Κβαντική η «μηχανή του χρόνου»!

Ο χρόνος κυλάει πάντα μπροστά. Το ξέρουμε αυτό αρχαιόθεν, από τότε που οι άνθρωποι μιλούσαν για το «βέλος του χρόνου» που ταξιδεύει πάντα προς το μέλλον. Είναι, δηλαδή, ένα άνυσμα «μη συμμετρικό», που δεν μας επιτρέπει να γυρίσουμε πίσω και να αλλάξουμε τα λάθη του παρελθόντος. Ετσι, η «μηχανή του χρόνου» συνέχισε να είναι θέμα ταινιών επιστημονικής φαντασίας και η αθανασία παρέμεινε η «ομορφονιά που δεν την κέρδισε κανείς» –κατά το υπέροχο άσμα των Γκάτσου – Χατζιδάκι. Αλλά… τι θα συνέβαινε αν αποκαλυπτόταν πως αυτά ισχύουν μόνο για τον «μεγάκοσμο» της ύλης που αντιλαμβανόμαστε εμείς, ενώ στον «νανόκοσμο» των κβάντων ο χρόνος είναι συμμετρικός; Διότι αυτό ακριβώς ισχυρίστηκε στο Physical Review Letters της 13ης Φεβρουαρίου 2015 (βλ. https://arxiv.org/pdf/1305.7270v2.pdf) ένας φυσικός του Πανεπιστημίου της Ουάσινγκτον στο Σεντ Λούις των ΗΠΑ –και μάλιστα με πειραματικές αποδείξεις. Ας δούμε πώς προέκυψε αυτή η… αλχημεία.

Εκείνο που όλοι έχουμε ακούσει για τον μυστηριώδη κόσμο των κβάντων είναι ότι μπορούμε μόνο να εικάσουμε την κατάστασή τους καθώς κάθε απόπειρα μέτρησής της τη μεταβάλλει: η ίδια η πράξη της μέτρησης αναγκάζει το σωματίδιο να καταρρεύσει σε μια οριστική κατάσταση –ποιος δεν έχει ακούσει για τη νεκροζώντανη γάτα του Σρέντινγκερ; Είναι σαν να έχει ο Σέρλοκ Χολμς εμπρός του το θύμα ενός εγκλήματος αλλά να μην μπορεί να το αγγίξει διότι το άγγιγμά του μπορεί να το μεταβάλει από ζωντανό σε νεκρό και τούμπαλιν. Αρα είναι μάλλον απίθανο να εξιχνιάσει το έγκλημα και τον δράστη του.

Αυτή η παραδοξότητα δεν είναι πλέον απόλυτα αληθής: από τη δεκαετία του 1980 ως σήμερα οι επιστήμονες έχουν σκαρφιστεί διάφορες διατάξεις που επιτρέπουν τη διάγνωση της κατάστασης των κβάντων χωρίς να την «ταράξουν». Για παράδειγμα, η διάταξη που χρησιμοποίησε στο πείραμά του ο εν λόγω φυσικός του Πανεπιστημίου της Ουάσινγκτον στο Σεντ Λιούις, ο Κέιτερ Μαρτς (Kater Murch), είναι ένα «τεχνητό άτομο που μπορεί να ακτινογραφηθεί με μικροκύματα». Στην πράξη, είναι ένα κύκλωμα που σε κατάσταση υπεραγωγιμότητας (ψυχόμενο σχεδόν στο απόλυτο μηδέν) εμφανίζει «κβαντισμένα ενεργειακά πεδία», όπως ένα άτομο. Οι δύο πόλοι της διάταξης αντιστοιχούν ο ένας στο κατώτερο ενεργειακό πεδίο (κατάσταση γείωσης, όπου τα ηλεκτρόνια σφιχταγκαλιάζουν τον πυρήνα ενός ατόμου) και ο άλλος σε ένα πεδίο διέγερσης (όπου τα ηλεκτρόνια κινούνται χαλαρά, σε απόσταση από τον πυρήνα). Ανάμεσα στις δύο αυτές ενεργειακές καταστάσεις υπάρχουν πάμπολλες ενδιάμεσες, οι λεγόμενες «υπερθέσεις» (superpositions).

Αν βάλεις αυτή τη διάταξη σε ένα κουτί και αφήσεις να διεισδύσει εντός του ένα φωτόνιο, η ενέργεια του φωτονίου θα συντονιστεί με κάποια από τα ενεργειακά πεδία των «φυλακισμένων» και θα τα διαταράξει. Αν όμως ρίξεις φωτόνιο με συχνότητα μικροκύματος, όπως κάνει ο Μαρτς, τότε το φωτόνιο διέρχεται από τη διάταξη χωρίς να συντονιστεί και εξέρχεται χωρίς να απορροφηθεί από τα κβάντα. Μετρώντας στην έξοδο την κυματοσυνάρτησή του, παίρνει κανείς την «ακτινογραφία» των ενεργειακών καταστάσεων που συνάντησε ως «αλλαγές φάσης» (μετατοπίσεις πλευρών και ακμών της κυματοσυνάρτησης του φωτονίου).

Στοιχειώδες, αγαπητέ Γουότσον!

Τρελές ανακαλύψεις: στον κόσμο των κβάντων ο χρόνος είναι συμμετρικός και… πιθανόν να συμβεί αυτό και στον δικό μας κόσμο!

Ο πιο απλός τρόπος για να κατανοήσει κανείς την ευαισθησία των κβάντων είναι να τα σκεφθεί σαν νόμισμα που στροβιλίζεται συνεχώς στον αέρα: έχει όλη την ώρα και «κορόνα» και «γράμματα», αλλά η μόνη στιγμή που «κάθεται» σε ένα από τα δύο είναι όταν το σταματήσεις (το μετρήσεις). Και βέβαια η πιθανότητα «να έλθει κορόνα ή γράμματα» είναι 50-50.

Ο Μαρτς και η ερευνητική ομάδα του έπαιξαν ένα παιχνίδι πρόβλεψης κρατώντας κρυφή την εκάστοτε «ακτινογραφία» που έβγαζε το όποιο μικροκυματικό φωτόνιο έριχναν στο κουτί. Χρησιμοποιώντας την εξίσωση Born έβρισκαν κάθε φορά την ενεργειακή υπέρθεση που θα «ακτινογραφούνταν» με πιθανότητα πρόβλεψης ακριβώς 50-50. Αλλά τότε ο Μαρτς είχε την ιδέα να αντιστρέψει τις εξισώσεις πιθανολογώντας το… παρελθόν. «Μπορείς να υπολογίσεις προς τα πίσω» εξήγησε «αν χρησιμοποιήσεις κάτι που ονομάζεται μήτρα αποτελέσματος (effect matrix). Απλά παίρνεις όλες τις εξισώσεις και τις αναποδογυρίζεις. Εξακολουθούν να λειτουργούν και σου επιτρέπουν να ακολουθήσεις την τροχιά του φωτονίου προς τα πίσω».

Το συγκλονιστικό που προέκυψε είναι ότι αυτή η «εκ των υστέρων πρόβλεψη» (retrodiction) ήταν κατά 90% ακριβής. Δηλαδή, όταν τελικά διάβαζαν την «ακτινογραφία» της μέτρησης, αυτή ταυτιζόταν με την «εκ των υστέρων πρόβλεψη» εννέα στις δέκα φορές. Αλλά το ακόμη πιο συγκλονιστικό ήταν το επόμενο συμπέρασμα: στον κβαντικό κόσμο ο χρόνος τρέχει τόσο προς τα εμπρός όσο και προς τα πίσω. Η μετρούμενη κβαντική κατάσταση εμπεριέχει πληροφορίες τόσο από το παρελθόν όσο και από το μέλλον της, πράγμα που αποδεικνύει ότι σε αυτόν τον «νανόκοσμο» των κβάντων ο χρόνος είναι συμμετρικός και το «βέλος του χρόνου»… δικέφαλο.

Αν δεχθούμε ότι αυτά τα πειραματικά δεδομένα ισχύουν πέραν πάσης αμφιβολίας, ορθώνονται τουλάχιστον τρία νέα μεγάλα ερωτήματα: κατά πρώτον, ποια είναι πλέον η πραγματική σχέση αιτίου – αιτιατού, κατά δεύτερον γιατί η «συμμετρία του χρόνου» εκδηλώνεται μόνο στις κβαντικές διαστάσεις και, κατά τρίτον, υπάρχουν προϋποθέσεις υπό τις οποίες το φαινόμενο θα μπορούσε να κλιμακωθεί ώστε να ισχύσει και στον δικό μας «μεγάκοσμο»;

«Δεν είναι σαφές το γιατί στον πραγματικό κόσμο –τον κόσμο που αποτελείται από πολλά σωματίδια –ο χρόνος πηγαίνει μόνο προς τα εμπρός και η εντροπία πάντοτε αυξάνεται» δήλωσε ο Μαρτς, «αλλά πολλοί ερευνητές καταγίνονται με αυτό το πρόβλημα και περιμένω ότι σε λίγα χρόνια θα λυθεί». Προκειμένου να βρεθεί απάντηση στη σχέση αίτιο – αιτιατό, ο ίδιος σκέφτεται να δοκιμάσει ένα νέο πείραμα όπου η κβαντική διάταξη θα επαναλαμβάνεται με βρόγχους ανατροφοδότησης (κρίκοι αλυσίδας αιτίου – αιτιατού). Τρέχοντας το πείραμα μέσω των βρόγχων προς τα μπρος και προς τα πίσω ταυτόχρονα ελπίζει ότι θα βρει την απάντηση. Πότε; «Χρειάζεσαι 20-30 λεπτά της ώρας για να τρέξεις ένα τέτοιο πείραμα» λέει χαρακτηριστικά ο Μαρτς, «αρκετές εβδομάδες για την επεξεργασία όσων προκύπτουν και… έναν χρόνο για να ξύνεις το κεφάλι σου ζυγιάζοντας αν είσαι τρελός ή όχι».

Ως προς το δεύτερο και το τρίτο ερώτημα τα πράγματα δείχνουν να έχουν μια απλή απάντηση: η συμμετρία του χρόνου παρατηρήθηκε μόνο στα κβάντα διότι μόνο σε αυτόν τον κυματικό νανόκοσμο έχουμε την αστάθεια των ενεργειακών υπερθέσεων. Τελεία και παύλα, λοιπόν, ο χρόνος για μας δεν γυρίζει πίσω. Σωστά;

«Οχι» απάντησαν προ δύο ετών τέσσερις ερευνητές του Πανεπιστημίου της Βιέννης με δημοσίευσή τους στο New Journal of Physics (https://iopscience.iop.org/1367-2630/15/8/083004). Συγκεκριμένα οι Michele Sclafani, Thomas Juffmann, Christian Knobloch και Markus Arndt κατόρθωσαν να επιτύχουν «κβαντική συνεκτική διάδοση» φθαλοκυανίνης (phthalocyanine) μέσα από τους σκελετούς χλωροπλαστικών διατόμων (του θαλασσινού φύκους Amphipleura pellucida). Δηλαδή, πήραν κβαντική συμπεριφορά από… μοριακές δομές! Μήπως, λοιπόν, η κλιμάκωση είναι εφικτή;

Επειδή οι εκπλήξεις μάλλον τώρα μόλις άρχισαν, έχετε τον νου σας στα «προσεχώς»: ένας εντελώς αλλιώτικος φυσικός κόσμος μπορεί να μας προκύψει στον αιώνα τούτο. Στο μεταξύ, μην ακούσω κανέναν να λέει «ποιος ο λόγος να ζαλίζουμε τα παιδιά στο λύκειο με κβαντομηχανικές θεωρίες;».