Το μέλλον, αλλάζει το παρελθόν;

Ακριβώς όταν σκεφτήκαμε ότι η κβαντική μηχανική δεν μπορεί να γίνει πιό αλλόκοτη, μια ομάδα φυσικών στο Εβραϊκό Πανεπιστήμιο της Ιερουσαλήμ, ανέφερε το 2013, ότι είχαν διεμπλακεί με επιτυχία, φωτόνια που δεν συνυπήρξαν ποτέ.

Το καλοκαίρι του 1935, οι φυσικοί Albert Einstein και Erwin Schrödinger ανέπτυξαν μια πλούσια, πολύπλευρη και μερικές φορές ταραχώδη αλληλογραφία, σχετικά με τις συνέπειες της νέας θεωρίας της κβαντικής μηχανικής.

Το επίκεντρο της ανησυχίας τους ήταν αυτό που ο Schrödinger αργότερα αποκαλούσε διεμπλοκή: την αδυναμία να περιγράψουν δύο κβαντικά συστήματα ή σωματίδια ανεξάρτητα, αφού, προηγουμένως, έχουν αλληλεπιδράσει.

Μέχρι το θάνατό του, ο Αϊνστάιν παρέμεινε πεπεισμένος ότι η εμπλοκή έδειχνε ότι η κβαντική μηχανική ήταν ατελής. Ο Schrödinger πίστευε ότι η εμπλοκή ήταν το καθοριστικό χαρακτηριστικό της νέας φυσικής, αλλά αυτό δεν σήμαινε ότι το δέχονταν, ελαφρά τη καρδία.

«Γνωρίζω, βέβαια, πώς το «hocus pocus» λειτουργεί από μαθηματική σκοπιά», έγραψε στον Αϊνστάιν στις 13 Ιουλίου 1935. «Αλλά δεν μου αρέσει, μια τέτοια θεωρία».

Η διάσημη γάτα του Schrödinger, που βρίσκεται μεταξύ ζωής και θανάτου, πρωτοεμφανίστηκε σε αυτή την αλληλογραφία, ως ένα παραπροϊόν της πάλης για να διασαφηνιστεί ό,τι ενοχλούσε και τους δυό τους.

Το πρόβλημα είναι ότι η διεμπλοκή παραβιάζει τον τρόπο με τον οποίο ο κόσμος οφείλει να λειτουργεί. Οι πληροφορίες δεν είναι δυνατόν να ταξιδεύουν γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός, για κανένα.

Αλλά σε ένα paper του 1935, ο Αϊνστάιν και οι συν-συγγραφείς του έδειξαν πως η διεμπλοκή οδηγεί σε αυτό που ονομάζεται τώρα «κβαντική μη τοπικότητα», ο απόκοσμος δεσμός που φαίνεται να υπάρχει ανάμεσα στα διαπλεγμένα σωματίδια.

Εάν δύο κβαντικά συστήματα συναντηθούν και διαχωριστούν, ακόμη και σε μια απόσταση χιλιάδων ετών φωτός, καθίσταται αδύνατη η μέτρηση των χαρακτηριστικών ενός συστήματος (όπως η θέση του, η ορμή και η πολικότητά του) χωρίς να κατευθύνεται άμεσα και το απομακρυσμένο άλλο, σε μια αντίστοιχη κατάσταση.

Μέχρι σήμερα, τα περισσότερα πειράματα έχουν δοκιμάσει την διεμπλοκή σε χωρικές αποστάσεις.

Η υπόθεση είναι ότι το «μη τοπικό» τμήμα της κβαντικής μη τοπικότητας, αναφέρεται στην διεμπλοκή των ιδιοτήτων στον χώρο. Αλλά τι γίνεται αν η διεμπλοκή συμβαίνει και με το πέρασμα του χρόνου; Υπάρχει κάτι τέτοιο όπως η χρονική μη τοπικότητα;

Η απάντηση, όπως αποδεικνύεται, είναι ναι.

Ακριβώς όταν σκεφτήκαμε ότι η κβαντική μηχανική δεν μπορεί να γίνει πιό αλλόκοτη, μια ομάδα φυσικών στο Εβραϊκό Πανεπιστήμιο της Ιερουσαλήμ, ανέφερε το 2013, ότι είχαν διεμπλακεί με επιτυχία, φωτόνια, που δεν συνυπήρξαν ποτέ.

Προηγούμενα πειράματα που περιελάμβαναν μια τεχνική που ονομάζεται «swapping entanglement» (ανταλλαγή διεμπλοκής) είχαν ήδη δείξει κβαντικές συσχετίσεις, διαχρονικά, καθυστερώντας τη μέτρηση ενός από τα συνυπάρχοντα διαπλεγμένα σωματίδια. Αλλά ο Eli Megidish και οι συνεργάτες του ήταν οι πρώτοι που παρουσίασαν διεμπλοκή μεταξύ των φωτονίων των οποίων οι χρόνοι ζωής δεν επικαλύπτονταν καθόλου.

Δείτε πώς το έκαναν.

Πρώτα, δημιούργησαν ένα διαπλεγμένο ζεύγος φωτονίων, «1-2» (βήμα Ι στο διάγραμμα παρακάτω). Αμέσως μετά, μέτρησαν την πόλωση του φωτονίου 1 (μια ιδιότητα που περιγράφει την κατεύθυνση της ταλάντωσης του φωτός) – καταστρέφοντάς το έτσι (βήμα II).

Το φωτόνιο 2 στάλθηκε για αλληλεπίδραση ενώ είχε δημιουργηθεί ένα νέο διαπλεγμένο ζευγάρι «3-4» (βήμα III). Το φωτόνιο 3 μετρήθηκε αφού είχε αλληλεπιδράσει με το ελεύθερο φωτόνιο 2 κατά τέτοιο τρόπο ώστε, η σχέση διεμπλοκής, «να ανταλλαγεί» από τα παλιά ζεύγη («1-2» και «3-4») στο νέο σύνθετο «2-3» ( στάδιο IV). Τα φωτόνια 2 και 3 μετά την μέτρησή τους έπαψαν να υπάρχουν

Λίγο αργότερα (βήμα V), μετριέται η πόλωση του μοναχικού επιζώντος, του φωτονίου 4, και τα αποτελέσματα συγκρίνονται με αυτά του -σε παρελθόντα χρόνο- φωτονίου 1 (πίσω στο βήμα II).

Το αποτέλεσμα; Τα δεδομένα αποκάλυψαν την ύπαρξη κβαντικών συσχετισμών μεταξύ των «χρονικά μη τοπικών» φωτονίων 1 και 4. Δηλαδή, η διεμπλοκή μπορεί να συμβεί μεταξύ δύο κβαντικών συστημάτων που δεν συνυπήρξαν ποτέ.

Τι μπορεί να σημαίνει αυτό στη Γη; Φαίνεται εκ πρώτης όψεως ανησυχητικό, το γεγονός ότι η πολικότητα του φωτός ενός αστεριού στο μακρινό παρελθόν -για περισσότερο από δύο φορές τη διάρκεια ζωής της Γης- επηρέασε, χωρίς αμφιβολία, την πολικότητα του φωτός που πέφτει στο ερασιτεχνικό τηλεσκόπιό σας σήμερα.

Ακόμη πιο περίεργο: ίσως υπονοεί ότι οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν από το μάτι σας στο φως του αστεριού που πέφτει στο τηλεσκόπιό σας αυτόν τον χειμώνα, με κάποιο τρόπο υπαγορεύουν την πολικότητα των φωτονίων στο παρελθόν τους, άνω των 9 δισεκατομμυρίων ετών.
Για να μην θεωρηθεί αυτό το σενάριο ως υπερβολικό, ο Megidish και οι συνάδελφοί του, δεν μπόρεσαν να αντισταθούν στις εικασίες, σχετικά με πιθανές και μάλλον τρομακτικές ερμηνείες των αποτελεσμάτων τους.

Ίσως η μέτρηση της πόλωσης του φωτονίου 1 στο βήμα ΙΙ κατευθύνει κάπως την μελλοντική πόλωση του 4 ή η μέτρηση της πόλωσης του φωτονίου 4 στο βήμα V ξαναγράφει με κάποιο τρόπο την προηγούμενη κατάσταση πόλωσης του φωτονίου 1.

Και στις δύο κατευθύνσεις προς τα εμπρός και προς τα πίσω, οι κβαντικές συσχετίσεις καλύπτουν το αιτιώδες κενό μεταξύ του θανάτου ενός φωτονίου και της γέννησης του άλλου.

Μια δόση σχετικότητας, όμως, θα βοηθούσε την μαγεία να υποχωρήσει.

Κατά την ανάπτυξη της θεωρίας του για την ειδική σχετικότητα, ο Αϊνστάιν καθαίρεσε την ιδέα της συγχρονικότητας από το Νευτώνιο βάθρο της.

Ως συνέπεια, το ταυτόχρονο, μετετράπη σε σχετική, από το να είναι απόλυτη ιδιότητα. Δεν υπάρχει ενιαίο χρονόμετρο για το Σύμπαν. Η ακριβής χρονικότητα των γεγονότων, εξαρτάται από την ακριβή τοποθεσία σας, σε σχέση με αυτά που παρατηρείτε, γνωστή και ως πλαίσιο ή σύστημα αναφοράς σας.

Έτσι, το κλειδί για την αποφυγή της παράξενης αιτιώδους συμπεριφοράς (καθοδήγηση του μέλλοντος ή επανεγγραφή του παρελθόντος) σε στιγμές διαχωρισμού του χρόνου είναι να δεχτούμε ότι το να αποκαλούμε τα γεγονότα«ταυτόχρονα» έχει απειροελάχιστο μεταφυσικό βάρος.

Πρόκειται μόνο για ιδιότητα που εξαρτάται από το συγκεκριμένο σύστημα αναφοράς, μια επιλογή, δηλαδή, μεταξύ πολλών εναλλακτικών, αλλά εξίσου βιώσιμων – θέμα σύμβασης ή καταγραφής συμβάντων.

Το δίδαγμα οδηγεί κατευθείαν, τόσο σε χωρική, όσο και σε χρονική, κβαντική μη τοπικότητα.

Τα μυστήρια που σχετίζονται με τα διαπλεγμένα ζεύγη σωματιδίων, αποτελούν ασυμφωνίες σχετικά με την καταγραφή της παρατήρησης, που προκαλούνται λόγω σχετικότητας.

Ο Αϊνστάιν έδειξε ότι καμία ακολουθία γεγονότων δεν μπορεί να είναι μεταφυσικά προνομιούχος – μπορεί, δηλαδή, να θεωρηθεί πιο πραγματική – από οποιαδήποτε άλλη. Μόνο με την αποδοχή αυτής της γνώσης μπορεί κάποιος να προχωρήσει σε τέτοια κβαντικά παζλ.

Τα διάφορα πλαίσια αναφοράς στο πείραμα του Εβραϊκού Πανεπιστημίου (το πλαίσιο του εργαστηρίου, το πλαίσιο του φωτονίου 1, το πλαίσιο του φωτονίου 4 κ.ο.κ.) έχουν τους δικούς τους «ιστορικούς», φερ’ ειπείν.

Ενώ αυτοί οι «ιστορικοί» θα διαφωνήσουν για τον τρόπο με τον οποίο τα πράγματα συνέβησαν, κανένας από αυτούς δεν μπορεί να διεκδικήσει μια θέση στην απόλυτη αλήθεια. Μια εντελώς διαφορετική ακολουθία γεγονότων, ξεδιπλώνεται από τον καθένα τους, σύμφωνα με αυτή τη χωροχρονική άποψη.

Σαφώς, λοιπόν, οποιαδήποτε απόπειρα εκχώρησης ιδιοτήτων συγκεκριμένων πλαισίων αναφοράς γενικά ή σύνδεσης γενικών ιδιοτήτων σε ένα συγκεκριμένο πλαίσιο αναφοράς, θα προκαλέσει διχογνωμίες μεταξύ των «ιστορικών».

Αλλά εδώ είναι το θέμα: ενώ μπορεί να υπάρχει αποδεκτή ασυμφωνία ως προς ποιες ιδιότητες πρέπει να ανατεθούν σε ποια σωματίδια και πότε, δεν πρέπει να υπάρχει διαφωνία σχετικά με την ίδια την ύπαρξη αυτών των ιδιοτήτων, σωματιδίων και γεγονότων.

Αυτά τα ευρήματα «φυτεύουν» ακόμα μια σφήνα, ανάμεσα στις αγαπημένες μας κλασικές διαισθήσεις και τις εμπειρικές πραγματικότητες της κβαντικής μηχανικής.

Όπως ισχύει για τον Schrödinger και τους συγχρόνους του, η επιστημονική πρόοδος, θα περιλαμβάνει τη ανάμιξη στην διερεύνηση των περιορισμών, ορισμένων μεταφυσικών απόψεων.

Η γάτα του Schrödinger, μισοζωντανή και μισονεκρή, δημιουργήθηκε για να δείξει πώς η διεμπλοκή συστημάτων οδηγεί σε μακροσκοπικά φαινόμενα που αψηφούν τη συνήθη κατανόηση των σχέσεων μεταξύ αντικειμένων και ιδιοτήτων τους: ένας οργανισμός όπως μια γάτα είναι είτε νεκρός είτε ζωντανός, δεν υπάρχει ενδιάμεσο έδαφος.

Οι περισσότεροι σύγχρονοι φιλοσοφικοί απολογισμοί της σχέσης μεταξύ αντικειμένων και ιδιοτήτων τους, αγκαλιάζουν την διεμπλοκή, αποκλειστικά, από την προοπτική της χωρικής μη τοπικότητας.

Αλλά υπάρχει ακόμα σημαντική δουλειά για την ενσωμάτωση της χρονικής μη τοπικότητας – όχι μόνο σε συζητήσεις αντικειμένων-ιδιοτήτων, αλλά και σε αντιπαραθέσεις σχετικές με την υλική σύνθεση (όπως η σχέση ανάμεσα σε ένα κομμάτι πηλού και το άγαλμα που σχηματίζει) και σε σχέσεις του μερικού με το όλον (όπως το πώς ένα χέρι σχετίζεται με ένα άκρο ή ένα άκρο με ένα άτομο).

Για παράδειγμα, το «παζλ» για το πώς τα μέρη συνταιριάζουν σε ένα σύνολο, προϋποθέτει σαφή χωρικά όρια μεταξύ των υποκείμενων συστατικών, ωστόσο η χωρική μη τοπικότητα στέκεται ενάντια σε αυτή την άποψη. Η χρονική μη τοπικότητα περιπλέκει περαιτέρω αυτή την εικόνα: πώς μπορεί κανείς να περιγράψει μια οντότητα, όταν τα συστατικά της μέρη, δεν συνυπάρχουν καν;

Η συνειδητοποίηση της φύσης της διεμπλοκής μπορεί, μερικές φορές, να είναι ένα άβολο έργο. Δεν είναι ξεκάθαρο ποια πραγματική «μεταφυσική» θα μπορούσε να προκύψει από τον έλεγχο της νέας αυτής συναρπαστικής έρευνας από τον Megidish και τους άλλους φυσικούς.

Σε μια επιστολή προς τον Αϊνστάιν, ο Schrödinger επισημαίνει σθεναρά (και αναπτύσσει και μια περίεργη μεταφορά): «Κάποιος έχει την αίσθηση ότι είναι ακριβώς αυτές οι πιο σημαντικές διατυπώσεις της νέας θεωρίας που μοιάζουν πραγματικά να πρέπει να συμπιεστούν σε «ισπανικές μπότες» – αλλά με δυσκολία».

Δεν μπορούμε να αγνοήσουμε τη χωρική ή τη χρονική μη τοπικότητα στη μελλοντική φυσική: ανεξάρτητα από το αν οι μπότες ταιριάζουν ή όχι, θα πρέπει να τις φορέσουμε.

Το άρθρο αυτό δημοσιεύθηκε αρχικά στο Aeon και έχει αναδημοσιευτεί ως Creative Commons.

Αυστραλιανοί επιστήμονες δείχνουν ότι τα ταξείδια στον χρόνο είναι πιθανά

Οι επιστήμονες του Πανειστημίου του Queensland χρησιμοποίησαν ζεύγη φωτονίων για να μελετήσουν περιπτώσεις ταξιδιού στο χρόνο. Προσομοίωσαν τη συμπεριφορά δύο φωτονίων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους σε δύο διαφορετικές περιπτώσεις.

Στην πρώτη περίπτωση, ένα φωτόνιο περνά μέσα από μια σκουληκότρυπα και στη συνέχεια βγαίνει σε παρελθόντα χρόνο και αλληλεπιδρά με τον παλαιότερο εαυτό του.

Στη δεύτερη περίπτωση, ένα φωτόνιο ταξιδεύει μέσω του κανονικού χωρόχρονου και αλληλεπιδρά με ένα άλλο φωτόνιο που είναι παγιδευμένο μέσα σε μια κλειστή χρονική καμπύλη.

«Οι ιδιότητες των κβαντικών σωματιδίων είναι «ασαφείς» ή αβέβαιες για να ξεκινήσουμε από αυτό, έτσι αυτό τους δίνει αρκετό χώρο για να αποφύγουμε τις ασυνεπείς καταστάσεις χρόνου ταξιδιού», δήλωσε ο συν-συγγραφέας καθηγητής Timothy Ralph. «Η μελέτη μάς παρέχει πληροφορίες για το πού και το πώς η φύση μπορεί να συμπεριφέρεται διαφορετικά από αυτό που προβλέπουν οι θεωρίες μας».

Παρόλο που είναι δυνατή η προσομοίωση της διαδρομής του χρόνου με μικροσκοπικά κβαντικά σωματίδια, το ίδιο μπορεί να μην είναι δυνατό για μεγαλύτερα σωματίδια ή άτομα, που είναι ομάδες σωματιδίων.

Το άρθρο δημοσιεύθηκε στο Nature Communications

Πηγές:

ELISE CRULL, 14 APR 2018, Science Alert

Η Elise Crull είναι assistant professor στην ιστορία και τη φιλοσοφία της επιστήμης στο City College της Νέας Υόρκης. Είναι συν-συγγραφέας του υπό έκδοση βιβλίου: «The ‘Einstein Paradox’: Debates on Nonlocality and Incompleteness in 1935».

The Science News Reporter

Μετάφραση, επιμέλεια: Θωμάς Αργυρέας

Απρίλιος 22, 2018