Λυπούμαστε Einstein αλλά το σύμπαν χρειάζεται την κβαντική αβεβαιότητα

Drat those fundamental laws (Image: CSU Archv/Everett/Rex Features)

Συγνώμη Αϊνστάιν, αλλά η κβαντομηχανική πάντα θα έχει μέσα της την αβεβαιότητα. Τα ευρήματα ανατρέπουν τις ελπίδες εκείνων που ψάχνουν για μια κβαντική θεωρία με λιγότερη περίεργη συμπεριφορά, η οποία έχει κάνει πολλούς φυσικούς να νιώθουν άβολα, συμπεριλαμβανομένου και του Άλμπερτ Αϊνστάιν.
Παρά το γεγονός ότι η κβαντομηχανική είναι μία από τις πιο επιτυχημένες θεωρίες όλων των εποχών, όσον αφορά την ικανότητά της να εξηγήσει και να προβλέψει διάφορα φαινόμενα, ο κόσμος της ενσωματώνει πολλές αντι-διαισθητικές ιδέες.

Ένα από αυτά είναι η αρχή της αβεβαιότητας, η οποία αναφέρει ότι στον κβαντικό κόσμο είναι αδύνατο να γνωρίζουμε ταυτόχρονα δύο ποσότητες, όπως είναι η θέση και η ορμή ενός σώματος, με απόλυτη ακρίβεια. Όσο περισσότερα γνωρίζετε για τη μία ποσότητα, τόσο λιγότερο μπορείτε να γνωρίζετε την άλλη.

Αυτό αποδεικνύεται σε μια παραλλαγή του διάσημου πειράματος της διπλής σχισμής, όπου μεμονωμένα φωτόνια φαίνεται να περνούν μέσα από δύο σχισμές σε ένα φράγμα ταυτόχρονα, παράγοντας ένα σχέδιο συμβολής σε μια οθόνη που οφείλεται στην ορμή του. Η προσθήκη ενός ανιχνευτή φωτονίων σε κάθε μία από τις δύο σχισμές, όμως, αφαιρεί την αβεβαιότητα για την θέση του φωτονίου, αναγκάζοντας έτσι την ορμή του να είναι πιο αβέβαιη. Κι αυτό καταστρέφει το μοτίβο στην οθόνη.

Ωστόσο, η αποδοχή ότι η αβεβαιότητα που υπάρχει δεν οφείλεται σε μια έλλειψη γνώσης, αλλά υπάρχει λόγω ενός θεμελιώδους νόμου, δεν κάθεται καλά στο στομάχι μερικών φυσικών. Ένας διάσημος διαφωνών ήταν ο Αϊνστάιν, ο οποίος περιφρονούσε την ιδέα ότι θα μπορούσε να είναι το απρόβλεπτο ένα αναπόσπαστο μέρος των φυσικών νόμων που διέπουν το σύμπαν. Ο Oscar Dahlsten, ένας θεωρητικός φυσικός από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, αναφέρει ότι πολλοί άνθρωποι εξακολουθούν διαισθητικά να αισθάνονται ότι η αρχή της αβεβαιότητας δεν θα πρέπει κατά βάθος να ισχύει.

Σε προηγούμενες εποχές οι ερευνητές αναζήτησαν μια λύση μέσω των "κρυμμένων μεταβλητών", οι οποίες μπορεί να δουλεύουν στο παρασκήνιο, κάνοντας τα πράγματα να φαίνονται πιο περίεργα απ ‘ότι πραγματικά είναι. Μέχρι στιγμής, όμως, αυτή η προσέγγιση απέτυχε.

Τώρα ο Stephanie Wehner και η Esther Hänggi στο Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης έχουν αλλάξει πορεία αναδιατυπώνοντας την αρχή της αβεβαιότητας στη γλώσσα της θεωρίας της πληροφορίας.

Πρώτον, δείχνουν ότι οι δύο ιδιότητες ενός απλού αντικειμένου που δεν μπορεί να είναι γνωστές ταυτόχρονα, μπορούν να θεωρηθούν ως δύο ρεύματα πληροφοριών που κωδικοποιούνται στο ίδιο σωματίδιο. Με τον ίδιο τρόπο που δεν μπορείς να ξέρεις την ορμή ενός σωματιδίου και τη θέση του με ένα αυθαίρετα υψηλό επίπεδο ακρίβειας, έτσι μπορείς επίσης να μην αποκωδικοποιείς πλήρως αυτά τα δύο μηνύματα. Αν ανακαλύψετε πώς να διαβάσετε το μήνυμά 1 με μεγάλη ακρίβεια, τότε η ικανότητά σας να αποκρυπτογραφήσετε το μήνυμα 2 περιορίζεται.

Στη συνέχεια οι δύο φυσικοί υπολόγισαν τι θα συμβεί αν χαλαρώσουν τα όρια της αρχής της αβεβαιότητας σε αυτό το σενάριο, επιτρέποντας τα μηνύματα να είναι καλύτερα αποκωδικοποιημένα και επιτρέποντάς σας να έχετε πρόσβαση σε πληροφορίες που δεν θα έπρεπε, όταν θα ήταν σε ισχύ η αρχή της αβεβαιότητας.

Οι Wehner και Hänggi συμπεραίνουν ότι το παραπάνω είναι σαν να παίρνουμε παραπάνω ωφέλιμη ενέργεια ή έργο από ένα σύστημα από όση βάζουμε μέσα, κάτι που απαγορεύεται από το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Κι αυτό ισχύει επειδή απαιτούνται και η ενέργεια και οι πληροφορίες για να παραχθεί έργο από ένα σύστημα.

Δηλαδή, η μη ισχύ της Αρχής Αβεβαιότητας είναι σαν να έχουμε ανακαλύψει μια μηχανή με αέναη κίνηση, η οποία απαγορεύεται από την θερμοδυναμική.

"Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής είναι κάτι που βλέπουμε παντού και ουσιαστικά κανείς δεν τον αμφισβητεί," λέει ο Mario Berta, ένας θεωρητικός φυσικός από το Ελβετικό Ινστιτούτο Τεχνολογίας στη Ζυρίχη, ο οποίος όμως δεν συμμετείχε στη μελέτη. "Τώρα ξέρουμε ότι χωρίς την αρχή της αβεβαιότητας θα μπορούσε να μην ισχύει ο δεύτερος νόμος."

Δεδομένου ότι αυτό θα ήταν πολύ πιο περίεργο από την ίδια την ύπαρξη της αρχής της αβεβαιότητας, βασικά αυτό δικαιώνει την Αρχή της Αβεβαιότητας. «Η εργασία αυτή βοηθάει στο να κατανοήσουμε γιατί ακριβώς η κβαντική θεωρία είναι όπως είναι», υποστηρίζει ο Mario Berta.

Πηγή: New Scientist        Μετάφραση: Physics4u
http://www.newscientist.com/article/mg21428702.100-sorry-einstein-the-universe-needs-quantum-uncertainty.html
 http://arxiv.org/abs/1205.6894v1
 http://www.estherhaenggi.com/