Το παράδοξο φαινόμενο EPR της κβαντομηχανικής

Άρθρο Ιούνιος 2001

Η λεγόμενη "μη-τοπικότητα" μια από τις πιο παράξενες θεωρίες της κβαντικής θεωρίας, που μαζί με την γάτα του Schroedinger, ήταν άλλη μια διαμάχη του Einstein με τον υποστηρικτή και συνιδρυτή της κβαντικής θεωρίας τον Niels Bohr (ο άλλος ιδρυτής ήταν ο Einstein! όπως έχουμε αναφέρει στο άρθρο μας για τα "100 χρόνια της κβαντικής θεωρίας").

Με την θεωρία αυτή οι υποστηρικτές της, πιστεύουν πως γεγονότα που συμβαίνουν εδώ, μπορούν να επηρεάσουν γεγονότα σε άλλο σημείο που μπορεί να είναι πολύ απομακρυσμένο από το πρώτο. Το φαινόμενο αυτό ήταν η αιτία που έκανε τον Einstein να δηλώσει πως "ο Θεός δεν παίζει ζάρια με το Σύμπαν", στην διαμάχη του με τον Niels Bohr, με τον οποίο βέβαια ήταν πολύ φίλος.

Στο επίκεντρο της διαμάχης ήταν το περίφημο νοερό πείραμα των Einstein-Podolsky-Rosen, που πήρε την ονομασία EPR  από τα αρχικά τους. Το πείραμα αυτό που έγινε την περίοδο 1934-1935, τότε που ο Einstein και οι συνεργάτες του δούλευαν στο Princeton, πρωτοδημοσιεύθηκε στο περιοδικό Physical Rewiew, με την επιδίωξη να αποδειχθεί πως η κβαντική θεωρία ήταν ελλιπής. Πως τα πειράματα της κβαντομηχανικής, δίνουν την εντύπωση της αβεβαιότητας στον μικρόκοσμο, ενώ δεν δίνει πειστικές εξηγήσεις πάντοτε, όπως στο παράδοξο του EPR.

Το πείραμα έχει να κάνει με μια ιδιότητα των σωματιδίων την ορμή, την περιστροφή κλπ. Εδώ ας θεωρήσουμε την γνωστή ιδιότητα της φοράς του ηλεκτρονίου spin. Αυτή όμως η ιδιότητα, παίρνει δύο μόνο τιμές 1/2 και -1/2 (πάνω και κάτω), αλλά μόνο όταν κάνουμε την μέτρηση της. Σύμφωνα με την "αρχή της απροσδιοριστίας", πριν τη μέτρηση δεν είμαστε σε θέση να γνωρίσουμε την τιμή του spin. Μπορεί να είναι ένα μίγμα των δυνατών τιμών (καταστάσεων), αλλά μόνο μετά την διαδικασία της μέτρησης είμαστε σε θέση να την γνωρίσουμε.

Στο πείραμα EPR, έχουμε δύο σωματίδια πχ ηλεκτρόνια, που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, με αντίθετα spin που το άθροισμά τους είναι συνολικά μηδέν. Είναι δυνατόν με κατάλληλες πειραματικές διατάξεις, να γνωρίζουμε το άθροισμα των ιδιοτήτων τους, χωρίς όμως την γνώση των επιμέρους ιδιοτήτων τους (εδώ του spin).
Αν χωρίσουμε τα δύο ηλεκτρόνια, έστω και σε μακρυνές αποστάσεις, τότε μετρώντας την τιμή της ιδιότητας αυτής στο ένα ηλεκτρόνιο τότε αυτόματα γνωρίζουμε την τιμή της ιδιότητας και του απομακρυσμένου σωματιδίου, έστω και αν δεν την μετρήσουμε, λόγω της γνώσης του αθροίσματος τους, γιατί παραμένει σταθερή και ίση με μηδέν.

Το παράδοξο κατά την κβαντική θεωρία έγκειται στο γεγονός ότι, με την μέτρηση του spin του ηλεκτρονίου, που σημαίνει όπως είπαμε και πιό πάνω, πως "επιλέξαμε" την τιμή του spin του, έγινε ταυτόχρονα και "επιλογή" της τιμής του spin του δεύτερου και απομακρυσμένου ηλεκτρονίου. Ταυτόχρονα με την "κατάρρεευση κύματος" στο πρώτο, είχαμε και την "κατάρρευση κύματος" στο δεύτερο.

Και ο Einstein δεν μπορούσε να δεχθεί πως η "επιλογή" της ιδιότητας στο δεύτερο ηλεκτρόνιο, μεταδίδεται ακαριαία, αφού έτσι παραβιαζόταν η αρχή της θεωρίας της σχετικότητας, που θέτει όριο στην ταχύτητα των σωμάτων. Έτσι όπως φαίνεται από το νοητικό πείραμα, είτε η θεωρία της κβαντομηχανικής δεν είναι πλήρης, είτε παραβιάζεται η θεωρία της σχετικότητας.

Ο Bohr στις αιτιάσεις του Einstein και των άλλων διαφωνούντων στο παράδοξο αυτό, απάντησε πως οι ιδιότητες του μακρόκοσμου διαφέρουν από τον μικρόκοσμο και πως στην Κβαντομηχανική δεν έχει νόημα να μιλάμε για γνώση των φυσικών μεταβλητών του απομακρυσμένου σωματιδίου από την στιγμή που δεν μπορούμε να το παρατηρήσουμε.

Στις δεκαετίες του 1950 και 1960, οι συζητήσεις αναθερμάνθηκαν για την ερμηνεία του φαινομένου και για την πειραματική επαλήθευση του. Ο David Bohm και John Bell ήταν από αυτούς που πρότειναν πειραματικές μεθόδους. Αλλά ευτυχώς για τον Einstein, δεν έζησε για να δει την επιβεβαίωση του φαινομένου αυτού, της μη-τοπικότητας που ήρθε πειραματικά το 1982 από τον Alan Aspect και των συνεργατών του Νταλιμπάρ και Rogers. Βέβαια πολλοί αμφιβάλλουν για την ερμηνεία του αποτελέσματος των πειραμάτων, με συνέπεια να ανατροφοδοτούνται οι σχετικές συζητήσεις.

Σήμερα, οι συζητήσεις οδηγούν σε ένα νέο κλάδο την μετα-κβαντική φυσική, με σκοπό να λυθούν με επιστημονικό τρόπο μερικά από τα μεγαλύτερα μυστήρια του σύμπαντος. Σήμερα γνωρίζουμε πως σωματίδια, που κάτω από ορισμένες συνθήκες ήταν συζευγμένα αρχικά με κάποιο τρόπο, μπορούν και αλληλεπιδρούν με σήματα που ταξιδεύουν με μεγαλύτερες ταχύτητες από το φως. Και αυτό συμβαίνει, όπως είπε ο John Bell, για να δοθεί μια εξήγηση σύμφωνη με τις προβλέψεις της κβαντικής θεωρίας.

Ο David Bohm και D'Espagnat πρότειναν θεωρίες για την ερμηνεία του φαινομένου EPR, που να μην έρχονται σε αντίθεση με την Γενική Σχετικότητα. Επιπλέον πρότειναν, για να εξηγήσουν τέτοια φαινόμενα μη-τοπικότητας, πως κάθε τι στο Σύμπαν είναι συνδεδεμένο με οτιδήποτε άλλο, από την στιγμή που στην κοινή αρχή του Σύμπαντος, όλα ήταν συνδεδεμένα.

Η κβαντική λοιπόν θεωρία, ίσως υπονοεί, πως υπάρχει ένα αόρατος ιστός όπου όλα τα σημεία είναι συζευγμένα σε κβαντικό επίπεδο. Θα μπορούσαν λοιπόν να εξηγηθούν φαινόμενα όπως η τηλεπάθεια, η εφαρμογή ψυχικών δυνάμεων, η άμεση επικοινωνία σε μεγάλες αποστάσεις κλπ.Ίσως αποδειχθεί στο μέλλον η δυνατότητα του νου να ενισχύει και να ελέγχει ψυχικά φαινόμενα.
Υπάρχουν ενδείξεις πως κάποιες μορφές διανοητικής λειτουργίας έχουν σαν αποτέλεσμα να παραβιάζουν την ομαλή συνέχεια του χρόνου και ονομάζονται "προφητικά όνειρα", ψυχικές δυνάμεις κλπ. Γι' αυτές υπάρχουν έργα μεγάλων ερευνητών, όπως του Αρθουρ Καίσλερ και του Κάρλ Γιουνγκ. Μήπως η Νέα Φυσική μπορεί να μας αποκαλύψει την ερμηνεία τους;

Βιβλιογραφία

1. Αιτιότητα και τοπικότητα στη μικροφυσική. 'Εκδοση Ένωσης Ελλήνων Φυσικών, επιμέλεια Ευτύχης Μπιτσάκης 1988
2. Περισκόπιο της Επιστήμης-τεύχος 249
3. Jonathan Powers: Φιλοσοφία και Νέα Φυσική-Παν.Εκδόσεις Κρήτης
4. A. Einstein, B. Podolsky, N. Rosen: "Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?" Physical Review 41, 777 (15 May 1935). (The original EPR paper)
5. D. Bohm: Quantum Theory, Dover, New York (1957). (Bohm discusses some of his ideas concerning hidden variables.)
6. J. Gribbin: In Search of Schrodinger's Cat, Bantam Books. (A popular treatment of EPR and the paradox of "Schrodinger's cat" that results from the Copenhagen interpretation)