Κβαντικό φαινόμενο σήραγγας

Δοκιμάστε μια ανεπίσημη ψηφοφορία ανάμεσα σε επιστήμονες: ρωτήστε τους ποια είναι, κατά τη γνώμη τους, η πιο επιτυχημένη, γενική και σημαντική θεωρία σε ολόκληρη την επιστήμη. Η απάντηση Θα εξαρτηθεί πιθανότατα από το αν αυτός που σας απαντά εργάζεται στις φυσικές επιστήμες ή στις επιστήμες της ζωής. Για τους περισσότερους βιολόγους, η θεωρία της εξέλιξης μέσω φυσικής επιλογής είναι η πιο βαθυστόχαστη ιδέα που διατυπώθηκε ποτέ. Απεναντίας, ένας φυσικός μάλλον θα προσπαθήσει να σας πείσει ότι η κβαντική φυσική δικαιούται τα πρωτεία – σε τελική ανάλυση, είναι το θεμέλιο πάνω στο οποίο στηρίζεται το μεγαλύτερο μέρας της φυσικής και της χημείας και προσφέρει μια αξιoσημείωτα πλήρη εικόνα των δομικών λίθων ολόκληρου του Σύμπαντος. Πράγματι, χωρίς την εξηγητική δύναμή της, καταρρέει η τρέχουσα αντίληψή μας για τη λειτουργία του κόσμου.

Αναμφισβήτητα όλοι σχεδόν έχουν ακουστά την ,κβαντική μηχανική, και η ιδέα ότι πρόκειται για έναν αινιγματικό και δύσκολο κλάδο της επιστήμης τον οποίον κατανοεί μόνο μια μειονότητα πανέξυπνων ανθρώπων, αποτελεί πλέον μέρος της λαϊκής κουλτούρας. Ωστόσο, η αλήθεια είναι ότι η κβαντική μηχανική έχει μπει στις ζωές μας από τις αρχές του εικοστού αιώνα. Αναπτύχθηκε στα μέσα της δεκαετίας του 1920 ως μαθηματική θεωρία για να εξηγήσει τον κόσμο του πολύ μικρού (τον λεγόμενο μικρόκοσμο), δηλαδή, τη συμπεριφορά των ατόμων που συγκροτούν όλα όσα παρατηρούμε και τις ιδιότητες ακόμη και των πιο μικροσκοπικών σωματιδίων από τα οποία αποτελούνται αυτά τα άτομα. Για παράδειγμα, η κβαντική μηχανική εξηγεί ολόκληρη τη χημεία, την επιστήμη των υλικών, ακόμη και την ηλεκτρονική, καθώς περιγράφει τους κανόνες στους οποίους υπακούουν τα ηλεκτρόνια και τον τρόπο με τον οποίο διατάσσονται μέσα στο άτομο. Παρά την παραδοξότητά της, οι μαθηματικοί κανόνες της βρίσκονται στην καρδιά των περισσότερων τεχνολογικών προόδων τον προηγούμενου μισού αιώνα. Χωρίς την εξήγηση που δίνει η κβαντική μηχανική για το πώς κινούνται τα ηλεκτρόνια μέσα στα υλικά, δεν Θα είχαμε κατανοήσει τη συμπεριφορά των ημιαγωγών που αποτελούν θεμέλιο της σύγχρονης ηλεκτρονικής, και χωρίς την κατανόηση των ημιαγωγών δεν θα είχαμε αναπτύξει το τρανζίστορ πυριτίου• κατά συνέπεια ούτε το μικροτσίπ, ούτε τον σύγχρονο υπολογιστή. Και ο κατάλογος των τεχνολογικών επιτευγμάτων συνεχίζεται: χωρίς τα δώρα που πρόσφερε στις γνώσεις μας η κβαντική μηχανική δεν θα υπήρχαν λέιζερ, επομένως δεν θα υπήρχαν συσκευές αναπαραγωγής CD, DVD και μπλου-ρέι. Χωρίς την κβαντική μηχανική δεν θα είχαμε έξυπνα κινητά τηλέφωνα, δορυφορική σαρωτές  MRI.

Στην πραγματικότητα, έχει υπολογιστεί ότι πάνω από το ένα τρίτο του ακαθάριστου εγχώριου προϊόντος του ανεπτυγμένου κόσμου εξαρτάται από εφαρμογές που απλώς δεν θα υπήρχαν αν δεν είχαμε κατανοήσει τη μηχανική του κβαντικού κόσμου. Κι αυτή είναι μόνο η αρχή. Μπορούμε να ελπίζουμε σε ένα κβαντικό μέλλον —πιθανότατα, όσο ακόμη ζούμε— στο οποίο πυρηνική σύντηξη προκαλούμενη από λέιζερ θα μας προσφέρει σχεδόν απεριόριστη ηλεκτρική ενέργεια• ένα μέλλον όπου τεχνητές μοριακές μηχανές θα εκτελούν πολλές διαφορετικές εργασίες στους τομείς της μηχανικής, της βιοχημείας και της ιατρικής ένα μέλλον στο οποίο κβαντικοί υπολογιστές θα δημιουργούν τεχνητή νοημοσύνη και η τεχνολογία της τηλεμεταφοράς, που σήμερα περιορίζεται στον χώρο της επιστημονικής φαντασίας, θα χρησιμοποιείται καθημερινά για τη μετάδοση πληροφορίας. Η κβαντική επανάσταση τον εικοστού αιώνα ανεβάζει ρυθμούς τον εικοστό πρώτο αιώνα• είναι αδιαμφισβήτητο πως θα μετασχηματίσει τις ζωές μας με τρόπους που δεν μπορούμε καν να διανοηθούμε.

Όμως, τι ακριβώς είναι η κβαντική μηχανική; Αυτό το σημαντικότατο ερώτημα θα διερευνήσουμε σε όλο το βιβλίο. Για να πάρετε μια πρώτη γεύση, θα παραθέσουμε ήδη από τώρα μερική παραδείγματα της αθέατης κβαντικής πραγματικότητας που κρύβεται στο υπόβαθρο της ζωή μας.

Το πρώτο μας παράδειγμα παρουσιάζει ένα από τα περίεργα χαρακτηριστικά του κβαντικού κόσμου, ίσως το πιο χαρακτηριστικό: τον κυματοσωματιδιακό δυϊσμό. ‘Όλοι γνωρίζουμε πως εμείς, καθώς και ό,τι μας περιβάλλει αποτελούμαστε από πάμπολλα μικροσκοπικά, διακριτά σωματίδια όπως είναι τα άτομα, τα ηλεκτρόνια, τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Πολλοί, επίσης, γνωρίζουν ότι η ενέργεια, όπως το φως και ο ήχος, διαδίδεται υπό τη μορφή κυμάτων και όχι σωματιδίων. Τα κύματα διαχέονται, δεν αποτελούνται από σωματίδια και Κινούνται στον χώρο σαν… κύματα με όρη (κορυφές) και κοιλάδες, όπως τα κύματα της θάλασσας. Η κβαντική μηχανική γεννήθηκε στις αρχές του εικοστού αιώνα, όταν ανακαλύφθηκε ότι τα υποατομικά σωματίδια μπορούν να συμπεριφερθούν ως κύματα, και ότι τα κάματα τον φωτός μπορούν να συμπεριφερθούν ως σωματίδια.

Αν και δεν χρειάζεται να πονοκεφαλιάζετε για τον κυματοσωματιδιακό δυϊσμό, δεν παύει ν’ αποτελεί τη βάση για πολλές εξαιρετικά σημαντικές μηχανές όπως, λόγου χάρη, το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο το οποίο επιτρέπει στους γιατρούς και τούς επιστήμονες να βλέπουν, να ταυτοποιούν και να μελετούν μικροσκοπικά αντικείμενα-να, εξαιρετικά μικρά για να παρατηρηθούν με τα παραδοσιακά οπτικά μικροσκόπια, όπως α ιοί που προκαλούν το ΑIDS ή το κοινό κρυολόγημα. Έμπνευση για το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο αποτέλεσε η ανακάλυψη ότι τα ηλεκτρόνια διαθέτουν κυματικές ιδιότητες. Οι Γερμανοί επιστήμονες Μαξ Νολ και Ερνστ Ρούσκα συνειδητοποίησαν ότι, εφόσον το μήκος κύματος (η απόσταση ανάμεσα σε δύο διαδοχικές κορυφές ή δύο κοιλάδες του κύματος) που σχετίζεται με τα ηλεκτρόνια ήταν πολύ μικρότερο από το μήκος κύματος του ορατού φωτός, ένα μικροσκόπιο βασισμένο στην απεικόνιση μέσω ηλεκτρονίων Θα μπορούσε να διακρίνει πολύ περισσότερες λεπτομέρειες απ’ ό,τι το οπτικό μικροσκόπιο – επειδή οποιοδήποτε μικροσκοπικό αντικείμενο ή λεπτομέρεια με διαστάσεις μικρ6τερες από το κύμα που προσπίπτει πάνω του δεν Θα επηρεάσει καθόλου το κύμα. Σκεφτείτε τα κύματα της θάλασσας που σκάνε στη ακτή. Είναι πολύ μεγάλα (με μήκος κύματος αρκετών μέτρων) σε σχέση με τα βότσαλα. Μελετώντας τα δεν Θα μπορούσατε να μάθετε τίποτε για το σχήμα ή το μέγεθος ενός βότσαλου της ακτής. Αν θέλατε να «δείτε-» ένα βότσαλο από τον τρόπο με τον οποίο αναπηδούν ή διαθλώνται τα κύματα πάνω του, θα χρειαζόσασταν πολύ μικρότερα μήκη κύματος, σαν εκείνα των μικρών κυματισμών που συναντούμε στα σχολικά εργαστηριακά πειράματα. Έτσι, οι Νολ και Ρούσκα κατασκεύασαν, το 1931, το πρώτο ηλεκτρονικό μικροσκόπιο και το χρησιμοποίησαν για να λάβουν τις πρώτες εικόνες ιών, για τις οποίες ο Ερνστ Ρούσκα τιμήθηκε -κάπως αργά, το 1986 (δύο χρόνια πριν πεθάνει)- με το Βραβείο Νόμπελ.

Το δεύτερο παράδειγμά μας είναι ακόμη πιο θεμελιώδες. Γιατί λάμπει ο Ήλιος; Οι περισσότεροι γνωρίζουν ότι ο ‘Ηλιος είναι ουσιαστικά ένας αντιδραστήρας πυρηνικής σύντηξης που καίει υδρoγόνο και απελευθερώνει τη θερμότητα και το φως, χάρη στα οποία συντηρείται η ζωή στη Γη. Λιγότεροι, όμως, γνωρίζουν ότι δεν θα έλαμπε καθόλου αν δεν διέθετε μια Θαυμαστή ιδιότητα η οποία επιτρέπει στα σωματίδια στο εσωτερικό του να «διαπερνούν φράγματα». Ο ‘Ηλιος, καθώς και όλα τα άστρα του Σύμπαντος, μπoρούν να εκπέμπουν τεράστιες ποσότητες ενέργειας διότι οι πυρήνες των ατόμων υδρογόνου, καθένας από τους οποίους αποτελείται από ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο, το πρωτόνιο, μπορούν να συντηχθούν κι έτσι να απελευθερώσουν ενέργεια υπό μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, την οποία ονομάζουμε ηλιακό φως. Για να υποστούν σύντηξη, δύο πυρήνες υδρογόνου πρέπει να βρεθούν πολύ κοντά. Όμως, όσο περισσότερο πλησιάζουν, τόσο ισχυρότερη γίνεται η απωστική δύναμη ανάμεσά τους, αφού καθένας φέρει θετικό ηλεκτρικό φορτίο — ως γνωστόν, τα «ομώνυμα» φορτία απωθούνται Για να πλησιάσουν, λοιπόν, τόσο κοντά ώστε να συν-τηχθούν, τα σωματίδια πρέπει να έχουν τη δυνατότητα να διαπερνούν κάτι που μοιάζει με υποατομικό τοίχο: έναν φαινομενικώς αδιαπέραστο ενεργειακό φραγμό. Σύμφωνα με την κλασική φυσική —η οποία στηρίζεται στους νόμους κίνησης, στη μηχανική και στη βαρύτητα του Νεύτωνα, και περιγράφει πολύ καλά τον καθημερινό κόσμο των σφαιρών, των ελατηρίων, των ατμομηχανών (ακόμη και των πλανητών)— αυτό δεν μπορεί να συμβεί: τα σωματίδια δεν μπορούν να διαπεράσουν τοίχους, οπότε ο ‘Ηλιος δεν Θα έπρεπε να λάμπει.

Ωστόσο, σωματίδια που υπακούουν στους κανόνες της κβαντικής μηχανικής, όπως οι ατομικοί πυρήνες, κρύβουν έναν άσο στο μανίκι τους: έχουν τη δυνατότητα να διαπερνούν με ευκολία τέτοιους φραγμούς χάρη σε μια διαδικασία που ονομάζεται «κβαντικό φαινόμενο σήραγγας». Και το πετυχαίνουν, ουσιαστικά, χάρη στον κυματοσωματιδιακό δυϊσμό τους. ‘Όπως ακριβώς τα κύματα διαδίδονται γύρω από αντικείμενα —για παράδειγμα, στα βότσαλα μιας παραλίας— έτσι μπορούν να διαδοθούν και μέσα από τα αντικείμενα, όπως συμβαίνει με τα ηχητικά κύματα τα οποία διαπερνούν τους τοίχους κι έτσι μπορείτε να ακούσετε, για παράδειγμα, την τηλεόραση του γείτονα. Φυσικά, ο αέρας, το μέσο στο οποίο διαδίδονται τα ηχητικά κύματα, δεν διαπερνά κανέναν τοίχο: αυτό που αναγκάζει τα μόρια του τοίχου να ταλαντωθούν και να μεταφέρουν την ενέργειά τους στα μόρια στον αέρα του δωματίου σας τα οποία μεταφέρουν τα ηχητικά κύματα μέχρι τα αυτιά σας, είναι οι ταλαντώσεις του αέρα στο διπλανό δωμάτιο— δηλαδή, ο ήχος. Αν όμως ήσασταν πυρήνας κάποιον ατόμου, τότε μερικές φορές Θα καταφέρνατε να περάσετε, σαν φάντασμα, μέσα από τοίχους με μεγάλο για εσάς πάχος. Αυτό ακριβώς κατορθώνει ένας πυρήνας υδρογόνου στο εσωτερικό του Ήλιου απλώνεται και «διαπερνά» σαν φάντασμα ενεργειακούς φραγμούς, καταφέρνοντας έτσι να φτάσει κοντά σε ένα άλλο σωματίδιο στην άλλη πλευρά του φραγμού, ώστε ν’ ακολουθήσει σύντηξη. Την επόμενη, λοιπόν, φορά που θα κάνετε ηλιοθεραπεία στην παραλία, απολαμβάνοντας τα κύματα που σκάνε στα πόδια σας, θυμηθείτε αυτές τις απόκοσμες κυματοειδείς κινήσεις των κβαντικών σωματιδίων που όχι μόνο σας επιτρέπουν να απολαμβάνετε τη λιακάδα, αλλά δημιούργησαν και τις συνθήκες για εμφάνιση ζωής στον πλανήτη μας.