Νέα υποστήριξη για εναλλακτική κβαντική προβολή

Από τα πολλά αντιδιαισθητικά χαρακτηριστικά της κβαντικής μηχανικής, ίσως το πιο δύσκολο για τις αντιλήψεις μας για την κοινή λογική είναι ότι τα σωματίδια δεν έχουν θέσεις μέχρι να παρατηρηθούν. Αυτό ακριβώς μας ζητά να πιστέψουμε η τυπική άποψη της κβαντικής μηχανικής, που συχνά αποκαλείται ερμηνεία της Κοπεγχάγης. Αντί για τις ξεκάθαρες θέσεις και κινήσεις της Νευτώνειας φυσικής, έχουμε ένα σύννεφο πιθανοτήτων που περιγράφεται από μια μαθηματική δομή γνωστή ως κυματική συνάρτηση. Η κυματική συνάρτηση, εν τω μεταξύ, εξελίσσεται με την πάροδο του χρόνου, η εξέλιξή της διέπεται από ακριβείς κανόνες κωδικοποιημένους σε κάτι που ονομάζεται εξίσωση Schrödinger. Τα μαθηματικά είναι αρκετά ξεκάθαρα. την πραγματική τοποθεσία των σωματιδίων, λιγότερο. Μέχρι να παρατηρηθεί ένα σωματίδιο, μια πράξη που προκαλεί την «κατάρρευση» της κυματικής συνάρτησης, δεν μπορούμε να πούμε τίποτα για τη θέση του. Ο Άλμπερτ Αϊνστάιν, μεταξύ άλλων, αντιτάχθηκε σε αυτή την ιδέα. Όπως έγραψε ο βιογράφος του Abraham Pais:«Συχνά συζητούσαμε τις αντιλήψεις του για την αντικειμενική πραγματικότητα. Θυμάμαι ότι κατά τη διάρκεια μιας βόλτας ο Αϊνστάιν ξαφνικά σταμάτησε, γύρισε προς το μέρος μου και με ρώτησε αν πίστευα πραγματικά ότι το φεγγάρι υπάρχει μόνο όταν το κοιτάζω.»

Αλλά υπάρχει μια άλλη άποψη - μια που υπάρχει εδώ και σχεδόν έναν αιώνα - στην οποία τα σωματίδια έχουν πραγματικά ακριβείς θέσεις ανά πάσα στιγμή. Αυτή η εναλλακτική άποψη, γνωστή ως θεωρία πιλότων κυμάτων ή μηχανική της Μπόμ, δεν έγινε ποτέ τόσο δημοφιλής όσο η άποψη της Κοπεγχάγης, εν μέρει επειδή η μηχανική της Μπόμ υπονοεί ότι ο κόσμος πρέπει να είναι παράξενος με άλλους τρόπους. Συγκεκριμένα, μια μελέτη του 1992 ισχυρίστηκε ότι αποκρυσταλλώνει ορισμένες παράξενες συνέπειες της μηχανικής του Μπόμ και κάνοντάς της ένα θανατηφόρο εννοιολογικό χτύπημα. Οι συγγραφείς αυτού του άρθρου κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ένα σωματίδιο που ακολουθούσε τους νόμους της μηχανικής της Μπόμ θα κατέληγε να ακολουθήσει μια τροχιά που ήταν τόσο αντιφυσική —ακόμα και με τα στρεβλά πρότυπα της κβαντικής θεωρίας— που το περιέγραψαν ως «σουρεαλιστικό».

Σχεδόν ένα τέταρτο του αιώνα αργότερα, μια ομάδα επιστημόνων πραγματοποίησε ένα πείραμα σε ένα εργαστήριο του Τορόντο που στοχεύει να δοκιμάσει αυτή την ιδέα. Και αν τα αποτελέσματά τους, που αναφέρθηκαν για πρώτη φορά νωρίτερα φέτος, αντέχουν σε εξονυχιστικό έλεγχο, η Bohmian άποψη της κβαντικής μηχανικής - λιγότερο ασαφής αλλά κατά κάποιο τρόπο πιο παράξενη από την παραδοσιακή άποψη - μπορεί να είναι έτοιμη για επιστροφή.

Αποθήκευση θέσεων σωματιδίων

Η μηχανική της Μπόμ επεξεργάστηκε από τον Louis de Broglie το 1927 και ξανά, ανεξάρτητα, από τον David Bohm το 1952, ο οποίος την ανέπτυξε περαιτέρω μέχρι τον θάνατό του το 1992. (Αποκαλείται μερικές φορές και η θεωρία de Broglie-Bohm.) Όπως και στην άποψη της Κοπεγχάγης , υπάρχει μια κυματική συνάρτηση που διέπεται από την εξίσωση Schrödinger. Επιπλέον, κάθε σωματίδιο έχει μια πραγματική, καθορισμένη θέση, ακόμη και όταν δεν παρατηρείται. Οι αλλαγές στις θέσεις των σωματιδίων δίνονται από μια άλλη εξίσωση, γνωστή ως εξίσωση «πιλοτικού κύματος» (ή «εξίσωση καθοδήγησης»). Η θεωρία είναι πλήρως ντετερμινιστική. εάν γνωρίζετε την αρχική κατάσταση ενός συστήματος και έχετε τη συνάρτηση κύματος, μπορείτε να υπολογίσετε πού θα καταλήξει κάθε σωματίδιο.

Αυτό μπορεί να ακούγεται σαν μια αναδρομή στην κλασική μηχανική, αλλά υπάρχει μια κρίσιμη διαφορά. Η κλασική μηχανική είναι καθαρά «τοπική» — τα πράγματα μπορούν να επηρεάσουν άλλα πράγματα μόνο εάν είναι δίπλα τους (ή μέσω της επιρροής κάποιου είδους πεδίου, όπως ένα ηλεκτρικό πεδίο, που μπορεί να στείλει παλμούς όχι πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός). Η κβαντομηχανική, αντίθετα, είναι εγγενώς μη τοπική. Το πιο γνωστό παράδειγμα ενός μη τοπικού φαινομένου - αυτό που ο ίδιος ο Αϊνστάιν θεωρούσε, στη δεκαετία του 1930 - είναι όταν ένα ζεύγος σωματιδίων συνδέονται με τέτοιο τρόπο ώστε μια μέτρηση ενός σωματιδίου φαίνεται να επηρεάζει την κατάσταση ενός άλλου, απομακρυσμένου σωματιδίου. Η ιδέα γελοιοποιήθηκε από τον Αϊνστάιν ως «απόκοσμη δράση από απόσταση». Αλλά εκατοντάδες πειράματα, που ξεκίνησαν τη δεκαετία του 1980, επιβεβαίωσαν ότι αυτή η τρομακτική δράση είναι ένα πολύ πραγματικό χαρακτηριστικό του σύμπαντος μας.

Κατά την Bohmian άποψη, η μη τοπικότητα είναι ακόμη πιο εμφανής. Η τροχιά οποιουδήποτε σωματιδίου εξαρτάται από το τι κάνουν όλα τα άλλα σωματίδια που περιγράφονται από την ίδια κυματική συνάρτηση. Και, κρίσιμα, η συνάρτηση κύματος δεν έχει γεωγραφικά όρια. θα μπορούσε, καταρχήν, να καλύπτει ολόκληρο το σύμπαν. Πράγμα που σημαίνει ότι το σύμπαν είναι παράξενα αλληλεξαρτώμενο, ακόμη και σε τεράστιες εκτάσεις του διαστήματος. Η κυματική συνάρτηση «συνδυάζει — ή δεσμεύει — μακρινά σωματίδια σε μια ενιαία μη αναγώγιμη πραγματικότητα», όπως έγραψε ο Sheldon Goldstein, μαθηματικός και φυσικός στο Πανεπιστήμιο Rutgers.

Οι διαφορές μεταξύ του Bohm και της Κοπεγχάγης γίνονται σαφείς όταν κοιτάξουμε το κλασικό πείραμα «διπλής σχισμής», στο οποίο σωματίδια (ας πούμε τα ηλεκτρόνια) περνούν από ένα ζευγάρι στενών σχισμών, φτάνοντας τελικά σε μια οθόνη όπου μπορεί να καταγραφεί κάθε σωματίδιο. Όταν εκτελείται το πείραμα, τα ηλεκτρόνια συμπεριφέρονται σαν κύματα, δημιουργώντας στην οθόνη ένα συγκεκριμένο σχέδιο που ονομάζεται «μοτίβο παρεμβολής». Είναι αξιοσημείωτο ότι αυτό το μοτίβο εμφανίζεται σταδιακά ακόμα και αν τα ηλεκτρόνια αποστέλλονται ένα κάθε φορά, υποδηλώνοντας ότι κάθε ηλεκτρόνιο περνά και από τις δύο σχισμές ταυτόχρονα.

Όσοι ασπάζονται την άποψη της Κοπεγχάγης έχουν φτάσει να ζουν με αυτήν την κατάσταση πραγμάτων - σε τελική ανάλυση, δεν έχει νόημα να μιλάμε για τη θέση ενός σωματιδίου μέχρι να το μετρήσουμε. Μερικοί φυσικοί έλκονται από την ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής από τους πολλούς κόσμους, στην οποία παρατηρητές σε ορισμένα σύμπαντα βλέπουν το ηλεκτρόνιο να περνάει από την αριστερή σχισμή, ενώ εκείνοι σε άλλα σύμπαντα το βλέπουν να περνάει από τη δεξιά σχισμή - κάτι που είναι εντάξει, αν είστε άνετα με μια άπειρη σειρά από αόρατα σύμπαντα.

Συγκριτικά, η άποψη του Bohm ακούγεται μάλλον ήμερη:Τα ηλεκτρόνια δρουν σαν πραγματικά σωματίδια, οι ταχύτητες τους ανά πάσα στιγμή καθορίζονται πλήρως από το πιλοτικό κύμα, το οποίο με τη σειρά του εξαρτάται από την κυματική συνάρτηση. Από αυτή την άποψη, κάθε ηλεκτρόνιο είναι σαν ένα σέρφερ:Καταλαμβάνει μια συγκεκριμένη θέση σε κάθε συγκεκριμένη χρονική στιγμή, ωστόσο η κίνησή του υπαγορεύεται από την κίνηση ενός απλωμένου κύματος. Αν και κάθε ηλεκτρόνιο ακολουθεί μια πλήρως καθορισμένη διαδρομή μέσα από μία μόνο σχισμή, το πιλοτικό κύμα διέρχεται και από τις δύο σχισμές. Το τελικό αποτέλεσμα ταιριάζει ακριβώς με το μοτίβο που βλέπει κανείς στην τυπική κβαντομηχανική.

Για ορισμένους θεωρητικούς, η ερμηνεία του Μπόμ έχει μια ακαταμάχητη έκκληση. «Το μόνο που χρειάζεται να κάνετε για να κατανοήσετε την κβαντική μηχανική είναι να πείτε στον εαυτό σας:Όταν μιλάμε για σωματίδια, εννοούμε πραγματικά σωματίδια. Τότε όλα τα προβλήματα εξαφανίζονται», είπε ο Goldstein. «Τα πράγματα έχουν θέσεις. είναι κάπου. Εάν πάρετε αυτή την ιδέα στα σοβαρά, θα οδηγηθείτε σχεδόν αμέσως στο Bohm. Είναι μια πολύ απλούστερη εκδοχή της κβαντικής μηχανικής από αυτή που βρίσκετε στα σχολικά βιβλία». Ο Howard Wiseman, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο Griffith στο Brisbane της Αυστραλίας, είπε ότι η Bohmian άποψη «σας δίνει μια αρκετά απλή περιγραφή του πώς είναι ο κόσμος…. Δεν χρειάζεται να δέσετε τον εαυτό σας σε κάποιου είδους φιλοσοφικούς κόμπους για να πείτε πώς είναι πραγματικά τα πράγματα."

Αλλά δεν αισθάνονται όλοι έτσι, και με τα χρόνια η άποψη του Bohm δυσκολεύεται να κερδίσει την αποδοχή, υστερώντας πίσω από την Κοπεγχάγη και, αυτές τις μέρες, πίσω από πολλούς κόσμους επίσης. Ένα σημαντικό πλήγμα ήρθε με το έγγραφο που είναι γνωστό ως «ESSW», ένα αρκτικόλεξο που δημιουργήθηκε από τα ονόματα των τεσσάρων συγγραφέων του. Το έγγραφο ESSW ισχυρίστηκε ότι τα σωματίδια δεν μπορούν να ακολουθήσουν απλές τροχιές της Μπόμ καθώς διασχίζουν το πείραμα της διπλής σχισμής. Ας υποθέσουμε ότι κάποιος τοποθέτησε έναν ανιχνευτή δίπλα σε κάθε σχισμή, υποστήριξε το ESSW, καταγράφοντας ποιο σωματίδιο πέρασε από ποια σχισμή. Το ESSW έδειξε ότι ένα φωτόνιο θα μπορούσε να περάσει μέσα από την αριστερή σχισμή και όμως, στην όψη του Μπόμ, εξακολουθεί να καταγράφεται ότι έχει περάσει από τη δεξιά σχισμή. Αυτό φαινόταν αδύνατο. Τα φωτόνια θεωρήθηκε ότι ακολουθούσαν «σουρεαλιστικές» τροχιές, όπως το έθεσε η εφημερίδα ESSW.

Το επιχείρημα του ESSW «ήταν μια εντυπωσιακή φιλοσοφική αντίρρηση» στην άποψη του Μπόμ, είπε ο Αφραίμ Στάινμπεργκ, φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Τορόντο. «Έκλινε ζημιά στην αγάπη μου για τη μηχανική της Μπόμ».

Αλλά ο Στάινμπεργκ βρήκε έναν τρόπο να αναζωπυρώσει αυτή την αγάπη. Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο Science Advances , ο Steinberg και οι συνάδελφοί του — η ομάδα περιλαμβάνει τον Wiseman, στην Αυστραλία, καθώς και πέντε άλλους Καναδούς ερευνητές — περιγράφουν τι συνέβη όταν πραγματοποίησαν πραγματικά το πείραμα ESSW. Διαπίστωσαν ότι οι τροχιές των φωτονίων δεν είναι τελικά σουρεαλιστικές — ή, ακριβέστερα, ότι τα μονοπάτια μπορεί να φαίνονται σουρεαλιστικά, αλλά μόνο εάν δεν λάβει κανείς υπόψη τη μη τοπικότητα που είναι εγγενής στη θεωρία του Bohm.

Το πείραμα που πραγματοποίησαν ο Steinberg και η ομάδα του ήταν ανάλογο με το τυπικό πείραμα των δύο σχισμών. Χρησιμοποίησαν φωτόνια αντί για ηλεκτρόνια και αντί να στείλουν αυτά τα φωτόνια μέσω ενός ζεύγους σχισμών, πέρασαν μέσα από έναν διαχωριστή δέσμης, μια συσκευή που κατευθύνει ένα φωτόνιο κατά μήκος μιας από τις δύο διαδρομές, ανάλογα με την πόλωση του φωτονίου. Τα φωτόνια φτάνουν τελικά σε μια κάμερα ενός φωτονίου (ισοδύναμη με την οθόνη στο παραδοσιακό πείραμα) που καταγράφει την τελική τους θέση. Η ερώτηση "από ποια από τις δύο σχισμές πέρασε το σωματίδιο;" γίνεται "Ποιο από τα δύο μονοπάτια πήρε το φωτόνιο;"

Είναι σημαντικό ότι οι ερευνητές χρησιμοποίησαν ζεύγη εμπλεκόμενων φωτονίων παρά μεμονωμένα φωτόνια. Ως αποτέλεσμα, μπορούσαν να ανακρίνουν το ένα φωτόνιο για να αποκτήσουν πληροφορίες για το άλλο. Όταν το πρώτο φωτόνιο περνά μέσα από τον διαχωριστή δέσμης, το δεύτερο φωτόνιο «γνωρίζει» ποιο μονοπάτι πήρε το πρώτο. Η ομάδα θα μπορούσε στη συνέχεια να χρησιμοποιήσει πληροφορίες από το δεύτερο φωτόνιο για να παρακολουθήσει την πορεία του πρώτου φωτονίου. Κάθε έμμεση μέτρηση αποδίδει μόνο μια κατά προσέγγιση τιμή, αλλά οι επιστήμονες μπορούσαν να υπολογίσουν τον μέσο όρο μεγάλου αριθμού μετρήσεων για να ανακατασκευάσουν την τροχιά του πρώτου φωτονίου.

Η ομάδα διαπίστωσε ότι τα μονοπάτια των φωτονίων όντως εμφανίζονται να είναι σουρεαλιστικό, ακριβώς όπως προέβλεψε το ESSW:Ένα φωτόνιο χτυπούσε μερικές φορές τη μια πλευρά της οθόνης, παρόλο που η πόλωση του εμπλεκόμενου εταίρου έλεγε ότι το φωτόνιο πήρε την άλλη διαδρομή.

Είναι όμως αξιόπιστη η πληροφορία από το δεύτερο φωτόνιο; Το σημαντικότερο ήταν ότι ο Στάινμπεργκ και οι συνεργάτες του βρήκαν ότι η απάντηση στην ερώτηση «Ποιο μονοπάτι πήρε το πρώτο φωτόνιο;» εξαρτάται από το πότε ζητείται.

Αρχικά - τις στιγμές αμέσως μετά τη διέλευση του πρώτου φωτονίου μέσω του διαχωριστή δέσμης - το δεύτερο φωτόνιο συσχετίζεται πολύ ισχυρά με την πορεία του πρώτου φωτονίου. «Καθώς ένα σωματίδιο διέρχεται από τη σχισμή, ο ανιχνευτής [το δεύτερο φωτόνιο] έχει μια απολύτως ακριβή μνήμη από ποια σχισμή πέρασε», εξήγησε ο Steinberg.

Αλλά όσο πιο μακριά ταξιδεύει το πρώτο φωτόνιο, τόσο λιγότερο αξιόπιστη γίνεται η αναφορά του δεύτερου φωτονίου. Ο λόγος είναι η μη τοπικότητα. Επειδή τα δύο φωτόνια είναι μπλεγμένα, η διαδρομή που ακολουθεί το πρώτο φωτόνιο θα επηρεάσει την πόλωση του δεύτερου φωτονίου. Μέχρι τη στιγμή που το πρώτο φωτόνιο φτάσει στην οθόνη, η πόλωση του δεύτερου φωτονίου είναι εξίσου πιθανό να προσανατολίζεται προς τον έναν τρόπο με τον άλλον — έτσι δεν του δίνει «καμία γνώμη», ας πούμε, για το αν το πρώτο φωτόνιο πήρε την πρώτη διαδρομή ή δεύτερο (το ισοδύναμο του να γνωρίζεις ποια από τις δύο σχισμές πέρασε).

Το πρόβλημα δεν είναι ότι οι τροχιές του Bohm είναι σουρεαλιστικές, είπε ο Steinberg. Το πρόβλημα είναι ότι το δεύτερο φωτόνιο λέει ότι οι τροχιές του Bohm είναι σουρεαλιστικές — και, χάρη στη μη τοπικότητα, η έκθεσή του δεν είναι αξιόπιστη. «Δεν υπάρχει πραγματική αντίφαση εκεί μέσα», είπε ο Στάινμπεργκ. "Απλώς πρέπει να έχετε πάντα υπόψη σας τη μη τοπικότητα, διαφορετικά χάνετε κάτι πολύ σημαντικό."

Ταχύτερα από το φως

Μερικοί φυσικοί, ανενόχλητοι από το ESSW, έχουν ασπαστεί την Bohmian άποψη από παλιά και δεν εκπλήσσονται ιδιαίτερα από αυτό που βρήκαν ο Steinberg και η ομάδα του. Υπήρξαν πολλές επιθέσεις στην άποψη του Μπόμ όλα αυτά τα χρόνια, και «όλες σβήστηκαν γιατί είχαν παρεξηγήσει τι ισχυριζόταν στην πραγματικότητα η προσέγγιση Bohm», είπε ο Basil Hiley, φυσικός στο Birkbeck, Πανεπιστήμιο του Λονδίνου (πρώην Birkbeck College). ο οποίος συνεργάστηκε με τον Bohm στο τελευταίο του βιβλίο, The Undivided Universe. Ο Owen Maroney, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, ο οποίος ήταν φοιτητής του Hiley, περιέγραψε το ESSW ως «ένα φοβερό επιχείρημα» που «δεν παρουσίαζε μια νέα πρόκληση στον de Broglie-Bohm». Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι ο Maroney είναι ενθουσιασμένος από τα πειραματικά αποτελέσματα του Steinberg, τα οποία φαίνεται να υποστηρίζουν την άποψη που είχε καθ' όλη τη διάρκεια. «Είναι ένα πολύ ενδιαφέρον πείραμα», είπε. "Δίνει ένα κίνητρο για να πάρουμε στα σοβαρά τον de Broglie-Bohm."

Στην άλλη πλευρά του χάσματος της Βομίας, ο Berthold-Georg Englert, ένας από τους συγγραφείς του ESSW (μαζί με τους Marlan Scully, George Süssman και Herbert Walther), εξακολουθεί να περιγράφει την εργασία τους ως ένα «μοιραίο πλήγμα» για την άποψη του Bohm. Σύμφωνα με τον Ένγκλερτ, τώρα στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης, οι τροχιές του Μπομ υπάρχουν ως μαθηματικά αντικείμενα αλλά «στερούνται φυσικής σημασίας».

Σε μια ιστορική σημείωση, ο Αϊνστάιν έζησε αρκετό καιρό για να ακούσει για την αναβίωση της πρότασης του de Broglie από τον Bohm - και δεν εντυπωσιάστηκε, απορρίπτοντάς την ως πολύ απλοϊκή για να είναι σωστή. Σε μια επιστολή προς τον φυσικό Μαξ Μπορν, την άνοιξη του 1952, ο Αϊνστάιν εξέτασε το έργο του Μπομ:

Αλλά ακόμα και για εκείνους που ασπάζονται την Bohmian άποψη, με τα σαφώς καθορισμένα σωματίδια της να κινούνται κατά μήκος ακριβών μονοπατιών, παραμένουν ερωτήματα. Στην κορυφή της λίστας βρίσκεται μια φαινομενική ένταση με την ειδική σχετικότητα, η οποία απαγορεύει την ταχύτερη από το φως επικοινωνία. Φυσικά, όπως έχουν επισημάνει από καιρό οι φυσικοί, η μη τοπικότητα του είδους που σχετίζεται με την κβαντική εμπλοκή δεν επιτρέπει ταχύτερη από το φως σηματοδότηση (άρα δεν υπάρχει κίνδυνος του παραδόξου του παππού ή άλλων παραβιάσεων της αιτιότητας). Ακόμα κι έτσι, πολλοί φυσικοί πιστεύουν ότι χρειάζονται περισσότερες διευκρινίσεις, ειδικά δεδομένου του εξέχοντος ρόλου της μη τοπικότητας στην Bohmian άποψη. Η φαινομενική εξάρτηση του τι συμβαίνει εδώ για το τι μπορεί να συμβαίνει εκεί φωνάζει για μια εξήγηση.

«Το σύμπαν φαίνεται να θέλει να μιλάει στον εαυτό του πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός», είπε ο Steinberg. «Θα μπορούσα να καταλάβω ένα σύμπαν όπου τίποτα δεν μπορεί να πάει γρηγορότερα από το φως, αλλά ένα σύμπαν όπου οι εσωτερικές λειτουργίες λειτουργούν πιο γρήγορα από το φως, και όμως μας απαγορεύεται να το χρησιμοποιήσουμε ποτέ σε μακροσκοπικό επίπεδο – είναι πολύ δύσκολο να το καταλάβουμε».