Τα γατάκια του Schrödinger εισέρχονται στον κλασσικό κόσμο
Η θεωρία δείχνει πως το κβαντικό παράδοξο θα μπορούσε να φανεί ακόμα και σε μια μεγάλη κλίμακα.
 

Πηγή: Nature, 22 Νοεμβρίου 2007

Τα σωματίδια που αποτελούν τον κόσμο υπακούουν στους κανόνες της κβαντικής θεωρίας, που τους επιτρέπει έτσι να κάνουν αντίθετα προς την κοινή λογική πράγματα όπως η παρουσία σε διαφορετικές θέσεις ή καταστάσεις ταυτόχρονα, αλλά γιατί δεν βλέπουμε αυτό το είδος της παράξενης συμπεριφοράς στον κόσμο γύρω μας;

Η εξήγηση που προσφέρεται συνήθως στα εγχειρίδια φυσικής είναι ότι τα κβαντικά αποτελέσματα ισχύουν μόνο στις πολύ μικρές κλίμακες, και όχι στις καθημερινές κλίμακες που μπορούμε να αντιληφθούμε.

Αλλά αυτό μπορεί και να μην ισχύει απαραίτητα, λένε δύο φυσικοί στην Αυστρία. Υποστηρίζουν ότι εμείς θα βλέπαμε τα κβαντικά παράδοξα όλη την ώρα - σφαίρες που δεν θα ακολουθούν καθορισμένες πορείες, για παράδειγμα, ή αντικείμενα που θα διέρχονται μέσω μιας 'σήραγγας' από σφραγισμένα κιβώτια - αν και μόνο αν είχαμε οξύτερες δυνάμεις της αντίληψης.

Οι Johannes Kofler και Časlav Brukner από το πανεπιστήμιο της Βιέννης και του Ιδρύματος Κβαντικής Οπτικής και Κβαντικών Πληροφοριών, επίσης στη Βιέννη, λένε ότι η ανάδυση των "κλασσικών" νόμων της φυσικής, που βρέθηκαν αφαιρετικά από τον Γαλιλαίο και το Νεύτωνα, από τους κβαντικούς κανόνες συμβαίνει όχι όταν τα αντικείμενα γίνονται μεγαλύτερα, αλλά λόγω των τρόπων που μετράμε αυτά τα αντικείμενα.

Εάν θα μπορούσαμε να κάνουμε κάθε μέτρηση με όση ακρίβεια θέλαμε δεν θα υπήρχε κανένας κλασσικός κόσμος, ισχυρίζονται.

Σκοτώνοντας τη γάτα

Ο αυστριακός φυσικός Erwin Schrödinger εξήγησε περίφημα την προφανή σύγκρουση μεταξύ της κβαντικής και κλασσικής περιγραφής του κόσμου. Φαντάστηκε μια κατάσταση όπου μια γάτα παγιδεύεται σε ένα κιβώτιο μαζί με μια μικρή φιάλη δηλητηρίου, που θα έσπαζε μόνο εάν ένα κβαντικό σωματίδιο ήταν σε μια ορισμένη κατάσταση, και δεν θα έσπαζε εάν το σωματίδιο ήταν σε μια άλλη.

Η κβαντική θεωρία δηλώνει ότι ένα τέτοιο σωματίδιο μπορεί να υπάρξει σε μια υπέρθεση και των δύο καταστάσεων έως ότου παρατηρηθεί, στο οποίο σημείο η κβαντική υπέρθεση καταρρέει στη μια ή στην άλλη κατάσταση. Ο Schrödinger επισήμανε ότι αυτό σημαίνει ότι η γάτα δεν είναι ούτε νεκρή ούτε ζωντανή έως ότου κάποιος ανοίξει το κιβώτιο για να δει τη γάτα - ένα φαινομενικά παράλογο συμπέρασμα.

Οι φυσικοί γενικά επιλύουν αυτό το παράδοξο επικαλούμενοι μια διαδικασία που ονομάζεται αποσυνοχή (decoherence): η καταστροφή της κβαντικής υπέρθεσης μόλις τα κβαντικά σωματίδια αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους. Όσο πιο πολλά κβαντικά σωματίδια υπάρχουν σε ένα σύστημα, τόσο πιο δύσκολο είναι να αποτραπεί η αποσυνοχή. Έτσι σε κάποια φάση της ένωσης ενός κβαντικού σωματιδίου με ένα μακροσκοπικό αντικείμενο - όπως μια φιάλη με δηλητήριο - υπεισέρχεται η διαδικασία της αποσυνοχής και η υπέρθεση καταστρέφεται. Αυτό σημαίνει ότι η γάτα του Schrödinger είναι αναμφίβολα πάντα σε μια ρεαλιστική "κατάσταση", είτε ζωντανή είτε νεκρή, και όχι και στις δύο συγχρόνως.

Αλλά εδώ δεν τελειώνει η ιστορία μας, λένε οι Kofler και Brukner. Νομίζουν ότι αν και η αποσυνοχή επεμβαίνει τυπικά στην πράξη, δεν χρειάζεται να κάνει τίποτα σε γενικές γραμμές. 

Φέρνοντας τη γάτα πίσω

"Προτιμάμε να πούμε ότι η γάτα δεν είναι ούτε νεκρή ούτε ζωντανή, αλλά σε μια νέα κατάσταση που δεν έχει κανένα αντίστοιχο στην κλασσική φυσική", λένε οι  Johannes Kofler και Časlav Brukner.

Η μοίρα της γάτας του Schrödinger είναι ένα παράδειγμα αυτού που το 1985 οι φυσικοί Anthony Leggett και Anupam Garg ονόμασαν μακρο-πραγματικότητα. Σε έναν μακρορεαλιστικό κόσμο, είπαν, τα αντικείμενα είναι πάντα σε μια μόνο κατάσταση και μπορούμε να τους κάνουμε μετρήσεις χωρίς να αλλάξουμε αυτή την κατάσταση. Ο καθημερινός κόσμος μας φαίνεται να υπακούει σε αυτούς τους κανόνες. Σύμφωνα με τη μακρορεαλιστική άποψη, "δεν υπάρχει καμία γάτα του Schrödinger που να επιτρέπεται" λέει ο Kofler.

Αλλά οι Kofler και Brukner έχουν αποδείξει ότι μια κβαντική κατάσταση μπορεί να γίνει τόσο "μεγάλη" όσο θέλετε, χωρίς να προσαρμοστείτε στο μακρορεαλισμό.

Το ρολόι αρκετά, και η βελόνα της πυξίδας περιστασιακά μπορεί να πηδήσουν στιγμιαία μεταξύ διαφορετικών κατευθύνσεων 

Οι δύο ερευνητές θεωρούν ένα σύστημα συγγενές με μια μαγνητική βελόνα της πυξίδας όταν τοποθετείται σε ένα μαγνητικό πεδίο. Στον κλασσικό κόσμο μας, η βελόνα περιστρέφεται με μια ομαλή κίνηση που μπορεί να περιγραφεί από την κλασσική φυσική. Αλλά στον κβαντικό κόσμο, η βελόνα θα μπορούσε να είναι σε μια υπέρθεση διαφορετικών διευθύνσεων, και θα μεταπηδούσε στιγμιαία σε μια ιδιαίτερη διεύθυνση μόλις προσπαθούσαμε να τη μετρήσουμε.

Αλλά γιατί δεν βλέπουμε τα κβαντικά άλματα όπως αυτό; Οι ερευνητές δείχνουν ότι εξαρτάται από την ακρίβεια της μέτρησης. Εάν οι μετρήσεις είναι λίγο μπερδεμένες, έτσι ώστε να μην μπορούμε να διακρίνουμε μια κβαντική κατάσταση από αρκετές άλλες, παρόμοιες όμως, τότε μετατρέπονται οι κβαντικές παραξενιές σε μια κλασσική εικόνα.

Οι Kofler και Brukner δείχνουν ότι, μόλις εισαχθεί ένας βαθμός ασάφειας στις μετρούμενες τιμές, οι κβαντικές εξισώσεις που περιγράφουν τη συμπεριφορά ενός αντικειμένου στρέφονται σε κλασσικές. Αυτό συμβαίνει ανεξάρτητα από το εάν υπάρχει οποιαδήποτε αποσυνοχή που προκαλείται από την αλληλεπίδραση με το περιβάλλον.

Προσέξτε τη γάτα

Ο Kofler λέει ότι πρέπει να είμαστε σε θέση να δούμε αυτήν την μετάβαση μεταξύ της κλασσικής και κβαντικής συμπεριφοράς. Η μετάβαση θα ήταν περίεργη: η κλασσική συμπεριφορά θα διακοπτόταν κατά διαστήματα από περιστασιακά κβαντικά άλματα, έτσι ώστε, για παράδειγμα, η βελόνα της πυξίδας θα περιστρεφόταν συνήθως ομαλά, αλλά μερικές φορές θα πηδούσε στιγμιαία.

Αλλά η παρατήρηση τέτοιων κβαντικών αλμάτων μεταξύ της ζωής και του θανάτου στη γάτα του Schrödinger, θα χρειαζόταν να είμαστε εμείς σε θέση να μετρήσουμε έναν πάρα πολύ μεγάλο αριθμό κβαντικών καταστάσεων. Για μια "γάτα" που περιέχει 10²⁰ κβαντικά σωματίδια, για παράδειγμα, θα πρέπει να είμαστε σε θέση να πούμε τη διαφορά μεταξύ 10¹⁰ καταστάσεων - πάρα πολλές για να είναι εφικτό.

Τα πειραματικά μας εργαλεία ήδη πρέπει να είναι αρκετά καλά, λένε οι ερευνητές, για να ψάξουν αυτήν την μετάβαση σε πολλά μικρότερα "γατάκια Schrödinger": που είναι αντικείμενα που αποτελούνται από έναν μικρότερο αριθμό σωματιδίων. Σε ποιά κατάσταση εκείνα τα "γατάκια" θα ήταν μέσα στο θάλαμο; "Προτιμάμε να πούμε ότι δεν είναι ούτε νεκρά ούτε ζωντανά," λένε οι Kofler και Brukner, "αλλά σε μια νέα κατάσταση που δεν έχει κανένα αντίστοιχο στην κλασσική φυσική." Κανένας ακόμα δεν έχει ψάξει για τέτοια αποτελέσματα.

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. Ένα 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 το 1935 να δείξει τον παραλογισμό αυτών των συνεπειών, επινοώντας ένα φανταστικό πείραμα στο οποίο μια γάτα τίθεται σε μια κβαντική υπέρθεση ζωντανών και νεκρών καταστάσεων.

Συγκεκριμένα για τις ανάγκες του νοητικού πειράματος μια ζωντανή γάτα τοποθετείται σε κάποιο κλειστό δωμάτιο, ή κουτί που περιέχει ένα ραδιενεργό υλικό, μαζί με μια φιάλη δηλητηρίου, έτσι διαρρυθμισμένη ώστε αν πράγματι συνέβαινε η ραδιενεργός αποσύνθεση, 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 είναι 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 ότι 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 να αποκάλυπταν αυτή τη θεμελιώδη πραγματικότητα, αλλά πέθανε πριν καταστεί δυνατό να πραγματοποιήσει ένα τέτοιο πείραμα.