Νέα Αρχή μπορεί να εξηγήσει γιατί η φύση είναι η κβαντική. New Principle May Help Explain Why Nature Is Quantum

A principle of 'accepting the facts' implies that a quantum bit (typically pictured as a 'Bloch ball') can look like a sphere but not like a polyhedron. Polyhedral bits have been linked to theories of discrete spacetime. By ruling out various alternative theories of nature, the principle may help to explain why the world is quantum. Credit: Timothy Yeo / CQT, National University of Singapore

Ένα από τα αναπάντητα ερωτήματα της φυσικής είναι γιατί η φύση «επέλεξε» την κβαντική φυσική ως μέθοδο συμπεριφοράς. Σε νέα έρευνα του Εθνικού Πανεπιστημίου της Σιγκαπούρης, οι Corsin Pfister και Stephanie Wehner διατυπώνουν μία νέα αρχή που ενδεχομένως να απαντήσει αυτό το ερώτημα.

Γνωρίζουμε ότι τα αντικείμενα που ακολουθούν τους κβαντικούς κανόνες, όπως τα άτομα, τα ηλεκτρόνια, ή τα φωτόνια που συνθέτουν το φως, δεν εμφανίζουν πάντα συνηθισμένη συμπεριφορά. Για παράδειγμα μπορούν να υπάρχουν σε περισσότερα από ένα σημεία την ίδια στιγμή, ή να αλλάζουν ταυτόχρονα κατάσταση ανεξαρτήτου απόστασης, όπως στο φαινόμενο της κβαντικής σύμπλεξης. Όλα αυτά τα φαινόμενα έχουν επιβεβαιωθεί σε πειράματα, αποδεικνύοντας ότι η θεωρία είναι σωστή. Όμως θα ήταν ακόμα πιο κατανοητά αν μπορούσαμε να αποδείξουμε ότι η ίδια η κβαντική φυσική προέκυψε από κάποιες «διαισθητικές» βασικές αρχές.

Η ειδική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν περιγράφει πώς τίποτα δεν μπορεί να ταξιδέψει γρηγορότερα από το φως. Ωστόσο, αυτό από μόνο του δεν είναι αρκετό για να καθορίσει την κβαντική φυσική ως το μόνο τρόπο συμπεριφοράς για τη φύση. Οι Πφάιστερ (Pfister) και Βένερ (Wehner) πιστεύουν ότι έχουν ανακαλύψει μια νέα χρήσιμη αρχή. «Έχουμε βρει μια αρχή που είναι πολύ αποτελεσματική στο να αποκλείει άλλες πιθανές θεωρίες», δήλωσε ο Πφάιστερ.

Με λίγα λόγια, η αρχή υπαγορεύει ότι αν μια μέτρηση δε δίνει καμία πληροφορία, τότε το σύστημα που μετράται δεν έχει διαταραχθεί.

Οι κβαντικοί φυσικοί δέχονται ότι η απόκτηση πληροφοριών από κβαντικά συστήματα προκαλεί διαταραχή. Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι σε έναν λογικό κόσμο, θα ισχύει επίσης το αντίστροφο. Εάν δεν μπορούμε να μάθουμε τίποτα από τη μέτρηση ενός συστήματος, τότε δεν το σύστημα δεν έχει διαταραχθεί.

Η αρχή φέρνει στο μυαλό το περίφημο παράδοξο της γάτας του Σρέντινγκερ, ένα υποθετικό πείραμα στο οποίο μια γάτα σε ένα κλειστό κουτί υπάρχει ταυτόχρονα σε δύο καταστάσεις, σε μια αναλογία της κβαντικής υπέρθεσης. Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία είναι πιθανό ότι η γάτα είναι και νεκρή και ζωντανή, μέχρι τη στιγμή όπου η κατάσταση της γάτας «μετριέται» από το άνοιγμα του κουτιού.

Όταν το κιβώτιο ανοίξει, επιτρέποντας την υγεία της γάτας να μετρηθεί, η υπέρθεση καταρρέει και η γάτα καταλήγει να είναι οριστικά νεκρή ή ζωντανή. Επομένως, η μέτρηση έχει διαταράξει το σύστημα (γάτα), γεγονός το οποίο αποτελεί γενική ιδιότητα των κβαντικών συστημάτων.

Η ερευνητική ομάδα έδειξε ότι η αρχή αυτή αποκλείει a priori διάφορες άλλες θεωρίες. Επισημαίνουν συγκεκριμένα ότι μια κατηγορία θεωριών που οι ίδιοι αποκαλούν «διακριτές», είναι ασυμβίβαστες με την αρχή. Οι θεωρίες αυτές υποστηρίζουν ότι τα κβαντικά σωματίδια μπορούν να έχουν μόνο ένα πεπερασμένο αριθμό καταστάσεων, και δεν επιλέγουν από ένα άπειρο, συνεχές εύρος δυνατοτήτων. Μία παρόμοια διακριτότητα στο χωροχρόνο, όπου η υφή του σύμπαντος αποτελείται από μικροσκοπικά κομμάτια και δεν είναι μια ομαλή, συνεχής οντότητα, έχει προταθεί και από αρκετές άλλες κβαντικές βαρυτικές θεωρίες.

Οι Πφάιστερ και Βένερ επισημαίνουν ότι ακόμα δεν απαντήθηκε ολοκληρωτικά το μεγάλο ερώτημα, καθώς και άλλες θεωρίες, συμπεριλαμβανομένης της κλασσικής φυσικής, είναι συμβατές με την αρχή που διατύπωσαν. Ωστόσο η έρευνα τους θα δώσει την κατάλληλη ώθηση ώστε στο μέλλον, άλλες παρόμοιες αρχές να αποκλείσουν με τη σειρά τους τις υπόλοιπες θεωρίες πλην της κβαντικής.