Η Κβαντομηχανική της Τύχης
Ο αντικειμενικός κόσμος απλώς είναι , δεν συμβαίνει », έγραψε ο μαθηματικός και φυσικός Hermann Weyl το 1949. Από την άποψή του, το σύμπαν είναι διατεταγμένο στο χρόνο με την ίδια βεβαιότητα όπως είναι διατεταγμένο στο διάστημα. Ο χρόνος δεν περνά, και το παρελθόν και το μέλλον είναι τόσο αληθινά όσο και το παρόν. Εάν η κοινή λογική σας επαναστατεί εναντίον αυτής της ιδέας, είναι πιθανώς για έναν μόνο λόγο:το βέλος της αιτιότητας. Γεγονότα στο παρελθόν προκαλούν γεγονότα στο παρόν που προκαλούν γεγονότα στο μέλλον. Εάν ο χρόνος είναι πραγματικά σαν το διάστημα, τότε τα γεγονότα από το μέλλον δεν πρέπει να επηρεάσουν το παρόν και το παρελθόν;
Πραγματικά μπορεί. Φυσικοί τόσο διάσημοι όσο ο John Wheeler, ο Richard Feynman, ο Dennis Sciama και ο Yakir Aharonov έχουν υποθέσει ότι η αιτιότητα είναι ένα βέλος δύο κεφαλών και το μέλλον μπορεί να επηρεάσει το παρελθόν. Σήμερα, ο κορυφαίος υποστηρικτής αυτής της θέσης είναι ο Huw Price, φιλόσοφος του Πανεπιστημίου του Cambridge που ειδικεύεται στη φυσική του χρόνου. «Η απάντηση στην ερώτηση «Θα μπορούσε ο κόσμος να είναι τέτοιος ώστε να έχουμε περιορισμένο έλεγχο στο παρελθόν», λέει ο Πράις, «είναι ναι». Επιπλέον, ο Price και άλλοι υποστηρίζουν ότι τα στοιχεία για έναν τέτοιο έλεγχο μάς κοιτάζουν επίμονα για περισσότερο από μισό αιώνα.
Αυτά τα στοιχεία, λένε, είναι κάτι που ονομάζεται εμπλοκή, ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα της κβαντικής μηχανικής. Η λέξη «μπλέξιμο» έχει την ίδια χροιά με μια ρομαντική διαπλοκή:μια ιδιαίτερη και δυνητικά ενοχλητική σχέση. Τα μπλεγμένα σωματίδια ξεκινούν σε κοντινή απόσταση όταν παράγονται στο εργαστήριο. Στη συνέχεια, όταν χωρίζονται, συμπεριφέρονται σαν ένα ζευγάρι μαγικά ζάρια. Μπορείτε να "κυλήσετε" το ένα στο Λας Βέγκας (ή να κάνετε μια μέτρηση σε αυτό), ο φίλος σας μπορεί να κυλήσει το άλλο στο Atlantic City, N.J., και κάθε ζάρι θα προσγειωθεί σε μια τυχαία πλευρά. Αλλά όποιες κι αν είναι αυτές οι δύο πλευρές, θα έχουν μια σταθερή σχέση μεταξύ τους:Θα μπορούσαν να είναι πανομοιότυπες, για παράδειγμα, ή να διαφέρουν πάντα κατά μία. Εάν είδατε ποτέ αυτό να συμβαίνει, μπορεί να υποθέσετε ότι τα ζάρια φορτώθηκαν ή διορθώθηκαν πριν ρίξουν. Αλλά κανένα στραβό ζάρι δεν θα μπορούσε να συμπεριφερθεί με αυτόν τον τρόπο. Άλλωστε, το Atlantic City die αλλάζει συμπεριφορά ανάλογα με το τι συμβαίνει με το ζάρι του Λας Βέγκας και αντίστροφα, ακόμα κι αν τα ρίξετε την ίδια στιγμή.
Η τυπική ερμηνεία της εμπλοκής είναι ότι υπάρχει κάποιο είδος στιγμιαίας επικοινωνίας που συμβαίνει μεταξύ των δύο σωματιδίων. Οποιαδήποτε επικοινωνία μεταξύ τους θα έπρεπε να διανύσει την ενδιάμεση απόσταση ακαριαία - δηλαδή, απείρως γρήγορα. Αυτό είναι ξεκάθαρα ταχύτερο από το φως, μια ταχύτητα επικοινωνίας που απαγορεύεται από τη θεωρία της σχετικότητας. Σύμφωνα με τον Αϊνστάιν, τίποτα απολύτως δεν πρέπει να μπορεί να το κάνει αυτό, με αποτέλεσμα να πιστεύει ότι κάποια νέα φυσική πρέπει να λειτουργεί, πέρα από το πεδίο της ίδιας της κβαντικής μηχανικής.
Ας υποθέσουμε ότι δεν συμβαίνει ότι τα σωματίδια (ή τα ζάρια) επικοινωνούν ακαριαία μεταξύ τους, και επίσης δεν ισχύει ότι οι τιμές τους είχαν καθοριστεί εκ των προτέρων. Φαίνεται ότι δεν έχουν απομείνει επιλογές. Αλλά εδώ ο Price μας ζητά να εξετάσουμε το αδύνατο:ότι το να κάνουμε κάτι σε κάποιο από τα μπερδεμένα σωματίδια προκαλεί αποτελέσματα που ταξιδεύουν προς τα πίσω στο χρόνο στο σημείο στο παρελθόν όταν τα δύο σωματίδια ήταν κοντά και αλληλεπιδρούν έντονα. Σε εκείνο το σημείο, ανταλλάσσονται πληροφορίες από το μέλλον, κάθε σωματίδιο αλλάζει τη συμπεριφορά του συντρόφου του και αυτά τα αποτελέσματα στη συνέχεια μεταφέρονται ξανά στο μέλλον. Δεν υπάρχει ανάγκη για στιγμιαία επικοινωνία, ούτε παραβίαση της σχετικότητας.
Με την πρώτη ματιά, αυτή η ερμηνεία της εμπλοκής αντικαθιστά μια ενοχλητική συμπεριφορά - στιγμιαία επικοινωνία σε αυθαίρετες αποστάσεις - με μια άλλη - πληροφορίες που ταξιδεύουν προς τα πίσω στο χρόνο. Πρέπει όμως να μας προβληματίζει η ιδέα των πληροφοριών από το μέλλον που ταξιδεύουν στο παρελθόν; Εξάλλου, μαθηματικά, η εμπλοκή στο χρόνο είναι πανομοιότυπη με την εμπλοκή στο διάστημα και δεν έχουμε κανένα ενδοιασμό με τις πληροφορίες που ταξιδεύουν προς όλες τις κατευθύνσεις στο διάστημα.
Για να σκεφτείτε αυτό το πρόβλημα, σκεφτείτε το πιο πεζό από τα αντικείμενα:ένα ραβδί από φρυγανιές. Το ραβδί θα λυγίσει ή θα κουμπώσει, ανάλογα με την πίεση που ασκείτε και στα δύο άκρα. Φανταστείτε τώρα ένα μπαστούνι με ραβδί, του οποίου τα άκρα είναι χωρισμένα στο χρόνο και όχι στο χώρο. Θα πρέπει να ισχύει η ίδια λογική:Το τι θα συμβεί στη μέση του ραβδιού θα εξαρτηθεί από την κατάσταση σε κάθε άκρο. Για τα μπερδεμένα σωματίδια, τα τελικά σημεία τυχαίνει να είναι στο χρόνο. Στο ένα άκρο είναι η στιγμή που δημιουργήθηκαν το ένα δίπλα στο άλλο στο εργαστήριο και στο άλλο άκρο είναι η στιγμή που απέχουν πολύ και γίνεται μέτρηση. Η συμπεριφορά τους σε κάποια ενδιάμεση στιγμή εξαρτάται από πληροφορίες που ρέουν τόσο από το παρελθόν όσο και από το μέλλον.
Όπως συμβαίνει με πολλά άλλα στην κβαντική μηχανική, αυτή η έννοια της αναδρομικής αιτιότητας είναι περιορισμένη σε εύρος. Μόνο σε ορισμένες περιπτώσεις μπορούμε να δούμε το μέλλον να επηρεάζει το παρελθόν. Αν και μεμονωμένες διεργασίες σωματιδίων μπορούν να κινηθούν προς τα πίσω ή προς τα εμπρός στο χρόνο, το σύμπαν ως σύνολο είναι λοξό προς την κατεύθυνση προς τα εμπρός, επειδή το παρελθόν του καταληκτικού σημείου ήταν πολύ διατεταγμένο και το μελλοντικό του τελικό σημείο είναι πολύ διαταραγμένο. Η θνησιμότητα μας είναι αυτή η ασυμμετρία στον μικρόκοσμο.
Το ίδιο είναι και η αίσθηση του χρόνου και, κατ' επέκταση, της ελεύθερης βούλησης. Έχουμε την αίσθηση ότι το παρελθόν είναι σταθερό γιατί έχουμε αρχεία για αυτό, που δημιουργήθηκαν καθώς το σύμπαν γλίστρησε από τις πολύ διατεταγμένες απαρχές του προς ένα πιο βρώμικο μέλλον. Δεν έχουμε τέτοια ρεκόρ για το μέλλον. Στην πραγματικότητα, θα μπορούσατε να ορίσετε το μέλλον ως «αυτό που δεν γνωρίζουμε». Και ένα από τα πολλά πράγματα που δεν γνωρίζουμε για το μέλλον είναι τι θα κάνουμε εμείς οι ίδιοι σε αυτό. Αυτή τη γνώση αποκτούμε μόνο με την πράξη της ζωής. Οι αποφάσεις μας μπορεί να είναι προκαθορισμένες, αλλά πρέπει ακόμα να περάσουμε από τους ρυθμούς, και αυτό είναι που δίνει νόημα στη θέλησή μας.
Αλλά σε κβαντικό επίπεδο, ο χρόνος γίνεται ασαφής. Η αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg μας κάνει να έχουμε τόσο λίγη γνώση για ορισμένα γεγονότα του παρελθόντος όσο και για μελλοντικά. Με μια βαθιά έννοια, αυτά τα γεγονότα δεν είναι πραγματικά «παρελθόν» για εμάς επειδή δεν ξέρουμε τι συνέβη—βρίσκονται στο ανοιχτό «μέλλον». Επομένως, είναι συνεπές να περιμένουμε ότι μπορούμε να επηρεάσουμε αυτά τα γεγονότα του παρελθόντος. Η κβαντομηχανική επαναπροσδιορίζει τη γραμμή μεταξύ άγνοιας και γνώσης, και επομένως μεταξύ μέλλοντος και παρελθόντος.
Αλλά ο έλεγχός μας στο παρελθόν είναι πολύ περιορισμένος - όπως πρέπει να είναι, αν το σύμπαν θέλει να αποφύγει την έκρηξη σε ένα μεγάλο λογικό παράδοξο. Η κβαντική μηχανική έχει ρυθμιστεί για να σας αρνηθεί αυτήν την επιρροή. Δημιουργεί μια δίνη στο ποτάμι του χρόνου, αλλά μόνο μια μικρή.
Οι σκεπτικιστές της αναδρομικής αιτιότητας παραπονιούνται, όχι ότι η αναδρομική αιτιότητα είναι περίεργη—όλα Οι επιλογές για την εξήγηση της διαπλοκής είναι — αλλά ότι οι υποστηρικτές δεν έχουν ακόμη εμπλουτίσει τις ιδέες τους σε μια ολοκληρωμένη θεωρία. «Δεν μπορείς απλά να πάρεις την κβαντική μηχανική ως έχει και να πεις, «θα την ερμηνεύσω αναδρομικά», λέει ο David Wallace, φιλόσοφος του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης. «Πρέπει να βρείτε μια αναδρομική, εμπειρικά ισοδύναμη εναλλακτική της κβαντικής μηχανικής. Και αυτό δεν έγινε».
Οι υποστηρικτές αποδέχονται αυτή την κριτική. «Όσοι από εμάς θέλουν να διερευνήσουν την αναδρομική αιτιότητα πρέπει να βρουν τα αγαθά», λέει ο Matt Leifer, ένας φυσικός στο Ινστιτούτο Perimeter. «Το γεγονός ότι δεν το παίρνουν όλοι σοβαρά αυτή τη στιγμή, νομίζω ότι δεν έχουν δίκιο». Ένα από τα πιο ανεπτυγμένα αναδρομικά μοντέλα είναι η λεγόμενη συναλλακτική ερμηνεία που αναπτύχθηκε από τον φυσικό John Cramer του Πανεπιστημίου της Ουάσιγκτον. Σύμφωνα με τον Cramer, κάθε γεγονός στέλνει ένα κύμα που διαδίδεται τόσο προς τα εμπρός όσο και προς τα πίσω στο χρόνο, συνδέοντας τη μέτρηση ενός σωματιδίου με την προηγούμενη προετοιμασία του, αλλά ακυρώνοντας σε άλλες θέσεις του χωροχρόνου. Αλλά ακόμη και αυτή η εικόνα, λέει ο Wallace, είναι απλώς «ένα σκίτσο ιδεών». Δεν υπάρχει πλήρες μοντέλο για την αναδρομική αιτιότητα.
Αλλά ακόμα κι αν δεν υπάρχει η αναδρομική αιτιότητα, έχει εμπνεύσει νέα σκέψη για την κβαντική φυσική. Για παράδειγμα, παλαιότερα ήταν ένα άρθρο πίστης ότι κανένα σωματίδιο δεν μπορεί να μετρηθεί χωρίς να το διαταράξει, αλλά μελετώντας αναδρομικά μοντέλα παρόμοια με του Cramer, ο Yakir Aharonov και οι συνεργάτες του βρήκαν μια τεχνική για «αδύναμη μέτρηση». Συνειδητοποίησαν ότι μπορείτε να διερευνήσετε ένα κβαντικό σύστημα τόσο απαλά που τα αποτελέσματα της ανίχνευσης χάνονται στην εγγενή αβεβαιότητα του συστήματος, ωστόσο μπορείτε ακόμα να ανακτήσετε χρήσιμες πληροφορίες εξετάζοντας επαναλαμβανόμενες δοκιμές. Ο Aharonov και οι συνάδελφοί του έχουν χρησιμοποιήσει αυτήν την τεχνική σε πειράματα, τα οποία λένε ότι παρέχει αποδείξεις αναδρομικής αιτιότητας—αλλά δεν χρειάζεται να αγοράσετε την αναδρομική αιτιότητα για να χρησιμοποιήσετε αυτήν την τεχνική.
Άλλοι ερευνητές χρησιμοποιούν την αναδρομική αιτιότητα για να εξηγήσουν τα υπάρχοντα αποτελέσματα. Για παράδειγμα, ο συνεργάτης του Price, ο θεωρητικός φυσικός Ken Wharton του San José State University, υποστηρίζει ότι η αναδρομική αιτιότητα είναι ένας φυσικός τρόπος για να κατανοήσουμε μια διαδικασία γνωστή ως απογοητευμένη αυθόρμητη εκπομπή. Ένα άτομο που κανονικά εκπέμπει φως θα σταματήσει να εκπέμπει όταν το περιβάλλον του γίνει ανίκανο να απορροφήσει αυτό το φως. Επομένως, ένα γεγονός (εκπομπή) εξαρτάται από κάτι που συμβαίνει ή δεν συμβαίνει στο μέλλον (απορρόφηση). «Αυτό είναι ένα από τα παραδείγματα ενός σωματιδίου που διερευνά το μέλλον και βλέπει τι υπάρχει, και στη συνέχεια παίρνει μια απόφαση με βάση αυτό και απλώς δεν αποσυντίθεται», λέει ο Wharton. "Είναι δύσκολο να γίνει κατανοητό σε ένα αιτιολογικό μοντέλο."
Τα αναδρομικά μοντέλα ανάγκασαν τους φυσικούς να επανεξετάσουν τα μακροχρόνια ταμπού. Αποδίδοντας έναν ρόλο για μελλοντικά γεγονότα στο παρόν, ενώνει μια γραμμή σκέψης που εκτείνεται στον Πλάτωνα και τον Αριστοτέλη. Υποστήριξαν ότι η φύση, όπως και ο άνθρωπος, είναι οργανωμένη γύρω από τελικούς σκοπούς και στόχους. Όπως ο σκοπός του φούρναρη είναι να ψήσει, ο σκοπός της σταγόνας της βροχής είναι να πέσει και του σπόρου να μεγαλώσει σε δέντρο. Αυτές οι λεγόμενες τελεολογικές προσεγγίσεις έπεσαν έξω από το επιστημονικό ρεύμα όταν ο Νεύτωνας και οι σύγχρονοί του απέδειξαν ότι μπορούσες να προβλέψεις το μέλλον των φυσικών αντικειμένων χρησιμοποιώντας μόνο τις παρούσες συνθήκες. Δεν υπήρχε σαφής ρόλος για το μέλλον, ή ανάγκη για αυτό. Με την αναδρομική αιτιότητα, η φυσική μπορεί να αναγκάζει μια πολύ παλιά ιδέα να επιστρέψει στη συζήτηση.
Ο George Musser είναι συγγραφέας στη φυσική και την κοσμολογία και συγγραφέας του The Complete Idiot's Guide to String Theory. Ήταν ανώτερος συντάκτης στο Scientific American για 14 χρόνια και έχει κερδίσει τέτοιες διακρίσεις όπως το American Institute of Physics Science Writing Award.
