Κβαντική Φυσική: Τα 5 πράγματα που γνωρίζουμε

Δοκιμάζοντας τα όρια της αντίληψης μας, η Κβαντική Φυσική είναι μία θεωρία η στοιχειοθέτηση της οποίας βασίζεται –μεταξύ άλλων– σε «πακέτα» ενέργειας, κύματα και δισυπόστατα σωματίδια, καθώς και μία ζωντανή-νεκρή γάτα.

«Όσοι δεν σοκάρονται όταν έρχονται για πρώτη φορά σε επαφή με την κβαντική θεωρία δεν την έχουν καταλάβει»: Η δήλωση αυτή αποδίδεται στον Νιλς Μπορ, δημιουργό της πρώτης κβαντικής θεωρίας του ατόμου και εκ των θεμελιωτών της Κβαντικής Φυσικής.

Εάν λοιπόν, ένας από τους μεγαλύτερους ερευνητές της θεωρητικής Φυσικής όλων των εποχών θεωρεί ότι η Κβαντική Φυσική δεν είναι «παίξε-γέλασε», ποιοι είμαστε εμείς να διαφωνήσουμε; Ειδικότερα, όταν κάποια από τα σημεία κλειδιά κατανόησής της περιλαμβάνουν διακριτά πακέτα ενέργειας, κύματα και δισυπόστατα σωματίδια, μία ζωντανή-νεκρή γάτα και πολλαπλά σύμπαντα;

1. Ο κβαντικός κόσμος έχει πολλά κοινά με τα παπούτσια

Ο βρετανός ερευνητής Κόλιν Στούαρτ παρομοιάζει τον κβαντικό κόσμο με την αγορά παπουτσιών: Δεν μπορείτε απλώς να πάτε σε ένα κατάστημα και να επιλέξετε παπούτσια που ταιριάζουν ακριβώς στα πόδια σας. Μπορείτε ωστόσο, να επιλέξετε ανάμεσα σε ζεύγη που πωλούνται σε προκαθορισμένα μεγέθη.

Το ίδιο ισχύει και στην Κβαντική Φυσική. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, άλλωστε, κέρδισε το βραβείο Νόμπελ όταν απέδειξε ότι η ενέργεια είναι «κβαντισμένη». Ακριβώς όπως μπορείτε να αγοράσετε παπούτσια μόνο σε πολλαπλάσια ενός μεγέθους, έτσι και η ενέργεια εκπέμπεται και απορροφάται σε διακριτά πακέτα που ονομάζονται «κβάντα» — εξ ου και η ονομασία Κβαντική Φυσική.

2. Στην Κβαντική Φυσική τα σωματίδια μπορεί να είναι και κύματα

Ο σερ Τζόζεφ Τζον Τόμσον το 1906 τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσικής για την ανακάλυψή του ότι τα ηλεκτρόνια είναι σωματίδια. Από την άλλη, το 1937 ο γιος του, Τζορτζ κέρδισε το ίδιο βραβείο αποδεικνύοντας ότι τα ηλεκτρόνια είναι κύματα. Ποιος είχε δίκιο; Η απάντηση είναι: Και οι δύο! Η ερμηνεία βρίσκεται πίσω από μία θεμελιώδη έννοια της Κβαντικής Φυσικής, τον «κυματοσωματιδιακό δυϊσμό».

Αυτή η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου ισχύει παραδείγματος χάρη για το φως: Ανάλογα με την περίσταση το προσεγγίζουμε είτε ως ηλεκτρομαγνητικό κύμα, είτε ως δέσμη σωματιδίων που ονομάζονται φωτόνια.

3. Στον κόσμο των κβάντα μία γάτα μπορεί να είναι και ζωντανή και νεκρή ταυτόχρονα

Όχι, δεν πρόκειται για μία γάτα-ζόμπι, ωστόσο, η δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου την οποία προαναφέραμε αποτελεί χαρακτηριστικό παράδειγμα ενός ακόμη θεμελιώδους φαινομένου της Κβαντικής Φυσικής: Της Κβαντικής Υπέρθεσης. Με (πολύ) απλά λόγια, αυτό σημαίνει ότι στον κβαντικό κόσμο ένα αντικείμενο μπορεί να υπάρχει σε πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα.

Παραδείγματος χάρη, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να βρίσκεται την ίδια στιγμή και «εδώ» και «εκεί», ενώ θα αποκτήσει μια συγκεκριμένη θέση μόνο όταν ανιχνεύσουμε την παρουσία του. Στο πλαίσιο αυτό, η Κβαντική Φυσική φαίνεται να ασχολείται με τις πιθανότητες: Είναι ενδεικτικό άλλωστε ότι ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, δεν σταμάτησε ποτέ να αμφισβητεί τις βάσεις της με ρήσεις όπως «ο θεός δεν παίζει ζάρια με το σύμπαν».

Από την άλλη, ο Έρβιν Σρέντιγκερ, ένας από τους πλέον σημαντικούς και διακεκριμένους επιστήμονες του 20ου αιώνα, θέλησε να αναδείξει τη διαφορά της θεωρητικής και της Κβαντικής Φυσικής, τη διαφορά στη μελέτη του μακρόκοσμου και του μικρόκοσμου με ένα νοητικό πείραμα που ονομάστηκε «η γάτα του Σρέντιγκερ».

Βάσει του πειράματος, μέσα σε ένα κουτί βρίσκεται μια γάτα και ένας μηχανισμός που ενδέχεται να τη σκοτώσει. Μέχρι να ανοίξουμε το κουτί, θεωρούμε ότι η γάτα είναι ζωντανή-νεκρή. Βεβαίως, η γάτα δεν μπορεί να είναι ζόμπι, απλώς εμείς δεν γνωρίζουμε τι από τα δύο συμβαίνει, μόνο και μόνο επειδή το κουτί είναι κλειστό. Έτσι, και στον μικρόκοσμο, τα άτομα και τα σωματίδια διέπονται από τους κανόνες της κβαντικής μηχανικής, κατά τους οποίους πολλές διαφορετικές πιθανές καταστάσεις μπορούν να συνυπάρχουν ταυτόχρονα, μέχρι να πραγματοποιήσουμε την παρατήρησή μας.

4. Οι κβαντικοί κόσμοι είναι πολλοί (;)

Η ιδέα ότι μόλις επιλέξουμε να πραγματοποιήσουμε την παρατήρησή μας, πάει, τέλειωσε, τα μάθαμε όλα, δεν είναι η μοναδική ερμηνεία του κβαντικού σύμπαντος. Υπάρχουν και οι υποστηρικτές των «πολλών κόσμων», σύμφωνα με τους οποίους δεν τίθεται θέμα επιλογής. Αντίθετα, τη στιγμή της παρατήρησης, η πραγματικότητα διασπάται σε δύο αντίγραφα του εαυτού της: Ένα στο οποίο βιώνουμε το αποτέλεσμα Α και ένα άλλο όπου παρατηρούμε να ξεδιπλώνεται το αποτέλεσμα Β.

Ενώ λοιπόν η πρώτη ερμηνεία προβάλλει την άποψη ότι τίποτα δεν είναι πραγματικό μέχρι να παρατηρηθεί, η θεωρία των «πολλών κόσμων» υποστηρίζει ότι όλα τα κβαντικά ενδεχόμενα είναι πραγματικά και λαμβάνουν χώρα σε ισάριθμους κόσμους. Δεν υπάρχει επομένως ένα μέλλον, αλλά πολλά μέλλοντα, όσα και τα δυνατά ενδεχόμενα μίας απόφασης. Το τελικό αποτέλεσμα όλων των διακλαδούμενων επιλογών είναι πληθώρα κόσμων που δεν επικοινωνούν μεταξύ τους.

5. Μία «μυστηριώδης δράση από απόσταση» στον κόσμο των κβάντα

Το φαινόμενο της «μυστηριώδους δράσης από απόσταση» προτάθηκε από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν και τους συνεργάτες του, στην προσπάθειά του να καταδείξει πως η Κβαντική Φυσική δεν αποτελεί μία πλήρη περιγραφή της πραγματικότητας. Σύμφωνα με αυτό το φαινόμενο, όταν δύο υποατομικά σωματίδια ή κάποιες ομάδες σωματιδίων δημιουργούνται ταυτόχρονα και αλληλεπιδρούν στενά, τότε μεταξύ τους δημιουργείται μια παράδοξα μόνιμη σχέση, η οποία μετέπειτα ονομάστηκε «κβαντική διεμπλοκή».

Η μελέτη του φαινομένου οδήγησε τους επιστήμονες σε δύο συμπεράσματα: Αφενός, ότι υπό ορισμένες συνθήκες, οι πληροφορίες μπορούν να ταξιδεύουν μεταξύ τους με άπειρη ταχύτητα, μεγαλύτερη και από του φωτός, κάτι που ο Αϊνστάιν θεωρούσε αδύνατο.

Αφετέρου, ότι στην πραγματικότητα, δεν είχαν να κάνουν πλέον με δύο ανεξάρτητα και απομακρυσμένα μεταξύ τους σωματίδια, αλλά με ένα και μοναδικό, εφόσον, μετρώντας παραδείγματος χάρη κάποια ιδιότητα του ενός, μεταβαλλόταν ανάλογα η αντίστοιχη ιδιότητα και του δεύτερου.

Εάν, δεν σοκαριστήκατε ήδη (όπως είχε προβλέψει ο Νιλς Μπορ), θα πρέπει να αναφέρουμε ότι η προέκταση της «κβαντικής διεμπλοκής» –με την προϋπόθεση πως ο κόσμος δημιουργήθηκε από το Big Bang– είναι πως τα πάντα είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους και ο χώρος είναι απλά ένα κατασκεύασμα ή μία ανθρώπινη ψευδαίσθηση.

Εμείς σοκαριστήκαμε, εσείς;