Κβαντική κυματοσυνάρτηση: μαθηματικό εργαλείο ή πραγματικότητα;

Η κυματοσυνάρτηση – η οντότητα που καθορίζει την πιθανότητα διαφορετικών εκβάσεων όταν γίνονται μετρήσεις σωματιδίων της κβαντομηχανικής – φαίνεται ότι δεν είναι ένα απλό στατιστικό εργαλείο, όπως πιστεύεται σήμερα ευρέως, αλλά υπάρχει ως αντικειμενική οντότητα. Αυτό υποστηρίζουν τρεις Βρετανοί θεωρητικοί φυσικοί σε μια νέα δημοσίευση στην οποία λένε ότι  αποδεικνύεται μαθηματικά ότι η κυματοσυνάρτηση είναι πραγματική.

Η δημοσίευση, που θεωρείται από κάποιους ότι είναι μία από τις πιο σημαντικές εργασίες στα κβαντικά θεμέλια των τελευταίων δεκαετιών, έγινε την περασμένη εβδομάδα στο περιοδικό Nature Physics.

Οι τρεις φυσικοί λένε ότι τα μαθηματικά δεν αφήνουν καμία αμφιβολία ότι η κυματοσυνάρτηση δεν είναι απλώς ένα στατιστικό εργαλείο, αλλά μάλλον, μια πραγματική, αντικειμενική κατάσταση ενός κβαντικού συστήματος. «Οι άνθρωποι είναι συναισθηματικά δεμένοι με θέσεις που τις υπερασπίζονται με ασαφή επιχειρήματα», λέει ο Jonathan Barrett, ένας από τους συγγραφείς και  φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Λονδίνου Roya Holloway. "Γι αυτό είναι καλύτερα να έχουμε ένα θεώρημα."

Το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό της κβαντομηχανικής είναι ότι δεν μπορεί να προβλέψει την τελική κατάσταση στην οποία θα βρεθεί ένα κβαντικό σύστημα, αλλά μόνο την πιθανότητα να καταλήξει στη μία ή την άλλη κατάσταση.

Και η ιδιαιτερότητα αυτή οδήγησε εξαρχής σε μια διαφωνία για το κατά πόσο οι κβαντικές καταστάσεις των σωματιδίων αποτελούν μέρος της πραγματικότητας, ή αν αντίθετα είναι απλώς μαθηματικές περιγραφές, τις οποίες αναγκαζόμαστε να χρησιμοποιήσουμε, επειδή απλά δεν ξέρουμε πώς το κβαντικό σύστημα επιλέγει να καταλήξει σε μια κατάσταση και όχι σε άλλη.

Ο μεγάλος Αυστριακός φυσικός Έρβιν Σρέντιγκερ, ο οποίος πρότεινε το διάσημο νοητικό πείραμα στο οποίο μια κβαντομηχανική γάτα μπορεί να είναι ταυτόχρονα ζωντανή και νεκρή, πίστευε αρχικά ότι αυτές οι δύο καταστάσεις, ή οποιαδήποτε άλλη κβαντική κατάσταση, είναι μέρος της πραγματικότητας. Με άλλα λόγια, η γάτα του Σρέντινγκερ μπορεί πραγματικά να είναι συγχρόνως ζωντανή και νεκρή.

Με την άποψη αυτή διαφώνησε μεταξύ άλλων ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, ο οποίος πίστευε ότι η γάτα του Σρέντινγκερ είναι είτε ζωντανή είτε νεκρή, αλλά δεν μπορούμε να γνωρίζουμε την απάντηση επειδή απλά δεν κατανοούμε την πραγματικότητα σε όλο της το βάθος. Για τον Αϊνστάιν, λοιπόν, οι κβαντικές καταστάσεις και η κυματοσυνάρτηση είναι απλώς στατιστικά εργαλεία.

Στη νέα μελέτη, όμως, οι ερευνητές δείχνουν ότι, αν μια θεωρία μεταχειρίζεται την κυματοσυνάρτηση ως απλή πληροφορία, και όχι μέρος της πραγματικότητας, τότε η θεωρία αυτή αποτυγχάνει να αναπαράγει τις προβλέψεις της κβαντομηχανικής.

«Δείχνουμε εδώ ότι οποιοδήποτε μοντέλο στο οποίο μια κβαντική κατάσταση αντιστοιχεί σε απλές πληροφορίες για μια υποκείμενη φυσική κατάσταση ενός συστήματος, και στο οποίο τα συστήματα που ετοιμάζονται ανεξάρτητα έχουν ανεξάρτητες φυσικές καταστάσεις, πρέπει να οδηγούν σε προβλέψεις που έρχονται σε αντίθεση με τις προβλέψεις της κβαντικής θεωρίας» γράφουν οι ερευνητές.

Ο Jonathan Barrett και οι συνεργάτες του ακολούθησαν την προσέγγιση του φυσικού John Bell, ο οποίος το 1964 απέδειξε ότι η κβαντομηχανική έχει μια άλλη αντιφατική επίπτωση: ότι οι μετρήσεις σε ένα σωματίδιο μπορεί να επηρεάσουν την κατάσταση ενός άλλου, μακρινού σωματιδίου, πιο γρήγορα από ό,τι επιτρέπει η ταχύτητα του φωτός. Το θεώρημα του Bell ήταν «απαγορευμένο»: η στρατηγική του ήταν να δείξει ότι θεωρίες που δεν επιτρέπουν επιδράσεις ταχύτερα από το φως δεν μπορούν να αναπαράγουν τις προβλέψεις της κβαντικής μηχανικής.

Ομοίως, το θεώρημα που προτείνεται από τον Barrett και τους συνεργάτες του δείχνει ότι οι θεωρίες που μεταχειρίζονται την κυματοσυνάρτηση με όρους έλλειψης γνώσης της φυσικής κατάστασης ενός συστήματος θα αποτύχουν, επίσης, να αναπαράγουν αυτές τις προβλέψεις. Με δεδομένο το πόσο καλά επιβεβαιωμένη είναι η κβαντική μηχανική, το θεώρημα δείχνει ότι τέτοιες επιστημικές θεωρίες είναι λάθος. «Ελπίζω ότι αυτό το θεώρημα θα πάρει μια θέση παράλληλα με το θεώρημα του Bell," υποστηρίζει ο Barrett.

Προσπαθώντας να εξηγήσει με πιο απλά λόγια αυτή την προσέγγιση, ο Terry Rudolph του Imperial College στο Λονδίνο, μέρος της ερευνητικής ομάδας, δίνει το παράδειγμα ενός ζαριού που θα μπορούσε κάποιος να «πειράξει» ώστε να δίνει ως αποτέλεσμα μόνο τους αριθμούς 2,4 ή 6. Ένα άλλο ζάρι θα μπορούσε επίσης να είναι πειραγμένο ώστε να δίνει μόνο τους αριθμούς 2,4 ή 5.

Και τα δύο ζάρια, τα οποία αντιστοιχούν σε διαφορετικά κβαντικά μοντέλα, θα μπορούσαν να δώσουν ανεξάρτητα τον αριθμό 2, ο οποίος μπορεί να θεωρηθεί μια πραγματικότητα. Σε αυτή την περίπτωση, λοιπόν, δύο διαφορετικά μοντέλα δίνουν τα ίδια αποτελέσματα ακολουθώντας διαφορετικό δρόμο.

Αυτό όμως δεν μπορεί να ισχύει στην κβαντομηχανική, αφού, σύμφωνα με το νέο θεώρημα, δεν είναι δυνατόν η ίδια πραγματικότητα να κρύβεται πίσω από διαφορετικές κβαντικές καταστάσεις.

Άλλοι, όμως, δεν συμφωνούν καν με την παραδοχή των ερευνητών ότι τα κβαντικά συστήματα έχουν μια αντικειμενική υπόσταση. Ο Christopher Fuchs, φυσικός του Perimeter Institute στον Καναδά, συντάσσεται με τον Αϊνστάιν στην άποψη ότι η κυματοσυνάρτηση αντανακλά την άγνοιά μας για την πραγματικότητα. Σχολιάζοντας τη δημοσίευση, ο Fuchs λέει ότι το θεώρημα δεν αποκλείει την πιθανότητα η κυματοσυνάρτηση να ανακλά την άγνοια για τα αποτελέσματα μετρήσεων που έχουν ήδη γίνει, και όχι την ίδια τη φυσική πραγματικότητα.

Μια άλλη, αν και λιγότερο πιθανή, εξήγηση, είναι ότι αν μια θεωρία μεταχειρίζεται την κυματοσυνάρτηση ως απλή πληροφορία και αποτυγχάνει να αναπαράγει τις προβλέψεις της κβαντομηχανικής, όπως λένε οι ερευνητές, αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι ολόκληρη η κβαντομηχανική είναι λανθασμένη, και όχι στο γεγονός ότι η κυματοσυνάρτηση είναι αληθινή.

Πηγή: Nature – in.gr

http://www.physics4u.gr/blog/?p=5027