2.4.13

Σύμπλεξη Ι : η μικροφυσική του νου



Λέγεται συχνά ότι η κβαντομηχανική αφορά αποκλειστικά τον μικρόκοσμο, το αόρατο και αλλόκοτο σύμπαν των «στοιχειωδών» σωματιδίων. Ωστόσο, οι πιο πρόσφατες εξελίξεις στην κβαντική φυσική μάς αποκαλύπτουν κάποιες ολότελα απρόσμενες εφαρμογές της κβαντικής σκέψης, η οποία δεν περιορίζεται πλέον στη μελέτη των υποατομικών σωματιδίων, αλλά εμπλέκεται, και μάλιστα με τρόπο άμεσο, στη δομή και τη λειτουργία της ζωής: από τα φυτά και τα πτηνά έως τον άνθρωπο.

Ολο και περισσότεροι διεθνούς κύρους επιστήμονες υποστηρίζουν ότι τα μαθηματικά και εννοιολογικά εργαλεία της κβαντικής μηχανικής ενδέχεται να αποδειχτούν το κλειδί για την κατανόηση πολλών αινιγματικών νοητικών φαινομένων, ίσως και της ανθρώπινης συνείδησης. Πώς δικαιολογείται αυτή η τόσο ανοίκεια αναγωγή των εγκεφαλικών και των νοητικών φαινομένων στην παράδοξη δυναμική των κβάντων; Και σε ποιες κατακτήσεις της φυσικής στηρίζεται;

Γράφει ο Σπύρος Μανουσέλης

Η σύγχρονη και επίσημα αποδεκτή περιγραφή του φυσικού κόσμου είναι βαθύτατα σχιζοειδής: άλλες γνωσιολογικές αρχές και φυσικοί νόμοι ισχύουν για τον ορατό «μακρόκοσμο» και άλλες για τον αόρατο «μικρόκοσμο».

Η κλασική φυσική, στην οποία περιλαμβάνονται και οι θεωρίες της ειδικής και γενικής σχετικότητας του Αϊνστάιν, μας προσφέρει μια αιτιοκρατική και απολύτως προβλέψιμη περιγραφή του μακροσκοπικού σύμπαντος. Αντίθετα, η κβαντική φυσική περιγράφει, με αρκετή ομολογουμένως ακρίβεια και επιτυχία, την εγγενώς μη αιτιοκρατική, πιθανοκρατική, και άρα μη προβλέψιμη, συμπεριφορά του μικρόκοσμου (μορίων, ατόμων, υποατομικών σωματιδίων κ.ο.κ.).

Παρά τις φιλότιμες προσπάθειες των μεγαλύτερων φυσικών του εικοστού αιώνα, αυτές οι δύο εναλλακτικές προσεγγίσεις τού κατά τα άλλα ενιαίου σύμπαντος ήταν, και δυστυχώς παραμένουν, μεταξύ τους ασύμβατες. Επί έναν σχεδόν αιώνα επικρατεί στη φυσική αυτή η βολική, αλλά, στην πραγματικότητα, αυθαίρετη και γνωσιολογικά ασυνεπής διάκριση του σύμπαντος σε μικρόκοσμο και μακρόκοσμο.

Σήμερα, όμως, όλο και μεγαλύτερος αριθμός φυσικών είναι πεπεισμένοι ότι η κλασική φυσική αποτελεί μια χρήσιμη αλλά ανεπαρκή προσέγγιση του φυσικού κόσμου, ο οποίος, σε κάθε του κλίμακα (μικρο- ή μακροσκοπική) οφείλει τελικά να συμμορφωθεί με τις θεμελιώδεις και μέχρι στιγμής απαραβίαστες αρχές της κβαντικής περιγραφής.

Αιρετικοί πρωταγωνιστές

Μολονότι οι συνέπειες των κβαντικών διεργασιών είναι λιγότερο εμφανείς και άμεσες στον ορατό μας κόσμο (μακρόκοσμο), τις δύο τελευταίες δεκαετίες οι έρευνες της εργαστηριακής και θεωρητικής φυσικής έχουν αποκαλύψει ότι αυτό το αναμφισβήτητο γεγονός δεν οφείλεται τόσο στις πολύ μικρές διαστάσεις των υποατομικών φαινομένων όσο στον αδιαφανή τρόπο που αλληλεπιδρούν και συγχρονίζονται μεταξύ τους τα συστατικά των κβαντικών συστημάτων. Τα τελευταία δέκα χρόνια, μάλιστα, έχουν πληθύνει οι αποδείξεις για τη συχνή και επίμονη διείσδυση των κβαντικών συμπεριφορών στη μακροσκοπική κλίμακα.

Σύμφωνα με την επικρατούσα μέχρι σήμερα αντίληψη, τα μεμονωμένα ατομικά σωματίδια συμπεριφέρονται με τον μη αιτιοκρατικό, τυχαίο ή πιθανοκρατικό τρόπο που επιβάλλει η κβαντική περιγραφή τους, ενώ όταν συγκροτούνται σε διακριτές ομάδες (π.χ. μακροσκοπικές δομές, μεγαλομοριακές ενώσεις, κύτταρα, ιστούς ή οργανισμούς), τότε η φυσική συμπεριφορά τους περιγράφεται επαρκώς από την κλασική φυσική, δηλαδή με τρόπο αιτιοκρατικό και προβλέψιμο.

Δύο μεγάλοι πρωταγωνιστές της σύγχρονης θεωρητικής φυσικής, όπως ο Αϊνστάιν και ο Ερβιν Σρέντιγκερ, ενώ στις αρχές του 20ού αιώνα είχαν συμβάλει αποφασιστικά με τις έρευνές τους στη γένεση της κβαντικής φυσικής, κατόπιν ένιωσαν έντονη αποστροφή για τα λογικά και επιστημολογικά παράδοξα που προέκυπταν από την υιοθέτηση της κυρίαρχης κβαντικής «ερμηνείας» του μικρόκοσμου.

Θέλοντας λοιπόν να αποκαλύψουν τις αντιαιτιοκρατικές υπερβολές και τα παράδοξα της νέας κβαντομηχανικής πραγματικότητας, οι Αϊνστάιν και Σρέντιγκερ παρουσίασαν, ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο, την ίδια χρονιά, το 1935, δύο ευφάνταστα νοητικά πειράματα που, κατά τη γνώμη τους, αναδεικνύουν επαρκώς τα λογικά αδιέξοδα της επίσημης ερμηνείας. Δεν αρκέστηκαν όμως σε αυτά τα εξ ορισμού απραγματοποίητα νοητικά πειράματα, εισηγήθηκαν επιπλέον και κάποιες εναλλακτικές εξηγήσεις περί «κρυφών» μεταβλητών, που ήλπιζαν διακαώς ότι θα ανακαλυφθούν στο μέλλον. Μια ελπίδα που δυστυχώς διαψεύστηκε τις επόμενες δεκαετίες από τις θεωρητικές εξελίξεις και τα νέα πειραματικά δεδομένα της μικροφυσικής.

Η νεκροζώντανη γάτα

Για να αναδείξει τις παράλογες συνέπειες της συνάντησης της κβαντικής με την καθημερινή μας πραγματικότητα, ο Σρέντιγκερ (E. Schrödinger) πρότεινε ένα από τα πιο διάσημα νοητικά πειράματα της φυσικής, την περίφημη «γάτα του Σρέντιγκερ».

Φανταστείτε μια γάτα κλεισμένη σε ένα αδιαφανές και απομονωμένο από το εξωτερικό περιβάλλον κουτί, μέσα στο οποίο υπάρχουν, εκτός από τη γάτα, ένα φιαλίδιο με δηλητήριο υδροκυάνιο και ένας ραδιενεργός ατομικός πυρήνας. Το ραδιενεργό υλικό, όταν διασπάται, εκπέμπει ένα σωματίδιο που πυροδοτεί έναν μηχανισμό θραύσης του φιαλιδίου και άρα απελευθέρωσης του δηλητηρίου που μοιραία θα σκοτώσει τη γάτα.

Ωστόσο, κάθε ραδιενεργός διάσπαση του ατομικού πυρήνα διέπεται από τις αρχές της κβαντομηχανικής, σύμφωνα με τις οποίες ο ραδιενεργός πυρήνας μέσα στο κουτί βρίσκεται σε μια κατάσταση «υπέρθεσης» δύο δυνατών καταστάσεων: να έχει ή να μην έχει διασπαστεί. Αλλά και η μακροσκοπική γάτα βρίσκεται σε μια ανάλογη κατάσταση υπέρθεσης: μπορεί ταυτόχρονα να είναι ζωντανή ή νεκρή. Αν δεν ανοίξουμε το κουτί, δεν μπορούμε να ξέρουμε αν η γάτα είναι όντως ζωντανή ή νεκρή, βρίσκεται και στις δύο καταστάσεις ταυτόχρονα, σύμφωνα λοιπόν με την κβαντική περιγραφή, είναι νεκροζώντανη!

Επιπλέον, αν ανοίξουμε το καπάκι του κουτιού για να δούμε τι πραγματικά συμβαίνει, είναι πολύ πιθανό να προκαλέσουμε εμείς με την παρατήρησή μας τον θάνατο του άμοιρου ζώου, διότι η «νεκροζώντανη» κατάσταση είναι ιδιαίτερα ευαίσθητη στην αλληλεπίδραση με το εξωτερικό περιβάλλον: κάθε πράξη παρατήρησης οδηγεί στην κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης που περιγράφει την κατάσταση της γάτας και νομοτελειακά οδηγεί στο ένα μόνο από τα δύο εξίσου πιθανά ενδεχόμενα: είτε γάτα νεκρή είτε γάτα ζωντανή.

Εξάλλου, αρκετοί επιφανείς κβαντικοί φυσικοί, μεταξύ των οποίων και ο Eugene Wigner, έχουν υποστηρίξει, με αρκετά πειστικά επιχειρήματα, ότι η παρέμβαση της ανθρώπινης συνείδησης είναι αυτό που προκαλεί την κατάρρευση της κβαντικής κυματοσυνάρτησης. Από αυτή την απολύτως νόμιμη επιστημονική υπόθεση προήλθαν, ωστόσο, πολλές από τις απλοϊκές και αντιεπιστημονικές εικασίες που εντελώς αυθαίρετα επιχειρούν να συσχετίσουν ή, ακόμη χειρότερα, να εξηγήσουν μέσω της κβαντομηχανικής τις ιδιαιτερότητες της προσωπικής πνευματικής μας κατάστασης.

Η κβαντική… «διαπλοκή»

Στο άρθρο του του 1935, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό «Naturwissenschaften» και στο οποίο περιέγραφε το νοητικό πείραμα με τη γάτα, ο Σρέντιγκερ εισηγείται επίσης, για πρώτη φορά, την ιδιαίτερα σκοτεινή ιδέα της «κβαντικής σύμπλεξης». Μια αινιγματική έννοια που, όπως θα δούμε, έμελλε να παίξει αποφασιστικό ρόλο στις πρόσφατες εξελίξεις και τις ασύλληπτες εφαρμογές της κβαντομηχανικής.

Ο όρος «σύμπλεξη» είναι η απόδοση του αγγλικού όρου «entanglement», που έχει επίσης μεταφραστεί, κατά τη γνώμη μας εσφαλμένα, ως «διεμπλοκή», «εμπλοκή» και «εναγκαλισμός». Τον νεολογισμό «σύμπλεξη» εισηγήθηκε πρώτος, από όσο γνωρίζουμε, ο Στέφανος Τραχανάς.

Σύμφωνα με τον Σρέντιγκερ, η «κβαντική σύμπλεξη» εμφανίζεται ανάμεσα σε δύο ή περισσότερα σωματίδια (π.χ. ανάμεσα σε ηλεκτρόνια ή ανάμεσα σε φωτόνια) τα οποία, αν και απέχουν μεταξύ τους τεράστιες αποστάσεις, μπορούν με έναν εντελώς άγνωστο και σχεδόν μαγικό τρόπο να «επικοινωνούν» και να «αντιλαμβάνονται» το καθένα τις ιδιότητες ή τις μεταβολές που υφίσταται το άλλο. Αν, για παράδειγμα, αλλάξει το σπιν ή η ιδιοπεριστροφή τού ενός σωματιδίου, αυτό γίνεται ταυτοχρόνως «αντιληπτό» και έχει αμέσως επιπτώσεις στο σπιν και του άλλου, ανεξάρτητα από την τεράστια απόσταση που υπάρχει μεταξύ τους!

Πρόκειται αναμφίβολα για το πιο απίστευτο και εξωφρενικό από όλα τα γνωστά παράδοξα κβαντικά φαινόμενα. Καθόλου περίεργο, λοιπόν, που ο Αϊνστάιν το είχε υποτιμητικά χαρακτηρίσει ως «στοιχειωμένο», επειδή η κατάσταση σύμπλεξης των δύο ή περισσότερων μικροσωματιδίων τούς επιτρέπει μυστηριωδώς να ανταλλάσσουν πληροφορίες και να αλληλοεπηρεάζονται παρά τις τεράστιες αποστάσεις που τα χωρίζουν. Και μολονότι ακόμα και σήμερα οι φυσικοί αγνοούν με ποιο τρόπο «επικοινωνούν» αυτά τα σωματίδια, έχουν πολλές φορές επιβεβαιώσει πειραματικά την ύπαρξη αυτού του μυστηριώδους αλλά πραγματικού φαινομένου.

Διαπιστώνουμε λοιπόν ότι ο κβαντικός κόσμος αποτελεί μια πρόκληση για τους λογικούς και «καθωσπρέπει» κανόνες της «κλασικής» φυσικής διαγωγής: σωματίδια επικοινωνούν από μυστικές διόδους, τηλεμεταφέρονται από το ένα σημείο του χώρου στο άλλο. Επίσης, λόγω της υπέρθεσης, ένα κβαντικό σωματίδιο μπορεί να βρίσκεται σε περισσότερες από μία θέσεις ταυτόχρονα.

Ομως η δυνατότητα κβαντικής σύμπλεξης προϋποθέτει δύο επιπλέον και ακόμη πιο αλλόκοτα γεγονότα: 1) η πληροφορία που μεταφέρεται και «συμπλέκει» τα σωματίδια ταξιδεύει με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός και 2) τα σωματίδια βρίσκονται κάπου, πιθανά εκτός χώρου, ενώ εμείς τα παρατηρούμε σε δύο διαφορετικές θέσεις στον χώρο. Κοντολογίς, όλα αυτά τα φαινόμενα παραβιάζουν, ή μπορούν να παρακάμπτουν, τις «κλασικές» έννοιες του χώρου και του χρόνου ή την πιο σύγχρονη εκδοχή τους, τη σχετικιστική έννοια του χωρόχρονου.

Ωστόσο, τα αξιοπερίεργα φαινόμενα «κβαντικής σύμπλεξης» δεν εκδηλώνονται μόνο στα μικροφυσικά φαινόμενα, αλλά επηρεάζουν πιθανότατα όλες τις κλίμακες της φυσικής πραγματικότητας. Για παράδειγμα, έχει ήδη διαπιστωθεί ότι κβαντικά φαινόμενα σύμπλεξης εμπλέκονται στη συμπεριφορά αποδημητικών πτηνών και σε θεμελιώδεις βιοχημικές διεργασίες των κυττάρων, όπως π.χ. στη φωτοσυνθετική λειτουργία των φυτών. Και όπως θα δούμε στο επόμενο άρθρο μας, τα κβαντικά φαινόμενα της μη τοπικότητας, της υπέρθεσης και της σύμπλεξης ίσως επηρεάζουν κάποιες λειτουργίες του εγκεφάλου και του ανθρώπινου νου.

………………………………………………………………….. 

Βιβλία για τις κβαντικές ιδέες

Jim Al-Khalili «Κβαντικά παράδοξα» μτφρ. Α. Σπανού εκδ. «Τραυλός», 284 σελίδες

Για τον συγγραφέα αυτού του γοητευτικού βιβλίου η κβαντομηχανική δεν μοιάζει με κανένα άλλο προγενέστερο επιστημονικό εγχείρημα. Και στις σελίδες του ο αναγνώστης θα βρει μια έξυπνη και απολύτως κατανοητή έκθεση μερικών από τις πιο πρωτότυπες ιδέες που έχει παραγάγει η ανθρώπινη σκέψη στην πολυετή προσπάθειά της να ιδιοποιηθεί γνωστικά τον φυσικό κόσμο.

Με τρόπο εύληπτο, το βίβλο μάς παρουσιάζει την ιστορία και την εξέλιξη όχι μόνο των πιο σκοτεινών ιδεών της κβαντικής μηχανικής αλλά και των άκρως επαναστατικών συνεπειών που είχαν αυτές οι ιδέες πάνω στην ανθρώπινη σκέψη.

Πολύ διαφωτιστικές και καλογραμμένες οι σελίδες που αφορούν τα αινιγματικά κβαντικά φαινόμενα της υπέρθεσης και σύμπλεξης (που δυστυχώς μεταφράζεται ως «εμπλοκή» και όχι ως «σύμπλεξη»).

Ενα σύγχρονο και συναρπαστικό επιστημονικό ανάγνωσμα που, μολονότι περιγράφει τις πιο δύσπεπτες και αλλόκοτες έννοιες της κβαντικής φυσικής, καταφέρνει να κρατά διαρκώς ζωντανό το ενδιαφέρον ακόμη και του μη ειδικού αναγνώστη.

………………………………………………………………………………..

Roberto Torretti «Η φιλοσοφία της φυσικής» μτφρ. Ανδρομάχη Σπανού επιμ. Αριστείδης Αραγεώργης εκδ. Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, 607 σελίδες

Πρόκειται για μια πλήρη εισαγωγή στις φιλοσοφικές προϋποθέσεις της νεότερης φυσικής (από τον Γαλιλαίο και τον Νεύτωνα μέχρι τη Σχετικότητα και την κβαντομηχανική). Καθώς και μια συστηματική διερεύνηση των αμοιβαίων αλληλεπιδράσεων και αποκλεισμών ανάμεσα στη φιλοσοφία και τη φυσική.

Ανάμεσα στις πολυάριθμες αρετές αυτού του βιβλίου πρέπει να συμπεριλάβουμε την εξαντλητική και κυρίως ισορροπημένη παρουσίαση της οπτικής γωνίας των φιλοσόφων και των επιστημών που εξετάζει.

Μολονότι απαιτητικό, το βιβλίο αυτό αποδεικνύεται τελικά εντυπωσιακά σαφές και διαφωτιστικό. Ενα πολύτιμο εργαλείο μελέτης που, χάρη στις Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, είναι πλέον στη διάθεση των Ελλήνων αναγνωστών άριστα μεταφρασμένο και επιμελημένο.

Σε αυτή τη σημαντική μονογραφία του Ρομπέρτο Τορέτι, επιφανούς Χιλιανού φιλοσόφου και επιστημολόγου, ο αναγνώστης μπορεί να ανακαλύψει πολύτιμες πληροφορίες σχετικά για τις επιστημονικές-φιλοσοφικές προϋποθέσεις αλλά και τις συνέπειες της κβαντικής μηχανικής (τα κεφάλαια 6 και 7).

……………………………………………………………………..

David Lindley «Η αρχή της αβεβαιότητας» μτφρ. Κώστας Σίμος, επιμ. Θ. Γραμμένος εκδ. «Τραυλός », 334 σελίδες

Υπάρχουν άραγε κάποια εγγενή και ενδεχομένως ανυπέρβλητα όρια ως προς την ικανότητά μας να περιγράφουμε και να κατανοούμε «αντικειμενικά» τη φύση;

Οπως απέδειξε ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ, ένας από τους πρωταγωνιστές της κβαντικής επανάστασης, στη μικροφυσική μπορούμε να γνωρίζουμε με ακρίβεια είτε τη θέση είτε την ταχύτητα ενός μικροσωματιδίου αλλά όχι και τα δύο ταυτόχρονα: όσο ακριβέστερα προσδιορίζουμε τη θέση του τόσο λιγότερα θα ξέρουμε για την ταχύτητά του!

Σε αυτό το μάλλον απογοητευτικό συμπέρασμα οδηγήθηκε στα 1927 ο εικοσιπεντάχρονος τότε Β. Χάιζενμπεργκ. Μάλιστα, υπό την επιρροή του μέντορά του και μεγάλου θεωρητικού φυσικού Νιλς Μπορ, θα συνοψίσει τις «ενοχλητικές» ανακαλύψεις του στην περίφημη «Αρχή της αβεβαιότητας».

Ωστόσο, την αλήθεια αυτής της ανατρεπτικής αρχής αρνήθηκε πεισματικά να αποδεχτεί ο μεγαλύτερος φυσικός της εποχής Αλμπερτ Αϊνστάιν. Το γοητευτικό βιβλίο τού Ντέιβιντ Λίντλεϊ ανασυγκροτεί λεπτομερώς, με πολλές πικάντικες και ιδιαίτερα διαφωτιστικές λεπτομέρειες, την «πονεμένη ιστορία» αυτής της λυσσαλέας διαμάχης για την καθολική αποδοχή αυτής της τόσο θεμελιώδους (και μέχρι σήμερα αδιαμφισβήτητης!) φυσικής-επιστημολογικής αρχής.

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Παρουσιάστηκε σφάλμα σε αυτό το gadget