Είναι το φεγγάρι στη θέση του όταν δεν το κοιτάζει κανείς;

Χάρης Βάρβογλης

Η θεωρία του Νιλς Μπορ ότι δεν υπάρχει αντικειμενική πραγματικότητα και οι αντιρρήσεις του Αλβέρτου Αϊνστάιν: Οι δύο πυλώνες της σύγχρονης Φυσικής, η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, που περιγράφει το πολύ μεγάλο, και η Κβαντομηχανική, που περιγράφει το πολύ μικρό, είναι δύσκολο να κατανοηθούν από τον μέσο πολίτη, επειδή χρησιμοποιούν έννοιες ξένες στην καθημερινή ζωή. Αν όμως είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς τον τετραδιάστατο χωροχρόνο, στον οποίο «ζει» η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, η Κβαντομηχανική παρουσιάζει μια πολύ μεγαλύτερη πρόκληση: Φαίνεται να οδηγεί στο συμπέρασμα ότι δεν υπάρχει στον κόσμο γύρω μας αντικειμενική πραγματικότητα!

Η επιστήμη του μικρόκοσμου: Η Κβαντομηχανική είναι η σύγχρονη θεωρία της Φυσικής που περιγράφει τις κινήσεις των σωμάτων του μικρόκοσμου, όπως είναι τα πρωτόνια, τα ηλεκτρόνια και τα φωτόνια. Επί σχεδόν μία εκατονταετία όλα τα πειράματα επιβεβαιώνουν τις θεωρητικές προβλέψεις που επιτυγχάνει η μαθηματική πλευρά της, αλλά η ίδια η θεωρία «πάσχει» από ένα σημαντικό ελάττωμα: Οι φυσικές διεργασίες που περιγράφονται τόσο επιτυχώς από τα μαθηματικά δεν είναι καθόλου προφανείς!

Συγκεκριμένα, η Κβαντομηχανική διαφέρει σημαντικά από την υπόλοιπη Φυσική στο ότι δεν μπορεί να προβλέψει τη θέση ενός σωματιδίου στο μέλλον, αλλά μόνο την πιθανότητα το σωματίδιο αυτό να βρίσκεται στη θέση αυτή. Η διαφορά αυτή μπορεί να φαίνεται, σε πρώτη σκέψη, σαν μικρή λεπτομέρεια χωρίς σημασία, έχει όμως βαθύτατες συνέπειες στον τρόπο με τον οποίο καταλαβαίνουμε ότι «λειτουργεί» ο κόσμος γύρω μας. Καταργεί την αίσθηση που έχουμε από την καθημερινή ζωή ότι οι ίδιες αιτίες έχουν πάντοτε τα ίδια αποτελέσματα.

Ας φανταστούμε, για παράδειγμα, ένα πείραμα στο οποίο εκτοξεύουμε ένα ηλεκτρόνιο με την ίδια πάντα ταχύτητα και προς την ίδια πάντα κατεύθυνση. Εστω ότι, θεωρητικά, βρίσκουμε πως το ηλεκτρόνιο έχει πιθανότητα 30% να περάσει από έναν ανιχνευτή. Πώς ελέγχουμε αυτό το αποτέλεσμα; Κάνουμε το πείραμα 100 φορές και, αν διαπιστώσουμε ότι στις 30 το ηλεκτρόνιο πέρασε από αυτόν τον ανιχνευτή, καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η θεωρία δουλεύει σωστά. Πώς γίνεται, όμως, ηλεκτρόνια με τις ίδιες αρχικές συνθήκες να ακολουθούν διαφορετικές «διαδρομές»;

Στα μέσα της δεκαετίας του 1920 ο μεγάλος δανός φυσικός Νιλς Μπορ και οι συνεργάτες του κατέληξαν σε μια ερμηνεία του παραπάνω φαινομένου, που έκτοτε έμεινε γνωστή ως ερμηνεία της σχολής της Κοπεγχάγης. Σύμφωνα με την ερμηνεία αυτή, το κάθε ηλεκτρόνιο δεν ακολουθεί μια συγκεκριμένη διαδρομή, αλλά βρίσκεται «κάπου» μεταξύ της διάταξης εκτόξευσης και του ανιχνευτή. Αποκτάει μια συγκεκριμένη θέση μόνο τη στιγμή που ανιχνεύουμε την παρουσία του!

Με άλλα λόγια εμείς, με τις μετρήσεις μας, διαμορφώνουμε την εξέλιξη των φυσικών φαινομένων. Το συμπέρασμα αυτό φαίνεται εντελώς παράλογο, κυρίως άμα δοκιμάσουμε να εφαρμόσουμε την ερμηνεία της Κοπεγχάγης σε αντικείμενα πολύ μεγαλύτερα από στοιχειώδη σωματίδια. Πιο γνωστό σχετικό παράδειγμα είναι το περίφημο παράδοξο της γάτας, που διατύπωσε ο θεμελιωτής της Κβαντομηχανικής Ερβιν Σρέντιγκερ για να δείξει τις αδυναμίες της ερμηνείας της Κοπεγχάγης.

Η γάτα βρίσκεται σε ένα κουτί που περιέχει ένα φιαλίδιο με υδροκυάνιο και μια ραδιενεργό ουσία. Αν μια ραδιενεργός ακτίνα «χτυπήσει» το πώμα του φιαλιδίου, το υδροκυάνιο σκορπίζεται στο κουτί και σκοτώνει τη γάτα. Το παράδοξο προκύπτει από το γεγονός ότι, σύμφωνα με τον Μπορ, η γάτα «καταλήγει» να είναι ζωντανή ή πεθαμένη μόνο όταν ανοίξουμε το κουτί! Αυτό δεν σημαίνει ότι είναι είτε ζωντανή είτε πεθαμένη, αλλά ότι εμείς δεν γνωρίζουμε τι από τα δύο συμβαίνει μόνο και μόνο επειδή το κουτί είναι κλειστό. Σημαίνει ότι, προτού ανοίξουμε το κουτί, η γάτα είναι «μεταξύ φθοράς και αφθαρσίας», δηλαδή 50% ζωντανή και 50% πεθαμένη, ενώ η παρατήρησή μας, τη στιγμή που ανοίγουμε το κουτί, την οδηγεί στη ζωή ή στον θάνατο!

Με άλλα λόγια, σύμφωνα με την Κβαντομηχανική, δεν υπάρχει καν αντικειμενική πραγματικότητα, την οποία παρατηρούμε για να κατανοήσουμε τη φύση, αλλά εμείς, με την παρατήρησή μας, δημιουργούμε την πραγματικότητα. Προφανώς αυτό το συμπέρασμα είναι εντελώς παράλογο. Ωστόσο, παρ’ όλο που από τη διατύπωση της ερμηνείας της Κοπεγχάγης έχουν περάσει περίπου 80 χρόνια, δεν έχει βρεθεί καμιά καλύτερη φυσική ερμηνεία των μαθηματικών εξισώσεων της Κβαντομηχανικής, παρ’ όλες τις έως σήμερα προσπάθειες διακεκριμένων φυσικών.

Ενας από τους φυσικούς που δεν ένιωθε «άνετα» με την ερμηνεία της Κοπεγχάγης ήταν ο μεγάλος Αϊνστάιν. Παρ’ ότι ο ίδιος είχε βραβευτεί με το Νομπέλ Φυσικής για την πρώτη επιτυχημένη εφαρμογή της Κβαντομηχανικής, την ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, πίστευε πως η Κβαντομηχανική ήταν μια ατελής θεωρία. Στα συνέδρια εξέφραζε συχνά τη γνώμη του αυτή επιγραμματικά λέγοντας: «Δεν είναι δυνατόν ο Θεός να ρίχνει ζάρια» ή «ο Θεός είναι πολυμήχανος αλλά όχι κακεντρεχής», γεγονός που ανάγκασε μια φορά τον Μπορ να του απαντήσει: «Αϊνστάιν, σταμάτα να λες στον Θεό τι να κάνει».

Σε μια συζήτηση που είχε ένα βράδυ με τον μεγάλο μαθηματικό φυσικό Πάσκουαλ Τζόρνταν, ο Αϊνστάιν διερωτήθηκε φωναχτά, κοιτάζοντας τη φωτεινή πανσέληνο: «Αραγε το φεγγάρι είναι στη θέση του όταν δεν το κοιτάζει κανείς;». Και αυτό το «παράδοξο» προκύπτει από την προσπάθεια να εφαρμόσουμε την ερμηνεία της Κοπεγχάγης σε αντικείμενα σημαντικά μεγαλύτερα από ένα ηλεκτρόνιο ή πρωτόνιο.

Η εξήγηση του καθηγητή: Νομίζω ότι την καλύτερη παρουσίαση της παράδοξης φύσης της Κβαντομηχανικής έκανε ο βραβευμένος με το βραβείο Νομπέλ Φυσικής αμερικανός φυσικός Ρίτσαρντ Φάινμαν, στην ομιλία που έδωσε κατά την τελετή απονομής του βραβείου:

«Κυρίες και κύριοι, θα προσπαθήσω να σας εξηγήσω όσα διδάσκω στους μεταπτυχιακούς φοιτητές μου. Βασικός σκοπός μου είναι να σας πείσω να μη βαρεθείτε επειδή δεν τα καταλαβαίνετε. Βλέπετε, ούτε και οι φοιτητές μου τα καταλαβαίνουν, ακριβώς επειδή δεν τα καταλαβαίνω ούτε εγώ. Η αλήθεια είναι ότι δεν τα καταλαβαίνει κανείς!».

Η ερμηνεία των πολλαπλών κόσμων: Η ερμηνεία της Κοπεγχάγης, παρ’ ότι έχει ήδη ηλικία 80 ετών, είναι η «φυσική» πλευρά της Κβαντομηχανικής που είναι γενικά αποδεκτή σήμερα και παρουσιάζεται στα σύγχρονα διδακτικά εγχειρίδια. Πρόσφατα όμως εμφανίστηκε και μια νέα ερμηνεία, ακόμη πιο «παράδοξη» από αυτή της Κοπεγχάγης, η ερμηνεία των πολλαπλών κόσμων. Σύμφωνα με αυτή, σε κάθε στιγμή που συμβαίνει ένα γεγονός το οποίο έχει μια κβαντική πιθανότητα να συμβεί ή να μη συμβεί, ο κόσμος «διχάζεται». Στον έναν βρίσκεται ο «παρατηρητής» που βλέπει το γεγονός να συμβαίνει και στον άλλον βρίσκεται ο «παρατηρητής» που βλέπει το γεγονός να μη συμβαίνει. Το «ελάττωμα» αυτής της ερμηνείας είναι ότι προβλέπει την ύπαρξη ενός πολύ μεγάλου αριθμού κόσμων, ίσως άπειρων, γεγονός που είναι δύσκολο να το αποδεχτεί κανείς λογικά.

Ο κ. Χάρης Βάρβογλης είναι καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ.