κλασικοί – ό,τι κι αν αυτό σημαίνει»,  λέει ο Angelo Bassi, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Τεργέστης στην Ιταλία. «Αγνοούμε  την πραγματική φύση της ύλης μεταξύ του μικρόκοσμου και του μακρόκοσμου.» Αυτή η άγνωστη χώρα μπερδεύει τους φυσικούς από τη γέννηση της κβαντικής θεωρίας πριν από έναν αιώνα. Αλλά τα τελευταία χρόνια ο Gröblacher και άλλοι φυσικοί έχουν αρχίσει να λειτουργούν εξαιρετικά ευαίσθητα επιτραπέζια πειράματα που μπορεί κάποια μέρα να αποκαλύψουν πώς τα αντικείμενα κάνουν την εκπληκτική μετάβαση από το κβαντικό χώρο στην καθημερινότητα. Το αν αυτές οι προσπάθειες θα επιλύσουν το μυστήρια της κβαντικής θεωρίας ή θα τα εμβαθύνουν, κανείς δεν μπορεί ακόμα να πει. Αλλά στη διερεύνηση της άγριας και μαλλιαρής κβαντικής οι ερευνητές έχουν την ευκαιρία να ανακαλύψουν ένα ολόκληρο νέο πεδίο φυσικής.

ΤΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΤΗΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ

Για όλα τα παράδοξά της, η κβαντική μηχανική είναι η πιο ισχυρή και απαιτητική επιστημονική θεωρία που επινοήθηκε ποτέ. Οι προβλέψεις της θεωρίας ταιριάζουν με το πείραμα με τρομερή ακρίβεια – καλύτερη από ένα τρισεκατομμυριστό σε ορισμένες περιπτώσεις. Με την επανάσταση στην κατανόηση της ατομικής δομής, μεταμορφώθηκε κάθε πλευρά της επιστήμης, από τη βιολογία έως την αστροφυσική. Χωρίς κβαντική θεωρία, δε θα υπήρχε ηλεκτρονική βιομηχανία, ούτε κινητά τηλέφωνα, ούτε Google. Παρόλα αυτά η θεωρία έχει ένα άσχημο κενό, λέει ο Stephen L. Adler, θεωρητικός φυσικός στο Ινστιτούτο προχωρημένων σπουδών στο Princeton, N.J.: «Στην κβαντική μηχανική τα πράγματα δε συμβαίνουν. »
Το κρυπτογραφικό σχόλιο του Adler αναφέρεται σε αυτό που οι βασικές εξισώσεις της κβαντικής θεωρίας λένε -ή δεν λένε- για τη φύση της πραγματικότητας. Γνωστές ως κυματικές συναρτήσεις, οι εξισώσεις αντιστοιχίζουν πιθανότητες σε ένα αντικείμενο να βρεθεί σε διάφορες καταστάσεις. Αντίθετα από τη Νευτώνεια φυσική, όπου μήλα, πλανήτες και όλα τα υπόλοιπα έχουν πάντα καλά καθορισμένες ιδιότητες, η κβαντική φυσική είναι εγγενώς πιθανολογική. Στην ουσία, τα σωματίδια που περιγράφονται από τις κυματικές συναρτήσεις δεν μπορεί να πει κανείς ότι υπάρχουν πλήρως. Δεν έχουν σταθερές θέσεις, ταχύτητες ή ενέργεια.

Όλα όμως αλλάζουν όταν οι επιστήμονες παίρνουν μία μέτρηση. Στη συνέχεια, προκύπτουν πραγματικές, απτές ιδιότητες, σαν να αναδύονται από την απλή προσπάθεια της παρατήρησής τους. Όχι μόνο η θεωρία δεν λέει γιατί οι μετρήσεις επιφέρουν αυτόν το μετασχηματισμό, αλλά δε μας λέει και γιατί εκδηλώνεται μία από αυτές τις πολλές πιθανότητες και όχι άλλες. Η κβαντομηχανική περιγράφει τι θα μπορούσε να συμβεί ως αποτέλεσμα μιας μέτρησης αλλά όχι τι θα συμβεί. Με άλλα λόγια, η θεωρία δεν παρέχει μηχανισμό για τη μετάβαση από την πιθανή στην πραγματική κατάσταση.
Για να «κάνει τα πράγματα να συμβούν» στην κβαντική μηχανική, ένας από τους θρυλικούς ιδρυτές της θεωρίας υποστήριξε μια σχεδόν μεταφυσική πτυχή. Στα τέλη της δεκαετίας του 1920 ο Werner Heisenberg διατύπωσε και διάδοσε την άποψη ότι η ίδια η πράξη της μέτρησης κάνει την κυματική συνάρτηση των σωματιδίων να «καταρρεύσει» – τα πολλά εν δυνάμει αποτελέσματα μειώνονται στιγμιαία σε ένα μόνο παρατηρούμενο αποτέλεσμα. Το μόνο ελάττωμα με την ιδέα είναι ότι δεν υπάρχει τίποτα στις εξισώσεις της κβαντικής θεωρίας που να λέει ότι συμβαίνει μια κατάρρευση ή να προσφέρει μια φυσική διαδικασία να την εξηγήσουμε. Η «λύση» του Heisenberg ουσιαστικά εισήγαγε ένα νέο μυστήριο στη φυσική: Τι ακριβώς συμβαίνει όταν μια συνάρτηση κύματος καταρρέει; Αυτό το κβαντικό αίνιγμα είναι τώρα γνωστό ως το πρόβλημα της μέτρησης.

Οι φυσικοί ίσως έχουν συνηθίσει στην ιδέα της κατάρρευσης τα τελευταία 90 χρόνια, αλλά ποτέ δεν τους άρεσε πραγματικά. Η ιδέα ότι μια ανθρώπινη δράση-μέτρηση- διαδραματίζει κεντρικό ρόλο στην πιο θεμελιώδη θεωρία του πώς λειτουργεί το σύμπαν δεν την κάνει να κάθεται καλά δίπλα σε οποιονδήποτε μερική έννοια της αντικειμενικής πραγματικότητας.

«Βασικά, έχω ένα ιδανικό για το τι πρέπει να είναι μία φυσική θεωρία», λέει ο φυσικός, βραβευμένος με Νόμπελ, Steven Weinberg του Πανεπιστημίου του Τέξας στο Όστιν. (Ο Weinberg υπηρετεί στο διοικητικό συμβούλιο των επιστημονικών συμβούλων του Scientific American.) «Θα πρέπει να είναι κάτι που δε θα παραπέμπει με οποιοδήποτε τρόπο σε ανθρώπους. Θα έπρεπε να είναι κάτι από το οποίο όλα τα άλλα – συμπεριλαμβανομένων οτιδήποτε μπορείτε να πείτε με συστηματικό τρόπο για χημεία, βιολογία ή ανθρώπινες υποθέσεις – μπορούν να προκύψουν. Δεν πρέπει να έχει ανθρώπους στην αρχή των νόμων της φύσης. Και όμως δεν βλέπω οποιοδήποτε τρόπο διαμόρφωσης της κβαντικής μηχανικής χωρίς ένα ερμηνευτικό αξίωμα που να αναφέρεται σε αυτό που συμβαίνει όταν οι άνθρωποι επιλέγουν να μετρήσουν το ένα ή το άλλο πράγμα.»

ΕΠΙΛΕΞΤΕ ΤΗΝ ΕΡΜΗΝΕΙΑ ΣΑΣ

Μια διέξοδος από το πρόβλημα της μέτρησης είναι να υποθέσουμε ότι η κατάρρευση απλά δε συμβαίνει. Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, ο H. Dieter Zeh, τώρα ομότιμος καθηγητής στο πανεπιστήμιο της Χαϊδελβέργης Γερμανία, πρότεινε μια διαδικασία που παράγει την εμφάνιση της κατάρρευσης με ταυτόχρονη διατήρηση της πλήρους κβαντικής πολλαπλότητας της συνάρτησης κύματος. Στον πραγματικό κόσμο, υποστήριξε ο Zeh, η συνάρτηση κύματος κάθε συγκεκριμένου αντικειμένου είναι εξαιρετικά επηρεασμένη από την κυματοσυνάρτηση των πάντων στο περιβάλλον του, καθιστώντας αδύνατη τη διαδικασία να παρακολουθήσει κανείς όλες τις αμέτρητες κβαντικές αλληλεπιδράσεις που συμβαίνουν γύρω μας. Στην κβαντική διάλεκτο, οι κυματοσυναρτήσεις λέγονται «πεπλεγμένες» – ένα ειδικό είδος συσχετισμού που διατηρεί τη συνάφεια ακόμη και σε τεράστιες αποστάσεις. Ένας παρατηρητής μπορεί να ελπίζει για πάντα ότι θα δει ένα μικρό μέρος αυτού του τεράστιου πεπλεγμένου συστήματος, έτσι κάθε συγκεκριμένη μέτρηση να συλλαμβάνει απλά μια λωρίδα του κβαντικού κόσμου.

Ο Zeh χαρακτήρισε αυτή τη διαδικασία «αποσυνοχή» και τείνει να αποτελέσει την επικρατούσα εξήγηση για τους φυσικούς, γιατί δε βλέπουμε κβαντικά φαινόμενα σε μακροσκοπικό επίπεδο. Περιγράφει πώς μία άθικτη κυματική συνάρτηση -που περιλαμβάνει όλες τις πιθανές φυσικές καταστάσεις που μπορεί να έχει ένα σωματίδιο – αποσυντίθεται καθώς αναμειγνύεται με τις κυματικές συναρτήσεις άλλων κβαντικών συστημάτων γύρω του. Εάν το μοντέλο αποσυνοχής είναι σωστό, εμείς οι ίδιοι ζούμε μέσα στα νήματα του πεπλεγμένου κβαντικού ιστού, αλλά βλέπουμεε μόνο ένα μέρος του.

Δεν πιστεύουν όλοι οι φυσικοί ότι η αποσυνοχή διευθετεί το πρόβλημα της μέτρησης. Πρώτα απ’ όλα, ακόμα δεν εξηγεί γιατί βλέπουμε ένα σκέλος του κβαντικού σύμπαντος και όχι άλλα. «Πρέπει ακόμη να επικαλεστείτε την υποτιθέμενη κατάρρευση, η οποία παίρνει μια μορφή πεπλεγμένης κατάστασης και λέει ότι μία από αυτές τις πιθανές καταστάσεις πρέπει να επιλεχθεί, και αυτό συνήθως γίνεται αξιωματικά», λέει ο Miles P. Blencowe, ένας θεωρητικός φυσικός στο Κολλέγιο Dartmouth. Για τον Blencowe και άλλους, η διαδικασία δεν καταγράφει τον τρόπο που βιώνουμε τα πράγματα. «Πιστεύω ότι έχουμε αυτόν τον έναν κόσμο που εξελίσσεται», λέει. «Πώς μεταβαίνεις από μια πεπλεγμένη κατάσταση σε αυτήν την αντίληψη του κόσμου βρίσκοντας, όπως πάντα, ένα μοναδικό μονοπάτι προς το μέλλον;» Πολλοί κβαντομηχανικοί θα αισθανόταν ότι πρέπει να υπάρξει μια κατάρρευση για να αποκατασταθεί αυτή η ενότητα για τον κόσμο καθώς εξελίσσεται, παρά να συνεχίσει να διευρύνεται ο πεπλεγμένος ιστός.» Η εκτίμηση του Adler για την αποσυνοχή είναι περισσότερο οξεία: «Δεν παρέχει μηχανισμό [για κατάρρευση]
καθόλου. Δεν επιλύει το πρόβλημα.»

Πριν από έξι δεκαετίες ένας υποψήφιος διδάκτορας στο πανεπιστήμιο Princeton πρότεινε μια ακόμη πιο ριζοσπαστική λύση στο πρόβλημα της κατάρρευσης. Στη διατριβή του το 1957 ο Hugh Everett υποστήριξε ότι η κυματική συνάρτηση ούτε καταρρέει ούτε παθαίνει αποσυνοχή. Μάλλον όλα τα συστατικά της είναι φυσικά αληθινά, μέρη μιας ατελείωτα διακλαδωμένης πανοπλίας των κόσμων. Η ερμηνεία του «πολλών κόσμων» του Everett, όπως αποκαλείται, έχει γίνει δημοφιλής μεταξύ των κοσμολόγων, που έχουν άλλους λόγους, από αυτούς που εμείς σκεφτόμαστε, για τα παράλληλα σύμπαντα. Αλλά κανείς δεν κατάφερε ποτέ να διακρίνει πειραματικά την ιδέα για τα παράλληλα σύμπαντα μέσα από την καθιερωμένη κβαντική θεωρίσ.

Το ίδιο ισχύει και για άλλες ερμηνείες της κβαντικής μηχανικής. Ο γάλλος φυσικός Louis de Broglie, ένας από τους ιδρυτές της κβαντικής θεωρίας, προσπάθησε να εξαλείψει την ανάγκη για κατάρρευση εισάγοντας την έννοια των «πιλοτικών κυμάτων» που καθοδηγούν τα μονοπάτια των ηλεκτρονίων και όλων των άλλων σωματιδίων. Στην εκδοχή της κβαντικής θεωρίας του de Broglie, που ο Αμερικανός φυσικός David Bohm ανάπτυξε περαιτέρω στη δεκαετία του 1950, δεν υπάρχει μυστηριώδης κατάρρευση. Οι μετρήσεις δείχνουν απλώς τις αλληλεπιδράσεις των πιλοτικών κυμάτων και των σχετικών σωματιδίων τους. Αλλά και πάλι, κανείς δεν βρήκε ακόμα πειραματικά στοιχεία που να διακρίνουν την πραγματικότητα των πιλοτικών κυμάτων των de Broglie και Bohm από τους πολλούς κόσμους του Everett, ή από οποιαδήποτε από τις άλλες ντουζίνες τόσο διαφορετικές θεωρίες για την κβαντική μηχανική. Στο τέλος, οι κβαντικοί συμπατριώτες επιλέγουν την αγαπημένη τους περιγραφή της πραγματικότητας με βάση την αισθητική. «Επαναλαμβάνω ότι έχουμε έναν κόσμο που εξελίσσεται»,  λέει ο Blencowe. «Για αυτό, κάποιος χρειάζεται πραγματικά κάποιο είδος κατάρρευσης, κάτι που είναι κάτι περισσότερο από ένας κανόνας για τα αποτελέσματα των πειραμάτων, είναι κάποια πραγματική διαδικασία».

ΔΟΚΙΜΑΖΟΝΤΑΣ ΤΗΝ ΚΑΤΑΡΡΕΥΣΗ

Η πόλη του Delft θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως ένα πεπλεγμένο κβαντικό σύστημα. Τα ήρεμα κανάλια και τα μεσαιωνικά κτίρια από τούβλα αλληλεπικαλύπτονται στο χώρο και στο χρόνο με αυτοκίνητα, ποδηλάτες, κινητά τηλέφωνα και φοιτητές που γυρίζουν στο σπίτι τρικλίζοντας από τα ολονύκτια πάρτι κατά μήκος του ίδιου στενού δρόμου που κάποτε περπατούσε ο ζωγράφος Johannes Vermeer. Το εργαστήριο του Gröblacher βρίσκεται περίπου δύο χιλιόμετρα νότια από το κέντρο της παλιάς πόλης και αισθάνεται σαν να βρίσκεται εκατοντάδες χρόνια στο μέλλον. Σε ένα ζεστό ανοιξιάτικο πρωινό, δείχνει στον επισκέπτη του ένα από τα «πραγματικά, πραγματικά μεγάλα» πράγματα που ο ίδιος και οι συνάδελφοί του έχουν χτίσει: μια μεμβράνη μεγέθους χιλιοστομέτρου προσδεμένη σε τσιπ πυριτίου, μόλις ελάχιστα ορατή με γυμνό μάτι.
Κοιτάζοντας από κοντά (ή βλέποντας σε μια αφίσα στο διάδρομο έξω από το γραφείο του Gröblacher), η μεμβράνη μοιάζει με ένα μικροσκοπικό τραμπολίνο. Είναι κατασκευασμένο από νιτρίδιο του πυριτίου, ένα ανθεκτικό κεραμικό υλικό που χρησιμοποιήθηκε για τα ρουλεμάν των κινητήρων στα διαστημικά λεωφορεία και έχει στο κέντρο του ένα ιδιαίτερα ανακλαστικό καθρέφτη. Ένα μόνο κούνημα από ένα στοιχείο στο τσιπ μπορεί να θέσει τη μεμβράνη σε ταλάντωση για αρκετά λεπτά κάθε φορά. Τέτοιες μεμβράνες είναι «πραγματικά καλοί ταλαντωτές», λέει ο Gröblacher. «Για να γίνει πιο κατανοητό, θα ήταν σαν να σπρώχνεις κάποιον σε μια κούνια και αυτός να πηγαίνει μπρος – πίσω, με μία μόνο ώθηση, για 10 χρόνια.» Παρά τις λιλιπούτειες διαστάσεις της, η μεμβράνη είναι εξαιρετικά ανθεκτική. «Πραγματικά ασκούμε πολύ μεγάλη πίεση σε αυτή – έξι gigapascals» λέει ο Richard Norte, ένας από τους συνεργάτες του Gröblacher. «Είναι περίπου 10.000 φορές η πίεση που θα έχεις στο λάστιχο ποδηλάτου, σε κάτι που είναι μόνο περίπου οκτώ φορές παχύτερο από το πλάτος του DNA.»

Αυτές οι στιβαρές ιδιότητες καθιστούν την μεμβράνη ιδανικό μέρος για να μελετήσουμε τα κβαντικά φαινόμενα – ταλαντώνεται αξιόπιστα σε θερμοκρασία δωματίου χωρίς να καταρρεύσει. Ο Gröblacher και ο Norte σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν τελικά ένα λέιζερ για να ωθήσουν τη μεμβράνη σε υπέρθεση – μια κβαντική κατάσταση όπου η μεμβράνη θα μπορούσε ταυτόχρονα να ταλαντώνεται σε δύο διαφορετικά πλάτη. Η ικανότητα της μεμβράνης να δονείται για αρκετά λεπτά μέχρι το τέλος τέλος, θα πρέπει καταρχήν να επιτρέπει σε τέτοιες κβαντικές καταστάσεις να παραμένουν αρκετά μεγάλες, για να δούμε τι συμβαίνει όταν – ή αν – η μεμβράνη καταρρέει σε μία κλασική κατάσταση.

«Ακριβώς αυτό είναι που χρειάζεστε για να δημιουργήσετε ένα είδος κβαντικότητας», λέει ο Gröblacher. «Δε θέλετε να έχετε αλληλεπιδράσει με το περιβάλλον του, επειδή αυτό προκαλεί την αποσυνοχή – υποθετικά. Έτσι θέλετε ένα πραγματικά μονωμένο σύστημα, να το πάρετε σε μια κβαντική κατάσταση, κατόπιν να ενεργοποιήσετε τη δική σας αποσυνοχή, με κάτι που ελέγχετε – ένα λέιζερ. Δεν είμαστε ακόμα στο σημείο όπου μπορούμε πραγματικά να δημιουργήσουμε μια υπέρθεση των ταλαντώσεων του συστήματος. Αλλά σε λίγα χρόνια αυτό είναι που επιδιώκουμε. »

Ο Gröblacher και οι συνάδελφοί του δεν σκοπεύουν να σταματήσουν εκεί. Οι ερευνητές ελπίζουν τελικά να τοποθετήσουν ένα ζωντανό πλάσμα πάνω στη μεμβράνη και στη συνέχεια να βάλουν τη μεμβράνη και τους επιβάτες σε αυτήν σε μια κβαντική υπέρθεση. Οι κορυφαίοι υποψήφιοι για την αποστολή αυτή στον κβαντικό χώρο είναι μικροοργανισμοί με οκτώ πόδια, που ονομάζονται «βραδυπόδαροι» (tardigrades), επίσης γνωστοί ως αρκούδες του νερού. «Είναι εκπληκτικά πλάσματα,» λέει ο Gröblacher. «Μπορείτε να τα ψύξετε – είναι ακόμα ζωντανά. Μπορείτε να τα θερμαίνετε – είναι ακόμα ζωντανά. Βάλτε τα σε ένα κενό – είναι ακόμα ζωντανά. Παραδέχεται ότι αυτό το βήμα είναι λίγο μακριά. «Δεν είναι τρελό. Είναι ωραίο ως μακροπρόθεσμος στόχος, αλλά πρώτα πρέπει να βάλουμε τις συσκευές μας σε υπέρθεση, τότε μπορούμε να σκεφτούμε την τοποθέτηση ενός ζωντανού οργανισμού».

ΣΥΝΕΧΗΣ ΑΥΘΟΡΜΗΤΟΣ ΕΝΤΟΠΙΣΜΟΣ

Με ή χωρίς βραδυπόδαρους, ένα τέτοιο πείραμα θα επέτρεπε στους φυσικούς να ελέγξουν εάν η φύση κάπως λογοκρίνει τα κβαντικά αποτελέσματα πάνω από μια συγκεκριμένη κλίμακα μεγέθους. Μερικοί φυσικοί έχουν προτείνει ότι η κατάρρευση μπορεί να είναι ένα πραγματικό φυσικό φαινόμενο, με μετρήσιμα αποτελέσματα. Μια ιδέα – γνωστή ως συνεχής αυθόρμητος εντοπισμός ή CSL – είναι ότι η κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης είναι απλώς ένα τυχαίο συμβάν, που συμβαίνει συνεχώς στον μικροσκοπικό κόσμο. Σύμφωνα με το CSL, η πιθανότητα να καταρρεύσει οποιοδήποτε σωματίδιο είναι εξαιρετικά σπάνιο – μπορεί να συμβεί μία φορά σε εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια – αλλά για μεγάλα συσσωματώματα σωματιδίων, η κατάρρευση γίνεται βεβαιότητα.

«Ένα μόνο πρωτόνιο πρέπει να περιμένει περίπου 1016 δευτερόλεπτα για να δει μια κατάρρευση, έτσι συμβαίνει μόνο λίγες φορές μεσα στην ηλικία του σύμπαντος», λέει ο Bassi. Αλλά ο τεράστιος αριθμός σωματιδίων σε οποιοδήποτε μακροσκοπικό αντικείμενο καθιστά την κατάρρευση αναπόφευκτη. «Εάν πάρετε ένα τραπέζι, που περιέχει περίπου τον αριθμό των σωματιδίων του Avogadro-1024-η κατάρρευση συμβαίνει σχεδόν αμέσως.» Αν το CSL είναι πραγματικό, η μέτρηση και η παρατήρηση δεν έχουν κανένα ρόλο στην κατάρρευση. Σε κάθε μέτρηση, ένα συγκεκριμένο σωματίδιο και οι συσκευές που το καταγράφουν αποτελούν μέρος μιας τεράστιας κβαντικής συστοιχίας που καταρρέει πολύ γρήγορα. Παρόλο που φαίνεται ότι το σωματίδιο προχώρησε από μια υπέρθεση σε μια πραγματική θέση κατά τη διάρκεια μίας μέτρησης, ο μετασχηματισμός αυτός συνέβη μόλις το σωματίδιο αλληλεπιδρά με τις συσκευές, πριν από τη μέτρηση.

Τα καθρέφτες στο LIGO δεν έδειξαν ότι έχουν κουνηθεί από κβαντικές αναταράξεις που προβλέπονται από τη θεωρία CSL. Εικόνα: LIGO Laboratory, Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνιας και Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης (ΜΙΤ)

Εάν η κατάρρευση αποδειχθεί ότι είναι ένα πραγματικό φυσικό φαινόμενο, οι πρακτικές συνέπειες θα μπορούσαν να είναι σημαντικές. Πρώτα πρώτα, θα μπορούσε να περιορίσει την εκκολαπτόμενη τεχνολογία των κβαντικών υπολογιστών. «Στην ιδανική περίπτωση, θα θέλατε να κάνετε όλο και μεγαλύτερους κβαντικούς υπολογιστές», λέει ο Bassi. «Αλλά δεν θα μπορούσατε να εκτελέσετε κβαντικούς αλγόριθμους, γιατί η κατάρρευση θα σκότωνε τα πάντα». Για δεκαετίες, οι περισσότεροι φυσικοί έχουν θεωρήσει την κατάρρευση ως μια ουσιαστικά αβέβαιη πτυχή της κβαντικής θεωρίας. Αλλά το CSL και άλλα μοντέλα κατάρρευσης άλλαξαν αυτή την άποψη. Το μοντέλο CSL, για παράδειγμα, προβλέπει ότι η δράση της κατάρρευσης προσδίδει μια μικρή ώθηση στα σωματίδια, δημιουργώντας μια πανταχού παρούσα δόνηση φόντου που μπορεί να ανιχνεύεται σε πειράματα. «Η κατάρρευση [στο CSL] είναι κάτι το καθολικό για τα μίκρο και μάκρο-συστήματα», λέει ο Bassi. «Κάθε φορά που υπάρχει μια κατάρρευση, μετακινείτε λίγο το σωματίδιο». Αυτός και άλλοι φυσικοί έχουν αναζητήσει τέτοια στοιχεία σε εκπληκτικά μέρη. Έχουν χτενίσει μέσω βαθμονόμησης δεδομένα για το Παρατηρητήριο Βαρυτικών Κυμάτων με Συμβολόμετρο Laser (LIGO), όργανο ικανό να καταγράφει κινήσεις 10.000 φορές μικρότερες από το πλάτος ενός πρωτονίου.

Τον Φεβρουάριο του 2016 το LIGO ανέφερε για πρώτη φορά την ανίχνευση ενός βαρυτικού κύματος. Το κύμα – μια κύμανση στο διάστημα που προκλήθηκε από δύο μακρινές μαύρες τρύπες που συγκρούονται – τέντωσε και συμπίεσε το διάστημα ανάμεσα σε δύο καθρέφτες στις δίδυμες τοποθεσίες του πειράματος στην πολιτεία Ουάσιγκτον και Λουιζιάνα. Αυτό το τρέχον κύμα άλλαξε τις θέσεις των κατόπτρων του LIGO κατά μόλις τέσσερις χιλιοστά της διαμέτρου ενός πρωτονίου, σε απόλυτη συμφωνία με τις προβλέψεις της γενικής θεωρίας της σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αλλά ο Bassi και οι συνεργάτες του δεν βρήκαν στοιχεία στα δεδομένα του LIGO για οποιαδήποτε πρόσθετη κίνηση που προκλήθηκε από το είδος των κβαντικών ωθήσεων που προέβλεπε το CSL. Το αποτέλεσμα δεν τους εξέπληξε. Εάν η κβαντική κατάρρευση είναι ένα πραγματικό φυσικό φαινόμενο, είναι εξαιρετικά αδύναμη. Η ερώτηση ήταν: Πόσο αδύναμη; Τώρα έχουν θέσει εξαιρετικά ακριβή όρια για το αποτέλεσμα. «Αν εφαρμόσετε το μοντέλο στον καθρέφτη του LIGO, ο καθρέφτης πρέπει να κινηθεί περισσότερο από το αναμενόμενο, αλλά ο καθρέφτης δεν κινείται πολύ. Ως εκ τούτου, ο θόρυβος κατάρρευσης δεν μπορεί να είναι πολύ ισχυρός», λέει ο Bassi.

Οι φυσικοί έχουν επίσης κυνηγήσει για σημάδια κατάρρευσης σε πειράματα που έχουν σχεδιαστεί για να αναζητήσουν σκοτεινή ύλη – υποθετικά σωματίδια που πιστεύεται ότι αντιπροσωπεύουν μέχρι και το 85 τοις εκατό της ύλης στο σύμπαν. Ένα τέτοιο πείραμα, που έλαβε χώρα στα ισπανικά Πυρηναία, χρησιμοποιεί ανιχνευτές γερμάνιου για να αναζητήσει σημάδια σωματιδίων σκοτεινής ύλης, που περνούν μέσα και δημιουργούν φλας ακτίνων Χ. Μία συνάρτηση κύματος που καταρρέει θα πρέπει επίσης να δημιουργήσει ένα φλας, αλλά οι πειραματιστές δεν έχουν δει τέτοιες εκπομπές.

Αυτοί οι τύποι πειραμάτων έχουν μαζέψει σημαντικά τους περιορισμούς στα μοντέλα κατάρρευσης αλλά όχι καθοριστικά. Τον περασμένο Σεπτέμβριο, ο Andrea Vinante, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Southampton στην Αγγλία, μαζί με τον Bassi και τρεις συναδέλφους, ανέφεραν την ανακάλυψη ενδεικτικών στοιχείων για την υποστήριξη του μοντέλου CSL. Η ομάδα του Vinante δημιούργησε ένα μικροσκοπικό πρόβολο (μια οριζόντια δοκό στο ένα άκρο), μήκους μισού χιλιοστού και πάχους δύο μικρών και το διέγειραν με ένα μικρό μαγνήτη. Οι ερευνητές προστάτευσαν προσεκτικά τη ρύθμιση από οποιεσδήποτε εξωτερικές δονήσεις και έψυξαν τον πρόβολο σε 40 χιλιοστά του kelvin πάνω από το απόλυτο μηδέν για να εξαλείψουν κάθε πιθανότητα θερμικά επαγόμενων κινήσεων.

Κάτω από αυτές τις συνθήκες, ο πρόβολος θα πρέπει να είχε δονηθεί πάρα πολύ ελαφρά λόγω της θερμικής κίνησης των σωματιδίων του. Αλλά η πραγματική ταλάντωση ήταν μεγαλύτερη από αυτή την προβλέψιμη κίνηση. Ο ανιχνευτής κίνησης του πειράματος – ένα εξαιρετικά ευαίσθητο όργανο που ονομάζεται συσκευή υπεραγωγού κβαντικής παρεμβολής ή SQUID – διαπίστωσε ότι ο πρόβολος και ο μαγνήτης του δονούνται σαν σανίδα καταδύσεων, κάμπτοντας πάνω και κάτω κατά μερικά τρισεκατομμύρια του μέτρου. Πριν από ένδεκα χρόνια ο Adler υπολόγισε ότι οι λειτουργίες κύματος που καταρρέουν ενδέχεται να προκαλούν κραδασμούς περίπου αυτού του μεγέθους.

«Θα μπορούσαμε να δούμε κάποιον ανεξήγητο θόρυβο», λέει ο Vinante, περιγράφοντας τα πειραματικά του αποτελέσματα. «Είναι κάτι που είναι σύμφωνο με αυτό που περιμένουμε από τα μοντέλα κατάρρευσης, αλλά θα μπορούσε να είναι και από ένα φαινόμενο που δεν κατανοήσαμε πλήρως». Ο ίδιος και οι συνεργάτες του εργάζονται σε αναβαθμίσεις για να βελτιώσουν την ευαισθησία του πειράματος τουλάχιστον κατά έναν παράγοντα 10 και ίσως κατά έναν παράγοντα 100. «Θα πρέπει να είμαστε σε θέση είτε να επιβεβαιώσουμε ότι υπάρχει κάτι ανώμαλο είτε να αποκλείσουμε ότι αυτό που παρατηρήσαμε ήταν κάτι ενδιαφέρον». Ο Vinante λέει ότι μπορεί να χρειαστεί άλλο ένα ή δύο χρόνια για να έχουν στη διάθεσή τους νέα δεδομένα. Λαμβάνοντας υπόψη του ενός αιώνα ιστορικό της κυριαρχίας της κβαντικής θεωρίας, η πιθανότητα να ανακαλυφθεί μια απόκλιση είναι πολύ ασθενής.

Αλλά τι θα συμβεί αν ένα από αυτά τα πειράματα ξεπεράσει και επιβεβαιώσει το φαινόμενο της κβαντικής κατάρρευσης; Αυτό θα σήμαινε ένα τέλος στα μυστήρια και τα παράδοξα της θεωρίας; «Αν η κατάρρευση υπήρξε πραγματικά, θα διαιρέσει τον κόσμο σε διαφορετικές κλίμακες», λέει ο Igor Pikovski, ένας θεωρητικός φυσικός στο Κέντρο Αστροφυσικής του Harvard-Smithsonian. «Πάνω από μια συγκεκριμένη κλίμακα η κβαντική μηχανική θα πάψει να είναι η σωστή θεωρία. Αλλά κάτω από αυτή την κλίμακα όλα όσα γνωρίζουμε για την κβαντομηχανική θα κρατούσαν ακόμα. Επομένως, τα ίδια φιλοσοφικά ερωτήματα και ερμηνείες που μας κάνουν  και υποφέρουμε θα εξακολουθούσαν να ισχύουν για τη χαμηλότερη κλίμακα. Θα έχετε ακόμα πολλούς κόσμους για τα ηλεκτρόνια ή τα άτομα – αλλά όχι για το φεγγάρι! Επομένως, δεν λύνει κάποια από τα προβλήματα – νομίζω ότι τα κάνει πιο περίεργα «.

Τα μοντέλα όπως το CSL είναι μόνο προκαταρκτικές προσπάθειες για την ενοποίηση αυτών των δύο σφαιρών. Παρόλο που δεν είναι ακόμη ολοκληρωμένες θεωρίες, μπορεί τελικά να βοηθήσουν τους φυσικούς να αναπτύξουν ένα πιο ολοκληρωμένο μοντέλο πραγματικότητας από ό, τι σήμερα παρέχει η κβαντική μηχανική. «Η δική μου πεποίθηση είναι ότι χρειάζεστε κάποια τροποποίηση της κβαντικής μηχανικής», λέει ο Adler. «Δεν βλέπω γιατί αυτό είναι πρόβλημα. Η Νευτώνεια μηχανική πιστεύαμε ότι ήταν ακριβής για 200 χρόνια, και δεν είναι. Οι περισσότερες θεωρίες έχουν έναν τομέα στον οποίο εργάζονται, και έπειτα υπάρχει ένας τομέας πέρα ​​από τον οποίο δεν λειτουργούν και όπου χρειάζεται μια ευρύτερη θεωρία. »

Αλλά προς το παρόν, τουλάχιστον, η κβαντομηχανική φαίνεται να αντέχει σε κάθε δοκιμή. «Όχι, δεν αντιμετωπίζουμε κρίση. Αυτό είναι το πρόβλημα!» Λέει ο Weinberg. «Στο παρελθόν, σημειώσαμε πρόοδο όταν οι υπάρχουσες θεωρίες αντιμετώπισαν δυσκολίες. Δεν υπάρχει τίποτα τέτοιο με την κβαντική μηχανική. Δεν έρχεται σε αντίθεση με την παρατήρηση καθόλου. Είναι ένα πρόβλημα να μην είμαστε σε θέση να ικανοποιήσουμε τις αντιδραστικές φιλοσοφικές προκαταλήψεις ανθρώπων σαν κι εμένα ».

Ωστόσο, προς χάριν της εξωτικότητας της κβαντικής μηχανικής, οι περισσότεροι επιστήμονες είναι ευτυχείς να την αφήσουν να υπάρχει. Συνεχίζουν να χρησιμοποιούν τη θεωρία για να λειτουργούν τους ανιχνευτές ατόμων και τους ανιχνευτές σκοτεινής ύλης και σπάνια σταματούν να αναλογιστούν τι λέει η κβαντική μηχανική -ή δεν λέει- για τη θεμελιώδη φύση της πραγματικότητας. «Νομίζω ότι οι περισσότεροι φυσικοί έχουν αυτό που μου φαίνεται πολύ υγιεινό,» λέει ο Weinberg, «να συνεχίζουν να τη χρησιμοποιούν, να προσπαθούν να προωθούν τα σύνορα των γνώσεών μας και να αφήνουν τα φιλοσοφικά ερωτήματα για μια μελλοντική γενιά». Κάποιοι, όμως, δεν είναι πρόθυμοι να περιμένουν τόσο πολύ. «Μερικοί άνθρωποι θα σας πουν ότι η κβαντική μηχανική μάς έχει διδάξει ότι ο κόσμος είναι περίεργος, οπότε πρέπει να το δεχτούμε;» λέει ο Bassi. «Θα έλεγα όχι. Αν κάτι είναι περίεργο, τότε πρέπει να το κατανοήσουμε καλύτερα.»

 

Γιάννης Γαϊσίδης

gaisidis@viewonphysics.gr

img_1494

(35 επισκέψεις, 1 επισκέψεις σήμερα)
Μοιράσου το...
  •  
  •  
  • 9
  •  
  •  
  •  
  •  
Updated: 2 Ιουλίου 2018 — 21:33

Αφήστε μια απάντηση

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

Τοπίο στη Φυσική © 2014 Frontier Theme