Ο νομπελίστας φυσικός Richard Feynman κάνοντας μια διάλεξη για την κβαντική θεωρία έλεγε: Μην πάρετε τόσο σοβαρά αυτή τη διάλεξη· απλώς χαλαρώστε και απολαύστε την… Πρόκειται να σας μιλήσω για το πώς συμπεριφέρεται η φύση. Κι αν αποδεχτείτε πως μπορεί και να συμπεριφέρεται με αυτό τον τρόπο, θα ανακαλύψετε ότι είναι υπέροχη, ότι είναι συναρπαστική. Αποφεύγετε να αναρωτιέστε συνεχώς "Μα πως γίνεται να συμπεριφέρεται έτσι", επειδή θα οδηγηθείτε σε ένα σκοτεινό αδιέξοδο από το οποίο κανείς δεν έχει ακόμη επιστρέψει. Σας βεβαιώνω, ουδείς γνωρίζει το λόγο που συμπεριφέρεται με τον τρόπο αυτό.»Την προειδοποίηση του θα πρέπει να την λάβετε σοβαρά υπόψη σας. Όταν θα τελειώνετε με αυτό το άρθρο θα έχετε γνωρίσει τις πιο ακραίες συνέπειες μιας πραγματικά ξεχωριστής θεωρίας. Ωστόσο, αν προσπαθήσετε να την περιγράψετε με την κοινή λογική θα απογοητευθείτε. O κβαντικός κόσμος όντως είναι διαφορετικός, κι αν επιθυμείτε να συμφιλιωθείτε μαζί του, πρέπει να αποβάλετε κάθε ίχνος δυσπιστίας.
Τερματίζεται η κυριαρχία της κλασσικής φυσικής
Κάποτε, μέχρι το 1905, κυριαρχούσε το πνεύμα του Νεύτωνα· όταν χτυπούσες μια συνηθισμένη, «κλασική» μπάλα του μπιλιάρδου, μπορούσες να προβλέψεις πόσο γρήγορα θα κινούνταν και προς ποια κατεύθυνση. Κι όταν θα ακινητοποιούνταν, γνώριζες από πριν πού ακριβώς θα βρισκόταν. Αυτές οι απλές αντιλήψεις φαίνονταν προφανείς, ακόμη και αναγκαίες. Οι περισσότεροι πίστευαν ότι η φυσική, προκειμένου να οδηγήσει στην κατανόηση των φαινομένων, έπρεπε να στηρίζεται σε τέτοια στέρεα και αδιάσειστα θεμέλια.
Ώσπου, στις 19 Οκτωβρίου του 1900, ο φυσικός Max Planck παρουσίασε στη Γερμανική Εταιρεία Φυσικών μια εργασία που κλόνιζε τα θεμέλια της φυσικής. O Planck, ένας σοβαρός άνθρωπος σαράντα δύο ετών, ήταν μάλλον μεγάλος για να ξεκινήσει μια επανάσταση. Εντούτοις, η ανακάλυψη του έμελλε να αλλάξει εκ βάθρων την κλασική φυσική της μπάλας του μπιλιάρδου. H εργασία του απαντούσε σε ένα χρόνιο ερώτημα: Γιατί το χρώμα της ακτινοβολίας ενός πυρακτωμένου σώματος μεταβάλλεται από κόκκινο σε πορτοκαλί και τελικά σε γαλάζιο καθώς η θερμοκρασία του αυξάνεται; O Planck ανακάλυψε ότι η σωστή απάντηση προκύπτει αν θεωρήσουμε πως η ακτινοβολία — όπως και η ύλη — συνίσταται από μικρά διακριτά ποσά. Ονόμασε αυτά τα στοιχειώδη πακέτα ενέργειας κβάντα (λατινική λέξη που δηλώνει μια πεπερασμένη και καθορισμένη ποσότητα). Προς στιγμήν ο Planck φαντάστηκε πως θα μπορούσε να προκύψει μια βαθύτερη εξήγηση των κβάντων.
Γρήγορα όμως έγινε φανερό ότι η «κβάντωση» της ενέργειας — ο κατακερματισμός της σε αδιαίρετα μέρη — αποτελούσε στην πραγματικότητα έναν νέο θεμελιώδη κανόνα της φύσης. Στον Planck, που είχε διδαχθεί και βιώσει την κλασική φυσική, δεν άρεσε αυτό το συμπέρασμα. Και εναντιώθηκε μέχρι το τέλος της ζωής του, διατυμπανίζοντας ότι οι νέες επιστημονικές θεωρίες υποσκελίζουν τις παλαιότερες όχι επειδή οι άνθρωποι αλλάζουν τρόπο σκέψης, αλλά απλώς επειδή οι γεροντότεροι πεθαίνουν.
Δεν μας προκαλεί έκπληξη ότι ο Planck θορυβήθηκε από τις συνέπειες της κβαντικής θεωρίας. Αν αποδεχτούμε τα συμπεράσματα της, τίποτε δεν είναι όπως υπαγορεύει η κοινή λογική και η νευτώνεια φυσική. Τα πράγματα αλλάζουν όταν τα κοιτάζετε. Τα πάντα συμπεριφέρονται με τρόπους απρόβλεπτους.
Θεωρήστε, για παράδειγμα, την αρχή της απροσδιοριστίας, η οποία απορρέει αναπόφευκτα από την κβαντική θεωρία. Σύμφωνα με αυτή, δεν μπορείτε ποτέ να μετρήσετε όλες τις ιδιότητες ενός συστήματος ή σωματιδίου με όση ακρίβεια επιθυμείτε. Ή, για να το θέσουμε διαφορετικά, οι μετρήσεις επηρεάζουν το αντικείμενο το οποίο προσπαθείτε να μετρήσετε! Επίσης, υπάρχει η αρχή του κυματοσωματιδιακού δυϊσμού, σύμφωνα με την οποία ένα ηλεκτρόνιο, για παράδειγμα, μπορεί άλλες φορές να συμπεριφέρεται ως κύμα και άλλες ως σωματίδιο! Όλες αυτές οι ιδέες υποδεικνύουν τούτο: ότι τα φυσικά αντικείμενα — ακόμη και η ίδια η πραγματικότητα — δεν μοιάζουν καθόλου με ό,τι καθένας μας υπέθετε μέχρι τώρα.
Αλλά πώς από την φαινομενικά αβλαβή θεώρηση ότι η ενέργεια συνίσταται από κβάντα προκύπτουν τέτοια τρομακτικά συμπεράσματα; O μεγάλος Feynman συνήθιζε να χρησιμοποιεί ένα απλό και παραστατικό παράδειγμα: Θεωρήστε μια δέσμη φωτός η οποία προσκρούει σε ένα κάτοπτρο. Κανένα κάτοπτρο δεν είναι τέλειο, οπότε έστω ότι το 95% του φωτός ανακλάται στην επιφάνεια του, ενώ το υπόλοιπο 5% το διαπερνά ή απορροφάται ή χάνεται με κάποιον άλλο τρόπο.
Τα ανεξήγητα της κβαντικής φύσης
Την προ-κβαντική εποχή δεν υπήρχε πρόβλημα. Το φως που προσπίπτει στο κάτοπτρο θεωρούνταν συνεχής ροή ενέργειας: το περισσότερο από το φως ανακλάται στην επιφάνεια του κατόπτρου, ενώ ένα κλάσμα του το διαπερνά. O Planck όμως ανέπλασε το φως σε έναν χείμαρρο κβάντων — τα γνωστά μας φωτόνια. Επειδή κάθε φωτόνιο είναι αδιαίρετο, θα πρέπει είτε να ανακλάται είτε να απορροφάται εξ ολοκλήρου. Δεν είναι δυνατόν το 95% ενός φωτονίου να πηγαίνει προς μια κατεύθυνση και το υπόλοιπο 5% να κατευθύνεται κάπου αλλού! Οπότε, προκειμένου να κατανοήσουμε τη δράση του κατόπτρου στη διάδοση του φωτός, θα πρέπει να συμπεράνουμε ότι τα 19 από κάθε 20 φωτόνια αναπηδούν στην επιφάνεια του, ενώ 1 — το πιο «κατεργάρικο» — ακολουθεί τον δικό του δρόμο. Αλλά ποιος αποφασίζει ποιο από τα αδιαίρετα φωτόνια θα συμπεριφερθεί κατ’ αυτό τον τρόπο;
Ιδού η επανάσταση. Σύμφωνα με την κβαντική θεωρία, ό,τι συμβαίνει σε κάθε φωτόνιο είναι πραγματικά και αναπόφευκτα απρόβλεπτο. Κάθε φωτόνιο έχει πιθανότητα 95% να ανακλαστεί και 5% να διέλθει ή να απορροφηθεί — και τίποτε πέραν αυτού. Κανένα φωτόνιο δεν διαθέτει κάποια κρυφή ιδιότητα ή κάποιο μυστικό που αν τα γνωρίζαμε θα ξέραμε με περισσότερη ακρίβεια τι θα κάνει. H αδυναμία πρόβλεψης είναι εγγενής.
Ένα ακόμη παράδειγμα. Αν έχετε γυαλιά ηλίου Πολαρόιντ και τα περιστρέψετε αργά μπροστά στα μάτια σας, θα αντιληφθείτε μεταβολές της ποσότητας του φωτός που διέρχεται μέσα από αυτά. Το φως (όπως έδειξε ο Clerk Maxwell, το 1864) είναι ένας τύπος ηλεκτρομαγνητικού κύματος, και τα εν λόγω κύματα μπορεί να είναι πολωμένα (όπως και το σκοινί που, ενώ έχουμε τη δυνατότητα να το κινούμε πάνω-κάτω ή αριστερά-δεξιά ή σε οποιαδήποτε άλλη διεύθυνση μεταξύ τους, εντέλει ταλαντώνεται σε ένα ορισμένο επίπεδο). Τα συγκεκριμένα γυαλιά ηλίου επιτρέπουν να διέλθει από μέσα τους το κατακόρυφα πολωμένο φως, παρεμποδίζουν όμως το οριζόντια πολωμένο —που είναι και το πιο εκτυφλωτικό.
Ωστόσο, ένα φωτόνιο που προσπίπτει στα γυαλιά σας έχει μόνο δύο επιλογές: ή να διέλθει ή όχι. Τι θα κάνει; Και πάλι, το καλύτερο που μπορείτε να επιτύχετε είναι να γνωρίσετε τις αντίστοιχες πιθανότητες. Αλλά ποτέ δεν μπορείτε να προβλέψετε με βεβαιότητα τι ακριβώς θα κάνει.
Τον παλιό καιρό της κλασικής φυσικής μπορούσατε, αν θέλατε, να προβλέψετε επακριβώς την εξέλιξη της κίνησης μιας μπάλας μπιλιάρδου που κατευθύνεται προς μια άλλη μπάλα ή προς την πλευρά του τραπεζιού. Θα έπρεπε να γνωρίζετε τη μάζα της, την ταχύτητα της και, πιθανώς, τη στροφορμή της, το συντελεστή κρούσης και ίσως κάποιες ακόμη ιδιότητες της. Θα μπορούσατε να ονομάσετε αυτό τον κατάλογο ιδιοτήτων «κλασική κατάσταση» της μπάλας· και όσο καλύτερα γνωρίζατε την κατάσταση της τόσο ασφαλέστερα θα προβλέπατε τη συμπεριφορά της. Όλα τούτα, όμως, η κβαντική θεωρία τα εκπαραθυρώνει. Το μόνο που μπορούμε να κάνουμε είναι να περιγράψουμε την «κβαντική κατάσταση» ενός φωτονίου με όρους πιθανοτήτων. Και μάλιστα, οι πιθανότητες αλλάζουν ανάλογα με το τι ακριβώς πρόκειται να συμβεί στο φωτόνιο. Αν το φωτόνιο κατευθύνεται προς έναν καθρέφτη, όταν πέσει επάνω του είτε θα ανακλαστεί είτε θα διέλθει μέσα απ’ αυτόν. Αν όμως το ίδιο φωτόνιο κατευθύνεται προς έναν «ανιχνευτή πόλωσης», τότε θα πρέπει να το περιγράψουμε με διαφορετικό τρόπο. Όσον αφορά την κλασική μπάλα του μπιλιάρδου, ένα σύνολο ιδιοτήτων — η μάζα, η ταχύτητα και τα λοιπά — αρκούν για να προβλέψετε οτιδήποτε χρειάζεται να ξέρετε σχετικά με αυτήν, υπό οποιεσδήποτε συνθήκες. H κβαντική κατάσταση του φωτονίου, όμως, είναι κάτι εντελώς διαφορετικό.
Μπορείτε λοιπόν να αντιληφθείτε γιατί οι φυσικοί της παλιάς σχολής θεωρούσαν την κβαντική θεωρία συγκεχυμένη, απίστευτη και πιθανότατα επικίνδυνη. To φωτόνιο έμοιαζε σαν να μην έχει σταθερές ιδιότητες αφ’ εαυτού και να τις αποκτά συνωμοτώντας με τη μετρητική συσκευή!
