Παρά την τεράστια επιτυχία της κβαντικής φυσικής, οι επιστήμονες και οι φιλόσοφοι εξακολουθούν να διαφωνούν σχετικά με το τι μας λέει για τη φύση της πραγματικότητας. Η κεντρική διαμάχη είναι αν η θεωρία περιγράφει τον κόσμο όπως είναι, ή αν είναι απλώς ένα μαθηματικό μοντέλο.
Οι προσπάθειες συμφιλίωσης της θεωρίας με την πραγματικότητα έχουν οδηγήσει τους φυσικούς σε παράξενα μέρη, αναγκάζοντας τους επιστήμονες να καταπιαστούν με ζητήματα φιλοσοφίας. Το θέμα αναλύει ο Θεωρητικός Φυσικός Marcelo Gleiser* σε άρθρο του στο Bigthink.
Ο κόσμος των πολύ μικρών δεν μοιάζει με τίποτα που βλέπουμε στην καθημερινότητά μας. Δεν σκεφτόμαστε ότι οι άνθρωποι ή οι βράχοι βρίσκονται σε περισσότερα από ένα μέρη ταυτόχρονα μέχρι να τους κοιτάξουμε. Βρίσκονται εκεί που βρίσκονται, σε ένα μόνο μέρος, είτε ξέρουμε είτε όχι πού είναι αυτό το μέρος. Ούτε θεωρούμε ότι μια γάτα κλειδωμένη σε ένα κουτί είναι νεκρή και ζωντανή πριν ανοίξουμε το κουτί για έλεγχο. Όμως, τέτοιες δυαδικότητες είναι ο κανόνας για κβαντικά αντικείμενα όπως άτομα ή υποατομικά σωματίδια, ή ακόμα μεγαλύτερα όπως μια γάτα. Πριν τα δούμε, αυτά τα αντικείμενα υπάρχουν σε αυτό που ονομάζουμε υπέρθεση καταστάσεων, κάθε κατάσταση με μια εκχωρημένη πιθανότητα. Όταν μετράμε πολλές φορές τη θέση τους ή κάποια άλλη φυσική ιδιότητα, θα τη βρούμε σε μια από αυτές τις καταστάσεις με ορισμένες πιθανότητες.
Το κρίσιμο ερώτημα που εξακολουθεί να στοιχειώνει ή να εμπνέει τους φυσικούς είναι το εξής: Είναι πραγματικές τέτοιες πιθανές καταστάσεις — είναι το σωματίδιο πραγματικά σε μια υπέρθεση καταστάσεων — ή αυτός ο τρόπος σκέψης είναι απλώς ένα μαθηματικό τέχνασμα που εφηύραμε, για να περιγράψουμε αυτό που μετράμε με τους ανιχνευτές μας; Το να λάβουμε θέση σε αυτό το ερώτημα σημαίνει να επιλέξουμε έναν συγκεκριμένο τρόπο ερμηνείας της κβαντικής μηχανικής και της άποψής μας για τον κόσμο.
Είναι σημαντικό να τονίσουμε ότι η κβαντική μηχανική λειτουργεί όμορφα ως μαθηματική θεωρία. Περιγράφει τα πειράματα απίστευτα καλά. Επομένως, δεν συζητάμε αν η κβαντική μηχανική λειτουργεί ή όχι, γιατί έχουμε ξεπεράσει πολύ αυτό το σημείο. Το θέμα είναι αν περιγράφει τη φυσική πραγματικότητα όπως είναι, ή αν δεν το κάνει, οπότε χρειαζόμαστε κάτι περισσότερο αν θέλουμε να καταλήξουμε σε μια βαθύτερη κατανόηση του πώς λειτουργεί η φύση στον κόσμο των πολύ μικρών.
Οι βασικές θέσεις για τον κβαντικό κόσμο
Παρόλο που η κβαντομηχανική λειτουργεί, η συζήτηση για τη φύση της είναι σκληρή. Το θέμα είναι τεράστιο, και δεν θα μπορούσε να αποδοθεί εδώ. Αλλά μπορούμε να δούμε αυτό που διακυβεύεται. Υπάρχουν πολλές σχολές σκέψης και πολλά επιχειρήματα με αποχρώσεις. Αλλά στην πιο γενική του μορφή, οι σχολές ευθυγραμμίζονται με δύο τρόπους σκέψης για την πραγματικότητα και οι δύο εξαρτώνται από τον πρωταγωνιστή του κβαντικού κόσμου: τη διάσημη κυματοσυνάρτηση.
Στη μια πλευρά βρίσκονται αυτοί που πιστεύουν ότι η κυματοσυνάρτηση περιγράφει την πραγματικότητα όπως είναι. Αυτός ο τρόπος σκέψης ονομάζεται μερικές φορές οντική ερμηνεία, από τον όρο οντολογία, που στη φιλοσοφία σημαίνει το υλικό που συνθέτει την πραγματικότητα. Οι άνθρωποι που ακολουθούν την οντική σχολή θα έλεγαν ότι, παρόλο που η κυματοσυνάρτηση δεν περιγράφει κάτι χειροπιαστό, όπως τη θέση του σωματιδίου ή την ορμή του, αντιπροσωπεύει την πιθανότητα μέτρησης αυτής ή της άλλης φυσικής ιδιότητας, άρα οι υπερθέσεις που περιγράφει αποτελούν μέρος της πραγματικότητας.
Στην άλλη πλευρά στέκονται όσοι πιστεύουν ότι η κυματοσυνάρτηση δεν είναι στοιχείο της πραγματικότητας. Αντίθετα, βλέπουν ένα μαθηματικό κατασκεύασμα που μας επιτρέπει να κατανοήσουμε τι βρίσκουμε στα πειράματα. Αυτός ο τρόπος σκέψης ονομάζεται μερικές φορές επιστημική ερμηνεία, από τον όρο επιστημολογία στη φιλοσοφία. Από αυτή την άποψη, οι μετρήσεις που λαμβάνονται καθώς αλληλεπιδρούν αντικείμενα και ανιχνευτές και οι άνθρωποι που διαβάζουν τα αποτελέσματα είναι ο μόνος τρόπος για να καταλάβουμε τι συμβαίνει σε κβαντικό επίπεδο και οι κανόνες της κβαντικής φυσικής είναι φανταστικοί στην περιγραφή των αποτελεσμάτων αυτών των μετρήσεων. Δεν χρειάζεται να αποδοθεί κανενός είδους πραγματικότητα στην κυματοσυνάρτηση. Απλώς αντιπροσωπεύει δυνατότητες - τα πιθανά αποτελέσματα μιας μέτρησης. (Ο σπουδαίος φυσικός Freeman Dyson είπε κάποτε ότι θεωρούσε ότι όλη η συζήτηση ήταν τεράστιο χάσιμο χρόνου. Για αυτόν, η κυματοσυνάρτηση δεν προοριζόταν ποτέ να είναι πραγματικό πράγμα.)
Ιστορικά, η επιστημική άποψη ανάγεται στην ερμηνεία της Κοπεγχάγης, στο πλήθος των ιδεών που πρωτοστάτησε ο Niels Bohr και προωθήθηκαν από τους νεότερους συναδέλφους του, όπως ο Werner Heisenberg, ο Wolfgang Pauli, ο Pascual Jordan και πολλοί άλλοι.
Αυτή η σχολή σκέψης μερικές φορές αποκαλείται άδικα η προσέγγιση «σκάσε και υπολόγισε» λόγω της επιμονής της ότι δεν γνωρίζουμε ποια είναι η κυματοσυνάρτηση, παρά μόνο τι κάνει. Μας λέει ότι αποδεχόμαστε τις υπερθέσεις των πιθανών καταστάσεων που συνυπάρχουν πριν γίνει μια μέτρηση, ως μια πραγματιστική περιγραφή αυτού που δεν μπορούμε να γνωρίζουμε. Κατά τη μέτρηση, το σύστημα καταρρέει σε μία μόνο από τις πιθανές καταστάσεις: αυτή που μετριέται. Ναι, είναι παράξενο να δηλώνουμε ότι ένα κυματιστό πράγμα, που απλώνεται στο διάστημα, πηγαίνει ακαριαία σε μια ενιαία θέση (μια θέση που βρίσκεται εντός αυτού που επιτρέπεται από την Αρχή της Αβεβαιότητας). Ναι, είναι παράξενο να αναλογιστούμε την πιθανότητα ότι η πράξη μέτρησης καθορίζει με κάποιο τρόπο την κατάσταση στην οποία βρίσκεται το σωματίδιο. Εισάγει την πιθανότητα ο μετρητής να έχει κάποια σχέση με τον προσδιορισμό της πραγματικότητας. Αλλά η θεωρία λειτουργεί, και για όλους τους πρακτικούς σκοπούς, αυτό είναι που έχει πραγματικά σημασία.
Διχάλες στην κβαντική οδό
Στην ουσία της, η οντική έναντι της γνωσιολογικής συζήτησης κρύβει το φάντασμα της αντικειμενικότητας στην επιστήμη. Οι οντιστές αντιπαθούν βαθύτατα την ιδέα ότι οι παρατηρητές θα μπορούσαν να έχουν οποιαδήποτε σχέση με τον προσδιορισμό της φύσης της πραγματικότητας. Είναι ένας πειραματιστής που προσδιορίζει πραγματικά αν ένα ηλεκτρόνιο είναι εδώ ή εκεί; Μια οντική σχολή γνωστή ως η ερμηνεία των πολλών κόσμων θα έλεγε ότι όλα τα πιθανά αποτελέσματα πραγματοποιούνται όταν εκτελείται μια μέτρηση. Απλώς πραγματοποιούνται σε παράλληλους κόσμους και έχουμε άμεση πρόσβαση μόνο σε έναν από αυτούς — δηλαδή σε αυτόν στον οποίο υπάρχουμε. ο καθένας συνειδητοποιεί ένα πιθανό πειραματικό αποτέλεσμα. Δεν χρειάζεται να μιλάμε για κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης, αφού όλα τα αποτελέσματα πραγματοποιούνται ταυτόχρονα.
Δυστυχώς, αυτοί οι πολλοί κόσμοι δεν είναι προσβάσιμοι σε παρατηρητές σε διαφορετικούς κόσμους. Υπήρξαν προτάσεις να δοκιμαστούν πειραματικά οι Πολλοί Κόσμοι, αλλά τα εμπόδια είναι τεράστια, για παράδειγμα απαιτούν την κβαντική υπέρθεση μακροσκοπικών αντικειμένων στο εργαστήριο. Δεν είναι επίσης σαφές πώς να εκχωρηθούν διαφορετικές πιθανότητες στους διαφορετικούς κόσμους που σχετίζονται με τα αποτελέσματα του πειράματος. Για παράδειγμα, εάν ο παρατηρητής παίζει ένα παιχνίδι ρωσικής ρουλέτας με επιλογές που ενεργοποιούνται από μια κβαντική συσκευή, θα επιβιώσει μόνο σε έναν κόσμο. Ποιος θα ήταν διατεθειμένος να γίνει το αντικείμενο αυτού του πειράματος; Σίγουρα όχι εγώ... Ωστόσο, οι Πολλοί Κόσμοι έχουν πολλούς υποστηρικτές.
Άλλες οντικές προσεγγίσεις απαιτούν, για παράδειγμα, την προσθήκη στοιχείων της πραγματικότητας στην κβαντομηχανική περιγραφή. Για παράδειγμα, ο David Bohm πρότεινε την επέκταση της κβαντομηχανικής συνταγής, προσθέτοντας ένα πιλοτικό κύμα, με ρητό ρόλο να καθοδηγεί τα σωματίδια στα πειραματικά τους αποτελέσματα. Το τίμημα για την πειραματική βεβαιότητα, εδώ, είναι ότι αυτό το πιλοτικό κύμα δρα παντού ταυτόχρονα, πράγμα που στη φυσική σημαίνει ότι δεν έχει τοπικότητα. Πολλοί άνθρωποι, συμπεριλαμβανομένου του Αϊνστάιν, το βρήκαν αδύνατο να το αποδεχτούν.
Το μέσο και η φύση της πραγματικότητας
Από την επιστημική πλευρά, οι ερμηνείες είναι εξίσου ποικίλες. Η ερμηνεία της Κοπεγχάγης οδηγεί το πακέτο. Δηλώνει ότι η κυματοσυνάρτηση δεν είναι ένα πράγμα σε αυτόν τον κόσμο, αλλά μάλλον ένα απλό εργαλείο για να περιγράψει αυτό που είναι ουσιαστικό, τα αποτελέσματα των πειραματικών μετρήσεων. Οι απόψεις τείνουν να αποκλίνουν ως προς το νόημα του παρατηρητή, σχετικά με το ρόλο που ασκεί το μυαλό στην πράξη της μέτρησης και επομένως στον καθορισμό των φυσικών ιδιοτήτων του αντικειμένου που παρατηρείται και στη διαχωριστική γραμμή μεταξύ κλασικού και κβαντικού.
Λόγω χώρου, θα αναφέρω μόνο μια ακόμη επιστημική ερμηνεία, τον Κβαντικό Μπεϋζιανισμό, ή όπως λέγεται τώρα, QBism. Όπως υποδηλώνει το αρχικό όνομα, το QBism παίρνει τον ρόλο ενός μέσου ως κεντρικό. Υποθέτει ότι οι πιθανότητες στην κβαντομηχανική αντικατοπτρίζουν την τρέχουσα κατάσταση της γνώσης ή των πεποιθήσεων του μέσου για τον κόσμο, καθώς αυτός ή αυτή στοιχηματίζει για το τι θα συμβεί στο μέλλον. Οι υπερθέσεις και οι εμπλοκές δεν είναι καταστάσεις του κόσμου, σύμφωνα με αυτήν την άποψη, αλλά εκφράσεις του πώς ένα μέσο βιώνει τον κόσμο. Ως εκ τούτου, δεν είναι τόσο μυστηριώδεις όσο μπορεί να ακούγονται. Το βάρος της κβαντικής "παραξενιάς" μεταφέρεται στις αλληλεπιδράσεις ενός μέσου με τον κόσμο.
Μια κοινή κριτική που ασκείται κατά του QBism είναι η εξάρτησή του από τη σχέση ενός συγκεκριμένου μέσου με το πείραμα. Αυτό φαίνεται να εγχύει μια δόση υποκειμενισμού, θέτοντάς τον εις βάρος του συνήθους επιστημονικού στόχου της καθολικότητας ανεξάρτητης από τον παρατηρητή. Αλλά όπως υποστηρίζουν ο Adam Frank, ο Evan Thompson και ο Marcelo Gleiser στο The Blind Spot, ένα βιβλίο που θα εκδοθεί από το MIT Press το 2024, αυτή η κριτική βασίζεται σε μια άποψη της επιστήμης που δεν είναι ρεαλιστική. Είναι μια άποψη που έχει τις ρίζες της σε μια περιγραφή της πραγματικότητας έξω από εμάς, τους παράγοντες που βιώνουν αυτήν την πραγματικότητα. Ίσως αυτό προσπαθούσε να μας πει όλη η παραξενιά της κβαντικής μηχανικής.
Αυτό που πραγματικά έχει σημασία
Οι όμορφες ανακαλύψεις της κβαντικής φυσικής αποκαλύπτουν έναν κόσμο που συνεχίζει να αψηφά και να εμπνέει τη φαντασία μας. Συνεχίζει να μας εκπλήσσει, όπως ακριβώς έκανε τον περασμένο αιώνα. Όπως είπε ο Δημόκριτος, ο Έλληνας φιλόσοφος που έφερε τον ατομισμό στο προσκήνιο πριν από 24 αιώνες, «Στην πραγματικότητα δεν γνωρίζουμε τίποτα, γιατί η αλήθεια βρίσκεται στα βάθη». Αυτό μπορεί κάλλιστα να συμβαίνει, αλλά μπορούμε να συνεχίσουμε να προσπαθούμε και αυτό είναι που έχει πραγματικά σημασία, σημειώνει ο Θεωρητικός Φυσικός Marcelo Gleiser στο άρθρο του στο BigThink.
*Ο Marcelo Gleiser είναι καθηγητής Φυσικής Φιλοσοφίας, Φυσικής και Αστρονομίας στο Dartmouth College. Είναι Μέλος της Αμερικανικής Φυσικής Εταιρείας, αποδέκτης του Προεδρικού Βραβείου Συνεργατών Διδασκαλίας από τον Λευκό Οίκο και το NSF, ενώ του απονεμήθηκε και το Βραβείο Templeton 2019. Έχει συγγράψει πέντε βιβλία και είναι ο συνιδρυτής του 13.8, όπου γράφει για την επιστήμη και τον πολιτισμό με τον φυσικό Adam Frank.