Αυτοί που διέψευσαν τον Αϊνστάιν. Του Παναγιώτη Μουρούζη
Το φετινό βραβείο Νόμπελ Φυσικής δόθηκε στον Αμερικάνο John Clauser (1942), στον Αυστριακό ( 1945) Anton Zeilinger και στον Γάλλο Φυσικό Alain Aspect (1947)
Η ιστορία ξεκινάει από τότε σχεδόν που διατυπώθηκε η κβαντική θεωρία. Από την μία μεριά ο Αϊνστάιν και από την άλλη ο Μπορ ( ο κύριος αντιπρόσωπος της σχολής της Κοπεγχάγης) διαφωνούσαν όσον αφορά την ερμηνεία της κβαντικής θεωρίας. Διαφωνούσαν για την ρεαλιστικότητα ( αιτιοκρατία ) και την τοπικότητα της θεωρίας. Ο Αϊνστάιν και η ομάδα του πίστευε ότι η διατύπωση της κβαντικής θεωρίας είναι ελλιπής. Μία σωστή και ολοκληρωμένη επιστημονική θεωρία πρέπει να είναι και αιτιοκρατική και τοπική. Αντίθετα η ομάδα του Μπορ πίστευε ότι μία επιστημονική θεωρία μπορεί να μην είναι ούτε αιτιοκρατική, ούτε και τοπική χωρίς αυτό να σημαίνει ότι είναι λανθασμένη ή ελλιπής. Η διαμάχη αυτή μπορεί να συνοψιστεί με τον παρακάτω διάλογο:
– Αϊνστάιν: Δεν είναι δυνατό ο Θεός να παίζει ζάρια
– Μπορ: Δεν θα πείτε εσείς κε Αϊνστάιν τι θα κάνει ο Θεός.
Αλλά για να δούμε τι σημαίνει αιτιοκρατική θεωρία. Μία θεωρία λέγεται αιτιοκρατική-ρεαλιστική αν το ίδιο ακριβώς αίτιο φέρνει κάθε φορά το ίδιο αποτέλεσμα. Αυτό στην κβαντική θεωρία φαίνεται να παραβιάζεται. Ας αναφερθούμε στο φαινόμενο της ραδιενεργούς διάσπασης και ας πάρουμε έναν ραδιενεργό πυρήνα με χρόνο ημιζωής 10 λεπτά. Αυτό σημαίνει ότι αν είχαμε πάρα πολλούς τέτοιους ραδιενεργούς πυρήνες, σε 10 λεπτά θα είχαν διασπαστεί στατιστικά οι μισοί. Για τον έναν όμως δεν μπορούμε να πούμε απολύτως τίποτα. Μπορεί να διασπαστεί στο επόμενο λεπτό, ώρα μέρα ή χρόνο.
Ο Αϊνστάιν πίστευε ότι αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι δεν γνωρίζουμε όλες τις λεπτομέρειες για τον κάθε πυρήνα. Αν τις γνωρίζαμε, τότε θα μπορούσαμε να υπολογίσουμε με ακρίβεια πότε ακριβώς θα διασπαστεί. Πίστευε δηλαδή στην ύπαρξη κάποιων κρυμμένων μεταβλητών. Με άλλα λόγια φανταζόταν το φαινόμενο της διάσπασης σαν αυτό που συμβαίνει σ’ ένα εκκολαπτήριο. Όταν έρθει η ώρα, σπάει το κάθε αυγό και βγαίνει ένα νεογέννητο πουλάκι. Παρατηρώντας όμως το εκκολαπτήριο μία δεδομένη στιγμή δεν μπορούμε να γνωρίζουμε ποιο αυγό θα σπάσει. Γνωρίζουμε όμως στατιστικά τι θα συμβεί τις επόμενες ώρες. Αν βέβαια είχαμε μία συσκευή ακτίνων X ώστε να μπορούσαμε να δούμε τι συμβαίνει μέσα στο κάθε αυγό, τότε θα μπορούσαμε ίσως και να προβλέψουμε ποιο αυγό έχει σειρά να σπάσει.
Αντίθετα ο Μπορ πίστευε ότι η τυχαιότητα με την οποία διασπάται ένας πυρήνας ή ένα αυγό στο παραπάνω παράδειγμά μας, είναι ενδογενής ιδιότητα της φύσης. Σε καμία περίπτωση δεν μπορούμε να βρούμε πληροφορίες ώστε να μπορούμε με βεβαιότητα να μιλήσουμε για την εξέλιξη του φαινομένου. Δηλαδή δεν πίστευε στην ύπαρξη κρυμμένων μεταβλητών.
Η δεύτερη διαφωνία τους είχε σχέση με την τοπικότητα μίας φυσικής θεωρίας. Μία θεωρία δεν είναι τοπική όταν μία ενέργεια εδώ μπορεί να επηρεάσει ακαριαία κάτι που βρίσκεται εκεί. Η Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας μας λέει ότι τίποτα στη φύση δεν μπορεί να μεταδοθεί ακαριαία. Άρα είναι λογικό να καταλάβουμε γιατί ο Αϊστάιν πίστευε ότι δεν μπορεί να υπάρχει μία σωστή Φυσική θεωρία που να παραβιάζει την τοπικότητα. Αντίθετα ο Μπορ πίστευε ότι η Κβαντική Θεωρία παραβιάζει την τοπικότητα. Η παραβίαση αυτή ίσως να μην σημαίνει ότι κάποιο σωματίδιο μεταφέρθηκε από εδώ εκεί. Επομένως η παραβίαση της τοπικότητας δεν σημαίνει απαραίτητα και παραβίαση της Θεωρίας της Σχετικότητας.
Η τελευταία προσπάθεια του Αϊνστάιν και της ομάδας του για την υπεράσπιση των θέσεών τους σχετικά με τη μη παραβίαση της τοπικότητας ήταν το 1935 με τη δημοσίευση ενός παράδοξου που έχει μείνει με το όνομα “παράδοξο EPR” από τα ονόματα των δημιουργών του Αϊνστάιν, Ποντόλσκι (Podolsky) και Ρόζεν (Rosen). Το παράδοξο αναφέρεται σε ένα νοητικό πείραμα που λέει το εξής: Έστω ότι έχουμε ένα σύστημα από δύο σωματίδια με αρχική στροφορμή μηδέν. Διαχωρίζονται τα σωματίδια και ταξιδεύουν. Τα σωματίδια αυτά περιγράφονται από μία κυματοσυνάρτηση και όχι από δύο, την κυματοσυνάρτηση του αρχικού συστήματος. ( φαινόμενο διεμπλοκής ). Τότε όμως μετρώντας την στροφορμή του ενός εδώ θα γνωρίζουμε ακαριαία και την στροφορμή του άλλου σωματιδίου που είναι εκεί, αφού θα πρέπει οι στροφορμές να είναι πάντα αντίθετες. Άρα είχαμε μία ακαριαία μετάδοση πληροφορίας, πράγμα άτοπο. Με πιο απλά λόγια ο Αϊνστάιν πίστευε ότι με το διαχωρισμό των σωματιδίων το καθένα έχει ένα συγκεκριμένο σπιν. Η θεωρία μας επειδή είναι ελλιπής δεν γνωρίζει το σπιν του κάθε σωματιδίου. Κάνοντας ένα πείραμα μπορούμε να το μάθουμε. Η τιμή όμως του σπιν είναι προκαθορισμένη. Αλλιώς θα οδηγούσε σε κατάρρευση της τοπικότητας. Ο Μπορ από την άλλη πίστευε ότι μπορεί να υπάρχει το φαινόμενο της διεμπλοκής χωρίς αυτό να σημαίνει και παραβίαση της Αρχής της σχετικότητας. Πίστευε δηλαδή ότι με το διαχωρισμό των σωματιδίων το κάθε σωματίδιο δεν έχει κάποιο συγκεκριμένο σπιν. Η τιμή του σπιν δεν προσδιορίζεται αλλά καθορίζεται από τη μέτρηση. Έτσι όταν μετράμε το σπιν εδώ επηρεάζουμε την τιμή του σπιν στο άλλο σωματίδιο που είναι εκεί.
Επειδή για πολλά χρόνια δεν μπορούσαν να γίνουν πειράματα που να επαληθεύουν τη μία ή την άλλη άποψη, γι αυτό η διαμάχη είχε μείνει σε φιλοσοφικό επίπεδο.
Η μεγάλη εξέλιξη σ’ αυτή τη διαμάχη διατελέστηκε στις αρχές της δεκαετίας του 60 από τον Ιρλανδό Φυσικό Μπελ που αν ζούσε θα συμπεριλαμβανόταν σίγουρα στους βραβευμένους επιστήμονες. Ο Μπελ με μαθηματικούς συλλογισμούς και όχι με κάποια πειράματα κατέληξε σε μία ανισότητα που αν παραβιαζόταν θα οδηγούσε στο συμπέρασμα ότι ο Αϊνστάιν είχε άδικο. Η ανισότητα του Μπελ βελτιώθηκε και επεκτάθηκε από τους Clauser και Zeilinger. Στις αρχές της δεκαετίας του 80 ο Aspect μπόρεσε πειραματικά να ελέγξει τις ανισότητες και να δώσει ένα οριστικό τέλος στη μεγάλη διαμάχη. Νικητής ο Μπορ. Ο Αϊστάιν είχε άδικο. Στη κβαντομηχανική οι φυσικοί νόμοι δεν διατηρούν ούτε την αιτιότητα ούτε την τοπικότητα.
Από τότε άνοιξαν νέοι ορίζοντες για την επιστήμη και την τεχνολογία. Η προσπάθεια δημιουργίας κβαντικών υπολογιστών, η ανάπτυξη πιο δυνατών κωδικών ασφαλείας, η δημιουργία των qbits και της νέας κβαντικής θεωρίας της πληροφορίας έχει χαράξει νέους ορίζοντες. Κανείς δεν μπορεί να προβλέψει το μέλλον στην τεχνολογία των επικοινωνιών και όχι μόνο. Σίγουρα πάντως μιλάμε για τη δεύτερη κβαντική επανάσταση.
