«Πολυσύμπαν» όταν η πραγματικότητα υπερβαίνει την φαντασία

Την ύπαρξη αμέτρητων ασύνδετων μεταξύ τους συμπάντων έχουν προτείνει διάφορες θεωρίες όπως αυτή των χορδών αλλά και η κβαντομηχανική. Μια από τις ιδέες που έχουν πέσει στο τραπέζι του επιστημονικού διαλόγου είναι ότι οι ιδιότητες της κβαντομηχανικής που κανονικά επηρεάζουν μόνο τα μικρότερα σωματίδια παίζει κεντρικό ρόλο και στην εξέλιξη του χωροχρόνου. Σύμφωνα με αυτή την ιδέα ένα αποτέλεσμα αυτής της επιρροής της κβαντομηχανικής είναι ότι μπορούσε να αλλάξει τη κβαντική κατάσταση ενός μικρού «τεμαχίου» χωροχρόνου δημιουργώντας μια κοσμική φυσαλίδα.

Τέτοιες φυσαλίδες θα μπορούσαν να σχηματίζονται συνεχώς μέσα σε ένα νεαρό σύμπαν (σαν το δικό μας) που βρισκόταν σε κατάσταση διαστολής. Αυτές οι φυσαλίδες θα άρχιζαν να διαστέλλονται ανεξάρτητα σχηματίζοντας ένα νέο νεαρό σύμπαν και κάθε νέο νεαρό σύμπαν να γεννά εκ νέου τέτοιες φυσαλίδες που θα δημιουργούν νέα σύμπαντα δημιουργώντας τελικά αυτό που οι θιασώτες αυτής της ιδέας ονομάζουν «Πολυσύμπαν».

Θιασώτης αυτής της ιδέας είναι ο Αλεξ Βίλενκιν, κοσμολόγος του Πανεπιστημίου Tufts στη Μασαχουσέτη. Ο Βίλενκιν μαζί με μια ομάδα συνεργατών του αποφάσισαν να αναζητήσουν τα ίχνη του Πολυσύμπαντος. Σε πρώτη φάση έκαναν μαθηματικές αναλύσεις για να διερευνήσουν τι ακριβώς συμβαίνει με αυτές τις φυσαλίδες, τον σχηματισμό και την εξέλιξη τους. Οι ερευνητές κατέληξαν στο εξής συμπέρασμα. Ότι οι φυσαλίδες που δημιουργούνται στην αρχή αυτού του φαινομένου θα είναι μεγάλες και θα δημιουργούν μεγαλύτερες από εκείνες μαύρες τρύπες μέσα στις οποίες θα… κρύβονται.

Οι επόμενες γενιές φυσαλίδων θα είναι μικρότερες και θα καταρρέουν σχηματίζοντας τις συμβατικές μελανές οπές που γνωρίζουμε με τον περίφημο «ορίζοντα γεγονότων», το λεγόμενο «σημείο χωρίς επιστροφή», δηλαδή το σημείο στο οποίο η βαρυτική έλξη γίνεται τόσο δυνατή, ώστε κάθε διαφυγή να είναι αδύνατη. Με απλά λόγια οι ερευνητές αναφέρουν ότι οι κολοσσιαίες μελανές οπές, εκείνες που η μάζα τους είναι δισεκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από αυτή του Ήλιου είναι πιθανώς πύλες πίσω από τις οποίες βρίσκονται άλλα σύμπαντα. Η μελέτη που παρουσιάζεται στην διαδικτυακή υπηρεσία προδημοσιεύσεων arxiv έχει ήδη προκαλέσει πολλά θετικά σχόλια από επιστήμονες σε όλο τον κόσμο και σίγουρα αν μη τι άλλο εξάπτει την φαντασία.

Πληθωρισμός και Φυσαλίδες

Αν η θεωρία του πληθωρισμού στην κοσμολογία είναι σωστή, αυτό σημαίνει ότι το σύμπαν είναι πολύ μεγαλύτερο από ότι πιστεύαμε. Κατά πάσα πιθανότητα το σύμπαν είναι επίσης πολύ μεγαλύτερο και από την αναθεωρημένη άποψη, γιατί δεν έγινε μόνο ένα αλλά άπειρα big bang.

Η πληθωριστική θεωρία αναπτύχθηκε για να εξηγήσει παρατηρήσιμα χαρακτηριστικά του σύμπαντος, και είχε σημαντική επιτυχία. Ένα παράδειγμα είναι η φύση της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου, που οι κοσμολόγοι ερμηνεύουν σαν το χρονικό της ακτινοβολίας που έμεινε από την θερμότητα του ίδιου του big bang.

Αστρονόμοι έχουν κάνει μετρήσεις υψηλής ακρίβειας αυτής της ακτινοβολίας και διαπίστωσαν ότι φθάνει στην Γη με την ίδια ένταση από όλες τις κατευθύνσεις, με εξαιρετική ακρίβεια περίπου 1/1000 του 1%. Ιχνηλατώντας την ιστορία αυτής της ακτινοβολίας πίσω στο χρόνο, οι κοσμολόγοι συμπέραναν ότι η θερμοκρασία και η πυκνότητα της ύλης στο Σύμπαν πρέπει να ήταν ομοιόμορφη με αυτή την ακρίβεια όταν η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου ελευθερώθηκε, περίπου 370.000 χρόνια μετά τη Μεγάλη Έκρηξη.

Χωρίς τον πληθωρισμού, αυτή η ακραία ομοιογένεια του πρώιμου σύμπαντος έπρεπε να υποτεθεί σαν αξίωμα, δηλαδή δεν μπορούσε να εξηγηθεί. Οι υπολογισμοί δείχνουν ότι, χωρίς τον πληθωρισμό δεν θα υπήρχε αρκετός χρόνος για να γίνει αυτή η σχεδόν ομοιομορφία του Κόσμου, οπότε οι κοσμολόγοι είναι αναγκασμένοι να δεχτούν, χωρίς εξήγηση, ότι το σύμπαν ήταν ομοιόμορφο από την αρχή.

Η θεωρία του πληθωρισμού δέχεται  ότι στις απαρχές του σύμπαντος διογκώθηκε κατά ένα συντελεστή 1050. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με το αρχικό μοντέλο του big-bang, το οποίο λέει ότι το σύμπαν επεκτείνεται με όλο και μικρότερο ρυθμό καθώς η βαρύτητα προσπαθεί να τραβήξει όλη την ύλη πίσω. Ο πληθωρισμός σταμάτησε 10-30 δευτερόλεπτα μετά το Big Bang, και από τότε το σύμπαν έχει επεκταθεί ακριβώς όπως λέει το μοντέλο του big-bang.

Παρά το όνομα, η κλασική μορφή της θεωρίας της Μεγάλης Έκρηξης δεν είναι στην πραγματικότητα καμιά θεωρία της Έκρηξης. Στην πραγματικότητα περιγράφει μόνο τι έγινε μετά την Έκρηξη. Περιγράφει πως το πρώιμο, καυτό, πυκνό σύμπαν επεκτάθηκε και ψύχθηκε. Περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο γεννήθηκαν τα ελαφρά χημικά στοιχεία κατά τη διάρκεια αυτής της διαστολής, και πως η ύλη συμπτύχτηκε για να σχηματιστούν οι γαλαξίες και τα άστρα. Δεν λέει όμως τίποτα τι ήταν αυτό που έκανε ή τι προκάλεσε την Έκρηξη, και ως εκ τούτου, δεν κάνει προβλέψεις για την ομοιομορφία του Σύμπαντος, λίγο μετά την Έκρηξη.

Ο πληθωρισμός, από την άλλη πλευρά, μπορεί να εξηγήσει την "έκρηξη" του big bang. Στηρίζεται σε μια πρόταση, με προέλευση τη σύγχρονη φυσική σωματιδίων, ότι εξαιρετικά υψηλές πυκνότητες μπορεί να οδηγήσουν σε μια μορφή ύλης που κάνουν τη βαρύτητα της απωστική και όχι ελκτική.

Για λόγους που δεν αναφέρεται εδώ, αυτή η μορφή της ύλης ονομάζεται "ψευδές κενό." Ο πληθωρισμός είναι η θεωρία ότι η διαστολή του Σύμπαντος που βλέπουμε σήμερα είναι το αποτέλεσμα της απωστικής βαρύτητας του ψευδούς κενού, που γέμιζε το σύμπαν στις απαρχές του, ένα απειροελάχιστο κλάσμα του δευτερολέπτου μετά το big bang.

Στην πληθωριστική θεωρία η ακραία ομοιομορφία του σύμπαντος έγινε πολύ νωρίς, προτού αρχίσει ο πληθωρισμός. Εκείνη την εποχή η περιοχή που σήμερα είναι το παρατηρήσιμο σύμπαν ήταν πολύ μικροσκοπικό, πάνω από ένα δισεκατομμύριο φορές μικρότερο από το μέγεθος ενός πρωτονίου. Για μια τόσο μικρή περιοχή, υπήρχε άφθονος αρκετός χρόνος για να προκύψει η ομοιομορφία, από τις ίδιες διαδικασίες με τις οποίες η ατμόσφαιρα σε ένα δωμάτιο διαδίδεται και καλύπτει ομοιόμορφα όλο τον όγκο του δωματίου. Αφού έγινε αυτή η ομοιομορφία, ο πληθωρισμός ανέλαβε να διασταλεί η περιοχή για να γίνει αρκετά μεγάλη, ώστε να συμπεριλαμβάνει όλα τα αστέρια και τους γαλαξίες που βλέπουμε σήμερα.

Και τα «σύμπαντα φυσαλίδες»

Ο πληθωρισμός δεν εξηγεί μόνο την ομοιομορφία που βλέπουμε στην κοσμική ακτινοβολία, αλλά εξηγεί και τις στατιστικές ιδιότητες της πολύ αμυδρής μη ομοιογενούς μικροκυματικής ακτινοβολίας που έχει παρατηρηθεί με πολύ ευαίσθητα όργανα, και τα οποία μπορούν να διακρίνουν διακυμάνσεις κάτω από το 1/1.000 του 1%.

Ενώ ο πληθωρισμός πρέπει να δοκιμαστεί και να κριθεί με βάση τα όσα αναφέρει σχετικά με τα παρατηρήσιμα χαρακτηριστικά του σύμπαντος, η περιέργεια οδηγεί τους κοσμολόγους να ρωτήσουν τι λέει ο πληθωρισμός για το σύμπαν ολόκληρο. Η απάντηση της είναι περίεργη.

Η βαρυτική απωστική δύναμη του ψευδούς κενού, που πιστεύεται ότι είναι η αιτία του πληθωρισμού, ήταν τόσο ισχυρή που θα είχε ξεκινήσει μια περίοδο εξαιρετικά ταχείας επέκτασης του μικροσκοπικού σύμπαντος. Το τότε σύμπαν λόγω της ταχύτατης διαστολής θα διπλασιαζόταν σε μέγεθος περίπου κάθε 10-37 του ενός δευτερολέπτου, φυσικά για όσο χρονικό διάστημα επέζησε το ψευδοκενό. Το ψευδές κενό όμως είναι ασταθές, κι έτσι κάποια στιγμή θα "διασπαστεί", μετατρέποντας την ενέργεια του σε μια καυτή σούπα των απλών σωματιδίων.

Από το σημείο αυτό και μετά το σενάριο συμπίπτει με την καθιερωμένη εικόνα του καυτού big bang. Η δραματική διαστολή, ωστόσο, υποδεικνύει ότι το Σύμπαν θα πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερο από αυτό που παρατηρείται σήμερα. Δηλαδή το παρατηρήσιμο σύμπαν θα είναι απλά μια κηλίδα σε ένα πολύ μεγαλύτερο χώρο.

Όμως η όλη ιστορία των απαρχών του Κόσμου είναι πολύ πιο σύνθετη. Το ψευδές κενό είναι ασταθές, αλλά στις περισσότερες εκδόσεις της θεωρίας αυτό διασπάται σαν μια ραδιενεργή ουσία, όπως το ράδιο. Η διάσπαση περιγράφεται από ένα χρόνο ημιζωής ή υποδιπλασιασμού: το μισό του ψευδοκενούς θα παραμείνει μετά από ένα χρόνο ημιζωής, το 1/4 θα παραμείνει μετά από δύο υποδιπλασιασμούς κ.λπ.

Ωστόσο, σε αντίθεση με το ραδιενεργό υλικό, το ψευδοκενό θα επεκτείνεται καθώς αυτό θα διασπάται, και η διαστολή θα είναι ταχύτερη από τη διάσπαση. Αν και μόνο το ήμισυ της ψευδούς κενού θα παραμείνει μετά από ένα χρόνο ημιζωής, θα ήταν μεγαλύτερο από την αρχική περιοχή! Το ψευδές κενό ποτέ δεν θα εξαφανιστεί, αλλά αντίθετα θα συνεχίσει να αυξάνεται σε όγκο επ' αόριστον. Τμήματα της περιοχής του ψευδούς κενού θα διασπάται τυχαία παράγοντας νέα σύμπαντα "φυσαλίδα" με ένα διαρκώς αυξανόμενο ρυθμό. Το σύμπαν μας θα είναι έτσι μόνο ένα από τα σύμπαντα σε αυτό το απέραντο δέντρο των φυσαλίδων.

Το διάγραμμα δεξιά δείχνει μια απλουστευμένη εικόνα του τρόπου με τον οποίο θα λειτουργούσε αυτή η εξέλιξη. Στην αρχή έχουμε μια περιοχή του ψευδοκενού. Μετά φτιάχνεται μια φυσαλίδα-σύμπαν και τη μισή περιοχή του ψευδοκενούς κοκ. Κάθε φορά από μια περιοχή ψευδοκενού παράγεται κι ένα σύμπαν φυσαλίδα. Κάθε μία περιοχή του ψευδούς κενού είναι τόσο μεγάλη όσο και η αρχική περιοχή λόγω διαστολής. Η διαδικασία αυτή θα πρέπει να συνεχίζεται επ' αόριστον.

Οι φυσαλίδες θα συγκρούονται τόσο σπάνια, ώστε κάθε παρατηρητής θα είχε μια αμελητέα πιθανότητα να δούμε ένα σημάδι ύπαρξης των άλλων φυσαλίδων. Παρόλα αυτά,  φαίνεται να είναι απαραίτητη η κατανόηση της δομής του δέντρου με τα άπειρα κλαδιά σύμπαντα, προκειμένου να γίνουν στατιστικές προβλέψεις για τις ιδιότητες του δικού μας Σύμπαντος, το οποίο υποτίθεται ότι είναι ένα τυπικό "κλαδί" του δέντρου.

Μελετώντας ένα σενάριο, όπως αυτό, οι κοσμολόγοι γενικά υποθέτουν ότι οι νόμοι της φυσικής είναι οι ίδιοι σε όλες αυτές τις πολυφυσαλίδες σύμπαντα. Στην πραγματικότητα, δεν έχουμε καμία δυνατότητα να το γνωρίζουμε, αλλά ο στόχος μας είναι να καταλάβουμε τις συνέπειες των νόμων της φυσικής όπως τις ξέρουμε, και να μην μείνουμε σε εικασίες για άλλους μυθικούς κόσμους.

Παρόλα αυτά, υπάρχει μια πιθανότητα ότι οι άλλες φυσαλίδες σύμπαντα θα μπορούσαν να είναι πολύ διαφορετικές από τη δική μας φυσαλίδα. Ενώ ο άδειος χώρος φαίνεται να στερείται ιδιότητες, ο κενός χώρος της σύγχρονης σωματιδιακής φυσικής είναι μία εξαιρετικά περίπλοκη ουσία.

Από το πουθενά εμφανίζονται και εξαφανίζονται αδιάκοπα ζεύγη σωματιδίων-αντισωματιδίων, και το διάστημα το ίδιο πιστεύεται πως διασπάται στον κβαντικό αφρό (μια έννοια που είναι λίγο κατανοητή) όταν μεγεθυνθεί αρκετά, έτσι ώστε αποστάσεις 10-33 εκατοστών να γίνονται ορατές.

Λόγω αυτής της πολυπλοκότητας, οι φυσικοί δεν γνωρίζουν εάν ένα μόνο είδος κενού χώρου είναι σταθερό, ή αν υπάρχουν πολλά είδη. Άλλες μορφές του χώρου μπορεί να μην είναι τρισδιάστατες, και αυτές πιθανόν να αλλάζουν τη μάζα των στοιχειωδών σωματιδίων, ή τις δυνάμεις που διέπουν τη συμπεριφορά τους. Αν υπάρχουν πολλά είδη χώρου, τότε το άπειρο δέντρο των φυσαλίδων συμπάντων θα έχει δείγματα όλων των πιθανοτήτων. 

Κβαντομηχανική και «πολυσύμπαν»

Ο David Deutsch στο πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και οι συνάδελφοι του έχουν δείξει ότι οι βασικές εξισώσεις της κβαντομηχανικής προκύπτουν από τα μαθηματικά των παράλληλων συμπάντων. "Αυτή η εργασία είναι μία από τις σημαντικότερες εξελίξεις στην ιστορία της επιστήμης", λέει ο Andy Albrecht, ένας φυσικός στο πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Νταίηβις. Σε ένα παράλληλο σύμπαν, τουλάχιστον, θα είναι πολύ σπουδαία - αν είναι και σε μας θα περιμένουμε να φανεί.

Η ερμηνεία των "πολλών συμπάντων" των κβαντομηχανικής προτάθηκε πριν 50 χρόνια από τον Hugh Everett, ένα μεταπτυχιακό σπουδαστή στο πανεπιστήμιο του Princeton. Από το να εφαρμόσετε ένα σύνολο κανόνων στον υποατομικό κβαντικό σύμπαν και ένα άλλο στο μεγαλύτερης κλίμακας καθημερινό σύμπαν, όπως οι φυσικοί τείνουν να κάνουν, ο Everett ήθελε να εφαρμόσει τις κβαντομηχανικές εξισώσεις σε όλα τα επίπεδα. Αυτό βεβαίως είχε μερικές τρομακτικές συνέπειες. 

Σύμφωνα με τους κβαντομηχανικούς, τα σωματίδια δεν έχουν αμετάβλητες ιδιότητες προτού να παρατηρηθούν. Αντιθέτως, τα σωματίδια περιγράφονται από "κυματοσυναρτήσεις" που αντιπροσωπεύουν πολλές - αμοιβαία αντιφατικές - ιδιότητες. Και μόνο όταν ένας παρατηρητής μετρά μια ιδιότητα το σωματίδιο 'κατασταλάζει' κάπως σε μία από αυτές τις πολλαπλές επιλογές. Το παράδοξο εξηγείται από τη γάτα του Schrödinger - το διάσημο νοητικό πείραμα στο οποίο μια γάτα μέσα σε ένα κιβώτιο μπορεί να ειπωθεί πως είναι και ζωντανή και νεκρή. Παραδοσιακά θεωρείται ότι η πράξη της παρατήρησης, όταν ανοίγουμε το κιβώτιο για να ελέγξουμε τη γάτα, είναι αυτή που την αναγκάζει να μπει σε μια κατάσταση, ζωντανή ή νεκρή.

Εάν, όπως υποστήριξε ο Everett, η κβαντομηχανική απευθύνεται σε ολόκληρο το σύμπαν, τότε πρέπει αυτή να υπάρχει, επίσης, σε ένα πλήθος ξεχωριστών καταστάσεων. Θα υπήρχε ένα "πολυσύμπαν" από παράλληλα σύμπαντα - ένα για κάθε φυσική δυνατότητα. Έτσι όταν ανοίγετε το κιβώτιο να δείτε τη γάτα του Schrödinger, το σύμπαν χωρίζεται, σχηματίζοντας δύο νέα "δικά σας" σύμπαντα - ένα του οποίου το μέλλον περιλαμβάνει την παρακολούθηση της ζωντανής γάτας και ένα άλλο που βλέπει τη νεκρή γάτα.

Η θεωρία αυτή δεν είχε τύχει της επιστημονικής καθιέρωσης σαν γελοίο για δεκαετίες, όμως τώρα το σενάριο του πολύ-σύμπαντος μπορεί επιτέλους να βγει από την ψύξη χάρις στην εργασία του Deutsch.

Η μεγαλύτερη κριτική που ισοπέδωσε τη θεωρία του πολυσύμπαντος ήταν όταν φάνηκε να χειροτερεύει τις εκβάσεις των κβαντικών πειραμάτων. Οι φυσικοί μπορούν να προβλέψουν την πιθανότητα να δουν μια ορισμένη έκβαση από ένα κβαντικό πείραμα από το τετράγωνο της κυματοσυνάρτησης του, σύμφωνα με το κανόνα του Born. Κανένας δεν μπορεί να εξηγήσει γιατί αυτός ο κανόνας του Born, ταιριάζει απλά με τις πειραματικές παρατηρήσεις. Το πρόβλημα που αναδύθηκε αργότερα ήταν ότι ο κανόνας του Born φαινόταν να μην έχει καμία θέση στο πολυσύμπαν. Στην πραγματικότητα, δεν φάνηκε να υπάρχει κανένας χώρος για οποιεσδήποτε πιθανότητες, αναφέρει ο Deutsch. "Πετάτε ένα νόμισμα, αλλά τι σημαίνει ότι η πιθανότητα να έρθουν γράμματα είναι 50 τοις εκατό;" ρωτά ο Deutsch. "Σύμφωνα με τον Everett, και οι δύο εκβάσεις πρέπει να συμβούν."

Στα μέσα της δεκαετίας του '90, ο Deutsch ανέλαβε να βάλει την αβεβαιότητα που βλέπουμε στα πειράματα της κβαντομηχανικής πίσω στο σενάριο των πολλών συμπάντων. Τώρα δε, με την πρόσθετη εργασία από τους Simon Saunders και David Wallace, που ανήκουν επίσης στην Οξφόρδη, ο ίδιος θεωρεί ότι έχουν πετύχει τον στόχο τους. Το τέχνασμα τους είναι να εξετάσουν ένα κβαντικό πείραμα αποκλείοντας τη θεωρία της πιθανότητας και αποδεχόμενοι την ερμηνεία του πολυ-σύμπαντος.

Το πολυσύμπαν δημιουργεί μια διακλαδιζόμενη δομή, που δημιουργείται καθώς το σύμπαν διασπάται σε παράλληλες εκδόσεις του. Το πάχος των κλάδων μπορεί να υπολογιστεί απλώς χρησιμοποιώντας τις αιτιοκρατικές εξισώσεις, απομακρύνοντας τις αβεβαιότητες που συνδέονται συνήθως με την κβαντική φυσική. Αυτό που βρήκε η παρέα της Οξφόρδης είναι ότι η διακλαδιζόμενη δομή αναπαράγει ακριβώς τις ιδιαίτερες πιθανότητες που προβλέπονται από τον κανόνα του Born.

Η διακλάδωση δίνει επίσης την παραίσθηση των πιθανολογικών εκβάσεων στις μετρήσεις.

Ο Deutsch θεωρεί ότι αυτό λύνει το πρόβλημα της προέλευσης της κβαντικής πιθανότητας μια για πάντα. "Οι πιθανότητες θεωρήθηκαν ως το μεγαλύτερο πρόβλημα για τον Everett, αλλά κατά ειρωνικό τρόπο, είναι τώρα η ισχυρότερη επιτυχία του", λέει.

"Έχουμε ξεκαθαρίσει τα σκοτάδια και λύσαμε το πρόβλημα με μια μια καθαρή απόφαση ότι η θεωρία του Everett δουλεύει", λέει ο Saunders, που παρουσίασε την εργασία του με τον Wallace στο Ίδρυμα για τη θεωρητική φυσική στο Βατερλώ του Καναδά, πριν λίγες μέρες. "Είναι μια δραματική ανακύκλωση και αυτό σημαίνει ότι οι άνθρωποι πρέπει τώρα να συζητήσουν τον Everett σοβαρά."

Ο Albrecht συμφωνεί ότι η εργασία αυτή θα ανακατέψει τους κόσμους των φυσικών. "Πολλοί άνθρωποι ανησυχούν για τις πιθανότητες στην καρδιά της κβαντομηχανικής και προσπαθούν να ξεφορτωθούν την κβαντομηχανική εξ αιτίας τους", διευκρινίζει. "Αλλά αυτό ενισχύει αρκετά τη θεμελιώδη θέση της κβαντομηχανικής για την κατανόηση του φυσικού σύμπαντος."

Ο David Papineau, ένας φιλόσοφος της φυσικής στο Βασιλικό Κολέγιο του Λονδίνου, λέει ότι ο ίδιος μεταστράφηκε από σκεπτικιστής για τα πολλά σύμπαντα σε πιστός της θεωρίας αυτής, που βασίζεται στην δυνατότητά της μια ημέρα να λύσει αυτόν τον γρίφο των κβαντικών πιθανοτήτων. Προσθέτει, εν τούτοις, ότι η εργασία από τους Deutsch, Wallace και Saunders θα πρέπει να διερευνηθεί τώρα. "Είναι ένα φιλόδοξο ζήτημα και γι αυτό πρέπει να είμαστε προσεκτικοί", λέει. Για τον Papineau, το πρόβλημα είναι εάν η πίστη στους παράλληλους κόσμους θα έχει επιπτώσεις στον τρόπο που ζούμε την καθημερινή ζωή μας.

Ο γνωστός Max Tegmark στο Τεχνολογικό Ίδρυμα της Μασαχουσέτης είναι από καιρό ένας φαν του πολυσύμπαντος σεναρίου. Αλλά ενώ πιστεύει ότι η νέα εργασία για την πιθανότητα πρέπει να πείσει τους φυσικούς για τον ρεαλισμό της, δεν θα είναι ποτέ αρκετή για να κερδίσει τους αδιάλλακτους σκεπτικιστές. "Η κριτική των πολλών συμπάντων απλά μετατοπίζεται από το "δεν έχει κανένα νόημα και τη μισώ" στο "τη μισώ", εξηγεί. 

Ο David Albert, φιλόσοφος κι αυτός της φυσικής στο πανεπιστήμιο Κολούμπια στη Νέα Υόρκη, είναι δύσπιστος. Υποστηρίζει ότι υπάρχει λόγος να είναι προσεκτικός κανείς. "Όταν ακούτε αρχικά για αυτό το ζήτημα αισθάνεστε πλήρης ευφορίας", αναφέρει. "Αλλά έπειτα σκέφτεστε, ίσως αυτό είναι πάρα πολύ καλό για να είναι αληθινό." Ο ίδιος θεωρεί ότι είναι άσχετο ότι ο Deutsch και οι συνάδελφοί του μπορούν να δείξουν ότι τα διακλαδιζόμενα σύμπαντα δίνουν την παραίσθηση των πιθανολογικών εκβάσεων στις μετρήσεις. Αυτό που θέλουμε πραγματικά να ξέρουμε, λέει ο David Albert, είναι γιατί συμβαίνει αρχικά αυτή η διακλάδωση. "Έχουν απαντήσει σε μια ερώτηση, αλλά νομίζω ότι είναι η λανθασμένη ερώτηση," λέει.

Ο Wojciech Zurek στο Εθνικό Εργαστήριο του Los Alamos στο New Mexico θεωρεί ότι ο κανόνας του Born είναι ακριβώς η σωστή ερώτηση. Εντούτοις, θεωρεί ότι μπορεί να απαντηθεί χωρίς προσφυγή στους παράλληλους Κόσμους. Ο Zurek επισημαίνει ότι ο Everett δεν χρησιμοποίησε ποτέ τον όρο "πολλά σύμπαντα" στις εργασίες του, και λέει ότι η εργασία του μπορεί να ερμηνευθεί με λιγότερο αμφισβητούμενους τρόπους.

Ο Zurek εμπνέεται επίσης από τις ιδέες του Everett, ιδιαίτερα την διορατικότητά του ότι οι κβαντομηχανικοί πρέπει να απευθύνονται σε ολόκληρο το σύμπαν παρά σε μια περιορισμένη κβαντική σφαίρα. Ερμηνεύει αυτό για να δείξει ότι η κβαντική διεμπλοκή - η διαδικασία στην οποία τα κβαντικά σωματίδια μπορούν να γίνουν περίπλοκα συνδεδεμένα και να ενεργούν σε συμφωνία ανεξάρτητα από το πόσο μακριά είναι - είναι ένα θεμελιώδες συστατικό της κβαντικής φυσικής. Ο Zurek ήδη έχει χρησιμοποιήσει αυτήν την ιδιότητα για να εξηγήσει γιατί βλέπουμε μια ενιαία αντικειμενική πραγματικότητα όταν κάνουμε μια μέτρηση μιας κβαντικής κατάστασης. Ο Zurek ισχυρίζεται ότι η διεμπλοκή μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να παραγάγει τον κανόνα του Born. 

Geronimo

Η κβαντική διεμπλοκή είναι γεγονός

Το μελλοντικό Νόμπελ Φυσικής, ίσως, δοθεί στους πρωτεργάτες ενός πρωτοποριακού τεστ, το οποίο επιβεβαίωσε, με μεγαλύτερη σιγουριά από κάθε άλλη φορά, ότι η κβαντική διεμπλοκή (ή κβαντικός εναγκαλισμός), δηλαδή η αυτόματη «επικοινωνία» και αλληλεπίδραση δύο αντικειμένων εξ αποστάσεως, συνιστά αναπόσπαστο συστατικό του κβαντικού κόσμου.

Πρόκειται για  ένα κακό νέο για τους χάκερς, καθώς η μελλοντική κβαντική κρυπτογράφηση θα είναι απείρως δυσκολότερη να «σπάσει» (και θα απαιτεί διδακτορικό στην κβαντομηχανική).

Οι επιστήμονες, με επικεφαλής τον Ronald Hanson του ολλανδικού Πανεπιστημίου Ντελφτ, έκαναν σχετική προδημοσίευση στον επιστημονικό διαδικτυακό τόπο arXiv, σύμφωνα με το Nature, ενώ εκκρεμεί η επίσημη δημοσίευση σε επιστημονικό περιοδικό με κριτές.

Για «ιστορική στιγμή» έκανε λόγο ο κβαντικός φυσικός Νικολά Γκεζέν του Πανεπιστημίου της Γενεύης. Για «πραγματικά μεγαλοφυές και όμορφο πείραμα» μίλησε ο κορυφαίος κβαντικός φυσικός Άντον Τσάϊλινγκερ του Πανεπιστημίου της Βιέννης.

Ο κβαντικός φυσικός Μάθιου Λάϊφερ του καναδικού Ινστιτούτου «Περίμετρος» του Οντάριο δήλωσε ότι δεν θα εκπλησσόταν, αν τα επόμενα χρόνια κάποιος από τους ερευνητές, μαζί με άλλους παλαιότερους συναδέλφους του, έπαιρνε το Νόμπελ Φυσικής. Είχαν προηγηθεί άλλα σχετικά πειράματα, αλλά το νέο πείραμα στην Ολλανδία κλείνει τα «παραθυράκια» αμφιβολίας που εκείνα είχαν αφήσει.

Στην κβαντομηχανική, τα αντικείμενα μπορούν να βρίσκονται ταυτόχρονα σε πολλές διαφορετικές καταστάσεις (π.χ. ένα σωματίδιο σε δύο σημεία). Μόνο όταν γίνεται η κατάλληλη μέτρηση από τον επιστήμονα, το αντικείμενο «κατασταλάζει» σε μία δεδομένη κατάσταση.

Επιπλέον όμως -και αυτό είναι ακόμη πιο παράδοξο- οι ιδιότητες δύο μακρινών αντικειμένων, τα οποία απέχουν χιλιόμετρα μεταξύ τους, «διεμπλέκονται» ή «εναγκαλίζονται», με αποτέλεσμα όταν μετριέται κάποια ιδιότητα του ενός αντικειμένου, τότε η αντίστοιχη ιδιότητα του άλλου παίρνει την ίδια τιμή, δηλαδή μεταπίπτει ακριβώς στην ίδια κατάσταση με το πρώτο, παρ’ όλη την απόσταση μεταξύ τους.

Αυτή η συμπεριφορά (λες και υπάρχει ένα «φάντασμα» στην ύλη) εκνεύριζε τον Αϊνστάιν, καθώς φαίνεται να παραβιάζει τον -υποτίθεται απαραβίαστο- συμπαντικό κανόνα ότι τίποτε δεν μπορεί να ταξιδέψει ταχύτερα από το φως. Στη δεκαετία του ’60, πρώτος ο Ιρλανδός φυσικός Τζον Μπελ πρότεινε ένα πείραμα για να επιβεβαιωθεί η κβαντική διεμπλοκή και να διαψευσθεί ο Αϊνστάιν, οριστικά.

Το πρώτο σχετικό τεστ έγινε το 1981 από τον Αλέν Ασπέκτ (πιθανότατο υποψήφιο για μελλοντικό Νόμπελ) στο Ινστιτούτο Οπτικής στο Παλεζό της Γαλλίας. Αρκετά ακόμη πειράματα έλαβαν χώρα στα επόμενα χρόνια, αλλά κάθε φορά έμενε κάποια αμφιβολία. Όμως το νέο τεστ, που αφορούσε την κβαντική διεμπλοκή ζευγαριών ηλεκτρονίων και φωτονίων, φαίνεται πως κλείνει, πλέον, για τα καλά κάθε προηγούμενο κενό.

«Το πείραμα στο Ντελφτ αποτελεί την οριστική απόδειξη ότι η κβαντική κρυπτογραφία μπορεί να είναι απεριόριστα ασφαλής», δήλωσε ο Τσάϊλινγκερ. Όμως, στην πράξη, η εφαρμογή αναμένεται να είναι αρκετά δύσκολη.

Σε άρθρο που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, μια διεθνής ομάδα επιστημόνων υποστηρίζει πως επιβεβαίωσε πειραματικά ένα από τα πλέον θεμελιώδη φαινόμενα της κβαντικής φυσικής, δηλαδή ότι δύο υποατομικά σωματίδια μπορούν να αλληλεπιδρούν από απόσταση, ανεξάρτητα από το πόσο μεγάλη είναι αυτή, μεταβάλλοντας έτσι ακαριαία τις ιδιότητές τους.

Το πείραμα πραγματοποιήθηκε με επικεφαλής ερευνητές του Πανεπιστημίου Τεχνολογίας του Ντελφτ και είναι ορόσημο στην ιστορία της φυσικής, αφού αποτελεί την πιο βάσιμη μέχρι σήμερα ένδειξη ότι δεν ισχύει η «τοπικότητα», μία θεμελιώδης αρχή της κλασικής φυσικής.

Σύμφωνα με την κλασική φυσική, καμία αλληλεπίδραση δεν μπορεί να διαδοθεί ταχύτερα από το φως, ενώ όταν δύο συστήµατα που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους απομακρυνθούν πάρα πολύ, τότε διαχωρίζονται και δεν υπάρχει καμία αλληλεπίδραση µεταξύ τους.

Στην αρχή της τοπικότητας είχε βασισθεί ο Άλμπερτ Αϊνστάιν για να υποστηρίξει πως η κβαντική φυσική δεν είναι μία πλήρης θεωρία που καταφέρνει να περιγράψει την πραγματικότητα. Ο Αϊνστάιν δεν αποδεχόταν ότι η αβεβαιότητα είναι μία εγγενής ιδιότητα της φύσης, όπως πρεσβεύει η κβαντική, λέγοντας χαρακτηριστικά «πως ο Θεός δεν παίζει ζάρια με τον κόσμο».

Ένα από τα επιχειρήματά του ήταν η «μυστηριώδης δράση από απόσταση», δηλαδή ένα φαινόμενο που θα έπρεπε να προκύπτει από την παραβίαση της αρχής της τοπικότητας, αν όντως ισχύει η κβαντική φυσική.

Η «μυστηριώδης δράση από απόσταση» ονομάστηκε στην πορεία κβαντική διεμπλοκή ή κβαντικός συσχετισμός (quantum entanglement). Τώρα, όπως αναφέρουν οι επιστήμονες από το Ντελφτ, αυτό που κατάφεραν ήταν να παρατηρήσουν πειραματικά την κβαντική διεμπλοκή «σε δράση», και μάλιστα με τέτοιο τρόπο που να αποκλείει οποιαδήποτε εναλλακτική ερμηνεία, η οποία να παρακάμπτει την κβαντική.

Επομένως, το πείραμά τους δείχνει πως η πραγματικότητα δεν είναι ντετερμινιστική, όπως πρεσβεύει κλασική φυσική. Με άλλα λόγια, ότι τελικά «ο Θεός παίζει ζάρια με τον κόσμο», αντίθετα απ’ ό,τι πίστευε ο διάσημος φυσικός.

Ένα παράδειγμα που χρησιμοποιείται για να περιγραφεί η κβαντική διεμπλοκή είναι όταν π.χ. από την αποδιέγερση ενός σωματιδίου παράγονται δύο ηλεκτρόνια, τα οποία έχουν αντίθετα spin και κινούνται σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Με βάση την κβαντική φυσική, το spin κάθε ηλεκτρονίου βρίσκεται σε μία υπέρθεση καταστάσεων, κάτι που σημαίνει πως αποκτά δεδομένη τιμή μόνο όταν μετρηθεί.

Ο τρόπος που παράχθηκαν τα ηλεκτρόνια σημαίνει όμως πως είναι «συσχετισμένα». Συνεπώς, αν μετρηθεί το spin του ενός ηλεκτρονίου, και πάρει συγκεκριμένη τιμή, θα πρέπει το άθροισμα των spin των δύο σωμάτων να συνεχίσει να είναι μηδενικό. Κάτι που σημαίνει πως το δεύτερο ηλεκτρόνιο θα επηρεασθεί ακαριαία, όσο μακριά κι αν βρίσκεται, αποκτώντας αντίθετο spin.

Η αλήθεια είναι πως, από τη δεκαετία του ’70, αρκετά πειράματα έχουν δείξει ότι η μυστηριώδης δράση από απόσταση» όντως ισχύει. Η διαφορά του νέου πειράματος, στο οποίο πήραν μέρος επίσης φυσικοί από την Ισπανία και την Αγγλία, είναι πως «κλείνει την πόρτα» σε εναλλακτικές ερμηνείες, όπως π.χ. την ύπαρξη τοπικά κρυμμένων μεταβλητών, δείχνοντας πως η μοναδική εξήγηση είναι η πιθανοκρατική φύση της πραγματικότητας και η κβαντική.

Το πείραμα έγινε στις εγκαταστάσεις του Ντελφτ, με τους επιστήμονες να χρησιμοποιούν ζεύγη «συσχετισμένων» ηλεκτρονίων, τα οποία «επικοινωνούσαν» μεταξύ τους από απόσταση 1,3 χιλιομέτρων. Σε κάθε άκρο της διάταξης είχε τοποθετηθεί από ένα διαμάντι με μια «παγίδα» για τα ηλεκτρόνια, ενώ με τη βοήθεια παλμών από μικροκύματα και λέιζερ γινόταν ο «συσχετισμός» των ηλεκτρονίων και η μέτρηση του spin τους.

Η μεγάλη απόσταση των δύο διαμαντιών εξασφάλιζε πως τα ηλεκτρόνια δεν μπορούσαν να επικοινωνήσουν μεταξύ τους με συμβατικό τρόπο, πριν μετρηθεί το spin τους.
Πάντως, ορισμένοι ειδικοί που δεν συμμετείχαν το πείραμα, με τα σχόλιά τους στα μίντια υποστήριξαν πως παρόλο που όντως αποκλείονται οι περισσότερες εναλλακτικές ερμηνείες, και το αποτέλεσμά του έχει επομένως ιστορική σημασία, δεν αποτελεί τελεσίδικη «απάντηση» στον Άλμπερτ Αϊνστάιν.

Ενδεικτικά, ο Ντέιβιντ Κάιζερ από το ΜΙΤ ανέφερε στο σάιτ του περιοδικού The World Weekly πως αφήνει ανοικτό το ενδεχόμενο το ηλεκτρονικό σύστημα που χρησιμοποιήθηκε για να γίνουν τυχαίες οι μετρήσεις να είναι προκαθορισμένο, με κάποιον τρόπο ο οποίος δεν είναι εύκολα ανιχνεύσιμος.

Ο Κάιζερ είναι επικεφαλής ενός φιλόδοξου πειράματος που χρηματοδοτείται από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών των ΗΠΑ και, μέσα στην επόμενη τριετία, θα προσπαθήσει να αποδείξει την κβαντική διεμπλοκή χρησιμοποιώντας φωτόνια από κβάζαρ που βρίσκονται στις παρυφές του σύμπαντος και σε αντιδιαμετρικά σημεία.

Στην κβαντομηχανική, τα εναγκαλισμένα σωματίδια παραμένουν συνδεδεμένα έτσι ώστε όταν μια ενέργεια πραγματοποιηθεί σε ένα από αυτά, τότε αυτόματα επηρεάζεται και το άλλο, ακόμα και αν απέχουν μεταξύ τους κατά τεράστιες αποστάσεις. Το συγκεκριμένο φαινόμενο «ταλαιπώρησε» τόσο πολύ τον Albert Einstein που το ονόμασε παράξενη δράση από απόσταση (spooky action at a distance).

Οι κανόνες της κβαντομηχανικής λένε ότι ένα φωτόνιο (σωματίδιο φωτός) που δεν έχει παρατηρηθεί ακόμα, υπάρχει σε όλες τις πιθανές του μορφές (κύμα και σωματίδιο), αλλά μόλις παρατηρηθεί ή μετρηθεί τότε υπάρχει μόνο σε μία κατάσταση.

Ένα βασικό χαρακτηριστικό των υποατομικών σωματιδίων το οποίο θα μας βοηθήσει για την κατανόηση του φαινομένου είναι το λεγόμενο spin (περιστροφή) του σωματιδίου το οποίο είναι εξ’ίσου σημαντικό όσο και η μάζα αλλά και το ηλεκτρικό φορτίο.Το spin στη συγκεκριμένη περίπτωση αναπαρίσταται σαν ένας άξονας περιστροφής αν και στη πραγματικότητα τα σωματίδια δεν περιστρέφονται.

Ο εναγκαλισμός λοιπόν συμβαίνει όταν ένα ζευγάρι σωματιδίων, όπως τα φωτόνια, αλληλεπιδρούν. Μια ακτίνα laser που πυροδοτείται μέσα από ένα συγκεκριμένο είδος κρύσταλλων μπορεί να προκαλέσει ορισμένα φωτόνια να χωριστούν σε ζευγάρια εναγκαλισμένων φωτονίων τα οποία μπορούν μετά να χωριστούν μεταξύ τους κατά τεράστιες αποστάσεις, χιλιάδες χιλιόμετρα ή και παραπάνω.

Όταν παρατηρηθεί, το φωτόνιο Α παίρνει για παράδειγμα spin προς τα πάνω. Την ίδια στιγμή το αντίστοιχο εναγκαλισμένο φωτόνιο Β, που είναι πλέον χιλιόμετρα μακριά παίρνει την ακριβώς ανάποδη ένδειξη δηλαδή spin προς τα κάτω. Η μεταφορά κατάστασης μεταξύ φωτονίου Α και φωτονίου Β γίνεται με ταχύτητα τουλάχιστον 10,000 φορές μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός, πιθανότατα ίσως και ταυτόχρονα, ανεξαρτήτως απόστασης.

Ένα πείραμα που έχει προταθεί είναι να στείλουμε το ένα εκ των δύο εναγκαλισμένων φωτονίων στον διεθνή διαστημικό σταθμό που είναι σε τροχιά γύρω από τη γη σε απόσταση περίπου 500 χιλιομέτρων. Αυτή θα είναι η μεγαλύτερη απόσταση που θα έχει ελεγχθεί το φαινόμενο πειραματικά.

Οι πρακτικές εφαρμογές, αν καταφέρουμε να δαμάσουμε το φαινόμενο του κβαντικού εναγκαλισμού θα είναι τεράστιες. Από την δημιουργία υπερσύγχρονων κβαντικών υπολογιστών, της δραματικής βελτίωσης της κρυπτογράφησης, ίσως ακόμα και της κβαντικής τηλεμεταφοράς πληροφοριών.