Κβαντομηχανική: έννοιες και ερμηνευτικά ρεύματα

3) Η απροσδιοριστία

Heisenberg αρχή απροσδιοριστίας

Ο δυισμός κύματος - σωματιδίου που προέκυψε από τα φαινόμενα κβάντωσης της ενέργειας και των φαινομένων συμβολής, γρήγορα συσχετίστηκε από τον Heisenberg με την απροσδιοριστία. Ο Heisenberg έκανε την συσχέτιση αυτή μέσα από μια σειρά αφηρημένων μαθηματικών συλλογισμών. Θεμέλιό τους ήταν η σκέψη ότι η κυματοσυνάρτηση ψ περιγράφει κάθε μια από τις υπερθέσεις, χωρίς να μπορούμε να διευκρινίσουμε ποια από όλες θα συναντήσουμε κατά την εκτέλεση των πειραμάτων μας. Έτσι στο σημείο αυτό εισέρχεται η απροσδιοριστία.

αρχή απροσδιοριστίας

Η απροσδιοριστία αυτή είναι εγγενές χαρακτηριστικό του κβαντικού κόσμου. Το ερώτημα είναι αν η απροσδιοριστία είναι θέμα επιστημολογικό (δηλαδή αντανακλά τις γνωστικές δυνατότητες και περιορισμούς του ανθρώπου), αν είναι θέμα τεχνολογικό (και αντανακλά τεχνολογικές δυνατότητες και περιορισμούς του ανθρώπου), ή εντέλει είναι οντολογικής φύσης (δηλαδή ένα κβαντικό σωματίδιο «δεν μπορεί» να κατέχει ταυτόχρονα συγκεκριμένη θέση και ταχύτητα ώστε να μην έχει νόημα ο ακριβής προσδιορισμός τους ή ο ακριβής προσδιορισμός των άλλων μεγεθών).

Ακούμε συχνά να λέγεται ότι η θέση ενός σωματιδίου «παίζει», γιατί καθώς πάμε να το εντοπίσουμε, το ενοχλούμε λίγο. Αυτό υπονοεί ότι αν δεν πάμε να το εντοπίσουμε τότε αυτό θα έχει μια σαφή θέση. Αυτή η ερμηνεία προέρχεται από μια θετικιστική κοσμοθεωρητική στάση που έρχεται σε αντίθεση με φαινόμενα που μας υποδεικνύουν ότι η απροσδιοριστία δεν είναι τεχνικής φύσης, αλλά οντολογικής. Αν οι Bohr και Heisenberg κατανοούσαν την αρχή θετικιστικά ήταν λόγω της έλλειψης πειραματικών δεδομένων που υπάρχουν σήμερα και καθιστούν μια τέτοια προσέγγιση ανεπαρκή. Τα τσιπ πυριτίου λειτουργούν χάρις στην οντολογική διάσταση της απροσδιοριστίας και τα φαινόμενα σήραγγος που αυτή συνεπάγεται.

Η εξίσωση Schrödinger, όσον αφορά σε ένα μονωμένο σωματίδιο, είναι αρκετά απλή και μπορεί να επιλυθεί. Όταν δύο τέτοια σωματίδια συγκρούονται μεταξύ τους με αποτέλεσμα να συντίθενται, τότε το φαινόμενο μπορεί να μελετηθεί αριθμητικά (και σε μερικές περιπτώσεις αναλυτικά). Η γραμμικότητα της ψ δείχνει (αλλά και το πείραμα επιβεβαιώνει) ότι προκύπτει ένα σωματίδιο που περιγράφεται από μια κυματοσυνάρτηση που έχει τις ίδιες γραμμικές ιδιότητες  με αυτές των αρχικών κυματοσυναρτήσεων. Το ίδιο ισχύει και για κάπως πιο συνθέτες περιπτώσεις.

Η λογική λοιπόν των μαθηματικών μας κάνει να πιστεύουμε ότι η ίδια διαδικασία μπορεί να συνεχίζεται επ’ άπειρο και επομένως ότι και τα πλέον σύνθετα αντικείμενα θα περιγράφονται από μια κυματοσυνάρτηση που είναι σύνθεση των κυματοσυναρτήσεων στοιχείων που τα απαρτίζουν. Αυτό θα μπορούσε θεωρητικά να επεκταθεί για όλο το σύμπαν.

Ωστόσο η απαίτηση ώστε ένα απομονωμένο μεν, μακροσκοπικό δε, σύστημα να περιγράφεται από μια κυματοσυνάρτηση προϋποθέτει ότι το σύστημα παρουσιάζει πότε κάποια χαρακτηριστικά και πότε άλλα, κάτι το οποίο η παρατήρησή μας λέει ότι δεν συμβαίνει.

Αυτήν την συλλογιστική μπορούμε να εφαρμόσουμε και να επιβεβαιώσουμε για πολύ απλά συστήματα. Για έστω και λίγο πιο πολύπλοκα, όπως π.χ. το άτομο του ηλίου τα πράγματα γίνονται απαγορευτικά σύνθετα. Στην πραγματικότητα δεν μπορούμε να ξέρουμε ακριβώς τι συμβαίνει. Ωστόσο κόσμος στον οποίο ζούμε δεν εμφανίζει κβαντικά χαρακτηριστικά σε μακροσκοπικό επίπεδο. Αυτό οδηγεί στην ιδέα ύπαρξης ενός σημείου μετάβασης πέρα από το οποίο παύουν να υπάρχουν υπερθέσεις και τα συστήματα έχουν καλώς ορισμένες φυσικές ιδιότητες.

Το ότι η σύνθετη κυματοσυνάρτηση παύει να είναι κυματοσυνάρτηση με κβαντικά χαρακτηριστικά το ονομάζουμε κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης και συμβαίνει κάποια στιγμή που δεν μας είναι φανερή. Το πότε, το γιατί και το πώς συμβαίνει αυτό είναι άγνωστο. Το ερώτημα αυτό προέκυψε ιστορικά όταν έγινε προσπάθεια να καταλάβουμε τι συμβαίνει κατά τη διάρκεια των μετρήσεων (και γι’ αυτό ονομάστηκε μετρητικό πρόβλημα της κβαντομηχανικής). Π.χ. στο πείραμα των δύο σχισμών έχουμε την κατάρρευση της ψ είτε όταν παρατηρούμε το ηλεκτρόνιο είτε όταν φτάνει στην φωτογραφική πλάκα.

Συμβαίνει όμως όντως κατάρρευση της κυματοσυνάρτησης και αν ναι, τι την προκαλεί; Η αρχική πρόταση του von Newmann, να συνδέσει την κατάρρευση με την μέτρηση και τη μετρητική συσκευή, οδήγησε τον Eugene Wigner στην συσχέτιση της κατάρρευσης με την παρατήρηση, δηλαδή με την ύπαρξη μιας συνείδησης.

Ένα άλλο σημαντικό ζήτημα που προκύπτει είναι αυτό της αιτιότητας. Η ίδια η κυματοσυνάρτηση είναι ντετερμινιστική. Ωστόσο η κυματοσυνάρτηση υπολογίζει  όλες τις δυνατές υπερθέσεις και την πιθανότητα να συμβεί κάθε μια από αυτές. Δεν μας λέει τίποτα για το ποια από αυτές θα εμφανιστεί όταν κάνουμε τη μέτρηση. Κι εδώ εμφανίζεται ο μη ντετερμινιστικός παράγων.

  Δείτε τη συνέχεια: επόμενο
Ή μεταβείτε στην ενότητα: