Καλώς ήλθατε

Συνδεθείτε ή εγγραφείτε ως Μέλη, προκειμένου να σχολιάσετε αναρτημένα άρθρα, slides κλπ ή/και να διατυπώσετε τις δικές σας απόψεις για οποιοδήποτε θέμα τεχνικού ενδιαφέροντος.

Πέμπτη, 19 Οκτωβρίου 2017

Η θεωρητική επέκταση της κβαντικής θεωρίας στην κλίμακα της καθημερινής ζωής οδηγεί σε παράδοξες καταστάσεις όπως το περίφημο πείραμα με την γάτα, το οποίο διατύπωσε ο μεγάλος Αυστριακός Φυσικός Σρέντινγκερ το 1935

Το παράδοξο της "γάτας του Σρέντινγκερ" Η Γενική Σχετικότητα του Αϊνστάιν, η θεωρία που περιγράφει το χώρο και το χρόνο, έκλεισε ήδη τα 100 χρόνια της. Το 1915, ο Αϊνστάιν εξήγησε ότι η βαρύτητα είναι μια εκδήλωση της καμπυλότητας του χωροχρόνου: τα αντικείμενα μεγάλης μάζας δημιουργούν βαθουλώματα στο χώρο και το χρόνο, σαν μια μπάλα του μπόουλινγκ πάνω σε ένα τεντωμένο σεντόνι, και αυτό που ονομάζεται βαρύτητα είναι η τάση των αντικειμένων να πέφτουν μέσα σε αυτές τις χωροχρονικές λακκούβες. Επιπλέον, η θεωρία προβλέπει ότι η βαρύτητα επηρεάζει το ρυθμό με τον οποίο τρέχει ο χρόνος, ένα φαινόμενο που ονομάζεται διαστολή του χρόνου. Η επίδραση είναι μικρή, όχι όμως αμελητέα: οι άνθρωποι που βρίσκονται στο ισόγειο ενός κτηρίου γερνούν πιο αργά από ότι οι ένοικοι του πρώτου ορόφου κατά περίπου 10 νανοδευτερόλεπτα κάθε χρόνο. Η κβαντική θεωρία, μια άλλη μεγάλη ανακάλυψη του 20ου αιώνα, προβλέπει ότι τα σωματίδια από τα οποία αποτελούνται τα πάντα γύρω μας συμπεριφέρονται με τρόπο που αψηφά τη λογική. Για παράδειγμα, ένα σωματίδιο μπορεί να βρίσκεται σε πολλές θέσεις ταυτόχρονα, ένα φαινόμενο που ονομάζεται υπέρθεση. Ο Αυστριακός φυσικός Ερβιν Σρέντινγκερ έχει συνδεθεί άρρηκτα με τη παρουσίαση και την ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής. Η περίφημη κυματική του εξίσωση, την οποία παρουσίασε το 1927, αποτελεί τον κεντρικό πυρήνα της συγκεκριμένης θεωρίας και εξασφάλισε στον Σρέντιγκερ μια περίοπτη θέση στην ιστορία της φυσικής. Στην καταπληκτική ευρύτητα του πνεύματος του οφείλεται η μεγάλη του δημιουργικότητα. Ασχολήθηκε, εκτός από την κβαντική μηχανική, με την ηλεκτροδυναμική, τη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων και των κοσμικών ακτινοβολιών, τη στατιστική μηχανική και τη θερμοδυναμική, τη γενική θεωρία της σχετικότητας και την κοσμολογία και τέλος διεξήγαγε πρωτοπόρο διεπιστημονική έρευνα στη βιολογία. Erwin SchrödingerΣύμφωνα με τις αρχές της κβαντομηχανικής, τα θεμελιώδη σωματίδια της ύλης, όπως τα ηλεκτρόνια, δεν είναι αυστηρά καθορισμένα αντικείμενα αλλά νέφη πιθανοτήτων. Η ιδιοστροφορμή (spin) ενός ηλεκτρονίου είναι σαν ένα νόμισμα το οποίο μπορεί να είναι μισό κορόνα – μισό γράμματα ώσπου να πέσει στο τραπέζι. Η θεωρητική επέκταση της κβαντικής θεωρίας στην κλίμακα της καθημερινής ζωής οδηγεί σε παράδοξες καταστάσεις όπως το περίφημο πείραμα με την γάτα, το οποίο διατύπωσε ο Σρέντινγκερ το 1935, για να εξηγήσει θέματα της κβαντομηχανικής αλλά και να δείξει ότι η κβαντική θεωρία είναι ακόμη ελλιπής. Το νοητικό αυτό πείραμα συναντάται συνήθως σε θεωρητικές συζητήσεις για τις ερμηνείες της κβαντομηχανικής. Κατά την ανάπτυξή του ο Σρέντινγκερ επινόησε τον όρο κβαντική διεμπλοκή.1/5 Μια γάτα τοποθετείται σε έναν αδιαφανή θάλαμο χωρίς ανοίγματα. Μια διάταξη, η οποία βρίσκεται εκτός εμβέλειας της γάτας, περιλαμβάνει έναν μετρητή γκάιγκερ και μια ελάχιστη ποσότητα ραδιενεργής ουσίας, τόσο μικρής, που κατά τη διάρκεια μιας ώρας ένα από τα άτομα διασπάται αλλά ίσως και όχι, με τις ίδιες πιθανότητες για το κάθε ενδεχόμενο. Αν το άτομο διασπασθεί, ο μετρητής ενεργοποιείται και μέσω ενός διακόπτη (ρελέ) απελευθερώνει μια σφύρα που σπάει μια μικρή φιάλη με υδροκυάνιο. Αν κάποιος αφήσει αυτό το σύστημα μόνο του για μια ώρα, μπορεί να υποθέσει ότι η γάτα είναι ακόμα ζωντανή, εάν στο μεταξύ δεν έχει διασπαστεί κάποιο άτομο. Η κυματοσυνάρτηση του συστήματος θα μπορούσε να διατυπωθεί ως εξής:Δεν είναι γνωστό το πως θα συμπεριφερθεί το ραδιενεργό υλικό, αλλά κατά την κβαντική θεωρία μπορίε να υπάρχει ταυτόχρονα σε δυο επάλληλες και κβαντικές καταστάσεις, δηλαδή να έχει εμφανίσει ή να μην έχει παρουσιάσει διάσπαση. Αγνωστη λοιπόν η μοίρα της γάτας μέχρι να ανοίξει ο θάλαμος! Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία και τους κανόνες της, πρόκειται για την λεγόμενη "υπέρθεση δύο καταστάσεων". Ο κόσμος υπάρχει στον βαθμό που υπάρχουμε κι εμείς ως μάρτυρες μιας από τις πολλές του εκδοχές και τις άπειρες διακλαδώσεις του αρχικού συμβάντος. Στην κβαντική μηχανική, ο εσωτερικός μηχανισμός απελευθέρωσης του δηλητηρίου βρίσκεται σε υπέρθεση, δηλαδή ενεργοποιείται και ταυτόχρονα δεν δεν ενεργοποιείται. Και αυτό σημαίνει ότι η γάτα του Σρέντινγκερ είναι ταυτόχρονα και ζωντανή και νεκρή!2/5 Η θεώρηση της Κοπεγχάγης για τη κβαντομηχανική υπονοεί ότι μετά από λίγο, η γάτα είναι ταυτόχρονα ζωντανή και νεκρή. Όμως, όταν κάποιος κοιτάει στο κουτί, την βλέπει είτε ζωντανή είτε νεκρή, αλλά ποτέ και ζωντανή και νεκρή. Αυτό εγείρει το ερώτημα, πότε μια κβαντική υπέρθεση σταματάει και η πραγματικότητα "σταθεροποιείται" στην μια πιθανότητα ή την άλλη. Το περίφημο νοητικό πείραμα του Σρέντινγκερ θέτει το ερώτημα, "πότε ένα κβαντικό σύστημα σταματάει να υπάρχει σε μια κβαντική υπέρθεση καταστάσεων και γίνεται το ένα ή το άλλο;" (Ποιο τεχνικά: πότε μια πραγματικά κβαντική κατάσταση σταματά να είναι γραμμικός συνδυασμός καταστάσεων, που παριστούν διαφορετικές κλασικές καταστάσεις και αντ' αυτού αρχίζει να έχει μοναδική κλασική συμπεριφορά;) Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο οποίος εντυπωσιάστηκε από την ικανότητα του νοητικού πειράματος να τονίζει αυτά τα θέματα, σε γράμμα του προς τον Σρέντινγκερ το 1950, έγραψε: Είσαι ο µοναδικός σύγχρονος φυσικός, πέραν του Λάουε, ο οποίος µπορεί να δει ότι κάποιος δε µπορεί απλά να προσπεράσει την υπόθεση της πραγµατικότητας, αν θέλει είναι ειλικρινής. Οι περισσότεροι δεν βλέπουν το επικίνδυνο παιχνίδι που παίζουν µε την πραγµατικότητα, ως κάτι ανεξάρτητο από αυτό που είναι πειραµατικά καθιερωµένο. Η ερµηνεία τους, ωστόσο, αντικρούεται τόσο κοµψά από το δικό σου σύστηµα του ραδιενεργού ατόµου + ενισχυτή + δηλητήριο + γάτα στο κουτί, στο οποίο η κυµατοσυνάρτηση του συστήµατος περιέχει και την ζωντανή γάτα και την δηλητηριασµένη. Κανένας δε µπορεί να αµφιβάλει ότι η παρουσία ή απουσία της γάτας, είναι κάτι ανεξάρτητο της πράξης του παρατηρητή. Κβαντικές υπερθέσεις έχουν επιβεβαιωθεί πειραματικά μόνο με μικρά σωματίδια και όχι με μεγάλα αντικείμενα όπως οι γάτες. Γιατί αυτή η διαφορά; Σύμφωνα με νεώτερες απόψεις, τα κβαντικά φαινόμενα εξαφανίζονται στα μεγάλα αντικείμενα επειδή η διαστολή του χρόνου καταστέλλει την κβαντική συμπεριφορά των σωματιδίων από τα οποία αποτελούνται τα αντικείμενα αυτά.3/5 Οι μικροσκοπικοί δομικοί λίθοι μπορούν να βρίσκονται σε υπέρθεση, ωστόσο η τάση τους αυτή καταστέλλεται όσο ο χρόνος διαστέλλεται. Με άλλα λόγια, οι κβαντικές παραξενιές των σωματιδίων είναι λιγότερες στο ισόγειο από ότι στο ρετιρέ. Η σύγχρονη έρευνα εστιάζει στην αλληλεπίδραση της σχετικότητας και της κβαντομηχανικής, δύο θεωρίες που μέχρι σήμερα παραμένουν εντελώς ασύμβατες (η ενοποίησή τους αποτελεί σήμερα το Ιερό Δισκοπότηρο της Φυσικής). "Προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι η βαρύτητα μπορεί να παίξει ρόλο στην κβαντική μηχανική", επισημαίνει ο ερευνητής του Χάρβαρντ Ιγκόρ Πικόφσκι. "Η βαρύτητα μελετάται συνήθως σε αστρονομικές κλίμακες, φαίνεται όμως ότι επηρεάζει την κβαντική φύση των μικρότερων σωματιδίων στη Γη", λέει. Σύμφωνα με τον ίδιο και την ομάδα του, η θεωρητική τους προσέγγιση επί του θέματος θα είναι δυνατόν να επιβεβαιωθεί ή να διαψευστεί πειραματικά "στο προσεχές μέλλον". Αν αποδειχθεί αληθινή, ίσως φέρει ένα βήμα πιο κοντά δύο μεγάλες αλλά ασυμβίβαστες θεωρίες του 20ου αιώνα. Η Κβαντομηχανική δεν περιορίζεται όμως μόνο σε φιλοσοφικά αινίγματα. Σχεδόν όλες οι σύγχρονες συσκευές (ηλεκτρονικοί υπολογιστές, κινητά τηλέφωνα, κονσόλες βιντεοπαιχνιδιών, αυτοκίνητα, ψυγεία, φούρνοι κλπ) έχουν τσιπ μνήμης που βασίζονται στο τρανζίστορ, του οποίου η λειτουργία βασίζεται στην Κβαντομηχανική των Ημιαγωγών. Αμφιλεγόμενο θεώρημα λέει ότι η κβαντική κυματοσυνάρτηση είναι "πραγματική" Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της κβαντομηχανικής είναι ότι δεν μπορεί να προβλέψει την τελική κατάσταση στην οποία θα βρεθεί ένα κβαντικό σύστημα, αλλά μόνο την πιθανότητα να καταλήξει σε μια πιθανή κατάσταση ή σε άλλη. Και η ιδιαιτερότητα αυτή οδήγησε εξαρχής σε μια διαφωνία για το κατά πόσο οι κβαντικές καταστάσεις των σωματιδίων αποτελούν μέρος της πραγματικότητας, ή αν αντίθετα είναι απλώς μαθηματικές περιγραφές, τις οποίες αναγκαζόμαστε να χρησιμοποιήσουμε, επειδή απλά δεν ξέρουμε πώς το κβαντικό σύστημα επιλέγει να καταλήξει σε μια κατάσταση και όχι σε άλλη. Ο Σρέντιγκερ πίστευε αρχικά ότι οι κβαντικές καταστάσεις, είναι μέρος της πραγματικότητας. Με άλλα λόγια, η γάτα του Σρέντινγκερ μπορεί πραγματικά να είναι και ζωντανή και νεκρή. Με την άποψη αυτή διαφώνησε μεταξύ άλλων ο Άλμπερτ Άινσταϊν, ο οποίος πίστευε ότι η γάτα του Σρέντινγκερ είναι είτε ζωντανή είτε νεκρή, αλλά δεν μπορούμε να γνωρίζουμε την απάντηση επειδή απλά δεν κατανοούμε την πραγματικότητα σε όλο της το βάθος. Για τον Άινσταϊν, λοιπόν, οι κβαντικές καταστάσεις και η κυματοσυνάρτηση είναι απλώς στατιστικά εργαλεία. Η κυματοσυνάρτηση, το μαθηματικό εργαλείο που περιγράφει τις πιθανές κβαντικές καταστάσεις στις οποίες μπορεί να βρεθεί ένα σωματίδιο, δεν είναι ένα απλό στατιστικό εργαλείο, όπως πιστεύεται σήμερα ευρέως, αλλά υπάρχει ως αντικειμένική οντότητα, υποστηρίζουν τρεις Βρετανοί θεωρητικοί φυσικοί. Το παράξενο θεώρημά τους, που δημοσιεύθηκε στο Nature Physics, αποτελεί, σύμφωνα με την άποψη ορισμένων Φυσικών, "ένα από τα σπουδαιότερα στο χώρο της κβαντικής φυσικής εδώ και δεκαετίες". Πάντως άλλοι ειδικοί εκφράζουν πάντως επιφυλάξεις. 4/5 Στη νέα μελέτη, όμως, οι ερευνητές δείχνουν ότι, αν μια θεωρία μεταχειρίζεται την κυματοσυνάρτηση ως απλή πληροφορία, και όχι μέρος της πραγματικότητας, τότε η θεωρία αυτή αποτυγχάνει να αναπαράγει τις προβλέψεις της κβαντομηχανικής. Προσπαθώντας να εξηγήσει με πιο απλά λόγια αυτή την προσέγγιση, ο Τέρι Ρούντολφ του Imperial College στο Λονδίνο, μέρος της ερευνητικής ομάδας, δίνει το παράδειγμα ενός ζαριού που θα μπορούσε κάποιος να «πειράξει» ώστε να δίνει ως αποτέλεσμα μόνο τους αριθμούς 2, 4 ή 6. ‘Ενα άλλο ζάρι θα μπορούσε επίσης να είναι πειραγμένο ώστε να δίνει μόνο τους αριθμούς 2, 4 ή 5. Και τα δύο ζάρια, τα οποία αντιστοιχούν σε διαφορετικά κβαντικά μοντέλα, θα μπορούσαν να δώσουν ανεξάρτητα τον αριθμό 2, ο οποίος μπορεί να θεωρηθεί μια πραγματικότητα. Σε αυτή την περίπτωση, λοιπόν, δύο διαφορετικά μοντέλα δίνουν τα ίδια αποτελέσματα ακολουθώντας διαφορετικό δρόμο. Αυτό όμως δεν μπορεί να ισχύει στην κβαντομηχανική, αφού, σύμφωνα με το νέο θεώρημα, δεν είναι δυνατόν η ίδια πραγματικότητα να κρύβεται πίσω από διαφορετικές κβαντικές καταστάσεις. Άλλοι, όμως, διαγωνούν ριζικά με την παραδοχή των ερευνητών ότι τα κβαντικά συστήματα έχουν μια αντικειμενική υπόσταση. Ο Κρίστοφερ Φουκς, φυσικός του Perimeter Institute στον Καναδά, συντάσσεται με τον Άινσταϊν στην άποψη ότι η κυματοσυνάρτηση αντανακλά την άγνοιά μας για την πραγματικότητα. Σχολιάζοντας τη δημοσίευση, ο Φουκς λέει ότι το θεώρημα δεν αποκλείει την πιθανότητα η κυματοσυνάρτηση να ανακλά την άγνοια για τα αποτελέσματα μετρήσεων που έχουν ήδη γίνει, και όχι την ίδια τη φυσική πραγματικότητα. Μια άλλη, αν και λιγότερο πιθανή, εξήγηση, είναι ότι αν μια θεωρία μεταχειρίζεται την κυματοσυνάρτηση ως απλή πληροφορία και αποτυγχάνει να αναπαράγει τις προβλέψεις της κβαντομηχανικής, όπως λένε οι ερευνητές, αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ολόκληρη η κβαντομηχανική είναι λανθασμένη, και όχι στο γεγονός ότι η κυματοσυνάρτηση είναι αληθινή.5/5
Εισάγετε το όνομά σας. *
Εισάγετε το e-mail σας. *
Μήνυμα
Κάντε ένα σχόλιο για το άρθρο. Το μήνυμα σχολίου σας θα δημοσιοποιηθεί μετά από έγκριση από την αρμόδια Επιτροπή.
*

Σφάλμα

Εισάγετε το όνομά σας.

Σφάλμα

Εισάγετε το e-mail σας.

Σφάλμα

Εισάγετε μήνυμα σχολίου.

Σφάλμα

Προέκυψε ένα λάθος κατά την αποστολή του σχολίου σας, παρακαλώ δοκιμάστε ξανά αργότερα.

Μήνυμα

Το μήνυμα σχολίου απεστάλη επιτυχώς. Θα δημοσιευτεί το συντομότερο δυνατό μετά την έγκριση του από την αρμόδια Επιτροπή.