Ένας φυσικός της Οξφόρδης προτείνει ότι η κακή τύχη δεν είναι τυχαία, υποστηρίζοντας ότι κρυφοί κανόνες του σύμπαντος μπορεί να ελέγχουν την πραγματικότητα. Η θεωρία αυτή αμφισβητεί τα θεμέλια της κβαντομηχανικής, που υποστηρίζει ότι τα γεγονότα είναι στην πραγματικότητα τυχαία.
Πέρα από την τυχαιότητα: Η αναζήτηση μιας κρυφής τάξης στο Σύμπαν
Από τη γέννηση της κβαντομηχανικής —της θεωρίας των αρχών του 20ού αιώνα που διέπει την παράξενη συμπεριφορά των σωματιδίων στις μικρότερες κλίμακες— η έννοια της τυχαιότητας έχει προσλάβει μια σχεδόν μυθική υπόσταση στη φυσική.
Στον μικροσκοπικό κόσμο των ηλεκτρονίων που τρεμοπαίζουν γύρω από τα άτομα και των κυμάτων φωτός που προσκρούουν σε έναν ανιχνευτή φωτονίων, τα αποτελέσματα είναι τυχαία, σύμφωνα με τους νόμους των πιθανοτήτων.
Ωστόσο, ορισμένοι επιστήμονες θεωρούν ότι η κβαντομηχανική είναι ελλιπής, καθώς της διαφεύγει η υποβόσκουσα αλήθεια ότι τα γεγονότα δεν είναι, τελικά, εντελώς τυχαία. Με την πάροδο του χρόνου, αυτή η ιδέα διαπότισε και τομείς πέρα από την ίδια τη φυσική, διαμορφώνοντας μια ευρύτερη διαίσθηση: ότι μια βαθιά ριζωμένη, θεμελιώδης δομή καθορίζει την έκβαση ακόμη και των φαινομενικά τυχαίων γεγονότων.
Αν στον πυρήνα της πραγματικότητας, βρίσκεται η αβεβαιότητα αυτή, τότε θα σήμαινε ότι αυτοί οι κανόνες δεν επηρεάζουν μόνο τα φυσικά φαινόμενα, αλλά θα μπορούσαν επίσης να επηρεάζουν τα τυχαία γεγονότα στη ζωή σας — καλά και κακά.
Ο Timothy Palmer, PhD, καθηγητής έρευνας της Βασιλικής Εταιρείας στη φυσική του κλίματος στο Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης, επισημαίνει αυτό που θεωρεί ως το θεμελιώδες πρόβλημα: Όχι την ίδια την πραγματικότητα, αλλά τα μαθηματικά που εφαρμόζονται για την περιγραφή της.
Σε συνοδευτική μελέτη που βρίσκεται επί του παρόντος υπό εξέταση στο περιοδικό Proceedings of the Royal Society, υποστηρίζει κάτι απλό αλλά ριζοσπαστικό: ότι δεν υφίσταται στον πραγματικό κόσμο κάθε μαθηματικά δυνατή κατάσταση που επιτρέπει η κβαντική θεωρία.
Το μαθηματικό συνεχές: Η απέραντη ακρίβεια του υποατομικού κόσμου
Ρίξτε μια ματιά στα ίδια τα μαθηματικά. Η θεωρία του υποατομικού κόσμου βασίζεται σε αυτό που οι φυσικοί ονομάζουν «συνεχές» — ένα ομαλό εύρος αριθμών χωρίς κενά, που εκτείνεται επ’ άπειρον ανάμεσα σε οποιαδήποτε δύο σημεία. Αυτός ο κόσμος περιλαμβάνει αριθμούς όπως το π, την ατελείωτη αναλογία που ορίζει κάθε κύκλο, ή την τετραγωνική ρίζα του 2 (√2), το μήκος της διαγωνίου ενός τετραγώνου που δεν μπορείς ποτέ να καταγράψεις με ακρίβεια.
Ο Timothy Palmer απορρίπτει αυτό το συνεχές ως μέσο επεξηγήσης της πραγματικότητας. Αντίθετα, προτείνει την αφαίρεση του συνεχούς από τη θεωρία και τον περιορισμό του τι θεωρείται φυσικά πραγματικό. «Η φύση αποστρέφεται το συνεχές», υποστηρίζει.
Με άλλα λόγια, το παρατηρήσιμο σύμπαν δεν απαιτεί ποτέ στην πραγματικότητα αριθμούς άπειρης ακρίβειας. Αυτοί προσθέτουν απλώς πιθανότητες που δεν υφίστανται στη φύση. Η διαίσθηση αυτή, δεν είναι αποκλειστικό προνόμιο του Palmer.
Ορισμένοι φυσικοί αναρωτιούνται εδώ και καιρό αν τα συνεχή μαθηματικά που χρησιμοποιούνται στην κυρίαρχη κβαντομηχανική αντικατοπτρίζουν την ίδια τη φύση των πραγμάτων — ή απλώς τα όρια του τρόπου με τον οποίο την περιγράφουμε.
Ο βραβευμένος με Νόμπελ φυσικός Gerard ‘t Hooft, γνωστός για το έργο του στα θεμέλια της κβαντικής θεωρίας, έχει υποστηρίξει ότι η κβαντική συμπεριφορά ίσως αναδύεται από βαθύτερους, ντετερμινιστικούς κανόνες, ακόμη και αν στην επιφάνεια φαίνεται άναρχη. Παράλληλα, ο Carlo Rovelli, ηγετική φυσιογνωμία στην έρευνα της κβαντικής βαρύτητας, έχει διερευνήσει την ιδέα ότι η δομή της ύπαρξης θα μπορούσε να διασπάται σε πεπερασμένες μονάδες στο βαθύτερο επίπεδό της.
Το στοιχείο που ξεχωρίζει τον Palmer είναι το πόσο μακριά φτάνει αυτή την ιδέα. Στη μελέτη του που δημοσιεύθηκε τον Μάρτιο, δεν αμφισβητεί απλώς το συνεχές, αλλά υποστηρίζει ότι ορισμένα από αυτά τα υποθετικά σενάρια τύπου «τι θα γινόταν αν» απλώς δεν υφίστανται εξαρχής. Αν τα αφαιρέσουμε, μεγάλο μέρος της εμφανούς παραδοξότητας αρχίζει να διαλύεται.
Ακόμη και ο γάτος του Σρέντινγκερ —το διάσημο νοητικό πείραμα στο οποίο ένας γάτος βρίσκεται σε μια υπέρθεση, όντας ταυτόχρονα ζωντανός και νεκρός μέχρι να παρατηρηθεί— παύει να καταλαμβάνει και τις δύο καταστάσεις ταυτόχρονα, όπως ο ίδιος υποστηρίζει.
Το αίνιγμα της πιθανότητας: Γιατί η Κβαντική Θεωρία αδυνατεί να εξηγήσει το “γιατί”
Η ίδια λογική επεκτείνεται και στην τυχαιότητα. Στο καθιερωμένο κβαντικό μοντέλο, ένα σωματίδιο δεν διαθέτει προκαθορισμένη τροχιά. Αντίθετα, η θεωρία αποδίδει πιθανότητες: Μπορεί να έχετε 80% πιθανότητα για ένα αποτέλεσμα και 20% για ένα άλλο. Αν επαναλάβετε το πείραμα πολλές φορές, αυτοί οι αριθμοί επιβεβαιώνονται.
Όμως, για οποιοδήποτε μεμονωμένο γεγονός —αυτό το ηλεκτρόνιο, εκείνη τη στιγμή— η θεωρία δεν προσφέρει καμία βαθύτερη εξήγηση. Γιατί προέκυψε αυτό το αποτέλεσμα και όχι το άλλο; Δεν μας το λέει.
«Μπορεί να υπάρχει ένας λόγος», λέει ο Palmer, ακόμα και για ένα μεμονωμένο αποτέλεσμα που φαίνεται εντελώς τυχαίο. Κατά την άποψή του, «ο κόσμος είναι στην πραγματικότητα ντετερμινιστικός… φαίνεται τυχαίος, αλλά στην πραγματικότητα δεν είναι». Αυτό που εμείς ερμηνεύουμε ως σύμπτωση, μπορεί αντίθετα να αντανακλά μια υποβόσκουσα δομή που δεν μπορούμε ακόμα να δούμε.
Η ιδέα ότι κάτι μπορεί να ακολουθεί αυστηρούς κανόνες και ταυτόχρονα να μοιάζει με ζαριά μπορεί να ακούγεται παράδοξη, αλλά η φυσική έχει ξανασυναντήσει αυτού του είδους την ψευδαίσθηση στο παρελθόν. Τι απoγίνονται, λοιπόν, οι υποτιθέμενες πιθανότητές σας για ένα συγκεκριμένο, προσδοκώμενο αποτέλεσμα;
Σε αυτό το σημείο, ο Palmer σταματά πριν δώσει μια συγκεκριμένη απάντηση, τονίζοντας ότι στόχος του δεν είναι η εικοτολογία, αλλά η οικοδόμηση μιας θεωρίας που μπορεί να ελεγχθεί πειραματικά. Αφήνει ανοιχτό το ενδεχόμενο αυτό που αντιλαμβανόμαστε ως τυχαιότητα να αντανακλά μια βαθύτερη δομή — αρνείται όμως να προσδιορίσει ποια μπορεί να είναι αυτή η δομή.
Το Κύμα-Πιλότος του David Bohm: Η αόρατη καθοδήγηση της Ύλης
Άλλοι επιστήμονες έχουν διερευνήσει περαιτέρω την ιδέα μιας κρυφής δομής. Ο David Bohm, φυσικός του 20ού αιώνα, δημιούργησε μια πλήρως ντετερμινιστική εναλλακτική της κβαντομηχανικής, στην οποία τα σωματίδια κινούνται κατά μήκος ακριβών διαδρομών, καθοδηγούμενα από ένα αόρατο «κύμα-πιλότο» που μεταφέρει κρυφές πληροφορίες.
Ωστόσο, δεν συμφωνούν όλοι όσοι εξετάζουν την ιδέα μιας κρυφής τάξης κάτω από τον θόρυβο για το πώς μπορεί να μοιάζει αυτή η τάξη.
Αιτία και αποτέλεσμα: Η Sabine Hossenfelder και η στατιστική φύση της Κβαντομηχανικής
Η Sabine Hossenfelder, PhD, θεωρητική φυσικός και επικοινωνιολόγος της επιστήμης, γνωστή για το έργο της στα θεμέλια της κβαντικής θεωρίας, εξετάζει επίσης το ενδεχόμενο η κβαντομηχανική να μην παρέχει τις οριστικές απαντήσεις στη φυσική.
Κατά την άποψή της, η θεωρία ενδέχεται να περιγράφει αυτό που η ίδια αποκαλεί «ένα σύνολο, όχι μεμονωμένες περιπτώσεις». Αυτό, όπως λέει, «υποδηλώνει ότι η κβαντομηχανική είναι μια στατιστική θεωρία… μια θεωρία μέσων όρων».
Παρόλο που οι δρόμοι της με τον Palmer χωρίζουν σε ορισμένες λεπτομέρειες, η Hossenfelder συμφωνεί σε ένα βασικό σημείο: ότι η πραγματικότητα διέπεται από τη σχέση αιτίου-αποτελέσματος και δεν είναι τυχαία.
Σημειώνει επίσης ότι το μοντέλο του δεν περιγράφει τα γεγονότα ως συμβάντα στον οικείο μας χώρο — ένα χαρακτηριστικό που η ίδια αποκαλεί «μη τοπικό» (alocal). Και εκεί είναι που τελικά οι απόψεις της συναντώνται με εκείνες του Palmer: Όποια κι αν είναι η παρασκήνια δομή που διαμορφώνει τις τελικές καταστάσεις των σωματιδίων και τις πιθανότητες, αφήνει λιγότερα περιθώρια στην τύχη απ’ όσα υποδηλώνει η κβαντική θεωρία.
Η ιδέα ότι κάτι μπορεί να ακολουθεί αυστηρούς κανόνες και ταυτόχρονα να μοιάζει με ζαριά μπορεί να ακούγεται παράδοξη, αλλά η φυσική έχει ξανασυναντήσει αυτού του είδους την ψευδαίσθηση στο παρελθόν. Στη θεωρία του χάους —έναν τομέα στον οποίο ο Palmer εργάζεται επί δεκαετίες— τα συστήματα εξελίσσονται σύμφωνα με ακριβείς νόμους, κι όμως συμπεριφέρονται με τρόπους που μοιάζουν απρόβλεπτοι.
Ο καιρός αποτελεί το απόλυτο παράδειγμα· διέπεται από εξισώσεις, κι όμως παραμένει αδύνατο να προβλεφθεί πέρα από έναν συγκεκριμένο ορίζοντα. Η αβεβαιότητα της έκβασης δεν προέρχεται από την τύχη, αλλά από την ακραία ευαισθησία στις αρχικές ατμοσφαιρικές συνθήκες.
Μια μόλις μετρήσιμη διαφορά στη θερμοκρασία, την πίεση ή την ταχύτητα του ανέμου μπορεί να ενισχυθεί με την πάροδο του χρόνου, μέχρι να αναδιαμορφώσει πλήρως το τελικό αποτέλεσμα. Είναι πιθανό η κβαντομηχανική να κρύβει μια παρόμοια δυναμική σε κοινή θέα. Αυτό που μοιάζει με τυχαιότητα μπορεί, αντίθετα, να σηματοδοτεί τα όρια των όσων μπορούμε να ιχνηλατήσουμε — και όχι την απουσία μιας υποβόσκουσας τάξης.
Όπως το θέτει ο Palmer, η κβαντική θεωρία «δεν έχει απάντηση» στο γιατί προκύπτει ένα συγκεκριμένο αποτέλεσμα σε μια μεμονωμένη περίπτωση, επειδή προσφέρει μόνο πιθανότητες. Ο ίδιος πιστεύει ότι υπάρχει ένας τρόπος να ελεγχθεί αν η κβαντομηχανική αποτελεί όντως ένα πλήρες πλαίσιο ή όχι, χρησιμοποιώντας κβαντικούς υπολογιστές.
Αυτές οι μηχανές, που κατασκευάστηκαν για να εκμεταλλεύονται ακριβώς την αβεβαιότητα την οποία η θεωρία του αμφισβητεί, θα μπορούσαν να προσφέρουν την τελική απόδειξη.
Qubits και Κβαντική Υπεροχή: Η υπόσχεση των υπολογιστών του μέλλοντος
Θεωρητικά, αυτές οι συσκευές θα έπρεπε να υπερέχουν των κλασικών υπολογιστών σε εργασίες όπως η παραγοντοποίηση εξαιρετικά μεγάλων αριθμών, οι οποίοι θα μπορούσαν να γεμίσουν ολόκληρες σελίδες με ψηφία (η βάση της σύγχρονης κρυπτογράφησης).
Οι κβαντικοί υπολογιστές βασίζονται στα qubits, τα οποία μπορούν να υπάρχουν σε συνδυασμούς του 0 και του 1 ταυτόχρονα, επιτρέποντάς τους να εξερευνούν πολλές πιθανές λύσεις παράλληλα. Όσο περισσότερα qubits αξιοποιούν οι υπολογιστές, τόσο μεγαλύτερο θα έπρεπε να γίνεται το πλεονέκτημά τους.
Ο Palmer, ωστόσο, αναμένει ότι αυτό το πλεονέκτημα τελικά θα καταρρεύσει. Η πρόβλεψή του είναι ότι σε μια συγκεκριμένη κλίμακα, οι κβαντικοί υπολογιστές θα πάψουν να συμπεριφέρονται όπως προβλέπει η θεωρία, καθώς ένας κβαντικός υπολογιστής δεν μπορεί να έχει πρόσβαση στο πλήρες εύρος που χρειάζεται αν δεν υφίσταται κάθε μαθηματικά δυνατή κβαντική κατάσταση (το συνεχές).
Εάν οι μηχανές συνεχίσουν να βελτιώνονται όπως αναμένει η συμβατική επιστήμη, τότε η ιδέα του θα καταρρεύσει. Αν όμως δεν τα καταφέρουν —αν η απόδοση παραμείνει στάσιμη εκεί που δεν θα έπρεπε τα επόμενα χρόνια— αυτό θα μπορούσε να σηματοδοτήσει ότι κάτι βαθύτερο από την κβαντική δομή βρίσκεται σε λειτουργία.
Από την πλευρά της, η Hossenfelder παραμένει σκεπτική απέναντι στην πρόβλεψη του Palmer. Αν διαπιστωνόταν ότι οι κβαντικοί υπολογιστές προσκρούουν στο θεμελιώδες όριο που προτείνει, αυτό θα ήταν «η μεγαλύτερη ανακάλυψη στη φυσική εδώ και 100 χρόνια», λέει η ίδια.
Ωστόσο, αμφιβάλλει αν η φύση θα συνεργαστεί, καθώς η ιδέα του Palmer βασίζεται στην ανεπαίσθητη έλξη της βαρύτητας. Ο ίδιος υποστηρίζει ότι η βαρύτητα εισάγει μια λεπτή «κοκκώδη υφή» στον χώρο των κβαντικών καταστάσεων — ένα είδος ορίου στο πόσο λεπτομερώς μπορούν να οριστούν.
Το όριο αυτό, με τη σειρά του, περιορίζει το πόσες καταστάσεις μπορεί πραγματικά να προσεγγίσει ένα κβαντικό σύστημα. Παρόλα αυτά, βασιζόμενη στους δικούς της υπολογισμούς, η Hossenfelder επιχειρηματολογεί ότι η βαρύτητα είναι υπερβολικά ασθενής για να έχει τέτοιο αποτέλεσμα, επομένως οι υπολογιστές δεν θα φτάσουν σε αυτό το όριο.
Προς το παρόν, μπορούμε μόνο να κάνουμε υποθέσεις για το αν οι κβαντικές μηχανές επόμενης γενιάς θα αποτύχουν ή όχι να αναβαθμιστούν στην κλίμακα που προβλέπει ο Palmer. Η φυσική του πολύ μικρού έχει αντέξει σε κάθε πειραματική δοκιμασία για περισσότερο από έναν αιώνα, κερδίζοντας τη φήμη μιας από τις πιο επιτυχημένες θεωρίες στην επιστήμη.
Αν όμως η δοκιμή που προτείνει ο Palmer αποκαλύψει ρωγμές σε αυτή την επιτυχία, οι συνέπειες θα είναι βαθιές. Διότι, αν η σύμπτωση δεν είναι θεμελιώδης, τότε ίσως αυτό που ονομάζουμε τύχη —η δελεαστική έννοια που αιωρείται ανάμεσα στην τάξη και την έκπληξη— να μετατραπεί σε κάτι εντελώς διαφορετικό: ένα προσωρινό υποκατάστατο για μια δομή που δεν έχουμε ακόμη ανακαλύψει.
