Γιατί η γάτα του Schrödinger δεν είναι ποτέ και ζωντανή και νεκρή;

Ξέρεις αυτή την έκφραση που κάνει κάποιος όταν του μιλάς για κβαντομηχανική για πρώτη φορά; Τα μάτια του μεγαλώνουν, συνοφρυώνεται, και σχεδόν τον βλέπεις να αναρωτιέται αν πέρασε πολύ χρόνο διαβάζοντας επιστημονική φαντασία.

Ναι, μου συμβαίνει συχνά κι εμένα.

Αλλά η αλήθεια είναι ότι η κβαντομηχανική είναι πραγματικά περίεργη. Πολύ περίεργη. Και το γεγονός ότι στον κόσμο μας αυτές οι παράξενες κβαντικές ιδιότητες φαίνεται να... εξαφανίζονται... είναι ένα από τα μεγαλύτερα αινίγματα της φυσικής.

Η γάτα που ξεκίνησε τα πάντα

Ας θυμηθούμε την άτυχη γάτα του Schrödinger. Πιθανώς θυμάσαι την ιδέα — ο Αυστριακός φυσικός Erwin Schrödinger σκέφτηκε ένα νοητικό πείραμα όπου μια γάτα μέσα σε κλειστό κουτί είναι ταυτόχρονα ζωντανή και νεκρή, μέχρι να ανοίξουμε το κουτί να δούμε.

Είναι μια απλοποίηση (ο Schrödinger στην πραγματικότητα το χρησιμοποίησε για να κριτικάρει κάποιες ερμηνείες της κβαντομηχανικής), αλλά πιάνει κάτι αληθινό. Τα σωματίδια μπορούν να υπάρχουν σε συνδυασμούς καταστάσεων που ονομάζονται «υπερθέσεις». Φαντάσου μια περιστρεφόμενη δεκάρα — είναι κάτι ανάμεσα σε κορώνα και γράμματα, αλλά πολύ πιο περίεργο.

Αλλά εδώ είναι το ερώτημα: αν άτομα και σωματίδια μπορούν να είναι σε αυτές τις παράξενες υπερθέσεις, γιατί δεν μπορεί μια γάτα; Γιατί δεν μπορούμε εμείς; Γιατί όλη αυτή η κβαντική παράξενη συμπεριφορά φαίνεται να εξαφανίζεται όταν πάμε στον κόσμο που βιώνουμε καθημερινά;

Όταν η κβαντική παράξενότητα σβήνει

Οι φυσικοί έχουν έναν όρο για αυτό το σβήσιμο: αποσυνοχή (decoherence). Είναι η διαδικασία όπου οι κβαντικές ιδιότητες ξεπλένονται σταδιακά καθώς τα συστήματα αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους. Αλλά εδώ υπάρχει μια δυσάρεστη αλήθεια — κανείς δεν καταλαβαίνει πλήρως γιατί και πώς συμβαίνει αυτό.

Μια ιδέα που κυκλοφορεί εδώ και δεκαετίες αφορά την ίδια τη βαρύτητα. Η σκέψη είναι η εξής: ίσως η γενική σχετικότητα του Einstein — η θεωρία του για το πώς λειτουργεί η βαρύτητα — δημιουργεί μικροσκοπικές, αναπόφευκτες δονήσεις στον ιστό του χωροχρόνου. Αυτές οι μικρές διακυμάνσεις θα μπορούσαν να ταρακουνούν σταδιακά τις κβαντικές υπερθέσεις μέχρι να διαλυθούν.

Είναι μια αρκετά διαισθητική ιδέα, ειλικρινά. Η βαρύτητα είναι παντού, σωστά; Επηρεάζει τα πάντα. Οπότε ίσως είναι αυτή η αιτία που η κβαντική παράξενότητα εξαφανίζεται στην κλίμακά μας.

Το πείραμα

Λοιπόν, μια ομάδα ερευνητών μόλις έκανε ένα πείραμα για να δοκιμάσει αυτή την ιδέα. Και πού το έκαναν; Βαθιά подземά. Πολύ βαθιά подземά.

Το εργαστήριο INFN Gran Sasso στην Ιταλία βρίσκεται κάτω από περίπου 1,4 χιλιόμετρα βράχου. Είναι περίπου το βάθος που χρειάζεσαι για να γλιτώσεις από το μεγαλύτερο μέρος της ακτινοβολίας που μας βομβαρδίζει από το διάστημα κάθε δευτερόλεπτο. Είναι ένα από τα πιο ήσυχα μέρη στη Γη για ευαίσθητα πειράματα φυσικής.

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν έναν ανιχνευτή φτιαγμένο γύρω από ένα κομμάτι κρύσταλλο γερμανίου — περίπου στο μέγεθος ενός φλιτζανιού καφέ. Τον προστάτευσαν με στρώσεις χαλκού και μολύβδου, δημιουργώντας ουσιαστικά ένα μικρό καταφύγιο φυσικής.

Η ιδέα πίσω από το πείραμα ήταν έξυπνη: αν ο χωροχρόνος έχει αυτές τις μικροσκοπικές διακυμάνσεις όπως προβλέπεται, θα προκαλούσαν σωματίδια με ηλεκτρικό φορτίο να τρέμουν και να εκπέμπουν αμυδρά ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Αυτή η ακτινοβολία θα έπρεπε να είναι ανιχνεύσιμη — απλά πολύ, πολύ ασθενική.

Οπότε περίμεναν. Παρακολουθούσαν. Συνέλεξαν δεδομένα για 62 συνεχείς ημέρες, υπολογίζοντας προσεκτικά κάθε αναμενόμενο υπόβαθρο ακτινοβολίας.

Τι βρήκαν;

Τίποτα.

Τίποτα μπορεί να είναι κάτι

Τώρα, ξέρω τι σκέφτεσαι. «Δεν βρήκαν τίποτα; Απογοητευτικό.»

Αλλά περίμενε — αυτό είναι στην πραγματικότητα σημαντικό. Όταν κάνεις θεμελιώδη φυσική, ο αποκλεισμός λανθασμένων ιδεών είναι εξίσου σημαντικός με την ανακάλυψη νέων. Σκέψου το σαν να κάνεις debug κώδικα, αλλά ο κώδικας είναι το σύμπαν και προσπαθούμε να καταλάβουμε ποιες μαθηματικές οδηγίες ακολουθεί.

Βρίσκοντας κανένα σήμα, η ομάδα απέκλεισε ουσιαστικά ένα από τα παλαιότερα και πιο φυσικά μοντέλα βαρυτικής αποσυνοχής. Το μοντέλο Károlyházy — που προτάθηκε στη δεκαετία του 1960 — μόλις περιορίστηκε σημαντικά από πειραματικά δεδομένα.

«Κάθε προσέγγιση κβαντικής βαρύτητας καταλήγει να προβλέπει την ύπαρξη ενός ελάχιστου μήκους που συνδέεται με την αβεβαιότητα στη μέτρηση του χωροχρόνου», εξήγησε ο Kristian Piscicchia, ένας από τους ερευνητές του project. Αυτό το πείραμα βοηθά να περιοριστεί ποιες από αυτές τις προσεγγίσεις μπορεί να περιγράφουν πραγματικά τον κόσμο.

Τι σημαίνει αυτό;

Εδώ είναι η δική μου άποψη: η φυσική είναι πιο συναρπαστική όταν αποκλείει δυνατότητες. Δεν ψηλαφίζουμε στο σκοτάδι — αφαιρούμε μεθοδικά τις λάθος κατευθύνσεις. Και αυτό μας φέρνει πιο κοντά στη σωστή απάντηση, ακόμα κι όταν δεν την έχουμε βρει ακόμα.

Το μυστήριο γιατί οι κβαντικές ιδιότητες εξαφανίζονται στον μακροσκοπικό μας κόσμο παραμένει άλυτο. Αλλά τώρα ξέρουμε ότι μια συγκεκριμένη εκδοχή της βαρυτικής εξήγησης δεν είναι σωστή. Η αναζήτηση συνεχίζεται, αλλά είναι πιο στενή πλέον.

Όπως είπε η Catalina Curceanu, μία από τις επικεφαλής ερευνήτριες: «Αυτή η απουσία σήματος είναι από μόνη της ένα σημαντικό επιστημονικό αποτέλεσμα.»

Δεν μπορώ παρά να συμφωνήσω. Η επιστήμη δεν αφορά πάντα την εύρεση νέων πραγμάτων — μερικές φορές είναι να λες με σιγουριά «όχι, όχι αυτό». Και αυτό ακριβώς συνέβη εδώ.

Οπότε την επόμενη φορά που κάποιος θα σε ρωτήσει για τη γάτα του Schrödinger, πες του: σιγά-σιγά, μεθοδικά, καταλαβαίνουμε γιατί αυτή η γάτα είναι πάντα είτε ζωντανή είτε νεκρή, ποτέ και τα δύο. Και το κάνουμε αποκλείοντας τις λάθος εξηγήσεις, ένα πείραμα τη φορά.

Αρκετά δροσερό, έτσι δεν είναι;