Όταν η Κβαντομηχανική Συνάντησε τη Βαρύτητα — Και ο Αϊνστάιν Είχε Ξανά Δίκιο

Φαντάσου ότι κρατάς ένα μόνο άτομο. Ένα κλάσμα. Και καταφέρνεις να το κάνεις να υπάρχει σε δύο μέρη ταυτόχρονα.

Τρελό; Ναι. Αλλά τα άτομα το κάνουν συνέχεια. Απλά δεν το βλέπουμε.

Τώρα, ρίξ' το κάτω.

Τι γίνεται;

Αυτό ακριβώς δοκίμασαν πρόσφατα κάποιοι φυσικοί. Και η απάντηση που βρήκαν είναι ταυτόχρονα αναμενόμενη και εντελώς συναρπαστική.

Δύο Θεωρίες που Δεν Συμφωνούν

Για να καταλάβεις γιατί έχει σημασία αυτό το πείραμα, πρέπει πρώτα να καταλάβεις γιατί η φυσική βρίσκεται σε μια κρίση εδώ και σχεδόν έναν αιώνα.

Από τη μία μεριά είναι η κβαντομηχανική — η θεωρία που περιγράφει πώς συμπεριφέρονται τα άτομα και τα μικροσκοπικά σωματίδια. Είναι παράξενη, είναι αντιδιαισθητική, αλλά δουλεύει. Τα σωματίδια μπορούν να είναι σε πολλές καταστάσεις ταυτόχρονα. Μπορούν να περάσουν μέσα από τοίχους. Ο ίδιος ο Αϊνστάιν την έλεγε "στοιχειωμένη δράση από απόσταση".

Από την άλλη είναι η γενική σχετικότητα — η θεωρία του Αϊνστάιν για τη βαρύτητα. Εξηγεί γιατί πέφτουν τα πράγματα, πώς περιστρέφονται οι πλανήτες, γιατί ο χρόνος κυλάει διαφορετικά αν κινείσαι γρήγορα ή αν είσαι κοντά σε κάτι βαρύ. Είναι κομψή, έχει επιβεβαιωθεί χιλιάδες φορές.

Το πρόβλημα; Αυτές οι δύο θεωρίες δεν τα πάνε καλά μεταξύ τους.

Φαντάσου δύο φίλους που είναι εξαιρετικοί χωριστά, αλλά όταν τους βάλεις μαζί στο ίδιο δωμάτιο, γίνεται χαμός. Οι φυσικοί προσπαθούν να τις ενώσουν εδώ και σχεδόν εκατό χρόνια. Καμία τύχη.

Τι Ακριβώς Έκαναν Οι Επιστήμονες

Το πείραμα δημοσιεύτηκε στο Science Advances και η ομάδα περιλάμβανε ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Μπεν-Γκουριόν του Νεγκέβ, το Πανεπιστήμιο του Ουλμ και το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης. Μαζί τους ήταν και ο θρυλικός Ρότζερ Πενροουζ — νομπελίστας φυσικός.

Αυτό που έφτιαξαν ονομάζεται Κβαντικό Ιντερφερόμετρο Γαλιλαίου. Πολλά μεγάλα λόγια, αλλά η ουσία είναι απλή:

Πήραν σύννεφα ατόμων ρουβιδίου — παγωμένα σχεδόν στο απόλυτο μηδέν — και χώρισαν το κβαντικό κύμα κάθε ατόμου σε δύο διαφορετικές διαδρομές.

Η μία διαδρομή έμενε στη θέση της, αιωρούμενη με μαγνητικά πεδία.

Η άλλη έπεφτε ελεύθερα, σαν μια μπάλα που την πετάς ψηλά.

Και μετά — εδώ είναι το ωραίο — τις έφερναν πίσω μαζί και παρατηρούσαν πώς αλληλεπιδρούσαν τα κύματα.

Φαντάσου ότι ρίχνεις δύο βότσαλα σε μια λίμνη με μικρή χρονική διαφορά και βλέπεις τα κυματισμούς να συναντιούνται. Η διαφορά στα κύματα σου λέει τι συνέβη σε κάθε βότσαλο κατά τη διάρκεια της πτώσης.

Η Αρχή της Ισοδυναμίας Πάει Κβαντική

Εδώ μπαίνει ξανά ο Αϊνστάιν στην ιστορία.

Η αρχή της ισοδυναμίας είναι θεμελιώδης για τη θεωρία της βαρύτητας. Η βασική ιδέα: η βαρύτητα και η επιτάχυνση είναι αδιαχώριστες. Αν είσαι σε ένα κλειστό δωμάτιο, δεν μπορείς να καταλάβεις αν νιώθεις βάρος επειδή στέκεσαι στη Γη ή επειδή το δωμάτιο επιταχύνεται στο διάστημα. Κάποιος σε ελεύθερη πτώση αισθάνεται ανασφάλεια — μηδέν βάρος — ανεξάρτητα από τη μάζα του.

Αυτή η αρχή έχει ελεγχθεί ξανά και ξανά με κανονικά αντικείμενα. Πάντα λειτουργεί.

Αλλά εδώ είναι το ερώτημα που έθεσαν οι επιστήμονες: Ισχύει ακόμα όταν το αντικείμενό σου δεν βρίσκεται σε ένα μόνο σημείο; Όταν είναι ένα κβαντικό κύμα που υπάρχει σε υπέρθεση, ακολουθώντας δύο διαδρομές ταυτόχρονα;

Αυτό είναι που κάνει το πείραμα ξεχωριστό. Δεν έριχναν απλά μια μπάλα. Έριχναν κάτι που, μεταφορικά, υπήρχε σε δύο μέρη ταυτόχρονα.

Και η απάντηση; Ναι.

Η κβαντική φάση που μέτρησαν — η κβαντική "υπογραφή" που άφησε το πέφτον κύμα — ταίριαζε ακριβώς με την πρόβλεψη που θα έκανες αν εφάρμοζες την αρχή ισοδυναμίας του Αϊνστάιν σε ένα κβαντικό αντικείμενο.

Γιατί Πρέπει να Να Να Σε Νοιάζει;

Εντάξει, κάποιοι επιστήμονες έριξαν άτομα σε μια περίτεχνη διάταξη και ο Αϊνστάιν αποδείχθηκε σωστός. Τι μεγάλο πράγμα;

Αλλά έχει σημασία. Πολύ μεγάλη.

Δεν έχουμε ακόμα μια θεωρία που να ενώνει την κβαντομηχανική με τη βαρύτητα. Υπάρχουν υποψήφιες — θεωρία χορδών, κβαντική βαρύτητα βρόχων — αλλά κανείς δεν έχει καταφέρει να λύσει το πρόβλημα. Ένας λόγος είναι ότι δεν έχουμε καλά πειραματικά δεδομένα για το τι συμβαίνει στο σημείο όπου συναντιούνται αυτές οι δύο θεωρίες.

Αυτό το πείραμα μας δίνει την πρώτη ματιά σε αυτό το έδαφος. Είναι σαν να καταφέρνουμε επιτέλους να βάλουμε τους δύο μαλωμένους φίλους στο ίδιο δωμάτιο και να παρατηρούμε προσεκτικά πώς αλληλεπιδρούν.

Ο καθηγητής Ρον Φόλμαν, που ηγήθηκε της έρευνας, είπε: "Αυτό είναι ένα μοναδικό άρθρο, που συνδυάζει ένα δύσκολο πείραμα με μια θεωρητική ερμηνεία μεγάλης εμβέλειας, για ένα από τα πιο θεμελιώδη ερωτήματα της φυσικής."

Ο καθηγητής Βλάτκο Βέντραλ από την Οξφόρδη πρόσθεσε: "Αυτό το πείραμα ωθεί την κβαντομηχανική σε ένα από τα πιο συναρπαστικά μέτωπά της — τη βαρύτητα — και δείχνει ότι..."

Η φράση κόπηκε, αλλά μπορούμε να μαντέψουμε πού πήγαινε. Δείχνει ότι η κβαντομηχανική δεν καταρρέει όταν μπαίνει στο παιχνίδι η βαρύτητα. Τουλάχιστον όχι σε αυτό το καθεστώς.

Τι Σημαίνει Αυτό για το Μέλλον

Δεν πρόκειται να ισχυριστώ ότι αυτό το πείραμα έλυσε τα πάντα. Έχουμε ακόμα πολύ δρόμο μέχρι μια ενοποιημένη θεωρία του παντός.

Αλλά πειράματα σαν αυτό είναι τα ψίχουλα που μπορεί κάποτε να μας οδηγήσουν εκεί.

Κάθε φορά που σπρώχνουμε τα όρια μεταξύ κβαντικού και κλασικού, μεταξύ μικρού και μεγάλου, μαθαίνουμε κάτι καινούργιο. Και μέχρι στιγμής, το σύμπαν μας λέει ότι και οι δύο "καλύτερες" θεωρίες μας έχουν περισσότερη αλήθεια από ό,τι μερικές φορές θέλουμε να παραδεχτούμε — ακόμα κι όταν βρίσκονται στο ίδιο δωμάτιο.

Οπότε, την επόμενη φορά που κάποιος σου πει ότι η φυσική τα έχει όλα καταλάβει, θύμισέ του ότι ακόμα δεν μπορούμε να κάνουμε τον Αϊνστάιν και την κβαντομηχανική να παίξουν ωραία μαζί.

Αλλά hey — τουλάχιστον τώρα ξέρουμε ότι θέλουν να είναι στο ίδιο δωμάτιο.

Πηγή: ScienceDaily