Η γάτα του Σρέντινγκερ & το κουβάρι της κβαντικής μηχανικής

Σχεδόν έναν αιώνα μετά τη διατύπωσή του, το νοητικό πείραμα του Έρβιν Σρέντινγκερ παραμένει επίκαιρο αναδεικνύοντας τα «κουλουβάχατα» ενός επιστημονικού πεδίου που στοιχειώνει ερευνητές και φιλοσόφους, ενώ παράλληλα έχει να επιδείξει σημαντικά επιτεύγματα όπως οι κβαντικοί υπολογιστές.

Ο Έρβιν Σρέντιγκερ ήταν ένας διακεκριμένος Αυστριακός φυσικός, στον οποίο το 1933 απονεμήθηκε το σχετικό Νόμπελ για τις εργασίες του πάνω στην ατομική θεωρία. Ασχολήθηκε με πολλά επιστημονικά πεδία, αλλά κυρίως με την κβαντική μηχανική, όπου η συμβολή του παραμένει ακόμα και σήμερα ιδιαίτερα σημαντική.

Αφενός, η «εξίσωση Σρέντινγκερ» έχει κεντρικό ρόλο στην κβαντομηχανική θεωρία, με σημασία ανάλογη του δεύτερου νόμου του Νεύτωνα στην κλασσική μηχανική. Αφετέρου, η «γάτα του Σρέντινγκερ», δηλαδή το νοητικό πείραμα που πρότεινε το 1935 για να εξηγήσει την προβληματική ερμηνεία της κβαντικής υπέρθεσης –σχεδόν έναν αιώνα μετά τη διατύπωσή του– συνεχίζει να αναδεικνύει τα «κουλουβάχατα» ενός επιστημονικού πεδίου που στοιχειώνει ερευνητές και φιλοσόφους.

Τα «κουλουβάχατα» της κβαντικής μηχανικής

Για τους περισσότερους από εμάς, η εικόνα για τον κόσμο που μας περιβάλλει άμεσα είναι ξεκάθαρη και βασίζεται σε βεβαιότητες: Η πόρτα του σπιτιού μας βρίσκεται –εκτός απροόπτου – στη γνωστή θέση της, ανεξάρτητα αν τη βλέπουμε τη στιγμή που το σκεφτόμαστε.

‘Η εάν, παραδείγματος χάρη, δουλεύουμε σκυφτοί μπροστά στην οθόνη του υπολογιστή μας, δεν θεωρούμε ότι η συνάδελφός μας –ή η καρέκλα της– βρίσκονται σε περισσότερα από ένα σημεία την ίδια στιγμή, μέχρι να τις κοιτάξουμε. Ούτε είναι πιθανό να πιστεύει κανείς ότι μια γάτα μέσα σε ένα κιβώτιο είναι ταυτόχρονα νεκρή και ζωντανή, μέχρι να ελέγξουμε το περιεχόμενό του.

Παραδείγματα όπως αυτά φαίνονται παράλογα στον φυσικό, απτό κόσμο –των ανθρώπων, των δημιουργημάτων τους και των γατών!– ωστόσο, τέτοιου είδους δυαδικότητες αποτελούν κανόνα στον αβέβαιο κόσμο της κβαντικής μηχανικής που «κατοικείται» από άτομα και υποατομικά σωματίδια όπως τα πρωτόνια, τα νετρόνια και τα κουάρκς. Σύμφωνα μάλιστα με την ερμηνεία της Κοπεγχάγης, την παλαιότερη θεωρία της κβαντικής μηχανικής, ένα στοιχειώδες σωματίδιο σε ένα φυσικό σύστημα μπορεί ταυτόχρονα να υπάρχει σε όλες τις πιθανές θέσεις και αποκτάει μια συγκεκριμένη θέση μόνο τη στιγμή που ανιχνεύουμε την παρουσία του.

Σήμερα, αντιλαμβανόμαστε ότι το εν λόγω φαινόμενο της κβαντικής υπέρθεσης ισχύει για μικροσκοπικά σωματίδια όπως τα ηλεκτρόνια, και όχι για μεγαλύτερα μακροσκοπικά αντικείμενα, όπως η πόρτα του σπιτιού μας, ένας συνάδελφος, μια καρέκλα ή μία γάτα. Ωστόσο, έναν αιώνα πριν, αυτό δεν ήταν και τόσο αυτονόητο.

Τι κάνει νιάου νιάου στον κόσμο των κβάντα;

Προκειμένου να αναδείξει τις αδυναμίες της ερμηνείας της Κοπεγχάγης, ο Σρέντιγκερ επινόησε το εξής νοητικό πείραμα: Μέσα σε ένα σφραγισμένο κουτί έχουμε μια γάτα, ένα φιαλίδιο με δηλητήριο, έναν μετρητή ραδιενέργειας, ένα ραδιενεργό υλικό και ένα σφυρί.

Η ποσότητα της ραδιενεργής ουσίας είναι τόσο μικρή που έχει 50 τοις εκατό πιθανότητα να εντοπιστεί μέσα σε μία ώρα. Εάν ο μετρητής εντοπίσει τη ραδιενέργεια, τότε το σφυρί, μέσω ενός μηχανισμού, θα σπάσει το δοχείο του δηλητηρίου και θα σκοτώσει τη γάτα. Εντούτοις, μέχρι να ανοίξουμε το κουτί δεν μπορούμε να προβλέψουμε αν η γάτα είναι ζωντανή ή νεκρή: Σύμφωνα με την ερμηνεία της Κοπεγχάγης για την κβαντική μηχανική, εάν τα άτομα του όλου συστήματος βρίσκονται σε υπέρθεση, τότε η γάτα θα «κληρονομήσει» την ίδια κατάσταση – κάτι σαν ζόμπι δηλαδή, τουλάχιστον μέχρι να ανοίξουμε το κουτί.

Ξετυλίγοντας το κουβάρι της κβαντικής υπέρθεσης

Μέσα από αυτό το νοητικό πείραμα ο Σρέντινγκερ θέλησε να αναδείξει το γεγονός ότι η θεμελιώδης αβεβαιότητα των πιθανοτήτων, με την οποία οι επιστήμονες προσέγγιζαν τον κβαντικό κόσμο, δεν θα μπορούσε να ισχύει στην μακροσκοπική πραγματικότητα. Με λίγα λόγια, το φαινόμενο της κβαντικής υπέρθεσης δεν θα μπορούσε να δουλέψει με μεγάλα αντικείμενα –όπως μια γάτα– διότι είναι αδύνατον για έναν οργανισμό να είναι νεκρός και ζωντανός ταυτόχρονα.

Σήμερα, οι περισσότεροι φυσικοί αποδέχονται ότι η αβεβαιότητα αυτή είναι πραγματική στον κβαντικό κόσμο των υποατομικών σωματιδίων. Εντούτοις, το πώς διαμορφώνεται ως αποτέλεσμα της παρατήρησης, παραμένει προς συζήτηση.

Στο πλαίσιο αυτό, αν και δεν μπορούμε να μαντέψουμε πόσος χρόνος θα χρειαστεί για να κατανοήσουμε και να ξετυλίξουμε πλήρως το κουβάρι της κβαντικής υπέρθεσης, οι εφαρμογές της κβαντικής θεωρίας μας έχουν ήδη χαρίσει απίστευτες τεχνολογικές εξελίξεις.

Χαρακτηριστικό παράδειγμα, οι κβαντικοί υπολογιστές. Ο κβαντικός υπολογισμός βασίζεται στην ιδέα ότι ένα bit (ή qubit), αντί να είναι μόνο ένα ή μηδέν, όπως ισχύει με τους παραδοσιακούς υπολογιστές, μπορεί να βρίσκεται σε υπέρθεση του ενός και του μηδενός. Έτσι αυξάνεται μαζικά η ικανότητα των κβαντικών υπολογιστών να εκτελούν πολλούς σύνθετους υπολογισμούς ταυτόχρονα, δίνοντας λύσεις σε άλυτα μέχρι σήμερα ζητήματα. Και ίσως μια μέρα, μας βοηθήσουν να ξετυλίξουμε για τα καλά και το κουβάρι της ίδιας της κβαντικής μηχανικής. Με ή χωρίς τη βοήθεια της γάτας του Σρέντινγκερ.