Ιστορίες από τον τρελό κόσμο της Κβαντικής Θεωρίας: συμμετρία του χρόνου και ρετρο-αιτιότητα

Dr Emmet Brown (Back To The Future) ArtWork

 

Η κβαντική φυσική αποτελεί μία από τις πιο αξιοπρόσεκτες και εμπνευσμένες επιστημονικές θεωρίες. Και παρόλο που δεν είναι φρέσκια, μοιάζει να είναι περισσότερο επίκαιρη από ποτέ και (γιατί όχι) σαν να έχει έρθει από το μέλλον της σύγχρονης επιστήμης.

Ουσιαστικά αναπτύχθηκε σαν αναγκαιότητα, καθώς κλήθηκε να εξηγήσει φαινόμενα που η κλασική (Νευτώνια) μηχανική και η κλασική ηλεκτροδυναμική αδυνατούσαν να περιγράψουν. Για την ακρίβεια, παρόλο που αυτές οι θεωρίες περιγράφουν με συνέπεια τον κόσμο γύρω μας, δυσκολεύονται στο να ερμηνεύσουν όσα συμβαίνουν σε πολύ μικρούς ή πολύ μεγάλους «κόσμους» (π.χ υποατομικά σωματίδια ή μαύρες τρύπες)

Εκεί λοιπόν είναι που η κβαντική φυσική έδωσε πειστικές απαντήσεις, πολλές φορές μάλιστα χωρίς να αποκλίνει ιδιαίτερα από την κλασική μηχανική, κάτι που οδήγησε στο να θεωρείται η δεύτερη ως οριακή περίπτωση της πρώτης.

Και παρόλο που συνάντησε σθεναρές αντιδράσεις (μιας και ανέτρεπε παγιωμένες αντιλήψεις) ακόμα και από σπουδαίους επιστήμονες όπως ο Αϊνστάιν (ο οποίος μάλιστα συνέβαλε στην ανάπτυξή της), είναι γεγονός πως συνεχίζει να επιβεβαιώνεται πειραματικά για περισσότερο από έναν αιώνα, αναγκάζοντας την επιστημονική κοινότητα να την αποδεχθεί.

H κβαντομηχανική δεν μπορεί να προβλέψει την ακριβή θέση ενός σωματιδίου, παρά μόνο τη πιθανότητα να βρεθεί σε διαφορετικές τοποθεσίες. Στη φώτο, το ηλεκτρόνιο του Υδρογόνου. Οι φωτεινές περιοχές δείχνουν την πιθανότητα να βρεθεί εκεί το ηλεκτρόνιο ανάλογα με τα επίπεδα ενέργειας (By PoorLeno / WikiCommons)

Για την εξέλιξή της δούλεψαν σταδιακά «μεγάλα ονόματα» όπως οι Μαξ Πλανκ, Έρνεστ Ράδερφορντ, Νιλς Μπορ, Έρβιν Σρέντινγκερ, Πολ Ντιράκ (και πολλοί άλλοι), με αποτέλεσμα σήμερα να περιγράφει με πειθώ τη συμπεριφορά της ύλης και να εξηγεί πολλά φυσικά και χημικά φαινόμενα.

Πάνω της -εξάλλου- βασίστηκαν μερικά από τα μεγαλύτερα άλματα σε τεχνολογικό και επιστημονικό επίπεδο. Πυρηνική φυσική, «ηλεκτρονική επανάσταση» και ερμηνεία πολύπλοκων συμπαντικών φαινομένων είναι μερικά μόνο απότοκα της συγκεκριμένης θεωρίας, η οποία δεν θα ήταν υπερβολή να πούμε πως άλλαξε κυριολεκτικά τον κόσμο και μάλιστα φαίνεται πως συνεχίζει να τον αλλάζει.

Και αυτό γιατί στο σήμερα, αναπτύσσονται ήδη τα επόμενα στάδια εφαρμογής της, με τους κβαντικούς υπολογιστές και την κβαντική τηλεμεταφορά (μεταξύ άλλων) να φιλοδοξούν να αποτελέσουν μια νέα επανάσταση.

Παράλληλα, μερικές από τις πιο ριζοσπαστικές επιστημονικές υποθέσεις έρχονται ως συνέχεια του κβαντικού τρόπου σκέψης: οι προς το παρόν ανεπιβεβαίωτες θεωρίες των Υπερχορδών και των «πολλών κόσμων» είναι κάποιες από αυτές.

 

Η διαφορά ανάμεσα στα κλασικά bits των Η/Υ και τα κβαντικά: Τα Qubits μπορούν να βρίσκονται σε 2 καταστάσεις την ίδια στιγμή

 

Κβαντική ρετρο-αιτιότητα

Μια τέτοια ριζοσπαστική υπόθεση είναι η ρετρο-αιτιότητα: η πεποίθηση δηλαδή πως το μέλλον θα μπορούσε να επηρεάζει το παρελθόν. Τουλάχιστον αυτό υποστήριξε το 2012 ο καθηγητής Φιλοσοφίας του Cambridge, Huw Price.

*(Και σε περίπτωση που αναρωτιέστε τι δουλειά έχει ένας καθηγητής φιλοσοφίας σε ζητήματα φυσικής, να επισημάνουμε απλώς πως οι επιστήμες γεννήθηκαν μέσα από τη φιλοσοφία -τον ορθό λόγο που διέλυσε τους μύθους- και συνεχίζουν να πορεύονται μαζί μέχρι και σήμερα. Το κατεξοχήν πεδίο σύγκλισης επιστήμης και φιλοσοφίας είναι η κοσμολογία, η οποία εξετάζει το πώς αλλά και το γιατί δημιουργήθηκε το Σύμπαν. Εξάλλου, το πειραματικά επιβεβαιωμένο Big Bang συνεχίζει να προβληματίζει την επιστημονική κοινότητα, όσο δεν απαντιέται το (μάλλον) φιλοσοφικό ερώτημα «τι υπήρχε πριν;»)

Ο Price λοιπόν υποστήριξε πως αν δεχθούμε την κβαντική διεμπλοκή και αν ο κβαντικός κόσμος είναι συμμετρικός ως προς τον χρόνο, τότε θα μπορούσαμε να έχουμε φαινόμενα «μπρος-πίσω».

Μια τέτοια ιδέα, όπως ήταν λογικό, φάνηκε πολύ ¨προχωρημένη» σε αρκετούς επιστήμονες, ωστόσο οι φυσικοί Matthew S. Leifer και Matthew F. Pusey εργάστηκαν με σκοπό να την υποστηρίξουν. Έτσι λοιπόν με μια δημοσίευσή τους το 2017 πρότειναν πως η κβαντική θεωρία θα πρέπει να είναι ρετρο-αιτιακή και -άρα- πράγματα που συμβαίνουν στο μέλλον να μπορούν να επηρεάσουν το παρελθόν. Γιατί αν αυτό δε συμβαίνει, τότε και ο χρόνος δεν είναι συμμετρικός.

Είναι γεγονός πως τέτοιες προσεγγίσεις ακούγονται μη ρεαλιστικές και πως λείπουν οι απαραίτητες απτές αποδείξεις τις οποίες έχει ανάγκη η επιστημονική μέθοδος, όμως σύμφωνα με τους υποστηρικτές της ρετρο-αιτιότητας έχει σημασία τι δέχεσαι κάθε φορά. Γιατί αν δεχτείς τον ρεαλισμό ως απαράβατο όρο, ενδέχεται να χάσεις τον δρόμο για μια ανακάλυψη που ίσως… τον ξεπερνά. Αντίθετα, αν σκεφτείς χωρίς απαράβατους όρους, τότε οι αποδείξεις ίσως έχουν ήδη δοθεί.

 

Τα πειράματα Bell

New York Times, 4/5 1935: O Αϊνστάιν ισχυρίζεται πως, αν και σωστή, η κβαντική θεωρία δεν είναι ολοκληρωμένη (Image by WikiCommons)

Ένα τέτοιο παράδειγμα είναι τα πειράματα που οδήγησαν στο Θεώρημα Bell. Πρόκειται για μια σειρά πειραμάτων που έγιναν με σκοπό να τεστάρουν την εγκυρότητα της κβαντικής φυσικής σε συνάρτηση με τον «τοπικό ρεαλισμό» του Αϊνστάιν. Η τυχαιότητα και η πιθανοκρατία που συχνά χαρακτηρίζουν τα κβαντικά φαινόμενα, αντίκεινται στον τοπικό ρεαλισμό του Αϊνστάιν, για αυτό και ο ίδιος απέρριπτε την κβαντική θεωρία με την διάσημη ατάκα «ο Θεός δεν παίζει ζάρια».

Για κάποιους αυτή η αντίφαση προέκυπτε λόγω κρυφών μεταβλητών, τις οποίες αν γνωρίζαμε, θα μπορούσαμε εύκολα να προβλέψουμε την εξέλιξη των κβαντικών φαινομένων. Ο Μπελλ ήταν αυτός που απέδειξε πως καμία κρυφή μεταβλητή δεν μπορεί να προβλέψει αυτά τα φαινόμενα. Άρα κάτι από όσα δεχθήκαμε είναι λάθος. Το πείραμα, ο ρεαλισμός ή μήπως η ίδια η κβαντική θεωρία;

Χοντρικά, ο Μπελλ μέτρησε τυχαιότητες και απέδειξε πως υπακούν σε συγκεκριμένες σχέσεις. Απέδωσε αυτή την παρατήρηση στην έννοια της «δράσης από απόσταση» (απομακρυσμένα μεταξύ τους σωματίδια προσαρμόζονται στις επιστημονικές μετρήσεις σαν να «επικοινωνούν»), η οποία όμως δεν εξηγείται από κανέναν γνωστό μηχανισμό. Και εδώ είναι που οι Leifer και Pusey ισχυρίζονται πως δεν πρόκειται για δράση από απόσταση, αλλά για ρετρο-αιτιότητα. Μια μεταγενέστερη χρονικά απόφαση (ο τρόπος μέτρησης), επηρέασε τις προγενέστερες ιδιότητες των σωματιδίων.

 

«The God Effect»: Κβαντική Διεμπλοκή, το πιο παράξενο φαινόμενο στην επιστήμη. Ταξίδι στον χρόνο, τηλεμεταφορά και ο απόλυτος Υπολογιστής

 

Κβαντική διεμπλοκή

Στην ουσία όλα τα παραπάνω βασίζονται στο κοινά αποδεκτό (και εξαιρετικά μυστηριώδες) φαινόμενο της κβαντικής διεμπλοκής. Αν δύο κβαντικά εμπλεκόμενα σωματίδια απομακρυνθούν, τότε οι αλλαγές στο ένα επηρεάζουν και το άλλο, άγνωστο πώς. Για τον Αϊνστάιν ήταν κάτι σαν μια αντίστροφη διαδρομή στον χώρο, για τους εισηγητές της ρετρο-αιτιότητας είναι μια αντίστροφη διαδρομή στον χρόνο.

Ότι κι αν ισχύει, τα πειράματα το επιβεβαιώνουν. Σωματίδια σε καθεστώς κβαντικής εμπλοκής θα μπορούσαν να έχουν οποιαδήποτε πιθανή ιδιότητα (π.χ να κατευθύνονται προς οποιαδήποτε κατεύθυνση), ωστόσο η θεωρία λέει πως οι ιδιότητές τους αλλάζουν, μόλις αυτά παρατηρηθούν. Και η παρατήρηση, μέτρηση κλπ του ενός, οδηγεί σε αντίστοιχη προσαρμογή του άλλου. Ακούγεται τρελό και είτε κάτι κάνουμε λάθος είτε δεν έχουμε ιδέα από φυσική.

 

Η συμμετρία του χρόνου

Προσομοίωση του Πολύτοπου 4 21: Αντικείμενο της γεωμετρίας 8 διαστάσεων. Ανακαλύφθηκε από τον Thorold Gosset το 1900 και σχεδιάστηκε στο χέρι από τον Peter McMullen τη δεκαετία του ’60. (Image created by Jgmoxness / WikiCommons)

Η φυσική δέχεται πως (και) ο χρόνος είναι συμμετρικός και είναι χαρακτηριστικό πως οι νόμοι του Νεύτωνα δεν διακρίνουν ανάμεσα σε παρελθόν και μέλλον, αντίθετα πρεσβεύουν πως ο χρόνος μπορεί να ρέει προς οποιαδήποτε κατεύθυνση.

Εξάλλου τα πάντα γύρω μας είναι συμμετρικά: η φύση, τα μαθηματικά, το σύμπαν. Στην κβαντική θεωρία μάλιστα, αυτή η συμμετρία δεν είναι παρά η γεωμετρία του χρόνου: τα πάντα εξελίσσονται γεωμετρικά και ο παρατηρητής το αντιλαμβάνεται όχι μόνο λόγω της μαθηματικής τους θέσης, αλλά και λόγω της αλληλουχίας τους στον χρόνο, νιώθοντας τα πάντα να κινούνται προς τα μπρος.

Όμως παρά τη συμμετρία, η επιστήμη δέχεται το «βέλος του χρόνου», το οποίο κινείται μόνο προς μία κατεύθυνση (εμπρός). Αυτή η παραδοχή που πηγάζει από τον 2ο νόμο της θερμοδυναμικής, σχετίζεται με την εντροπία (τα πάντα οδεύουν προς μία κατεύθυνση, την εντροπία) και έχει να κάνει και με τον τρόπο γέννησης του Σύμπαντος (χαμηλή εντροπία).

Παρ’ όλα αυτά, ο «δαίμονας του Maxwell» (ένα νοητικό πείραμα) έδειξε ότι (θεωρητικά) ο 2ος νόμος της θερμοδυναμικής μπορεί να παραβιαστεί και η εντροπία μπορεί να αντιστραφεί. Γενικά, η συζήτηση για τον χρόνο είναι ανεξάντλητη, όμως μπορεί να ειπωθεί πως η ύπαρξη του βέλους είναι περισσότερο δείγμα των φυσικών ορίων που μας εμποδίζουν να παρατηρήσουμε, παρά πραγματική απόδειξη της ασυμμετρίας του χρόνου.

 

Κβαντικός Άνθρωπος

Είναι δεδομένο πως η κβαντική θεωρία (παρά τα επιτεύγματά της) ψάχνει ακόμα απαντήσεις. Εύλογα όμως μπορεί κανείς να αναρωτηθεί, κατά πόσο όλα αυτά σχετίζονται με τον άνθρωπο ή μπορούν να βρουν εφαρμογή σ’ αυτόν. Η απάντηση είναι πως όχι μόνο ζούμε σ’ ένα κβαντικό σύμπαν, αλλά και η συμπεριφορά των σωματιδίων που μας αποτελούν φαίνεται πως εξηγείται καλύτερα με βάση τους κβαντικούς νόμους.

Είναι χαρακτηριστικό πως οι επιστήμονες μελετούν τα νευρωνικά δίκτυα του ανθρώπινου εγκεφάλου για να λύσουν τα αινίγματα των κβαντικών φαινομένων. Αν λοιπόν η ρετρο-αιτιότητα είναι σωστή, θα μπορούσε μια απόφαση στο μέλλον της ανθρωπότητας να επηρεάσει το παρελθόν της;

 

Πηγή Phys.org, Wiki, OuterPlaces, StanfordEncyclopediaOfPhilosophy, TowardsDataScience

 

 

Κάντε το πρώτο σχόλιο

Υποβολή απάντησης

Η ηλ. διεύθυνσή σας δεν δημοσιεύεται.


*