του Θόδωρου Κουτσουμπού
Τρεις φυσικοί επιστήμονες, βαθείς σκαπανείς της κβαντομηχανικής, μοιράστηκαν το βραβείο Νόμπελ φυσικής για το 2022. Ο Γάλλος Alain Aspect (γεννημένος το 1947), του Πανεπιστημίου Paris-Saclay και της École Polytechnique, Palaiseau, ο Αμερικανός John F. Clauser (γεννημένος το 1942), ερευνητής φυσικός και ο Αυστριακός Anton Zeilinger (γεννημένος το 1945), καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης, τιμήθηκαν για τις πρωτοπόρες έρευνες και πειράματα στην κβαντική θεωρία.
Στο δελτίο τύπου της σουηδικής ακαδημίας αναφέρονται συνοπτικά οι λόγοι απονομής τού βραβείου:
«Ο Alain Aspect, ο John Clauser και ο Anton Zeilinger έχουν κάνει ο καθένας πρωτοποριακά πειράματα χρησιμοποιώντας κβαντικές καταστάσεις εναγκαλισμού (entangled, entanglement -εναγκαλιζόμενες˙ ο όρος έχει αποδοθεί στα ελληνικά και ως συν-πλοκή ή διεμβολή), όπου δύο σωματίδια συμπεριφέρονται σαν μια ενιαία μονάδα ακόμα και όταν είναι διαχωρισμένα. Τα αποτελέσματά τους έχουν ανοίξει το δρόμο για τη νέα τεχνολογία που βασίζεται σε κβαντικές πληροφορίες.
Τα αποτελέσματα της κβαντικής μηχανικής έχουν αρχίσει να βρίσκουν εφαρμογές. Υπάρχει πλέον ένα μεγάλο πεδίο έρευνας που περιλαμβάνει κβαντικούς υπολογιστές, κβαντικά δίκτυα και ασφαλή κβαντική κρυπτογραφημένη επικοινωνία.
Ένας βασικός παράγοντας σε αυτήν την εξέλιξη είναι ο τρόπος με τον οποίο η κβαντική μηχανική επιτρέπει σε δύο ή περισσότερα σωματίδια να υπάρχουν σε αυτό που ονομάζεται εναγκαλιζόμενη κατάσταση. Αυτό που συμβαίνει σε ένα από τα σωματίδια ενός εναγκαλιζόμενου ζεύγους καθορίζει τι συμβαίνει με το άλλο σωματίδιο, ακόμα κι αν είναι πολύ μακριά».
Για πολύ καιρό, το ερώτημα ήταν αν η συσχέτιση οφειλόταν στο ότι τα σωματίδια σε ένα συν-πλεγμένο ζεύγος περιείχαν κρυφές μεταβλητές, δηλαδή οδηγίες που τους λένε ποιο αποτέλεσμα έπρεπε να δώσουν σε ένα πείραμα. Το 1964, ο βορειο-Ιρλανδός φυσικός John Stewart Bell ανέπτυξε τη μαθηματική ανισότητα που πήρε το όνομά του. Σε μια ορισμένη κβαντομηχανική ποσότητα ένα άθροισμα είναι πάντοτε μικρότερο ή ίσο από έναν αριθμό.
Η ανισότητα του Bell έχει τη ρίζα της σε μια μεγάλη θεωρητική διαμάχη των δεκαετιών του 1920-30. Αναπτύχθηκε προκειμένου να δοθεί απάντηση σε ερωτήματα που δίχασαν την επιστημονική κοινότητα κατά τις δεκαετίες διαμόρφωσης της κβαντομηχανικής (της μιας από τις δύο μεγάλες επιστημονικές επαναστάσεις στη φυσική του 20ού αιώνα, η άλλη είναι η θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν), με πρωταγωνιστές από τη μια τους Αϊνστάιν, Ντε Μπρέιγ, Σρέντιγκερ και από την άλλη τους Μπορ, Μπορν, Χάιζεμπεργκ κ.ά. Το 1935 οι Αϊνστάιν, Podolsky και Rosen διατύπωσαν ένα “κριτήριο φυσικής πραγματικότητας” για τα φυσικά μεγέθη, που έμεινε γνωστό στην ιστορία της φυσικής ως παράδοξο EPR. Το παράδοξο EPR στηριζόταν σε τρεις παραδοχές: ορθότητα της κβαντικής μηχανικής, πληρότητα της κβαντικής μηχανικής, ύπαρξη διαχωρίσιμων στοιχείων τής πραγματικότητας. Όπως σημειώνει ο Franco Selleri (Franco Selleri, Η διαμάχη για την Κβαντική Θεωρία, μτφ Νίκος Ταμπάκης, εκδ. Gutenberg), για να απαλλαγούμε από το παράδοξο έπρεπε να εγκαταλειφθεί μία από τις τρεις παραδοχές. Επειδή η πρώτη και η τρίτη παραδοχή δεν ήταν δυνατό να εγκαταλειφθούν, καθώς θάπρεπε να εγκαταλειφθεί όλο το οικοδόμημα της φυσικής, ο Αϊνστάιν προτίμησε την εγκατάλειψη της παραδοχής της πληρότητας της κβαντικής θεωρίας, σαν διέξοδο από το παράδοξο.
Σύμφωνα με την ανισότητα του Bell, εάν υπάρχουν κρυφές μεταβλητές, η συσχέτιση μεταξύ των αποτελεσμάτων ενός μεγάλου αριθμού μετρήσεων δεν θα υπερβεί ποτέ μια ορισμένη τιμή. Ωστόσο, η κβαντομηχανική προβλέπει ότι ένας συγκεκριμένος τύπος πειράματος θα παραβιάσει την ανισότητα του Bell, οδηγώντας έτσι σε έναν ισχυρότερο συσχετισμό από ό,τι θα ήταν διαφορετικά. Εδώ αρχίζει το συναρπαστικό ταξίδι των τριών φυσικών που στις 3 Οκτωβρίου βραβεύτηκαν.
Ο John Clauser, ήδη από το 1969, ανέπτυξε τις ιδέες του John Bell και το 1972, με τον συνάδελφό του Freedman, πραγματοποίησε ένα σχετικό πείραμα, κατασκευάζοντας μία διάταξη που έστελνε δύο εναγκαλιζόμενα φωτόνια σε αντίθετες κατευθύνσεις, προς ένα σταθερό σύνολο φίλτρων πόλωσης. Ανάλογα με τις γωνίες των φίλτρων και την πόλωση των φωτονίων, τα φωτόνια είτε μπλοκαρίστηκαν είτε περνούσαν μέσα από τον ανιχνευτή. Τα μετρούμενα ποσοστά σύμπτωσης ξεπέρασαν το όριο που θα μπορούσε να εξηγηθεί από τις τοπικές θεωρίες κρυφών μεταβλητών… Οι μετρήσεις υποστήριζαν την κβαντομηχανική παραβιάζοντας σαφώς την ανισότητα Bell.
Κάποια κενά παρέμειναν μετά το πείραμα του John Clauser. Ο Alain Aspect ανέπτυξε τη ρύθμιση, χρησιμοποιώντας την με τρόπο που έκλεισε ένα σημαντικό κενό. Μπόρεσε να αλλάξει τις ρυθμίσεις μέτρησης αφού ένα εναγκαλιζόμενο ζεύγος είχε φύγει από την πηγή του, οπότε η ρύθμιση που υπήρχε όταν εκπέμπονταν δεν μπορούσε να επηρεάσει το αποτέλεσμα.
Χρησιμοποιώντας εκλεπτυσμένα εργαλεία και μεγάλες σειρές πειραμάτων, ο Anton Zeilinger άρχισε να χρησιμοποιεί εναγκαλιζόμενες κβαντικές καταστάσεις. Μεταξύ άλλων, η ερευνητική του ομάδα έχει επιδείξει ένα φαινόμενο που ονομάζεται κβαντική τηλεμεταφορά, το οποίο καθιστά δυνατή τη μετακίνηση μιας κβαντικής κατάστασης από ένα σωματίδιο σε ένα άλλο σε απόσταση.
Το 1997 ο Zeilinger και η ομάδα του πραγματοποίησαν την πρώτη πειραματική επίδειξη κβαντικής τηλεμεταφοράς και στη συνέχεια εκτέλεσαν μια παρόμοια λειτουργία γνωστή ως εναλλαγή εμπλοκής. Τα πειράματα έδειξαν ότι παραβιάζεται η ανισότητα Bell.
Επιβεβαιώνεται, επομένως, ότι o εναγκαλισμός (entanglement) είναι βαθύτερο δομικό στοιχείο της κβαντομηχανικής, στοιχείο πλήρους διαφοροποίησής από την κλασική αντίληψη της φυσικής.
Συγχρόνως, εκτός της βαθύτερης θεωρητικής γνώσης, μια νέα κβαντική τεχνολογία αναδύεται. «Έχει γίνει όλο και πιο σαφές ότι ένα νέο είδος κβαντικής τεχνολογίας αναδύεται. Μπορούμε να δούμε ότι το έργο των βραβευθέντων με τις εναγκαλιζόμενες καταστάσεις έχει μεγάλη σημασία, ακόμη και πέρα από τα θεμελιώδη ερωτήματα σχετικά με την ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής», λέει ο Anders Irbäck, Πρόεδρος της Επιτροπής Νόμπελ για τη Φυσική.
Η παλιά διαμάχη για τα θεμέλια της φυσικής, σαφώς έχει κοπάσει, οι ακραίες θετικιστικές και ιδεαλιστικές φωνές («η ύλη εξαφανίστηκε», ή ακόμη: «τα άτομα και τα θεμελιώδη σωματίδια διαθέτουν κάποιο στοιχειώδη βαθμό συνείδησης»), έχουν εκλείψει. Αυτό που έχει αποδειχθεί είναι ότι η ανάπτυξη της κατανόησης του φυσικού κόσμου είναι περίπλοκη – ωστόσο κάθε φορά η ανθρώπινη γνώση προχωρά βαθύτερα στην κατανόηση του κόσμου. Κριτήριο -από την εποχή του Γαλιλαίου- για την ορθότητα των θεωριών μας είναι το πείραμα και η πράξη. Τελικά, τα πειράματα των τριών βραβευθέντων φυσικών και μιας πλειάδας άλλων, σημαντικών, και επίσης, όπως ο Zeilinger αναγνώρισε σε δηλώσεις του μετά τη βράβευσή του, και εκατοντάδων φοιτητών, μεταπτυχιακών και άλλων («περισσότερων από 100 νέων που δούλεψαν μαζί μου για χρόνια και τα έκαναν όλα δυνατά»), έδειξαν ότι η φύση πάντα μας εκπλήσσει, και όπως ο ίδιος ο Zeilinger πρόσθεσε, «…αυτή είναι μια λεωφόρος για νέα έρευνα».
Και αντίθετα με την νεοφιλελεύθερη αντίληψη που θέλει να συνδέει το πανεπιστήμιο και την επιστημονική έρευνα με την επιχειρηματικότητα, τις πρακτικές εφαρμογές και… το θεό-κέρδος, οι τρεις φυσικοί δεν ακολούθησαν αυτή την πορεία. Αφιέρωσαν τη ζωή τους στη θεμελιώδη έρευνα, επινόησαν πειράματα για τη μελέτη θεμελιωδών θεωρητικών προβλημάτων της κβαντικής φυσικής, για τον έλεγχο της ανισότητας Bell και… τελικά επιβραβεύτηκαν!
