Λύθηκε επιτέλους το πρόβλημα της Κβαντικής Μέτρησης;

Η Κβαντική Μηχανική είναι μία πλήρως επιτυχημένη θεωρία και ο βασικότερος πυλώνας της επιστημονικής επανάστασης που σημάδεψε τον 20ό αιώνα. Η ερμηνεία της, ωστόσο, δεν έχει ακόμη οριστικοποιηθεί εντελώς. Ένα από τα σημεία που ταλάνισε την επιστημονική κοινότητα, μάλιστα, εδώ και πολλές δεκαετίες, ήταν το λεγόμενο «πρόβλημα της κβαντικής μέτρησης». Αυτό υπήρξε ένα από τα δυσκολότερα προβλήματα που απασχόλησαν τους σύγχρονους φυσικούς.

Μια ομάδα φυσικών από το Άμστερνταμ, ωστόσο, ισχυρίζεται πώς επιτέλους βρήκε τη λύση του. Ο Theo M. Nieuwenhuizen (από το Ινστιτούτο Φυσικής του Πανεπιστημίου του Άμστερνταμ) και οι συνεργάτες του Armen E. Allahverdyan (από το Ινστιτούτο Φυσικής του Ερεβάν, Αρμενία), Roger Balian (από το Ινστιτούτο Θεωρητικής Φυσικής του Σακλαί [20 χλμ. νοτιοδυτικά του Παρισιού]), σε μελέτη τους έκτασης 166 σελίδων καταθέτουν την προτεινόμενη λύση. Η εργασία τους φέρει τον τίτλο «Η κατανόηση της κβαντικής μέτρησης μέσω της λύσης των δυναμικών μοντέλων» (Understanding quantum measurement from the solution of dynamical models) και δημοσιεύθηκε τον περασμένο Απρίλιο στην Επιθεώρηση «Physics Reports» (τόμ. 525, τχ. 1)

Το πρόβλημα της μέτρησης στην Κβαντική Μηχανική μελετήθηκε από πολλούς κορυφαίους επιστήμονες, συμπεριλαμβανομένων των Heisenberg, von Neumann, Wigner και van Kampen. Δεδομένου ότι το μόνο σημείο επαφής μεταξύ θεωρίας και πραγματικότητας βρίσκεται στις μετρήσεις, μια ορθή θεωρητική κατανόηση των κβαντικών μετρήσεων φαίνεται πως είναι απαραίτητη.

Το πρόβλημα συνίσταται γενικά στο εξής: η συμπεριφορά κάθε κβαντικού συστήματος, λ.χ. ενός σωματιδίου, περιγράφεται από τη λεγόμενη «εξίσωση του Σρέντιγκερ». Η λύση στην εξίσωση αυτή είναι μία «κυματοσυνάρτηση», η οποία περιγράφει τις δυνατές καταστάσεις στις οποίες μπορεί να βρεθεί το σωματίδιο. Όταν όμως υπάρξει μέτρηση, αυτό σημαίνει πως το σωματίδιο έχει επιλέξει να βρεθεί σε μία μόνο από τις καταστάσεις αυτές, και όπως διατυπώνεται με τεχνικούς όρους: η κυματοσυνάρτηση καταρρέει. Σημαίνει επίσης και ότι η μέτρηση επηρέασε την κατάσταση του συστήματος, αφού από το πλήθος των δυνητικών στις οποίες βρισκόταν προηγουμένως (κβαντική κατάσταση) έχει περιέλθει σε μία μόνο πλέον (κλασική κατάσταση). Αυτό που απασχολεί την επιστημονική κοινότητα είναι ακριβώς το όριο μεταξύ της κβαντικής και της κλασικής περιοχής.

Η ομάδα του Τ. Nieuwenhuizen αναζήτησε, όπως έγραψε, μια διέξοδο από τη «μαθηματική αμηχανία», που παίδεψε τους ειδικούς. Επικεντρώθηκε αρχικά στις παρελθούσες μελέτες αντιμετώπισης του ζητήματος. Κατόπιν, επέλεξε να επικεντρωθεί στο λεγόμενο μοντέλο «Curie-Weiss» της κβαντικής μέτρησης. Διαπιστώθηκε, λοιπόν, ότι η δυναμική της σύζευξης του μετρούμενου συστήματος με τη συσκευή μέτρησης δίνει αποτελέσματα που ερμηνεύουν τις αρχές της μέτρησης. Ακόμη ότι η επιλογή κατάλληλης συνάρτησης (Χαμιλτονιανής της αλληλεπίδρασης) μπορεί να οδηγήσει στην εξάλειψη εκείνων των όρων που απαιτεί η σύνδεση του συστήματος με τη συσκευή. Επιπλέον, δείχθηκε ότι η καταγραφή των αποτελεσμάτων μέτρησης από το δείκτη της συσκευής παρουσιάζεται επειδή η μέτρηση ενεργοποιεί τη μετάβαση από την αρχική «μετασταθή» κατάσταση σε μία από τις σταθερές τελικές καταστάσεις. Αυτή όμως είναι μια διαδικασία με κλασικά χαρακτηριστικά: Το μέγεθος της συσκευής είναι τόσο, που η όλη διαδικασία ισοδυναμεί με ενίσχυση του σήματος.

Αυτά όλα όμως δεν σημαίνουν και ότι έχουμε έρθει στο «τέλος του δρόμου»: Η φύση των κβαντικών διαδικασιών είναι τέτοια (λ.χ. βρίθει παραδόξων), που η κατάσταση της συσκευής και του συστήματος δεν μπορεί να συνδεθεί ευθέως με αυτό που βλέπει ο παρατηρητής (αυτή είναι, εξάλλου, μια βασική πτυχή του προβλήματος της μέτρησης). Η απάντηση των ερευνητών εστιάζεται σε λεπτές δυναμικές αστάθειες στο εσωτερικό της συσκευής, περί το τέλος της μέτρησης. Επειδή οι μόνες σταθερές καταστάσεις είναι αυτές που είναι γνωστές από τα αξιώματα της μέτρησης, αυτές είναι και εκείνες που μπορούν να συνδεθούν με μεμονωμένες μετρήσεις και να οδηγήσουν σε συγκεκριμένες πιθανότητες.

Σε γενικές γραμμές λοιπόν, οι παραπάνω ερευνητές με τις μαθηματικές μεθόδους που εφάρμοσαν, προσφέρουν μια απάντηση, η οποία βασίζεται αποκλειστικά στην καθιερωμένη Κβαντική Μηχανική, με χρήση στατιστικών μεθόδων.