Mundu kuantikoaren harrigarritasunak
Teoria honen berritasuna, estudiaturiko objektuan ezezik, Naturako gauzekin gizakiok izan ditzakegun harremanen kontzeptu berrian ere bazetzan. Beraz, Fisika kuantikoak ez zuen ekarri Naturaren kontzepzio berria soilik. Areago, Natura bera ulertzeko ahalmenari buruzko filosofia irautzailea ezarri zuen, Zientziaren Historian izandako aldaketetan garrantzitsuenetariko bat izanik.
Filosofia berri honek, hain zuzen ere, ikerlarien arteko ezadostasun handiak eragin zituen, Fisika Kuantikoaren aitzindari askok bere ekarpen harrigarriak onartu ez zituztelarik. Adibidez Planck, Einstein eta Schrödinger batez ere, arlo honetako fisikari garrantzitsuenetarikoak izanik, bere bizitza osoan saiatu ziren haiek “zentzugabekotzat” zeuzkaten ondorio filosofikoak ukatzeko azalpenak asmatzen. Bestetik, asko izan ziren, aurriritziak alde batera utzita, Fisika Kuantikoaren ondorioak onartzeko eta azaltzeko sakondu zuten ikerlariak ere. Hauetakoak ziren Niels Bohr, Max Born, Heisenberg, Pauli, Dirac eta abar gehienak Born-en Göttingen-go taldean edo Bohr-en Kopenhage-ko taldean zihardutelarik.
1926.ean, aurrez aurre zeuden fisikari-korronte biek teoria bana argitaratu zuten. Heisenbergek, Born eta Bohren lantaldeetan izan ondoren, harez gero hain baliagarri izan den mekanika matriziala asmatu zuen. Ildo beretik, Paul Diracek aljebra kuantikoa proposatuz, Fisika kuantikoari falta zitzaion tresneria matematikoaz hornitu zuen. Bestetik, Schrödingerek, De Broglie-ren elektroi-uhinak aintzakotzat harturik eta “salto kuantikoak” ekiditeko azalpenaren bila, uhin-teoria asmatu zuen.
Bere ustez, proposatutako uhinak errealak ziren, haien bidez garatutako kalkulua mekanika matrizial edo aljebraikoa baino askoz sinpleagoa zelarik. Uhin hauek guztiz abstraktua den fase-espazio matematiko eta imajinario batean inolako errealtasun gabe hedatzen direla geroago frogatu bazen ere, garai hartako fisikari gehienek, matrizeak baino gehiago uhinak erabiltzen ohituta zeudenez, uhin-teoria nahiago izan zuten.
Teoria kuantikoaren harrigarritasuna
Kopenhageko interpretazioa
1926.ean, beraz, fenomeno kuantikoak menperatzeko legeak eta teoriak izan arren, zenbait arazo praktiko argitzeko baino ez zuten balio, fisika kuantikoaren esangura sakonari buruzko ideiarik eman gabe. Egia esan, teoria hauek eraiki zituzten ikerlari gehienen kuantuen izatearen funtsean zetzanari buruzko ideiak ezberdinak ziren, inolako batasunik ez zegoelarik.
Nolabaiteko irizpide amankomunak lortzearren, Bohrren taldea, Max Bornekin batera, fisika kuantikoari oinarri filosofikoa ematen saiatu zen, benetan zertan ari ziren jakiteko. Horretarako, Schrödinger bera Kopenhagera gonbidatu zuten eta sortutako kontraesanak eztabaidatu ostean, zenbait ondoriotara iritsi ziren. Ondorio hauei, “ Kopenhageko interpretazioa ” izena eman zitzaion, fisika kuantikoaren azalpen “ortodoxotzat” har daitekeelarik.
Kopenhagen adierazitako Schrödinger eta Bornen arteko ezadostasunak aztertu ondoren, Heisenberg-ek, mekanika kuantikoaren oinarrizko ekuazio bat abiapuntutzat hartuta, posizio eta momentuaren indeterminazioen biderkaketak, Dp . Dx, h (6,65.10 -27 erg.s balioko Planck-en konstantea) baino handiagoa izan behar duela frogatu zuen, lege ospetsu hau Ziurgabetasunaren printzipioa izendatu zelarik. Printzipio honetan, aldagai guztiei aplikatuta, bi aldagai konjokatu aldiberean neurtzen direnean, neurketa bietako zehaztasun osoa lortezina dela adierazten da.
Ekuazio kuantikoak erabiltzeko ohiturarik ez zuten garai hartako fisikari gehienek eta Heisenberg ezintasun teknikoaz ari zela pentsatu zuten, ziurgabetasunaren esangura ulertu gabe.
Teoria kuantikoaren arabera, ziurgabetasuna Naturaren berezko ezaugarria da, eta ez dauka neurtzeko tresnen gabeziekiko zerikusirik. Naturaren ezaugarri honek ekartzen duena, beraz, partikula baten posizioa eta momentua, adibidez, aldiberean ezagutzea ezinezkoa delako ideia berria da. Posizioa, zenbat eta zehazkiago ezagutu, hainbat eta ezezagunagoa izango da momentua, eta alderantziz. Printzipio honek teoria kuantikoak zuen fisika klasikoaren pentsamoldearekiko alderik nabariena zeraman. Mekanika newtondarrean, kausalitatea dela medio, hasierako baldintzak ezaguturik, dinamikaren legeen bidez, geroaldiko edozein egoera ezagutu daiteke. Mekanika kuantikoaren kasuan, berriz, kausalitatea apurtu egiten da. Ez lege dinamikorik ez izateagatik; hasierako baldintzak ezagutzeko ezintasunagatik baizik.
Bohrrek, ekuazio kuantikoen oinarrian zetzanari buruzko Schrödinger-ekiko eztabaidan buru belarri sartuta zegoela, barreiaturik zeuden ideia kuantikoei kohesioa emateko falta zitzaiona ziurgabetasun-printzipioan aurkitu zuen. 1926. urte hartan, Schrödingerren irudi uhindarra eta berea bateratu nahian, osagarritasun-kontzeptua asmatu zuen, partikulen izaera bikoitza azaldu zuelarik.
Bere ustez, elektroia partikula ala uhina ote den galdetzen duenari, “biak” edo “ez bata eta ez bestea” erantzunak eman behar zaizkio, inolako zehaztasunik gabe. Egia esan, teoria kuantikoaren arabera, galdera horrek ez dauka inolako zentzurik; ikuspegi kuan tikotik objektuak ez bait dira berez existitzen, behatu edo neurtzen ez badira. Propietate gorpuzkularrak egiaztatzeko esperimentu bat eginda, elektroiak, partikula-portaera dauka, ezaugarri uhindarrik erakutsi gabe. Elektroiak propietate uhindarrak dituela frogatu nahi bada, ordea, eta, adibidez, bi zirrikituetako esperimentua egiten bada, interferentzi irudi bat lortuko da, elektroia, besteak bezalako uhina balitz bezalaxe.
Beraz, elektroia, bai uhina, bai gorpuzkulua delako ondoriora iritsi behar da, neurketen emaitzak egindako esperimentuen menpekotasuna duelarik. Esperimentu bat ere egin gabe galdera bera egitea adibidez, txanpona jaurtiki gabe zein aldetara erori den galdetzea bezalakoa litzateke, hau da, guztiz zentzugabekoa. Bohrren esanetan, elektroiaren portaera hauek, elkarren arteko osagarriak, eta aldi berean baztertzaileak dira, txanponaren alde biak diren legez. Osagarritasunaren ideia hau, Bohrri, ziurgabetasun-printzipioa matematikoki adierazteko oso tresna baliagarria iruditu zitzaion; elektroiak propietate gorpuzkularrak erakusten dituenean bere uhin-ezaugarriak ezabatu egiten direla frogatu bait zuen, nolabaiteko osagarritasuna agerteraziz.
Osagarritasunari eta zehazgabetasunari lotuta dagoen fisika kuantikoaren oso ondorio bitxia, emaitzen behatzailearekiko menpetasuna da. Elektroiaren kasuan esan bezala, esperimentuen emaitzek, behatzailearen aukeraketarekiko menpetasuna dute, eta era berean, edozein magnitude neurtzen denean, behatzailearekiko elkarrekintzaren eraginak, alda erazi egiten da neurketa, eragin hau ekidinezina delarik. Behatzaileak horrela, parte hartzen du esperimentuan, fenomenoa behatzen ez denean gertatzen denari buruzko hipotesirik egitea ezinezkoa izanik.
Interpretazio honetan, oso parte garrantzitsua Bornek asmatutako Schrödingerren teoriaren ebazpen estatistikoa da.
Born, Schrödingerren ekuazioan agerturiko uhin-funtzioaren esanahia argitu nahirik, partikulen eta uhinen arteko lotura bilatzen saiatu zen. Bere ustez, guztiz errealak diren partikulak, uhinek gidatuak ziren, eta hauen moduluen karratuek, espazioaren puntu bakoitzean partikulak aurkitzeko probabilitatea adierazten zuten. Schrödingerren ekuazioan agertzen den probabilitate-uhina, beraz, neurketa bat askotan eginda, puntu bakoitzean partikula aurkitzeko probabilitatea adierazten duen funtzio matematikoa da. Horrela, uhin-teoria asmatu zuenean, Schrödingerrek bilatutako errealtasun fisikoa eta kontzeptuen hurbiltasuna faltsuak zirela suertatu zen, benetako azalpena algebra kuantikoarena bezain harrigarria eta korapilotsua izanik.
Interpretazio estatistiko hau, seguraski, harridura nabariena ekarri zuen fisika kuantikoaren partea izan zen, ordura arte erabilitako estatistikak Bornek proposatuarekin ezberdintasun handiak zituen eta. Mekanika estatistiko klasikoak, adibidez, partikula anitz estudiaturik, une bakoitzean, lege estatistikoen bidez partikulek osatua duten sistemaren egoera aurresan dezake, eginiko hurbilketaz errealitatearen datu zehatzak ematea posible delarik. Mekanika kuantikoaren kasuan, ordea, estatistikak ez du ematen une bateko sistemaren informazioa; sistema berdin askotan neurketa bera eginda emaitza zehatz batzuk lortzeko probabilitateak baizik. Beraz, partikula bakar bateko sistemei ere aplika dakieke. Kasu bietan, estatistika erabiltzen deneko modua, beraz, guztiz ezberdina da: lehenengoan une bakoitzeko egoerari buruzko informazioa ematen da, bigarren kasuko neurketak edozein momentutan egin daitezkeelarik.
Azalpen honi, aise lot dakioke zehazgabetasunaren ideia; partikula bat non dagoen neurketa egin baino lehen ez bait da zehazki ezagutzen. Posizioa, estatistikoki zehazterik baino ez dago. Horrela, adibidez, logika gabekoak diruditen emaitzak lor daitezke, hala nola klasikoki galerazita duen zonalde batean partikula aurkitzeko probabilitatea nulua ez izatea, partikula batek potentzial-hesi bat zeharkatzea (tunel efektua), eta abar. Estatistikotasunari lotuta zeuden iragarpen hauek, hurrengo urteetan esperimentalki baieztatu ziren, teoriak behar zuen egiaztapena jaso zuelarik.
Kopenhageko interpretazioa, harez gero, teoria ofizial bihurtu zen, ondoko lau ideietan oinarrituta zegoelarik: zehazgabetasun, osagarritasun, behatzailearekiko emaitzen menpetasun eta estatistikotasunean.
Garai hartako fisikari gehienek, onartu egin zuten interpretazio hau, emaitza arraroak ekarri arren, nolabaiteko osotasuna lortzen zen eta. Sortutako gauza harrigarriak teoria ez onartzeko nahikoa zirela uste zutenen artean, Einstein famatua zegoen, zehazgabetasunaren ideiarekiko ezadostasunak, seguraski aurriritzi erlijiosoek bultzaturik, esaldi ospetsu batez azpimarratu zituelarik: “Jaungoikoa ezin da munduaz datoka ibili”.
E.P.R. paradoxa
Albert Einstein-en ustez, mekanika kuantikoaren legeek, zenbait gertakizun esperimental arrakastaz azaltzeko balio zuten kalkulu-erregelak baino ez ziren, Naturaren propietateak ezagutzeko nahikoa izan gabe. Horregatik, ziurgabetasunaren printzipioan datzan errealitatea ezagutzeko ezintasuna, fisikaren garapenarekin batera desagertuko zela pentsatu zuen, Naturaren benetako ezaugarria izan zitekeela sinetsi gabe. Einsteinek, Naturaren errealitate sakona ezagutu nahian horrenbeste urte eman ondoren, bere saioak hutsalak zitezkeenik ezin zuen onartu, eta Kopenhageko interpretazioaren aurkako argudioak bilatzen denbora luzez aritu zen.
Ildo honetatik, besteak beste, Boris Podolsky eta Nathan Rosen-ekin batera, beren izenak daramatzan paradoxa 1935.ean asmatu zuen. Paradoxa honen bidez, Kopenhageko interpretazioaren kontraesanak agerterazi nahi zituzten, honako hau proposatu zutelarik:
Demagun elkarrekintzan ari diren bi partikula elkarrengandik urrunduta aztertzen direla, osatzen duten sistemaren momentu osoa eta partikulen arteko hasierako tartea neurtzen direlarik. Neurketa honek, erregela kuantikoen aldetik ez dauka inolako eragozpenik. Denbora luzea iraganik, partikula baten momentua neurtuko balitz, beste partikularen momentua automatikoki ezaguna litzateke; sistema osoaren momentua ez bait zatekeen denboran zehar aldatuko. Lehenengo partikularen posizioa jarraian neurtuko balitz, bere momentua aldatu egingo litzateke, baina ez, omen, bestearena.
Lehenengo partikularen posizioaren neurketa honen bidez, bigarrenaren momentua eta bien arteko hasierako tartea ezaguturik, bigarrenaren posizioa ezagutu liteke, eta beraz, posizioa eta momentua aldiberean eta zehaztasun osoz ezagutzeak, ez luke inolako arazorik.
Horrela, partikula batean eginiko neurketek urrun dagoen beste partikula batean eragina dutela, edo mekanika kuantikoaren legeak oker daudela ondorioztatu behar da. Lehenengoa ondorioztatuko balitz, hots, partikula bi instantaneoki komunika daitezkeela, kausalitatearen printzipioa apurtu dela onartu behar litzateke. Einstein, Podolsky eta Rosen-en ustez, Naturaren errealitatea azaltzeko erabil litekeen teoria batek bere baitan kausalitatearen printzipioa behar luke, kontrakoa zentzugabea izanik. Hauen arabera, paradoxa honen bidez, lege kuantikoen mugak agerian geratu ziren; arazo praktikoak ebazteko erregela hutsak zirela ikusi bait zen.
Kopenhageko taldekoek E.P.R. paradoxaren logikotasuna onartu zuten, baina “zentzuduna” eta “zentzugabea” iritzitakoarekin, ez zeuden inola ere ados: haien arteko alderik handiena Natura bera azaltzeko moduan zetzan. Kopenhagekoek, neurtu diren magnitudeen errealtasuna soilik azpimarratu zuten, Einstein eta besteek magnitude guztiek errealtasuna duteneko azalpena eman behar zela uste zuten bitartean. Batzuk, teoria kuantikoak Naturaren benetako izaera adieraz dezakeelakoan zeuden. Besteak izaera hau estatistikoa eta azarearen menpekoa ezin zitekeelakoan zeuden neurri berean, lehenengoak emaitza esperimentalek bultzatuta eta azkenak senak iradokitako aurriritzi sakonez eraginik.
Schrödingerren katua
E.P.R. paradoxa argitaratu zeneko urte berean, errealitate kuantikoa zalantzan jarri zuen beste esperimentu mental bat aditzera eman zen. Schrödinger, teoria kuantikoa finkatzeko gogor lan egin ondoren, bere ekarpenak onartu ez zituen fisikarietariko beste bat izan zen. Uhin-teoria asmatu zuenean, jauzi kuantikoak ekidin zituela uste izan zuen, zehazgabetasuna eta interpretazio estatistikoari, geroago ezarri zirenean, onartezinak iritzi zielarik.
Berak proposatutako paradoxa, egia esan, teoria kuantikoaren harrigarritasunaren froga nabariena da, gaur egun ere askoren ustez erabat azalduta ez dagoelarik.
Pentsa dezagun kutxa baten barruan katu bat bizirik eta pozoi-botila bat daudela. Botilari konektaturiko Geiger kontadore batek, ontzi batean dagoen materia erradioaktibo baten desintegrazioa detektatzen ari dela, botila puskatu egin da, katua, pozoinduta, hil egin delarik. Esperimentua, desintegrazioa gertatzeko probabilitatea % 50ekoa izateko diseinaturik dago. Horrela, lege kuantikoei jarraituz, ez dago desintegrazioa gertatu den edo ez (eta, beraz, katua bizirik ala hilik dagoen) esaterik, kutxa zabaltzen ez den bitartean, hots, neurketa egiten ez den bitartean. Teoria kuantikoaren arabera, gertakizun bakoitzaren probabilitateak adierazten dituzten uhin-funtzioak, gainjarrita daude, gauza bat edo bestea gertatzen den, behaketa egin arte ezin esan daitekeelarik. Kutxa barruan zer gertatu den ikusten ez den bitartean, beraz, katua ez dago hilik, ezta bizirik ere; bizitza eta heriotzaren arteko egoera kuantiko eta estatistiko batean baizik.
Partikula baten posizioa eta momentua aldiberean neurtzeko ezintasunak sortutako harrigarritasuna, neurri batean (jende gehienaren ustez onargarria bada ere) hain arrunta den katu baten izaera “mamutsua”, mundu kuantikoaren benetako berezitasunaren eta errealitatea atzemateko dugun moduan exijitzen duen izugarrizko aldaketaren froga nabaria da. Einsteinek, bere aldetik, erdi hilik dagoen katuari “zentzugabekoa” zeritzon, eta paradoxa honetan, “benetan” gertatzen dena azaltzeko fisika kuantikoaren ezintasunaren egiaztapen dotorea ikusi zuen. Kopenhagekoek, berriz, arraroa bada ere, Natura horrelakoa delako gertatzen zela erantzun zuten, “zentzudun” fisikariak gehiegi konbentzitu gabe.
Schrödingerren esperimentua aztertuz, benetako garrantzia duena behaketa dela ikus daiteke; probabilitate-uhin gainjarriak, behaketaren une berean kolapsatu egiten bait dira eta bi gertakizunetako batek errealitatea gauzatzen bait du: momentu hau baino lehen errealitateari berari buruz mintzatzea kuantikoki zentzugabekoa da.
Eta kutxaren barruan katua hilik ala bizirik dagoen ikus dezakeen inor balego, zer gertatuko ote litzateke?. Barruan dagoenaren ustez, noski, ez litzateke inongo zalantzarik; katua hilik ala bizirik ikusiko bait luke, probabilitate-uhina kolapsatua legokeelarik. Kanpokoen ikuspegitik, berriz, gauzak lehen bezala leudeke, ikusi arte barruan zer gertatu den jakiterik ez dagoelarik. Kasu honetan, barruko behatzailea bera, kanpokoentzat probabilitate-uhinean sartuta legoke, kutxa ireki arte berari gertatu zaiona ere zehaztezina izanik. Horrela, gertakizun guztiek begiratzen zaienean bakarrik hartzen dute parte errealitatean, bestelako kasuan “gertakizun” ere ez direla esan daitekeelarik.
Ideia honi jarraituz, fisikari batzuek Historian zehar gertatutako guztia norbaitek behatu diolako eta, areago, izaki adimentsuek behatu diotelako gertatu dela esana dute, behatu gabea Schrödingerren katua paseatzen dabileneko Heriotza eta Bizitzaren arteko eremuetan soilik gertatzen omen delarik.
Harrigarritasunaren egiaztapena
Froga esperimentala
E.P.R. paradoxa azaldu nahirik, fisikari batzuek sistema guztiek guretzat ezezaguna den informazioa dutela argudiatu zuten, uhin-funtzioek sistemen egoeraren datu guztiak ezin eman ditzakete eta. Teoria hau “ aldagai ezkutuen eredua ” izendatu zen, zehazgabetasun kuantikoa aldagai hauek ezagutzeko ezintasunean datzala proposatu zelarik.
1964.ean, J.S. Bell, CERN-eko ikerlariak, aldagai ezkutuen eredu guztiek mekanika kuantikoaren aurresanekiko ezadostasun handiak dituztela demostratu zuen, eredu hauek egiazkoak diren jakiteko bere izena daraman froga esperimentalak asmatu zituelarik. Fisika kuantikoaren emaitzen egiaztapen esperimentalak jadanik eginak ziren arren, senaren kontrakoak ziren ekarpen harrigarrienak esperimentalki baieztatu gabe zeuden, Bellen frogaren bidez behar bezalako egiaztapen osoa egitea posiblea zelarik.
Bellen teorema aplikatuz eginiko lehenengo esperimentuetan, lokalitatea, hots, aldagai ezkutuen ereduek izan behar zuten propietatea, apurtuta geratzen zela ikusten zen, mekanika kuantikoari baliagarritasuna emanik. Esperimentu hauetan, E.P.R. paradoxan proposatutakoan bezalaxe, partikulen arteko nolabaiteko instanteko komunikazioa onartu behar zen, partikulek esperimentu osoan eginiko neurketak ezagutuko balituzte bezala. Batzuk, azken ideia honez baliaturik, partikulek modu ezezagun baten bidez muntaia esperimentalaren informazioa jaso lezaketelako probabilitatea ekiditeko “ atzeraturiko aukeraketa ” erabiltzea zeneko esperimentuak proposatu zituzten.
Esperimentu hauetan eginiko neurketak zeintzuk izango diren partikulak jaurtiki ondoren erabakiko litzatekeenez, hasiera batean elkarrekin egondako partikulek, neurketa egitean hartuko duten balioari buruzko informazioa elkarri ematea ezinezkoa lukete. Baldintza hauek beterik, lokalitatea apurtuta izateak teoria kuantikoa erabat egiaztatuko litzateke, aldagai ezkutuen eredua, “zentzudunen” azken saioa, balio gabe utzirik.
Alain Aspect-ek, Pariseko Unibertsitateko Optika-Institutuko fisikariak, 1982.ean atzeraturiko aukeraketa erabiltzen zeneko esperimentu ikusgarria egin zuen. Laser izpien polarizazioaren bidez, fotoi batek, polarizagailuen konfigurazioa edozein izanda ere, urrun dagoen beste fotoi baten egoera ezagutuko balu bezala jokatzen duela frogatu zuen, errealitate kuantikoaren harrigarritasuna benetakoa delako azkeneko froga izanik.
Schrödingerren mila katuak
Aspecten egiaztapenaren ondoren, Kopenhageko interpretazioaren baliagarritasuna ukaezina da. Probabilitate-uhinak gertagarria den guztiaz osatuta daude, behaketa bat egiten denean posibleak diren gauza guztietariko bat gertatzen delarik. Horrela “errealitatea” izenekoa gauzatzen da. “Gertatu” ez diren beste aukerak, berriz, posiblea den errealitatetik desagertu egiten omen dira, Schrödingerren katua bezalaxe, erralitate “mamutsu” bihurturik.
Ideia hau, onargaitza iruditu zitzaion Hugh Everett-i eta 50.eko hamarkadan, beste interpretazio bat proposatu zuen. Bere ustez, gertatzen ez diren errealitate ezkutu guztiak, gurea ez den beste mundu batean gertatzen dira, haien probabilitateak adierazten dituzten uhin-funtzioak, neurketa egitean kolapsatu gabe, “superespazio” batean gertatzen direlarik. Behatzaileak, neurketa bat egiten duen bakoitzean, mundu eta errealitate zehatz bat aukeratzea baino ez du egiten, beste munduekiko lotura guztiak etenda geratzen direlarik.
Oinarri matematiko finkoak dituen Everetten teoria honen arabera, Schrödingerren katua-bilaketak uste baino errazagoa suertatu beharko luke. Erdi hilik dagoen katu bat mamuen eremuetan egon gabe, guztiz hilik edo guztiz bizirik dauden milaka katu omen daude, posible diren Unibertso guztietan barreiaturik. Zientziak berriz ere, mamuak umeak izutzeko atso-kontuak baino ez direla demostratua bide du.
Zu idazle
Zientzia aldizkaria
