«Μόνο τα άτομα και το κενό είναι πραγματικά» είπε ο αρχαίος Έλληνας φιλόσοφος Δημόκριτος. «Στην πραγματικότητα είναι λίγο πιο περίπλοκο από αυτό. Τα άτομα μπορεί επίσης να είναι κύματα, το κενό αποτελείται από πεδία και όλοι θα χρειαστεί να αρχίσουν να χρησιμοποιούν τη λέξη “κβαντικό” συνεχώς».

Ο Δημόκριτος υπήρξε πρωτοπόρος του ατομισμού – της ιδέας ότι τα πάντα στο σύμπαν μπορούν να χωριστούν σε άτομα, τα οποία δεν μπορούν να διαιρεθούν περαιτέρω. Αλλά καθώς συμπληρώνονται 100 χρόνια από την ανάπτυξη της κβαντικής μηχανικής το 1925, γεννάται το ερώτημα αν, κάπου σε μια γωνιά του σύμπαντος, εκείνος και άλλοι αρχαίοι φιλόσοφοι θα μπορούσαν να είχαν αναπτύξει μια εκδοχή της θεωρίας χιλιετίες νωρίτερα. Κι αν ναι, πώς θα έμοιαζε αυτός ο κόσμος; 

«Η ιστορία θα μπορούσε να είχε ξεκινήσει πριν από 2400 χρόνια» υποστηρίζει ο Μπομπ Κουκ, επικεφαλής επιστήμονας της εταιρείας κβαντικής υπολογιστικής Quantinuum. Για εκείνον το σημείο καμπής ήταν όταν ο Παρμενίδης, ένας ακόμη αρχαίος Έλληνας φιλόσοφος που δήλωσε ότι το σύμπαν είναι ενιαίο και αμετάβλητο. Πίστευε ακόμη και ότι η κίνηση είναι αδύνατη — κάτι που ο σύγχρονός του Ηράκλειτος φέρεται να προσπάθησε να αντικρούσει κουνώντας το χέρι του μπροστά στο πρόσωπό του. Ο Παρμενίδης δεν το δέχτηκε: το γεγονός ότι το χέρι ήταν σε ένα σημείο και μετά σε ένα άλλο, δεν σημαίνει – υποστήριζε – ότι μπορούμε να πούμε πως κινήθηκε. 

Ο Παρμενίδης ενέπνευσε τον Δημόκριτο, ο οποίος – αρκετά λογικά – απέρριψε την παράλογη άποψη ότι η κίνηση είναι αδύνατη, αλλά αποδέχτηκε την ιδέα μιας αμετάβλητης πραγματικότητας. Ο ατομισμός του συνδύασε αυτές τις δύο αρχές επιτρέποντας στον κόσμο που παρατηρούμε να αλλάζει, ενώ τα θεμελιώδη αδιαίρετα άτομα που συνθέτουν την πραγματικότητα παραμένουν ίδια. 

Η ιδέα της πραγματικότητας ως στιγμιότυπου που εξελίσσεται με την πάροδο του χρόνου αποτελεί τη βάση της κλασικής φυσικής, αλλά ο Κουκ τη βλέπει ως εκτροπή, επειδή – όπως λέει – επικράτησε ο λάθος φιλόσοφος. Ο ίδιος έχει προτείνει μια ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής που δίνει έμφαση στις διαδικασίες και τις σχέσεις μεταξύ τους, όπως περίπου έβλεπε τη φυσική της ύλης ο Ηράκλειτος. «Ο Ηράκλειτος προτιμούσε την αντίληψη της πραγματικότητας ως διαδικασία, όπου όλα βρίσκονται σε διαρκή ροή». 

Αυτή η σχεσιακή θεώρηση υποστηρίχθηκε αργότερα από τον Γκότφριντ Βίλχελμ Λάιμπνιτς (Gottfried Wilhelm Leibniz) τον 17ο αιώνα, αλλά δεν αναπτύχθηκε πλήρως ως θεωρία της κβαντικής μηχανικής μέχρι τα τέλη του 20ού αιώνα – μια χαμένη ευκαιρία, λέει ο Κουκ. «Η επιστήμη θα μπορούσε να είχε εξελιχθεί εντελώς διαφορετικά αν είχαμε ξεκινήσει με τον Ηράκλειτο και είχαμε αγνοήσει τον Δημόκριτο». 

Ίσως, αλλά κάποιοι διαφωνούν. «Αν εξετάσεις τις μεμονωμένες ιδέες μιας θεωρίας, καμία δεν είναι τόσο παράξενη ώστε να μην έχει σκεφτεί κάποιος κάποτε» υποστηρίζει από τη μεριά του ο Μασιμιλιάνο Μπαντίνο (Massimiliano Badino) από το Πανεπιστήμιο της Βερόνα στην Ιταλία. «Το θέμα είναι ότι δεν μιλάμε απλώς για μια σειρά από τρελές, απομονωμένες ιδέες. Πρόκειται για μια ολοκληρωμένη, λειτουργική θεωρία». 

Σίγουρα αν αναλύσει κανείς τα απαραίτητα συστατικά της κβαντικής μηχανικής γίνεται σαφές ότι πολλά από αυτά θα ήταν απρόσιτα για τους αρχαίους Έλληνες. «Θα πρέπει να έχεις μια βαθιά κατανόηση του ηλεκτρομαγνητισμού, για τον οποίο οι Έλληνες δεν είχαν απολύτως καμία ιδέα πέρα από τον στατικό ηλεκτρισμό», λέει ο Σουμάν Σεθ (Suman Seth) από το Πανεπιστήμιο Κορνέλ στην Πολιτεία της Νέας Υόρκης. Δεν ήταν παρά τη δεκαετία του 1860 που ο Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ έδειξε ότι ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός είναι δύο όψεις του ίδιου νομίσματος. 

Επιπλέον, θα χρειαζόταν και κάποια γνώση άλλων ιδεών της ίδιας περίπου εποχής. «Χρειάζεσαι κατανόηση της θεωρίας πεδίου που έρχεται με τον [Μάικλ] Φαραντέι. Χρειάζεσαι κατανόηση της στατιστικής μηχανικής, η οποία αναπτύχθηκε τον 19ο αιώνα» τονίζει ο Σεθ. 

Μάλλον πρέπει να αποκλειστούν οι αρχαίοι Έλληνες. Οι ιδέες τους κυριάρχησαν μέχρι την επιστημονική επανάσταση που έθεσε τα θεμέλια της σύγχρονης επιστήμης — οπότε, τι γίνεται με κάποιον όπως ο Νεύτων; Τον 17ο αιώνα ο Νεύτων πρότεινε ότι το φως αποτελείται από σωματίδια που ονόμασε “corpuscles”, μια πνευματική συνέχεια των ατόμων του Δημόκριτου. Οι ιδέες του αντιπαρατέθηκαν με αυτές του Κρίστιαν Χόιχενς, ο οποίος πίστευε ότι το φως ήταν καθαρά κυματικό φαινόμενο. Εκείνη την εποχή η σωματιδιακή θεωρία του Νεύτωνα επικράτησε και δεν ανατράπηκε παρά μόνο τον 19ο αιώνα, όταν τα πειράματα του Τόμας Γιανγκ απέδειξαν αδιαμφισβήτητα την κυματική φύση του φωτός. 

Σήμερα, γνωρίζουμε ότι και ο Νεύτων και ο Χόιχενς είχαν εν μέρει δίκιο. Η δυαδική φύση κυμάτων-σωματιδίων, η ιδέα ότι θεμελιώδεις οντότητες όπως το φως μπορούν να συμπεριφέρονται και ως κύματα και ως σωματίδια αποτελεί βασικό στοιχείο της κβαντικής μηχανικής. Μπορούσε, λοιπόν, ο Νεύτων να φτάσει εκεί νωρίτερα; «Με μια διαφορετική κοσμοθεωρία, ίσως», λέει ο Μπομπ Κουκ, αλλά δεν θα έμοιαζε με τη θεωρία που γνωρίζουμε σήμερα. «Οι άνθρωποι θα είχαν καταλήξει σε μια διαφορετική φυσική θεωρία και δεν θα την αποκαλούσαν κβαντομηχανική, επειδή γι’ αυτούς δεν θα είχε να κάνει με κβάντα», αναφερόμενος στα διακριτά πακέτα με τα οποία εκπέμπεται η ενέργεια. 

Αν υποθέσουμε ότι φανταζόμαστε μια πιο συμβατική πορεία προς την κβαντική μηχανική, ο Σουμάν Σεθ λέει ότι ο Νεύτων δεν θα μπορούσε να τα είχε καταφέρει, γιατί απλώς δεν διέθετε τα πειραματικά δεδομένα που απαιτούνταν για να θεμελιώσει την κβαντική θεωρία. «Ο Νεύτων, όπως γνωρίζουμε, ήταν ένα από τα μεγαλύτερα μυαλά που έχει αναδείξει ποτέ ο κόσμος, αλλά τα προβλήματα που προσπαθούσε να λύσει δεν είχαν καμία σχέση με τα προβλήματα που προέκυψαν αργότερα, όπως για παράδειγμα η ατομική φασματοσκοπία». 

Η φασματοσκοπία, δηλαδή η μελέτη των φασμάτων φωτός που απορροφώνται ή εκπέμπονται από ένα αντικείμενο παρείχε ένα από τα βασικά σημάδια ότι κάτι δεν πήγαινε καλά με τη κλασική φυσική στα τέλη του 19ου αιώνα. «Η κρίση στη κλασική μηχανική ήταν ουσιαστική για την ανάπτυξη της κβαντικής θεωρίας», λέει ο Σεθ. 

Εκείνη την εποχή, οι φυσικοί δυσκολεύονταν να κατανοήσουν το λεγόμενο πρόβλημα του μέλανος σώματος, το οποίο αφορά τη συμπεριφορά ενός θεωρητικού αντικειμένου που απορροφά όλη την ακτινοβολία που προσπίπτει πάνω του. Ο Νεύτων είχε συζητήσει την έννοια αυτή στο βιβλίο του Opticks το 1704, αλλά οι φυσικοί άρχισαν να την εξετάζουν σε βάθος μόνο μετά την ανάπτυξη συσκευών όπως τα φασματόμετρα, τον 19ο αιώνα. 

Με την πάροδο του χρόνου οι παρατηρήσεις έδειξαν ξεκάθαρα ότι το φάσμα της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από ένα τέτοιο αντικείμενο εξαρτάται από τη θερμοκρασία του: όσο πιο καυτό είναι, τόσο περισσότερη ακτινοβολία εκπέμπει σε μικρότερα μήκη κύματος – γι’ αυτό, για παράδειγμα, μια σιδερένια ράβδος αρχικά κοκκινίζει, μετά κιτρινίζει και τελικά γίνεται λευκή καθώς θερμαίνεται. Όμως τα καλύτερα θεωρητικά μοντέλα της εποχής προέβλεπαν ότι η ενέργεια που απελευθερώνεται στις μικρότερες υπεριώδεις συχνότητες θα μπορούσε να είναι άπειρη – κάτι που προφανώς δεν ήταν φυσικά εφικτό. 

Αυτό το αδιέξοδο, που αργότερα ονομάστηκε υπεριώδης καταστροφή (ultraviolet catastrophe) λύθηκε από τον Μαξ Πλανκ το 1900, ο οποίος έκανε μια ριζοσπαστική πρόταση. Αντί να υποστηρίξει την αποδεκτή άποψη ότι η ακτινοβολία εκπέμπεται συνεχώς από το μέλανο σώμα, πρότεινε ότι αυτή θα μπορούσε να απελευθερώνεται μόνο σε διακριτά πακέτα ενέργειας – τα κβάντα. Με αυτήν την παραδοχή το νέο του μοντέλο ταίριαξε τέλεια με τις παρατηρήσεις των φασμάτων μέλανος σώματος. 

Αλλά αυτό ήταν μόνο η αρχή της ιστορίας. Για τα επόμενα 25 χρόνια οι γίγαντες της φυσικής θα πάλευαν να κατανοήσουν τι σήμαινε πραγματικά αυτή η παράξενη ιδέα. Αρχικά η έννοια της ποσοτικοποίησης της ενέργειας θεωρήθηκε απλώς ως ένα υπολογιστικό τέχνασμα για να βγει το σωστό αποτέλεσμα και όχι ως μια πραγματική αντανάκλαση της φύσης της πραγματικότητας. 

Οι φυσικοί ήταν ήδη εξοικειωμένοι με τέτοια τεχνάσματα χάρη στην ανάπτυξη της στατιστικής μηχανικής από τον Λούντβιχ Μπόλτσμαν τον 19ο αιώνα, καθώς η κλασική φυσική αδυνατούσε να περιγράψει πλήρως τη συμπεριφορά μεγάλου αριθμού σωματιδίων —όπως για παράδειγμα την κίνηση των ατόμων σε ένα αέριο— ο Μπόλτσμαν στράφηκε σε εργαλεία από τη θεωρία πιθανοτήτων για να προσεγγίσει τη συμπεριφορά τους. Αυτή η προσέγγιση ήταν ιδιαίτερα επιτυχημένη και αργότερα ενέπνευσε και τον Πλανκ στην αναζήτησή του για τα κβάντα. 

Κατά την περίοδο από το 1900 έως το 1925, αυτή η θεώρηση των κβάντων ενέργειας ως απλής μαθηματικής διόρθωσης στην κλασική φυσική οδήγησε στην ανάπτυξη αυτού που σήμερα αποκαλούμε «παλαιά κβαντική θεωρία» (old quantum theory) και όχι της πλήρους κβαντικής μηχανικής. Tο 1905 ο Άλμπερτ Αϊνστάιν πρότεινε ότι τα ηλεκτρόνια που εκπέμπονται όταν το φως χτυπά ένα υλικό — το λεγόμενο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο — μπορούν να εξηγηθούν μόνο αν το φως αποτελείται από επιμέρους σωματίδια, τα οποία αργότερα ονομάστηκαν φωτόνια. Η εργασία αυτή τού χάρισε το Νόμπελ Φυσικής το 1921. 

Το 1913, ο Νιλς Μπορ ανέπτυξε το πρώτο ποσοτικοποιημένο μοντέλο του ατόμου, στο οποίο τα ηλεκτρόνια μπορούν να καταλαμβάνουν μόνο συγκεκριμένα επίπεδα ενέργειας. Με αυτό το μοντέλο κατάφερε να εξηγήσει πλήρως τα δεδομένα της ατομικής φασματοσκοπίας του υδρογόνου — και απέσπασε το Νόμπελ Φυσικής το 1922. Το 1925, όταν ο Βέρνερ Χάιζενμπεργκ αποφάσισε να «θεμελιώσει μια θεωρητική κβαντική μηχανική βασισμένη αποκλειστικά στις σχέσεις μεταξύ ποσοτήτων που είναι, κατ’ αρχήν, παρατηρήσιμες». Με άλλα λόγια, τα φασματοσκοπικά δεδομένα —κι όχι φανταστικές ιδέες περί ηλεκτρονίων που περιφέρονται γύρω από ατομικούς πυρήνες— έπρεπε να βρίσκονται στην καρδιά μιας αληθινής κβαντικής θεωρίας. Μαζί με τον Μαξ Μπορν και τον Πασκουάλ Γιόρνταν, ο Χάιζενμπεργκ ανέπτυξε την εκδοχή της κβαντικής θεωρίας γνωστή ως «μηχανική πλεγμάτων» (matrix mechanics).  

Η εγκατάλειψη της ιδέας του ατόμου ως ένα τακτοποιημένο πακέτο σωματιδίων και η αποδοχή της αληθινής του φύσης ως μιας θολής μάζας πιθανοτήτων ήταν το εννοιολογικό άλμα που επέτρεψε τη γέννηση της σύγχρονης κβαντικής μηχανικής. Ένα τέτοιο άλμα θα ήταν αδύνατο για τους αρχαίους Έλληνες, οι οποίοι έβλεπαν την τυχαιότητα και την αβεβαιότητα ως απλώς τη βούληση των θεών. Ο Νεύτωνας, επίσης, θα δυσκολευόταν να το κατανοήσει, καθώς οι νόμοι της κίνησής του στηρίζονταν στην βεβαιότητα και το απόλυτο. Ακόμα και ο Αϊνστάιν, που έζησε αυτή την επανάσταση, δυσκολεύτηκε να την αποδεχθεί, δηλώνοντας διάσημα: «Ο Θεός δεν παίζει ζάρια με το σύμπαν». Και στην πραγματικότητα, ακόμα παλεύουμε με την ερμηνεία της κβαντομηχανικής σήμερα. «Εκατό χρόνια αργότερα, δεν υπάρχει απολύτως καμία συμφωνία για το τι υποτίθεται ότι σημαίνει όλο αυτό». 

Με όλα αυτά κατά νου φαίνεται πως το νοητικό πείραμα περί εναλλακτικού σύμπαντος μάς έφερε πίσω στο αρχικό μας συμπέρασμα: η κβαντική επανάσταση ξεκίνησε πριν από 100 χρόνια και δεν υπήρχε ουσιαστική δυνατότητα να ξεκινήσει νωρίτερα. 

*Με στοιχεία από το New Scientist.

 

 

➪ Ακολουθήστε το OLAFAQ στο Facebook, Bluesky και Instagram.