ο θεός «παίζει ζάρια»;
Μια ερμηνεία που δίχασε τους επιστήμονες για σχεδόν έναν αιώνα, μια θεωρία που επιχείρησε να ενώσει την φιλοσοφία με την φυσική, να δώσει μια εξήγηση για το ανεξήγητο του σύμπαντος.
Ας τα πάρουμε όμως από την αρχή…
Βρισκόμαστε στις Βρυξέλλες, μεταξύ 24 και 29 Οκτωβρίου του 1927, όπου διεξάγεται το 5ο συνέδριο του Solvay με θέμα «ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΑ και ΦΩΤΟΝΙΑ», συνέδριο παγκοσμίου φήμης όπου συμμετέχουν επιφανείς φυσικοί από όλον τον κόσμο.
Κατά τη διάρκεια του συνεδρίου κυριαρχούν αντιπαραθέσεις μεταξύ του Niels Bohr και του Albert Einstein, όσον αφορά την παρουσίαση μιας καινούριας πιθανοκρατικής προοπτικής από τον Μπορ για την κβαντομηχανική θεωρία.
Ο Niels Bohr, πυρηνικός φυσικός ο οποίος ήταν ο διευθυντής του Ινστιτούτου Ατομικής Φυσικής της Κοπεγχάγης Niels Bohr, το οποίο χρηματοδοτούσε η Carlsberg, λίγους μήνες πριν είχε διατυπώσει την αρχή της συμπληρωματικότητας [1].
Αυτή, μαζί με άλλες δυο αρχές, αυτές της απροσδιοριστίας [2] και της αβεβαιότητας [3], διατυπωμένες από τον Heisenberg, λίγους μήνες πριν το εν λόγω συνέδριο στο οποίο είχε προσκληθεί για πρώτη φορά και παρενέβη και αρκετές φορές, διατυπώνοντας αρκετά εύστοχες ενστάσεις, υπέρ της ερμηνείας της Κοπεγχάγης, αποτέλεσαν γερά στηρίγματα για την εν λόγω ερμηνεία.
Τί έλεγε λοιπόν αυτή η ερμηνεία;
Ότι δεν υπάρχει βαθύτερη πραγματικότητα, πέρα από αυτή που ήδη γνωρίζουμε, ότι δεν υπάρχουν κρυμμένες μεταβλητές και ότι ο κόσμος είναι καθαρά πιθανοκρατικός.
Δηλαδή, σύμφωνα με την ερμηνεία της Κοπεγχάγης, η κβαντική μηχανική περιγράφει απλά συσχετισμούς στις εμπειρίες μας και ότι στην πραγματικότητα είναι σχετική με το αποτέλεσμα της παρατήρησης, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες.
Με άλλα λόγια, μόνο και μόνο η παρατήρηση ενός φαινομένου, το καθιστά ικανό να επιλέξει μια από τις πολλές εναλλακτικές, φασματικές προυγουμένως, καταστάσεις-ενδεχόμενά του. Τότε, λέγεται πως καταρρέει η κυματοσυνάρτησή του, η οποία καθίσταται "πραγματική" [4].
Αυτή η πιθανοκρατική θεωρία, όπως ήταν λογικό δεν άρεσε καθόλου στον Albert Einstein που θεωρούσε μια αιτιοκρατική προοπτική της κβαντομηχανικής, στην οποία ο εξωτερικός κόσμος μπορεί να διαχωριστεί από τον παρατηρητή του.
Τότε, μάλιστα, ήταν που διατύπωσε την περίφημη έκφραση πως δεν πιστεύει ότι ο θεός "παίζει ζάρια"
Παρ’ολ’αυτά, μια διόλου ευκαταφρόνητη μερίδα επιστημόνων, σε αντίθεση με τον Albert Einstein, τον Luis De Broglie,
τον Schrondiger και μερικών άλλων που εξ’αρχής τάχτηκαν υπέρ του, παραδέχτηκαν ότι η πλήρη κατανόηση της πραγματικότητας ενδέχεται να βρίσκεται πέρα από τις δυνατότητες της λογικής σκέψης, όπως ήταν μέχρι τότε διαμορφωμένη με βάση τις παρατηρήσεις τους.
Λέγεται δε ότι πιέστηκαν και από τα συμπεράσματα των πειραμάτων και μελετών που είχαν διεξάγει οι ίδιοι.
Επιστρέφουμε πίσω στο συνέδριο λοιπόν, όπου ο Albert Einstein προσπαθεί να εφεύρει λογικές προτάσεις για να απορρίψει την ερμηνεία της Κοπεγχάγης, ενώ εν συνεχεία ο Niels Bohr προσπαθεί να του επιδείξει τα λάθη στους συλλογισμούς του.
Βέβαια, αξίζει να σημειωθεί εδώ πως η διαφωνία τους δεν ήταν αποτέλεσμα της αμφισβήτησης ή όχι του μοντέλου της κβαντομηχανικής, αλλά μιας διαφορετικής φιλοσοφικής προσέγγισης της φυσικής, γι’αυτό άλλωστε κράτησε και τόσα χρόνια και οι απόρροιές του φτάνουν μέχρι τις μέρες μας.
Ο Albert Einstein προσπαθούσε να περάσει το ρεαλιστικό μήνυμα ότι ο κόσμος είναι όπως είναι, είτε τον παρατηρούμε είτε όχι, ενώ ο Niels Bohr από την άλλη, με υποστηρικτή τον Heisenberg και άλλους, παρουσίαζε μια υποκειμενική και διόλου υλιστική όψη της πραγματικότητας.
Το γεγονός όμως που εντυπωσίαζε όλους τους φυσικούς όσον αφορά την ερμηνεία της Κοπεγχάγης. συμπεριλαμβανομένου και του Αινστάιν που, σύμφωνα με τον Χάιζενμπεργκ, το μόνο που παραδέχτηκε τελικώς είναι πως η ερμηνεία της Κοπενχάγης τουλάχιστον δεν ήταν ασυνεπής ή αντιφατική – παρ’όλο που ποτέ δεν την δέχτηκε, ήταν το ότι περιείχε έναν ιδιόμορφο δυϊσμό.
Ενώ χρησιμοποιούσε απόλυτα αιτιοκρατικές «μεθόδους» για την περιγραφή ενός κβαντικού συστήματος και εξισώσεις, όπως Schrondiger, συμμετρικές ως προς τον χρόνο, σύμφωνα πάντα με την πεπατημένη θεωρία και διαδικασία μέτρησης, εμφανιζόταν μια απότομη μεταβολή και το σύστημα κατέληγε σε μόνο μια από τις πολλές δυνατές καταστάσεις, για την οποία μπορούσε να υπολογιστεί μόνο η πιθανότητα εμφανίσεώς της.
Έτσι λοιπόν το σύστημα κατέληγε σε μια δυνατότητα, της οποίας το αποτέλεσμα εξαρτώταν από το όργανο μέτρησης και συνεπώς της αλληλεπιδρασης του συστήματος με αυτό.
Επειδή όμως η διαδικασία και το όργανο μέτρησης καθορίζεται από τον εκάστοτε επιστήμονα, το αποτέλεσμα της μέτρησης και συνεπώς και το μετρούμενο μέγεθος, δεν είναι ανεξάρτητο και αντικειμενικό, αλλά σε συνάρτηση με την παρουσία και την παρέμβαση μέσω των προαναφερθέντων οργάνων και διαδικασιών μέτρησης, του επιστήμονα.
Φυσικά, ο Albert Einstein απέρριψε αυτή την άποψη, χάρην των προαναφερώμενων υλιστικών αντιλήψεών του.
Όπως μάλιστα έγραψε και στις αυτοβιογραφικές του σημειώσεις, σαφώς επηρεασμένος αρνητικά και από την αρχή της συμπληρωματικότητας του Niels Bohr :
“Αποτελεί ένα ενδιαφέρον παράδειγμα του γεγονότος ότι ακόμη και ακαδημαϊκοί με τολμηρό πνεύμα και ευαίσθητα ένστικτα μπορούν να παραπλανηθούν κατά την ερμηνεία των γεγονότων, από φιλοσοφικές προκαταλήψεις”.
Το 1952, 25 χρόνια μετά το 5ο συνέδριο του Solvay, ένας άλλος επιφανής φυσικός, επιφανής λόγω του μεγάλου κεφαλαίου που είχε, όπως απαιτούνταν για να έχει κάποιο κύρος στην επιστημονική κοινότητα – όπως όλοι όσοι ακούστηκαν άλλωστε, που άκουγε στο όνομα Bohm, διατύπωσε στο περιοδικό Physical Review μια ερμηνεία αντίθετη, όχι μόνο με την «ορθόδοξη» ερμηνεία, αλλά και με τις μέχρι τότε έρευνές του!
Η 27σέλιδη εργασία του με τίτλο "Μια υπόδειξη της κβαντικής θεωρίας με τη βοήθεια ‘λανθανουσών μεταβλητών" αποτελούσε μια προσπάθεια αποκατάστασης των αιτιοκρατικών αντιλήψεων στα κβαντικά φαινόμενα, έχοντας ως αποτέλεσμα να αποκτήσει την υποστήριξη του Albert Einstein και του De Broglie.
Σύντομα όμως, έπειτα από την δημοσίευσή της, προκάλεσε έντονες ενστάσεις στην επιστημονική κοινότητα, με αποτέλεσμα να δυσφημιστεί ο ίδιος, να χάσει την υποστήριξη του από τον De Broglie, ο οποίος υποστήριξε ότι είχε οδηγηθεί και ο ίδιος σε αντίστοιχη υπόθεση αλλά την εγκατέλειψε επειδή «έπασχε» λογικά, τον Albert Einstein, που ενώ είχε παροτρύνει προηγουμένως τον Bohm, εν συνεχεία θεώρησε "πολύ κατώτερης ποιότητας" την εργασία του και την κριτίκαρε δυσμενώς, και να δεχτεί τα πυρά επιστημόνων όπως του Pauli, του Rosenfeld και άλλων…
Θα τολμούσα να σχολιάσω πως o Bohm προσπάθησε αρχικά να εντυπωσιάσει την επιστημονική κοινότητα και μάλιστα είχε υποκινηθεί από τον Albert Einstein να προβάλει μια τέτοια άποψη – αυτό επειδή άλλαξε τελείως την άποψή του για το θέμα – αλλά όταν ο τελευταίος ανακάλυψε πως ο Bohm είχε πάρει τον "λάθος δρόμο" μιλώντας για ένα ενσυνείδητο σύμπαν κρυμμένο μέσα σε ‘λεπτόνια’ και γενικά "αιρετικές" για τους επιστήμονες αντιλήψεις, τον εγκατέλειψε στην τύχη του, φροντίζοντας να ασκήσει και την αντίστοιχη κριτική για να μην υπονομευθεί και η δική του φήμη…
Αλλά ας μην προχωρήσω έναν τέτοιο συλλογισμό όσον αφορά τον Albert Einstein, άλλωστε διανύουμε ένα έτος αφιερωμένο στην φυσική και στον ίδιο…
Μέσα στην δεκαετία του ΄80, η ερμηνεία της Κοπεγχάγης αποδείχτηκε και πειραματικά, μέσα από ένα πείραμα που βασίστηκε σε θεώρημα του Ιρλανδού φυσικού John Bell.
Ο Gerard ΄t Hooft [5] όμως, παραμένοντας σχετικά δύσπιστος, αναφέρει ότι αντίθετα προς την κοινή πεποίθηση, δεν είναι δύσκολο να κατασκευαστούν αιτιοκρατικά μοντέλα όπου η κβαντική μηχανή περιγράφει σωστά την πιθανολογική συμπεριφορά, σε ακριβή συμφωνία με το δόγμα της Κοπεγχάγης [6].
Το κλειδί σε αυτό είναι η απώλεια πληροφοριών.
Στη μικρότερη κατανοητή κλίμακα μεγέθους – την κλίμακα Planck, τρισεκατομμύρια φορές μικρότερη από τον πυρήνα ενός ατόμου – υπάρχουν πλήρεις πληροφορίες για τον κόσμο…
Εν τέλει, ο προβληματισμός όσον αφορά την ερμηνεία της Κοπεγχάγης μέχρι και στις μέρες μας, οφείλεται στην φιλοσοφία της, που κατά την "ρεαλιστική" μερίδα των επιστημόνων, ξεφεύγει από τα όρια της φυσικής, όπως αυτή έχει καθοριστεί μέσω των νόμων και των κανόνων της.
Είναι γεγονός όμως ότι η επιστήμη σήμερα, τουλάχιστον μέχρι εκεί που είναι γνωστή στην κοινή γνώμη, έχει φτάσει σε ένα σημείο που θα μπορούσε να χαρακτηριστεί αδιέξοδος.
Ναι μεν έχει κάνει τεράστια βήματα στην κατανόηση των λειτουργιών της φύσης, πάντα βέβαια στο βαθμό του δυνατού, αλλά παράλληλα, ο τρόπος που προσεγγίζει τα διάφορα φαινόμενα-καταστάσεις δε φαίνεται να αποδίδει καρπούς.
Και αυτό γιατί υπάρχει και πληθώρα άλλων φαινομένων που δε γίνεται να κατανοηθούν υπό τα συγκεκριμένα "πρίσματα" με τα οποία η σύγχρονη επιστήμη προσπαθεί να τα προσεγγίσει.
Γνωστά φαινόμενα που μπορούν να επιβεβαιώσουν την παραπάνω άποψη είναι το φαινόμενο της σύραγγας [7] ή το παράδοξο φαινόμενο EPR.
Σύμφωνα με το τελευταίο, δυο σωματίδια που κάποτε είχαν έρθει σε επαφή, μπορούν να αλληλεπιδρούν ή να επηρεάζουν "τηλεκινητικά" το ένα το άλλο οπουδήποτε κι αν βρίσκονται αυτά μέσα στο σύμπαν, χωρίς κανέναν προφανή τρόπο.
Κάτι τέτοια φαινόμενα είναι που αναγκάζουν ένα μέρος της επιστήμης να αναθεωρεί τις απόψεις της, έχοντας όμως να αντιμετωπίσει μηχανιστικά κατάλοιπα που δυστυχώς ακόμη δεν έχει καταφέρει να απομακρύνει.
Χάρη σ’αυτά τα κατάλοιπα έχει δώσει και τα δικαιώματα να χαρακτηρίζεται από μερικούς ως "δογματική" ή ανίκανη να σταθεί στο ύψος των περιστάσεων σε περιπτώσεις που αδυνατεί να δώσει απαντήσεις.
Οι διδαχές πάντως της ερμηνείας της Κοπεγχάγης δημιουργούν τις προϋποθέσεις για πολλές προεκτάσεις, κυρίως φιλοσοφικού περιεχομένου, όπως η θεωρία του Hugh Everett [4], ή η φημισμένη "γάτα του Erwin Schrödinger".
Αν μάλιστα το τραβήξουμε ακόμη παραπέρα με αυτά τα φαινόμενα ή τις θεωρίες, μπορούμε να μιλήσουμε και για εξωδιαστατικές οντότητες που μπορούν άνετα να δουν αν η γάτα του Erwin Schrödinger είναι ζωντανή ή νεκρή, ή να αναφερθούμε σε σκεπτομορφές ή λάρβες που μπορούν να επιβιώνουν σε ένα από τα παράλληλα σύμπαντα του Hugh Everett.
Μπορούμε ακόμη να υποθέσουμε ότι μια σκέψη που κάναμε για δυο δευτερόλεπτα, μπορεί να δημιουργήσει μια αντίθετή της στην άλλη άκρη του σύμπαντος, όπως με τα σωματίδια του παράδοξου EPR.
Αυτές τις προεκτάσεις βέβαια πιθανόν να "φοβούνται" οι επιστήμονες που εμμένουν στη "Νευτόνεια" όψη του κόσμου.
Παρ’ολ’αυτά, η πιο "ψαγμένη" μερίδα επιστημόνων, από πλευράς οπτικής του μέχρι στιγμής αινιγματικού σύμπαντος, εντριφεί και προσπαθεί να εξελίξει την ερμηνεία της Κοπεγχάγης, να διορθώσει τυχόν λάθη ή ατέλειές της, έτσι ώστε να προκύψει μια ενοποιημένη θεωρία* που θα μας δώσει τις πολυπόθητες απαντήσεις που επί αιώνες ψάχναμε…
Άραγε θα υπάρξει ποτέ μια τέτοια;
"Η τυποποιημένη προσέγγιση της κβαντικής μηχανικής, που αναπτύχθηκε από τον Bohr και την ομάδα του, και ονομάζεται ερμηνεία της Κοπεγχάγης προς τιμήν τους, οραματίζεται ότι κάθε φορά που προσπαθείτε να δείτε ένα κύμα πιθανότητας, η ίδια η παρατήρηση παραποιεί την προσπάθειά σας". έτσι το εξηγεί στο βιβλίο του "η κρυμμένη πραγματικότητα" ο φυσικός Brian Greene
Σημειώσεις:
[1] – Σύμφωνα με την αρχή της συμπληρωματικότητας του Μπορ, κάθε φαινόμενο του μικρόκοσμου μπορεί να εξεταστεί με δύο διαφορετικούς τρόπους, είτε υποθέτοντας ότι αλληλεπιδρούν σωματίδια είτε υποθέτοντας ότι αλληλεπιδρούν κύματα.
[2] – Σύμφωνα με την αρχή της απροσδιοριστίας του Χάιζενμπεργκ, δεν είναι δυνατό να γνωρίζουμε ταυτόχρονα και με ακρίβεια τη θέση και την ταχύτητα ενός σώματος.
[3] – Ο Heisenberg συμπέρανε την αρχή της αβεβαιότητας από την κβαντική φύση του φωτός και το αποτέλεσμα της μέτρησης.
[4] – Εδώ αξίζει να σημειωθεί και η θεωρία των πολλαπλών κόσμων του Έβερετ. Σύμφωνα με αυτή,όταν η απλή παρατήρηση ενός φαινομένου,το κάνει να επιλέξει μια από τις πολλές καταστάσεις-ενδεχόμενά του (όπως υποστηρίζει η ερμηνεία της Κοπεγχάγης), τότε πραγματοποιούνται όλα τα ενδεχόμενα σε ισάριθμα σύμπαντα, στα οποία διχάζεται το αρχικό σύμπαν, και σε καθένα από αυτά τα νέα σύμπαντα πραγματοποιείται ένα από αυτά τα ενδεχόμενα.
[5] – Ο Gerardus ‘t Hooft του πανεπιστημίου της Ουτρέχτης, πήρε το βραβείο Nobel 1999 για τη Φυσική (μαζί με τον Martinus J.G. Veltman) για τη συμβολή τους στη “διασαφήνιση της κβαντικής δομής των ηλεκτροασθενών δυνάμεων στη φύση” και την δημιουργία ενιαίου πλαισίου για όλες τις δυνάμεις της φύσεως. Οι προσπάθειες τους, επικεντρώνονται στην έρευνα για κατανόηση των ομοιοτήτων ή συμμετριών όπως επικράτησε να λέγεται, ανάμεσα σε ανόμοια φαινόμενα, και ο σχηματισμός αυτών των σχέσεων σε ένα σύμπλεγμα που περιέχει όμως κομψούς μαθηματικούς τύπους.
Ο Gerardus ‘t Hooft περιγράφει έναν τρόπο με τον οποίο οι θεωρίες για το γνωστό παιχνίδι πιθανοτήτων, ίσως να ενισχύονται από ακριβείς φυσικούς νόμους που φανερώνουν τον τρόπο με τον οποίο εργάζεται η φύση.
[6] – Στην περίπτωση αυτή, η πιθανολογική συμπεριφορά σημαίνει ότι τα αντικείμενα φαίνονται να είναι συγκεχυμένες, παρά ακριβείς, πιθανότητες. Και αιτιοκρατία σημαίνει το ένα πράγμα οδηγεί με βεβαιότητα στο άλλο, όχι απλά σε μια σειρά άλλων αντικειμένων με διαφορετικές πιθανότητες.
[7] – Ενέργεια ή σωματίδια μπορούν να δημιουργηθούν από το πουθενά (θεωρία η οποία όχι μόνο είναι αποδεκτή, αλλά και έχει πρακτικές εφαρμογές σήμερα)…
*Πάνω στην ενοποιημένη θεωρία έχουν στρέψει τα βλέμματά τους οι επιστήμονες την εποχή που διανύουμε.
Για να τελειοποιηθεί η θεωρία αυτή, θα πρέπει να μελετηθούν σε βάθος οι 4 κινητήριες δυνάμεις, σύμφωνα με τις οποίες λειτουργεί ο κόσμος (ή το σύμπαν)…
Οι 3 από αυτές – η ηλεκτρομαγνητική, η ισχυρή και ισχνή ατομική – έχουν μελετηθεί σε επαρκές σημείο, ενώ μεγάλες δυσκολίες ως προς την εξήγηση υπάρχουν στην τέταρτη από αυτές, την λεγόμενη βαρυτική δύναμη.
Σχόλια:
Αρκετά στοιχεία που παρατίθενται παραπάνω, επεξηγούνται με έναν σχετικά εκλαικευμένο τρόπο έτσι ώστε να γίνονται όσο πιο κατανοητά μπορούν.
Επίσης, το παραπάνω κείμενο δημοσιεύεται έπειτα από «συναίνεση» (και πολύωρες συζητήσεις) με δυο πολύ αξιόλογους καθηγητές φυσικής οι οποίοι έχουν μελετήσει τον συγκεκριμένο τομέα της φυσικής στον οποίο αναφερόμαστε (τα στοιχεία τους είναι διαθέσιμα στους ενδιαφερόμενους).
Πηγές:
Ανδριτσοπούλου – Εισαγωγή Στην Κβαντομηχανική
http://www.physics4u.gr
http://www.archiv.uni-eipzig.de/heisenberg/Geburt_der_modernen_Atomphysik/Die_Kopenhagener_Deutung/die_kopenhagener_deutung.htm (πολύ καλή αλλά στα γερμανικά…)
