Παράδοξο του Ζήνωνα και κβαντική μηχανική ΜΕΡΟΣ Α


Παράδοξο του Ζήνωνα και κβαντική μηχανική 

ΜΕΡΟΣ Α  


Η κβαντική μηχανική είναι η θεωρία που περιγράφει πώς λειτουργεί ο μικρόκοσμος – και δεν εννοώ τον κόσμο που γίνεται ορατός μόνο κάτω από το μικροσκόπιο, αλλά τον πολύ, πολύ μικρότερο κόσμο των μορίων, των ατόμων και των υπο-ατομικών σωματιδίων (ηλεκτρονίων, πρωτονίων και νετρονίων) που τον συνθέτουν. Ουσιαστικά, η κβαντική μηχανική αποτελεί το πιο ισχυρό, σημαντικό και θεμελιώδες μαθηματικό σύνολο ιδεών σε όλη την επιστήμη. Είναι αξιοπρόσεκτη για δύο φαινομενικούς αντιφατικούς λόγους (κάτι που από μόνο του αποτελεί σχεδόν παράδοξο!) Από τη μια, είναι τόσο θεμελιώδης για την κατανόηση των λειτουργιών του κόσμου μας, ώστε βρίσκεται στην καρδιά των περισσότερων τεχνολογικών επιτευγμάτων των τελευταίων πενήντα χρόνων. Από την άλλη, κανείς δεν φαίνεται να αντιλαμβάνεται ακριβώς το νόημά της.
Η μαθηματική θεωρία της κβαντικής μηχανικής δεν είναι αφεαυτής αλλόκοτη ή παράλογη. Αντίθετως, είναι μια όμορφη και λογική κατασκευή μεγάλης ακρίβειας, που περιγράφει τη φύση εξαιρετικά καλά. Χωρίς αυτήν δεν θα μπορούσαμε να κατανοήσουμε ούτε καν τα βασικά της σύγχρονης χημείας, της ηλεκτρονικής, ή της επιστήμης των υλικών. Δεν θα είχαμε εφεύρει το τσιπ πυριτίου και το λέιζερ, δεν θα υπήρχαν τηλεοπτικές συσκευές, υπολογιστές, μικροκύματα, CD και DVD, κινητά τηλέφωνα – και πολλά περισσότερα που θεωρούμε δεδομένα στη σύγχρονη τεχνολογική εποχή μας.
Η κβαντική μηχανική περιγράφει και εξηγεί με εξαιρετική ακρίβεια τη συμπεριφορά των δομικών λίθων της ύλης. Μας βοήθησε να κατανοήσουμε πώς συμπεριφέρεται ο υποατομικός κόσμος, και πως αλληλεπιδρούν και συνδέονται μεταξύ τους τα μυριάδες σωματίδια για να σχηματίσουν τον κόσμο που βλέπουμε γύρω μας και στον οποίον, φυσικά, ζούμε. Σε τελική ανάλυση, δεν είμαστε παρά μια συλλογή τρισεκατομμυρίων ατόμων, που υπακούουν στους κανόνες της κβαντικής μηχανικής και είναι οργανωμένα με εξαιρετικά πολύπλοκο τρόπο.
Αυτοί οι παράξενοι μαθηματικοί κανόνες ανακαλύφθηκαν τη δεκαετία του 1920. Αποδεικνύονται πολύ διαφορετικοί από τους κανόνες που διέπουν τον πιο πεζό και οικείο κόσμο της καθημερινότητάς μας, τον κόσμο των αντικειμένων που μας περιβάλλουν. Προς το παρόν, θέλω να επικεντρωθώ σε ένα ιδιαιτέρως περίεργο χαρακτηριστικό του κβαντικού κόσμου, συγκεκριμένα, στο γεγονός ότι η συμπεριφορά ενός απομονωμένου ατόμου διαφέρει από εκείνη ενός ατόμου που «παρατηρείται» — δηλαδή, που «μετράται» με κάποιον (κβαντομηχανικό) τρόπο: διεγείρεται, διαταράσσεται, συγκρούεται ή καταστρέφεται. Το συγκεκριμένο χαρακτηριστικό του κβαντικού κόσμου δεν έχει ακόμη κατανοηθεί πλήρως, εν μέρει επειδή μόλις τώρα τελευταία αρχίζει να γίνεται σαφής η έννοια της «παρατήρησης». Πρόκειται για το γνωστό «πρόβλημα της μέτρησης», το οποίο συνεχίζει να αποτελεί ενεργό περιοχή επιστημονικής έρευνας.
Ο κβαντικός κόσμος διέπεται από την τύχη και την πιθανότητα, ένα μέρος όπου τίποτε δεν είναι όπως φαίνεται. Ένα απομονωμένο ραδιενεργό άτομο θα εκπέμψει ένα σωματίδιο, αλλά δεν μπορούμε να προβλέψουμε πότε θα συμβεί αυτό – μπορούμε μόνο να υπολογίσουμε ένα μέγεθος που ονομάζεται χρόνος ημίσειας ζωής, ή ημιζωή. Είναι ο χρόνος που απαιτείται για να «διασπαστούν» τα μισά άτομα ενός ραδιενεργού στοιχείου. Όσο περισσότερα τα άτομα, τόσο πιο ακριβής η εκτίμηση της ημιζωής· ωστόσο, και πάλι δεν μπορούμε ποτέ να προβλέψουμε ποιο ακριβώς άτομο στο δείγμα πρόκειται να διασπαστεί. Η κατάσταση θυμίζει πολύ τη στατιστική της ρίψης ενός νομίσματος. Ξέρουμε ότι αν στρίψουμε ένα νόμισμα πολλές φορές, τότε τις μισές θα φέρουμε κεφάλι και τις άλλες μισές γράμματα. Όσο περισσότερες φορές στρίψουμε το νόμισμα, τόσο ακριβέστερη θα είναι η στατιστική πρόβλεψε. Αλλά δεν μπορούμε ποτέ να προβλέψουμε με ακρίβεια αν στην επόμενη ρίψη θα φέρουμε κεφάλι ή γράμματα.
Ο κβαντικός κόσμος είναι από τη φύση του πιθανοκρατικός, όχι επειδή η κβαντική μηχανική ως θεωρία είναι ατελής ή προσεγγιστική, αλλά μάλλον επειδή το ίδιο το άτομο δεν “ξέρει” πότε θα εκδηλωθεί το επόμενο τυχαίο περιστατικό. Είναι μια περίπτωση αυτού που ονομάζεται “απροσδιοριστία”, ή (πιο σωστά) μη προβλεψιμότητα.
Η εργασία των Μίσρα και Σουνταρσνάν, που δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Journal of Mathematical Physics, περιγράφει την εκπληκτική κατάσταση όπου ένα ραδιενεργό άτομο, όταν παρατηρείται διαρκώς και προσεκτικά, δεν διασπάται ποτέ!
Η ιδέα συνοψίζεται ιδανικά με τη φράση «the watched pot never boils» («χύτρα που παρακολουθείται δεν βράζει ποτέ»), η οποία, απ’ όσο ξέρω, χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1848 από τη βικτοριανή συγγραφέα Ελίζαμπεθ Γκάσκελ, στο μυθιστόρημά της Mary Barton-αν και μάλλον ανήκει στα αποφθέγματα που φτάνουν πολύ πιο πίσω στο παρελθόν. Οι απαρχές της ιδέας ανάγονται, φυσικά, στο παράδοξο του βέλους του Ζήνωνα και στην ανικανότητά μας να ανιχνεύσουμε την κίνηση μελετώντας ένα στιγμιότυπο ενός κινούμενου αντικειμένου.
Αλλά πώς, και γιατί θα μπορούσε να συμβεί αυτό στην πραγματικότητα; Σαφώς, η φράση για τη χύτρα που φαίνεται να μη βράζει ποτέ όταν την παρακολουθούμε, δεν είναι τίποτε πέρα από ένα απλό μάθημα υπομονής: το περιεχόμενο της χύτρας δεν θα βράσει γρηγορότερα αν την κοιτάζουμε.

Ακολουθει Μερος Β  



 ΟΙ ΔΑΙΜΟΝΕΣ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ
JIM AL-KHALILI
ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΤΡΑΥΛΟΣ

Δεν υπάρχουν σχόλια