Η γάτα του Schroedinger εισέρχεται σε νέα φάση

Από σελίδα του PhysicsWeb και Nature

Εισαγωγή

Η γάτα βρίσκεται σε ένα κουτί, όπου ένα φωτόνιο που εκπέμπεται συναντά ένα ημιεπαργυρωμένο καθρέπτη, από όπου το μέρος της κυματοσυνάρτησης του φωτονίου που τον διαπερνά πέφτει σε έναν ανιχνευτή ο οποίος, αν ενεργοποιειθεί, αυτόματα πυροδοτεί ένα όπλο και σκοτώνει το γάτο. Εαν αποτύχει να ανιχνεύσει το φωτόνιο ο ανιχνευτής, τότε η γάτα είναι ζωντανή.

Η γάτα του τίτλου μας είναι φανταστικό ζώο, αλλά ο Schroedinger ήταν πραγματικό πρόσωπο. Ο Erwin Schroedinger ήταν γερμανός επιστήμονας που συνέβαλε ουσιαστικά στην ανάπτυξη των εξισώσεων στα μέσα της δεκαετίας 1920,του κλάδου των επιστημών που σήμερα είναι γνωστός ως κβαντομηχανική. Το 1935 ο Erwin Schroedinger πρότεινε ένα διάσημο νοητικό πείραμα στο οποίο μια γάτα ήταν κάπως και ζωντανή και νεκρή συγχρόνως. Ο Schroedinger προσπαθούσε να καταδείξει τους περιορισμούς της κβαντομηχανικής: τα κβαντικά σωματίδια όπως τα άτομα μπορούν να είναι σε δύο ή περισσότερες διαφορετικές κβαντικές καταστάσεις συγχρόνως αλλά βέβαια, υποστήριζε, ένα κλασσικό αντικείμενο φτιαγμένο από μεγάλο αριθμό ατόμων, όπως μια γάτα, δεν θα μπορούσε να είναι σε δύο διαφορετικές καταστάσεις. Αλλά τον Ιούλιο του 2000 ο Jonathan Friedman και συνεργάτες του από το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης (SUNY) έχουν καταδείξει μιά μακροσκοπική κατάσταση για τη γάτα του Schrodinger για πρώτη φορά.

Η κβαντομηχανική θεωρία είναι το σημαντικότερο επίτευγμα της επιστήμης, πολύ σημαντικότερο και με πολύ μεγαλύτερες απευθείας πρακτικές εφαρμογές απ' ό,τι η θεωρία της σχετικότητας. Και επιπλέον, κάνει μερικές πολύ παράξενες προβλέψεις. Ο κόσμος της κβαντομηχανικής είναι στην πραγματικότητα τόσο περίπλοκος, ώστε ακόμη και ο Αlbert Einstein τον έβρισκε ακατανόητο και αρνιόταν να αποδεχθεί όλες τις συνέπειες της θεωρίας που ανέπτυξαν ο Schroedinger και οι συνεργάτες του. 0 Αlbert Einstein, όπως και πολλοί άλλοι επιστήμονες, θεωρούσε προτιμότερο να πιστεύει ότι οι εξισώσεις της κβαντομηχανικής ήταν περισσότερο ένα είδος μαθηματικού τρικ, το οποίο απλώς τύχαινε να είναι εύλογος οδηγός της συμπεριφοράς των ατομικών και υποατομικών σωματιδίων, αλλά ο οποίος απέκρυπτε κάποια βαθύτερη αλήθεια που αντιστοιχούσε περισσότερο προς την καθημερινή μας αίσθηση της πραγματικότητας. Διότι αυτό που λέει η κβαντομηχανική είναι ότι τίποτε δεν μας είναι γνωστό και ότι δεν μπορούμε να πούμε τίποτε για το τι κάνουν τα αντικείμενα όταν δεν τα παρατηρούμε. Η μυστηριώδης γάτα του Schroedinger επινοήθηκε για να κάνει σαφή τη διαφορά μεταξύ του κβαντικού και του καθημερινού κόσμου.

Οι παράξενες ιδιότητες της κβαντομηχανικής

Στην περιοχή της κβαντομηχανικής οι νόμοι της φυσικής όπως τους γνωρίζουμε από την καθημερινή εμπειρία παύουν πλέον να ισχύουν. Τα γεγονότα κυβερνώνται από τις πιθανότητες. Ενα ραδιενεργό άτομο, για παράδειγμα, θα μπορούσε να αποσυντεθεί εκπέμποντας ένα ηλεκτρόνιο, όπως ακριβώς θα μπορούσε και να μην το κάνει. Είναι δυνατόν να δημιουργήσουμε μια πειραματική διάταξη με τέτοιο τρόπο, ώστε να υπάρχει πιθανότητα ακριβώς 50-50 ένα άτομο κάποιου ραδιενεργού υλικού να αποσυντεθεί σε καθορισμένη χρονική στιγμή και ένας ανιχνευτής να καταγράψει το γεγονός όταν πράγματι συμβεί. 0 Schroedinger, το ίδιο αναστατωμένος από τις συνέπειες της κβαντικής θεωρίας όπως και ο Einstein, προσπάθησε to 1935 να δείξει τον παραλογισμό αυτών των συνεπειών, επινοώντας ένα φανταστικό πείραμα στο οποίο μια γάτα τίθεται σε μιά κβαντική υπέρθεση ζωντανών και νεκρών καταστάσεων.

Συγκεκριμμένα για τις ανάγκες του νοητικού πειράματος μιά ζωντανή γάτα τοποθετείται σε κάποιο κλειστό δωμάτιο, ή κουτί που περιέχει ένα ραδιενεργό ύλικό, μαζί με μια φιάλη δηλητήριου, έτσι διαρυθμισμένα ώστε αν η ραδιενεργός αποσύνθεση πράγματι συνέβαινε να σπάσει η φιάλη με το δηλητήριο και να πεθάνει η γάτα. Στον καθημερινό μας κόσμος υπάρχει μια πιθανότητα 50-50 η γάτα να πεθάνει, και χωρίς να κοιτάξουμε στο εσωτερικό του κουτιού μπορούμε να πούμε, αρκετά εύκολα, ότι η γάτα που βρίσκεται μέσα είναι είτε ζωντανή είτε νεκρή.

Που όμως συναντούμε την παραξενιά του κβαντικού κόσμου; Σύμφωνα με τη θεωρία, καμιά από τις δύο δυνατότητες που υπάρχουν για το υλικό, και επομένως και για τη γάτα, δεν είναι πραγματική, εκτός και αν παρατηρηθεί. Η ατομική αποσύνθεση ούτε έχει συμβεί ούτε δεν έχει συμβεί και η γάτα ούτε έχει πεθάνει ούτε ειναι ζωντανή, μέχρις ότου κοιτάξουμε στο εσωτερικό του κουτιού και δούμε τι έγινε!

Οι θεωρητικοί που αποδέχονται την καθαρή εκδοχή της κβαντομηχανικής ισχυρίζονται ότι η γάτα υπάρχει σε κάποια απροσδιόριστη κατάσταση, ούτε ζωντανή ούτε νεκρή, έως ότου κάποιος παρατηρητής κοιτάξει στο κουτί και δει πώς παν τα πράγματα. Τίποτε δεν είναι πραγματικό, εκτός εάν παρατηρείται.
Η ιδέα ήταν ανάθεμα μεταξύ άλλων και για τον Einstein. Σε ό, τι αφορά τη μη πραγματική κατάσταση της γάτας του Schroedinger, την είχε απορρίψει, υιοθετώντας ότι θα έπρεπε να υπάρχει κατά βάθος κάποιος ωρολογιακός μηχανισμός (συγκεκαλυμμένες μεταβλητές ή παράμετροι), ο οποίος και κατευθύνει τη θεμελιώδη πραγματικότητα των καταστάσεων. Ξόδεψε πολλά χρόνια προσπαθώντας να επινοήσει διάφορα τεστ τα οποία ίσως αποκάλυπταν αυτή τη θεμελιώδη πραγματικότητα, αλλά πέθανε πριν καταστεί δυνατό να πραγματοποιήσει ένα τέτοιο πείραμα.

Είναι αλήθεια πως αυτό το κλουβί με τη γάτα δίνει ακριβώς το παράδειγμα που χρειάζονται οι Φυσικοί για να δείξουν τη δύναμη της ερμηνείας των πολλών κόσμων στην κβαντομηχανική. Η έκπληξη βρίσκεται στο ότι τα ίχνη οδηγούν όχι σε μία πραγματική, αλλά σε δύο γάτες!

Οι εξισώσεις της κβαντομηχανικής μας λένε ότι στο εσωτερικό του κλουβιού του περίφημου πειράματος με τη σκέψη, που επινόησε ο Schroedinger υπάρχουν παραλλαγές μιας κυματοσυνάρτησης "ζωντανής γάτας» και «νεκρής γάτας» που και οι δύο είναι το ίδιο πραγματικές. Η τυπική ερμηνεία της σχολής της Κοπενχάγης θεωρεί αυτές τις δυο δυνατότητες από διαφορετική προοπτική και ισχυρίζεται, κατ' επέκταση, ότι αμφότερες οι κυματικές συναρτήσεις είναι ισοδύναμα μη πραγματικές και ότι μία μόνον από αυτές αποκρυσταλλώνεται ως πραγματική όταν κοιτάξουμε στο εσωτερικό του κλουβιού.

Η ερμηνεία που δίνουν ορισμένοι φυσικοί αποδέχεται και τις δυο κβαντικές συναρτήσεις όπως ακριβώς έχουν και ισχυρίζεται ότι και οι δύο γάτες είναι πραγματικές. Υπάρχει μια ζωντανή γάτα και υπάρχει και μια νεκρή γάτα. Βρίσκονται όμως σε διαφορετικούς κόσμους. Το ραδιενεργό υλικό στο εσωτερικό του κλουβιού δεν επρόκειτο συγχρόνως να είχε αποσυντεθεί ή να μην είχε αποσυντεθεί, αλλά τα έκανε και τα δυο.
Δύο καταστάσεις μπορεί να δημιουργήθηκαν στη μία το ραδιενεργό άτομο αποσυντέθηκε και η γάτα απεβίωσε, ενώ στην άλλη το άτομο δεν αποσυντέθηκε και η γάτα είναι ζωντανή. Μοιάζει σαν επιστημονική φαντασία αλλά πηγαίνει πολύ βαθύτερα από οποιαδήποτε επιστημονική φαντασία και βασίζεται στις  μαθηματικές εξισώσεις της κβαντομηχανικής. 

Νέα πειράματα ενισχύουν την κβαντική θεωρία

Η ιδέα αυτή παρέμεινε σαν μια θεωρητική παραξενιά μέχρι τη δεκαετία του '80 όταν προτάθηκε ότι, υπό τους κατάλληλους όρους, ένα μακροσκοπικό αντικείμενο με πολλούς μικροσκοπικούς βαθμούς ελευθερίας θα μπορούσε να συμπεριφερθεί σαν κβαντικομηχανικό σωματίδιο, υπό τον όρο ότι αυτό έχει αποσυνδεθεί αρκετά από το περιβάλλον του. Αν και πολλή πρόοδος έχει σημειωθεί στην επίδειξη της μακροσκοπικής κβαντικής συμπεριφοράς των διάφορων συστημάτων όπως σε υπεραγωγούς, σε μαγνήτες νανοκλίμακας, σε ιόντα παγιδευμένα και ψυχθέντα με λέιζερ, σε φωτόνια μιάς μικροκυματικής κοιλότητας και σε C₆₀ μόρια, δεν έχει υπάρξει καμία πειραματική επίδειξη μιάς κβαντικής υπέρθεσης αληθινών μακροσκοπικών ευδιάκριτων καταστάσεων.

Το καλοκαίρι όμως του 1982, στο Πανεπιστήμιο του Παρισιού, στη Γαλλία, μια ομάδα με επικεφαλής τον Αλαίν Ασπέ ολοκλήρωσε μια σειρά πειραμάτων που είχαν σχεδιαστεί για την καταγραφή της πραγματικότητας που βρίσκεται κάτω από τον μη πραγματικό κόσμο των κβάντα. Σ' αυτή την κατά βάθος πραγματικότητα - τον θεμελιώδη ωρολογιακό μηχανισμό - δόθηκε η ονομασία συγκεκαλυμμένες παράμετροι και το πείραμα αφορά στη συμπεριφορά δύο φωτονίων , που κινούνται από μία πηγή προς αντίθετες κατευθύνσεις.  Τα δυο φωτόνια της ίδιας πηγής μπορούν να παρατηρηθούν από δύο ανιχνευτές οι οποίοι μετρούν μία ιδιότητα που ονομάζεται πολικότητα. Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία αυτή η ιδιότητα δεν υπάρχει έως ότου μετρηθεί. Σύμφωνα με την ιδέα των συγκεκαλυμμένων παραμέτρων, κάθε φωτόνιο έχει μία «πραγματική» πολικότητα από τη στιγμή που δημιουργείται. Επειδή τα δύο φωτόνια εκπέμπονται ταυτοχρόνως οι πολικότητές τους είναι συσχετισμένες. Αλλά η φύση της συσχετίσεως που πράγματι καταγράφεται είναι διαφορετική σύμφωνα προς τις δύο όψεις της πραγματικότητος.

Τα αποτελέσματα αυτού του αποφασιστικού πειράματος είναι αναμφισβήτητα. Το είδος του συσχετισμού που προβλέπεται από τη θεωρία των συγκεκαλυμμένων παραμέτρων δεν βρέθηκε, και επιπλέον, για μια ακόμη φορά όπως προβλεπόταν από την κβαντική θεωρία, η μέτρηση που γίνεται πάνω στο ένα φωτόνιο έχει ακαριαία επίδραση στη φύση του άλλου φωτονίου. Κάποια αλληλεπίδραση τα συνδέει, χωρίς να μπορεί να εξιχνιαστεί, παρόλο ότι κινούνται προς αντίθετες κατευθύνσεις με την ταχύτητα του φωτός και η θεωρία της σχετικότητος μας λέει ότι τίποτε δεν μπορεί να ταξιδέψει ταχύτερα από το φως. Τα πειράματα απέδειξαν ότι δεν υπάρχει καμιά κατά βάθος πραγματικότητα στον κόσμο. Η «πραγματικότητα», με την καθημερινή αίσθηση που έχουμε γι' αυτήν , δεν είναι καλός οδηγός όταν σκεφτόμαστε τα στοιχειώδη σωματίδια που απαρτίζουν το σύμπαν. επιπλέον, την ίδια στιγμή αυτά τα σωματίδια φαίνεται ότι είναι αδιάρρηκτα συνδεδεμένα σε ένα αδιαίρετο όλον, καθένα ενήμερο του τι συμβαίνει στα άλλα.

Αλλά και κατά τη διάρκεια του 2000 δημοσιεύτηκαν πειραματικά στοιχεία που δείχνουν ότι μια υπεραγώγιμη κβαντική συσκευή παρέμβασης (superconducting quantum interference devices -SQID) μπορεί να τεθεί σε μιά υπερθεση δύο κατάστασεων μαγνητικής ροής: Μία κατάσταση που αντιστοιχεί σε μερικά microamperes του ρεύματος που ρέει κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού, και μιά άλλη που αντιστοιχεί στο ίδιο ποσό του ρεύματος αλλά που ρέει αντίθετο προς την φορά των δεικτών του ρολογιού.

Συγκεκριμμένα πριν από λίγους μήνες (Ιούλιος 2000) ο Jonathan Friedman και συνεργάτες του από το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης (SUNY) αλλά και στο Delft έχουν καταδείξει μιά μακροσκοπική κατάσταση για τη γάτα του Schrodinger για πρώτη φορά. Οι συσκευές που χρησιμοποιούν έχουν σχήμα δακτυλίου, στις οποίες σταθερά ρεύματα, φιαγμένα από δισεκατομμύρια ζευγάρια ηλεκτρονίων, μπορούν να κυκλοφορήσουν είτε προς την φορά των δεικτών του ρολογιού είτε αντίθετα χωρίς αποσύνθεση.
Η συσκευή τους αυτή γίνεται από το νιόβιο, που είναι υπεραγώγιμο στις θερμοκρασίες των 40 millikelvin που χρησιμοποιούνται στο πείραμα, και από οξείδιο του αργιλίου, το οποίο ενεργεί ως εμπόδιο. Μια ασπίδα παλλάδιου και χρυσού προστατεύει τη συσκευή από τις αλληλεπιδράσεις με το περιβάλλον που ειδάλλως θα εμπόδιζε τις κβαντικές υπερθέσεις που μελετώνται στο πείραμα.

Το σύστημα μπορεί να αναπαρασταθεί σαν ένα πηγάδι δυναμικού με δύο ελάχιστα, και τα δύο  περιέχουν αρκετές καταστάσεις δεσμεύσεων, που χωρίζονται από ένα φράγμα. Ο Friedman και οι συνάδελφοι του αρχίζουν με ένα ρεύμα περίπου 1 microamp που ρέει, για παράδειγμα, στην κατεύθυνση κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού. Έπειτα φωτίζουν το SQUID με   μικροκύματα που διεγείρουν το σύστημα σε μιά κατάσταση κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού με την υψηλότερη ενέργεια. Το σύστημα μπορεί τώρα να αλλάξει από την μία κατάσταση (κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού) στην αντίθετη προς την φορά των δεικτών του ρολογιού, και ξανά πάλι αντίθετα.

Ουσιαστικά η ερώτηση είναι εάν το σύστημα θυμάται ή ξεχνά την κβαντική κατάσταση του καθώς αλλάζει. Για να απαντήσει σε αυτό η ομάδα των φυσικών μετρά την πιθανότητα της εύρεσης του ρεύματος που ρέει στην αντίθετη προς την φορά των δεικτών του ρολογιού κατεύθυνση καθώς η μορφή του διπλού-φρεατίου δυναμικού αλλάζει. Τα αποτελέσματα είναι ακριβώς όπως προβλέπονται με να υποθέσουν ότι το σύστημα είναι σε μιά μακροσκοπική υπέρθεση των καταστάσεων. Η διαφορά μεταξύ των δύο καταστάσεων αντιστοιχεί σε ένα ρεύμα 2 έως 3 microamps ή σε μια μαγνητική ορμή των 10 δισεκατομμυρίων   κατά Bohr  magnetons, η οποία είναι "αληθινά μακροσκοπική" σύμφωνα με τον Friedman και τους συναδέλφους του.

Επίλογος

Η αναζήτηση για τη γάτα του Schroedinger ήταν η αναζήτηση της κβαντικής πραγματικότητας. Από αυτή τη σύντομη περιγραφή ίσως φανεί ότι η έρευνα έχει αποδειχθεί άκαρπη, εφόσον δεν υπάρχει πραγματικότητα με την καθημερινή έννοια του όρου. Αλλά αυτά δεν είναι καθόλου το τέλος της ιστορίας, και αυτή η αναζήτηση ίσως μας οδηγήσει σε μια νέα κατανόηση που υπερβαίνει, και παρ' όλα αυτά περιέχει, τη συνηθισμένη ερμηνεία της κβαντομηχανικής. Το μονοπάτι είναι μακρύ και αρχίζει με κάποιον επιστήμονα (τον Schroedinger) ο οποίος θα μπορούσε και να ήταν περισσότερο τρομοκρατημένος από τον Einstein εάν μπορούσε να δει τις απαντήσεις που σήμερα έχουμε στα ερωτήματα που τον παίδευαν. 0 Ισαάκ Νεύτων, μελετώντας τη φύση του φωτός πριν τρεις αιώνες, ούτε που θα μπορούσε να έχει ιδέα για το ότι περπατούσε στο μονοπάτι που οδηγεί στη γάτα του Σραίντιγκερ.