Παραξενιές της κβαντομηχανικής: Το κβαντικό φαινόμενο Άμλετ

To decay or not to decay: that is the question.

Το κβαντικό φαινόμενο Άμλετ λέει ότι ένα δοχείο που παρακολουθείται όταν βράζει, δεν βράζει! Βεβαίως σύμφωνα με την κοινή λογική και γνωρίζοντας  την κλασική φυσική μπορεί να αμφισβητήσετε αυτή την δήλωση της κβαντικής φυσικής. Η κβαντική φυσική όμως αυτό πρεσβεύει.

Όταν παρακολουθούμε το υγρό κατά τον βρασμό, κβαντομηχανικά το υγρό στο δοχείο αρνείται να βράσει. Μερικές φορές σε άλλες χρονικές στιγμές, ο βρασμός γίνεται γρηγορότερα. Σε άλλες πάλι περιπτώσεις , η παρατήρηση οδηγεί στο  υπαρξιακό δίλημμα αν πρέπει να βράσει το υγρό ή όχι.

Αυτό που περιγράψαμε παραπάνω μπορεί να φαίνεται τρελό αλλά είναι μια λογική συνέπεια της εξίσωσης του Schrodinger, που έφτιαξε ο Αυστριακός φυσικός Έρβιν Σρέντιγκερ το 1926 για να περιγράψει το πώς τα κβαντικά αντικείμενα εξελίσσονται πιθανοκρατικά με την πάροδο του χρόνου.

Φανταστείτε , για παράδειγμα, τη διεξαγωγή ενός πειράματος με ένα αρχικά αδιάσπαστο ραδιενεργό άτομο να βρίσκεται  σε ένα κουτί. Σύμφωνα με την εξίσωση του Schrodinger, ανά πάσα στιγμή μετά την εκκίνηση του πειράματος το άτομο υπάρχει σε ένα μείγμα, ή σε μια "υπέρθεση" όπως λένε οι φυσικοί, σε διάσπαση και αδιάσπαστο συγχρόνως. Κάθε κατάσταση έχει μια πιθανότητα να συμβεί η οποία βρίσκεται μέσα σε μια μαθηματική περιγραφή, τη γνωστή κυματοσυνάρτηση.

Με την πάροδο του χρόνου, εφ ‘όσον δεν κοιτάζουμε το άτομο, η κυματοσυνάρτηση εξελίσσεται και η πιθανότητα να διασπαστεί το άτομο αυξάνεται με αργό ρυθμό. Μόλις το κοιτάξουμε, το άτομο επιλέγει – κατά τρόπο σύμφωνο με τις πιθανότητες της κυματοσυνάρτησης – μια κατάσταση που μας αποκαλύπτεται, ενώ η κυματοσυνάρτηση "καταρρέει" σε μια μοναδική κατάσταση.

Αυτή είναι η εικόνα που γέννησε την περίφημη γάτα του Schrodinger. Ας υποθέσουμε ότι η ραδιενεργός διάσπαση του ατόμου ενεργοποιεί το σπάσιμο ενός φιαλιδίου που περιέχει δηλητηριώδη αέρια, ενώ μια γάτα είναι μέσα στο ίδιο κουτί με το άτομο και το φιαλίδιο. Είναι η γάτα και νεκρή και ζωντανή όσο δεν ξέρουμε αν η διάσπαση έχει συμβεί; Δεν το ξέρουμε.

Το μόνο που ξέρουμε είναι ότι πειράματα με ολοένα μεγαλύτερα αντικείμενα – πρόσφατα έγινε με μια μεταλλική ταινία σε συντονισμό, αρκετά μεγάλη για να την δούμε κάτω από ένα μικροσκόπιο – φαίνεται να δείχνουν ότι πραγματικά μπορεί να προκληθούν δύο καταστάσεις ταυτόχρονα.

Το πιο περίεργο πράγμα σε όλα αυτά είναι τι θα συμβεί μόλις εξετάσουμε το αντικείμενο. Πάρτε για παράδειγμα το εν διασπάσει άτομο: παρατηρώντας το και βρίσκοντας το αδιάσπαστο, επαναφέρεται το σύστημα σε μια οριστική κατάσταση και η εξίσωση του Schrodinger για την εξέλιξη της διάσπασης, πρέπει να ξεκινήσει πάλι από το μηδέν.

Το συμπέρασμα είναι ότι εάν κάνετε αρκετά συχνά μετρήσεις, το σύστημα δεν θα μπορέσει ποτέ να διασπαστεί. Η δυνατότητα αυτή ονομάστηκε κβαντικο φαινόμενο Ζήνων, από τον Ελεάτη φιλόσοφο Ζήνωνα, ο οποίος επινόησε ένα διάσημο παράδοξο που «αποδεικνύεται» ότι αν διαιρεθεί ο χρόνος σε ολοένα και μικρότερες στιγμές, θα ήταν απίθανο να κάνετε καμιά αλλαγή ή μια κίνηση.

Ο προσωκρατικός φιλόσοφος Ζήνων ο Ελεάτης δείχνει στους μαθητές του τις πόρτες της αλήθειας (veritas) και του ψεύδους (falsitas). Τοιχογραφία στη Βιβλιοθήκη El Escorial της Μαδρίτης.

Και έχει συμβεί το κβαντικό φαινόμενο του Ζήνωνα. Συγκεκριμένα, το 1990, ερευνητές στο Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας στο Boulder του Κολοράντο, έδειξαν ότι μπορούν να κρατήσουν ένα ιόν βηρυλλίου σε μια ασταθή ενεργειακή κατάσταση, που μάλλον μοιάζει με την εξισορρόπηση ενός μολυβιού στη μύτη του, υπό την προϋπόθεση ότι μετρείται συνέχεια η ενέργεια του.

Επίσης, συμβαίνει και το αντίστροφο φαινόμενο "αντι-Ζήνων"- κάνοντας μια κβαντική κατσαρόλα να βράζει γρηγορότερα απλά μετρώντας την. Όταν ένα κβαντικό αντικείμενο μπορεί να κινηθεί σε μια σύνθετη διάταξη καταστάσεων, μια διάσπαση σε μια χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση μπορεί να επιταχυνθεί μετρώντας απλά το σύστημα με το σωστό τρόπο. Το 2001, κι αυτό το φαινόμενο παρατηρήθηκε στο εργαστήριο.

Το τρίτο κβαντικό τέχνασμα είναι το "κβαντικό φαινόμενο Άμλετ", που προτάθηκε πέρυσι από τον Σέρβο Vladan Pankovic του Πανεπιστημίου του Novi Sad. Βρήκε, ότι μια ιδιαίτερα περίπλοκη αλληλουχία μετρήσεων, μπορεί να επηρεάσει ένα σύστημα με τέτοιο τρόπο ώστε να καταστεί δυσεπίλυτη η εξίσωση Schrodinger για την μετέπειτα εξέλιξή του. Όπως θέτει ο ίδιος ο Pankovic το ζήτημα: να διασπαστεί ή όχι, "που είναι μια άλυτη ερώτηση".
 Να και το σχετικό απόσπασμα στα Αγγλικά :

”Noise had ceased. I’ve slowly come out
To the stage, and leaning at the door,
Try to gasp in echo’s distant sounds
What’s prepared for me in my life’s store.
But, it is defined - the actions order,
And the road’s end cannot be sealed.
I am one, hypocrisy’s all over
To cross life is not to cross field.”
Boris Pasternak, ”Hamlet” (translated by Yevgeny Bonver)

Πηγή: New Scientist   

          Technology Review 
Quantum Hamlet Effect-A New Example

Μετάφραση με δικές μου προσθήκες  : Physics 4u

και λίγη περισσότερη θεωρία . . .

Η Κβαντική Μηχανική (ή Κβαντική Φυσική ή Κβαντομηχανική), είναι αξιωματικά θεμελιωμένη φυσική θεωρία, που αναπτύχθηκε με σκοπό την ερμηνεία φαινομένων που η Νευτώνεια μηχανική αδυνατούσε να περιγράψει. Η κβαντομηχανική περιγράφει τη συμπεριφορά της ύλης στο μοριακό, ατομικό και υποατομικό επίπεδο. Ο όρος κβάντο (quantum, μικρή ποσότητα - προέρχεται από τη λέξη quantus που στα Λατινικά σημαίνει πόσο) αναφέρεται σε διακριτές μονάδες που χαρακτηρίζουν συγκεκριμένες φυσικές ποσότητες, όπως η ενέργεια ενός ατόμου ύλης σε κατάσταση ηρεμίας.
Η κβαντομηχανική είναι μια θεωρία της φυσικής μηχανικής. Θεωρείται πιο θεμελιώδης από την κλασσική μηχανική, καθώς εξηγεί φαινόμενα που η κλασσική μηχανική και η κλασσική ηλεκτροδυναμική αδυνατούν να αναλύσουν, όπως:

1. Την κβάντωση (διακριτοποίηση) πολλών φυσικών ποσοτήτων, όπως για παράδειγμα την κίνηση του ηλεκτρονίου μόνο σε συγκεκριμένες ενεργειακές τροχιές σε ένα άτομο.
2. Τον κυματοσωματιδιακό δυϊσμό, δηλαδή την εκδήλωση, σε ορισμένες περιπτώσεις, κυματικής συμπεριφοράς από σωματίδια ύλης, κυρίως ηλεκτρόνια.
3. Τον κβαντικό εναγκαλισμό, που σχετίζεται με την περιγραφή της κατάστασης ενός συστήματος από επαλληλία καταστάσεων.
4. Το φαινόμενο σήραγγας, χάρη στο οποίο σωματίδια μπορούν να υπερπηδήσουν φράγματα δυναμικού και να βρεθούν σε περιοχές του χώρου απαγορευμένες από την κλασσική μηχανική.

H εξίσωση Σρέντινγκερ ((Γερμανικά)Schrödinger)

 είναι μία διαφορική εξίσωση η οποία προτάθηκε από τον Αυστριακό φυσικό Έρβιν Σρέντινγκερ το 1925, για να περιγράψει τη χρονική και χωρική εξάρτηση κβαντομηχανικών συστημάτων. Παίζει κεντρικό ρόλο στην κβαντομηχανική θεωρία, με σημασία ανάλογη του στην κλασσική μηχανική.

Ο μεγάλος φυσικός Ε. Schrodinger

Ζήνων ο Ελεάτης 

Ο Ζήνων ο Ελεάτης ήταν Ελεατικός φιλόσοφος της Αρχαίας Ελλάδας.
Γιος του Τελευταγόρα και ο αγαπημένος μαθητής του Παρμενίδη. Ο Ζήνων γεννήθηκε γύρω στο 488 π.Χ στην Ελέα (σημερινή Velia) της Ιταλίας.Διάσημο είναι το εξής παράδοξο που αποδίδεται σε αυτόν:
Αν έχουμε έναν αγώνα δρόμου μεταξύ του Αχιλλέα και μιας χελώνας, και η χελώνα ξεκινήσει με προβάδισμα, για παράδειγμα, ενός σταδίου, ο Αχιλλέας (που ήταν ο καλύτερος δρομέας της μυθολογίας), δεν θα μπορέσει ποτέ να φτάσει τη χελώνα. Αν θεωρήσουμε οτι ο Αχιλλέας είναι 100 φορές πιο γρήγορος από τη χελώνα, τότε όταν ο Αχχιλέας θα έχει διανύσει ένα στάδιο, η χελώνα θα έχει διανύσει ένα στάδιο και ένα εκατοστό του σταδίου. Όταν ο Αχιλλέας διανύσει ένα στάδιο και ένα εκατοστό του σταδίου, η χελώνα θα έχει διανύσει ένα στάδιο και ένα εκατοστό και ένα εκατοστό του εκατοστού του σταδίου κ.ο.κ...Επομένως η χελώνα πάντα θα προπορεύεται, επομένως ο Αχιλλέας δε μπορεί να την φτάσει. Με τα παράδοξα του Ζήνωνα ασχολήθηκαν μεγάλοι σύγχρονοι μαθηματικοί και φιλόσοφοι μέχρι και τις μέρες μας.

Πηγή θεωρίας : Wikipedia