Οι επιπτώσεις της κβαντικής μηχανικής δείχνουν ότι η πραγματικότητα ίσως δεν είναι τόσο σταθερή όσο νομίζουμε. Ο φυσικός David Bohm, όμως, είχε μια διαφορετική προσέγγιση στη θεωρία, που αποκαθιστά την πραγματικότητα. Η αρθρογράφος Karmela Padavic-Callaghan εξετάζει πώς θα μπορούσαμε να δοκιμάσουμε τη βομηνή μηχανική και αν μπορεί ποτέ να γίνει ευρύτερα αποδεκτή.
By Karmela Padavic-Callaghan
Μια λεγόμενη «πιλοτική κυματομορφή» αποτελεί βασικό στοιχείο της ερμηνείας του David Bohm για την κβαντική μηχανική. Courtesy of Daniel Harris and John Bush, MIT
Μια λεγόμενη «πιλοτική κυματομορφή» αποτελεί βασικό στοιχείο της ερμηνείας του David Bohm για την κβαντική μηχανική.
Courtesy of Daniel Harris and John Bush, MIT
Κάποια στιγμή στη δεκαετία του 1940, ο Αμερικανός φυσικός David Bohm αποφάσισε ότι ο μόνος τρόπος να κατανοήσει κανείς την κβαντική μηχανική ήταν να γράψει ένα βιβλίο γι’ αυτήν. Ήθελε να προσφέρει στον αναγνώστη κάτι που θα μπορούσε να καταλάβει με τη «συνηθισμένη φανταστική έννοια», περιλαμβάνοντας και μια ερμηνεία των εξισώσεων της κβαντικής μηχανικής που δεν θα απαιτούσε περίπλοκα μαθηματικά. Αυτή η αναζήτηση τον συνόδευσε για περισσότερο από μια δεκαετία, μέσα από χρόνια προσωπικών και επαγγελματικών αναταράξεων, μέχρι που τη διέκοψε αναπτύσσοντας τη δική του ερμηνεία της κβαντικής θεωρίας.
Δύο άρθρα το 1952 ανακοίνωσαν αυτή τη «Bohmian mechanics», όμως, με εξαίρεση λίγους φανατικούς υποστηρικτές, δεν απέκτησε ποτέ πραγματική απήχηση. Ο Bohm είχε γίνει πολιτικά αμφιλεγόμενη φυσιογνωμία και το έργο του επιβαρύνθηκε από αυτό το βάρος, πέρα από τη ήδη ανορθόδοξη προσέγγισή του στην κβαντική φυσική. Το 2025, όμως, ένα πείραμα με σωματίδια φωτός την έφερε ξανά στο προσκήνιο και αναζωπύρωσε την ιδέα ότι ο Bohm ίσως είχε τελικά κάτι ουσιαστικό να πει.
Λύνουμε το θεμελιώδες μυστήριο του πώς συγκρατείται η πραγματικότητα
Τα πολιτικά προβλήματα του Bohm συνδέονταν με τη συμμετοχή του σε διάφορες κομμουνιστικές οργανώσεις κατά τη διάρκεια των διδακτορικών του σπουδών και με την άρνησή του να καταθέσει και να δώσει στοιχεία εναντίον συναδέλφων του ενώπιον της House Un-American Activities Committee, στο αποκορύφωμα του αντικομμουνιστικού κλίματος μετά τον Β’ Παγκόσμιο Πόλεμο. Αυτό που τον έκανε κάπως αιρετικό στα μάτια των φυσικών, όμως, ήταν ότι πίστευε πως η πραγματικότητα είναι, καλά, πραγματική.
Ένα από τα μεγάλα ανοιχτά ζητήματα της κβαντικής μηχανικής είναι τι ακριβώς συμβαίνει όταν ένας πειραματιστής αλληλεπιδρά με ένα κβαντικό αντικείμενο. Τα μαθηματικά πάνω στα οποία στηρίχθηκαν οι «πατέρες» της κβαντικής μηχανικής —όπως ο Niels Bohr και ο Werner Heisenberg— φαίνεται να επιτρέπουν μια παράδοξη κατάσταση: όταν ένα αντικείμενο δεν παρατηρείται, αποτελεί ένα υπαρξιακά ασαφές μίγμα όλων των δυνατών καταστάσεών του, όμως όταν παρατηρηθεί, αυτό το νέφος γίνεται μία συγκεκριμένη κατάσταση. Το φως και τα ηλεκτρόνια δίνουν το πιο ακραίο παράδειγμα. Εμφανίζουν «διττότητα κύματος-σωματιδίου», όπου το φως, που συνήθως μοιάζει με κύμα, μπορεί σε ορισμένα πειράματα να εμφανιστεί ως σωματίδιο, ενώ άλλα πειράματα μπορούν να ωθήσουν αντικείμενα που θα έπρεπε να είναι σωματίδια, όπως τα ηλεκτρόνια, να αποκτήσουν κυματική φύση.
Το πώς ακριβώς συμβαίνει αυτό και αν υπάρχει φυσικός μηχανισμός που αλλάζει κυριολεκτικά το αντικείμενο ή αν το φαινόμενο προκύπτει από τον τρόπο που επεξεργαζόμαστε τις πληροφορίες, παραμένει απογοητευτικά ασαφές. Αν όμως κάνουμε ένα βήμα πίσω, βρισκόμαστε μπροστά σε ένα ακόμη πιο σκοτεινό ερώτημα: τι λέει η κβαντική μηχανική για την πραγματικότητα του κόσμου πριν από μια παρατήρηση ή μια μέτρηση;
Ο Heisenberg υποστήριζε ότι «η ιδέα ενός αντικειμενικού πραγματικού κόσμου, του οποίου τα μικρότερα μέρη υπάρχουν αντικειμενικά με τον ίδιο τρόπο που υπάρχουν οι πέτρες ή τα δέντρα, ανεξάρτητα από το αν τα παρατηρούμε ή όχι… είναι αδύνατη». Αυτή η άποψη έγινε η κβαντική ορθοδοξία και σήμερα είναι γνωστή ως ερμηνεία της Κοπεγχάγης, την οποία συμμερίζονται ευρέως οι φυσικοί. Δεν ήταν όμως αρκετή για τον Bohm. Τη δεκαετία του 1990 είπε στο New Scientist ότι έβρισκε βαθιά απογοητευτική την ιδέα του Bohr πως η κβαντική μηχανική μπορεί να προσφέρει μόνο τύπους που κάνουν εξαιρετικές προβλέψεις, χωρίς να ασχολείται με μια περιγραφή της πραγματικότητας. «Είπα, αυτό δεν είναι αρκετό. Δεν νομίζω ότι θα με ενδιέφερε πολύ η επιστήμη αν αυτό ήταν το μόνο που υπήρχε», είχε πει.
Η σημαντικότερη παρέμβαση του Bohm στην κβαντική μηχανική αφορούσε ένα μαθηματικό αντικείμενο που ονομάζεται κυματοσυνάρτηση και χρησιμοποιούν οι φυσικοί για να αναπαραστήσουν την κβαντική κατάσταση ενός αντικειμένου. Όταν σε μια κυματοσυνάρτηση εφαρμόζεται μια μαθηματική πράξη που αντιστοιχεί σε μέτρηση, εκείνη αλλάζει. Αυτό είναι το διαβόητο «κλείσιμο» της κυματοσυνάρτησης και ήταν το πρώτο στοιχείο που έκανε τους φυσικούς να υποψιαστούν ότι τα κβαντικά αντικείμενα μπορεί να συμπυκνώνονται από ένα νέφος πιθανοτήτων σε κάτι πιο απτό. Όπως το έβλεπε ο Bohm, το πρόβλημα ήταν ότι η ίδια η κυματοσυνάρτηση δεν ήταν φυσικό αντικείμενο, αλλά ένα αφηρημένο σχήμα που υπήρχε σε καθαρά μαθηματικό χώρο, τουλάχιστον σύμφωνα με τους Bohr και Heisenberg. Η δική του κυματοσυνάρτηση, αντίθετα, δεν ήταν ποτέ ασαφής, δεν κατέρρεε ποτέ και μπορούσε να είναι πολύ πιο πραγματική.
Για παράδειγμα, στη βομηνή μηχανική δεν υπάρχει διττότητα κύματος-σωματιδίου, γιατί τα σωματίδια είναι πάντα σωματίδια και δεν χρειάζεται να παρατηρηθούν με κάποιον ιδιαίτερο τρόπο για να εμφανιστούν σε εμάς ως σωματίδια. Συμπεριφέρονται όμως ακόμη σαν κύματα σε ορισμένα πειράματα. Πώς το εξηγούσε ο Bohm; Πρότεινε ότι αυτό συμβαίνει επειδή η συμπεριφορά τους καθοδηγείται από ένα «pilot wave», μια πιλοτική κυματομορφή, η οποία προκαλείται από πεδία παρόμοια με τα ηλεκτρομαγνητικά, αλλά συνδεδεμένα με ένα σύνολο ακόμη άγνωστων, εγγενώς κβαντικών δυνάμεων.
Ο φυσικός David Bohm υπερασπίστηκε τη αμφιλεγόμενη άποψη ότι η πραγματικότητα είναι πραγματική. Keystone/Getty Images
Ο φυσικός David Bohm υπερασπίστηκε τη αμφιλεγόμενη άποψη ότι η πραγματικότητα είναι πραγματική.
Keystone/Getty Images
Στη βομηνή μηχανική, η πιλοτική κυματομορφή ευθύνεται επίσης για όλα τα παράξενα που συμβαίνουν με τα κβαντικά αντικείμενα. Αν δεν μπορείς να γνωρίζεις κάτι για ένα κβαντικό αντικείμενο, για παράδειγμα, δεν είναι επειδή αυτό είναι θεμελιωδώς άγνωστο ή επειδή ο κόσμος είναι πιθανιστικός και όχι ντετερμινιστικός, αλλά επειδή έχεις διαταράξει την πιλοτική κυματομορφή. Οι λεπτομέρειες της πιλοτικής κυματομορφής είναι οι λεγόμενες κρυφές μεταβλητές, στις οποίες δεν έχουμε άμεση πρόσβαση, όμως η πιλοτική κυματομορφή υπάρχει φυσικά, ως ένα πλαίσιο για την πραγματικότητα που υφίσταται ακόμη κι όταν δεν την κοιτάζει κανείς.
Το τίμημα που πλήρωσε ο Bohm για την απόλυτη στροφή στις πιλοτικές κυματομορφές ήταν ότι η ιδέα του, εξ ορισμού, επιτρέπει μη τοπικά φαινόμενα, με τα σωματίδια να παραμένουν αξεδιάλυτα συνδεδεμένα σε εντυπωσιακές αποστάσεις μέσω της «κβαντικής εμπλοκής». Η ιδέα μιας τέτοιας μη τοπικότητας ήταν τόσο ενοχλητική για τον Albert Einstein, που την απέρριψε πλήρως. Υπάρχουν πολλές άλλες θεωρίες με λεγόμενες κρυφές μεταβλητές που εξηγούν την εμπλοκή και άλλα μη τοπικά φαινόμενα, προσπαθώντας ουσιαστικά να τα παρακάμψουν με την επίκληση κάποιας αθέατης ιδιότητας ή δύναμης. Ο Bohm, όμως, δεν ενοχλούνταν από την ιδέα ότι εξαιρετικά μακρινά σημεία του σύμπαντος θα μπορούσαν να μοιράζονται κβαντικές καταστάσεις και να αλληλεπιδρούν συνεχώς.
Η ιδέα του εξακολουθούσε να στηρίζεται στην εξίσωση του Erwin Schrödinger ως αφετηρία κάθε κβαντικού υπολογισμού, κάτι απολύτως συμβατό με την καθιερωμένη φυσική. Κατάργησε το «κλείσιμο» της κυματοσυνάρτησης, κάτι που ενόχλησε πολλούς, ενώ ορισμένες από τις μεταγενέστερες φιλοσοφικές του ιδέες ήταν αρκετά φιλικές προς την άποψη ότι ολόκληρος ο κόσμος μπορεί να μοιράζεται μια μορφή έμμεσης ενότητας και σύνδεσης.
Είναι η συνείδηση πιο θεμελιώδης για την πραγματικότητα από ό,τι η κβαντική φυσική;
Ο Louis de Broglie, μια καθοριστική μορφή στην αποκάλυψη της κυματοειδούς συμπεριφοράς των σωματιδίων στα πρώτα χρόνια της κβαντικής θεωρίας, διατύπωσε μια παρόμοια ιδέα με τις πιλοτικές κυματομορφές τη δεκαετία του 1920, αλλά πείστηκε από τους συναδέλφους του να την εγκαταλείψει. Αφού ο Bohm κατέληξε ανεξάρτητα σε αυτό το πολύ παρόμοιο πλαίσιο και το ανέπτυξε περαιτέρω, αντιμετώπισε και εκείνος αντίσταση.
Το 1989, η φιλόσοφος Renée Weber, μιλώντας με τον John Stewart Bell, έναν πρωτοποριακό φυσικό του οποίου το έργο πάνω στην κβαντική εμπλοκή αμφισβήτησε επίσης την εικόνα μας για την πραγματικότητα, τον ρώτησε γιατί η βομηνή μηχανική είχε φανεί τόσο εύκολο να αγνοηθεί. Ο Bell, που υπήρξε υπέρμαχος του έργου του Bohm, απέφυγε να απαντήσει: «Ας μην μπούμε σε αυτό. Είναι άλλο ερώτημα. Είναι η ψυχολογία και η ιστορία των φυσικών». Το έργο του Bohm κουβαλούσε πάντα τη σκιά της άδικης πολιτικής του δίωξης. Υπάρχουν όμως και δύο μεγάλα επιστημονικά προβλήματα με τη βομηνή μηχανική.
Το πρώτο αγγίζει τον πυρήνα του πώς πρέπει να λειτουργεί η φυσική: μπορεί η βομηνή μηχανική να προτείνει ένα πείραμα του οποίου τα αποτελέσματα θα τη διαφοροποιούσαν από πιο ορθόδοξες ερμηνείες της κβαντικής μηχανικής; Η ίδια η λέξη «ερμηνεία» υποδηλώνει ότι η απάντηση θα έπρεπε να είναι όχι, γιατί συνήθως μόνο διαφορετικές θεωρίες, και όχι διαφορετικές ερμηνείες της ίδιας θεωρίας, μπορούν να διακριθούν πειραματικά. Όμως τον Ιούλιο του 2025, μια μελέτη στο περιοδικό Nature έδειξε το αντίθετο. Ο τίτλος της έλεγε: «Energy-speed relationship of quantum particles challenges Bohmian mechanics», προσφέροντας ένα πιο συγκεκριμένο αντίβαρο στο έργο του Bohm, πέρα από ζητήματα φιλοσοφίας ή πολιτικής.
Δεν ξεκίνησε έτσι, λέει ο Jan Klaers από το University of Twente στην Ολλανδία, που συμμετείχε στο πείραμα. Ο ίδιος και οι συνεργάτες του ήθελαν να μελετήσουν το κβαντικό φαινόμενο της σήραγγας, όπου ένα σωματίδιο καταφέρνει να εισέλθει σε έναν χώρο που κανονικά θα έπρεπε να του είναι απαγορευμένος, όταν συνειδητοποίησαν ότι μπορούσαν να εξαγάγουν και κάτι για το έργο του Bohm. Θεωρούν ότι εντόπισαν μια λεπτομέρεια της ιδέας του που μπορεί τελικά να ελεγχθεί πειραματικά.
Δοκιμάζοντας τον Bohm
Το πείραμά τους έμοιαζε με μια μπάλα που κυλάει σε μια κατηφόρα και συγκρούεται με έναν τοίχο. Εκτός του κβαντικού κόσμου, αυτή είναι μια απλή κατάσταση, όμως στο κβαντικό πεδίο η μπάλα μπορεί να «περάσει» μέσα στον τοίχο. Η διαδικασία αυτή διαφέρει από το να έχει η μπάλα αρκετή ενέργεια ώστε να ανοίξει πραγματική τρύπα στον τοίχο. Στην κβαντική σήραγγα, υπάρχει απλώς κάποια πιθανότητα η μπάλα να εμφανιστεί μέσα στον τοίχο, ακόμη κι αν δεν είναι ιδιαίτερα ενεργητική. Στον μαθηματικό κόσμο, η κυματοσυνάρτηση της μπάλας «χυνεται» μέσα στον τοίχο.
Ο Klaers και η ομάδα του έφτιαξαν τη δική τους «μπάλα» ρίχνοντας λέιζερ σε ένα λεπτό στρώμα υγρού γεμάτου μόρια φθορίζουσας βαφής, ανάμεσα σε δύο καθρέφτες. Οι καθρέφτες, το υγρό και τα μόρια ήταν απαραίτητα για να κάνουν τα άμαζα φωτόνια να συμπεριφέρονται σαν να είχαν μάζα, όπως μια μπάλα. Ο κάτω καθρέφτης ήταν επίσης καλυμμένος με ειδικά νανο-μοτίβα που έκαναν τα φωτόνια να κινούνται σε δύο προκαθορισμένες παράλληλες διαδρομές ή «waveguides». Η μία είχε σχεδιαστεί έτσι ώστε το φωτόνιο να τη βιώνει σαν κατηφορική ράμπα που κατέληγε σε ένα εξόγκωμα — τον τοίχο στο κάτω μέρος του λόφου.
Οι ερευνητές δημιούργησαν φωτόνιο μετά το άλλο στην κορυφή του λόφου και κατέγραψαν τι συνέβη. Κάποια πηδούσαν από το ένα waveguide στο άλλο και κάποια περνούσαν μέσα από τον φραγμό. Ο Klaers λέει ότι το να μετρούν πόσα μεταπηδούσαν ανάμεσα στα waveguides θα μπορούσε να λειτουργήσει ως εσωτερικό ρολόι για το σύστημα, με κάθε άλμα να λειτουργεί σαν «τικ». Έτσι μπόρεσαν να υπολογίσουν την ταχύτητα των φωτονίων που περνούσαν μέσα από το εμπόδιο. Οι ταχύτητες που μέτρησαν ήταν πολύ υψηλές — χιλιάδες χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο — όμως όταν ο Klaers και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν την προσέγγιση του Bohm για να υπολογίσουν τι έπρεπε να είναι, η απάντηση ήταν σχεδόν μηδενική. Η διαφορά ήταν αρκετά μεγάλη ώστε να θέσει τη βομηνή μηχανική σε κίνδυνο.
Μια νέα κατανόηση της αιτιότητας μπορεί να διορθώσει το μοιραίο ελάττωμα της κβαντικής θεωρίας
Δεν συμφωνούν όλοι. Ο Hui Wang από το University of Science and Technology of China λέει ότι η ταχύτητα των φωτονίων της σήραγγας, όπως υπολογίστηκε από τη διάταξη της ομάδας, δεν μπορεί να συγκριθεί άμεσα με τις προβλέψεις της θεωρίας του Bohm. Άλλες ποσότητες που υπολόγισαν οι ερευνητές από τις μετρήσεις τους, κατά τη γνώμη του, είναι σωστές και δεν αποτελούν πρόκληση για τη βομηνή μηχανική, αλλά ο δικός τους ορισμός της ταχύτητας είναι πιο κοντά στον κλασικό και όχι στον κβαντικό ορισμό της.
Μάλιστα, ο Wang λέει ότι η δική του ομάδα ετοιμάζει μια εργασία που θα προτείνει επίσης λύση στο δεύτερο μεγάλο πρόβλημα της βομηνής μηχανικής, δηλαδή το ότι ιστορικά δεν μπορούσε να εφαρμοστεί σε αντικείμενα που κινούνται κοντά στην ταχύτητα του φωτός και, επομένως, πρέπει να υπακούουν στη θεωρία της ειδικής σχετικότητας του Einstein, έναν πυλώνα της φυσικής που έχει αντέξει δεκαετίες δοκιμών. Αν και η δουλειά τους δεν έχει ακόμη αξιολογηθεί από άλλους φυσικούς, αν αποδειχθεί επιτυχής, θα μπορούσε να δώσει πραγματική ώθηση στη βομηνή μηχανική στην κούρσα για να γίνει η επόμενη καλύτερη θεωρία της φυσικής πραγματικότητας. Σε εκείνη τη δεκαετή συνέντευξη,
