Φανταστείτε έναν κόσμο όπου θα μπορούσατε να βρίσκεστε ταυτόχρονα στο γραφείο σας και σε μια παραλία, ή όπου ένα νόμισμα που ρίχνετε στον αέρα θα ήταν και κορώνα και γράμματα την ίδια στιγμή, μέχρι να το κοιτάξετε. Στο μικροσκοπικό σύμπαν των ατόμων και των υποατομικών σωματιδίων, αυτή η «διπλή» πραγματικότητα δεν είναι επιστημονική φαντασία, αλλά καθημερινός νόμος της φύσης.
Οι επιστήμονες πέρασαν εξήντα χρόνια διαφωνώντας για το γιατί η κβαντική παραδοξότητα που επιτρέπει στα άτομα να υπάρχουν σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα, εξαφανίζεται όταν φτάνουμε σε μια γάτα, ένα φλιτζάνι καφέ ή έναν άνθρωπο. Ένα νέο πείραμα που πραγματοποιήθηκε κάτω από ένα ιταλικό βουνό μόλις απέκλεισε μία από τις κύριες εξηγήσεις: ότι η ίδια η βαρύτητα είναι αυτή που εξαλείφει το φαινόμενο.
Κάπου ανάμεσα σε ένα ηλεκτρόνιο και έναν άνθρωπο, οι νόμοι της φυσικής αλλάζουν. Η κβαντομηχανική επιτρέπει σε ένα άτομο να υπάρχει σε δύο καταστάσεις ταυτόχρονα —για παράδειγμα, να περιστρέφεται προς τα αριστερά και προς τα δεξιά την ίδια στιγμή— κάτι που είναι αδύνατο να φανταστούμε στην ανθρώπινη κλίμακα. Κανείς δεν έχει δει ποτέ έναν άνθρωπο, ή έστω έναν κόκκο σκόνης, σε δύο μέρη ταυτόχρονα.
Ο Έρβιν Σρέντινγκερ (Erwin Schrödinger) ώθησε αυτή την αντίφαση στα όριά της το 1935 με το πασίγνωστο πλέον νοητικό του πείραμα: μια γάτα κλεισμένη σε ένα κουτί με έναν μηχανισμό που μπορεί να τη σκοτώσει ή όχι, ανάλογα με την κατάσταση ενός ραδιενεργού σωματιδίου.
Μέχρι κάποιος να κοιτάξει στο εσωτερικό του κουτιού, σύμφωνα με τη θεωρία, η γάτα είναι ταυτόχρονα και ζωντανή και νεκρή. Η διαδικασία που διαλύει αυτή την κβαντική παραδοξότητα στην κοινή βεβαιότητα της καθημερινής ζωής —η στιγμή που η γάτα «αποφασίζει» αν είναι ζωντανή ή νεκρή— ονομάζεται αποσυνεκτικότητα (decoherence). Οι φυσικοί τη μελετούν εδώ και δεκαετίες και ακόμα δεν συμφωνούν στο τι ακριβώς την προκαλεί.
Ένα νέο πείραμα που χρηματοδοτήθηκε από το Foundational Questions Institute (FQxI) μόλις απέκλεισε μία από τις πιο ισχυρές υποψήφιες εξηγήσεις: την ιδέα ότι η ίδια η βαρύτητα είναι ο ένοχος που καταστρέφει την κβαντική υπέρθεση.
Η θεωρία του 1966 που άντεξε στον χρόνο: Η βαρύτητα ως κβαντικός «δολοφόνος»
Από την εποχή του Αϊνστάιν, η φυσική αντιμετωπίζει τη βαρύτητα όχι ως δύναμη με την κλασική έννοια, αλλά ως συνέπεια του τρόπου με τον οποίο η μάζα καμπυλώνει το υφάδι του χωροχρόνου. Το 1966, ο Ούγγρος θεωρητικός φυσικός Φρίγκιες Κάρολιχαζι (Frigyes Károlyházy) πήγε αυτή την ιδέα ένα βήμα παραπέρα.
Γράφοντας στο περιοδικό Il Nuovo Cimento, πρότεινε ότι ο χωροχρόνος δεν είναι ποτέ απόλυτα ακίνητος — αντίθετα, παρουσιάζει συνεχείς διακυμάνσεις σε μικροσκοπική κλίμακα, και αυτές οι διακυμάνσεις διαβρώνουν σταδιακά κάθε κβαντική υπέρθεση, μέχρι που τα μεγάλα αντικείμενα απλώς δεν μπορούν πλέον να τη διατηρήσουν. Ο Κάρολιχαζι δίδασκε στο Πανεπιστήμιο Έτβος Λόραντ (Eötvös Loránd University) στη Βουδαπέστη και ήταν γνωστός στους φοιτητές του επειδή εξηγούσε την κβαντική φυσική μέσα από καθημερινές αναλογίες και όχι μόνο με καθαρά μαθηματικά.
Πέθανε το 2012 χωρίς να προλάβει να δει το μοντέλο του να επιβεβαιώνεται ή να απορρίπτεται οριστικά. Η ιδέα του όμως δεν έμεινε θαμμένη: τα τελευταία χρόνια, ο φυσικός Άντζελο Μπάσι (Angelo Bassi) —επίσης μέλος του FQxI— και οι συνεργάτες του την επανεξέτασαν και της έδωσαν μια πιο γενική μορφή, αναζωπυρώνοντας το ενδιαφέρον για τη δοκιμή της με όργανα που δεν υπήρχαν τη δεκαετία του 1960.Εδώ όμως κρύβεται η παγίδα: Οι διακυμάνσεις που πρότεινε ο Κάρολιχαζι δεν μπορούν να παρατηρηθούν άμεσα. Αν όμως είναι πραγματικές, θα έπρεπε να αφήνουν ένα μετρήσιμο ίχνος.
Κλονίζοντας τον χωροχρόνο, θα έπρεπε να ταρακουνούν και να επιταχύνουν τυχαία κάθε φορτισμένο σωματίδιο — και ένα φορτισμένο σωματίδιο που επιταχύνεται εκπέμπει ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Θα επρόκειτο για ένα αμυδρό σήμα, το οποίο θα μπορούσε εύκολα να χαθεί μέσα στον θόρυβο υποβάθρου που προκαλείται από τις κοσμικές ακτίνες και τη φυσική ραδιενέργεια του περιβάλλοντος. Η ανίχνευσή του απαιτεί σχεδόν απόλυτη «σιγή» – και το πιο ήσυχο μέρος στη Γη για μια τέτοια αναζήτηση βρίσκεται κάτω από ένα βουνό στην κεντρική Ιταλία.
Θωρακισμένοι στα έγκατα της Γης: Το υπόγειο οχυρό της κβαντικής φυσικής
Το Εθνικό Εργαστήριο του Γκραν Σάσο (LNGS), το οποίο διοικείται από το Εθνικό Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής της Ιταλίας (INFN), βρίσκεται περίπου 120 χιλιόμετρα (75 μίλια) βορειοανατολικά της Ρώμης.
Είναι λαξευμένο σε σήραγγες κάτω από 1.400 μέτρα βράχου στα Απέννινα Όρη —μια απόσταση που ισοδυναμεί με περισσότερα από τρία κτίρια Empire State Building τοποθετημένα το ένα πάνω στο άλλο. Πρόκειται μακράν για το μεγαλύτερο υπόγειο εργαστήριο στον κόσμο αφιερωμένο στη θεμελιώδη φυσική, καθώς αυτό το τεράστιο πάχος βράχου λειτουργεί ως ένα σχεδόν τέλειο φίλτρο ενάντια στην κοσμική ακτινοβολία που κατακλύζει κάθε ανιχνευτή στην επιφάνεια της Γης.
«Ένα από τα βαθύτερα ερωτήματα στη σύγχρονη φυσική είναι το γιατί η παράξενη κβαντική συμπεριφορά που διέπει τα άτομα και τα στοιχειώδη σωματίδια φαίνεται να εξαφανίζεται στον μακροσκοπικό κόσμο που βιώνουμε καθημερινά», αναφέρει η Καταλίνα Κουρτσεάνου (Catalina Curceanu), διευθύντρια ερευνών και εκπρόσωπος της Συνεργασίας VIP στο Εθνικό Εργαστήριο Φρασκάτι του INFN.
Η φυσική θωράκιση που παρέχει ο βράχος, σημειώνει η ίδια, δημιουργεί ένα από τα πιο «ήσυχα» περιβάλλοντα στη Γη για την ανίχνευση εξαιρετικά σπάνιων φυσικών φαινομένων. Εκεί, η ομάδα εγκατέστησε έναν ανιχνευτή κατασκευασμένο γύρω από έναν υπερ-καθαρό κρύσταλλο γερμανίου —περίπου στο μέγεθος ενός φλιτζανιού καφέ— τυλιγμένο σε στρώματα χαλκού και μολύβδου για να αποκλείσει ακόμη περισσότερο τον υπολειπόμενο θόρυβο. Για 62 ημέρες, το όργανο κατέγραφε κάθε ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που περνούσε από αυτό.
Στη συνέχεια, οι ερευνητές αφαίρεσαν μαθηματικά το αναμενόμενο ραδιενεργό υπόβαθρο και αναζήτησαν σε ό,τι απέμεινε ένα αποτύπωμα που να ταιριάζει με το μοντέλο του Κάρολιχαζι.
Όταν το «τίποτα» γίνεται είδηση: Η σιωπή που δίνει απαντήσεις στη φυσική
«Αυτή η απουσία σήματος αποτελεί από μόνη της ένα σημαντικό επιστημονικό αποτέλεσμα», επισημαίνει η Κουρτσεάνου. Δεν αποκλείει εντελώς τη βαρύτητα ως πιθανή αιτία της κβαντικής αποσυνεκτικότητας, αλλά περιορίζει δραστικά τα σημεία όπου θα μπορούσε ακόμα να κρύβεται αυτή η σύνδεση.
Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό New Journal of Physics από τους Νικόλα Μπορτολότι (Nicola Bortolotti), Κρίστιαν Πισίκια (Kristian Piscicchia), Ματίας Λάουμπενσταϊν (Matthias Laubenstein), Σιμόνε Μάντι (Simone Manti), Αντονίνο Μαρτσιάνο (Antonino Marcianò), Φεντερίκο Νόλα (Federico Nola) και την ίδια την Κουρτσεάνου, το πείραμα θέτει ένα κατώτατο όριο 4,64 μέτρων για το μήκος χωρικής συσχέτισης που χαρακτηρίζει αυτές τις διακυμάνσεις στο μοντέλο — βελτιώνοντας το προηγούμενο πειραματικό όριο κατά περισσότερο από μία τάξη μεγέθους.
Αυτός ο αριθμός είναι η ουσία ολόκληρου του αποτελέσματος. Για να εξηγήσει το μοντέλο γιατί τα μεγάλα αντικείμενα κατασταλάζουν σε μια ενιαία κατάσταση και σταματούν να συμπεριφέρονται κβαντομηχανικά, η θεωρία απαιτεί το ίδιο αυτό μήκος να είναι κάτω από 1,98 μέτρα. Συνδυάζοντας τα δύο όρια —αυτό που το πείραμα αποκλείει από κάτω και αυτό που η θεωρία απαιτεί από πάνω— δεν απομένει καθόλου περιθώριο:
Το γενικευμένο μοντέλο Κάρολιχαζι αποκλείεται
Οι συγγραφείς σημειώνουν ότι το ίδιο συμπέρασμα ισχύει και για μια σχετική εκδοχή του μοντέλου Συνεχούς Αυθόρμητου Εντοπισμού (CSL), μιας άλλης πρότασης για τον τρόπο με τον οποίο καταρρέει η κυματοσυνάρτηση.
«Αποκλείοντας ένα από τα παλαιότερα και πιο φυσικά μοντέλα αποσυνεκτικότητας που προκαλείται από τη βαρύτητα, αυτή η εργασία περιορίζει την αναζήτηση για μια θεωρία που να περιγράφει πώς αλληλεπιδρούν η βαρύτητα και η κβαντομηχανική, φέρνοντάς μας ένα βήμα πιο κοντά στην κατανόηση ενός από τα βαθύτερα μυστήρια της θεμελιώδους φυσικής», προσθέτει η Κουρτσεάνου.
Το μυστήριο παραμένει: Τα αναπάντητα ερωτήματα της κβαντικής φυσικής
Το μοντέλο του Κάρολιχαζι βασίζεται σε μια ιδέα που επιβίωσε του δημιουργού της για δεκαετίες: Ότι υπάρχει ένα θεμελιώδες όριο στο πόσο με ακρίβεια μπορεί να μετρηθεί η θέση ενός αντικειμένου, ή οποιοδήποτε μήκος.
Η αντίληψη ότι ο χωροχρόνος δεν μπορεί να υποδιαιρείται επ’ άπειρον —ότι έχει μια ελάχιστη κλίμακα κάτω από την οποία η «ακριβής θέση» παύει να σημαίνει οτιδήποτε— εξακολουθεί να διαπνέει πολλές από τις σημερινές προσπάθειες ενοποίησης της βαρύτητας με την κβαντομηχανική, συμπεριλαμβανομένης της θεωρίας των χορδών και της κβαντικής βαρύτητας βρόχων.
«Κάθε προσέγγιση για την κβαντική βαρύτητα καταλήγει να προβλέπει κάποιο ελάχιστο μήκος που συνδέεται με την αβεβαιότητα στη μέτρηση του χωροχρόνου», αναφέρει ο Κρίστιαν Πισίκια (Kristian Piscicchia), κβαντικός φυσικός στο Ερευνητικό Κέντρο Ενρίκο Φέρμι, στο INFN και στη Συνεργασία VIP, καθώς και επικεφαλής ερευνητής του πειράματος.
Για μεγάλο χρονικό διάστημα, η κβαντική βαρύτητα —η ακόμη ανύπαρκτη θεωρία που θα ένωνε τους δύο μεγάλους κλάδους της φυσικής του 20ού αιώνα— αντιμετωπιζόταν ως κάτι πέρα από τις δυνατότητες της τρέχουσας τεχνολογίας, περιορισμένη αποκλειστικά στον μαυροπίνακα. Αυτό το πείραμα έρχεται να προστεθεί σε έναν αυξανόμενο όγκο εργασιών που δείχνουν το αντίθετο: ότι ορισμένες από αυτές τις ιδέες μπορούν ήδη να δοκιμαστούν σήμερα, με όργανα ακριβείας και όχι μόνο με εξισώσεις.
«Τα πειράματα ακριβείας φτάνουν πλέον σε ένα επίπεδο ευαισθησίας που μας επιτρέπει να ελέγχουμε ιδέες οι οποίες, μέχρι πρόσφατα, ανήκαν σχεδόν εξ ολοκλήρου στη θεωρητική εικασία», λέει η Κουρτσεάνου. «Καθώς η ευαισθησία βελτιώνεται, το σύνορο μεταξύ θεωρίας και μέτρησης συνεχίζει να μετατοπίζεται, ανοίγοντας νέους δρόμους για την αποκάλυψη των θεμελιωδών αρχών που διέπουν το σύμπαν μας».
Αυτό που μένει να δούμε είναι πόσες από τις αντίπαλες θεωρίες θα επιβιώσουν από το ίδιο είδος εξονυχιστικού ελέγχου. Η λίστα των μοντέλων που προσπαθούν να εξηγήσουν γιατί ο κβαντικός κόσμος παραχωρεί τη θέση του στον κλασικό κόσμο στον οποίο ζούμε παραμένει μακρά — και το Γκραν Σάσο, με τα 1.400 μέτρα της σιωπής του, φαίνεται έτοιμο να συνεχίσει να την περιορίζει.
