4/25/08

Η μεγάλη κβαντική απάτη


“Παραγματικότητα είναι το σύνολο των ανθρώπινων παρερμηνειών”


Στο γύρισμα του περασμένου αιώνα η φυσική είχε καταλήξει στο συμπέρασμα πως ό,τι ήταν να ειπωθεί είχε ήδη ειπωθεί (κάτι ανάλογο έχει διατυπωθεί και από την αρχαία ελληνική φιλοσοφία). Επρόκειτο πιθανότατα για πλάνη του ανθρώπου, ο οποίος θεώρησε ότι θα μπορούσε να τελειώσει τόσο εύκολα με το ίδιο του παράξενο μυαλό! Έστω με αυτό που ο ίδιος, ως έλλογο, αφελώς, ον θεωρούσε μέχρι τότε μία σίγουρη και αυτονότητη πραγματικότητα.

Οι νόμοι της φυσικής που ίσχυαν μέχρι τότε, ήταν οι λεγόμενοι κλασσικοί νόμοι, όπως ο νόμος του Νεύτωνα για τη βαρύτητα και οι εξισώσεις του Maxwell για τον ηλεκτρομαγνητισμό. Η νέα όμως επανάσταση θα προκύψει, παραδόξως, από την κλασσική θερμοδυναμική, και ειδικά από την ακτινοβολία του μέλανος σώματος. Μέλαν σώμα είναι απλά ένα αντικείμενο που απορροφά κι επανεκπέμπει ακτινοβολία, π.χ. ο ήλιος, ένας φούρνος, το ανθρώπινο σώμα, το ίδιο το σύμπαν). Οι κλασσικές εξισώσεις δεν μπορούσαν να προβλέψουν τι συνέβαινε σε ακτινοβολίες μεγάλης συχνότητας (πρόβλημα της υπεριώδους καταστροφής). Με άλλα λόγια, η ένταση της ακτινοβολίας για κάποια θερμοκρασία στο εσωτερικό ενός φούρνου ή του ήλιου, του ανθρώπινου σώματος, του ίδιου του σύμπαντος, γινόταν άπειρη για μεγάλες συχνότητες. Τα πειραματικά δεδομένα ωστόσο έδειχναν ότι αυτή θα έπρεπε να έχει κάποια πεπερασμένη τιμή.


Ακτινοβολία μέλανος σώματος: Η κλασσική φυσική προέβλεπε ότι η ένταση της ακτινοβολίας ενός (μέλανος) σώματος θα έτεινε στο άπειρο, για αυξανόμενα μήκη κύματος (μαύρη καμπύλη του σχεδιαγράμματος). Αυτό ήταν το πρόβλημα της λεγόμενης ‘υπεριώδους καταστροφής.’ Η διόρθωση του Plank, (έγχρωμες καμπύλες του σχεδιαγράμματος για τρεις διαφορετικές τιμές της θερμοκρασίας) έδωσε πεπερασμένες (επομένως λογικά και πρακτικά συνεπείς) τιμές.

Ο Plank, (1930) τελικά, αντιμετώπισε το πρόβλημα βρίσκοντας μια εξίσωση που να δίνει τις σωστές προβλέψεις. Ωστόσο, για να το πετύχει αυτό χρησιμοποίησε μια παραδοχή: Ότι η ακτινοβολία δεν είναι συνεχής, αλλά αποτελείται από διακριτά ‘πακέτα’ ενέργειας, που ονομάστηκαν κβάντα (quanta). Έτσι λοιπόν γεννήθηκε η νέα θεωρία, αυτή της κβαντομηχανικής. Το πρόβλημα εδώ είναι πως ο ίδιος ο Plank επεσήμανε ότι η παραδοχή του δε θα μπορούσε να έχει πραγματικό αντίστοιχο, ότι δηλαδή τα quanta είναι φυσικές έννοιες και όχι πραγματικές οντότητες, γι’ αυτό άλλωστε ο ίδιος χαρακτήρισε την επίλυση που πρότεινε ως μια πράξη απόγνωσης.

Ο Einstein όμως (1905) θεώρησε ότι τα quanta όχι μόνο είναι πραγματικά, αλλά παραδέχτηκε επιπλέον ότι ακτινοβολίες όπως το φως αποτελούνται από σωματίδια, τα οποία ονομάστηκαν φωτόνια, που φέρουν ενέργεια ίση με αυτή των quanta. Χάρη σε αυτήν την παραδοχή ο Einstein ερμήνευσε το λεγόμενο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ερμηνεία η οποία του έδωσε και το βραβείο Nobel. Ωστόσο, από το 1803 (έναν αιώνα πριν) ήταν γνωστό από το πείραμα των δύο οπών του Young ότι το φως συμπεριφέρεται και ως κύμα (περνώντας από εμπόδια δίνει εικόνες συμβολής όπως τα κύματα). Ο de Broglie (1923) θα προτείνει ότι τα σωματίδια, π.χ. φωτόνια, ηλεκτρόνια, κ.ο.κ, έχουν και τις δύο φύσεις. Και όχι μόνο τα σωματίδια, αλλά και όλα τα πράγματα (στα μακροσκοπικά αντικείμενα, υποτίθεται πως ‘χάνεται’ η κυματική φύση). Ο Schrodinger μάλιστα θα κατασκευάσει την κυματική εξίσωση που θα περιγράψει την κίνηση (κατάσταση) ενός ηλεκτρονίου. Ένα ηλεκτρόνιο δηλαδή παύει να είναι εντοπισμένο στο χώρο, έτσι ώστε να χρειάζεται κάποια κατανομή πιθανοτήτων για να καθοριστεί η θέση του. Φανταστείτε ένα τόπι που είναι εδώ, αλλά δεν είναι εδώ...

Εικόνα συμβολής στο πείραμα των δύο οπών (πείραμα του Young)

Σαν να μην έφταναν όλα αυτά ο Heisenberg (1927) διατυπώνει την αρχή της απροσδιοριστίας (uncertainty principle), μία από τις σημαντικότερες φιλοσοφικές λίθους της σύγχρονης σκέψης. Εξαιτίας ακριβώς και της κυματικής υπόστασης της ύλης δεν μπορεί κάποιος με ακρίβεια να προβλέψει ταυτόχρονα την ορμή και τη θέση ενός σωματιδίου. Την ίδια περίπου περίοδο διατυπώνεται η λεγόμενη ερμηνεία της Κοπεγχάγης. Σύμφωνα με αυτήν λαμβάνονται υπόψη όλες οι προηγούμενες ανακαλύψεις- παραδοχές και η κυματοσυνάρτηση (στο τετράγωνο) του Schrodinger ερμηνεύεται ως η πιθανότητα για το πού βρίσκεται το εν λόγω σωματίδιο.

Σε αυτό το σημείο θα ήθελα λίγο να σταθώ και να κάνω μια σύντομη ανασκόπηση των παραπάνω: Τα φωτόνια είναι σωματίδια που δεν είναι σωματίδια, γιατί είναι και κύματα που δεν είναι κύματα γιατί είναι σωματίδια, ή πιο σωστά τα φωτόνια είναι και κύματα και σωματίδια που δεν είναι εντοπισμένα στο χώρο, μπορούν να βρίσκονται εδώ και μπορούν να βρίσκονται αλλού, και όσο περισσότερο τα παρατηρείς τόσο πιο πιθανό να χάνονται τρέχοντας, και να βρίσκονται αλλού. Τελικά δεν υπάρχουν ούτε σωματίδια ούτε και κύματα, αλλά υπάρχουν πιθανότητες να είναι κάπου κάποιο σωματίδιο, που είναι και κύμα. Και τα βουνά και οι θάλασσες και οι άνθρωποι και οι ανθρώπινες σκέψεις και όλο το σύμπαν είναι και σαν κύμα και σαν σωματίδιο, αλλά, επειδή είναι μεγάλο, αυτά τα χαρακτηριστικά δεν φαίνονται, ενώ αν ήταν μικρό τότε θα φαίνονταν, και δε θα ξέραμε πού βρισκόμαστε, παρότι μάλλον δεν ξέρουμε πού βρισκόμαστε, κι αν τρέχουμε, έτσι κι αλλιώς.

Αυτό είναι το μεγάλο κατόρθωμα της σύγχρονης κβαντομηχανικής... Ο Einstein, ο οποίος, την ίδια περίοδο, διατύπωσε και τη θεωρία της σχετικότητας, (η τελευταία, θα λέγαμε, των μεγάλων κλασσικών θεωριών) ποτέ δεν είδε την κβαντομηχανική με καλό μάτι και, παρότι ήταν από τους πρωτεργάτες της, την πολέμησε θεωρητικά μέχρι το τέλος της ζωής του (υπάρχουν π.χ. οι γνωστοί διάλλογοι Bohr- Einstein επί του θέματος). Υπάρχει μάλιστα και το γνωστό EPR παράδοξο (Einstein-Podolsky-Rosen paradox), το οποίο με λίγα λόγια λέει πως αν ισχύει η κβαντομηχανική, τότε θα μπορούσαν δύο σωματίδια σε κάποια απόσταση να αλληλεπιδράσουν ακαριαία, πράγμα αδύνατο, γιατί, σύμφωνα με τη θεωρία της σχετικότητας, δεν μπορεί κάτι να τρέξει με μεγαλύτερη ταχύτητα από εκείνη του φωτός. Το 1982 ο Aspect επιβεβαίωσε πειραματικά ότι αυτό γίνεται, δηλαδή σωματίδια που αλληλεπιδρούν ακαριαία… Νίκη της κβαντομηχανικής!

Αν, λοιπόν, η κβαντομηχανική είναι μια τόσο τρελή επιστήμη, τι είναι αυτό που τελικά φαίνεται να την έχει καταξιώσει; Το μυστικό, θεωρώ, πως είναι το εξής: Παρότι παράλογη, η κβαντομηχανική, είναι παράλληλα και αντικειμενική. Μπορεί, για παράδειγμα, η ‘κυματοσυνάρτηση’ να είναι ένα μαθηματικό κατασκεύασμα και η δυνατότητά της να βρίσκεται ‘κι εδώ και εκεί’ μια πιθανοκρατική δυνατότητα, αλλά όλα μέχρι στιγμή τα συμπεράσματά της έχουν επαληθευτεί πειραματικά. Μάλιστα, για πρώτη, ίσως, φορά στην ιστορία της φυσικής δόθηκε τόση βαρύτητα στο πείραμα σε σχέση πάντοτε με τη θεωρία. Για αυτό, άλλωστε, στην κβαντομηχανική ο παρατηρητής δεν διαχωρίζεται από το πείραμα, αλλά συμμετέχει σε αυτό με τέτοιο τρόπο ώστε τα όργανα που χρησιμοποιεί να μπορούν να επηρεάσουν την έκβαση του πειράματος. Ίσως κάτι τέτοιο να ακούγεται αυτονόητο αλλά ουσιαστικά στην κβαντομηχανική η έννοια της συμμετοχής του παρατηρητή αποκτάει σημασία.

Τι συνέβη επομένως μέχρι εδώ; Αποκάλυψε, ο άνθρωπος, μια ‘τρελή’ πραγματικότητα την οποία τόσο καιρό απέφευγε ή δεν μπορούσε να δει, ή μήπως κατέληξε σε τρελά συμπέρασμα λόγω της αδυναμίας του να παρατηρήσει άμεσα κάποια φαινόμενα και να δώσει τις σωστές, φυσικά, ερμηνείες; Ουσιαστικά, πιστεύω, πως δεν υπάρχει μεγάλη (αν υπάρχει καμία) διαφορά ανάμεσα στις δύο προηγούμενες θέσεις. Αν η φύση συμπεριφέρεται τρελά, τότε ήδη το ξέρουμε, αφού είμαστε φύση. Αν, από την άλλη μεριά, έχουμε εξαπατηθεί, τότε και πάλι θα φταίει η φύση που μας εξαπάτησε, δηλαδή εξαπατάμε μόνο τους εαυτούς μας. Αν, βέβαια, κάποιος σκεφτεί ότι η φύση είναι κάτι ξεχωριστό από τον άνθρωπο, οπότε και δεν μπορεί να την κατανοήσει, τότε θα πρέπει να εξηγήσει πώς το σκέφτηκε…




Φωτο: Κυματοσυναρτήσεις του ατόμου του υδρογόνου

4 comments:

  1. xaxaxa!Ορθότατο!!

    Καλή Ανά(σ)ταση Χρήστο.

    ReplyDelete
  2. ΚΑΛΗ ΑΝΑΣΤΑΣΗ ΜΕ ΥΓΕΙΑ ΚΑΙ ΑΓΑΠΗ

    ReplyDelete
  3. Καλή Ανάσταση μικρέ πρίγκηπα.

    ReplyDelete
  4. Καλησπέρα και ανταποδίδω τις ευχές.

    Ζητάω συγνώμη που άλλαξα το περιεχόμενο αυτό του post (μεταφέροντας το κείμενο από ένα προηγούμενο).

    Το έκανα μόνο και μόνο για να μη σβήσω τα σχόλια με τις ευχές, τα οποία δεν αντιστοιχούν στο παρόν περιεχόμενο.

    Φιλιά πολλά. Τους φίλους τους μάθαμε. Τώρα καιρός να πλησιάσουμε και τους εχθρούς! (Αλήθεια τους μάθαμε;)

    ReplyDelete