Πώς η Κβαντομηχανική μεταμορφώνει τον κόσμο μας. How Quantum Mechanics transforming our world

Η Κβαντομηχανική είναι η θεωρία της Φυσικής που μελετάει τη συμπεριφορά της ύλης και του φωτός σε “ατομική” κλίμακα. Στη σημερινή της μορφή, είναι η μόνη που εξηγεί τα φυσικά φαινόμενα του μικρόκοσμου με πολύ καλή ακρίβεια και έχει προβλέψει πολλά νέα φαινόμενα. Η ακρίβεια των προβλέψεων της θεωρίας είναι της τάξεως του 10⁻¹¹. Quantum mechanics is the body of scientific laws that describe the wacky behavior of photons, electrons and the other particles that make up the universe. Credit: agsandrew | Shutterstock

Έχουμε πολλά ακόμη να μάθουμε για τους κανόνες της Φύσης. Η Φύση δεν κάνει εύκολα τα πράγματα για εμάς. Στη μικρότερη κλίμακα της ύπαρξης, βαθιά μέσα στον παράξενο κόσμο της Κβαντικής Μηχανικής, μοιάζει να παίζεται το παιχνίδι από δυο διαφορετικούς κανόνες την ίδια στιγμή. Κι όσο βαθύτερα διερευνούμε στα μυστήρια, τόσο περισσότερο αναγκαζόμαστε να διερωτηθούμε όχι μόνο πώς λειτουργεί το Σύμπαν, αλλά και κατά πόσο, τα πάντα είναι αληθινά.

Η Κβαντομηχανική έχει μεταμορφώσει τον κόσμο. Οφείλουμε την περισσότερη από την εκπληκτική τεχνολογία μας στις εξηγήσεις της γύρω από το πώς τα εξαιρετικά μικρά σωματίδια συμπεριφέρονται.

Αλλά δεν τα καταλαβαίνουμε στ' αλήθεια. Στον κβαντικό κόσμο τίποτα δεν μοιάζει να βγάζει νόημα. Η πραγματικότητα σταματάει να είναι... πραγματική. Αυτό το μυστήριο είναι το μεγαλύτερο εμπόδιό μας στο να ξεκλειδώσουμε τα μυστήρια του Σύμπαντος.

Κβαντική θεωρία

Η Κβαντική Μηχανική (ή Κβαντική Φυσική ή Κβαντομηχανική), είναι αξιωματικά θεμελιωμένη θεωρία της Φυσικής Μηχανικής, που αναπτύχθηκε με σκοπό την ερμηνεία φαινομένων, που η Νευτώνεια Μηχανική αδυνατούσε να περιγράψει.

Η Κβαντομηχανική περιγράφει τη συμπεριφορά της ύλης στο μοριακό, ατομικό και υποατομικό επίπεδο. Ο όρος κβάντα (λατινικός) αναφέρεται σε διακριτές μονάδες, που χαρακτηρίζουν συγκεκριμένες φυσικές ποσότητες, όπως η ενέργεια ενός ατόμου ύλης σε κατάσταση ηρεμίας.

Η δομή της Κβαντομηχανικής είναι αρκετά αφηρημένη και δεν είναι εύκολο να την κατανοήσουμε όπως τη Νευτώνεια Μηχανική. Όλες οι εμπειρίες που έχουμε προέρχονται από τις παρατηρήσεις των φαινομένων της καθημερινής ζωής, ώστε τα κβαντικά φαινόμενα να βρίσκονται σε αντιδιαστολή με την κοινή λογική.

Dr. Anton Zeilinger, πρωτοπόρος πειραματιστής της Κβαντικής στον κόσμο. Quantum physicist Anton Zeilinger inside the "Hedy Lamarr Quantum Communication Telescope" of the Austrian Academy of Sciences (AAS) and the University of Vienna. (Copyright: IQOQI Wien/Lois Lammerhuber).

Η Βιέννη είναι αναμφισβήτητα η γενέτειρα της Κβαντικής Μηχανικής. Ο αυστριακός καθηγητής Anton Zeilinger λέει: «Όταν άκουσα πρώτη φορά για την Κβαντομηχανική όταν ήμουν φοιτητής, αμέσως εντυπωσιάστηκα από τρία πράγματα: Πρώτον, από την απίστευτη μαθηματική ομορφιά. Δεύτερον, από την απίστευτη ακρίβεια, με την οποία δουλεύουν οι προβλέψεις της. Και τρίτον, από το γεγονός πως... δεν βγάζει νόημα!».

Η Κβαντομηχανική περιγράφει τη συμπεριφορά όλων των μικροσκοπικών σωματιδίων, από τα οποία είναι φτιαγμένα τα πάντα. Αυτή η γνώση, μας πρόσφερε υπολογιστές, πυρηνική ενέργεια, δορυφόρους, τα περισσότερα άλματα προόδου της ανθρωπότητας τα τελευταία  χρόνια.

Αλλά ο κβαντικός κόσμος φαίνεται να λειτουργεί σε αντίθεση με ό,τι ξέρουμε για τους νόμους της Φύσης. Για να το θέσουμε πιο απλά, σε πολύ-πολύ μικρή κλίμακα το Σύμπαν ακολουθεί διαφορετικούς κανόνες.

Κβαντική Διεμπλοκή

Ένα πείραμα στο Πανεπιστήμιο του Ντελφτ στην Ολλανδία στέλνει στο χρονοντούλαπο της ιστορίας τις αμφιβολίες του Άλμπερτ Αϊνστάιν σχετικά με το φαινόμενο της κβαντικής διεμπλοκής. Το πείραμα απορρίπτει την αρχή του «τοπικού ρεαλισμού» του Άλμπερτ Αϊνστάιν η οποία υποστηρίζει ότι το σύμπαν υπακούει σε νόμους και όχι στην τύχη και ότι δεν υπάρχει ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός. Historic Delft Experiments tests Einstein's 'God does not play dice' using quantum 'dice'. An artistic impression of the entanglement between electrons. Credit: ICFO

Σκεφτείτε το φαινόμενο της κβαντικής αλληλεπίδρασης, όπου δύο μικρά σωματίδια μοιράζονται ταυτόχρονα πληροφορίες από τεράστιες αποστάσεις.

Αν ήταν κβαντικά ζάρια, θα σήμαινε ότι αν ρίξουμε ένα ζάρι εδώ θα μας δείξει ένα συγκεκριμένο νούμερο. Ρίχνοντας το άλλο ζάρι σε κάποια μακρινή απόσταση θα μας έδειχνε το ίδιο νούμερο. Πώς είναι δυνατό αυτό; Η Κβαντομηχανική το περιγράφει πολύ καλά.

Στην Κβαντομηχανική, οι ιδιότητες δύο μακρινών αντικειμένων τα οποία απέχουν χιλιόμετρα μεταξύ τους, «διεμπλέκονται» με αποτέλεσμα, όταν μετριέται κάποια ιδιότητα του ενός αντικειμένου, τότε η αντίστοιχη ιδιότητα του άλλου παίρνει την ίδια τιμή, δηλαδή μεταπίπτει ακριβώς στην ίδια κατάσταση με το πρώτο, άσχετα με την απόσταση, που μεσολαβεί από το ένα στο άλλο.

Αν σταλεί το ένα από τα δύο στο άλλο άκρο του σύμπαντος και συμβεί κάτι σε οποιοδήποτε από τα δύο, το άλλο αντιδρά ακαριαία. Έτσι, φαίνεται είτε πως η πληροφορία μπορεί να ταξιδέψει με άπειρη ταχύτητα, είτε πως στην πραγματικότητα τα δύο αντικείμενα βρίσκονται ακόμα σε «επαφή», σε σύνδεση μεταξύ τους, σε κατάσταση διεμπλοκής. Το φαινόμενο ονομάστηκε Κβαντική Διεμπλοκή.

Αυτή η συμπεριφορά (λες και υπάρχει ένα «φάντασμα» στην ύλη) εκνεύριζε τον Einstein, καθώς φαίνεται να παραβιάζει τον ─υποτίθεται απαραβίαστο─ συμπαντικό κανόνα ότι τίποτε δεν μπορεί να ταξιδέψει ταχύτερα από το φως.

Στη δεκαετία του '60, πρώτος ο ιρλανδός φυσικός John Steawart Bell πρότεινε ένα πείραμα, για να επιβεβαιωθεί η Κβαντική Διεμπλοκή και να διαψευσθεί ο Einstein οριστικά. Το πρώτο πείραμα έγινε το 1981 από τον Alain Aspect στο École Supérieure d'Optique της Γαλλίας. Αρκετά ακόμη πειράματα έλαβαν χώρα στα επόμενα χρόνια, αλλά κάθε φορά έμενε κάποια αμφιβολία.

In this video you will see an introductory explanation of the experiment described in the paper ‘Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres’ by B. Hensen et al. at the Delft University of Technology http://www.tudelft.nl/en/current/late...

Όμως, ένα νέο πείραμα, που αφορούσε την κβαντική διεμπλοκή ζευγών ηλεκτρονίων και φωτονίων, φαίνεται πως κλείνει πλέον για τα καλά κάθε προηγούμενο κενό. «Το πείραμα στο Delft αποτελεί την οριστική απόδειξη ότι η κβαντική κρυπτογραφία μπορεί να είναι απεριόριστα ασφαλής», δήλωσε ο Zeilinger.

Σε άρθρο που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων υποστηρίζει, πως επιβεβαίωσε πειραματικά το φαινόμενο της αλληλεπίδρασης από απόσταση, δύο υποατομικών σωματίδιων ─ανεξάρτητα από το πόσο μεγάλη είναι η απόσταση αυτή─ μεταβάλλοντας έτσι ακαριαία τις ιδιότητές τους.

Προκειμένου να αντιληφθούμε το πείραμα της κβαντικής διεμπλοκής του Delft University of Technology της Ολλανδίας, θα χρειαστούμε ένα εστιατόριο, ένα ερωτευμένο ζευγάρι και δυο σερβιτόρους. In this video you will see the story of ‘quantum love’ as an illustration of how the Bell test works, and how loopholes affect it. The video illustrates the Bell test as described in the paper: ‘Loophole-free Bell inequality violation using electron spins separated by 1.3 kilometres’ by B. Hensen et al. at the Delft University of Technology.

Το πείραμα πραγματοποιήθηκε με επικεφαλής ερευνητές του Delft University of Technology κι είναι ορόσημο στην ιστορία της Φυσικής, αφού αποτελεί την πιο βάσιμη μέχρι σήμερα ένδειξη ότι δεν ισχύει η «τοπικότητα», μία θεμελιώδης αρχή της Κλασικής Φυσικής, σύμφωνα με την οποία καμία αλληλεπίδραση δεν μπορεί να διαδοθεί ταχύτερα από το φως, ενώ όταν δύο συστήματα που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους απομακρυνθούν πάρα πολύ, τότε διαχωρίζονται και δεν υπάρχει καμία αλληλεπίδραση μεταξύ τους.

Στην αρχή της τοπικότητας είχε βασισθεί ο Albert Einstein, για να υποστηρίξει, πως η Κβαντική Φυσική δεν είναι μία πλήρης θεωρία που καταφέρνει να περιγράψει την πραγματικότητα. Το συγκεκριμένο φαινόμενο τον ταλαιπώρησε τόσο πολύ, που το ονόμασε αλλόκοτη δράση από απόσταση (spooky action at a distance).

Όπως αναφέρουν οι επιστήμονες από το Delft, αυτό που κατάφεραν ήταν να παρατηρήσουν πειραματικά την κβαντική διεμπλοκή «σε δράση», και μάλιστα με τέτοιο τρόπο, που να αποκλείει οποιαδήποτε εναλλακτική ερμηνεία, η οποία να παρακάμπτει την κβαντική.

Το πείραμα έγινε στις εγκαταστάσεις του Delft, με τους επιστήμονες να χρησιμοποιούν ζεύγη «συσχετισμένων» ηλεκτρονίων, τα οποία «επικοινωνούσαν» μεταξύ τους από απόσταση 1,3 χιλιομέτρων. Σε κάθε άκρο της διάταξης είχε τοποθετηθεί από ένα διαμάντι με μια «παγίδα» για τα ηλεκτρόνια, ενώ με τη βοήθεια παλμών από μικροκύματα και LASER γινόταν ο «συσχετισμός» των ηλεκτρονίων και η μέτρηση του spin τους. Η μεγάλη απόσταση των δύο διαμαντιών εξασφάλιζε, πως τα ηλεκτρόνια δεν μπορούσαν να επικοινωνήσουν μεταξύ τους με συμβατικό τρόπο, πριν μετρηθεί το spin τους.

Οι πρακτικές εφαρμογές, αν καταφέρουμε να δαμάσουμε το φαινόμενο της κβαντικής διεμπλοκής θα είναι τεράστιες. Από τη δημιουργία υπερσύγχρονων κβαντικών υπολογιστών, έως τη δραματική βελτίωσης της κρυπτογράφησης, ίσως ακόμα και της κβαντικής τηλεμεταφοράς πληροφοριών.

Τα παράδοξα του πειράματος της διπλής σχισμής

Το διαβόητο πείραμα της διπλής σχισμής. Τι είναι η ύλη; Σωματίδια ή κύματα; Και τι είδους κύματα; Και ποια η σχέση του παρατηρητή με αυτά; O παράξενος, φανταστικός κόσμος της συμπεριφοράς των κβάντα.

Ο dr. Zeilinger απέδειξε ότι όσο ακραίες κι αν είναι οι προβλέψεις της, η κβαντική θεωρία λειτουργεί, αν και δεν θα έπρεπε. Ίσως η πιο ισχυρή απόδειξη για το πόσο ανησυχητική μπορεί να είναι η Κβαντομηχανική, είναι το πείραμα της διπλής σχισμής. Θα σας κάνει ν' αναρωτιέστε αν υπάρχει πραγματικότητα.

 

Σωματίδια που περνούν μέσα από πέτασμα με δύο σχισμές. A Diagram showing the two slit experiment using clasical particles.

Μια απλή διάταξη ρίχνει σωματίδια φωτός, που ονομάζονται φωτόνια, ένα κάθε φορά, μέσα από δύο σχισμές σε μια οθόνη. Υπάρχει ένα LASER, που παράγει το φως το οποίο μετριάζεται, έτσι ώστε να εκπέμπεται ένα φωτόνιο κάθε φορά. Αυτό το φωτόνιο περνάει από μια διάταξη δύο σχισμών και έχουμε και μια κάμερα, που καταγράφει το μοτίβο πίσω από τη διάταξη των δύο σχισμών. Έτσι, αυτό που παρατηρούμε είναι τα φωτόνια να καταφθάνουν ένα-ένα, στην οθόνη, κάποια εδώ, κάποια εκεί, κάτι που φαίνεται εντελώς τυχαίο.

Ηλεκτρόνια που περνούν μέσα από πέτασμα διπλής σχισμής. A Diagram showing the two slit experiment using electrons and the produced diffraction fringes.

Αφού τα φωτόνια ταξιδεύουν ένα-ένα, κάποια από τη μία, κάποια από την άλλη σχισμή, θα περιμένατε ν' αφήσουν ένα μοτίβο δύο λωρίδων στον τοίχο. Και θα κάνατε... λάθος. Μυστηριωδώς, δημιουργούν μια ομάδα λωρίδων.

Πώς λοιπόν είναι δυνατό μεμονωμένα σωματίδια φωτός να δημιουργούν μοτίβο κύματος; Αυτό θα μπορούσε να συμβεί μόνο αν τα σωματίδια περνούσαν ταυτόχρονα και από τις δύο σχισμές. Με άλλα λόγια, το σωματίδιο είναι σε δύο μέρη την ίδια στιγμή.

Quantum Mechanics - Double Slit Experiment. Is anything real? (Prof. Anton Zeilinger)

Αλλά το πιο παράξενο απ' όλα είναι αυτό που γίνεται, όταν βάλουμε ανιχνευτές δίπλα από τις σχισμές. Όταν τα φωτόνια παρακολουθούνται, το μοτίβο κύματος εξαφανίζεται. Αν αφαιρέσουμε τους ανιχνευτές, το μοτίβο κύματος επανεμφανίζεται. Αυτό υποδεικνύει ότι μπορούμε ν' αλλάξουμε τον τρόπο συμπεριφοράς της πραγματικότητας απλά κοιτώντας την. Αυτό σημαίνει ότι η ίδια η πραγματικότητα δεν είναι πραγματική;

Η μοντέρνα απάντηση είναι ότι το μονοπάτι που ακολουθεί το φωτόνιο, δεν είναι στοιχείο της πραγματικότητας. Δεν μας επιτρέπεται να μιλήσουμε για το αν το φωτόνιο περνά από αυτή ή αυτή τη σχισμή. Ούτε μας επιτρέπεται να πούμε ότι το φωτόνιο περνά και από τις δύο σχισμές.

Επίλογος

Όλα αυτά τα λόγια δεν έχουν νόημα. Οπότε, απλά συνεχίζουμε να εκμεταλλευόμαστε τα οφέλη της Κβαντομηχανικής και να δεχόμαστε ότι κατά βάθος, η Φύση διέπεται από κάποιους κανόνες, που θα παραμείνουν ένα μυστήριο.

Το ενδιαφέρον μήνυμα είναι ότι αν κι έχουμε την Κβαντική Φυσική εδώ και χρόνια, ακόμη δουλεύουμε στα θεμέλια. Όταν αντιληφθούμε πώς λειτουργεί, θα είναι η απόλυτη αποκάλυψη.

Πηγή: http://www.freeinquiry.gr/pro.php?id=4092