Κυριακή, 9 Ιανουαρίου 2011

Η γάτα του Σρέντιγκερ

Οι σύνδεσμοι της λογικής όπως: το συζευκτικό "και" και το διαζευτικό "ή" έχουν τεράστια εφαρμογή σε όλες τις επιστήμες. Στα μαθηματικά, στους υπολογιστές, στη φιλοσοφία, αλλά και στην ίδια την καθημερινότητά μας δε θα μπορούσαμε να σχηματίσουμε λογικές (αληθείς ή ψευδείς) προτάσεις, χωρίς τη χρήση τους. Υπάρχει όμως μια επιστήμη που δε χρησιμοποιεί το διαζευτικό "ή". Ένας κόσμος όπου το "ή" δεν υπάρχει. Είναι ο κόσμος της Κβαντομηχανικής.  

Τι είναι όμως η Κβαντομηχανική;
Ο πιο απλός ορισμός, είναι η μελέτη της ύλης σε ατομικό επίπεδο(άτομα, ηλεκτρόνια, πρωτόνια κ.α.)

Γιατί αναπτύχθηκε;
Στις αρχές του 20ου αιώνα μερικά πειράματα παρήγαγαν αποτελέσματα που δεν μπορούσαν να εξηγηθούν από την "κλασσική" μηχανική (η επιστήμη που αναπτύχθηκε από τους Γαλιλαίο, Νεύτωνα κ.α.). Για παράδειγμα ήταν αρκετά γνωστό ότι τα ηλεκτρόνια ήταν σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου. Όμως, αν γινόταν έτσι, με έναν τρόπο που να έμοιαζε με τους πλανήτες που περιστρέφονται γύρω από τον ήλιο, η κλασσική φυσική πρόβλεπε ότι τα ηλεκτρόνια θα κινούνταν σπειροειδώς συνεχώς προς τα μέσα και θα συντρίβονταν στον πυρήνα εντός ενός κλάσματος του δευτερολέπτου. Ευτυχώς αυτό δε συμβαίνει, γιατί η ζωή όπως τη ξέρουμε δε θα υπήρχε.

Αν η ιδέα που έχετε για το άτομο με τα ηλεκτρόνια που περιστρέφονται γύρω από τον πυρήνα είναι κάπως έτσι,
τότε μάλλον έχετε μείνει περίπου 75 χρόνια πίσω.
Ο σύγχρονος κόσμος της κβαντομηχανικής υποστηρίζει ότι δεν μπορούμε να ξέρουμε με ακρίβεια την ακτίνα της τροχιάς που κάνει ένα ηλεκτρόνιο γύρω από τον πυρήνα ενός ατόμου, παρά μόνο την πιθανότητα να το βρούμε σε μια δεδομένη θέση.

Αυτό βέβαια μπορεί να συμβεί μόνο στον μικρόκοσμο των ατόμων. Το απειροελάχιστο μέγεθος του ηλεκτρονίου, αλλά και η ασύλληπτη ταχύτητα με την οποία κινείται, δημιουργεί το παραπάνω πρόβλημα.

Η κλασσική φυσική είναι λοιπόν μια θεωρία που έχει ραγίσει; Ναι, αν πρόκειται για την εξέταση πολύ μικρών μεγεθών (ατομικού μεγέθους) ή πολύ γρήγορων ταχυτήτων (κοντά στην ταχύτητα του φωτός).

Η κλασσική φυσική πραγματεύεται κατά κύριο λόγο με τα φυσικά φαινόμενα που εμπίπτουν στην περιοχή της καθημερινής εμπειρίας μας (δυνάμεις, ταλαντώσεις κ.α.) , σε κλίμακα από μερικά εκατοστά του χιλιοστού εως τις διαστάσεις των ουράνιων σωμάτων και χρησιμοποιώντας πολλά μαθηματικά (τύπους, εξισώσεις, διαφορικά) καταφέρνει να τα περιγράψει πλήρως.

Τι λέει η κβαντική θεωρία;
Μια από τις πιο βασικές της αρχές υποστηρίζει ότι τίποτε δε συμβαίνει ή δε βρίσκεται σε μια θέση, αν δεν το παρατηρήσουμε. Τα σωματίδια δεν έχουν συγκεκριμένες ιδιότητες μέχρις ότου αυτές μετρηθούν από όργανο μέτρησης. Ουσιαστικά μέχρι την στιγμή της μέτρησής του το σωματίδιο μπορεί να υφίσταται σε πολλά σημεία ταυτοχρόνως (υπέρθεση καταστάσεων). Μετά τη μέτρηση όμως αποκτά υπόσταση στη θέση την οποία ανακαλύφθηκε, καταστρέφοντας έτσι την υπέρθεση (δηλαδή το να βρίσκεται σε διάφορα μέρη ταυτόχρονα) , αναγκάζοντάς το να καταλάβει μια συγκεκριμένη θέση ή καλύτερα να μας αποκαλύψει όχι πιθανές, αλλά πραγματικές τιμές της ορμής και της θέσης του.

Η αλήθεια είναι ότι η κβαντική θεωρία είναι δυσνόητη. 
Στο κόσμο που αντιλαμβανόμαστε, επειδή μπορούμε να προβλέψουμε (με τις αρχές της κλασσικής φυσικής) την τροχιά για παράδειγμα, μιας μπάλας που φεύγει από το χέρι ενός αθλητή, και που θα βρίσκεται μετά από 2 δευτερόλεπτα ή πότε θα πέσει στο έδαφος , λέμε ότι η μπάλα θα βρίσκεται σε αυτή τη θέση μετά από ένα δευτερόλεπτο, ή σε αυτή τη θέση μετά από δύο δευτερόλεπτα ή......" Ή"
Στον ατομικό κόσμο που δεν αντιλαμβανόναστε αισθητικά , λόγω μεγέθους και ταχυτήτων και δεν μπορούμε να προβλέψουμε την κίνηση και την ενέργεια ενός ηλεκτρονίου στην περιστροφή του γύρω από τον πυρήνα η κβαντική θεωρία λέει ότι το ηλεκτρόνιο θα βρίσκεται σε αυτή τη θέση, και σε αυτή τη θέση, και... "Και".  Λόγω αβεβαιότητας "ή" δεν υπάρχει.

Αυτή η θεωρία όμως, αφού δεν έχει εφαρμογή στον κόσμο της καθημερινότητας μας δημιουργεί κάποια παράδοξα. Αν προσπαθήσουμε να τη χρησιμοποιήσουμε σε μεγαλύτερα σε μάζα αντικείμενα που κινούνται με ταχύτητες που "βλέπουμε", όπως ο άνθρωπος, τότε θα μπορούσαμε και εμείς να βρισκόμαστε - εκτός από τον συνηθισμένο οικείο μας χώρο - ταυτόχρονα και κάπου αλλού.
Ή , ας υποθέσουμε ότι ρίχνουμε μια λαστιχένια σφαίρα σε έναν τοίχο. Ξέρουμε ότι δεν έχουμε αρκετή ενέργεια για να την ρίξουμε μέσω του τοίχου, έτσι η σφαίρα αναπηδά πάντα πίσω. Η κβαντομηχανική, εντούτοις, λέει ότι υπάρχει μια πιθανότητα ώστε η σφαίρα να περάσει διαμέσου του τοίχου (χωρίς την καταστροφή του τοίχου) και να συνεχίσει την πτήση της στην άλλη πλευρά. Με ένα τόσο μεγάλο σώμα, όπως η λαστιχένια σφαίρα η πιθανότητα αυτή είναι τόσο μικρή, ώστε και αν ακόμα ρίχναμε τη σφαίρα για δισεκατομμύρια έτη δε θα τη βλέπαμε ποτέ να περνάει μέσα από τον τοίχο. Άλλα με ένα τόσο μικροσκοπικό και ταχύ σώμα όπως το ηλεκτρόνιο, το να ανοίξει μια σήραγγα είναι καθημερινό περιστατικό.

Η κβαντική φυσική εγείρει εξαιρετικής σημασίας φιλοσοφικά και τεχνολογικά ερωτήματα, τα οποία αναμφισβήτητα ανεβάζουν την πίεση των διανοητών.
Δε θα αναφέρω αυτούς που την αμφισβήτησαν. Ήταν πολλοί, ανάμεσα τους και ο Αϊνστάιν, όμως στην πραγματικότητα και αυτοί, με τις διαφωνίες τους, βοήθησαν στην ανάπτυξή της και στις τεράστιες εφαρμογές που έχει στον σύγχρονο κόσμο. 
Πρωτοπόροι θεωρούνται οι: M. Planck (βραβείο nobel 1918), Ν.Bohr (βραβείο nobel 1922), W.Heisenberg (βραβείο nobel 1932), E.Schroedinger (βραβείο nobel 1933), Bose (βραβείο nobel 1954) κ.α. Ο W.Heisenberg επιβεβαίωσε με τους συλλογισμούς του την νέα αρχή που έχει γίνει το σήμα κατατεθέν της κβαντικής θεωρίας, που είναι γνωστή ως "αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg".

Ο Erwin Schrodinger (Σρέντικερ) , σκέφτηκε το 1930 το πιο διάσημο νοητικό πείραμα όλων των εποχών, που έχει μείνει στην ιστορία ως "η γάτα του Σρέντιγκερ", παρουσιάζοντας το ως ένα άξιο προσοχής πείραμα για να φανούν οι κβαντικοί κανόνες έναντι του πραγματικού, "κλασσικού" κόσμου.

Η γάτα του Σρέντιγκερ
Πρότεινε λοιπόν, ένα πείραμα όπου μια γάτα θα πρέπει να μπει σε ένα κουτί που περιέχει ένα φιαλίδιο ενός δηλητηριώδους αερίου.(Σημειώνεται ότι το πείραμα είναι νοητικό, φαντάζομαι...). Ένα σφυρί θα πρέπει να είναι έτοιμο να συνθλίψει το φιαλίδιο μόνο αν ενεργοποιηθεί από τη διάσπαση ενός ατόμου (ραδιενεργού), το οποίο διασπάται σε τυχαίο χρόνο και με πιθανότητα 50% ανά ώρα.
Αν κανείς δεν κοιτάει μέσα στο κουτί, λέει ο Σρέντιγκερ και η κβαντική θεωρία, το άτομο θα είναι σε υπέρθεση, διασπασμένο και ακέραιο. Και εδώ , και εκεί αφού δεν μπορούμε να προβλέψουμε τι συμβαίνει ανά μια ώρα. Αν μεταφέρουμε αυτήν την αρχή και στη γάτα, τότε και αυτή θα βρίσκεται σε δύο καταστάσεις, δηλαδή θα είναι ταυτόχρονα και ζωντανή και νεκρή, πριν εμείς την παρατηρήσουμε.
Το παράδοξο αυτό οφείλεται στο ότι στην καθημερινότητά μας ξέρουμε πώς ανά ώρα η γάτα θα είναι ή ζωντανή ή νεκρή. Είτε ζει , είτε όχι. Ένα  άσπρο ή μαύρο που η ατομική φυσική δεν δέχεται.

Ο Σρέντιγκερ ήθελε να δείξει ότι η κβαντική θεωρία είναι ακόμη ελλειπής.
Όπως και να έχει όμως το ερώτημα παραμένει. Πώς γίνεται η γάτα να είναι ζωντανή και νεκρή την ίδια στιγμή; Εμείς τι πρέπει να πιστέψουμε;  

Περισσότερα εδώ: http://www.physics4u.gr/articles/introqm.html
Επίσης: "Κβαντικά παράδοξα" του Jim Al-Khalili , εκδόσεις Τραυλός.

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...