Πέμπτη, 18 Ιουνίου 2015

Ο Αϊνστάιν σώζει τη γάτα του Σρέντινγκερ. Einstein saves the quantum cat

Σύμφωνα με τη νέα μελέτη, η γάτα του Σρέντινγκερ δεν μπορεί να είναι ταυτόχρονα ζωντανή και νεκρή. Einstein's theory of time and space will celebrate its 100th anniversary this year. Even today it captures the imagination of scientists. Scientists have now discovered that this world-famous theory can explain yet another puzzling phenomenon: the transition from quantum behavior to our classical, everyday world. The cats represent the famous Schrödinger cat paradox, in which a quantum cat closed in a box can be dead and alive at the same time. The dark and light cat body outlines are images of an etched piece of silicon. They arise due to destructive and constructive quantum interference, respectively. In this experiment the photons that interact with the silicon are not detected, while the images are obtained by detecting only photons that never interact with the object. Credit: Gabriela Barreto Lemos

Η Γενική Σχετικότητα του Αϊνστάιν, η θεωρία που περιγράφει το χώρο και το χρόνο, γιορτάζει φέτος τα 100 χρόνια της. Πάνω στην ώρα για τον εορτασμό, διεθνής ομάδα ερευνητών διαπιστώνει ότι η σχετικότητα δείχνει να εξηγεί ένα μυστηριώδες φαινόμενο: τη μετάβαση από τα κβαντικά φαινόμενα του μικρόκοσμου στην κλασική συμπεριφορά της καθημερινής ζωής.

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 ονομάζουμε 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 ό,τι οι ένοικοι του πρώτου ορόφου κατά περίπου 10 νανοδευτερόλεπτα κάθε χρόνο.

Τώρα, ερευνητές του των πανεπιστημίων του Χάρβαρντ, της Βιέννης και του Κουίνσλαντ αναφέρουν στην επιθεώρηση «Nature Physics» ότι η επιβράδυνση του χρόνου εξηγεί γιατί η παράξενη, κβαντική συμπεριφορά του μακρόκοσμου εξαφανίζεται σε μεγάλες διαστάσεις.

Η κβαντική θεωρία, μια άλλη μεγάλη ανακάλυψη του 20ού 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.

Η θεωρητική επέκταση της κβαντικής θεωρίας στην κλίμακα της καθημερινής ζωής οδηγεί σε παράξενες καταστάσεις όπως το διάσημο νοητικό πείραμα που διατύπωσε το 1935 ο αυστριακός φυσικός Έρβιν Σρέντινγκερ: μια γάτα βρίσκεται κλειδωμένη σε έναν θάλαμο μαζί με μια φιάλη με δηλητήριο, το οποίο θα απελευθερωθεί και θα την σκοτώσει αν τύχει να διασπαστεί μια μικρή ποσότητα ραδιενεργής ουσίας.

Στην κβαντική μηχανική, η ραδιενεργή ουσία βρίσκεται σε υπέρθεση, δηλαδή διασπάται και ταυτόχρονα δεν διασπάται. Και αυτό σημαίνει ότι η γάτα του Σρέντινγκερ είναι ταυτόχρονα και ζωντανή και νεκρή.

Στην πραγματικότητα, ένα τέτοιο είδος υπέρθεσης έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά μόνο με μικρά σωματίδια και όχι με μεγάλα αντικείμενα όπως οι γάτες. Γιατί αυτή η διαφορά;

Η νέα μελέτη

Από την κβαντομηχανική στη σχετικότητα, υπάρχει μια μυστηριώδης σύνδεση υποστηρίζει διεθνής ομάδα ερευνητών. Illustration of a molecule in the presence of gravitational time dilation. The molecule is in a quantum superposition of being in several places at the same time, but time dilation destroys this quantum phenomenon. Credit: Igor Pikovski, Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics

Σύμφωνα με τη νέα μελέτη, 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.

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 ό,τι στο ρετιρέ.

Σύμφωνα με τους ερευνητές, αυτό εξηγεί γιατί τα μεγάλα αντικείμενα όπως οι γάτες συμπεριφέρονται όπως τα ξέρουμε στην καθημερινή ζωή, και δεν βρίσκονται ταυτόχρονα εδώ κι εκεί.

Επομένως, η γάτα του Σρέντινγκερ δεν μπορεί να είναι και ζωντανή και νεκρή, αλλά μόνο το ένα από τα δύο.

Η μελέτη διαπιστώνει μια αλληλεπίδραση ανάμεσα στη σχετικότητα και την κβαντομηχανική, 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 Ιγκόρ Πικόφσκι του Χάρβαρντ, πρώτος συγγραφέας της δημοσίευσης. «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, το φαινόμενο που περιγράφει η μελέτη θα είναι δυνατόν να επιβεβαιωθεί ή να διαψευστεί πειραματικά «στο προσεχές μέλλον».

Αν αποδειχθεί αληθινό, ίσως φέρει ένα βήμα πιο κοντά δύο μεγάλες αλλά ασυμβίβαστες θεωρίες του 20ού αιώνα.