Η θεωρία των “ΠΟΛΛΩΝ ΚΟΣΜΩΝ” (του Hugh Everett III, 1957)

 

Η  θεωρία των  “ΠΟΛΛΩΝ ΚΟΣΜΩΝ”

Το άρθρο αυτό αναφέρεται στην Θεωρία των “Πολλών Κόσμων” (Many Interacting Worlds - MIW), η οποία είναι μια από πολλές θεωρίες της κβαντομηχανικής, που έχει έρθει στη δημοσιότητα τελευταία. Περιγράφει, πολύ περιληπτικά, τις βασικότερες έννοιες και εφαρμογές της θεωρίας αυτής. Όλα τα στοιχεία που παραθέτω τα συνέλεξα από “περιήγηση” μου στο Google, σχεδόν αποκλειστικά. Πρωτύτερα, απαραίτητο να διευκρινιστεί μία έννοια της κβαντικής φυσικής, αυτή της «Κυματοσυνάρτησης».

        Κυματοσυνάρτηση / Wave function. (Συνήθως συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα Ψ {\displaystyle \Psi \,} ψ ή Ψ) είναι η συνάρτηση (μαθηματική απεικόνιση) που περιγράφει ένα κύμα και ταυτόχρονα περιέχει πληροφορία για την κίνηση ενός σωματίου στο χώρο. Ως γνωστόν, βάσει της θεωρίας του “Κυματο-σωματιδιακού δυϊσμού” της ύλης, του De Broglie, που επιβεβαιώθηκε και πειραματικά, είναι δυνατόν υπό προϋποθέσεις  ένα σωμάτιο να συμπεριφέρεται συγχρόνως και σαν κύμα, με μήκος κύματος: λ= h/p, όπου h η σταθερά δράσεως του Πλανκ και p το μέτρο της ορμής του.

        Η Κυματοσυνάρτηση  ικανοποιεί την εξίσωση Schrödinger, η οποία είναι μία διαφορική εξίσωση που προτάθηκε, από τον Αυστριακό φυσικό Έρβιν Σρέντινγκερ το 1925, για να περιγράψει τη χρονική και χωρική εξάρτηση κβαντομηχανικών συστημάτων, αποτελεί δε πεδίο μετάδοσης κβαντικής πληροφορίας. Παίζει κεντρικό ρόλο στην κβαντομηχανική θεωρία, με σημασία ανάλογη του δεύτερου νόμου του Νεύτωνα στην κλασσική μηχανική (F = mγ).  

       Το τετράγωνο του μέτρου της κυματοσυνάρτησης έχει φυσικό νόημα, καθώς κατά τον Μαξ Μπορν αποτελεί την πυκνότητα πιθανότητας να βρεθεί ένα σωματίδιο που περιγράφεται από τη κυματοσυνάρτηση αυτή, μέσα σε ένα συγκεκριμένο στοιχειώδες όγκο. Η  Κυματοσυνάρτηση, κατά τον Schrödinger, καταρρέει κάθε φορά μετά από “γεγονός κρούσης” με άλλη.  

Μετά τις πιο πάνω στοιχειώδεις διευκρινίσεις, ακολουθεί το ιστορικό διαμόρφωσης της θεωρίας των “Πολλών Κόσμων”, το οποίον έχει ως εξής: 

1) Το έτος 1957 o Αμερικανός φυσικός Χιου Έβερετ ο Τρίτος / Hugh Everett  III δημοσίευσε αυτό που σήμερα αποκαλείται θεωρία των “Πολλών Κόσμων” (Many Interacting Worlds - MIW)  της κβαντομηχανικής. Η θεωρητική συνεισφορά του Έβερετ ήταν πραγματικά εντυπωσιακή, πολύ μπροστά από την εποχή της, γιατί έθεσε τις βάσεις για εφαρμογές, όπως η “Αποσυνοχή” / decoherence  (“Αποσυνοχή” ενός συστήματος έχουμε όταν οι κβαντικές ιδιότητες του χάνονται και το σύστημα καθίσταται κλασικό), οι κβαντικοί υπολογιστές και η κβαντική πληροφορία, που βρίσκονται σήμερα στην αιχμή της σύγχρονης επιστήμης.  Βέβαια, ο ίδιος o Έβερετ  δεν μίλησε για “Πολλούς κόσμους” per se (κατ’ ουσίαν), αλλά για την “Παγκόσμια κυματοσυνάρτηση”!

Η ιδέα αυτή - διδακτορική διατριβή του Χιου Έβερετ - αγνοήθηκε και σπάνια αναφέρονταν. Βρισκόταν θαμμένη σ’ ένα βιβλίο, που τα αντίτυπά του είχαν εξαντληθεί. Ελάχιστοι την είχαν διαβάσει και πολύ λιγότεροι την είχαν εκτιμήσει, ο δε Χ. Έβερετ απορρίφθηκε στο μεταπτυχιακό του από τη σχολή του, το Τμήμα Φυσικής του Πρίνστον! Σύμφωνα με τις συζητήσεις που κυκλοφορούσαν, διατύπωνε παράλογα, εξωφρενικά, πράγματα, όπως τα “Παράλληλα σύμπαντα”, και ότι το Σύμπαν μας χωρίζεται σε τέτοια “Παράλληλα σύμπαντα”, μόλις υλοποιήσουμε μια παρατήρηση, πράγμα που σήμαινε ότι υπάρχουν…… άπειρα σύμπαντα!

Οι “κόσμοι” στην θεωρία MWI δεν ορίζονται ξεκάθαρα, επειδή τα μαθηματικά που τα υποστηρίζουν είναι αυτά της κβαντικής θεωρίας, αυτά που χρησιμοποιούνται στην έννοια του κύματος. Αντίθετα, στη θεωρία MIW, οι κόσμοι είναι εξαρχής ενσωματωμένοι στη μαθηματική θεωρία! 

Όπως σημειώνει o Χ. Έβερετ, όταν δημιούργησε τη θεωρία MIW, δεν προσπαθούσε να εφεύρει μια νέα ερμηνεία της κβαντομηχανικής βασισμένη στην έννοια των παράλληλων κόσμων που αλληλοεπιδρούν……… 

«Προσπαθούσα να αναπτύξω μια αποτελεσματική μέθοδο για την επίλυση κβαντικών προβλημάτων σε υπολογιστές, χρησιμοποιώντας “κβαντικές τροχιές”. Ξαφνικά, μου έκανε εντύπωση το πώς μπορούσες να “βγάλεις” τα πάντα από τις ίδιες τις τροχιές, χωρίς να χρειάζεται κυματοσυνάρτηση!  Αυτό ήταν το πρώτο βήμα: Τα μαθηματικά που ήταν βασισμένα σε τροχιές, σε αντικατάσταση των μαθηματικών που ήταν βασισμένα στην κυματοσυνάρτηση!  Αλλά τότε, σκεπτόμενος τι μπορεί να σημαίνουν αυτές οι πολλές τροχιές, μου έγινε ξεκάθαρο ότι θα μπορούσαν να ερμηνευτούν….. ως πολλοί κόσμοι»! 

Ποια ήταν όμως η ριζοσπαστική ιδέα του Έβερετ, πάνω στην οποίαν και βασίζεται η πρωτοπόρα θεωρία του; Ήταν ότι η “κυματοσυνάρτηση δεν καταρρέει ποτέ”. Μα ποτέ!.... όπως οι φυσικοί επιστήμονες, συμφωνούντες την άποψη του Σρέντιγκερ (βλ. πιο πάνω), δέχονται ότι γίνεται!

Κατά τον Έβερετ  εξακολουθεί πάντα να υπάρχει μια “κυματοσυνάρτηση” και μια “κβαντική πραγματικότητα”, εντός της οποίας πολλά από τα σωματίδια που συνιστούν το Σύμπαν βρίσκονται ταυτοχρόνως σε δυο θέσεις (όπως δέχεται η περί “κβαντ. Διεμπλοκής” θεωρία, βλ. και σχετικό άρθρο μου). Στην πράξη αυτό μοιάζει σαν το Σύμπαν να έχει χωριστεί σε δυο παράλληλα σύμπαντα! Στο τέλος του πειράματος, συμπεραίνει τελικά ο Έβερετ, θα υπάρχουν δυο διαφορετικές εκδοχές, κάθε μία από τις οποίες θα λογίζεται εξίσου πραγματική όσο και η άλλη,  χωρίς καμία απ’ αυτές να έχει ιδέα για την ύπαρξή της άλλης!

Αυτό αποτελεί μια άκρως τολμηρή πρόταση, αφού έχει σαν συνέπεια τη δημιουργία απειραρίθμων συμπάντων. Ο διαχωρισμός σε παράλληλα σύμπαντα πραγματοποιείται διαρκώς, ασταμάτητα, ανεβάζοντας το πλήθος των κβαντικών συμπάντων σε ασύλληπτα ιλιγγιώδες ύψος, αν κι εφόσον βέβαια, τέτοιοι διαχωρισμοί λαμβάνουν χώρα από την εποχή της Μεγάλης Έκρηξης σε κάθε εκδοχή της φυσικής ιστορίας που μπορούμε να φανταστούμε και  με την προϋπόθεση να μην παραβιάζεται κανείς φυσικός νόμος…..

Η “ολότελα τρελή” αυτή εκδοχή του Χιου Έβερετ για την κβαντική μηχανική, όπως γράψαμε, απορρίφθηκε “μετ’ επαίνων” και αγνοήθηκε για αρκετό καιρό από την επιστημονική κοινότητα. Η περιφρόνηση του έργου του για μια τουλάχιστον δεκαετία, είχε σαν αποτέλεσμα, ο Χιου Έβερετ να μην μπορεί να βρει δουλειά στον χώρο της φυσικής. Απογοητευμένος απ’ όλους και όλα…. «το ‘ριξε στα ποτά και τα τσιγάρα»….. και το 1982 πέθανε από καρδιακή προσβολή, σε ηλικία 51 ετών.

2) Το 1990 ο Σουηδός φυσικός Μαξ Τέγκμαρκ / Max Tegmark επανέφερε το θέμα και πρόβαλε την κοσμοθεωρία, που ο πρόωρος θάνατος του Χιού  Έβερετ δεν του επέτρεψε να ολοκληρώσει. Η θεωρία όμως πρακτικά άρχισε να παίρνει αξία, μάλιστα να γίνεται δημοφιλής, χάρη στον διάσημο θεωρητικό της κβαντικής βαρύτητας, τον Αμερικανό Μπράις ΝτεΒίτ / Bryce DeWitt, ο οποίος και την ονόμασε “Ερμηνεία των Πολλών κόσμων”, ονομασία που παγιώθηκε από τότε. 

Εδώ, αξίζει ν’ αναφερθεί το εξής περιστατικό μεταξύ των δύο πιο πάνω φυσικών: Ο Μαξ Τέγκμαρκ συνομιλώντας με τον Μπράις ΝτεΒίτ, του είπε ότι…..

“….. του άρεσαν τα μαθηματικά στην θεωρία του Έβερετ, αλλά τον ενοχλεί που, σύμφωνα μ’ αυτήν, ο εαυτός του χωρίζεται διαρκώς σε παράλληλες εκδοχές!”. 

Τότε, ο ΝτεΒίτ του αποκρίθηκε μ’ ένα παράδειγμα, που του ανέφερε ο ίδιος ο Έβερετ όταν κι’ αυτός κάποτε του είχε  διατυπώσει ανάλογα σχόλια:…

“Αισθάνεσαι μήπως ότι διαγράφεις τροχιά γύρω από τον Ήλιο με ταχύτητα τριάντα χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο;”

Όπως η κλασική φυσική προβλέπει ότι περιφερόμαστε γύρω από τον Ήλιο, χωρίς αυτό να το αισθανόμαστε, έτσι και ο Έβερετ έδειξε ότι η “άνευ κατάρρευσης” κβαντική φυσική μας διαχωρίζει σε παράλληλους κόσμους, χωρίς αυτό ποτέ να το αντιλαμβανόμαστε! (“Kατάρρευση” εννοεί βέβαια αυτήν της κυματοσυνάρτησης που περιγράφει το Σύμπαν. Ο Έβερετ,, επαναλαμβάνω άλλη μια φορά, απέκλειε ότι συμβαίνει ποτέ, ενάντια στην κρατούσα άποψη μεταξύ των φυσικών). 

4) Την πιο πάνω θεωρία αναλύει (σε blog post του στην αμερικανική έκδοση της Huffington Post) ο καθηγητής Χημείας και Φυσικής Μπιλ Πουαριέ του Texas Tech University, επισημαίνοντας ότι μέσω αυτής παρέχεται μία “πιθανή εξήγηση” πάνω σε μια σειρά παράδοξων φαινομένων που παρατηρούνται σε κβαντικά πειράματα…

........ “Διευκρινίζω εκ των προτέρων ότι αυτή η νέα θεωρία MIW δεν αποδεικνύει τίποτα οριστικό σχετικά με την πραγματική φύση της κβαντικής πραγματικότητας, τουλάχιστον όχι ακόμα. Αυτό, επειδή δεν έχουν γίνει πειράματα τα οποία να ξεχωρίζουν τις προβλέψεις της θεωρίας MIW από την καθιερωμένη κβαντική θεωρία. Οι άλλες θεωρίες κβαντομηχανικής υποθέτουν την ύπαρξη ενός ειδικού τύπου κβαντικού κύματος, υπό την ονομασία “κυματοσυνάρτηση”. Η θεωρία MIW προβαίνει στις ίδιες προβλέψεις, χωρίς τη χρήση κυματοσυνάρτησης”  αναφέρει ο καθηγητής Πουαριέ.

Βάσει της θεωρίας MIW, λοιπόν, η κβαντική πραγματικότητα δεν αποτελεί κύμα, αλλά μία απέραντη “συλλογή” παράλληλων κόσμων!  Στον καθένα κόσμο εξ αυτών, κάθε αντικείμενο έχει πολύ συγκεκριμένα φυσικά χαρακτηριστικά, όπως είναι η  “θέση” και η “ορμή”. Μέσα σ’ ένα τέτοιο κόσμο, τα αντικείμενα αλληλοεπιδρούν “κλασικά”, δηλαδή βάσει της Νευτώνειας Φυσικής. Αλλά επιπρόσθετα σ’ αυτό, οι “κοντινοί κόσμοι” αλληλοεπιδρούν επίσης, και είναι ακριβώς αυτή η αλληλεπίδραση η αιτία, από την οποία προκύπτουν όλα τα κβαντικά φαινόμενα που επισυμβαίνουν στη Φύση!

Τι εννοούμε όμως λέγοντας “κοντινοί κόσμοι”;  Σημαίνει “άλλοι κόσμοι” που έχουν όλα τα σωματίδια ίδια με τον “δικό μας κόσμο” και στις ίδιες σχεδόν θέσεις. Τα “αντίγραφα” των σωματιδίων που ζουν στον άλλο κόσμο, πρέπει να είναι πολύ κοντά στα “αυθεντικά”, αυτά του κόσμου μας, για να μπορούν οι δύο κόσμοι να αλληλοεπιδρούν κβαντικά-μηχανικά.  Η απόσταση μεταξύ κάθε σωματιδίου και του αντιγράφου του πρέπει να είναι πρακτικά σε νανοσκοπική κλίμακα σημειώνει ο καθηγητής Μπιλ Πουαριέ.… Όμως…… 

αν τα σωματίδια είναι “διαφορετικά”, τότε τα ίδια δεν χρειάζεται να είναι κοντά μεταξύ τους για να πραγματοποιηθούν κβαντικές επιδράσεις…. συμπληρώνει. Απομακρυσμένα σωματίδια μπορεί να συνδέονται έμμεσα, χάρη σε κβαντικές αλληλεπιδράσεις, με έναν κοντινό κόσμο! 

Κλείνοντας, ο καθηγητής Μπιλ Πουαριέ επισημαίνει…. «Πρόκειται για μια νέα ερμηνεία, η οποία δεν αντικαθιστά απαραίτητα τις παλαιότερες ερμηνείες, αλλά έχει επάξια μια θέση μεταξύ τους». Διευκρινίζει πως, όσον αφορά στη δυνατότητα επικοινωνίας με άλλα σύμπαντα, δεν ισχύει ακριβώς ότι κάτι τέτοιο μπορεί να συμβεί…. 

........ Μόνο πολύ κοντινοί κόσμοι αλληλοεπιδρούν, που είναι ανεπαίσθητα διαφορετικοί ο ένας από τον άλλον. Αν ένα “σήμα” αποστελλόταν από έναν κόσμο σ’ έναν άλλο, που θα ήταν αρκετά μεγάλο για να αλλάξει σημαντικά την κατάσταση ενός ανθρώπινου εγκεφάλου, τότε οι δύο κόσμοι θα απομακρύνονταν πάρα πολύ από το να επικοινωνήσουν περαιτέρω…..

5) Η θεωρία των “πολλών κόσμων” (MIW) τελευταία έχει τύχει ευρείας δημοσιότητας (Προφανώς! λόγω των εντυπώσεων που προκαλεί) και σε πληθώρα μέσων, όπως internet, εφημερίδες και περιοδικά, μυθιστορήματα και τηλεοπτικές παραγωγές επιστημονικής φαντασίας κλπ.

6) Στην απορία: “Που βρίσκονται  αυτοί οι πολλαπλοί κβαντικοί κόσμοι (σύμπαντα)”  που λέει η θεωρία, τα μεν κλασσικά μαθηματικά δεν απαντούν, τα δε μοντέρνα λένε ότι αυτοί οι κόσμοι μπορεί να βρίσκονται ακριβώς μπροστά μας (σε απόσταση νανοχιλιοστού, αν θέλετε) σ’ ό,τι αφορά τον τρισδιάστατο χώρο, αλλά είναι διαχωρισμένα από εμάς σ’ αυτό που οι μαθηματικοί ονομάζουν “χώρο Χίλμπερτ”, έναν αφηρημένο χώρο με άπειρες διαστάσεις του οποίου τα δομικά στοιχεία είναι οι κυματοσυναρτήσεις!....  

Μια άλλη αόριστη, αλλά κατανοητή απάντηση είναι: Πιθανόν κάθε “άλλος” κόσμος διαθέτει ίδιο (δικό του) φυσικό χώρο, όπως είναι ο “δικός” μας, ενδεχομένως απαράλλακτος, όχι απαραίτητα ταυτόσημος….