Ο θόρυβος στο κάτω μέρος του Σύμπαντος
Για έναν φυσικό, η τέλεια ησυχία είναι ο απόλυτος θόρυβος. Σιωπήστε το κινητό σας, σιωπήστε τις σκέψεις σας και καταπνίξτε κάθε είδους δόνηση, και θα εξακολουθούσατε να έχετε κβαντικό θόρυβο. Αντιπροσωπεύει μια απροσδιοριστία βαθιά μέσα στη φύση, εκρήξεις στατικών και ανεξήγητων κινήσεων που δεν μπορούν να απαλλαγούν ή να κατανοηθούν. Μοιάζει χωρίς νόημα.
Λαμβάνοντας υπόψη πόσο διάχυτος είναι αυτός ο θόρυβος, θα μπορούσατε να υποθέσετε ότι οι φυσικοί θα είχαν μια καλή εξήγηση για αυτό. Όμως παραμένει ένα από τα μεγάλα άλυτα προβλήματα στην επιστήμη. Η κβαντική θεωρία σιωπά όχι μόνο για το από πού προέρχεται ο θόρυβος, αλλά και για το πώς ακριβώς εισέρχεται στον κόσμο. Η καθοριστική εξίσωση της θεωρίας, η εξίσωση Schrödinger, είναι εντελώς ντετερμινιστική. Δεν υπάρχει καθόλου θόρυβος σε αυτό. Για να εξηγήσουμε γιατί παρατηρούμε ότι τα κβαντικά σωματίδια είναι θορυβώδη, χρειαζόμαστε κάποια επιπλέον αρχή.
Για τους φυσικούς της παράδοσης του Niels Bohr, η ίδια η πράξη της παρατήρησης είναι καθοριστική. Η εξίσωση Schrödinger ορίζει ένα μενού δυνατοτήτων για το τι θα μπορούσε να κάνει ένα σωματίδιο, αλλά μόνο όταν μετρηθεί το σωματίδιο κάνει πραγματικά οτιδήποτε, επιλέγοντας τυχαία από το μενού. Τα πανομοιότυπα σωματίδια θα κάνουν διαφορετικές επιλογές, με αποτέλεσμα τα αποτελέσματα των θεμελιωδών διεργασιών να ποικίλλουν με ανεξέλεγκτο τρόπο. Κατά την άποψη του Bohr, ο κβαντικός θόρυβος δεν μπορεί να εξηγηθεί περαιτέρω. Είναι αυτό που ο φυσικός John Wheeler αποκάλεσε «μια στοιχειώδη πράξη δημιουργίας», χωρίς προηγούμενο. Η Γένεση δεν ήταν ένα μεμονωμένο γεγονός στο μακρινό παρελθόν, αλλά μια συνεχής διαδικασία που επιφέρουμε. Δημιουργούμε τον κόσμο παρατηρώντας τον.
Για σκεπτικιστές όπως ο Αϊνστάιν, αυτή η άποψη είναι τόσο θαυμάσια ρομαντική όσο και εντελώς ασυνάρτητη. Ποιοι είμαστε"? Τι είναι η «παρατήρηση»; Οι φυσικοί και οι φιλόσοφοι έχουν περάσει το μεγαλύτερο μέρος ενός αιώνα αναζητώντας μια λιγότερο κυματιστή εξήγηση, λαμβάνοντας μία από τις δύο γενικές κατευθύνσεις. Ίσως ο κβαντικός θόρυβος, όπως ο θόρυβος που συναντάμε στην καθημερινή ζωή, έχει νόημα που μας διαφεύγει. Μπορεί να φαίνεται ακαθοριστικό, αλλά θα μπορούσε να παραχθεί από ντετερμινιστικές διαδικασίες που, για οποιονδήποτε λόγο, δεν μπορούμε να δούμε. Μπορεί, για παράδειγμα, να είναι συνέπεια του να ζούμε σε ένα από τα αμέτρητα παράλληλα σύμπαντα και να μην είμαστε σε θέση να ξεχωρίσουμε ποιο είναι το δικό μας. Ο θόρυβος, στην ουσία, μας λέει πού ζούμε. Όλες αυτές οι μικρές αυξήσεις και εκτροπές στη συμπεριφορά των σωματιδίων είναι οι ιδιορρυθμίες που διαφοροποιούν το σύμπαν μας από τους άλλους και είναι «θόρυβος» καθώς η τοποθεσία μας είναι τυχαία, σαν να μας βάζουν στο δωμάτιο του ξενοδοχείου 314 αντί στο 159.
Η άλλη βασική προσέγγιση είναι ότι ο κβαντικός θόρυβος είναι πραγματικά χωρίς νόημα και η κβαντική θεωρία είναι τόσο ακαθοριστική όσο ο Bohr θεώρησε ότι είναι, οπότε η πρόκληση είναι απλώς να τακτοποιήσουμε την κακώς καθορισμένη έννοια της παρατήρησης. Το 1986, τρεις φυσικοί - οι GianCarlo Ghirardi, Alberto Rimini και Tullio Weber - πρότειναν ότι όχι μόνο ο κβαντικός θόρυβος δεν έχει νόημα, αλλά οι πειραματιστές δεν τον ενεργοποιούν. Στην πραγματικότητα, τίποτα δεν κάνει. Εμφανίζεται εντελώς χωρίς προτροπή—ίσως μία φορά κάθε 100 εκατομμύρια χρόνια για ένα μεμονωμένο σωματίδιο.
Μέσα στην ερμηνευτική συζήτηση, η θεωρία GRW και οι παραλλαγές της διαδραματίζουν ιδιαίτερο ρόλο. Αν και δεν είναι η μόνη ακαθοριστική ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής, είναι η μόνη ερμηνεία που εκθέτει τον ιντερμινισμό να τον βλέπουν όλοι -ως θόρυβο- αντί να τον θάβουν σε ένα υποκβαντικό επίπεδο. Το GRW είναι επίσης μια από τις λίγες ερμηνείες που είναι ελεγχόμενες εμπειρικά. Εδώ, επιτέλους, υπάρχει ένα τεστ βάσει δεδομένων για μια συζήτηση που προέρχεται από την εποχή του Δημόκριτου και του Πλάτωνα:Είναι το σύμπαν στη ρίζα του ντετερμινιστικό ή όχι;
Η θεωρία GRW υποθέτει ότι ο θόρυβος χτυπά σποραδικά τα σωματίδια και τα αναγκάζει να υλοποιηθούν σε μία από τις θέσεις που είναι ανοιχτές σε αυτά. Αυτό δεν μπορεί να συμβεί πολύ συχνά, διαφορετικά η συμπεριφορά των σωματιδίων θα αποκλίνει από την εξίσωση Schrödinger όλη την ώρα. Μια φορά κάθε 100 εκατομμύρια χρόνια είναι αρκετό, γιατί όταν έρχεται το χτύπημα, η επίδρασή του ενισχύεται πολύ από την κβαντική εμπλοκή - την τρομακτική διασύνδεση των σωματιδίων. Ένα χτύπημα σε ένα σωματίδιο γίνεται αισθητό από όλα αυτά με τα οποία είναι μπλεγμένο.
Αυτό το πολλαπλασιαστικό φαινόμενο θα εξηγούσε καθαρά γιατί παρατηρούμε την κβαντική συμπεριφορά στο επίπεδο των σωματιδίων αλλά όχι στην καθημερινή ζωή—γιατί ένα σωματίδιο δεν μπορεί να έχει καθορισμένες ιδιότητες, αλλά ένα μακροσκοπικό αντικείμενο έχει πάντα. Αν και ένα άτομο ή ένας πλανήτης μπορεί να υπάρχει φευγαλέα σε μια απροσδιόριστη κατάσταση, ακριβώς όπως ένα απομονωμένο σωματίδιο, παρουσιάζει έναν πολύ μεγαλύτερο στόχο και ένα από τα σωματίδια του θα χτυπηθεί γρήγορα από τον θόρυβο. Ο θόρυβος θα καθορίσει τη θέση αυτού του σωματιδίου και όλων των εμπλεκόμενων συνεργατών του. Ένα αντικείμενο που αποτελείται από 10 αμοιβαία μπερδεμένα σωματίδια θα υποβάλλεται σε ping κάθε 10 νανοδευτερόλεπτα περίπου.
Ο θόρυβος επιδρά στη θέση του χώρου, αλλά επηρεάζει και άλλες ιδιότητες έμμεσα. Η διάσημη και νεκρή και ζωντανή γάτα του Schrödinger αναγκάζεται γρήγορα να είναι είτε ζωντανή είτε νεκρή, επειδή αυτές οι δύο συνθήκες αντιστοιχούν σε διαφορετικές χωρικές διατάξεις σωματιδίων στο σώμα της γάτας και ο μηχανισμός GRW θα επιλέξει μεταξύ τους.
Ο μηχανισμός GRW απομυθοποιεί επίσης την παρατήρηση. Το να παρατηρείς είναι απλώς να συσχετίζεις ένα σωματίδιο με κάποιο μεγάλο κομμάτι της συσκευής, έτσι ώστε οι ιδιότητες του σωματιδίου να γίνουν προσιτές σε σένα. Με αυτόν τον τρόπο εκθέτετε το σωματίδιο στον θόρυβο που χτυπά τη συσκευή. Μπορεί να μην δημιουργείτε απευθείας την πραγματικότητα, όπως πίστευε ο Bohr, αλλά καθιστάτε δυνατό στον παντοδύναμο θόρυβο να ενεργεί σε αντικείμενα από τα οποία διαφορετικά θα περνούσε.
Η θεωρία GRW, όπως και η ίδια η κβαντομηχανική, είναι ένας μαθηματικός φορμαλισμός και δεν προδιαγράφει από τι αποτελείται ο κόσμος - αυτό που οι φιλόσοφοι αποκαλούν οντολογία. Οι δημιουργοί του αρχικά οραματίστηκαν μια οντολογία σωματιδίων:έναν ατομικιστικό κόσμο. Αλλά η θεωρία λειτουργεί επίσης εάν το σύμπαν αποτελείται αντί από λερωμένη ύλη ή πεδία δύναμης. Αυτό που διακρίνει το GRW από άλλες ερμηνείες της κβαντικής μηχανικής είναι ότι ο θόρυβος δεν προκαλείται. Τα χτυπήματα γίνονται απλά αυθόρμητα. Άρα, δεν απαιτούν αυστηρά την ύπαρξη τίποτε άλλου. Η θεωρία ανοίγει έτσι μια εντελώς νέα πιθανότητα:ότι το σύμπαν είναι φτιαγμένο καθαρά από θόρυβο.
Σε αυτήν την ριζικά μινιμαλιστική άποψη, που προτάθηκε από τον Ιρλανδό φυσικό John Bell το 1987 και αναπτύχθηκε αργότερα από τον Roderich Tumulka στο Πανεπιστήμιο Rutgers, το σύμπαν είναι σαν ένα σκοτεινό αμφιθέατρο που φωτίζεται τυχαία από τα φλας της κάμερας:ένας αστερισμός αποσυνδεδεμένων στιγμών αντί για κάτι που διαρκεί ύπαρξη. Επειδή αυτές οι τυχαίες στιγμές περιλαμβάνουν όλες τις παρατηρήσεις μας, δεν θα μπορούσαμε ποτέ να ξεχωρίσουμε τη διαφορά μεταξύ αυτού και ενός συνεχούς σύμπαντος. Μπορεί να δούμε ένα σωματίδιο σε ένα μέρος και μετά, αργότερα, σε άλλο, και είναι φυσικό να υποθέσουμε ότι υπήρχε ενδιάμεσα, αλλά ίσως δεν θα έπρεπε. Και αν το σωματίδιο δεν υπάρχει στο ενδιάμεσο, δεν έχουμε πραγματικά σωματίδια με τον τρόπο που αυτός ο όρος είναι κοινώς κατανοητός.
Αυτή η άποψη σε καμία περίπτωση δεν μας επιβάλλεται, αλλά έχει μια ελκυστική επίπτωση:Είναι ο μόνος γνωστός τρόπος για να επιλυθεί η ένταση μεταξύ της κβαντικής εμπλοκής και της θεωρίας της σχετικότητας, χωρίς να εγκαταλείψουμε εντελώς μια από αυτές τις θεωρίες. Ακόμη και η πιο προηγμένη κβαντική θεωρία μας, η κβαντική θεωρία πεδίου - η οποία δημιουργήθηκε με ρητό σκοπό τη συμφιλίωση αυτών των δύο θεωριών - δεν εξαλείφει τη σύγκρουση που προκύπτει κατά τη διάρκεια μιας μέτρησης ή ισοδύναμης διαδικασίας. Όπως συνειδητοποίησε ο Αϊνστάιν, αν η κβαντική φυσική είναι ακαθοριστική, αυτό που κάνει ένα σωματίδιο επηρεάζει αμέσως τα σωματίδια με τα οποία εμπλέκεται. Το αποτέλεσμα είναι διακριτικό—δεν μπορεί να μεταδώσει σήμα—αλλά η λέξη «στιγμιαία» υποτίθεται ότι εξακολουθεί να είναι περιφρονητική στη σχετικότητα. Ο όλος λόγος που την αποκαλούν θεωρία «σχετικότητας» είναι ότι το πέρασμα του χρόνου σχετίζεται με έναν δεδομένο παρατηρητή, επομένως δεν υπάρχει αντικειμενική έννοια με την οποία μια διαδικασία θα μπορούσε να είναι στιγμιαία. Ένας παρατηρητής μπορεί να δει ένα αποτέλεσμα, ένας άλλος παρατηρητής στην ίδια θέση μπορεί να μην, και θα προέκυπτε παράδοξο. Αυτή η αντίφαση εξατμίζεται στο GRW επειδή τα φλας σβήνουν μόνα τους. Τίποτα δεν προκαλεί φλας, ούτε καν άλλο φλας, επομένως η έγκαιρη παραγγελία τους δεν έχει σημασία. Όποιο φλας έρθει πρώτο, η εξίσωση Schrödinger θα διασφαλίσει ότι συσχετίζεται με τα επόμενα φλας. Κανένας μηχανισμός δεν λειτουργεί στο χώρο και στο χρόνο για να παράγει αυτόν τον συσχετισμό, επομένως η σχετικότητα απλά δεν ισχύει.
Ακόμη και οι άνθρωποι που πρότειναν την εικόνα φλας δεν τους αρέσει πολύ. Χωρίς χωροχρονικό μηχανισμό, φαίνεται να χάνουμε κάθε ελπίδα για μια βαθύτερη κατανόηση των συσχετισμών και πρέπει να τους αποδεχτούμε ως ωμή πραγματικότητα. Αλλά η εικόνα του φλας αξίζει να σκεφτούμε, γιατί είναι απόδειξη ότι η κβαντική εμπλοκή και η θεωρία της σχετικότητας δεν είναι ασυμβίβαστα αντίθετες, και υπονοεί ότι η συμφιλίωσή τους θα απαιτήσει μια επανεξέταση του τι εννοούμε με τον όρο ύπαρξη στο χώρο και στο χρόνο.
Το GRW θα μπορούσε ακόμη και να λύσει εντελώς ξεχωριστά προβλήματα στη φυσική. Ο Ντέιβιντ Άλμπερτ, ένας θεωρητικός φυσικός που έγινε φιλόσοφος στο Πανεπιστήμιο της Κολούμπια, πιστεύει ότι θα βοηθούσε να εξηγηθεί ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής:η τάση για την εντροπία - που ορίζεται χαλαρά ως η αταξία ενός πλήθους μορίων - να αυξάνεται σε ένα κλειστό σύστημα. Η γενική σκέψη ήταν ότι η εντροπία αυξάνεται επειδή υπάρχουν περισσότεροι τρόποι για να είσαι διαταραγμένος από ό,τι τακτοποιημένος, οπότε αν ένα σύστημα ξεκινήσει όμορφα και τακτοποιημένα, φυσικά θα εκφυλιστεί σε χάος. Αλλά τα σχολικά βιβλία σχολιάζουν ένα σημαντικό σημείο:δεν είναι σίγουρο ότι η διαταραχή είναι πιο πιθανή. Ένα σύστημα μπορεί να τακτοποιηθεί με έναν αμέτρητα άπειρο αριθμό διαφορετικών τρόπων και δεν υπάρχει σαφής τρόπος σύγκρισης του άπειρου αριθμού διατεταγμένων καταστάσεων με τον άπειρο αριθμό άτακτων καταστάσεων.
Για παράδειγμα, είναι πολύ εύκολο να σπάσετε την οθόνη του smartphone σας ρίχνοντάς την στο πάτωμα. Είναι επίσης πιθανό μια ραγισμένη οθόνη smartphone να αυτοθεραπευθεί αυθόρμητα εάν τα μόριά της κινούνται με τον σωστό τρόπο. Αλίμονο, δεν το βλέπουμε ποτέ αυτό. Αυτό δεν συμβαίνει επειδή τέτοιες ανατροπές είναι εγγενώς σπάνιες. Πράγματι, υπάρχει άπειρος αριθμός τρόπων για να επανασυναρμολογηθούν τα μόρια από μόνα τους. Οι φυσικοί συνήθως αντιμετωπίζουν αυτό το πρόβλημα με το fiat:Προσθέτουν ένα αξίωμα που καθιερώνει μια σύμβαση για την καταμέτρηση καταστάσεων, σύμφωνα με την οποία οι αντιστροφές είναι πιο σπάνιες.
Αντίθετα, προτείνει ο Albert, το ζήτημα μπορεί να μην είναι ο αριθμός των τρόπων, αλλά η κατανομή τους μέσα από το χώρο των δυνατοτήτων. Οι ανατροπές είναι απομονωμένα νησιά μέσα στη θάλασσα των κρατών που βρίσκονται στο δρόμο τους να γίνουν πιο άτακτα και υποστηρίζει ότι αυτή η γεωγραφία δεν εξαρτάται από τη σύμβαση καταμέτρησης των κρατών. Ρίξτε ένα smartphone με ελαφρώς διαφορετικούς τρόπους και η οθόνη θα εξακολουθεί να σπάει. Αλλά για να αυτοθεραπευθεί μια οθόνη smartphone, τα μόρια πρέπει να πλησιάζουν το ένα το άλλο με τον σωστό τρόπο και μικροσκοπικές αποκλίσεις θα το χαλάσουν. Και εδώ είναι που ο κβαντικός θόρυβος θα μπορούσε να παίξει ρόλο. Κτυπά το σύστημα ασταμάτητα και παρέχει αυτές τις μικροσκοπικές αποκλίσεις. Εάν το σύμπαν γυρίσει ποτέ στην όπισθεν, ο θόρυβος θα το επαναφέρει γρήγορα στην κανονικότητα.
Για να λειτουργήσει αυτό, ο θόρυβος πρέπει να είναι αυθόρμητος—δεν πρέπει να εξαρτάται από μια σκανδάλη, όπως η πραγματοποίηση μιας μέτρησης. Επιπλέον, ο θόρυβος πρέπει να είναι πραγματικά μη μειώσιμος—δεν μπορεί να αντικατοπτρίζει την άγνοιά μας για λεπτομέρειες λεπτότερης κλίμακας, διαφορετικά ολόκληρο το πρόβλημα θα επανεμφανιστεί σε αυτή τη λεπτότερη κλίμακα. Και ο θόρυβος θα πρέπει να ενοχλεί τα σωματίδια τόσο ώστε να εμποδίζει οποιαδήποτε αναστροφή. Μόνο το GRW, μεταξύ των διαφόρων προτεινόμενων εξηγήσεων του κβαντικού θορύβου, ικανοποιεί και τα τρία κριτήρια.
Η GRW είναι μια ισχυρή θεωρία, αλλά καμία από τις πειραματικές προβλέψεις της δεν έχει ισχύσει μέχρι στιγμής. Θα πρέπει να έχει κάθε είδους εξωτικά αποτελέσματα. Για παράδειγμα, θα μπορούσε να προκαλέσει ένα ηλεκτρόνιο να εκτρέπεται χωρίς προφανή λόγο και να εκπέμπει ακτίνες Χ. Η Catalina Curceanu του Εθνικού Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής, στην Ιταλία, και οι συνάδελφοί της έδειξαν πέρυσι ότι αυτό δεν συμβαίνει περισσότερο από μία φορά κάθε δισεκατομμύριο χρόνια, κάτι που αποκλείει την αρχική εκτίμηση του GRW. Ο θόρυβος θα επηρεάσει επίσης τους ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων όπως το LIGO. Επειδή ένα τέτοιο φαινόμενο θα εξαρτηθεί από το μέγεθος του ανιχνευτή, ελέγχει όχι μόνο πόσο συχνά συμβαίνουν οι εκρήξεις θορύβου αλλά και πόσο μεγάλη περιοχή επηρεάζουν. Ο παρατηρούμενος θόρυβος σε αυτούς τους ανιχνευτές είναι εξαιρετικά χαμηλός, περιορίζοντας περαιτέρω τη θεωρία.
Εάν ο μηχανισμός GRW λειτουργεί, πρέπει να είναι πιο περίπλοκος από την αρχική εικασία. Για παράδειγμα, η ευαισθησία των σωματιδίων στον θόρυβο θα εξαρτηθεί από τη μάζα τους. Αν μη τι άλλο, αυτό μπορεί να είναι πιο εύλογο. Άρα η θεωρία είναι ακόμα ζωντανή. Τούτου λεχθέντος, η έλλειψη σαφούς σήματος είναι αποθαρρυντική. Εάν η θεωρία είναι ο σημαιοφόρος του θεμελιώδους ιντερμινισμού, το μηδενικό αποτέλεσμα καθιστά λίγο πιο πιθανό ότι το σύμπαν, από προεπιλογή, είναι ντετερμινιστικό στη ρίζα του.
Ο ντετερμινισμός δεν θα εξαφάνιζε αυστηρά τον θόρυβο, αλλά απλώς θα τον μετέφερε. Μέσω των νόμων της φυσικής, θα μπορούσαμε να εντοπίσουμε την προέλευση κάθε έκρηξης θορύβου - δεν θα εμφανιζόταν από το πουθενά, όπως στη θεωρία GRW, αλλά θα εμφανιζόταν επειδή τα σωματίδια βρίσκονταν σε συγκεκριμένες τροχιές. Κατ' αρχήν, θα μπορούσαμε να ξετυλίξουμε αυτές τις τροχιές πίσω στις αρχικές συνθήκες του σύμπαντος, οι οποίες θα αποτελούνταν από όλο τον θόρυβο της ιστορίας, συγκεντρωμένους. Όποια και αν είναι η πηγή του θορύβου, είναι η πρώτη ύλη του κόσμου, σμιλεμένη σε πλούσια μοτίβα μέσα από διαδικασίες εξέλιξης και ανάδυσης.
Στο εργαστήριο, οι φυσικοί επιδιώκουν να αφαιρέσουν τον θόρυβο του κόσμου και να εκθέσουν τον απλό πυρήνα του. Αλλά σε κάποιο βαθύτερο επίπεδο, αφαιρούν το σήμα για να εκθέσουν τον θόρυβο και στρέφουν μια θεμελιώδη ερώτηση σε αυτό. Είναι λοιπόν πραγματικά σήμα ο θόρυβος; «Για τον Θεό όλα είναι σήμα», έγραψε κάποτε ο καθηγητής μηχανικής και νομικής του Πανεπιστημίου της Νότιας Καλιφόρνια, Bart Kosko. Αν μη τι άλλο, όμως, ισχύει το αντίθετο:Για τον Θεό όλα είναι θόρυβος. μόνο για τον άνθρωπο, ο οποίος κατασκευάζει το δικό του νόημα, είναι οτιδήποτε άλλο σήμα.
Ο George Musser είναι συγγραφέας της φυσικής και της κοσμολογίας και συγγραφέας του Απόκοσμη δράση σε απόσταση και The Complete Idiot's Guide to String Theory. Το He είναι ένας συντάκτης που συνεισφέρει στο Nautilus, και ήταν προηγουμένως ανώτερος συντάκτης στο Scientific American για 14 χρόνια. Έχει κερδίσει το Βραβείο Συγγραφής Επιστημών του Αμερικανικού Ινστιτούτου Φυσικής, μεταξύ άλλων.
