ΟΙ ΕΡΜΗΜΕΙΕΣ ΤΗΣ ΚΒΑΝΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ

 

Η Κβαντική Μηχανική, σχεδόν 80 χρόνια μετά την άφιξή της, έχει καθιερωθεί και έχει περάσει με επιτυχία κάθε πειραματικό έλεγχο. Προέβλεψε και εξήγησε μια ολόκληρη σειρά από φυσικά φαινόμενα πολύ λεπτής φύσης. Αλλά η φυσική της ερμηνεία δεν έχει κερδίσει την καθολική αποδοχή από την επιστημονική κοινότητα. Πολλοί επιστήμονες θεωρούν μη-ικανοποιητικό το πλαίσιο μέσα στο οποίο η κβαντική μηχανική περιγράφει τον κόσμο. Τα θεμέλια της Κβαντομηχανικής είναι κάτι το οποίο πρέπει, και αξίζει, να διερευνηθεί περαιτέρω προκειμένου να αποκτήσουμε μια πιο αυστηρή εποπτεία των λεπτών φυσικών διαδικασιών που συνιστούν τον κόσμο μας.

Θα παρουσιαστούν οι συνόψεις των πιο δημοφιλών κατηγοριών φυσικών ερμηνειών της Κβαντομηχανικής. Υποθέτουμε την οικειότητα του αναγνώστη με έννοιες όπως ντετερμινισμός, υπέρθεση καταστάσεων, παράδοξο EPR, κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης, παράδοξο της μέτρησης, κβαντική διεμπλοκή και την έννοια της τοπικότητας στην φυσική.

 

 

Κατάταξη των ερμηνειών

  1. Ερμηνεία της Κοπεγχάγης
  2. Ερμηνεία των πολλών κόσμων
  3. Υποκειμενισμός, ο ρόλος της συνείδησης του παρατηρητή
  4. Αποσυνοχή
  5. Αντικειμενική κατάρρευση
  6. Προσέγγιση των συνεπών ιστοριών
  7. Θεωρίες τοπικών κρυμμένων μεταβλητών
  8. Θεωρίες μη- τοπικών κρυμμένων μεταβλητών

1. Ερμηνεία της Κοπεγχάγης

Πρόκειται για την πρώτη απόπειρα φυσικής ερμηνείας της Κβαντομηχανικής, αναπτύχθηκε κυρίως από τον Niels Bohr στην Κοπεγχάγη. Εκφράζει την πεποίθηση πως το κβαντικό σύστημα υπό διερεύνηση πρέπει να θεωρηθεί ως όλον με τον πειραματικό μηχανισμό που το διερευνά. Επίσης ότι το είδος της μέτρησης (της κάθε φυσικής μεταβλητής που επιθυμούμε) ορίζει και τα μαθηματικά που θα χρησιμοποιηθούν για την περιγραφή του φυσικού συστήματος. Εισάγει την έννοια της συμπληρωματικότητας των μεταβλητών (φυσικές μεταβλητές όπως θέση και ορμή για παράδειγμα, στις οποίες έχει μεγάλη σημασία η σειρά με την οποία κάνουμε τις μετρήσεις μας), μια ενδογενής όπως αποδεικνύεται ιδιότητα της φύσης.

Η ερμηνεία όμως δεν λύνει το λεγόμενο παράδοξο της μέτρησης: πως και γιατί λαμβάνει χώρα η κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης, η «επιλογή» δηλαδή του φυσικού συστήματος προς μια προτιμητέα κατάσταση που θα δώσει και την μετρούμενη τιμή του φυσικού μεγέθους. Το περίφημο παράδοξο της γάτας του Scroedinger είναι ακριβώς αυτό: αν κάποιος δεν ανοίξει το κουτί δεν θα μάθει ποτέ την κατάσταση της γάτας. Αλλά ποιος αποφασίζει γι’αυτό; Γιατί βλέπουμε τη γάτα ή ζωντανή ή νεκρή και όχι σε υπέρθεση καταστάσεων ενώ ο μηχανισμός που απελευθερώνει το δηλητήριο είναι γραμμικά συνδεδεμένος(λόγω γραμμικότητας της εξίσωσης Schroedinger) με την κατάσταση υπέρθεσης του σωματιδίου; Δηλαδή γιατί η συσκευή μέτρησης συμπεριφέρεται κλασσικά και όχι κβαντομηχανικά; Εξάλλου και η ίδια η συσκευή αποτελείται από σωματίδια που σε τελική ανάλυση υπακούν σε κβαντομηχανικούς κανόνες. Που βρίσκεται (και αν υπάρχει) το όριο κλασικού κόσμου και κβαντομηχανικού;

Η ερμηνεία της Κοπεγχάγης δεν δίνει απάντηση σε αυτά τα ερωτήματα. Δεν απαντά σχετικά με την υποκείμενη φυσική που ενδεχομένως να παίρνει μέρος σε αυτές τις διαδικασίες «επιλογής» του συστήματος. Μας παρέχει τον απαραίτητο μαθηματικό φορμαλισμό για τις (εξαιρετικά ακριβείς) προβλέψεις της. Στην πραγματικότητα ο φορμαλισμός αυτός αντιπροσωπεύει την γνώση μας για το σύστημα, για τις φυσικές μεταβλητές που μπορούμε να μετρήσουμε και όχι τόσο για τις υποκείμενες φυσικές διαδικασίες που ίσως συμβαίνουν.

2. Ερμηνεία των πολλών κόσμων

Η συγκεκριμένη ερμηνεία δεν περιλαμβάνει την κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης. Όλα τα πιθανά φυσικά ενδεχόμενα συμβαίνουν και συνυπάρχουν αλλά σε διαφορετικά «κλαδιά» του σύμπαντος, σε διαφορετικές υποτίθεται πραγματικότητες. Η επικοινωνία μεταξύ τους απαγορεύεται ώστε να μην οδηγηθούμε σε λογικά παράδοξα. Η γάτα μας βρίσκεται ζωντανή σε έναν κλάδο και νεκρή σε κάποιο άλλο. Είναι ιδανική ερμηνεία για αυτούς που προσπαθούν στα πλαίσια κβαντικής κοσμολογίας να περιγράψουν το σύμπαν με μια κυματοσυνάρτηση, όπου δεν θα υπάρχουν εξωτερικοί παρατηρητές.

Αλλά η ερμηνεία αυτή έχει και τα προβλήματά της. Πρώτα απ’όλα είναι αντιοικονομική όσο αφορά την ενέργεια που απαιτείται για την πραγμάτωση των κλάδων. Πολλοί επιστήμονες θεωρούν την ιδέα ενός αιωνίως διακλαδιζόμενου σύμπαντος υπερβολική. Απλά αρκεί να αναλογιστεί κάποιος το πλήθος των κβαντομηχανικών διεργασιών: για κάθε ένα πιθανό αποτέλεσμα, μιας και μόνο από αυτές, το σύμπαν πρέπει να διαιρεθεί. Η έννοια της πιθανότητας επίσης έχει προβλήματα ορισμού σε μια τέτοια κατάσταση. Ο άπειρος πρακτικά αριθμός των κλάδων δεν μπορεί να αποδειχθεί πειραματικά. Η ερμηνεία αυτή όμως διατήρησε τον ντετερμινιστικό χαρακτήρα της φύσης (κάθε κλάδος, αφού δεν υπάρχουν διαφορετικά ενδεχόμενα υπό τις ίδιες αρχικές συνθήκες, διαθέτει αιτιοκρατικό χαρακτήρα) και ίσως ήταν ο κύριος λόγος ανάπτυξής της από αυτούς που θέλουν να διατηρήσουν τον ντετερμινιστικό χαρακτήρα μιας θεμελιώδους φυσικής θεωρίας.

3. Υποκειμενισμός, ο ρόλος της συνείδησης του παρατηρητή

Η συγκεκριμένη ερμηνεία υποστηρίζει πως η τελική πειραματική συσκευή που αποφασίζει και πραγματώνει το αποτέλεσμα μιας μέτρησης είναι η συνείδηση του παρατηρητή. Η γάτα τελεί σε υπέρθεση μέχρι κάποιος ενσυνείδητος παρατηρητής ανοίξει το κουτί. Εξάλλου ότι τελικά γνωρίζουμε για τον κόσμο είναι πληροφορίες τις οποίες προσλαμβάνουμε με τις αισθήσεις μας. Οι δημιουργοί της θεώρησης αυτής υποστήριξαν πως η κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης συμβαίνει ακριβώς τη στιγμή που η πληροφορία εισχωρεί μέσα μας.

Πρόκειται για μια φιλοσοφημένη περισσότερο παρά φυσική ερμηνεία. Πολλοί φιλόσοφοι συμφωνούν. Αλλά επίσης αρκετοί είναι αυτοί που τη θεωρούν μη-ικανοποιητική ερμηνεία. Ο ανθρώπινος εγκέφαλος, παρόλο που γίνονται πολύ σημαντικές προσπάθειες τελευταία να ερμηνευθεί η λειτουργία του και με βάση κβαντομηχανικές αρχές, είναι ένα όργανο που εξελίχθηκε σε γεωλογική κλίμακα χρόνου με βάση τους κανόνες της φυσικής επιλογής για σκοπούς διαφορετικούς από αυτούς της κατανόησης κβαντομηχανικών αποτελεσμάτων πειραμάτων. Εξάλλου που ακριβώς βρίσκεται η πολυπλοκότητα της νευρικής δομής του που απαιτείται ώστε να προκαλέσει την κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης; Πότε φτάσαμε ακριβώς στο απαιτούμενο επίπεδο πολυπλοκότητας; Είναι σχεδόν σίγουρο πως η συνείδηση ως φαινόμενο δεν υπήρχε στα πρώτα στάδια δημιουργίας και εξέλιξης του πλανήτη. Η ερμηνεία αυτή μας ωθεί να δεχθούμε πως τότε δεν συνέβαινε καμία κατάρρευση.

Ένα άλλο επιχείρημα κατά της συγκεκριμένης θεώρησης είναι πως διαφορετικοί παρατηρητές συμφωνούν για το αποτέλεσμα του ίδιου πειράματος. Φαίνεται πως το αποτέλεσμα είναι γενικά ανεξάρτητο από την παρουσία διαφορετικών ενσυνείδητων παρατηρητών και συνηγορεί υπέρ της ύπαρξης ενός αντικειμενικού φυσικού κόσμου.

4. Αποσυνοχή

Η αποσυνοχή χρησιμοποιεί τον ήδη υπάρχοντα κβαντομηχανικό φορμαλισμό και υποστηρίζει πως η έννοια της κατάρρευσης δεν είναι κάτι που όντως πραγματοποιείται. Αντίθετα η ερμηνεία αυτή βασίζεται στην συνεχή αλληλεπίδραση ενός κβαντικού συστήματος με το περιβάλλον του, δηλαδή υποστηρίζει πως δεν υπάρχουν σε επίπεδο πρώτων αρχών απομονωμένα κβαντικά συστήματα στη φύση. Αυτή η συνεχής αλληλεπίδραση καθίσταται τελικά υπεύθυνη για την μετάβαση από τον κβαντομηχανικό κόσμο των υπερθέσεων και των πιθανοτήτων στον κλασικό μακρόκοσμο.

Η θεώρηση αυτή έρχεται σε αντίθεση με την καθιερωμένη ερμηνεία της Κοπεγχάγης στο συγκεκριμένο σημείο που η τελευταία θεωρεί πως οι μακροσκοπικές μετρητικές συσκευές έχουν κλασική συμπεριφορά. Στοιχεία του μαθηματικού φορμαλισμού της αποσυνοχής χρησιμοποιούνται και σε άλλες κατηγορίες ερμηνειών. Πρόκειται για αρκετά ενεργό κλάδο όσο αφορά το συγκεκριμένο θέμα. Παρ’όλα αυτά, το παράδοξο της μέτρησης δεν λύνεται επί της ουσίας μέσω της συγκεκριμένης προσέγγισης. Η ερμηνεία της αποσυνοχής πάντως δίνει βαρύτητα στην αέναη αλληλεπίδραση κβαντικών συστημάτων, σε ένα τέτοιο πλαίσιο θεώρησης το φαινόμενο του λεγόμενου κβαντικού εναγκαλισμού / κβαντικής διεμπλοκής δεν είναι τόσο παράδοξο όσο αρχικά ακούγεται.

5. Αντικειμενική κατάρρευση

Πρόκειται για μια πολλά υποσχόμενη όσο και αμφιλεγόμενη θεώρηση. Αναφέρεται συχνά ως «αντικειμενική-R» θεωρία λόγω της αναγωγής (reduction) του διανύσματος κατάστασης του κβαντικού συστήματος, με άλλα λόγια της κατάρρευσής του προς τα πιθανά ενδεχόμενα. Οι υποστηρικτές της πιστεύουν πως η κατάρρευση θα αντικατασταθεί από μια αντικειμενική διαδικασία, πλήρως υποστηριζόμενη φορμαλιστικά που θα περιγράφει τον τρόπο κατάρρευσης. Από τα πρώτα πράγματα που πρέπει να διαλευκανθούν πάντως σε ένα τέτοιο φιλόδοξο σχήμα είναι το «πάντρεμα» μιας ασυνεχούς κατάστασης όπως η ξαφνική κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης με μια συνεχή όπως η χρονική εξέλιξη της ίδιας κατάστασης όπως διέπεται από την εξίσωση του Scroedinger.

Τα μειονεκτήματα που προς το παρόν υπάρχουν είναι αρκετά: υπεισέρχονται αυθαίρετες παράμετροι που προκύπτουν από άγνωστη (και ίσως ανύπαρκτη) φυσική, η ανάγκη ενός τελείως διαφορετικού μαθηματικού φορμαλισμού που στο όριό του να δίνει τη γνωστή κβαντομηχανική περιγραφή, και πιο σημαντικά η μη-διατήρηση της ενέργειας και η ασυμφωνία με το πείραμα.

6. Προσέγγιση των συνεπών ιστοριών

Πρόκειται για μια ερμηνεία που είναι αρκετά δύσκολο να διατυπωθεί διαισθητικά δίχως τη βοήθεια μαθηματικών. Η βασική ιδέα είναι πως η φυσική πραγματικότητα είναι πλέον συλλογές από κυματοσυναρτήσεις και υπάρχει μια «συλλογική» αντιμετώπισή τους. Μια τέτοια συλλογή αντιστοιχεί σε ένα σετ πειραματικών αποτελεσμάτων / εκβάσεων και ο φορμαλισμός μας δίνει την πιθανότητα πραγματοποίησης ενός από αυτά. Η έννοια της «ιστορίας» είναι μια αλληλουχία φυσικών γεγονότων και κάποιος μπορεί να αντιστοιχήσει πιθανότητες σε κάθε μια από αυτές.

Κάθε συλλογή πρέπει να είναι συνεπής εντός της θεωρίας. Υπάρχουν αρκετές συνθήκες συνέπειας που δημιουργούν συνεπείς συλλογές. Η θεωρία αυτή αναζητά συνεχώς νέες συνθήκες συνέπειας που θα μειώνουν τον αριθμό των συλλογών που θα μας δίνουν τη φυσική του συστήματος. Ακόμα και μέσα στην θεωρία υπάρχουν διαφορετικές απόψεις σχετικά με την μέθοδο αναζήτησης συνέπειας. Έχει ενδιαφέρον η παρατήρηση ενός από τους δημιουργούς της: «ο φορμαλισμός της ερμηνείας των συνεπών ιστοριών μάς έδειξε πως υπάρχουν πολλές και ασύμβατες μεταξύ τους περιγραφές του κόσμου εντός της Κβαντομηχανικής».

Πιστεύεται πως η συγκεκριμένη θεώρηση δείχνει την ανάγκη ύπαρξης μιας καθολικής αρχής εντός της Κβαντικής Μηχανικής η οποία θα υποδεικνύει την κατεύθυνση προς μια πιο θεμελιώδη θεωρία. Στοιχεία της ερμηνείας των συνεπών ιστοριών συνδυάζονται με στοιχεία της ερμηνείας της αποσυνοχής και της μηχανικής του Bohm που θα αναπτυχθεί στη συνέχεια.

7. Θεωρίες τοπικών κρυμμένων μεταβλητών

Οι θεωρίες αυτές πρεσβεύουν ότι υπάρχουν ορισμένες μεταβλητές, στις οποίες εξ’αρχής είναι αδύνατο να έχουμε ακριβή γνώση των τιμών τους, κρυμμένες μεταβλητές οι οποίες καθίστανται υπεύθυνες για την έκβαση των πειραμάτων, για την ακριβή δηλαδή τιμή των φυσικών μεταβλητών υπό μέτρηση. Η διατύπωση των περίφημων ανισοτήτων Bell (και άλλων αργότερα) υπέβαλε σε πειραματικό έλεγχο την παραπάνω πρόταση, κάτι πραγματικά εκπληκτικό αν αναλογιστεί κανείς πως δεν ήταν αναγκαίο να υπάρχει καμία ακριβής διατύπωση μιας θεωρίας κρυμμένων μεταβλητών για τον έλεγχό της. Απλά η ύπαρξη της ιδέας αυτής αρκούσε για να οδηγούσε σε αποκλίσεις από την κβαντομηχανική συμπεριφορά ενός συγκεκριμένου είδους μετρήσεων (πείραμα Aspect και άλλα). Τα αποτελέσματα δικαίωσαν την Κβαντομηχανική αλλά επίσης κατέδειξαν πως η έννοια της μη-τοπικότητας πρέπει να αποτελεί αναπόσπαστο τμήμα της φυσικής πραγματικότητας. Οι θεωρίες τοπικών κρυμμένων μεταβλητών διατηρούν βέβαια τον ντετερμινιστικό χαρακτήρα της φυσικής, σε αντίθεση με την ενδογενή πιθανοκρατία της καθιερωμένης ερμηνείας.

8. Θεωρίες μη-τοπικών κρυμμένων μεταβλητών

Η μη-τοπικότητα με τη μορφή που υπάρχει στην κβαντομηχανική, πειραματικά ελεγμένη πλέον, δεν αφορά μετάδοση πληροφορίας με ταχύτητες μεγαλύτερη του φωτός ή παραβίαση της τοπικότητας (κώνων φωτός) της σχετικότητας, πόσο μάλλον άρση της αιτιοκρατίας. Τα πειράματα τύπου Aspect επάνω σε καταστάσεις που μοιάζουν με το περίφημο παράδοξο EPR κατέδειξαν πως τα κβαντικά συστήματα που γεννήθηκαν μαζί, συνεχίζουν να επικοινωνούν μεταξύ τους με άγνωστο μέχρι στιγμής τρόπο έτσι ώστε να διατηρούνται σημαντικά φυσικά μεγέθη του όλου συστήματος, όπως η στροφορμή για παράδειγμα. Στην πραγματικότητα παρ’όλη την φαινομενικά πιθανοκρατική φύση τους, τα κβαντικά φαινόμενα είναι πολύ περισσότερο πειθαρχημένα απ’όσο θα περίμενε κανείς.

Οι 2 κύριες θεωρίες μη-τοπικών κρυμμένων μεταβλητών είναι το Nelson Stochastic Model και η κλασική πλέον θεωρία των De-Broglie – Bohm.

Στο NSM τα σωματίδια κατέχουν κλασικές τροχιές με τις ακριβείς θέσεις τους να αποτελούν τις κρυμμένες μεταβλητές του συστήματος. Η θέση αυτή «διαταράσσεται» ώστε να δώσει την τρομώδη κίνηση της κβαντομηχανικής τροχιάς με τρόπο ανάλογο της κίνησης Brown. Η κίνηση αυτή στην πραγματικότητα αντικαθιστά την άγνωστη υποκείμενη φυσική που πιστεύεται ότι ενυπάρχει, με μια κίνηση γνωστής μαθηματικής μορφής. Ο μαθηματικός φορμαλισμός είναι εύκολο να τον χειριστεί κάποιος και οδηγεί πράγματι σε ταυτόσημα αποτελέσματα με την εξίσωση Scroedinger. Το κύριο μαθηματικό αντικείμενο που εισάγεται είναι το λεγόμενο κβαντικό δυναμικό Q, την σπουδαιότητα του οποίου αναγνώρισε πρώτος ο David Bohm.

Στην De-Broglie – Bohm θεώρηση, το Q ενσωματώνει την μη-τοπικότητα και «οδηγεί» το σωματίδιο κατ’αναλογία με ένα ηλεκτρικό πεδίο για παράδειγμα. Το Q προκύπτει ξεκινώντας από την Schroedinger και κάνοντας κάποιες εύλογες υποθέσεις σχετικά με τον διαχωρισμό της κυματοσυνάρτησης σε φανταστικό και πραγματικό μέρος. Η προκύπτουσα εξίσωση χρονικής εξέλιξης παρουσιάζει αναλογίες με τις αντίστοιχες της κλασικής φυσικής μόνο που το δυναμικό που επενεργεί στο σωματίδιο είναι το Q. Οι κρυμμένες μεταβλητές εδώ είναι η θέση και η ταχύτητα του σωματιδίου.

Πρόκειται για το μοντέλο που έχει διερευνηθεί περισσότερο απ’όλα τα υποψήφια μοντέλα αναδιατύπωσης της Κβαντομηχανικής. Έχει δώσει τις ίδιες προβλέψεις με την καθιερωμένη ερμηνεία αλλά δεν έχει κερδίσει την συνολική αποδοχή για αρκετούς λόγους όπως η μη-φυσική βάση του Q, η αποτυχία ενσωμάτωσης της ειδικής σχετικότητας (για κβαντομηχανικά σωματίδια που κινούνται με μεγάλες ταχύτητες) καθώς και για ασυμφωνία κάποιων ιδιοτήτων με τις πειραματικές μετρήσεις όπως η διπολική ροπή για παράδειγμα. Ο αντίλογος είναι πως το Q αλλά και η ίδια η κβαντομηχανική αν το σκεφτεί κάνείς, αποτελεί έναν ευφυή τρόπο αποσιώπησης της άγνοιάς μας για τις φυσικές διεργασίες που συμβαίνουν από τα 10^(-18)m του όριου γνώσης μας από τις ηλεκτρασθενείς θεωρίες πεδίου μέχρι τα 10^(-34)m της κλίμακας Planck. Οι άλλες αδυναμίες του όντως δεν έχουν επιλυθεί ακόμα.

Επίλογος

Παρουσιάζει ενδιαφέρον ακόμα και από ιστορική, πέρα από την καθαρά επιστημονική, άποψη το πόσοι λίγοι, συγκριτικά, φυσικοί αξιολογούν το πρόβλημα της φυσικής ερμηνείας της Κβαντομηχανικής ως θεμελιώδες. Το πρόγραμμα κβάντωσης της βαρύτητας και ενοποίησης των δυνάμεων που είναι το κύριο αντικείμενο ενασχόλησης των θεωρητικών φυσικών στις μέρες μας, είναι αναγκαίο να ενσωματώνει και την λύση της φυσικής ερμηνείας της Κβαντομηχανικής προκειμένου να αποκτήσουμε πραγματικά μια θεμελιώδη θεώρηση του φυσικού κόσμου. Η Φυσική δεν πρέπει απλά να μας βοηθάει να προβλέψουμε τα πειραματικά αποτελέσματα των πειραμάτων μας, πρέπει να μας απαντά και στο ερώτημα τι είναι η Φύση.

του Δημήτρη Λαζάρου (sagan64_gr at windowslive.com), Τμήμα Πυρηνικής και Σωματιδιακής Φυσικής Πανεπιστημίου Αθηνών.
Πρωτότυπο άρθρο: http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0712/0712.3466.pdf

Επαφή

Et ego in Arcadia sum

efthimiopoulos@hotmail.com

Αναζήτηση στο site

© 2013 Όλα τα δικαιώματα κατοχυρωμένα

Φτιάξε δωρεάν ιστοσελίδαWebnode