Αϊνστάιν, Μπορ και η διαμάχη για την Κβαντομηχανική

Η κβαντομηχανική είναι ίσως η πιο σημαντική επιστημονική θεωρία του εικοστού αιώνα και πιθανόν η λιγότερο κατανοητή, κατά γενική ομολογία, ακόμη και από τους ίδιους τους φυσικούς. Η κβαντική θεωρία αμφισβητεί τους νόμους της κλασικής φυσικής και φέρνει στο προσκήνιο φιλοσοφικά ερωτήματα σχετικά με την ικανότητά μας να κατανοήσουμε πραγματικά, όχι μόνο το μικροφυσικό κόσμο του ατόμου, αλλά και τον μακροφυσικό κόσμο της καθημερινότητας που κατοικούμε.

Αν προσπαθήσει κανείς, να ξεχωρίσει τους δύο επιστήμονες που διαμόρφωσαν περισσότερο τη Φυσική στον εικοστό αιώνα, κατά πάσα πιθανότητα θα καταλήξει στα ονόματα των Αϊνστάιν και Μπορ: ο πρώτος διατύπωσε τη Θεωρία της Σχετικότητας και άνοιξε τον δρόμο της Κβαντομηχανικής και ο δεύτερος, ακολουθώντας αυτόν το δρόμο, άλλαξε ριζικά την εικόνα της φύσης για τους φυσικούς. Είναι αξιοσημείωτο ότι η ζωή των δύο αυτών επιστημόνων είχε πολλά κοινά σημεία, ένα από τα οποία ήταν η μακροχρόνια διαφωνία τους σχετικά με την ορθότητα αυτή καθεαυτή της Κβαντομηχανικής.

Αλμπερτ Αϊνστάιν

Ο Αϊνστάιν γεννήθηκε το 1879 στο Ουλμ της Γερμανίας και, όπως και ο Νεύτωνας, ήταν μέτριος μαθητής. Στα παιδικά του χρόνια μάλιστα άργησε τόσο πολύ να μιλήσει, ώστε οι γονείς του άρχισαν να φοβούνται ότι ήταν καθυστερημένος. Παρακολούθησε σπουδές Μέσης Εκπαίδευσης στην Ιταλία, όπου όμως αναγκάστηκε να εγκαταλείψει το Λύκειο με την υπόδειξη των καθηγητών του, οι οποίοι ούτε λίγο ούτε πολύ είχαν την άποψη ότι δεν θα πετύχει τίποτε στη ζωή του.
Συνέχισε τις σπουδές του σε κολέγιο της Ελβετίας, όπου συνήθιζε να μην πηγαίνει στις παραδόσεις, για να βρίσκει χρόνο να μελετάει μόνος του Θεωρητική Φυσική. Με το τέλος των σπουδών του, το 1901, έγινε ελβετός υπήκοος και διορίστηκε υπάλληλος στο Γραφείο Ευρεσιτεχνιών της Βέρνης. Η εργασία αυτή του άφηνε αρκετό ελεύθερο χρόνο για να ασχοληθεί με αυτό που αγαπούσε περισσότερο, την έρευνα. Αποτέλεσμα της ερευνητικής εργασίας του ήταν ότι σε τέσσερα μόλις χρόνια, το 1905, πήρε το διδακτορικό του δίπλωμα. Την ίδια χρονιά δημοσίευσε πέντε εργασίες, από τις οποίες οι τρεις έμειναν στην ιστορία και αποτέλεσαν βασικά στοιχεία τριών κλάδων της Φυσικής: της Κβαντομηχανικής, της Στατιστικής Φυσικής και της Σχετικότητας.

Οι σημαντικές εργασίες του

Στην πρώτη εργασία ερμήνευσε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, που είχε παρατηρήσει πειραματικά ο Λενάρ, χρησιμοποιώντας για πρώτη φορά την υπόθεση του Πλανκ ότι το φως δεν εκπέμπεται συνεχώς αλλά σε μικρά πακέτα ενέργειας, που ονομάζονται κβάντα. Στη δεύτερη εργασία θεμελίωσε τη μαθηματική θεωρία της κίνησης Μπράουν, δηλαδή της τυχαίας χαοτικής κίνησης που εκτελούν τα μόρια ενός αερίου ή υγρού, λόγω της θερμοκρασίας που έχουν. Τέλος, η τρίτη εργασία είναι αυτή όπου παρουσίασε τη Θεωρία της Ειδικής Σχετικότητας, σύμφωνα με την οποία η ανώτερη δυνατή ταχύτητα στη φύση είναι η ταχύτητα του φωτός, c, και η μάζα είναι ισοδύναμη με την ενέργεια σύμφωνα με την περίφημη σχέση Ε = mc2. Η θεωρία αυτή εξηγούσε το «παράδοξο» αποτέλεσμα του πειράματος των Μάικελσον και Μόρλεϊ, σύμφωνα με το οποίο η ταχύτητα του φωτός είναι η ίδια, είτε την μετράμε όντας ακίνητοι είτε την μετράμε κινούμενοι, ακόμη και με μεγάλη ταχύτητα. Μια άλλη σημαντική συνέπεια αυτής της θεωρίας είναι ότι η χρονική σειρά δύο γεγονότων μπορεί να αναστραφεί, αν τα παρατηρήσει κανείς κινούμενος με διαφορετικό τρόπο. Ετσι χάνεται η έννοια του αίτιου και του αιτιατού, αφού δεν γνωρίζει κανείς ποιο γεγονός προκάλεσε το άλλο!

Αναγνώριση του έργου του

Παρά το γεγονός ότι σήμερα θεωρούμε αυτές τις τρεις εργασίες σταθμούς στην ιστορία της Φυσικής, εκείνη την εποχή δεν είχαν γίνει ομόφωνα δεκτές από τη διεθνή επιστημονική κοινότητα. Χρειάστηκαν, λοιπόν, τέσσερα χρόνια ώσπου να βρει μια θέση καθηγητή στο Πανεπιστήμιο της Ζυρίχης. Η φήμη του όμως είχε αρχίσει να απλώνεται και έτσι το 1913, με τη βοήθεια του Πλανκ, ιδρύθηκε μια θέση ειδικά γι' αυτόν στο Ινστιτούτο Φυσικής του Βερολίνου. Εκεί ολοκλήρωσε τη σημαντικότερη συνεισφορά του στη σύγχρονη Φυσική, τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας. Η θεωρία αυτή, που αποτελεί γενίκευση της Θεωρίας της Παγκόσμιας Ελξης του Νεύτωνα, θεωρεί ότι η δύναμη βαρύτητας δεν οφείλεται στην έλξη που αναπτύσσεται ανάμεσα σε δύο σώματα, αλλά στο γεγονός ότι η παρουσία του ενός σώματος καμπυλώνει τον χωρόχρονο, στον οποίο κινείται το άλλο. Παρ' όλη τη σύντομη πειραματική επαλήθευση μερικών από τις προβλέψεις της θεωρίας, μεγάλη μερίδα των θεωρητικών φυσικών αντιμετώπιζε για πολλά χρόνια τη Γενική Σχετικότητα με σκεπτικισμό. Αποτέλεσμα αυτής της κατάστασης ήταν να του απονεμηθεί το 1921 το βραβείο Νομπέλ για την ερμηνεία του φωτοηλεκτρικού φαινομένου και όχι για τη διατύπωση της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας.

Το 1930 ο Αϊνστάιν επισκέφθηκε το Πολυτεχνείο της Καλιφόρνιας και βρισκόταν ακόμη εκεί όταν ο Χίτλερ ανέβηκε στην εξουσία. Επειδή ήταν εβραϊκής καταγωγής προτίμησε να μην επιστρέψει στη Γερμανία και δέχθηκε μια μόνιμη θέση που του είχε προσφέρει το Ινστιτούτο Προχωρημένων Σπουδών του Πρίνστον.

Διαμάχη με τον Μπορ

Ο Αϊνστάιν δεν μπόρεσε ποτέ να αποδεχθεί τα συμπεράσματα της Κβαντομηχανικής, και μάλιστα την ερμηνεία που είχε διαμορφώσει η σχολή της Κοπεγχάγης. Συνήθιζε να λέει ότι ο Θεός δεν παίζει ζάρια, αναφερόμενος στο γεγονός ότι η Κβαντομηχανική υπολογίζει μόνο την πιθανότητα να συμβεί ένα γεγονός, οπότε η μελλοντική κατάσταση ενός συστήματος σωμάτων δεν είναι μονοσήμαντα γνωστή. Η διαμάχη του γι' αυτό το θέμα με τον Μπορ έμεινε ιστορική. Από το 1930 ως το τέλος της ζωής του, το 1955, προσπάθησε να ενοποιήσει τη βαρύτητα με τον ηλεκτρομαγνητισμό. Δυστυχώς αυτός ο στόχος αποδείχθηκε πολύ δύσκολος, ακόμη και για μια διάνοια όπως ο Αϊνστάιν. Ετσι δεν είναι περίεργο που ως σήμερα δεν το έχει καταφέρει κανένας άλλος.

Νιλς Μπορ

Ο Νιλς Μπορ ήταν γιος καθηγητή Φυσιολογίας. Γεννήθηκε το 1885 και σπούδασε στο Πανεπιστήμιο της Κοπεγχάγης, όπου, εκτός από εξαιρετικός φοιτητής, ήταν και πολύ καλός παίκτης στην ποδοσφαιρική ομάδα του πανεπιστημίου. Το 1911, αφού πήρε το διδακτορικό του, ταξίδεψε στην Αγγλία, όπου δούλεψε με τον Τόμσον (που ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο) και τον Ράδερφορντ (που ανακάλυψε το άτομο).
Τον καιρό που δούλευε με τον Ράδερφορντ σκέφθηκε να συνδυάσει το μοντέλο του τελευταίου για τη δομή του ατόμου (όπου τα αρνητικά φορτισμένα και ελαφρά ηλεκτρόνια περιφέρονται γύρω από τον θετικά φορτισμένο και βαρύ πυρήνα) με τη Θεωρία των Κβάντα του Πλανκ. Στη θεωρία του υπέθεσε ότι το ηλεκτρόνιο (α) μπορεί να ακολουθεί μόνον ορισμένες τροχιές, και όχι οποιεσδήποτε, και (β) ακτινοβολεί όχι συνεχώς, όπως ήταν η ως τότε κρατούσα άποψη, αλλά μόνο όταν αλλάζει τροχιά. Με τη θεωρία αυτή κατόρθωσε να ερμηνεύσει όλες τις φασματικές γραμμές που εκπέμπει το υδρογόνο. Για τη θεωρία του αυτή πήρε το βραβείο Νομπέλ το 1922.

Το γεγονός ότι μπορούμε να θεωρήσουμε το ηλεκτρόνιο είτε σωματίδιο (όπως στη δική του θεωρία) είτε κύμα (όπως στη θεωρία του Σρέντινγκερ) οδήγησε τον Μπορ στο να διατυπώσει την αρχή της συμπληρωματικότητας. Σύμφωνα με αυτήν την αρχή, κάθε φαινόμενο του μικρόκοσμου μπορεί να εξεταστεί με δύο διαφορετικούς τρόπους, είτε υποθέτοντας ότι αλληλεπιδρούν σωματίδια είτε υποθέτοντας ότι αλληλεπιδρούν κύματα.

Η σχολή της Κοπεγχάγης

Κατά τη διάρκεια των δεκαετιών του 1920 και 1930 ο Μπορ ήταν διευθυντής του Ινστιτούτου Ατομικής Φυσικής της Κοπεγχάγης Νιλς Μπορ, το οποίο χρηματοδοτούσε η ζυθοποιία Κάρλσμπεργκ! Ηταν τόσο ικανός στο να συγκεντρώνει κοντά του νέους ικανούς επιστήμονες, ώστε η Κοπεγχάγη εκείνη την εποχή μπορούσε να συγκριθεί ως επιστημονικό κέντρο μόνο με την Αλεξάνδρεια των ύστερων ελληνιστικών χρόνων. Η ερμηνεία της Κβαντομηχανικής που εισηγήθηκε ο Μπορ έμεινε γνωστή ως ερμηνεία της «σχολής της Κοπεγχάγης». Βασικά στοιχεία αυτής της ερμηνείας ήταν η αρχή της συμπληρωματικότητας του Μπορ και η αρχή της απροσδιοριστίας του Χάιζενμπεργκ. Σύμφωνα με την τελευταία, δεν είναι δυνατό να γνωρίζουμε ταυτόχρονα και με ακρίβεια τη θέση και την ταχύτητα ενός σώματος.

Στη διάρκεια των δεκαετιών 1920-1930 έμεινε ιστορική η διαμάχη του με τον Αϊνστάιν, ο οποίος δεν μπορούσε να δεχθεί την πιθανοκρατική φύση της Κβαντομηχανικής. Ο Αϊνστάιν προσπαθούσε να επινοήσει νοητά πειράματα για να αποδείξει την ασυνέπεια της Κβαντομηχανικής. Σε κάθε τέτοια προσπάθεια ο Μπορ κατάφερνε να βρει το σημείο της συλλογιστικής όπου ο Αϊνστάιν έκανε λάθος. Μάλιστα σε μια από τις απαντήσεις του σημείωσε ότι ο Αϊνστάιν είχε παραλείψει να εφαρμόσει ένα βασικό συμπέρασμα της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας, σύμφωνα με το οποίο τα ρολόγια επιβραδύνονται μέσα σε ένα ισχυρό βαρυτικό πεδίο.

Η διάσπαση του ατόμου


Το 1939 πρότεινε ότι το κατάλληλο ισότοπο για την κατασκευή της ατομικής βόμβας ήταν το ουράνιο-235, γεγονός που αποδείχθηκε σωστό το 1945 στη Χιροσίμα. Το 1943 ο Μπορ εγκατέλειψε τη Δανία, επειδή φοβόταν ότι επέκειτο σύλληψή του από τους Γερμανούς, και κατέληξε στην Αγγλία μέσω Σουηδίας. Προτού φύγει όμως διέλυσε σε βασιλικό ύδωρ (μείγμα νιτρικού και υδροχλωρικού οξέος) τα χρυσά μετάλλια των βραβείων Νομπέλ των γερμανών φυσικών Φρανκ και Λάουε, τα οποία του είχαν εμπιστευθεί οι βραβευθέντες (το δικό του το είχε χαρίσει νωρίτερα για την ανακούφιση των Φινλανδών από τα δεινά του πολέμου). Οταν, μετά το τέλος του Β' Παγκοσμίου Πολέμου, επέστρεψε στην Κοπεγχάγη, ανέκτησε το χρυσάφι από το βασιλικό ύδωρ και αναπαρήγαγε τα δύο μετάλλια. Οπως και ο Αϊνστάιν, τα τελευταία χρόνια της ζωής του εργάστηκε με πάθος για την ειρήνη. Το 1950 με ανοικτή επιστολή στα Ηνωμένα Εθνη ζήτησε την ελεύθερη διακίνηση των επιστημονικών πληροφοριών και το 1955 οργάνωσε το πρώτο Συνέδριο Ειρήνης στη Γενεύη. Πέθανε το 1962 στην Κοπεγχάγη.

To συνέδριο του Solvay

Στο 5ο συνέδριο του Solvay, το 1927 στις Βρυξέλλες, πραγματοποιήθηκε μια από τις πιο ιστορικές επιστημονικές συνευρέσεις όλων των εποχών. Από τους 29 σπουδαίους φυσικούς που συμμετείχαν, οι 17 ήταν (ή έγιναν) κάτοχοι βραβείου Νόμπελ Φυσικής. Η συνάντηση τους ήταν από μόνη της ένα αξιομνημόνευτο γεγονός. Αυτό που έκανε το συνέδριο να μείνει στην ιστορία όμως, ήταν η διαμάχη των δύο τιτάνων της φυσικής. Αϊνστάιν και Μπορ, ίσως οι δύο σπουδαιότεροι φυσικοί του 20ου αιώνα, βρέθηκαν αντιμέτωποι.

Οι φυσικοί της εποχής βρέθηκαν σε αδιέξοδο. Η αρχή της απροσδιοριστίας του Χάιζενμπεργκ που δημοσιεύτηκε εκείνη τη χρονιά, σύμφωνα με την οποία δεν είναι δυνατό να μετρηθεί ταυτόχρονα η θέση και η ταχύτητα ενός σωματιδίου, ήταν κάτι που δεν θα μπορούσαν να δεχτεί ένας ντετερμινιστής.
Το συνέδριο είχε ως στόχο την προσπάθεια να δοθεί μια γενική ερμηνεία στα παράδοξα φαινόμενα που είχαν προκύψει μέσω της κβαντικής θεωρίας. Να βρεθεί, ίσως, μια κοινή συνισταμένη ώστε οι φυσικοί να συνεχίσουν να εργάζονται έχοντας πιο συγκεκριμένες και σταθερές βάσεις. Ωστόσο, από αυτή την άποψη, η συνάντηση απέτυχε παταγωδώς.
(Φωτογραφία με τους συμμετέχοντες του 5ου συνεδρίου του Solvay)

Αφού ακούστηκαν απόψεις διάφορων φυσικών όπως ο Σρέντιγκερ και ο ντε Μπρολί, ήρθε η σειρά του Μπορ να πάρει τον λόγο, για να προσθέσει την... σταγόνα που ξεχείλισε το ποτήρι της αιτιοκρατίας. Σύμφωνα με την πιθανολογική θεωρία που ασπαζόταν, ο Μπορ πρότεινε πως για την μελέτη φαινομένων, όπως για παράδειγμα τις κυματικές εξισώσεις, χρειάζεται να υπολογιστούν σώματα που στην πραγματικότητα μπορεί και να μην υπάρχουν. Οπως «διατάζουν» οι νόμοι των πιθανοτήτων.

Αυτά που είπε ο Μπορ, αργότερα έμειναν στην ιστορία ως «η ερμηνεία της Κοπεγχάγης». Μια μεγάλη μερίδα των παρευρισκόμενων τάχθηκαν υπέρ του, στηρίζοντας ουσιαστικά πως ο κόσμος μας είναι καθαρά πιθανοκρατικός και πως η πλήρη κατανόηση του ενδέχεται να ξεπερνάει τα όρια της λογικής.

Αρκετοί ήταν αυτοί που διαφώνησαν με αυτήν την προοπτική. Ανάμεσα τους και ο Αϊνστάιν, ο οποίος πήρε τον λόγο για να αντικρούσει τα επιχειρήματα του Μπορ. «Αυτό που αποκαλούμε επιστήμη, έχει ως μοναδικό στόχο την διαπίστωση και την εξήγηση όσων υπάρχουν» είπε χαρακτηριστικά. «Είναι λάθος να θεωρούμε πως το καθήκον της φυσικής είναι να μάθει πως είναι η φύση» απάντησε ο Μπορ, σε μια συζήτηση καθαρά φιλοσοφικού χαρακτήρα.

Η  νίκη του Μπορ;

Με τον έναν να είναι υπέρμαχος της τυχαιότητας και τον άλλο να βλέπει την επιστήμη ως κάτι καθαρά αιτιοκρατικό, η αντιπαράθεση ήταν αδύνατο να λυθεί μέσα σε ένα και μόνο συνέδριο. Το 1935, ο Αϊνστάιν μαζί με τους Ποντόλκσι και Ρόζεν, δημιούργησαν ένα παράδοξο το οποίο ταρακούνησε την κβαντική θεωρία, χαρακτηρίζοντας ως «μη ικανοποιητική» την ερμηνεία της Κοπεγχάγης.

Το γνωστό ως «Παράδοξο EPR» είχε να κάνει με το φαινόμενο της κβαντικής διεμπλοκής, κάτι που δεν θα μπορούσε να εξηγηθεί αναλυτικά σε ένα άρθρο. Ωστόσο, η προσπάθεια του Αϊνστάιν δημιούργησε προβλήματα στην θεωρία του Μπορ. Παρόλα αυτά, ακόμα και με ένα παράδοξο στην... πλάτη, ακόμα και χωρίς σαφή αιτιοκρατία πίσω από τις πιθανότητες, οι νόμοι της Κβαντικής Θεωρίας επιβεβαιώνονται καθημερινά από πειραματικά αποτελέσματα.

Οι επιστήμονες σήμερα έχουν αποδεχτεί πως σε αυτήν την ιστορική αντιπαράθεση, νικητής ήταν ο Μπορ. Αυτά που πρότεινε ο Δανός φυσικός, μαζί με τους υπόλοιπους υποστηρικτές της πιθανολογικής εξήγησης, είναι δεδομένο, πλέον, πως ισχύουν, έστω και χωρίς... φυσική εξήγηση. Από την στιγμή που κάτι «δουλεύει» άψογα πειραματικά, χωρίς το παραμικρό ίχνος λάθους, είναι σωστό.

Ηταν ο Αϊνστάιν λάθος, όταν έλεγε πως η θεωρία είναι ημιτελής, επειδή δεν έχει θεωρητικό υπόβαθρο πίσω από την πιθανότητες; Αυτό είναι κάτι που ακόμα και σήμερα δεν είναι γνωστό. Το σίγουρο είναι πως η Κβαντική Θεωρία είναι σωστή και ως σήμερα αποτελεί το εργαλείο για πλήθος νέων τεράστιων ανακαλύψεων.

Ο Bohr, πίστευε ότι τα σωματίδια μεταφέρουν αμέσως τις πληροφορίες σε άλλα, ακόμα και σε μεγάλες αποστάσεις, αντίθετα ο Αϊνστάιν, πίστευε ότι δεν υπήρχε σύνδεση μεταξύ των σωματιδίων, αλλά αντ 'αυτού τα πάντα είχαν αποφασιστεί πολύ πριν να τα δούμε. Ο Βορειοιρλανδός φυσικός John Bell έθεσε αυτό το ερώτημα κάτω από πειράματα. Ένα μηχάνημα σχεδιάστηκε για να δοκιμάσει ένα μεγάλο αριθμό σωματιδίων. Μετά από διάφορα πειράματα, αποδείχθηκε ότι ο Bohr είχε δίκιο. Η μέτρηση ενός σωματιδίου επηρεάζει ξαφνικά το άλλο,  και η απόσταση μεταξύ τους δεν υπάρχει. Ο Αϊνστάιν πίστευε ότι η στοιχειωμένη δράση από απόσταση ήταν αδύνατη, αλλά πειραματικά αποτελέσματα έδειξαν ότι ήταν η πραγματικότητα, υπάρχει η στοιχειωμένη δράση και είχε λάθος.

0 σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου