Τι είναι το φαινόμενο του παρατηρητή στην Κβαντομηχανική;

Η κβαντομηχανική είναι η μελέτη του τρόπου με τον οποίο τα σωματίδια σε ατομικό και υποατομικό επίπεδο αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και με το περιβάλλον τους. Το φαινόμενο παρατηρητή είναι το φαινόμενο κατά το οποίο η πράξη της παρατήρησης αλλάζει τη συμπεριφορά των σωματιδίων που παρατηρούνται. Αυτό το φαινόμενο οφείλεται στην κυματοειδή φύση της ύλης, που σημαίνει ότι τα σωματίδια μπορούν να υπάρχουν σε πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα. Όταν ένας παρατηρητής μετρά μια συγκεκριμένη ιδιότητα ενός σωματιδίου, ουσιαστικά καταρρέει την κυματοσυνάρτηση αυτού του σωματιδίου, αναγκάζοντάς το να λάβει μια καθορισμένη κατάσταση.

Όταν παρατηρείτε κάτι στον κόσμο - ένα δέντρο, ένα πουλί ή οτιδήποτε άλλο - ξέρετε ότι ανεξάρτητα από το πού και πότε παρατηρείτε το αντικείμενο, θα παραμένει πάντα το ίδιο. Ωστόσο, τι θα γινόταν αν σας έλεγα ότι η ώρα και ο τρόπος που κοιτάξατε ένα συγκεκριμένο πουλί θα επηρέαζε την εμφάνισή του; Ακούγεται αρκετά παράλογο, αλλά ο παραλογισμός είναι φυσιολογικός όταν πρόκειται για τους περίεργους νόμους του κβαντικού βασιλείου. Οι νόμοι της κβαντικής μηχανικής λειτουργούν πολύ διαφορετικά από τη φυσική του κόσμου κανονικού μεγέθους. Πριν αρχίσουμε να κατανοήσουμε το φαινόμενο του παρατηρητή, ας ρίξουμε πρώτα μια ματιά στις βασικές αρχές της κβαντικής φυσικής.

Οι Βασικές αρχές

Ο τομέας της κβαντικής μηχανικής βασίστηκε κυρίως σε τρεις πυλώνες. Ο πρώτος από αυτούς τους πυλώνες είναι γνωστός ως Quantized Properties . Οι κβαντισμένες ιδιότητες δίνουν τη θέση, την ταχύτητα, το χρώμα και άλλες ιδιότητες ενός σωματιδίου που μπορούν να εμφανιστούν μόνο σε καθορισμένα χρονικά διαστήματα και στιγμιότυπα. Αυτό έρχεται σε ευθεία αντίθεση με την πεποίθηση που υπάρχει στον καθιερωμένο τομέα της Κλασσικής Μηχανικής, δηλαδή ότι όλα συμβαίνουν σε ένα ομαλό και συνεχές φάσμα. Αυτό ήταν κάτι που οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι ήταν εξαιρετικά νέο και κατέληξαν να ονομάσουν αυτά τα σωματίδια Κβαντικά Σωματίδια. Ο δεύτερος πυλώνας της Κβαντικής Μηχανικής αναφέρεται στην σωματιδιακή φύση του φωτός . Στην αρχή, η αντίληψη ότι το φως μπορούσε να συμπεριφέρεται και να ταξινομηθεί ως σωματίδιο έτρεξε σε κολοσσιαία κριτική, καθώς έρχονταν σε αντίθεση με την καθιερωμένη αρχή ότι το φως είχε μια κυματική φύση.

Ωστόσο, η σωματιδιακή φύση του φωτός έφερε σε μια θεμελιώδη μονάδα που θα μπορούσε να αντιπροσωπεύει μικροσκοπικά ενεργειακά πακέτα, γνωστά ως κβάντα . Αυτό προτάθηκε από κανέναν άλλον από τον ίδιο τον Άλμπερτ Αϊνστάιν. Ο Αϊνστάιν υπέθεσε ότι ένα πακέτο ενέργειας θα μπορούσε είτε να παραχθεί είτε να απορροφηθεί, στο σύνολό του, συγκεκριμένα από ένα ηλεκτρόνιο που θέλει να μεταπηδήσει από τη μια κβαντική κατάσταση στην άλλη. Ο τρίτος και τελευταίος θεμελιώδης πυλώνας της Κβαντικής Μηχανικής είναι η κυματική φύση της ύλης . Αν και αυτό μπορεί να είναι δύσκολο να χωνευτεί, η ύλη παρουσιάζει επίσης μια κυματική φύση. Η κυματοειδής φύση της ύλης προτάθηκε από δύο επιστήμονες ανεξάρτητα, σχεδόν ταυτόχρονα, παρά το γεγονός ότι αγνοούν το έργο του άλλου. Αυτοί οι δύο παλαιότεροι ανακάλυπτες ήταν οι επιστήμονες Louis De Broglie και Erwin Schrodinger. Χρησιμοποίησαν δύο θεμελιωδώς διαφορετικές μαθηματικές προσεγγίσεις για να αποδείξουν την κυματοειδή φύση της ύλης. Αργότερα, και οι δύο άντρες πιστώθηκαν για τη συνεισφορά τους και η ιδέα τους ονομάστηκε από κοινού μοντέλο Heisenberg-Schrodinger. Ο Χάιζενμπεργκ έκανε μια ακόμη κρίσιμη συνεισφορά στην Κβαντομηχανική. Αν και δεν είναι τόσο ουσιαστικό όσο οι θεμελιώδεις πυλώνες, έπαιξε σημαντικό ρόλο και είναι γνωστό ως Αρχή αβεβαιότητας του Heisenberg . Σκέφτηκε ότι εφόσον η φύση της ύλης μοιάζει με κύμα, ορισμένες ιδιότητες, όπως η ταχύτητα και η θέση των ηλεκτρονίων, είναι συμπληρωματικές μεταξύ τους. Με απλούστερους όρους, υπάρχει ένα όριο μέχρι το οποίο κάθε ιδιότητα ενός ηλεκτρονίου μπορεί να μετρηθεί ταυτόχρονα με έναν βαθμό ακρίβειας.

Η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg

Η παρατήρηση επηρεάζει την πραγματικότητα

(Φωτογραφία:Warren Leywon/Wikimedia Commons)

Όταν ένας κβαντικός «παρατηρητής» παρακολουθεί, η Κβαντομηχανική δηλώνει ότι τα σωματίδια μπορούν επίσης να συμπεριφέρονται ως κύματα. Αυτό μπορεί να ισχύει για ηλεκτρόνια σε επίπεδο υπομικρού, δηλ. σε αποστάσεις μικρότερες από ένα μικρό ή ένα χιλιοστό του χιλιοστού. Όταν συμπεριφέρονται ως κύματα, τα ηλεκτρόνια μπορούν ταυτόχρονα να περάσουν από πολλά ανοίγματα σε ένα φράγμα και στη συνέχεια να συναντηθούν ξανά στην άλλη πλευρά. Αυτή η συνάντηση είναι γνωστή ως παρεμβολή . Τώρα, το πιο παράλογο με αυτό το φαινόμενο είναι ότι μπορεί να συμβεί μόνο όταν κανείς δεν το παρατηρεί. Μόλις ένας παρατηρητής αρχίσει να παρακολουθεί τα σωματίδια που περνούν από το άνοιγμα, η λαμβανόμενη εικόνα αλλάζει δραματικά:εάν ένα σωματίδιο μπορεί να δει να περνά από ένα άνοιγμα, είναι σαφές ότι δεν πέρασε από άλλο άνοιγμα. Με άλλα λόγια, όταν βρίσκονται υπό παρατήρηση, τα ηλεκτρόνια αναγκάζονται λίγο πολύ να συμπεριφέρονται σαν σωματίδια αντί για κύματα. Έτσι, η απλή πράξη της παρατήρησης επηρεάζει τα πειραματικά ευρήματα.

Erwin Schrodinger &Heisenberg (Φωτογραφία:Ίδρυμα Νόμπελ /Wikimedia Commons)

Για να αποδείξει αυτό το φαινόμενο, το Ινστιτούτο Weizmann κατασκεύασε μια μικροσκοπική συσκευή, μεγέθους μικρότερης του ενός μικρού, που είχε ένα φράγμα με δύο ανοίγματα. Στη συνέχεια έστειλαν ένα ρεύμα ηλεκτρονίων προς το φράγμα. Ο παρατηρητής σε αυτό το πείραμα δεν ήταν άνθρωπος. Αντίθετα, χρησιμοποίησαν έναν μικροσκοπικό ανιχνευτή ηλεκτρονίων που μπορούσε να εντοπίσει την παρουσία ηλεκτρονίων που διέρχονται. Η ικανότητα του κβαντικού «παρατηρητή» να ανιχνεύει ηλεκτρόνια θα μπορούσε να μεταβληθεί αλλάζοντας την ηλεκτρική του αγωγιμότητα ή την ισχύ του ρεύματος που διέρχεται από αυτόν. Εκτός από την «παρατήρηση» ή την ανίχνευση των ηλεκτρονίων, ο ανιχνευτής δεν είχε καμία επίδραση στο ρεύμα. Ακόμα κι έτσι, οι επιστήμονες διαπίστωσαν ότι η ίδια η παρουσία του ανιχνευτή «παρατηρητή» κοντά σε ένα από τα ανοίγματα προκάλεσε αλλαγές στο μοτίβο παρεμβολής των ηλεκτρονιακών κυμάτων που περνούσαν από τα ανοίγματα του φραγμού. Στην πραγματικότητα, αυτό το φαινόμενο εξαρτιόταν από το «ποσό» της παρατήρησης:όταν η ικανότητα του «παρατηρητή» να ανιχνεύει ηλεκτρόνια αυξήθηκε, με άλλα λόγια, όταν το επίπεδο της παρατήρησης ανέβηκε, η παρεμβολή εξασθενούσε. Αντίθετα, όταν η ικανότητά του να ανιχνεύει ηλεκτρόνια μειώθηκε και η παρατήρηση μειώθηκε, η παρεμβολή αυξήθηκε. Έτσι, ελέγχοντας τις ιδιότητες του κβαντικού παρατηρητή, οι επιστήμονες κατάφεραν να ελέγξουν την έκταση της επιρροής του στη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων!