Δευτέρα, 21 Νοεμβρίου 2016

Πώς η Κβαντομηχανική μεταμορφώνει τον κόσμο μας: "Αυτό σημαίνει ότι η ίδια η πραγματικότητα δεν είναι πραγματική;"



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. ...
 
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!».

 
 
Dr. Anton Zeilinger,
πρωτοπόρος πειραματιστής της Κβαντικής στον κόσμο.
  
  
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

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.
 

Ο Einstein επιτίθεται στην Κβαντική Θεωρία.
(New York Times, 4 Μαΐου 1935).
 
  
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 Bellπρότεινε 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.

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.

  
  
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.
 

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.

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.

 
 
Το διαβόητο πείραμα της διπλής σχισμής.

Τι είναι η ύλη; Σωματίδια ή κύματα; Και τι είδους κύματα; 
Και ποιά η σχέση του παρατηρητή με αυτά; 
O παράξενος, φανταστικός κόσμος της συμπεριφοράς των κβάντα.
 

Τα παράδοξα
του πειράματος της διπλής σχισμής
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.

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.

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.

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.
 ==========================
 "O σιωπών δοκεί συναινείν"

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου