Κβαντική Κληρονομία: Ανταποκρίσεις από έναν αβέβαιο κόσμο. Quantum Legacies: Dispatches from an Uncertain World

Μια σειρά συναρπαστικών δοκιμίων που εξερευνούν εμβληματικές ιστορικές στιγμές ανακαλύψεων και έντονων αντιπαραθέσεων από τη συνεχή αναζήτηση των φυσικών για την κατανόηση του κβαντικού κόσμου. Στην Κβαντική Κληρονομιά, ο Ντέιβιντ Κάιζερ παρουσιάζει στους αναγνώστες του ορισμένα σημαντικά ιστορικά επεισόδια από την προσπάθεια των φυσικών να κατανοήσουν τον χώρο, τον χρόνο και την ύλη στα πιο θεμελιώδη επίπεδα. A series of engaging essays that explore iconic moments of discovery and debate in physicists’ ongoing quest to understand the quantum world. David Kaiser; photo by Jon Sachs/MIT SHASS Communications

Πανεπιστήμιο Κορνέλ, Νέα Υόρκη, 1964. Σε μία από τις διάσημες διαλέξεις του, προσπαθώντας να περιγράψει στο ακροατήριό του τη μυστηριώδη συμπεριφορά των πιο μικροσκοπικών σωματιδίων της ύλης, ο νομπελίστας φυσικός Ρίτσαρντ Φάινμαν λέει μια φράση που γράφει Ιστορία:

«Κανείς δεν μπορεί να καταλάβει την κβαντομηχανική». "I think I can safely say that nobody understands quantum mechanics" Richard Feynman advised against taking an analogical approach to understanding quantum physics.

«Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις που ακόμη αντιμετωπίζουμε είναι πώς μπορεί να συγκεραστεί η φυσική του πολύ μεγάλου, του σύμπαντος, που έχει περιγραφεί τόσο εύγλωττα από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν, με τη θεωρία της κβαντομηχανικής». [NASA]

Εξήντα χρόνια μετά, το μυστήριο παραμένει. Στο υποατομικό επίπεδο, τίποτα δεν θυμίζει την κοινή, καθημερινή μας αντίληψη για το πώς λειτουργεί ο φυσικός κόσμος. Πώς να μη μας φανεί παράξενο ότι αυτά τα υποατομικά σωματίδια συμπεριφέρονται λες και μπορούν να βρίσκονται σε πολλά σημεία ταυτόχρονα ή ότι μπορούν να επηρεάζουν το ένα το άλλο ακαριαία, ακόμη και αν βρίσκονται πολλά έτη φωτός μακριά μεταξύ τους; Και όμως, ακόμη και αν δεν έχουμε καταλάβει τα πάντα γι’ αυτήν, η κβαντοφυσική (ή κβαντομηχανική) ορίζει την καθημερινότητά μας με τρόπους που ίσως δεν φανταζόμαστε – από τη χρήση του GPS έως τις ακτίνες λέιζερ. Τον μήνα που πέρασε, μάλιστα, στη χώρα μας, μια εισαγωγή στην κβαντoφυσική άρχισε να διδάσκεται για πρώτη φορά στους μαθητές της Γ΄ Λυκείου και αποτελεί ύλη για τις Πανελλήνιες Εξετάσεις.

The ideas at the root of quantum theory remain stubbornly, famously bizarre: a solid world reduced to puffs of probability; particles that tunnel through walls; cats suspended in zombielike states, neither alive nor dead; and twinned particles that share entangled fates. For more than a century, physicists have grappled with these conceptual uncertainties while enmeshed in the larger uncertainties of the social and political worlds around them, a time pocked by the rise of fascism, cataclysmic world wars, and a new nuclear age. In Quantum Legacies, David Kaiser introduces readers to iconic episodes in physicists’ still-unfolding quest to understand space, time, and matter at their most fundamental. In a series of vibrant essays, Kaiser takes us inside moments of discovery and debate among the great minds of the era—Albert Einstein, Erwin Schrödinger, Stephen Hawking, and many more who have indelibly shaped our understanding of nature—as they have tried to make sense of a messy world.

Και ενώ η έρευνα πάνω στον τομέα συνεχίζεται, ένας Αμερικανός φυσικός, καθηγητής Ιστορίας της Επιστήμης στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT), o Ντέιβιντ Κάιζερ, γύρισε εκατό χρόνια πίσω και αποφάσισε να πιάσει το νήμα αυτής της συναρπαστικής ερευνητικής πορείας από την αρχή. Από τον Αϊνστάιν έως τον Χόκινγκ, από την αρχή του 20ού αιώνα έως σήμερα, ακροβατώντας δεξιοτεχνικά στο όριο μεταξύ επιστήμης και Ιστορίας, συνόψισε, θα έλεγε κανείς, όλη τη σύγχρονη φυσική σε ένα πολύτιμο βιβλίο που εκδόθηκε τρία χρόνια πριν στην Αμερική με τίτλο «Quantum Legacies».

Σε αυτήν, εκλαϊκεύει δυσνόητες επιστημονικές έννοιες ενώ παράλληλα διηγείται ιστορίες ανθρώπων και κοινωνιών – ιστορίες που καταφέρνουν, όπως σημειώνει σχετικά και ο νομπελίστας φυσικός Κιπ Θορν, «να ενσωματώνουν την ανθρώπινη ιστορία στην επιστήμη».

Ο Κάιζερ μας ταξιδεύει στον πυρήνα σπουδαίων ιστορικών στιγμών ανακάλυψης και έντονων αντιπαραθέσεων, με πρωταγωνιστές ορισμένους από τους σημαντικότερους επιστήμονες της περιόδου, όπως τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, τον Έρβιν Σρέντιγκερ και τον Στίβεν Χόκινγκ, που άλλαξαν για πάντα την κατανόησή μας για τη φύση. Καθώς εκτείνονται ταυτόχρονα στον χώρο και στον χρόνο, τα ιστορικά αυτά επεισόδια διατρέχουν τη συναρπαστική δεκαετία του 1920, τις σκοτεινές μέρες της δεκαετίας του 1930, τις αναταράξεις του Ψυχρού Πολέμου και τις ιδιαίτερες πολιτικές πραγματικότητες που τον ακολούθησαν. Τόσο σε αυτές τις περιόδους, όσο και στη δική μας, η φιλοδοξία των ερευνητών πολύ συχνά είναι να ξεπεράσουν τις ιδιαιτερότητες του εδώ και του τώρα και να προτείνουν ιδέες σχετικά με το πώς λειτουργεί ο κόσμος, που θα αντέχουν στον χρόνο και θα ξεπερνούν τα στενά όρια της αντίληψης ενός μεμονωμένου ερευνητή. Στην Κβαντική Κληρονομιά, ο Κάιζερ αποκαλύπτει το δύσκολο και συχνά χαοτικό έργο που απαιτείται για το χτίσιμο μιας κοινής κατανόησης ανάμεσα σε εκπροσώπους διαφορετικών γενεών και με αυτό τον τρόπο αναδεικνύει τους βαθύτατους δεσμούς ανάμεσα στην επιστημονική αναζήτηση και στην ανθρώπινη φύση. (Από την παρουσίαση στο οπισθόφυλλο του βιβλίου)

Το βιβλίο κυκλοφορεί τώρα και στην Ελλάδα με τον τίτλο «Κβαντική κληρονομιά» από τις εκδόσεις Ροπή. Όπως γράφει στον πρόλογο ο ιστορικός της φυσικής Γρηγόρης Πανουτσόπουλος, ο οποίος, μαζί με τον Θεμιστοκλή Χαλικιά, έκανε τη μετάφραση και την επιστημονική επιμέλεια της ελληνικής έκδοσης, «ο Ντέιβιντ Κάιζερ συρράφει σε μια ενιαία αφήγηση παγκοσμίους πολέμους, ιστορίες κατασκοπείας, κινήματα αντικουλτούρας, ψυχροπολεμικές διενέξεις, ρηξικέλευθες ιδέες, ανθρώπινες αδυναμίες, κβαντικά πηγάδια, γιγάντιους επιταχυντές σωματιδίων, εξισώσεις, πανεπιστημιακά εγχειρίδια και πολεμικά ερευνητικά προγράμματα».

– Σχεδόν εκατό χρόνια μετά τις απαρχές της κβαντικής θεωρίας και εξήντα χρόνια μετά εκείνη τη διάσημη ρήση του Ρίτσαρντ Φάινμαν, άραγε, συνεχίζουμε να μην καταλαβαίνουμε την κβαντομηχανική;

– Πράγματι, ενώ σήμερα χρησιμοποιούμε τις εξισώσεις της κβαντοφυσικής σε μεγάλη σειρά εφαρμογών και έχουμε μια βαθιά κατανόησή της, η περιβόητη εκείνη φράση του Φάινμαν ακούγεται ακόμη αληθινή. Ο λόγος είναι ότι, όταν προσπαθούμε να βάλουμε σε απλές λέξεις ή εικόνες πώς θα λειτουργούσε ο κόσμος ώστε να ανταποκρίνεται σε αυτές τις εξισώσεις, ακόμη πέφτουμε πάνω σε τοίχο. Αυτό που συμβαίνει σήμερα είναι ότι κάποιοι επιστήμονες δηλώνουν πως καταλαβαίνουν απολύτως καλά τη θεωρία, ενώ κάποιοι συνάδελφοί τους λένε πως είναι αυτοί που την καταλαβαίνουν ακόμη καλύτερα – ενώ όλο αυτό απλά δείχνει ότι ακόμη κανείς δεν την καταλαβαίνει! Ναι, λοιπόν, ακόμη ξύνουμε το κεφάλι μας με απορία κοιτώντας τα φαινόμενα της κβαντομηχανικής.

– Σε ό,τι αφορά εμάς, τους απλούς ανθρώπους, και την καθημερινότητά μας, πού συναντάμε, πού βιώνουμε την κβαντομηχανική στη ζωή μας;

Navigating to unknown locations has never been easier as it has been with the aid of Quantum Physics. While using a mobile phone for navigation, the GPS receiver in the phone is responsible for picking up the signal from multiple clocks. The distance and time between your current location and the destination are calculated by calculating different arrival times from different satellites. Moreover, even the distance from your current location from each satellite is also calculated. Each satellite is equipped with an atomic clock, which relies on Quantum Physics only.

– Είμαστε βυθισμένοι μέσα στα «δώρα» της έρευνας πάνω στην κβαντομηχανική κάθε μέρα – για την ακρίβεια, κάθε στιγμή της κάθε μέρας μας. Και αυτό είναι κάτι που ισχύει εδώ και πάνω από μισόν αιώνα. Η κατανόηση του πώς λειτουργούν τα τρανζίστορ, αμέσως μετά τον Β΄ Παγκόσμιο Πόλεμο, όρισε έκτοτε την καθημερινότητά μας (απλά σκεφτείτε τους ηλεκτρονικούς υπολογιστές). Όσο για τα λέιζερ, σκεφτείτε πόσο αυτονόητο μας φαίνεται πλέον να «σκανάρεται» με ένα μικρό μηχάνημα ένα προϊόν στο ταμείο του σούπερ μάρκετ. Μιλάμε, στην ουσία, για ανακαλύψεις στις οποίες κρύβονται μέσα βαθιές κβαντικές ποιότητες τις οποίες ο ίδιος ο Αϊνστάιν συνέβαλε στο να κατανοήσουμε, έναν αιώνα πριν. Για να μην αναφέρουμε ένα ακόμη πιο «χτυπητό» παράδειγμα, το οποίο είναι τα εργαλεία πλοήγησης που χρησιμοποιούμε σήμερα και βασίζονται σε ένα σύστημα που λέγεται GPS, το οποίο δουλεύει επειδή έχουμε φτιάξει ρολόγια ακριβείας δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου – τα κοινώς αποκαλούμενα «ατομικά ρολόγια». Και, πιστέψτε με, δεν μπορεί κάτι να γίνει πιο «κβαντομηχανικό» από τα ατομικά ρολόγια! Το γεγονός, λοιπόν, πως μπορούμε να καταλάβουμε τις μικροσκοπικές δονήσεις συγκεκριμένων σωματιδίων και να κατασκευάσουμε συσκευές που δουλεύουν με βάση αυτή την κατανόηση, δείχνει ότι, χωρίς υπερβολή, είμαστε βαθιά μέσα στην κβαντομηχανική, ακόμη και αν δεν το γνωρίζουμε ή δεν το παρατηρούμε.

– Άραγε, τα πράγματα γίνονται παρομοίως «αλλόκοτα» και όταν η επιστήμη της φυσικής στρέφει τη ματιά της, από το μικροσκοπικό στο αχανές, από τον υποατομικό κόσμο στον κόσμο της αστρονομίας και του σύμπαντος;

Written by Joseph Conlon. Professor of Theoretical Physics, University of Oxford.

– Ναι, συμβαίνουν και εκεί παράξενα πράγματα, αλλά με άλλους τρόπους. Μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις που ακόμη αντιμετωπίζουμε είναι πώς μπορεί να συγκεραστεί η φυσική του πολύ μεγάλου, του σύμπαντος, που έχει περιγραφεί τόσο εύγλωττα από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν, με τη θεωρία της κβαντομηχανικής και τη φυσική στο υποατομικό επίπεδο. Σκοπός μας είναι τώρα να βρούμε πώς θα ενώσουμε αυτές τις δύο τόσο όμορφες αλλά τόσο διαφορετικές θεωρίες για το πώς λειτουργούν ο κόσμος και η φύση. Και, ακόμη ψάχνουμε – πολύ συχνά κιόλας, στο σκοτάδι.

– Μιλώντας για την αστροφυσική, έρχεται στον νου ο Στίβεν Χόκινγκ, με τον οποίο μάλιστα διαλέγετε να κλείσετε και το βιβλίο σας. Ποια είναι η δική του «κβαντική κληρονομιά»;

HARVARD SCIENCE BOOK TALK: David I. Kaiser, in conversation with Amanda Gefter "Quantum Legacies: Dispatches from an Uncertain World".

– O Χόκινγκ, περισσότερο από κάθε άλλον στη γενιά του, προσπαθούσε να βρει τη λύση στην πρόκληση που περιγράψαμε μόλις πριν. Ήταν πρωτίστως ένας ειδικός στη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν, ένας εξπέρ στις καμπυλώσεις του χωροχρόνου και στις μαύρες τρύπες, και, προς τιμήν του, δεν έμεινε εκεί. Ήθελε πολύ να δει τι συμβαίνει όταν προσπαθείς να συνδέσεις αυτές τις δύο πολύ διαφορετικές αντιλήψεις του σύμπαντος, την κβαντική θεωρία και τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, και, όπως και κανείς άλλος έως τώρα, δεν τα κατάφερε. Σημείωσε, όμως, μια σειρά από περίεργα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα όταν πάμε να το κάνουμε, όπως π.χ. η λεγόμενη «ακτινοβολία Χόκινγκ». Ήταν ο πρώτος που προσπάθησε να εξηγήσει τον κόσμο μέσα από μια ένωση των δύο θεωριών και στάθηκε βαθιά επιδραστικός στην επιστημονική κοινότητα.

– Ο Βασίλι Καντίνσκι είχε γράψει στο εμβληματικό βιβλίο του «Για το πνευματικό στην τέχνη», το 1910, τη διάσημη φράση: «Κάθε έργο τέχνης είναι παιδί της εποχής του, συχνά είναι μητέρα των αισθημάτων μας». Πιστεύετε πως θα μπορούσαμε να την παραφράσουμε, ώστε να μιλήσουμε για την επιστήμη της φυσικής;

Όταν ο Kandinsky λέει ότι η φόρμα πρέπει να εκφράσει κατά τον πιο εκφραστικό τρόπο το εσωτερικό της περιεχόμενο πρόκειται ουσιαστικά για το "ασύλληπτο" πέρασμά του απ' τον εξπρεσιονισμό στην αφαίρεση. Είναι η εποχή που έχει τελειώσει τη συγγραφή του "Για το Πνευματικό στην Τέχνη" και φτιάχνει την "πρώτη αφηρημένη ακουαρέλα". Τα γεωμετρικά σχήματα - σύμβολα που παρατηρούμε στα έργα του της περιόδου 1910-1920/22 αποτελούν τα σημεία της τελικής ευθείας, το κλειδί ανάμεσα στο προσωκρατικό όριο και στην κάθαρση του πέρατος. Αυτό που έχτισε στην επιφάνεια δεν είναι παρά η αντανάκλαση ενός σχεδιασμού κάτω απ' την επιφάνεια. Πνεύμα κονστρουκτιβιστικό με έκκεντρο κίνηση που, όπως σημειώνει ο Giulio Carlo Argan, "υποχρεώνεται ταπεινά να ξαναθεωρήσει ολόκληρο το πρόβλημα της ζωγραφικής του για να φτάσει σ' έναν ορισμό πιο φωτεινό γύρω απ' την αξία των σημείων, της στοιχειώδους γεωμετρικής φόρμας και των χρωμάτων" [...] Ο καλλιτέχνης - δημιουργός "χώνει βαθιά στη φόδρα του την κάννη του" και θεωρεί τον κόσμο σαν μια δική του υπόσταση και τον ίδιο του τον εαυτό τίποτ' άλλο από μια κατάσταση του κόσμου. Αφιερωμένος στην πορφυρή του σκιά αφήνει μια δέσμη φωτός να πετάξει στον αέρα. Εμείς για να τον δούμε ολόκληρο πρέπει να μπούμε στη σκιά του... (Απόσπασμα από τον πρόλογο της έκδοσης)

– Ναι, το πιστεύω – ιδίως όταν σκέφτομαι όλα αυτά που μπορεί να νιώθουν τα παιδιά στο σχολείο, κατά την πρώτη τους «γνωριμία» με την κβαντική θεωρία. Όλο αυτό το δέος και τον θαυμασμό, ενώ αναρωτιούνται με έκπληξη «πώς μπορεί ο κόσμος να δουλεύει έτσι;». Το ίδιο βέβαια ισχύει για όλους μας, από τα παιδιά του λυκείου έως τους ενηλίκους και τους επιστήμονες: η μελέτη των κβαντικών φαινομένων είναι σαν ένα αστυνομικό μυστήριο κατά το οποίο μαζεύουμε αποδεικτικά στοιχεία, αλλά δεν ξέρουμε πώς θα τελειώσει. Ειδικά μεταξύ των ερευνητών και των ερευνητικών ομάδων, γεννάει και έναν παθιασμένο ανταγωνισμό, μια ένταση, και μοιάζει σαν μια πανανθρώπινη διανοητική περιπέτεια, ένα δράμα τού «ποιος θα βρει πρώτος τις απαντήσεις». Η έκπληξη, το μυστήριο, ακόμη και η αισθητική και η ομορφιά που περιέχονται σε όλη αυτή την έρευνα, είναι όλα στοιχεία που μου επιτρέπουν να πω πως πλησιάζουμε αρκετά αυτό το πλούσιο φάσμα των συναισθημάτων στο οποίο αναφερόταν ο Καντίνσκι.

– Σε μια κριτική του για την «Κβαντική κληρονομιά», ο θεωρητικός φυσικός και συγγραφέας Σον Κάρολ αναφωνεί: «Οι φυσικοί είναι άνθρωποι!», κάτι που υποδηλώνεται συνεχώς στο βιβλίο σας. Γιατί, όμως, αυτό δεν είναι αυτονόητο;

Στο TEDxCaltech ο κοσμολόγος Σον Κάρολ θέτει -- σε ένα διασκεδαστικό και προκλητικό ταξίδι στη φύση του χρόνου και του σύμπαντος -- μία φαινομενικά απλή ερώτηση: Γιατί να υπάρχει ο χρόνος; Οι πιθανές απαντήσεις καταδεικνύουν μία εκπληκτική οπτική για την φύση του σύμπαντος και τη θέση μας σε αυτό. A physicist, cosmologist and gifted science communicator, Sean Carroll is asking himself -- and asking us to consider -- questions that get at the fundamental nature of the universe.

– Φαντάζομαι επειδή η έρευνά μας συχνά μοιάζει αφηρημένη, εκφράζεται με «τρομακτικά» μαθηματικά και λαμβάνει χώρα κεκλεισμένων των θυρών, σε δυσπρόσιτα μέρη. Είναι λες και όλοι πιστεύουν πως κάνουμε περίεργες, θεωρητικές έρευνες απομονωμένοι σε κάποια νησιά. Αλλά, ποτέ δεν ήταν έτσι, και δεν είναι έτσι: οι προσωπικές, ανθρώπινες ιστορίες μας είναι ένα μεγάλο κομμάτι της εικόνας – από το πόσο ντροπαλός ήταν ένας από τους μεγαλύτερους φυσικούς στην ιστορία, ο Βρετανός Πολ Ντιράκ, μέχρι το πόσο τρομακτικά επίμονος ήταν ο Στίβεν Χόκινγκ ή το προσωπικό δράμα του Αυστριακού φυσικού Πάουλ Ερενφεστ. 

In his new book of essays, David Kaiser explores quantum physics from a scientific, historical, economic and philosophical standpoint.

Αλλά, ως ιστορικός, ακόμη πιο ενδιαφέρον μού είναι το πώς μπορούμε να χωρίσουμε αυτές τις προσωπικότητες σε διαφορετικές κουλτούρες και εποχές, σε σχολές σκέψης για τι μπορεί να είναι σωστό ή λάθος στη φυσική ή στην καθημερινή ζωή. Πώς ήταν άραγε να ανακαλύπτεις νέα πράγματα στην εποχή των ναζί, μην ξέροντας πού θα χρησιμοποιηθούν, ή πώς μπορεί να ήταν να κάνεις έρευνα πάνω στους πυραύλους κατά την περίοδο του Ψυχρού Πολέμου; Μιλάμε, δηλαδή, για προσπάθειες να ανακαλύψουμε πώς λειτουργεί ο κόσμος σε πολύ συγκεκριμένους τόπους και στιγμές. Και αυτό με ιντριγκάρει πολύ: πώς οι εποχές, το πλαίσιο και οι θεσμοί τους επηρέασαν τις ιδέες μας, την επιστημονική μας έρευνα; Τι προτεραιοποιήθηκε μέσα στην Ιστορία, γιατί γνωρίζουμε τόσο πολλά για κάποια πράγματα και λιγότερο για άλλα; Και αυτό είναι κάτι που ξεπερνά τις μαθηματικές εξισώσεις.

Πηγές: https://www.kathimerini.gr/opinion/interviews/562318660/kvanta-gps-kai-alla-mystiria-tis-zois/ - https://web.mit.edu/dikaiser/www/