Ermina Papadima
Αν υπάρχει ένα φαινόμενο στη σύγχρονη φυσική που μοιάζει να παραβιάζει κάθε κανόνα της ανθρώπινης διαίσθησης και της κοινής λογικής, αυτό είναι η κβαντική διεμπλοκή (quantum entanglement).
Στην καθημερινή μας εμπειρία, ο κόσμος λειτουργεί τοπικά. Για να επηρεάσει ένα αντικείμενο κάποιο άλλο, πρέπει να μεσολαβήσει μια δύναμη, ένα σήμα, ένας χρόνος ταξιδιού στον χώρο. Η απόσταση μετράει. Στην κβαντική διεμπλοκή, όμως, η απόσταση παύει κυριολεκτικά να έχει σημασία. Δύο σωματίδια μπορούν να βρίσκονται σε αντίθετα άκρα του σύμπαντος και να συμπεριφέρονται σαν να μην υπάρχει ούτε ένα χιλιοστό ανάμεσά τους – αν να αποτελούν το ίδιο ακριβώς αντικείμενο.
Το φαινόμενο είναι τόσο σοκαριστικό για τη κλασική λογική, που ακόμη και ο Άλμπερτ Αϊνστάιναρνιόταν να το αποδεχτεί, αποκαλώντας το υποτιμητικά «Αλλόκοτη δράση από απόσταση» (spukhafte Fernwirkung). Κι όμως, από τη δεκαετία του 1990 και έπειτα, τα πειράματα απέδειξαν πέρα από κάθε αμφιβολία ότι η φύση λειτουργεί ακριβώς έτσι.
Πώς «γεννιέται» η διεμπλοκή μέσα στο άτομο
Για να καταλάβουμε πώς προκύπτει αυτή η σύνδεση, ξεκινάμε από τη δομή ενός απλού ατόμου: έναν πυρήνα από πρωτόνια και νετρόνια στο κέντρο και ηλεκτρόνια που κινούνται τροχιακά γύρω του.
Σύμφωνα με την Απαγορευτική Αρχή του Πάουλι, δύο ηλεκτρόνια μπορούν να συνυπάρξουν στο ίδιο τροχιακό επίπεδο μόνο αν έχουν αντίθετο σπιν (ιδιοστροφορμή). Αν το ένα έχει σπιν «πάνω», το άλλο πρέπει υποχρεωτικά να έχει σπιν «κάτω».
Μηδενική επίδραση της απόστασης σε συμπαντική κλίμακα
Αν πάρουμε αυτά τα δύο διεμπλεκόμενα ηλεκτρόνια και τα απομακρύνουμε προσεκτικά χωρίς να διαταράξουμε την κβαντική τους κατάσταση, η σύνδεσή τους δεν εξασθενεί με τα χιλιόμετρα. Είτε τα χωρίσουμε κατά μερικά εκατοστά σε ένα εργαστήριο, είτε κατά εκατοντάδες χιλιόμετρα σε τροχιά γύρω από τη Γη, είτε -θεωρητικά- στείλουμε το ένα στον γαλαξία της Ανδρομέδας, η φυσική συνεχίζει να τα περιγράφει ως ένα ενιαίο κβαντομηχανικό σύστημα.
Πριν τη μέτρηση, κανένα από τα δύο σωματίδια δεν έχει καθορισμένο σπιν – βρίσκονται σε υπέρθεση καταστάσεων.
Τη στιγμή που μετράμε το σπιν του πρώτου και το βρίσκουμε «πάνω», γνωρίζουμε ακαριαία, χωρίς καμία χρονική καθυστέρηση, ότι το δεύτερο -όσο μακριά κι αν βρίσκεται- θα μετρηθεί «κάτω».
Η μεγάλη παρεξήγηση: Μεταφέρεται πληροφορία;
Εδώ χρειάζεται αυστηρή επιστημονική ακρίβεια, γιατί συχνά ακόμη και σε εκλαϊκευμένες συζητήσεις δημιουργείται η εντύπωση ότι αν «αλλάξουμε» το σπιν του ενός σωματιδίου, το άλλο αντιδρά ακαριαία, επιτρέποντας επικοινωνία ταχύτερη από το φως.
Δε στέλνουμε σήματα και αυτό πρέπει να είναι ξεκάθαρο! Το Θεώρημα Μη-Επικοινωνίας (No-Communication Theorem) αποδεικνύει ότι είναι αδύνατο να μεταδώσουμε πληροφορία μέσω της κβαντικής διεμπλοκής.
Επιπλέον, η παρέμβαση σπάει τον δεσμό. Αν προσπαθήσεις δηλαδή να επιβάλεις τεχνητά μια συγκεκριμένη κατάσταση στο πρώτο σωματίδιο (π.χ. με ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο), απλώς καταστρέφεις τη διεμπλοκή.
Αυτό συνιστά μια κβαντική συσχέτιση και όχι τηλεμεταφορά δεδομένων. Για να διαπιστώσουν δύο παρατηρητές ότι τα αποτελέσματά τους συσχετίζονται, πρέπει να συγκρίνουν τις μετρήσεις τους μέσω ενός κλασικού καναλιού επικοινωνίας – το οποίο περιορίζεται αυστηρά από την ταχύτητα του φωτός.
Το ανοιχτό ερώτημα για τη φύση της πραγματικότητας
Αν αφήσουμε στην άκρη τις τεχνολογικές εφαρμογές (όπως η κβαντική κρυπτογραφία και οι κβαντικοί υπολογιστές), η διεμπλοκή αφήνει ανοιχτό ένα βαθύ θεμελιώδες ερώτημα.
Στις απαρχές του σύμπαντος, κατά τη Μεγάλη Έκρηξη (Big Bang), όλη η ύλη και η ενέργεια βρίσκονταν συμπυκνωμένες σε έναν απειροελάχιστο όγκο, σε συνεχή αλληλεπίδραση. Αυτό σημαίνει ότι τα σωματίδια που συγκροτούν σήμερα τον κόσμο γύρω μας -ακόμη και εμάς τους ίδιους- ενδέχεται να διατηρούν κβαντικές συσχετίσεις με ύλη στην άλλη άκρη του παρατηρήσιμου σύμπαντος.
Η κβαντική μηχανική μας δείχνει ότι ο χώρος και ο χρόνος ίσως δεν είναι το θεμελιώδες υπόβαθρο της πραγματικότητας, αλλά κάτι που αναδύεται από βαθύτερες κβαντικές συνδέσεις. Και το πιο συναρπαστικό είναι ότι, έναν αιώνα μετά τη διατύπωσή της, ακόμη προσπαθούμε να κατανοήσουμε πλήρως τι σημαίνει αυτό για τη φύση του σύμπαντος.
Πηγές:
Nielsen, M. A., & Chuang, I. L. (2010). Quantum Computation and Quantum Information. Cambridge University Press.
Stanford Encyclopedia of Philosophy. Quantum Entanglement and Information.
Zeilinger, A. (1999). Experiment and the Foundations of Quantum Physics. Reviews of Modern Physics.
