Το σύμπαν δεν είναι ό,τι νομίζαμε: Η κβαντική ανατροπή και το νόμπελ του 2022

Φανταστείτε έναν κόσμο όπου ένα μήλο δεν είναι κόκκινο αν δεν το κοιτάξετε, ή όπου δύο σωματίδια, που βρίσκονται σε αντίθετες άκρες του γαλαξία, «συνομιλούν» στιγμιαία σαν να μην υπάρχει απόσταση μεταξύ τους. Ακούγεται σαν σενάριο επιστημονικής φαντασίας, σωστά; Κι όμως, η κβαντική φυσική μας λέει ότι το σύμπαν μας δεν είναι «τοπικά πραγματικό». Τι σημαίνει αυτό; Ότι τα αντικείμενα δεν έχουν πάντα καθορισμένες ιδιότητες, όπως το χρώμα ή το σπιν, εκτός αν τα παρατηρήσουμε, και ότι μπορούν να επηρεάζονται από γεγονότα που συμβαίνουν πολύ μακριά, χωρίς να περιορίζονται από την ταχύτητα του φωτός.

Αυτή η τρελή ιδέα δεν είναι καινούρια. Από τη δεκαετία του 1930, οι φυσικοί μαλώνουν για το αν ο κόσμος μας λειτουργεί έτσι. Χρειάστηκαν, όμως, δεκαετίες σκληρής δουλειάς και τρεις πρωτοπόροι επιστήμονες – ο John Clauser, ο Alain Aspect και ο Anton Zeilinger – για να αποδείξουν ότι το σύμπαν είναι πιο παράξενο από ό,τι νομίζαμε. Το 2022, η δουλειά τους τιμήθηκε με το Νόμπελ Φυσικής, καθώς έδειξαν ότι η πραγματικότητα δεν ακολουθεί τους κανόνες που περιμένουμε. «Ήταν καιρός να αναγνωριστεί η συμβολή τους», λέει ο Sandu Popescu, κβαντικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μπρίστολ. «Αυτοί οι άνθρωποι γύρισαν την πραγματικότητα ανάποδα!»

Ο Αϊνστάιν και η Μεγάλη Διαφωνία

Η ιστορία ξεκινά με τον Άλμπερτ Αϊνστάιν, τον διάσημο επιστήμονα που άλλαξε την κατανόησή μας για το σύμπαν με τη θεωρία της σχετικότητας. Όμως, η κβαντική μηχανική, που περιγράφει πώς λειτουργούν τα πράγματα στον μικρόκοσμο των ατόμων και των σωματιδίων, τον ενοχλούσε. Το 1935, μαζί με τους συναδέλφους του Boris Podolsky και Nathan Rosen, δημοσίευσαν μια εργασία γνωστή ως «παράδοξο EPR» (από τα αρχικά τους). Σε αυτήν, υποστήριζαν ότι η κβαντική μηχανική ήταν ελλιπής, γιατί δεν μπορούσε να εξηγήσει ένα παράξενο φαινόμενο: την κβαντική διεμπλοκή.

Ας το κάνουμε πιο απλό. Φανταστείτε δύο σωματίδια, π.χ. φωτόνια, που δημιουργούνται μαζί και «συνδέονται» με έναν μυστήριο τρόπο. Αν μετρήσετε μια ιδιότητα του ενός, όπως το σπιν του (αν περιστρέφεται «πάνω» ή «κάτω»), ξέρετε αμέσως την ίδια ιδιότητα του άλλου, ακόμα κι αν βρίσκεται στην άλλη άκρη του ηλιακού συστήματος. Ο Αϊνστάιν το ονόμασε «απόκοσμη δράση από απόσταση» και δεν μπορούσε να το χωνέψει. Πίστευε ότι κάποια «κρυφές μεταβλητές» καθορίζουν τις ιδιότητες των σωματιδίων από τη στιγμή που δημιουργούνται, διατηρώντας τον κόσμο «τοπικό» (όπου τίποτα δεν ταξιδεύει γρηγορότερα από το φως) και «πραγματικό» (όπου τα αντικείμενα έχουν ιδιότητες, είτε τα κοιτάμε είτε όχι).

Για να το εξηγήσουμε καλύτερα, φανταστείτε ότι στέλνετε δύο κουτιά, το ένα στη Γη και το άλλο στον Άρη. Αν ανοίξετε το κουτί στη Γη και βρείτε ένα κόκκινο μπαλάκι, ξέρετε αμέσως ότι το κουτί στον Άρη έχει ένα μπλε μπαλάκι. Ο Αϊνστάιν έλεγε ότι τα μπαλάκια είχαν ήδη τα χρώματά τους από την αρχή. Η κβαντική μηχανική, όμως, λέει ότι τα μπαλάκια δεν έχουν χρώμα μέχρι να ανοίξεις το κουτί – και το πιο τρελό, ότι το άνοιγμα του ενός κουτιού επηρεάζει το άλλο στιγμιαία, όσο μακριά κι αν είναι!

Ο Bell και η Μαθηματική Επανάσταση

Η διαφωνία του Αϊνστάιν παρέμεινε θεωρητική για δεκαετίες, εν μέρει γιατί οι φυσικοί δεν ήθελαν να βουτήξουν στα βαθιά. Πολλοί υιοθέτησαν τη φιλοσοφία «σκάσε και υπολόγιζε», αποφεύγοντας τις φιλοσοφικές ερωτήσεις για την κβαντική μηχανική. Όλα άλλαξαν το 1964, όταν ο John Stewart Bell, ένας φυσικός από τη Βόρεια Ιρλανδία, έριξε μια βόμβα. Δημιούργησε τις «ανισότητες Bell», ένα μαθηματικό εργαλείο για να ελέγξουμε αν το σύμπαν είναι τοπικό και πραγματικό ή αν η κβαντική θεωρία έχει δίκιο.

Η ιδέα του Bell ήταν απλή αλλά ιδιοφυής. Φανταστείτε δύο παρατηρητές, την Alice και τον Bob, που μετράνε πεπλεγμένα σωματίδια με διαφορετικές ρυθμίσεις ανιχνευτών. Αν το σύμπαν είναι τοπικό και πραγματικό, οι μετρήσεις τους θα δείχνουν συγκεκριμένες συσχετίσεις, που περιορίζονται από τις ανισότητες Bell. Αν, όμως, οι συσχετίσεις ξεπερνούν αυτά τα όρια, τότε η κβαντική μηχανική κερδίζει, και το σύμπαν δεν είναι ούτε τοπικό ούτε πραγματικό. Με άλλα λόγια, ο Bell έδωσε έναν τρόπο να βάλουμε το σύμπαν στο μικροσκόπιο και να δούμε αν ο Αϊνστάιν είχε δίκιο.

Οι Ήρωες του Νόμπελ: Clauser, Aspect, Zeilinger

Η θεωρία του Bell έμεινε στα χαρτιά μέχρι που ο John Clauser, ένας νεαρός φυσικός τη δεκαετία του 1970, αποφάσισε να την δοκιμάσει. Ενθουσιασμένος από την ιδέα να αποδείξει ότι ο Αϊνστάιν είχε δίκιο, ο Clauser έφτιαξε ένα πείραμα με τον συνάδελφό του Stuart Freedman. Με περιορισμένα μέσα – λέγεται ότι μάζευαν εξοπλισμό από σκουπίδια και τον ένωναν με κολλητική ταινία! – έστειλαν ζεύγη φωτονίων σε αντίθετες κατευθύνσεις και μέτρησαν την πόλωσή τους. Το αποτέλεσμα; Οι μετρήσεις παραβίασαν τις ανισότητες Bell, δείχνοντας ότι τα φωτόνια ήταν πεπλεγμένα με τρόπο που δεν εξηγείται από κρυφές μεταβλητές. Ο Αϊνστάιν έχασε το στοίχημα.

Υπήρχαν, όμως, «παραθυράκια». Το πείραμα του Clauser δεν ήταν τέλειο. Για παράδειγμα, αν τα φωτόνια ή οι ανιχνευτές μπορούσαν να «μιλήσουν» μεταξύ τους, τα αποτελέσματα ίσως να μην απέκλειαν τις κρυφές μεταβλητές. Εδώ μπαίνει ο Alain Aspect, ένας Γάλλος φυσικός, που τη δεκαετία του 1980 βελτίωσε το πείραμα. Ο Aspect σχεδίασε έναν τρόπο να αλλάζει τις ρυθμίσεις των ανιχνευτών τόσο γρήγορα – σε νανοδευτερόλεπτα – ώστε τα φωτόνια να μην μπορούν να «συνεννοηθούν». Τα αποτελέσματά του, που δημοσιεύθηκαν το 1982, ενίσχυσαν την κβαντική θεωρία, κάνοντας τις κρυφές μεταβλητές ακόμα πιο απίθανες.

Ο Anton Zeilinger, ένας φιλόδοξος Αυστριακός, πήγε τα πράγματα ακόμα πιο μακριά. Το 1998, η ομάδα του έκανε ένα πείραμα Bell σε απόσταση μισού χιλιομέτρου, χρησιμοποιώντας οπτικές ίνες. Το 2013, έκλεισε πολλαπλά παραθυράκια, κάνοντας πειράματα σε μια σήραγγα 60 μέτρων κάτω από το παλάτι Hofburg στη Βιέννη – ένα μέρος γεμάτο σκόνη, αλλά ιδανικό για την έρευνα! Το 2017, ο Zeilinger και οι συνεργάτες του έκαναν κάτι ακόμα πιο εντυπωσιακό: χρησιμοποίησαν φως από μακρινά αστέρια, που απέχουν εκατοντάδες έτη φωτός, για να καθορίσουν τις ρυθμίσεις των ανιχνευτών, εξασφαλίζοντας ότι δεν υπήρχε καμία πιθανότητα «επικοινωνίας» μεταξύ των σωματιδίων.

Τι Σημαίνει «Τοπικά Πραγματικό»;

Ας ξεκαθαρίσουμε τι εννοούμε με «τοπικό» και «πραγματικό»:
Τοπικό: Τα αντικείμενα επηρεάζονται μόνο από το άμεσο περιβάλλον τους, και καμία επίδραση δεν μπορεί να ταξιδέψει γρηγορότερα από το φως. Αν η Alice μετράει ένα σωματίδιο στη Γη, δεν θα έπρεπε να επηρεάζει αμέσως το σωματίδιο του Bob στον Άρη.
Πραγματικό: Τα αντικείμενα έχουν καθορισμένες ιδιότητες, όπως το σπιν ή το χρώμα, ακόμα κι αν δεν τα παρατηρούμε. Ένα μήλο είναι κόκκινο, είτε το κοιτάμε είτε όχι.

Η κβαντική μηχανική λέει ότι τουλάχιστον ένα από τα δύο δεν ισχύει. Είτε τα σωματίδια μπορούν να επηρεάζονται από απόσταση (μη τοπικότητα), είτε δεν έχουν ιδιότητες μέχρι να τα μετρήσουμε (μη πραγματικότητα). Οι πιθανότητες είναι:
Τοπικό=True, Πραγματικό=False: Τα σωματίδια αλληλεπιδρούν μόνο τοπικά, αλλά οι ιδιότητές τους καθορίζονται μόνο όταν τα μετράμε.
Τοπικό=False, Πραγματικό=True: Υπάρχουν κρυφές μεταβλητές που καθορίζουν τις ιδιότητες, αλλά τα σωματίδια μπορούν να επηρεάζονται από απόσταση.
Τοπικό=False, Πραγματικό=False: Το σύμπαν δεν είναι ούτε τοπικό ούτε πραγματικό.
Τοπικό=True, Πραγματικό=True: Αυτή η επιλογή αποκλείστηκε από τα πειράματα των Clauser, Aspect και Zeilinger.

Η Σημασία για το Μέλλον

Η κβαντική διεμπλοκή δεν είναι απλώς ένα φιλοσοφικό παιχνίδι. Είναι η καρδιά της κβαντικής επιστήμης της πληροφορίας, ενός πεδίου που σήμερα ανθίζει. «Χωρίς την κατανόηση της διεμπλοκής, δεν θα είχαμε κβαντικούς υπολογιστές», λέει η Nicole Yunger Halpern από το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας. Οι κβαντικοί υπολογιστές, που βασίζονται στη διεμπλοκή, υπόσχονται να λύσουν προβλήματα που οι κλασικοί υπολογιστές δεν μπορούν. Επίσης, οι κβαντικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται για να μελετήσουν τα πάντα, από σεισμούς μέχρι τη σκοτεινή ύλη.

Το 2015, τρία πειράματα χωρίς παραθυράκια – από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Ντελφτ, το Πανεπιστήμιο της Βιέννης και το NIST – επιβεβαίωσαν ότι η κβαντική μηχανική κερδίζει. Όμως, υπάρχει ακόμα ένα μικρό «παραθυράκι»: ο υπερντετερμινισμός, η ιδέα ότι όλα στο σύμπαν είναι προκαθορισμένα, κάτι που είναι δύσκολο να αποδειχθεί ή να απορριφθεί.

Ένα Παράξενο και Υπέροχο Σύμπαν

Όπως είπε ο Αϊνστάιν, «Πιστεύεις πραγματικά ότι το φεγγάρι δεν υπάρχει όταν δεν το κοιτάς;» Οι Clauser, Aspect και Zeilinger μας έδειξαν ότι, στον κβαντικό κόσμο, ίσως το φεγγάρι να μην είναι τόσο σίγουρο όσο νομίζουμε. Η δουλειά τους δεν απαντά μόνο σε βαθιά ερωτήματα για τη φύση της πραγματικότητας, αλλά ανοίγει και νέους δρόμους για την τεχνολογία. «Ήταν η χρονιά τους», λέει ο David Kaiser από το MIT, «και ήταν συγκινητικό να το βλέπεις».

Το σύμπαν μας είναι πιο παράξενο από ό,τι μπορούσαμε να φανταστούμε. Και ίσως αυτό να είναι το πιο συναρπαστικό πράγμα από όλα.

 [full_width]