Γιατί περισσότεροι φυσικοί αρχίζουν να πιστεύουν ότι ο χώρος και ο χρόνος είναι «παραισθήσεις»

Τον περασμένο Δεκέμβριο απονεμήθηκε το βραβείο Νόμπελ Φυσικής για την πειραματική επιβεβαίωση ενός κβαντικού φαινομένου που είναι γνωστό εδώ και περισσότερα από 80 χρόνια: η διαπλοκή. Όπως συνελήφθη από τον Άλμπερτ Αϊνστάιν και τους συνεργάτες του το 1935, τα κβαντικά αντικείμενα μπορούν να σχετίζονται μυστηριωδώς ακόμα κι αν χωρίζονται από μεγάλες αποστάσεις. Αλλά όσο παράξενο κι αν ακούγεται το φαινόμενο, γιατί αυτή η αρχαία ιδέα εξακολουθεί να αξίζει το πιο διάσημο βραβείο στη φυσική;

Συμπτωματικά, μόλις λίγες εβδομάδες προτού τιμηθούν οι πρόσφατοι νομπελίστες στη Στοκχόλμη, μια διαφορετική ομάδα διακεκριμένων επιστημόνων από το Χάρβαρντ, το MIT, το Caltech, το Fermilab και η Google ανέφεραν ότι είχαν εκτελέσει μια διαδικασία στον κβαντικό υπολογιστή της Google που θα μπορούσε να εξηγήσει ότι είναι σκουληκότρυπα. . Οι σκουληκότρυπες είναι τούνελ μέσα στο σύμπαν που μπορούν να λειτουργήσουν ως συντόμευση στο χώρο και το χρόνο και λατρεύονται από τους θαυμαστές της επιστημονικής φαντασίας, και παρόλο που το τούνελ που έγινε σε αυτό το τελευταίο πείραμα υπάρχει μόνο σε ένα παιχνίδι 2D σύμπαντος, θα μπορούσε να είναι μια σημαντική ανακάλυψη για μελλοντική έρευνα στην αιχμή της φυσικής. .

Γιατί όμως η διαπλοκή σχετίζεται με τον χώρο και τον χρόνο; Και πώς μπορεί να είναι σημαντικό για μελλοντικές ανακαλύψεις στη φυσική; Η έννοια της εμπλοκής, σωστά κατανοητή, σημαίνει ότι το σύμπαν είναι «μονομετρικό», όπως το αποκαλούν οι φιλόσοφοι, και ότι τα πάντα στο σύμπαν, σε ένα θεμελιώδες επίπεδο, αποτελούν μέρος ενός ενοποιημένου συνόλου. Είναι μια καθοριστική ιδιότητα της κβαντικής μηχανικής ότι η θεμελιώδης πραγματικότητά της περιγράφεται με όρους κυμάτων και το μονοδικό σύμπαν απαιτεί μια σφαιρική λειτουργία. Πριν από δεκαετίες, ερευνητές όπως ο Hugh Everett και ο Dieter Zeh έδειξαν πώς η πραγματικότητα της καθημερινής μας ζωής θα μπορούσε να προκύψει από μια τόσο ολοκληρωμένη κβαντομηχανική περιγραφή. Αλλά μόνο τώρα ερευνητές όπως ο Leonard Susskind ή ο Sean Carroll αναπτύσσουν ιδέες για το πώς αυτή η κρυμμένη κβαντική πραγματικότητα μπορεί να εξηγήσει όχι μόνο την ύλη αλλά και τον ίδιο τον ιστό του χώρου και του χρόνου.

Η διαπλοκή είναι πολύ περισσότερα από ένα άλλο παράξενο κβαντικό φαινόμενο. Είναι η αρχή που ενεργεί πίσω από το γιατί η κβαντική μηχανική συγχωνεύει τον κόσμο σε έναν και γιατί βιώνουμε αυτή τη θεμελιώδη ενότητα ως πολλά ξεχωριστά πράγματα. Ταυτόχρονα, η διαπλοκή είναι ο λόγος που φαίνεται να ζούμε στην κλασική πραγματικότητα. Είναι -με την κυριολεκτική έννοια του όρου- η κόλλα και ο δημιουργός των κόσμων. Η εμπλοκή εφαρμόζεται σε αντικείμενα που αποτελούνται από δύο ή περισσότερα συστατικά και περιγράφει τι συμβαίνει όταν η κβαντική αρχή ότι «ό,τι μπορεί πραγματικά να συμβεί» εφαρμόζεται σε αυτά τα συστατικά αντικείμενα. Κατά συνέπεια, η κατάσταση εμπλοκής είναι η υπέρθεση όλων των πιθανών συνδυασμών στους οποίους τα συστατικά του αντικειμένου του συστατικού μπορούν να παράγουν το ίδιο συνολικό αποτέλεσμα. Και πάλι, είναι η κυματιστή φύση του κβαντικού πεδίου που θα μπορούσε να βοηθήσει να εξηγηθεί πώς λειτουργεί πραγματικά η εμπλοκή.

Φανταστείτε μια τέλεια ήρεμη θάλασσα από γυαλί σε μια θυελλώδη μέρα. Τώρα αναρωτηθείτε, πώς μπορεί να παραχθεί ένα τέτοιο επίπεδο με την υπέρθεση δύο μεμονωμένων μοτίβων κυμάτων; Μια πιθανότητα είναι ότι η υπέρθεση δύο τελείως επίπεδων επιφανειών οδηγεί και πάλι σε ένα απόλυτα επίπεδο αποτέλεσμα. Αλλά μια άλλη πιθανότητα να προκύψει μια επίπεδη επιφάνεια είναι εάν δύο πανομοιότυπα μοτίβα κυμάτων υπερτίθενται από μισό κύκλο ταλάντωσης το ένα στο άλλο, έτσι ώστε οι κορυφές κύματος του ενός σχεδίου να εξαλείφουν τις κοιλότητες κυμάτων του άλλου και αντίστροφα. Αν απλώς παρατηρούσαμε την περιφέρεια του υαλοειδούς, καθώς είναι το αποτέλεσμα δύο διογκώσεων μαζί, δεν θα υπήρχε τρόπος να πούμε τα σχέδια των μεμονωμένων διογκώσεων. Αυτό που φαίνεται εντελώς συνηθισμένο όταν μιλάμε για κύματα έχει ακόμη πιο περίεργες συνέπειες όταν εφαρμόζεται σε ανταγωνιστικές πραγματικότητες. Εάν ο γείτονάς σας σας πει ότι έχει δύο γάτες, η μία ζωντανή και η άλλη νεκρή, αυτό σημαίνει ότι είτε η πρώτη ή η δεύτερη γάτα είναι νεκρή και η υπόλοιπη γάτα, αντίστοιχα, είναι ζωντανή – αυτός θα ήταν ένας περίεργος και τρομακτικός τρόπος περιγραφής των κατοικίδιων και μπορεί να μην ξέρετε ποιος από αυτούς είναι ο τυχερός, αλλά θα πάρετε On the drift του γείτονα. Όχι τόσο στην κβαντική σφαίρα. Στην κβαντομηχανική, η ίδια δήλωση δείχνει ότι οι δύο γάτες συγχωνεύτηκαν σε μια υπέρθεση καταστάσεων, συμπεριλαμβανομένης της πρώτης γάτας είναι ζωντανή και της δεύτερης είναι νεκρή και η πρώτη γάτα είναι νεκρή ενώ η άλλη είναι ζωντανή, αλλά και πιθανότητες όπου και οι δύο γάτες είναι μισές ζωντανή και μισοπεθαμένη, ή ότι η πρώτη γάτα είναι Ένα τρίτο από αυτά είναι ζωντανά, ενώ οι δεύτερες γάτες αθροίζουν τα δύο τρίτα της ζωής που χάθηκε. Σε ένα ποσοτικό ζεύγος γατών, η μοίρα και οι περιστάσεις των μεμονωμένων ζώων εξαφανίζονται εντελώς στην περίπτωση του συνόλου. Ομοίως, στο κβαντικό σύμπαν, δεν υπάρχουν μεμονωμένα αντικείμενα. Ό,τι υπάρχει συνδυάζεται σε ένα ενιαίο «ένα».

Η κβαντική εμπλοκή αποκαλύπτει μια εντελώς νέα, τεράστια περιοχή προς εξερεύνηση. Καθορίζει ένα νέο θεμέλιο για την επιστήμη και στρέφει την αναζήτησή μας για μια θεωρία των πάντων στο κεφάλι του – να βασιστεί στην κβαντική κοσμολογία και όχι στη σωματιδιακή φυσική ή στη θεωρία χορδών. Αλλά πόσο ρεαλιστικό είναι για τους φυσικούς να υιοθετήσουν μια τέτοια προσέγγιση; Παραδόξως, δεν είναι απλώς ρεαλιστικό – στην πραγματικότητα το κάνουν. Οι ερευνητές στην πρώτη γραμμή της κβαντικής βαρύτητας αρχίζουν να ξανασκέφτονται τον χωροχρόνο ως συνέπεια της εμπλοκής. Όλο και περισσότεροι επιστήμονες έχουν φτάσει να βασίζουν την έρευνά τους στο αδιαχώριστο του σύμπαντος. Οι ελπίδες είναι μεγάλες ότι ακολουθώντας αυτή την προσέγγιση μπορούν επιτέλους να καταλήξουν σε μια κατανόηση του χώρου και του χρόνου, στα βάθη των θεμελίων του, πραγματικά.

Είτε ο χώρος συγκρατείται από εμπλοκή, η φυσική περιγράφεται από αφηρημένα αντικείμενα πέρα ​​από τον χώρο και τον χρόνο ή από τον χώρο των δυνατοτήτων που αντιπροσωπεύεται από την καθολική κυματική συνάρτηση Everett, είτε τα πάντα στο σύμπαν ανάγονται σε ένα μόνο κβαντικό αντικείμενο — όλες αυτές οι ιδέες μοιράζονται ένα χαρακτηριστικό γεύση μονισμού. Προς το παρόν, είναι δύσκολο να κρίνουμε ποιες από αυτές τις ιδέες θα ενημερώσουν το μέλλον της φυσικής και ποιες τελικά θα εξαφανιστούν. Αυτό που είναι ενδιαφέρον είναι ότι ενώ οι ιδέες αναπτύχθηκαν αρχικά στο πλαίσιο της θεωρίας χορδών, φαίνεται να έχουν ξεπεράσει τη θεωρία χορδών και οι χορδές δεν παίζουν πλέον ρόλο στην τελευταία έρευνα. Το κοινό νήμα τώρα φαίνεται να είναι ότι ο χώρος και ο χρόνος δεν είναι πλέον ουσιαστικοί. Η σύγχρονη φυσική δεν ξεκινά με το χώρο και τον χρόνο για να συνεχίσει τα πράγματα που διαμορφώνονται σε αυτό το προϋπάρχον υπόβαθρο. Αντίθετα, ο χώρος και ο χρόνος βλέπουν τους εαυτούς τους ως προϊόντα μιας πιο θεμελιώδους πραγματικότητας του προβολέα. Ο Nathan Cyberg, πρωτοπόρος των θεωρητικών χορδών στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών του Πρίνστον, δεν είναι μόνος στο συναίσθημά του όταν λέει: “Είμαι σχεδόν βέβαιος ότι ο χώρος και ο χρόνος είναι ψευδαισθήσεις. Αυτές είναι στοιχειώδεις έννοιες που πρόκειται να αντικατασταθούν από κάτι πιο σύνθετο». Επιπλέον, στα περισσότερα σενάρια που προτείνουν αναδυόμενους χωροχρόνους, η εμπλοκή παίζει τον πρωταρχικό ρόλο. Όπως επισημαίνει ο φιλόσοφος της επιστήμης Rasmus Yaxland, αυτό σημαίνει τελικά ότι δεν υπάρχουν πλέον μεμονωμένα αντικείμενα στο σύμπαν. Ότι όλα συνδέονται με όλα τα άλλα: «Το να αγκαλιάσεις τη διαπλοκή καθώς ο κόσμος κάνει σχέση έχει το τίμημα της εγκατάλειψης της πιθανότητας χωρισμού. Αλλά ίσως όσοι είναι πρόθυμοι να κάνουν αυτό το βήμα θα πρέπει να αναζητήσουν τη διαπλοκή για τη βασική σχέση με την οποία θα διαμορφώσει αυτό το παγκόσμιο (και ίσως όλο τον άλλο κόσμο) δυναμικό).» Έτσι, όταν ο χώρος και ο χρόνος εξαφανίζονται, αναδύεται ένα ενιαίο.

Αντίθετα, από την προοπτική του κβαντικού μονισμού, τέτοιες συγκλονιστικές συνέπειες της κβαντικής βαρύτητας δεν απέχουν πολύ. Ήδη στη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, ο χώρος δεν είναι πλέον μια στατική φάση. Μάλλον, είναι η πηγή των μαζών της ύλης και της ενέργειάς της. Όπως και η άποψη του Γερμανού φιλοσόφου Gottfried W. Leibniz, περιγράφει τη σχετική τάξη πραγμάτων. Αν τώρα, σύμφωνα με την ποσοτική μονάδα, μένει μόνο ένα πράγμα, δεν μένει τίποτα να τακτοποιήσουμε ή να τακτοποιήσουμε, και τελικά δεν υπάρχει πλέον καμία ανάγκη για την έννοια του χώρου σε αυτό το θεμελιώδες επίπεδο περιγραφής. Είναι «ο Ένας», ένα ενιαίο κβαντικό σύμπαν που δημιουργεί χώρο, χρόνο και ύλη.

«GR = QM», ισχυρίστηκε ευθαρσώς ο Leonard Susskind σε μια ανοιχτή επιστολή προς τους ερευνητές της επιστήμης της κβαντικής πληροφορίας: Η γενική σχετικότητα δεν είναι παρά η κβαντική μηχανική — μια θεωρία εκατοντάδων ετών που έχει εφαρμοστεί με μεγάλη επιτυχία σε όλα τα είδη, αλλά ποτέ πραγματικά ήταν. Εντελώς κατανοητό. Όπως επισημαίνει ο Sean Carroll, «η βαρύτητα μάλλον έκανε λάθος ποσοτικοποίηση και ο χωροχρόνος κρύβεται στην κβαντομηχανική όλο αυτό το διάστημα». Για το μέλλον, “αντί να ποσοτικοποιούμε τη βαρύτητα, ίσως θα έπρεπε να δοκιμάσουμε την κβαντική μηχανική. Ή, ακριβέστερα αλλά λιγότερο συναρπαστικά, “να βρούμε τη βαρύτητα μέσα στην κβαντομηχανική”, προτείνει ο Carroll στο ιστολόγιό του. Κβαντικά σοβαρά από την αρχή, αν κατανοηθεί ως θεωρία που δεν συμβαίνει στον χώρο και τον χρόνο αλλά μέσα σε μια πιο θεμελιώδη πραγματικότητα της συσκευής οθόνης, πολλά αδιέξοδα στην εξερεύνηση της κβαντικής βαρύτητας θα μπορούσαν να είχαν αποφευχθεί. μια χρόνια φιλοσοφία που αγκαλιάστηκε στην αρχαιότητα, διώχθηκε τον Μεσαίωνα, αναβίωσε την Αναγέννηση, βελτιώθηκε στον ρομαντισμό – οι πρώτοι Everett και Zee θα είχαν αναφερθεί σε αυτούς αντί να επιμείνουν στην ερμηνεία του σημαίνοντος πρωτοπόρου του κβαντικού Niels Bohr που έκοψε τη μηχανική του Κβαντικά σε ένα εργαλείο, θα είμαστε στο δρόμο μας για να απομυθοποιήσουμε τα ίδια τα θεμέλια της πραγματικότητας.

Προσαρμοσμένο από Ένα: πώς μια αρχαία ιδέα κρατά το μέλλον της φυσικής του Χάινριχ Μπας. Πνευματικά δικαιώματα © 2023. Διατίθεται από τη Basic Books, αποτύπωμα της Hachette Book Group, Inc. Με την επιφύλαξη παντός δικαιώματος.