Η κβαντική φυσική λέει αντίο στην πραγματικότητα

Πηγή: PhysicsWeb, 20 Απριλίου 2007

Μερικοί φυσικοί είναι ανήσυχοι με την ιδέα ότι όλα τα μεμονωμένα κβαντικά γεγονότα είναι εγγενώς τυχαία. Κι αυτό γιατί πολλοί έχουν προτείνει πιο πλήρεις θεωρίες, οι οποίες προτείνουν ότι τα γεγονότα τουλάχιστον μερικώς κυβερνώνται από τις επιπλέον "κρυμμένες μεταβλητές". Όμως τώρα φυσικοί από την Αυστρία υποστηρίζουν ότι έχουν εκτελέσει ένα πείραμα που αποκλείει μια μεγάλη κατηγορία θεωριών κρυμμένων μεταβλητών που εστιάζονται στο ρεαλισμό -- δίνοντας το δύσκολο συμπέρασμα ότι η πραγματικότητα δεν υπάρχει όταν δεν την παρατηρούμε (Nature 446 871).

Πριν περίπου 40 χρόνια ο φυσικός John Bell πρόβλεψε ότι πολλές θεωρίες με κρυμμένες μεταβλητές θα αποκλείονταν εάν μια ορισμένη πειραματική ανισότητα θα παραβιαζόταν - γνωστή ως "ανισότητα του Bell". Στο νοητικό του πείραμα, μια πηγή πυροδοτεί πεπλεγμένα ζεύγη γραμμικά πολωμένων φωτονίων αντίθετων κατευθύνσεων προς δύο πολωτές, οι οποίοι μπορούν να αλλάξουν προσανατολισμό. Η κβαντική μηχανική λέει ότι πρέπει να υπάρχει ένας υψηλός συσχετισμός μεταξύ των αποτελεσμάτων στους πολωτές, επειδή τα φωτόνια στιγμιαία "αποφασίζουν" μαζί ποιά πόλωση θα λάβουν τη στιγμή της μέτρησης, ακόμα κι αν είναι μακριά. Οι κρυμμένες μεταβλητές, εντούτοις, λένε ότι τέτοιες στιγμιαίες αποφάσεις δεν είναι απαραίτητες, επειδή θα μπορεί να επιτευχθεί ο ίδιος ισχυρός συσχετισμός, εάν τα φωτόνια ενημερώθηκαν με κάποιο τρόπο εκ των προτέρων για τον προσανατολισμό των πολωτών.

Το τέχνασμα του Bell, επομένως, ήταν να αποφασίσει πώς να προσανατολίσει τους πολωτές μόνο αφού έχουν αφήσει τα φωτόνια την πηγή. Εάν οι κρυμμένες μεταβλητές υπήρχαν, τότε θα ήταν ανίκανες να ξέρουν τον προσανατολισμό των πολωτών, και έτσι τα αποτελέσματα θα ήταν συσχετισμένά μόνο στο μισό του χρόνου. Αφ' ετέρου, εάν η κβαντική μηχανική ήταν σωστή, τα αποτελέσματα θα συσχετίζονταν - με άλλα λόγια, η ανισότητα του Bell θα παραβιαζόταν.

Έχουν πραγματοποιηθεί πολλά πειράματα που έχουν ελέγξει πράγματι την παραβίαση της ανισότητας του Bell. Έτσι, αυτά τα πειράματα έχουν αποκλείσει όλες τις θεωρίες περί κρυμμένων μεταβλητών, που βασίζονται στις κοινές υποθέσεις του ρεαλισμού, που η τελευταία δέχεται ότι η πραγματικότητα υπάρχει όταν δεν την παρατηρούμε. Ενώ η τοπικότητα σημαίνει ότι τα γεγονότα σε άλλες περιοχές δεν μπορούν να επηρεάσουν το ένα άλλο στιγμιαία. Αλλά αν παραβιάζεται η ανισότητα του Bell δεν ξέρουμε συγκεκριμένα ποια υπόθεση - ο ρεαλισμός, η τοπικότητα ή και τα δύο μαζί - είναι σε ασυμφωνία με την κβαντομηχανική.

Τώρα όμως ο Markus Aspelmeyer και οι συνάδελφοι του από το πανεπιστήμιο της Βιέννης έχει δείξει ότι ο ρεαλισμός είναι κάτι περισσότερο από το πρόβλημα της τοπικότητας στον κβαντικό κόσμο. Επινόησαν λοιπόν ένα πείραμα που παραβιάζει μια διαφορετική ανισότητα και η οποία προτάθηκε από το φυσικό Anthony Leggett κατά το 2003, που στηρίζεται μόνο στο ρεαλισμό, και όχι στην τοπικότητα. Για να το κάνει αυτό, αντί να πάρει μόνο μετρήσεις κατά μήκος ενός επιπέδου της πόλωσης, η αυστριακή ομάδα πήρε μετρήσεις επιπρόσθετα, και στα κάθετα επίπεδα για να ελέγξει για την ελλειπτική πόλωση.

Διαπίστωσαν ότι, ακριβώς όπως και στα πραγματικά πειράματα που έγιναν με βάση το νοητικό πείραμα του Bell, η ανισότητα Leggett παραβιάζεται - τονίζοντας έτσι τον ισχυρισμό της κβαντομηχανικής ότι η πραγματικότητα δεν υπάρχει όταν δεν τηνν παρατηρούμε. "Η μελέτη μας δείχνει ότι η 'απλή' εγκατάλειψη της έννοιας της τοπικότητας δεν θα ήταν αρκετή για να λάβουμε μια πληρέστερη περιγραφή της κβαντομηχανικής", λέει ο Aspelmeyer. "Θα έπρεπε επίσης να εγκαταλείψετε ορισμένα διαισθητικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα του ρεαλισμού."

Εντούτοις, ο Alain Aspect, ένας φυσικός που εκτέλεσε το πρώτο  πείραμα τύπου Bell στη δεκαετία του '80, σκέφτεται ότι τα φιλοσοφικά συμπεράσματα της ομάδας είναι υποκειμενικά. "Υπάρχουν άλλοι τύποι μη-τοπικών μοντέλων που δεν εξετάζονται είτε από τις ανισότητες Leggett είτε το πείραμα", λέει. "Όμως υποστηρίζω μάλλον την άποψη ότι τέτοιες συζητήσεις, και τα συνοδευτικά πειράματα όπως αυτά της αυστριακής ομάδας, μας επιτρέπουν να κοιτάξουμε βαθύτερα στα μυστήρια της κβαντομηχανικής."

Πολλές φορές έχει υποστηριχτεί ότι η τυχαιότητα και η πιθανοκρατία που παρατηρούμε στα κβαντομηχανικά φαινόμενα οφείλονται στο ότι υπάρχουν κάποιες κρυμμένες μεταβλητές οι οποίες καθορίζουν την εξέλιξη των φαινομένων αλλά δεν τις γνωρίζουμε. Υποστηρίζουν, δηλαδή, οι οπαδοί της θεωρίας των κρυμμένων μεταβλητών (του ρεαλισμού) πως αν γνωρίζαμε αυτές τις άγνωστες μεταβλητές των κβαντικών συστημάτων, τότε τα κβαντικά φαινόμενα θα φαίνονταν και αυτά ντετερμινιστικά και απολύτως προβλεπτά.

Το 1969 όμως ο Ιρλανδός φυσικός John Bell απέδειξε ότι καμιά θεωρία κρυμμένων μεταβλητών που διατηρεί τις παραδοχές της τοπικότητας και του ντετερμινισμού δεν μπορεί να πετύχει τις προβλέψεις της κβαντικής φυσικής.

Αυτό είναι ένα θεωρητικό πόρισμα ζωτικής σημασίας και γι αυτό κα τα τελευταία 40 χρόνια αποτέλεσε την κύρια πηγή πολλών θεωρητικών και πειραματικών ερευνών.

Στο νοητικό πείραμα του Bell υπήρχε μια ανισότητα που αν παραβιαζόταν, τότε αυτό σημαίνει ότι δεν μπορεί να ισχύει καμιά θεωρία κρυμμένων μεταβλητών που διατηρεί την τοπικότητα. Τα πειράματα που έγιναν τα τελευταία χρόνια συμφωνούσαν με τις κβαντικές προβλέψεις και παραβίαζαν την ανισότητα Bell. Ένα από τα πιο αποφασιστικά πειράματα στον τομέα αυτό στάθηκε το πείραμα του Alain Aspect στη Γαλλία, το 1982.

Τέλος πρέπει να αναφέρουμε ότι υπάρχουν σοβαρές τεχνικές δυσκολίες που εμπόδιζαν την άμεση πειραματική επαλήθευση της ανισότητας Bell. Οι δυσκολίες οφείλονταν κυρίως στο ότι ούτε οι πολωτές, ούτε οι ανιχνευτές φωτονίων έχουν απόδοση 100% οπότε δεν ανιχνεύονται όλα τα φωτόνια που εκπέμπει η πηγή. Γι αυτό ελέγχθηκε μια πιο περίπλοκη μορφή της ανισότητας Bell η οποία αναφέρεται σε πείραμα όπου οι μετρήσεις γίνονται με 4 διαφορετικούς προσανατολισμούς των πολωτών.

Σήμερα στο πιο πάνω ζήτημα των κρυμμένων μεταβλητών και της τοπικότητας υπάρχουν δύο σχολές:

1. Η ρεαλιστική, υλιστική ερμηνεία (Δημόκριτος, Γαλιλαίος, Νεύτωνας, Planck, Einstein,  De Broglie, Bohm, Schroedinger, von Laue, Langevin, υλισμός κ.ά.) κατά την οποία :
  Α! Υπάρχει μια φυσική, αντικειμενική πραγματικότητα, ανεξάρτητη από το υποκείμενο και τα μέσα πειραματισμού. Ο πειραματιστής δηλαδή δεν επηρεάζει το αποτέλεσμα της μέτρησης.
  Β! Ισχύει επίσης η αρχή της αιτιοκρατίας, οι αιτίες δηλαδή καθορίζουν το αποτέλεσμα.
  Γ! Ορισμένοι από τους υποστηρικτές της υλιστικής ερμηνείας της φύσης, όπως ο Νεύτωνας, δέχονται ότι τα σώματα αλληλεπιδρούν ακαριαία όσο μακριά κι αν είναι (μη τοπικότητα). Η πεπερασμένη όμως ταχύτητα των φυσικών αλληλεπιδράσεων θεμελίωσε τον τοπικό χαρακτήρα των φαινομένων, που περιγράφονται από τις κλασικές πεδιακές θεωρίες (ηλεκτρομαγνητισμός και θεωρία της βαρύτητας του Αϊνστάιν). Δηλαδή οι εκπρόσωποι αυτοί δέχονται την αρχή της τοπικότητας. Τέλος με την εξίσωση του Schroedinger (1926) περιγράφεται η κίνηση των πραγματικών σωματιδίων που κινούνται στο χώρο και χρόνο θεωρώντας ότι τα σωματίδια  έχουν διπλή φύση όπως δέχεται ο De Broglie.

Μια αυτονόητη υπόθεση της κλασικής φυσικής είναι ότι υπάρχει δυνατότητα, με πολύ προσεκτικό σχεδιασμό των πειραμάτων,  να καταστήσουμε εντελώς αμελητέα τη διαταραχή που προκαλεί ο ερευνητής με την ανάμειξή του στην πορεία των φυσικών φαινομένων. Η υπόθεση αυτή είναι απόλυτα δικαιολογημένη για φαινόμενα μεγάλης κλίμακας, αλλά παύει να είναι για φαινόμενα του μικροκόσμου και για τα σωματίδια που συγκροτούν τα άτομα  (τουλάχιστο με τις σημερινές μεθόδους έρευνάς τους) .

2. Η θετικιστική ερμηνεία (Σχολή της Κοπεγχάγης, Bohr, von Newmann, Heisenberg, Jordan κ.ά.) αμφισβήτησε την ισχύ της ρεαλιστικής ερμηνείας για την αιτιότητα στο χώρο του μικρόκοσμου καθώς υποστήριξαν ότι δεν ισχύει στο μικρόκοσμο και αμφισβήτησε επίσης και την ισχύ της τοπικότητας.

Σύμφωνα δηλαδή με τον Bohr η κβαντική θεωρία δεν περιγράφει τον μικρόκοσμο καθ' εαυτόν,   αλλά όπως αυτός εμφανίζεται κατά την παρατήρηση, δηλαδή μέσα από την αλληλεπίδραση του με τις συσκευές μέτρησης και τον παρατηρητή.