Θεωρίες φυσικής

Το φαινόμενο Άμλετ και Ζήνωνα στην κβαντομηχανική

Written by physics4u

Μία κατσαρόλα ποτέ δεν βράζει αν την παρακολουθούμε. Οπλισμένοι με την κοινή λογική και την κλασική φυσική μπορεί να αμφισβητήσουμε τον ισχυρισμό αυτόν. Η κβαντική φυσική όμως θα σας αποστομώσει. Για την κβαντική φυσική η παρατηρούμενη κατσαρόλα αρνείται να βράσει – μερικές φορές. Άλλες φορές πάλι, θα βράσει πιο γρήγορα. Σε άλλες, η από κοντά παρατήρηση θέτει ένα υπαρξιακό δίλημμα αν πρέπει να βράσει ή όχι.

Share

Μία κατσαρόλα ποτέ δεν βράζει αν την παρακολουθούμε. Οπλισμένοι με την κοινή λογική και την κλασική φυσική μπορεί να αμφισβητήσουμε τον ισχυρισμό αυτόν. Η κβαντική φυσική όμως θα σας αποστομώσει. Για την κβαντική φυσική η παρατηρούμενη κατσαρόλα αρνείται να βράσει – μερικές φορές. Άλλες φορές πάλι, θα βράσει πιο γρήγορα. Σε άλλες, η από κοντά παρατήρηση θέτει ένα υπαρξιακό δίλημμα αν πρέπει να βράσει ή όχι.

Αυτή η τρέλα είναι μια λογική συνέπεια της εξίσωσης του Schrödinger, που κατασκεύασε ο Αυστριακός φυσικός Έρβιν Σρέντιγκερ το 1926 για να περιγράψει το πώς εξελίσσονται πιθανοκρατικά τα κβαντικά αντικείμενα (σωματίδια του μικρόκοσμου) με την πάροδο του χρόνου.

Φανταστείτε, για παράδειγμα, τη διεξαγωγή ενός πειράματος με ένα αρχικά αδιάσπαστο ραδιενεργό άτομο σε ένα κουτί. Σύμφωνα με την εξίσωση του Schrödinger, ανά πάσα στιγμή μετά την εκκίνηση του πειράματος το άτομο υπάρχει σε ένα μείγμα ή «υπέρθεση» καταστάσεων, από τη διασπασμένη και την αδιάσπαστη κατάσταση.

Κάθε κατάσταση έχει μια πιθανότητα που συνοδεύει το αντικείμενο που είναι έγκλειστο σε ένα κουτό, σε μια μαθηματική περιγραφή, γνωστή ως κυματοσυνάρτηση. Με την πάροδο του χρόνου, εφ ‘όσον δεν φαίνεται το αντικείμενο, η κυματοσυνάρτηση εξελίσσεται καθώς αυξάνεται σιγά-σιγά η πιθανότητα να έχει διασπαστεί το άτομο.

Μόλις όμως ανοίξουμε το κουτί και ρίξουμε ένα βλέμμα τι γίνεται μέσα, το άτομο επιλέγει – κατά τρόπο σύμφωνο με τις πιθανότητες της κυματοσυνάρτησης – την όποια κατάσταση που θα αποκαλυφθεί μέσα στο κουτί, ενώ συγχρόνως η κυματοσυνάρτηση «καταρρέει» σε μια μοναδική καθορισμένη κατάσταση (χωρίς πιθανότητες).

Αυτή είναι η εικόνα που γέννησε η διαβόητη γάτα του Schrödinger. Ας υποθέσουμε ότι η ραδιενεργός διάσπαση του ατόμου ενεργοποιεί το άνοιγμα ενός φιαλιδίου με δηλητηριώδη αέρια, και μια γάτα είναι μέσα στο κουτί μαζί με το άτομο και το φιαλίδιο. Είναι η γάτα ταυτόχρονα νεκρή και ζωντανή όσο δεν ξέρουμε αν έχει συμβεί η διάσπαση του ατόμου;

Δεν το ξέρουμε. Αυτό που ξέρουμε είναι ότι πειράματα με ολοένα και πιο μεγάλα αντικείμενα – συμπεριλαμβανομένου, πρόσφατα, μιας ταλαντούμενης μικροσκοπικής ταινίας, αρκετά όμως μεγάλης για να την δούμε κάτω από ένα μικροσκόπιο – φαίνεται να δείχνουν ότι πραγματικά μπορεί να υποχρεωθούν τα αντικείμενα να υιοθετήσουν δύο καταστάσεις ταυτόχρονα (Nature).

Το πιο περίεργο πράγμα για όλο αυτό είναι η συνέπεια ότι μόλις εξετάσουμε το αντικείμενο αλλάζει στο πώς συμπεριφέρεται. Πάρτε το διασπασμένο άτομο: παρατηρώντας το και βρίσκοντας το αδιάσπαστο, επαναφέρει το σύστημα σε μια οριστική κατάσταση, και η εξέλιξη της εξίσωσης Schrödinger προς την «διάσπαση» πρέπει να ξεκινήσει πάλι από το μηδέν (γίνεται δηλαδή ένα reset).

Το συμπέρασμα είναι ότι αν κάνετε αρκετά συχνά κατάλληλες μετρήσεις, το σύστημα δεν θα μπορέσει ποτέ να διασπαστεί!. Η δυνατότητα αυτή ονομάζεται “κβαντικό φαινόμενο του Ζήνωνα”, από το όνομα του Έλληνα φιλόσοφου Ζήνωνα του Ελεάτη, ο οποίος επινόησε ένα διάσημο παράδοξο, και «έδειξε» ότι αν διαιρεθεί ο χρόνος σε ολοένα και μικρότερες στιγμές θα μπορούσε να γίνει αδύνατη η όποια αλλαγή ή η κίνηση.

Και βεβαίως το κβαντικό φαινόμενο του Ζήνωνα μπορεί να συμβεί και στην πράξη. Το 1990, ερευνητές στο Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας στο Boulder του Κολοράντο, έδειξαν ότι θα μπορούσαν να κρατήσουν ένα ιόν του βηρυλλίου σε μια ασταθή ενέργεια συνεχώς και όχι σαν σε μια εξισορροπημένη ασταθή κατάσταση – όπως ένα μολύβι που ισορροπεί στην μύτη του -, υπό την προϋπόθεση ότι αυτοί διατηρούν την επανα-καταμέτρηση της ενέργειας.

Υπάρχει και το αντίστροφο φαινόμενο, του «αντι-Ζήνωνα» – κάνοντας μια κβαντική κατσαρόλα να βράζει γρηγορότερα με μια απλή μέτρηση. Όταν ένα κβαντικό αντικείμενο έχει να κινηθεί προς ένα σύνθετο σύνολο καταστάσεων, μια διάσπαση προς μια κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας μπορεί να επιταχυνθεί απλώς μετρώντας το σύστημα αυτό με τον σωστό τρόπο. Το 2001, αυτό το φαινόμενο παρατηρήθηκε σε εργαστηριακό περιβάλλον.

Το τρίτο τέχνασμα είναι το «κβαντικό φαινόμενο Άμλετ”, που προτάθηκε το 2009 από τον Σέρβο Vladan Pankovic του Πανεπιστημίου του Novi Sad. Μια ιδιαίτερα περίπλοκη αλληλουχία μετρήσεων, βρήκε ο Vladan Pankovic, μπορεί να επηρεάσει ένα σύστημα με τέτοιο τρόπο ώστε να κάνει την εξίσωση Schrödinger για την επόμενη εξέλιξή του αρκετά δυσεπίλυτη. Και όπως το θέτει το ζήτημα ο Pankovic: είναι διασπασμένο ή μη-διασπασμένο; είναι ένα άλυτο ζήτημα.

Δείτε αρκετά άρθρα για τον παράξενο κόσμο της κβαντομηχανικής

About the author

physics4u

Απάντηση

Share