Quantum Philosophy: Είναι ένας Διεπιστημονικός Κλάδος της Κβαντικής Φυσικής και Φιλοσοφίας.
Ο όρος κβάντο (λατινικά, quantum, σημαίνει ενέργεια, ποσό, ποσότητα, κάτι που μπορεί να μετρηθεί) αναφέρεται σε διακριτές μονάδες που χαρακτηρίζουν συγκεκριμένες φυσικές ποσότητες, όπως η ενέργεια ενός ατόμου ύλης σε κατάσταση ηρεμίας.
Η κβαντομηχανική είναι μια θεωρία Μηχανικής. Θεωρείται από πολλούς ως πλέον θεμελιώδης από την Κλασσική Μηχανική, καθώς σε έναν αιώνα πειραματισμού δεν έχει διαψευσθεί.
H Κβαντική Θεωρία της Φυσικής προκάλεσε πραγματική επανάσταση στην επιστήμη και δημιούργησε καινούριες βάσεις που πάνω τους στηρίχθηκε η τεχνολογία της σύγχρονης εποχής. Τα “κβάντα”, σύμφωνα με το θεμελιωτή της θεωρίας, το Γερμανό φυσικό Μαξ Πλανκ, είναι τα μικρά σώματα που εκπέμπονται σε μορφή ακτινοβολίας από τον ανθρώπινο οργανισμό. Όμως, όπως τα υλικά σώματα αποτελούνται από πρωτόνια και ηλεκτρόνια, έτσι και η εκπεμπόμενη από αυτά ενέργεια έχει υλική μορφή.
Κατά προέκταση, ο Γάλλος επιστήμονας ντε Μπρολί ή ντε Μπρέγι αναφέρει ότι τα φωτόνια είναι ταυτόχρονα και κύματα και σωματίδια. Αυτό ήταν η αρχή της διαμόρφωσης της νέας Μαθηματικής Φυσικής, της Κυματομηχανικής, που βασίζεται στην έννοια του υλοκύματος.
Η διαμάχη για την ερμηνεία της Κβαντικής Θεωρίας άρχισε την περίοδο 1924-26, σχεδόν αμέσως μετά την διατύπωση της. Ξεκίνησε στο 5o συνέδριο του Solvay (1927) και στο συνέδριο του Como (1927) όπου ο De Broglie διατύπωσε την θεωρία της διπλής λύσης. Η διαμάχη αυτή αφορά επιστημολογικά, φιλοσοφικά και φυσικά προβλήματα.
Τα κεντρικότερα προβλήματα είναι: Η φυσική σημασία του πιθανοκρατικού χαρακτήρα της κβαντικής θεωρίας, η φυσική σημασία της αρχής της επαλληλίας και η φυσική σημασία της αναγωγής της κυματοσυνάρτησης.
Τα επιστημονικά αλλά και φιλοσοφικά ερωτήματα που μπήκαν τον 20ο αιώνα εξ’ αιτίας της κβαντικής Φυσικής είναι πάνω κάτω τα εξής:
1. Υπάρχουν τα μικρότερα σωματίδια, ηλεκτρόνια, φωτόνια κ.λ.π. ανεξάρτητα της ανθρώπινης ύπαρξης και παρατήρησης;
2. Αν ναι, τότε μπορούμε να κατανοήσουμε την δομή και την εξέλιξη των υποατομικών οντοτήτων και των φαινομένων;
3. Πρέπει οι φυσικοί νόμοι να διαμορφωθούν έτσι ώστε για κάθε παρατηρήσιμο φαινόμενο να υπάρχει τουλάχιστον μια αιτία που το προκάλεσε;
– Οι αντίπαλοι της κβαντικής αναιτιοκρατίας (Planck, Einstein, Erhenfest, De Broglie, Schroedinger) απάντησαν θετικά και στα τρία ερωτήματα.
– Οι δημιουργοί όμως και απολογητές της Κβαντικής Θεωρίας (Born, Bohr, Heisenberg, Pauli, Dirac) απάντησαν αρνητικά και στα τρία ερωτήματα.
Βέβαια υπήρχαν εξαιρέσεις. Π.χ. οι De Broglie και Schroedinger δέχθηκαν την Κβαντική Μηχανική αρκετά χρόνια μετά το 1927 αλλά ξαναγύρισαν στις αρχικές τους απορρίψεις.
Τα επιστημολογικά και φιλοσοφικά ερωτήματα συνδέθηκαν λοιπόν με την ισχύ της αιτιότητας, της τοπικότητας και του ρεαλισμού στην Κβαντική Φυσική.
Το πρόβλημα της αιτιότητας (τα φαινόμενα προκαλούνται από ορισμένες αιτίες) και το πρόβλημα της αιτιοκρατίας ή ντετερμινισμού (οι αιτίες καθορίζουν με ένα ορισμένο τρόπο το αποτέλεσμα) είναι ένα πανάρχαιο φιλοσοφικό πρόβλημα.
Όμως υπάρχει και το πρόβλημα της τοπικότητας, δηλαδή της ταχύτητας διάδοσης των φυσικών αλληλεπιδράσεων. Η λεγόμενη “μη-τοπικότητα” είναι μια από τις πλέον παράξενες προβλέψεις της κβαντικής θεωρίας, που μαζί με την γάτα Schroedinger, ήταν άλλη μια διαμάχη του κρετίνου Einstein με τον υποστηρικτή και συνιδρυτή της κβαντικής θεωρίας, τον Niels Bohr.
Η μη-τοπικότητα προβλέπει ότι, γεγονότα που συμβαίνουν εδώ, μπορούν να επηρεάσουν γεγονότα σε άλλο σημείο που μπορεί να είναι πολύ απομακρυσμένο από το πρώτο.
Το φαινόμενο αυτό ήταν η αιτία που έκανε τον Einstein να δηλώσει πως “ο θεός δεν παίζει ζάρια με το Σύμπαν”, στην επιστημονική διαμάχη του με τον Niels Bohr και ο οποίος του απάντησε “σταμάτα να λες στον θεό τι να κάνει”.
Σήμερα οι βασικές θέσεις στα ερωτήματα αυτά είναι δύο:
1. Η ρεαλιστική, υλιστική ερμηνεία (Δημόκριτος, Γαλιλαίος, Νεύτων, Planck, Einstein, De Broglie, Bohm, Schroedinger, von Laue, Langevin κ.ά.) κατά την οποία: Υπάρχει μια φυσική, αντικειμενική πραγματικότητα, ανεξάρτητη από το υποκείμενο και τα μέσα παρατήρησης. Ο παρατηρητής δηλαδή δεν επηρεάζει το αποτέλεσμα της μέτρησης.
Ισχύει επίσης η αρχή της αιτιοκρατίας, οι αιτίες δηλαδή καθορίζουν το αποτέλεσμα.
Ορισμένοι από τους υποστηρικτές της υλιστικής ερμηνείας της Φύσης, δέχονται ότι τα σώματα αλληλεπιδρούν ακαριαία όσο μακριά και αν βρίσκονται (μη τοπικότητα). Η πεπερασμένη όμως ταχύτητα των φυσικών αλληλεπιδράσεων θεμελίωσε τον τοπικό χαρακτήρα των φαινομένων, που περιγράφονται από τις κλασσικές πεδιακές θεωρίες (ηλεκτρομαγνητισμός και θεωρία της βαρύτητας). Δηλαδή οι εκπρόσωποι αυτοί δέχονται την αρχή της τοπικότητας. Τέλος με την εξίσωση Schroedinger (1926) περιγράφεται η κίνηση των πραγματικών σωματιδίων που κινούνται στον χώρο και χρόνο θεωρώντας ότι τα σωματίδια έχουν διπλή φύση όπως δέχεται ο De Broglie.
Μια αυτονόητη υπόθεση της κλασικής φυσικής είναι ότι υπάρχει δυνατότητα, με πολύ προσεκτικό σχεδιασμό των πειραμάτων, να καταστήσουμε εντελώς αμελητέα την διαταραχή που προκαλεί ο ερευνητής με την ανάμειξή του στην πορεία των φυσικών φαινομένων. Η υπόθεση αυτή είναι απόλυτα δικαιολογημένη για φαινόμενα μεγάλης κλίμακας, αλλά παύει να είναι για φαινόμενα του Μικρόκοσμου και για τα σωματίδια που συγκροτούν τα άτομα (τουλάχιστο με τις σημερινές μεθόδους έρευνάς τους)
2. Η θετικιστική ερμηνεία (Σχολή της Κοπεγχάγης, Bohr, von Newmann, Heisenberg, Jordan κ.ά.) αμφισβήτησε την ισχύ της ρεαλιστικής ερμηνείας για την αιτιότητα στο χώρο του Μικρόκοσμου καθώς υποστήριξαν ότι δεν ισχύει στο Μικρόκοσμο και αμφισβήτησε επίσης και την ισχύ της τοπικότητας.
Σύμφωνα δηλαδή με τον Bohr η Κβαντική Θεωρία δεν περιγράφει τον μικρόκοσμο καθ’ εαυτόν, αλλά όπως αυτός εμφανίζεται κατά την παρατήρηση, δηλαδή μέσα από την αλληλεπίδραση του με τις συσκευές μέτρησης και τον παρατηρητή.
Μέσα στα πλαίσια της θετικιστικής ερμηνείας αναπτύχθηκε η μηχανική των μητρών, από τους φυσικούς της σχολής του Goetingen όπως ο Heisenberg. Οι θετικιστές πιστεύουν ότι μεγέθη που δεν μπορούν να παρατηρηθούν δεν υπάρχουν. Έτσι η μηχανική των μητρών δεν περιέγραφε τροχιές και άλλα “υλικά” χαρακτηριστικά των μικροσωματίων, αλλά μόνο παρατηρήσιμα μεγέθη: Ενεργειακές στάθμες, πιθανότητες παρουσίας και πιθανότητες μετάπτωσης.
Ο δεύτερος μαθηματικός φορμαλισμός της κβαντικής θεωρίας περιέχεται στην εξίσωση Schroedinger η οποία περιγράφει την πιθανότητα εύρεσης ενός σωματιδίου σε κάποια περιοχή του χώρου μια δεδομένη χρονική στιγμή.
Όπως απέδειξε όμως ο ίδιος ο Schroedinger οι δύο διατυπώσεις της Κβαντικής Θεωρίας είναι μαθηματικά ισοδύναμες και φυσικά οδηγούν στις ίδιες προβλέψεις. Ωστόσο η ισοδυναμία αυτή δεν σημαίνει ότι οι δύο διατυπώσεις είναι και επιστημολογικά ταυτόσημες. Η εξίσωση Schroedinger συνεχίζει την ρεαλιστική παράδοση της Κλασσικής Φυσικής ενώ η εξίσωση μητρών του Heisenberg θεμελιώνεται σε θετικιστικά αξιώματα και αντι-αιτιοκρατικές αντιλήψεις.
Η θετικιστική σχολή αφού άντλησε επιχειρήματα από τον φιλοσοφικό ιδεαλισμό, έδωσε νέα επιχειρήματα για την ορθότητα των απόψεων του. Έτσι η χριστιανική και νεοπλατωνική σκέψη άντλησαν θεμελιώδη επιχειρήματα από τον χώρο της μικροφυσικής.
Η επίδραση αυτή αποδεικνύει την φιλοσοφική εμβέλεια της νέας φυσικής. Αυτό σημαίνει ότι δεν είναι φιλοσοφικά ουδέτερη, ούτε αποκομμένη από τις άλλες ανθρώπινες δραστηριότητες. Η ανθρωπιστική θεώρηση πρέπει να είναι πάντοτε ο κύριος στόχος των επιδιώξεων. Ο Schroedinger έγραφε ότι “ο επιστήμονας δεν μπορεί να αποκοπεί από τον γήινο λώρο όταν μπαίνει στο εργαστήριο ή στο αμφιθέατρο των παραδόσεων του”
Ο Schroedinger πίστευσε, για μια περίοδο ότι η κυματοσυνάρτηση (Ψ), που εμπεριέχεται στην διάσημη εξίσωσή του, περιγράφει υλικά κύματα στο φυσικό χώρο. Οι φυσικοί αντίθετα της θετικιστικής σχολής δεχόταν μόνο τα ασυνεχή, παρατηρήσιμα μεγέθη.
Την απάντηση όμως για την φυσική σημασία της κυματοσυνάρτησης (Ψ), την έδωσε ο Max Born. Το τεράγωνο της κυματοσυνάρτησης (Ψ) αντιπροσωπεύει την πυκνότητα της πιθανότητας παρουσίας του σωματίου στο σημείο x. Άρα πρόκειται για την στατιστική ερμηνεία της Κβαντικής Θεωρίας.
Στην εισήγησή του ο Bohr στο συνέδριο του Como (1927), δέχθηκε ότι στον Μικρόκοσμο αντιμετωπίζουμε συμπληρωματικά μεγέθη (θέση-ορμή), συμπληρωματικές ιδιότητες (σωμάτιο-κύμα), συμπληρωματικές περιγραφές (χωροχρονική-αιτιακή). Η συμπληρωματικότητα ανάχθηκε κατά τον Bohr σε γενική οντολογική και γνωσιοθεωρητική αρχή, που αφορά συμπληρωματικά και αμοιβαίως αποκλειόμενες καταστάσεις, που είναι οι μόνες δυνατές. Άρα κατά τον Bohr η Κβαντομηχανική περιγραφή είναι πλήρης και οριστική.
Ο De Broglie όμως το 1927 στο 5ο Συνέδριο του Solvay αμφισβήτησε το δόγμα για την πληρότητα της κβαντικής μηχανικής, σύμφωνα με την θεωρία του, της διπλής λύσης, κατά την οποία το σωμάτιο οδηγείται από ένα ευρύτερο κυματικό φαινόμενο το “κύμα πιλότο” ή “κυματοδηγό” που πιλοτάρει το ηλεκτρόνιο στον χώρο, και η όλη κίνηση είναι αιτιοκρατική. Την άποψη αυτή στο συνέδριο την υποστήριξε μόνο ο Einstein ενώ όλοι οι άλλοι σύνεδροι την αντιμετώπισαν με αδιαφορία.
Σε τελική ανάλυση οι φυσικοί που διαφωνούσαν με τον τελικό φορμαλισμό της Κβαντικής Μηχανικής διαφωνούσαν σε ένα σημείο. Πίστευαν ότι ήταν δυνατόν και χρήσιμο να συμπληρώσουν την θεωρία έτσι ώστε να γίνει αιτιοκρατική. Ανάμεσά τους ήταν ο Einstein, Planck, de Broglie και άλλοι.
Έτσι για παράδειγμα, στο ερώτημα γιατί διαφορετικά νετρόνια (που έχουν χρόνο ημιζωής 1000 δευτερόλεπτα περίπου) διασπώνται με μια βήτα Διάσπαση σε διαφορετικούς χρόνους και δεν διασπώνται όλα στον ίδιο χρόνο, οι οπαδοί της αιτιοκρατίας αναζήτησαν κάποιες αιτίες που καθορίζουν τους διάφορους χρόνους ζωής για τα νετρόνια ή άλλα ασταθή συστήματα. Πίστευαν σε κάποιες κρυμμένες μεταβλητές που υπαγόρευαν τις αιτίες για αυτές τις διαφορετικές συμπεριφορές.
Για πολλά χρόνια όμως ένα θεώρημα του Von Newmann, του 1932, εμπόδιζε τους αντιπάλους της θετικιστικής ερμηνείας, δηλαδή της Σχολής της Κοπεγχάγης, να υπερασπιστούν μια Κβαντική θεωρία ρεαλιστική και αιτιοκρατική. Το θεώρημα αυτό αποδείκνυε ότι δεν ήταν δυνατόν να κατασκευαστεί κάποια θεωρία με “κρυμμένες μεταβλητές” που θα εξηγούσε ρεαλιστικά και αιτιοκρατικά τα κβαντικά φαινόμενα.
Η απόδειξη αυτή είχε γίνει από τον Von Newmann, έναν επιστήμονα για τον οποίο όλοι αισθάνονταν δέος, άρα δεν μπορούσαν καθόλου να του φέρουν αντίρρηση. Επίσης οι Bohr, Pauli, Heisenberg και Jordan χρησιμοποίησαν αυτό το θεώρημα για να εξουδετερώσουν κάθε αντίθετη άποψη.
Οι αντίπαλοι τους (Einstein, De Broglie, David Bohm κ.ά.) απομονώθηκαν και ήταν οι μόνοι που έμειναν να αντιδρούν πεισματικά. Αλλά μετά από αρκετά έτη και προσπάθειες (από το 1935 έως το 1970) έδωσαν οι δύο τελευταίοι σημαντικές εργασίες για ένα μοντέλο με κρυμμένες μεταβλητές, το οποίο να μην αντιβαίνει στις προβλέψεις της Κβαντικής, και συγχρόνως να δίνει μια αιτιοκρατική θεμελίωση της συμπεριφοράς των κβαντικών συστημάτων.
Η αρχική προσπάθεια του Broglie (το 1927) είχε αποτύχει και αυτός την είχε εγκατέλειψε. Αλλά η επόμενη προσπάθεια του Bohm, επέτυχε γιατί διακρινόταν από ορισμένα χαρακτηριστικά:
Αξιωματική αποδοχή της εξίσωσης Schroedinger και ισοδυναμία με την ορθόδοξη ερμηνεία της κβαντικής.
Δυνατότητα να προσεγγίσει το ζήτημα της κβαντικής θεωρίας της μέτρησης.
Τελικά όπως αποδείχθηκε το θεώρημα του Von Newmann, ενώ από μαθηματικής σκοπιάς δεν ήταν λάθος, δεν μπορούσε όμως να αποτρέψει τις αιτιοκρατικές γενικεύσεις της Κβαντομηχανικής.
Αυτές οι κρυμμένες μεταβλητές πιστεύουμε σήμερα ότι είναι δύο ειδών:
Αυτές που συνδέονται με την εσωτερική δομή των σωματιδίων (εσωτερικές)
και αυτές που συνδέονται με υποθετικές διακυμάνσεις του κενού σε μικρές περιοχές γύρω από το σωματίδιο (εξωτερικές).
Και οι δύο μεταβλητές είναι τοπικές, δηλαδή είναι ανεξάρτητες από την παρουσία της ύλης, της ενέργειας ή των διακυμάνσεων του κενού μακράν από το σωματίδιο.
Αλλά υπάρχουν και οι μη-τοπικές κρυμμένες μεταβλητές, για να μπορέσουμε να εξηγήσουμε και τα συσχετισμένα κβαντικά φαινόμενα.
Ο Dirac ένας από τους πρωτεργάτες της Κβαντικής Φυσικής έγραφε το 1975: “Νομίζω ότι τελικά η παρούσα μορφή της Κβαντικής Φυσικής δεν πρέπει να θεωρηθεί οριστική. Υπάρχουν σοβαρές δυσκολίες, θεωρώ πολύ πιθανό ότι ίσως κάποτε φθάσουμε σε μια βελτιωμένη Κβαντική Φυσική που θα μας επιτρέψει να πάμε παρακάτω.”
Έτσι η διαμάχη για την Κβαντική Φυσική συνεχίζεται έως την εποχή μας.
Παλαιά Κβαντική Θεωρία
Από τις αρχές κιόλας του 20ου αιώνα, η ανάγκη της ανθρωπότητας για εξέλιξη των θετικών επιστημών, αποτέλεσε κίνητρο για τους επιστήμονες να ασχοληθούν σχολαστικότερα με διάφορα φαινόμενα ή καταστάσεις της ύλης. Η φυσική θεώρηση που δέσποζε μέχρι τότε, δηλαδή η Κλασσική Φυσική, παρουσίαζε σοβαρά ρήγματα. Αυτά τα προβλήματα αναδεικνύονταν κατά τη διεξαγωγή διάφορων πειραμάτων, όπως στην μελέτη πολύ μικρών μεγεθών (ατομικού μεγέθους) ή ακαριαίων γεγονότων (έρευνες για την ταχύτητα του φωτός), καθιστώντας την Κλασσική Φυσική του Νεύτωνα και του Γαλιλαίου ανίκανες να εξηγήσουν τα αντίστοιχα αποτελέσματα.
Η θεωρία της Κβαντικής Φυσικής θα πρέπει να τονισθεί ότι δεν απορρίπτει την Νευτώνεια Φυσική. Η δεύτερη, μέχρι και σήμερα δίνει σαφείς απαντήσεις σε φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα στο Μακρόκοσμο, εφόσον φυσικά εξετάζουμε μεγάλα μεγέθη και σε μικρές ταχύτητες.
Όπως προαναφέρθηκε, οι νόμοι της Κλασσικής Φυσικής είναι μια ακραία περίπτωση των νόμων που διέπουν τον Μικρόκοσμο. Αυτή η βαθμιαία συγκέντρωση και η κατόπιν η διατύπωση σε μια ενιαία θεωρία είναι ένα από τα σημαντικότερα κατορθώματα της σύγχρονης επιστήμης. Αυτή η διαδικασία συγκέντρωσης και διατύπωσης μπορεί να χωριστεί ιστορικά σε δύο φάσεις, από τις οποίες απορρέει και η σύνδεση της παλιάς με την νέα κβαντική θεωρία.
Θεμελιωτές: Η κβαντική θεωρία θεμελιώθηκε από διακεκριμένους φυσικούς όπως ο Bohr, ο Heisenberg, ο Schrodinger, ο Pauli, οι Planck και άλλοι.
Άτομο σύμφωνα με την Ημικλασσική Θεωρία. Η πρώτη φάση που αρχίζει το 1900 με περίπου την εισαγωγή της έννοιας του quantum από τον Planck, φτάνει στο ζενίθ της με το άτομο του Bohr το 1913 και τελειώνει το 1923, καλύπτει την ανάπτυξη της παλαιάς Κβαντικής Θεωρίας. Αυτή η εποχή μπορεί να θεωρηθεί ως ένα μεταβατικό στάδιο μεταξύ της Κλασσικής Φυσικής και της σύγχρονης Κβαντομηχανικής που θεμελιώθηκε μεταξύ 1924 και 1927 και αποτελεί την δεύτερη φάση.
Η πρώτη φάση θεωρείται μεταβατικό στάδιο γιατί αποτελείται μεν από μη κλασσικές παραδοχές (π.χ. κβάντωση) αλλά σε ένα καθαρά κλασσικό εννοιολογικό πλαίσιο.
«Η Κβαντική Θεωρία μου προκαλεί αισθήματα τελείως παρόμοια με τα δικά σου. Θα έπρεπε κανείς πραγματικά να αισχύνεται για τέτοιες επιτυχίες, αποκτημένες με την βοήθεια του Ιησουιτικού κανόνα ‘Μή γνώτω η αριστερά σου τί ποιεί η δεξιά σου’» έλεγε ο Einstein το 1919 σε γράμμα του στον Born, κριτικάροντας την παλαιά κβαντική θεωρία, ενώ ο Schrodinger αναφέρει σε παρόμοια συνομιλία με τον Bohr «Αν αυτά τα καταραμένα κβαντικά άλματα πρόκειται τελικά να παραμείνουν στην Φυσική, τότε εγώ το μετανιώνω που αναμείχθηκα με την Κβαντική Θεωρία»
Νέα Κβαντική Θεωρία
Οι πέντε θεμελιώδεις προτάσεις της Κβαντομηχανικής είναι:
- Μαθηματική περιγραφή των φυσικών καταστάσεων. Σε κάθε πραγματοποιήσιμη κατάσταση ενός φυσικού συστήματος αντιστοιχεί μια τετραγωνικά ολοκληρώσιμη κυματοσυνάρτηση. Η κυματοσυνάρτηση περιέχει όλες τις πειραματικά διαπιστώσιμες πληροφορίες για την κατάσταση του φυσικού συστήματος.
- Μαθηματική περιγραφή των φυσικών μεγεθών. Σε κάθε φυσικό μέγεθος αντιστοιχεί ένας γραμμικός Ερμιτιανός Τελεστής που κατασκευάζεται από την κλασσική έκφραση του μεγέθους και του οποίου οι ιδιοτιμές είναι τα μοναδικά δυνατά αποτελέσματα μιας μέτρησης.
- Στατιστική ερμηνεία. Η κυματοσυνάρτηση σχετίζεται με την πυκνότητα πιθανότητας (επομένως διαθέτει στατιστική ερμηνεία).
- Ο Νόμος της κβαντικής μέτρησης. Η κατάσταση του φυσικού συστήματος μετά από μια μέτρηση αποδίδεται από την ιδιοσυνάρτηση της ιδιοτιμής που μετρήθηκε.
- Ο κβαντικός νόμος της κίνησης. Η χρονική εξέλιξη της κατάστασης ενός κβαντομηχανικού συστήματος καθορίζεται από την εξίσωση Schrodinger.
Τα έξι κύρια σημεία που επεξηγεί η κβαντική θεωρία, υπερβαίνοντας τις δυνατότητες της κλασσικής, είναι:
- Η διακριτότητα (κβάντωση) της ενέργειας
- Η δυαδικότητα του φωτός και της ύλης
- Ο Κβαντικός Εναγκαλισμός
- Η Κβαντική Σήραγγα
- Η Κβαντική Τηλεμεταφορά
- Ο Κβαντικός Υπολογιστής
Διακριτότητα Ενέργειας
Τα ηλεκτρόνια υπάρχουν σε διακεκριμένες ενεργειακές στάθμες μέσα στο άτομο. Όταν κατά την αποδιέγερσή τους από μια υψηλή ενεργειακή στάθμη μεταπηδούν προς μια χαμηλότερη, εκπέμπουν ένα φωτόνιο το οποίο σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ενέργειας, έχει ενέργεια που αντιστοιχεί στην ενεργειακή διαφορά των δύο ενεργειακών σταθμών. Αυτό όμως προϋποθέτει ότι τα ηλεκτρόνια υπάρχουν μόνο σε συγκεκριμένες ενεργειακές στάθμες, αλλιώς σύμφωνα με την Κλασσική Φυσική θα κινούνταν με σπειροειδή πορεία προς τον πυρήνα.
Το γεγονός ότι υπάρχουν διακριτές τιμές για τα επίπεδα των ενεργειακών επιπέδων, μαζί με άλλες «κβαντισμένες» ατομικές ιδιότητες, αποτελούν και την κβάντωση της ενέργειας. Η κβάντωση είναι μια κεντρική υπόθεση για την κβαντική θεωρία καθώς με αυτήν επιλύεται το “αίνιγμα” της ατομικής σταθερότητας.
Δυαδικότητα Ακτινοβολίας
«Είναι ένα αναντίρρητο γεγονός ότι υπάρχει μια εκτεταμένη συλλογή δεδομένων για την ακτινοβολία που δείχνουν ότι, το φως έχει ορισμένες θεμελιώδεις ιδιότητες, που μπορούν να κατανοηθούν πολύ πιο εύκολα από την σκοπιά της σωματιδιακής θεωρίας του Νεύτωνα παρά από την σκοπιά της κυματικής θεωρίας. Επομένως, κατά την γνώμη μου, η επόμενη φάση ανάπτυξης της Θεωρητικής Φυσικής θα μας οδηγήσει σε μια θεωρία για το φως, που θα μπορεί να ερμηνευθεί σαν ένα είδος συγκερασμού της κυματικής και σωματιδιακής εικόνας.» A. Einstein (1909)
Κατά την εξέλιξη των ερευνών, δημιουργήθηκε ένα μεγάλο χάσμα ερμηνειών ως προς την φύση του φωτός και της ύλης.
Το 1690 ο Huygens υποστήριξε την κυματική φύση του φωτός βρίσκοντας υποστηρικτές τον Maxwell, τον Hertz, τον Young και άλλους, ενώ το 1704 ο Newton υποστήριξε την σωματιδιακή φύση του φωτός (κάτι που είχαν υποστηρίξει και κάποιοι αρχαίοι Έλληνες φιλόσοφοι), βρίσκοντας υποστηρικτές τον Einstein, τον Planck και άλλους.
Ο Luis De Broglie το 1923 απέδειξε μαθηματικά πως ένα υλικό σωματίδιο θα μπορούσε να συμπεριφερθεί ως κύμα, κάτι που απέδειξαν και πειραματικά οι Davisson και Germer το 1927. Πώς γίνεται όμως κάτι να έχει τις ιδιότητες και την συμπεριφορά ενός κύματος και ενός σωματιδίου ταυτόχρονα;
Αυτό το ερώτημα καλύπτει η δυαδικότητα που πρεσβεύει η Κβαντική Φυσική, αποδεχόμενη και τις δύο φύσεις του φωτός και των σωματιδίων. Αναφέρει δηλαδή πως η Ακτινοβολία και η Ύλη συντίθενται μεν από σωματίδια αλλά η πιθανότητα να βρεθεί αυτό το σωματίδιο σε διάφορες θέσεις διαθέτει κυματική συμπεριφορά. Το φως που εμφανίζεται μερικές φορές ως κύμα οφείλεται στο ότι παρατηρούμε την συσσώρευση πολλών από τα σωματίδια του (κβάντα), και έτσι διαμοιράζονται πάρα πολύ οι πιθανότητες για διαφορετικές θέσεις στις οποίες κάθε σωματίδιο θα μπορούσε να υπάρχει.
Χονδρικά, αναφερόμενοι στη διπλή υπόσταση του φωτός, μπορούμε πλέον να θεωρούμε ότι το φως είναι κύμα όσο δεν ανιχνεύεται (δηλαδή όταν δεν αποτελεί αντικείμενο μελέτης), ενώ όταν ανιχνεύεται, παύει να είναι κύμα και συμπεριφέρεται ως σωματίδιο.
Σε αυτό το σημείο κρίνεται σκόπιμο να αναφερθεί η Αρχή Αβεβαιότητας του Heisenberg. Αυτή η αρχή δηλώνει την αδυναμία ταυτόχρονης μέτρησης της θέσης και της ορμής ενός σωματιδίου σε μια δεδομένη στιγμή. Είναι βέβαια δυνατόν να γνωρίζουμε το ένα από τα δύο φυσικά μεγέθη (δηλ. την ορμή ή την θέση) αλλά όχι και τα δύο.
Αυτή η αρχή μάλιστα, πέρα από το ότι είναι ένα από τα σημαντικότερα εργαλεία της Κβαντικής Φυσικής, συνδέεται άμεσα και με την υπόθεση της συμπληρωματικότητας του Bohr, κατά την οποία η μέτρηση μιας μεταβλητής καθιστά αυτομάτως μη μετρήσιμη κάποια άλλη.
Κβαντικός Εναγκαλισμός
Αρχικά, πριν μιλήσουμε για τον κβαντικό εναγκαλισμό θα πρέπει να αναφέρουμε κάποιες άλλες πληροφορίες όπως το ότι ένα σωμάτιο είναι δυνατόν να βρίσκεται ταυτόχρονα σε περισσότερες από μια κβαντικές καταστάσεις (ή ιδιοσυναρτήσεις) που αντιστοιχούν στις συγκεκριμένες τιμές (ιδιοτιμές) ενός μεγέθους (π.χ. της ορμής). Αυτό λέγεται υπέρθεση ή επαλληλία καταστάσεων. Στην προσπάθεια μέτρησης μιας ποσότητας, το πείραμα θα εξάγει μια συγκεκριμένη τιμή καθώς θα προκληθεί κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης κατά την ορθόδοξη ερμηνεία της κβαντικής.
Ο Schrodinger διαφώνησε με την ορθόδοξη αυτή ερμηνεία διατυπώνοντας το περίφημο πείραμα σκέψης (θεωρητικό πείραμα) της «γάτας του Schrodinger», το οποίο και αποτελεί ένα πολύ καλό παράδειγμα για να κατανοηθεί το φαινόμενο της επαλληλίας καταστάσεων.
Αυτό το πείραμα αναφέρεται στην περίπτωση μίας γάτας μέσα σε ένα κυτίο μαζί με πηγή εκπομπής ακτινοβολίας. Όταν η πηγή εκπέμπει ακτινοβολία, τότε λόγω κάποιας σύνδεσης σπάει μια φιάλη με δηλητηριώδες αέριο που αυτομάτως σκοτώνει την γάτα. Η πηγή όμως είναι ένα Κβαντικό Σύστημα το οποίο βρίσκεται στην επαλληλία καταστάσεων εκπομπής και μη εκπομπής (δηλ. 50-50 οι πιθανότητες να εκπέμψει ή όχι ακτινοβολία).
Αν δώσουμε ένα χρονικό περιθώριο (π.χ. μια ώρα) για την ενεργοποίηση της πηγής, μετά το πέρας αυτής της ώρας, αν δεν ανοίξουμε το κυτίο, η γάτα θα είναι και ζωντανή και νεκρή, πράγμα φυσικά αδύνατον. Όταν ανοίξουμε το κυτίο (και καταρρεύσει η κυματοσυνάρτηση εξαιτίας της μέτρησης ή με άλλα λόγια, «καταστραφεί» η υπέρθεση), η γάτα θα είναι ή μόνο ζωντανή ή μόνο νεκρή, όχι όμως και τα δύο.
Στην Κβαντική Φυσική, αυτή η υπόθεση δεν είναι καθόλου παράλογη καθώς το σύστημα πριν την μέτρηση (πριν ανοίξουμε το κυτίο) μπορεί να βρίσκεται στην υπέρθεση δύο μικροκαταστάσεων. Μόνο μετά την μέτρηση περιγράφεται αποκλειστικά με την μία από τις δύο καταστάσεις.
Κάπως έτσι καταλήγουμε στον κβαντικό εναγκαλισμό, ο οποίος θεωρεί ότι σε ένα σύστημα το οποίο αποτελείται από ένα ή περισσότερα υποσυστήματα, δεν μπορούμε να αποδώσουμε μια συγκεκριμένη Κβαντική Κατάσταση στο κάθε υποσύστημα την στιγμή που τα αντίστοιχα σωμάτια δεν έχουν δικές τους ιδιότητες. Αν επιχειρήσουμε να κάνουμε μέτρηση του ενός, επιφέρεται αυτομάτως η αλλαγή των ιδιοτήτων του άλλου, όσο μακριά και αν είναι το ένα από το άλλο.
Το παραπάνω οδήγησε στο παράδοξο EPR φαινόμενο, ένα πείραμα σκέψης που πήρε το όνομά του από τους δημιουργούς του Einstein, Podolsky και Rozen το 1935 και το οποίο αναφερόταν σε αυτή την δράση εξ αποστάσεως μεταξύ των εναγκαλισμένων σωμάτιων. Βέβαια, αυτό το φαινόμενο δεν αμφισβητεί την πληρότητα της κβαντομηχανικής, όπως πίστευε ο Αϊνστάιν, αλλά την επεκτείνει (όπως αποδείχθηκε πειραματικά κατά την δεκαετία του ’80).
Κβαντική Σήραγγα
Ένα σημαντικό φαινόμενο είναι η κβαντική σήραγγα. Χωρίς αυτήν, όχι μόνο θα ήταν αδύνατη η λειτουργία των κινητών τηλεφώνων, αλλά δεν θα υπήρχαν και τα σημερινά chips που απαρτίζουν έναν σημερινό ηλεκτρονικό υπολογιστή, έτσι όπως τα ξέρουμε τουλάχιστον. Ένα κύμα καθορίζει την πιθανότητα της θέσης ενός σωματιδίου. Όταν αυτό το κύμα αντιμετωπίσει ένα ενεργειακό φράγμα, η κβαντική σήραγγα μας λέει ότι το μεγαλύτερο μέρος του θα ανακλαστεί, ωστόσο, ένα μικρό μέρος του θα διαρρεύσει μέσα στο φράγμα.
Το κύμα που διέρρευσε από αυτό το φράγμα θα συνεχίσει την διάδοσή του στην άλλη πλευρά του φράγματος. Το ενδιαφέρον εδώ είναι πως ακόμη κι αν το σωματίδιο έχει πολύ μικρή ενέργεια για να ξεπεράσει το φράγμα, είναι πιθανό (μικρή πιθανότητα βέβαια) να δημιουργήσει μια σήραγγα μέσα σε αυτό. Αυτό το φαινόμενο βέβαια είναι αρκετά σπάνιο να συναντηθεί στον Μακρόκοσμο (π.χ. μια μπάλα δεν μπορεί να διαπεράσει έναν τοίχο χωρίς να του προκαλέσει φθορά), αλλά στο Μικρόκοσμο (π.χ. με την μορφή ενός ηλεκτρονίου) είναι μια συνήθης διαδικασία.
Τηλεμεταφορά
Μπορεί η τηλεμεταφορά γενικά ως θέμα να απασχολεί πολλούς συγγραφείς επιστημονικής φαντασίας, ωστόσο, κάτι τέτοιο δεν μπορεί να εφαρμοστεί, λένε, σε μακροσκοπικό επίπεδο. Παρ’ όλα αυτά, σε υποατομικό επίπεδο, η Κβαντική Τηλεμεταφορά είναι κάτι το οποίο έχει επιτευχθεί.
Ας θεωρήσουμε μια μηχανή fax (πομπός) που στέλνει ακριβή αντίγραφα τρισδιάστατων πληροφοριών σε μια άλλη μηχανή (δέκτης), αφού καταστρέψει το πρωτότυπο αντικείμενο κατά την συλλογή των πληροφοριών που το διέπουν. Κατόπιν, ο δέκτης θα αναδιατάξει αυτές τις πληροφορίες ακριβώς στην ίδια θέση με το πρωτότυπο χρησιμοποιώντας κατά προτίμηση το ίδιο υλικό ή έστω άτομα του ίδιου είδους.
Μέχρι την δεκαετία του ’90, αυτή η σκέψη «φόβιζε» τους επιστήμονες λόγω του ότι ένα τέτοιο εγχείρημα θα παραβίαζε την αρχή της αβεβαιότητας που προαναφέρθηκε. Πώς μπορείς να έχεις ακριβείς πληροφορίες για ένα αντικείμενο (ή σωματίδιο) την στιγμή που η αρχή της αβεβαιότητας στο απαγορεύει; Κι όμως υπάρχει τρόπος: η περιπλοκή.
Η περιπλοκή είναι ένα «τέχνασμα», ένας θεωρητικός τρόπος χρησιμοποίησης της κβαντικής μηχανικής για να παρακαμφθούν οι περιορισμοί της αρχής της αβεβαιότητας, χωρίς όμως να παραβιαστεί η ίδια.
Η ομάδα που «βρήκε» την αρχή της περιπλοκής αποτελούνταν από τους Charles H. Bennett από την IBM, τους Gilles Brassard, Claude Crepeau και Richard Josza από το πανεπιστήμιο του Montreal, από τους Asher Peres από το τεχνολογικό ινστιτούτο του Israel και τον William K. Wootters από το Williams College.
Για να γίνει κατανοητή η περιπλοκή, παίρνουμε το «γνωστό» παράδειγμα των ζαριών: Έχουμε μπροστά μας πολλά ζεύγη ζαριών. Ρίχνουμε το πρώτο ζεύγος και έρχονται και τα δύο 4, ρίχνουμε το επόμενο ζεύγος και έρχονται και τα δύο 1 κ.ο.κ. Αυτό συμβαίνει σε κάθε ζεύγος ζαριών που ρίχνουμε. Το ένα ζάρι είναι τυχαίο, το άλλο όμως δίνει πάντα το ίδιο αποτέλεσμα με το συζευκτικό του.
Όσο περίεργη και αν ακούγεται αυτή η συμπεριφορά των ζαριών στο μακρόκοσμο, έχει αποδειχθεί πειραματικά ότι υφίσταται μεταξύ σωματιδίων. Σε αντιστοιχία με τους αριθμούς των ζαριών, ζεύγη σωματιδίων είναι δυνατόν να παίρνουν στοιχεία, όπως φυσικές ιδιότητες (π.χ. πολικότητα) το ένα από το άλλο. Φυσικά, αυτό συνδέεται άμεσα με το παράδοξο φαινόμενο EPR της κβαντομηχανικής που προαναφέρθηκε.
Με την περιπλοκή ή την «συσχέτιση» (όρος που έθεσε ο Schroedinger για το παράδοξο EPR) ως κύρια εφόδια, οι επιστήμονες διεξήγαγαν τρία -επίσημα- πειράματα κατά την διάρκεια της δεκαετίας του ’90. Εκτός από αυτά τα τρία άλλες έρευνες πάνω στην Κβαντική Τηλεμεταφορά έγιναν τον Δεκέμβριο του 1997, όπου δύο ερευνητικές ομάδες, μια στην Αυστρία και μια στην Ρώμη, εξέθεσαν τα επιτυχή πειράματα τηλεμεταφοράς.
Κβαντικός Υπολογιστής
«Μόνο ένας κβαντικός υπολογιστής μπορεί να προσομοιώσει αποτελεσματικά τα κβαντικά συστήματα» R. Feynman.
Η παραπάνω πρόταση του Feynman ήταν η πρώτη αναφορά στους κβαντικούς υπολογιστές το 1982, ενώ λίγο αργότερα, το 1985, ο Deutsch διατύπωσε τους κανόνες με τους οποίους θα λειτουργούσε μια υπολογιστική μηχανή βασισμένη στην Κβαντική Φυσική.
Επειδή στην Σύγχρονη Εποχή παρατηρείται μια ραγδαία αύξηση των τηλεπικοινωνιακών συστημάτων λόγω της ανάγκης για γρήγορη επεξεργασία και διακίνηση των πληροφοριών, η δημιουργία ενός κβαντικού υπολογιστή (Quantum computing) αποτελεί μια πολύ ενδιαφέρουσα πρόκληση. Η Κβαντική Τηλεμεταφορά είναι απαραίτητη προϋπόθεση για την δημιουργία των κβαντικών Λογικών Πυλών μέσα στους κβαντικούς υπολογιστές, στις οποίες θα γίνεται η επεξεργασία των πληροφοριών.
Υπολογίζεται ότι με τα qubits, έννοια αντίστοιχη με τα σημερινά bits, οι υπολογιστικές μηχανές θα μπορούν να κάνουν μέσα σε λίγα δευτερόλεπτα τεράστιους υπολογισμούς που με τους σημερινούς υπολογιστές θα χρειάζονταν δισεκατομμύρια ημέρες. Αυτό οφείλεται στο ότι η τιμή ενός qubit μπορεί να ειναι 0 και 1 ταυτόχρονα!
Το εμπόδιο, όμως, στην δημιουργία ενός κβαντικού υπολογιστή είναι το κριτήριο Rayleigh, μια βασική αρχή της Οπτικής σύμφωνα με την οποία δεν μπορεί να κατασκευαστεί ένα microchip μικρότερο των 124 nanometers.
Θεωρητικά, αυτό το εμπόδιο στην πρόοδο γίνεται να υπερκερασθεί με την χρήση πεπλεγμένων φωτονίων τα οποία θα μπορούν να συμπεριφέρονται ως ένα (κατά συνέπεια κάποιων κβαντικών νόμων που αναφέρουν ότι τα πεπλεγμένα φωτόνια έχουν ως σύστημα το μισό μήκος κύματος από ό,τι έχουν ως ατομικά σωματίδια) και ως αποτέλεσμα, θα μπορούν να κατασκευαστούν chips μικρότερα των 64 nanometers.
Ακόμη κι αυτό να γίνει όμως, παρουσιάζονται και άλλα προβλήματα, με σημαντικότερο αυτό της αποσυσχέτισης, κατά την οποία μικρές αλληλεπιδράσεις με εξωτερικούς (ή και εσωτερικούς) περιβαλλοντικούς παράγοντες οδηγούν σε μη κβαντική συμπεριφορά χωρίς εναγκαλισμό, και συνεπώς δυσλειτουργία του κβαντικού υπολογιστή.
Η Ενέργεια συνιστά ουσιαστικά το υλικό, από το οποίο παράγονται όλα τα στοιχειώδη σωματίδια, τα άτομα και γενικά τα πάντα στον κόσμο, αλλά παράλληλα η Ενέργεια κινεί τα πάντα στον κόσμο, αποτελώντας μία αναλλοίωτη ουσία, που το συνολικό της ποσό, δεν μεταβάλλεται, με τα στοιχειώδη σωματίδια να αποτελούν παράγωγά της, όπως πιστοποιούν πάμπολλα πειράματα, ενώ ταυτόχρονα μετατρέπεται σε κίνηση, σε θερμότητα, σε φωτεινή ακτινοβολία ή σε διαφορά δυναμικού, προκαλώντας ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα.
Η Ενέργεια είναι η αιτία όλων των μεταβολών, που εκπροσωπεί μία θεμελιώδη αρχή, την αλλαγή, την άφθαρτη μεταβολή που ανανεώνει τον κόσμο και αν και αυτή καθαυτή η αλλαγή δεν αποτελεί υλικό αίτιο, ο εκπρόσωπός της, το Πῦρ, συνιστά ως θεμελιώδης αρχή και την κινούσα δύναμη. Στο κοσμολογικό τμήμα του έργου του με τίτλο “Περί Φύσεως”, ο Ηράκλειτος δηλώνει αφοριστικά πως:
“Κόσμον τόνδε τὸν αὐτὸν ἁπάντων οὔτε τις θεῶν οὔτε ἀνθρώπων ἐποίησε, ἀλλʹ ἦν αἰεὶ καὶ ἔστι καὶ ἔσται πῦρ ἀείζωον, ἁπτόμενον μέτρα καὶ ἀποσβεννύμενον μέτρα”.
(Ο κόσμος παραμένει αναλλοίωτος για όλα τα όντα και δεν είναι δημιούργημα κανενός θεού και κανενός ανθρώπου, αλλά υπήρχε, υπάρχει και θα υπάρξει στον αιώνα τον άπαντα, ως πύρ αείζωον, που αναφλέγεται σύμφωνα με καθορισμένα μέτρα και αποσβένεται με καθορισμένα μέτρα).
Επιστήμονες σαν τον Γαλιλαίο, τον Μάξγουελ, τον Νιλς Μπορ, τον Βέρνερ Χάιζενμπεργκ, τον Βίλχελμ Ράιχ, τον Έρβιν Σρέντινγκερ είπαν στους ανθρώπους:
“Εξερευνήστε πολύ βαθιά μέσα στην Ύλη και αυτή θα εξαφανιστεί, θα διαλυθεί σε άπειρη Ενέργεια. Τα πάντα είναι Ενεργειακά πεδία, ακόμη και η Ύλη όπως την βλέπεις δεν υπάρχει αποτελείται από κενό χώρο που είναι γεμάτος με Ενέργεια. Το σώμα σου είναι ένα Ενεργειακό πεδίο. Μόνο η αύξηση και η ανακατεύθυνση, της Ενέργειας θα ενεργοποιήσει το δυναμικό σου.” Νιλς Μπορ.
“Η φιλοσοφία είναι γραμμένη μέσα σε αυτό το μεγάλο βιβλίο, το Σύμπαν, το οποίο παραμένει πάντοτε ανοιχτό στο βλέμμα μας. Το βιβλίο αυτό δεν θα γίνει κατανοητό, εκτός αν μάθει να κατανοεί κανείς, την γλώσσα και να ερμηνεύει τους χαρακτήρες με τους οποίους έχει γραφτεί. Είναι γραμμένο στην γλώσσα των μαθηματικών και οι χαρακτήρες του είναι τρίγωνα, τετράγωνα, κύκλοι και άλλα γεωμετρικά σχήματα. Δίχως αυτά περιπλανόμαστε άσκοπα σε κάποιο σκοτεινό λαβύρινθο.” Γαλιλαίος.
“Εάν η ενιαία αρχή πού εξομοιώνει όλα τα πράγματα του κόσμου είναι το γίγνεσθαι, το φυσικό στοιχείο από το οποίο όλα τα άλλα στοιχεία αποτελούνται, είναι το Πυρ. Αυτό διότι το Πυρ θεωρείται ως στοιχείο αποσταθερωτικό, σε θέση να προκαλέσει εκείνη την αλλαγή που επιτρέπει στα πράγματα να μετατραπούν από την μια κατάσταση στην άλλη”. –Ηράκλειτος.
Τα ίδια είπαν και ο Αναξαγόρας, ο Λεύκιππος, ο Δημόκριτος, η Υπατία, όλοι οι άξιοι λόγου φιλόσοφοι το ίδιο λένε.
Ξέρεις ποιος είναι ο Αλχημιστής;
Μα τι άλλο παρά όποιος, ζει σύμφωνα με την φύση, κολυμπάει στην αρχέγονη, άχρονη, παράξενη, μεγαλειώδη, θάλασσα μυστηρίου, εναρμονίζεται με την ομορφιά και τα καπρίτσια της, απολαμβάνοντας να την εξερευνεί, να την ανακαλύπτει, να την γνωρίζει, μέχρι να αποδεσμευτεί από αυτήν.
