Η νεκροζώντανη γάτα και η εξέλιξη της κβαντικής μηχανικής
Αντώνης Κοτσαμπασέρης για το Νόστιμον Ήμαρ
Ένα από τα πιο σημαντικά πειράματα σκέψης στη σύγχρονη ιστορία της φυσικής έχει γίνει ιδιαίτερα δημοφιλές, καθώς χρησιμοποιείται επανειλημμένα σε τηλεοπτικές και κινηματογραφικές απεικονίσεις σεναρίων επιστημονικής φαντασίας, αλλά και λόγω του συνεχώς αυξανόμενου ενδιαφέροντος που δείχνει η διεθνής popculture στην επιστήμη.
Ο Erwin Schrödinger, προσπαθώντας να ασκήσει κριτική κατά της πλέον διαδεδομένης ερμηνείας της κβαντικής μηχανικής, την ερμηνεία της Κοπεγχάγης, δημιούργησε άθελα του το πιο δυνατό επιχείρημα υπέρ της.
Σε μια ανταλλαγή αλληλογραφίας με τον Albert Einstein το 1935, συζητώντας για το παράδοξο EPR, ένα άρθρο το οποίο είχαν μόλις δημοσιεύσει οι Einstein, Podolsky και Rosen, ο Schrödinger εξέφρασε την δυσπιστία του σχετικά με την υπέρθεση των κβαντικών καταστάσεων και της κατάρρευσης της κυματοσυνάρτησης. Το παράδοξο EPR ήταν μία προσπάθεια αμφισβήτησης της ερμηνείας της Κοπεγχάγης, με την οποία ο Einstein διαφωνούσε σθεναρά.
Υπέρθεση, κυματοσυνάρτηση, Κοπεγχάγη; Κάπου εδώ δικαιολογημένα θα αναρωτιέστε, “Μα τι είναι όλα αυτά;” Ας δούμε, λοιπόν, όσο πιο περιληπτικά γίνεται, τι θέλει να πει ο ποιητής.
Προς το τέλος της δεκαετίας του 1920, ο Niels Bohr και ο Werner Heisenberg δούλευαν μαζί στο Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής του Πανεπιστημίου της Κοπεγχάγης. Η περίφημη αυτή συνεργασία απέφερε πολύ σημαντικούς καρπούς για την ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής, δίνοντας μας την αρχή της συμπληρωματικότητας, την αρχή της αβεβαιότητας και συνολικά την ερμηνεία της Κοπεγχάγης, η οποία είναι αποδεκτή από την πλειοψηφία της επιστημονικής κοινότητας.
Σύμφωνα με την ερμηνεία της Κοπεγχάγης, λοιπόν, κάθε σύστημα, για παράδειγμα ένα σωματίδιο, έχει μία μοναδική κυματοσυνάρτηση, η οποία εμπεριέχει όλες τις πληροφορίες του συστήματος που μπορούν να μετρηθούν από έναν εξωτερικό παρατηρητή. Σε αντίθεση με την κλασική φυσική, για κάθε δυνατή κατάσταση του συστήματος υπάρχει ένα σύνολο πιθανών κυματοσυναρτήσεων, με διαφορετικές πιθανότητες η καθεμία, που συχνά αναφέρονται ως αντιπροσωπευτικές. Το σύστημα εμφανίζει στατιστικά χαρακτηριστικά, είναι δηλαδή πιθανολογικό.
Και εδώ είναι που τα πράγματα γίνονται δύσκολα. Μέχρι να εξακριβώσουμε μία οποιαδήποτε μετρήσιμη πληροφορία για το σύστημα, για παράδειγμα τη θέση ή την ορμή του, όλες οι αντιπροσωπευτικές κυματοσυναρτήσεις ισχύουν ταυτόχρονα, παρατηρείται δηλαδή το φαινόμενο της κβαντικής υπέρθεσης. Μόλις πραγματοποιηθεί η μέτρηση, όμως, το σύστημα αντιπροσωπεύεται από μία μόνο κυματοσυνάρτηση και πλέον παύει να έχει στατιστική φύση, κάτι το οποίο ονομάζουμε κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης.
Αν φτάσατε ως εδώ χωρίς να χάσετε την ψυχραιμία σας, τα πάτε καλύτερα από τον άμοιρο τον Schrödinger. Διαφωνώντας πλήρως με την στατιστική αντίληψη της κβαντικής μηχανικής, όχι μόνο προσπάθησε αποτυχημένα να την αντικρούσει, αλλά μάλιστα δήλωσε πως δεν του αρέσει καθόλου και πως μετάνιωσε για την ενασχόληση του με αυτή. Παρ’ όλα αυτά, πρέπει να πούμε πως η συνεισφορά του στην εξέλιξη της κβαντικής μηχανικής ήταν τρομερά σημαντική, καθώς ήταν εκείνος που χρησιμοποίησε πρώτος τη θεωρία κυμάτων για να περιγράψει κβαντικά συστήματα, καταλήγοντας φυσικά στην ανακάλυψη της διάσημης εξίσωσης του.
Σε μια έξαρση δυσπιστίας, λοιπόν, έγραψε ένα γράμμα στον διάσημο συνάδελφο του, Albert Einstein, ο οποίος πρώτος είχε εκφράσει δημόσια τις αντιρρήσεις του σχετικά με την ερμηνεία της Κοπεγχάγης. Σε αυτό το γράμμα ανέφερε για πρώτη φορά το γνωστό πείραμα του, το σενάριο του οποίου ο ίδιος χαρακτήρισε ως γελοίο.
Αναλυτικά, μία γάτα τοποθετείται σε ένα αδιαφανές κουτί, μέσα στο οποίο υπάρχει μια μικρή ποσότητα ραδιενεργού υλικού, ένας μετρητής Geiger, δηλαδή μία συσκευή που μπορεί να ανιχνεύσει εάν έχει υπάρξει διάσπαση ατόμου από το ραδιενεργό υλικό, ένα σφυρί και ένα φιαλίδιο με υδροκυάνιο. Η ποσότητα αυτού του ραδιενεργού υλικού είναι τόσο μικρή, που κατά την πάροδο μίας ώρας, ένα άτομο έχει ίσες πιθανότητες να διασπαστεί και ίσες να μην διασπαστεί, έχουμε ουσιαστικά ένα σύστημα με πιθανότητες πενήντα-πενήντα.
Σε περίπτωση που διασπαστεί το άτομο και ανιχνευθεί από τον μετρητή Geiger, το σφυρί θα σπάσει το φιαλίδιο με το υδροκυάνιο, το δηλητήριο θα απελευθερωθεί και η γάτα θα πεθάνει. Αν το άτομο δε διασπαστεί, η γάτα θα παραμείνει ζωντανή. Άρα η ζωή της γάτας, ένα μακροσκοπικό αντικείμενο, εξαρτάται από το άτομο, ένα κβαντικό σύστημα, και επηρεάζεται άμεσα από την κατάσταση του.
Αφού περάσει μία ώρα, λοιπόν, οι πιθανότητες διάσπασης του ατόμου είναι ακριβώς πενήντα-πενήντα. Μέχρι να ανοίξουμε το κουτί, δεν μπορούμε να ξέρουμε αν η διάσπαση έχει συμβεί, άρα η κυματοσυνάρτηση του συστήματος δείχνει ότι το άτομο έχει διασπαστεί και ταυτόχρονα ότι δεν έχει διασπαστεί. Βρισκόμαστε δηλαδή σε μία κατάσταση κβαντικής υπέρθεσης. Είπαμε, όμως, πως το άτομο επηρεάζει άμεσα τη γάτα, άρα η ζωή της εμφανίζει την ίδια υπέρθεση. Επομένως, η κυματοσυνάρτηση του συστήματος δείχνει πως η γάτα είναι ζωντανή και ταυτόχρονα πως είναι νεκρή!
Ο ρόλος του παρατηρητή, λοιπόν, παίζει μεγάλο ρόλο στο παραπάνω πείραμα, καθώς είναι απαραίτητος ώστε οι πιθανές καταστάσεις που βρίσκεται η γάτα μέσα στο κουτί να μεταφραστούν σε πραγματικότητα κατά τη στιγμή της μέτρησης. Είναι σημαντικό να κατανοήσουμε πως δεν πρόκειται απλά για αβεβαιότητα της τελικής κατάστασης, επειδή δε γνωρίζουμε τι συνέβη μέσα στο κουτί, αλλά πρέπει να δεχθούμε ότι όσο το κουτί παραμένει κλειστό, ισχύουν και οι δύο καταστάσεις ταυτόχρονα!
Παρότι ο Schrödinger ήθελε να τονίσει την “ανοησία” αυτού του παραδόξου, οι προβλέψεις της ερμηνείας της Κοπεγχάγης εξακολουθούν να συμφωνούν με την πληθώρα πειραμάτων που έχουν γίνει έκτοτε και η γάτα του έχει χρησιμοποιηθεί ως ένας από τους καλύτερους τρόπους εξήγησης αυτής της πολύ περίπλοκης κβαντικής κατάστασης.
Φυσικά, η συγκεκριμένη θεωρία παραμένει μόνο μία από τις πολλές πιθανές εξηγήσεις της κβαντικής μηχανικής και σε καμία περίπτωση δεν πρέπει να θεωρείται ως μοναδική, αν και είναι η πιο δημοφιλής ανάμεσα στις τάξεις των φυσικών. Δύο από τις διεκδικήτριες θεωρίες που ακολουθούν σε δημοτικότητα είναι η θεωρία de Broglie-Bohm και η θεωρία πολλών κόσμων (many-world interpretation), για τις οποίες θα αναφερθούμε αναλυτικά σε επόμενα κείμενα.
Αν πρέπει να κρατήσουμε κάτι, είναι πως το σύμπαν είναι ένα μαγικό μέρος, που κρύβει πολλά περισσότερα από αυτά που μπορούν να αντιληφθούν οι αισθήσεις μας και πως η φυσική μας καλεί να τον ανακαλύψουμε.
Υ.Γ. Κανένα ζώο δεν πληγώθηκε κατά τη διάρκεια του πειράματος.
