Κβαντικά αναγνώσματα

Φέτος συμπληρώνονται 100 χρόνια από τον Ιούλιο του 1925, όταν δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό «Zeitschrift für Physik» (Επιθεώρηση για τη Φυσική) το περίφημο πια άρθρο ενός νεαρού Γερμανού φυσικού, του Βέρνερ φον Χάιζενμπεργκ, στο οποίο πρότεινε ένα κβαντικό μοντέλο ακριβούς μέτρησης των φυσικών αλληλεπιδράσεων μεταξύ των υποατομικών σωματιδίων (ηλεκτρονίων-νουκλεονίων) και άρα τη δυνατότητα δημιουργίας για πρώτη φορά μιας κβαντομηχανικής περιγραφής του μικρόκοσμου.

Ωστόσο η νέα κβαντική περιγραφή της συμπεριφοράς των υποατομικών σωματιδίων δεν ήταν ντετερμινιστική αλλά πιθανοκρατική και επιπλέον τα ίδια τα υποατομικά σωματίδια δεν είναι ποτέ παρατηρησιακά ουδέτερα, επειδή επηρεάζονται από την πράξη παρατήρησής τους. Αυτή είναι η αρχή της αβεβαιότητας ή της απροσδιοριστίας που πρότεινε ο Χάιζενμπεργκ έναν χρόνο μετά και η οποία μαζί με την αρχή της συμπληρωματικότητας του Νιλς Μπορ -δηλαδή της ταυτοχρόνως σωματιδιακής και κυματικής φύσης όλων των κβαντικών φαινομένων- θα αποτελέσουν τις δύο θεμελιώδεις αρχές για την οικοδόμηση της Κβαντομηχανικής.

Σύμφωνα με τη λεγόμενη «ερμηνεία της Κοπεγχάγης», δηλαδή την επιστημονικά ορθόδοξη και αποδεκτή μέχρι σήμερα ερμηνεία, οι δύο αυτές αρχές απαγορεύουν την ταυτόχρονη γνώση της θέσης και της ορμής ενός σωματίου και επομένως η κλασική αρχή της αιτιότητας δεν ισχύει στον μικρόκοσμο.

Αναγνωρίζοντας την αποφασιστική σημασία αυτής της μεθοδολογικά και θεωρητικά επαναστατικής προσέγγισης του Χάιζενμπεργκ στη θεμελίωση της Κβαντικής Φυσικής, τα Ηνωμένα Εθνη ανακήρυξαν το 2025 ως «Διεθνές Ετος Κβαντικής Επιστήμης και Τεχνολογίας». Πάντως στη συγκριμένη ανακήρυξη του ΟΗΕ συνέβαλλαν οι εισηγήσεις πολλών διεθνών επιστημονικών ενώσεων, όπως η Διεθνής Ενωση Καθαρής και Εφαρμοσμένης Φυσικής (IUPAP), η Διεθνής Ενωση Καθαρής και Εφαρμοσμένης Χημείας (IUPAC), η Διεθνής Ενωση Κρυσταλλογραφίας (IUCr) και η Διεθνής Ενωση Ιστορίας και Φιλοσοφίας της Επιστήμης και Τεχνολογίας (IUHPST).

Για την κβαντική επανάσταση και την εντελώς αντιδιαισθητική μικροφυσική πραγματικότητα που αυτή περιγράφει έχουν γραφτεί αμέτρητα βιβλία. Από αυτά επιλέξαμε να προτείνουμε δύο πρόσφατες ιστορικές ανασυγκροτήσεις, ένα βιβλίο για το παρόν και το μέλλον της κβαντοπληροφορικής θερμοδυναμικής και ένα μικρό εισαγωγικό βιβλίο για τις γνωσιολογικές δυνατότητες και τα όρια της κβαντικής κοσμοθεώρησης.

▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬

Tobias Hurter
Η εποχή της αβεβαιότητας
Μετ.:Γιώτα Λαγουδάκου, σελ. 526 ΕΚΔΟΣΕΙΣ Διόπτρα

Αναμφίβολα οι τρεις πρώτες δεκαετίες του εικοστού αιώνα υπήρξαν η χρυσή εποχή της Φυσικής, επειδή ήταν τόσο πυκνή σε ανατρεπτικές ανακαλύψεις που τελικά οδήγησαν στη ριζική αναθεώρηση όχι μόνο των «κλασικών» φυσικών θεωριών, αλλά και ευρύτερα στον τρόπο που αντιλαμβανόμαστε και διαχειριζόμαστε τη φυσική πραγματικότητα. Και το βιβλίο «Η εποχή της αβεβαιότητας: τα φωτεινά και σκοτεινά χρόνια της φυσικής 1895-1945» είναι μια γοητευτική και καλά τεκμηριωμένη ανασυγκρότηση τόσο των επιστημονικών όσο και των κοινωνικοπολιτικών και πολιτισμικών γεγονότων που κατέστησαν εφικτές και σχεδόν αναπόφευκτες τις δύο μεγάλες επιστημονικές επαναστάσεις που έλαβαν χώρα στην Ευρώπη κατά το πρώτο ήμισυ του προηγούμενου αιώνα: αρχικά η επανάσταση της Θεωρίας της Σχετικότητας και κατόπιν της Κβαντικής Φυσικής: δύο εντελώς διαφορετικές επιστημονικές, μεθοδολογικές και μεταφυσικές προσεγγίσεις της φυσικής πραγματικότητας που μέχρι σήμερα παραμένουν ασυμβίβαστες.

Αλλά η εποχή της σχετικότητας και της κβαντικής μηχανικής ήταν επίσης μια εποχή πολέμων και επαναστάσεων και στις σελίδες αυτού του συναρπαστικού βιβλίου αναδεικνύεται επαρκώς το πώς η ταραγμένη ιστορική περίοδος ανάμεσα σε δύο παγκόσμιους πολέμους επηρέασε την ομάδα των ιδιοφυών φυσικών που πραγματοποίησαν την κβαντική επανάσταση. Μάλιστα ένα από τα προτερήματά του είναι ότι παρουσιάζει όχι μόνο το δημιουργικό επιστημονικό έργο, αλλά και το ψυχογράφημα των πρωταγωνιστών της κβαντικής επανάστασης και πώς τα ιδιαίτερα προσωπικά και πολιτισμικά χαρακτηριστικά τους επηρέασαν τις διαπροσωπικές σχέσεις και τις μεταξύ τους επιστημονικές συνεργασίες.

Κάποιοι από αυτούς τους πρωτοπόρους ερευνητές ήταν ελεύθερα πνεύματα, άλλοι δανδήδες και άλλοι μονήρεις και ιδεοληπτικοί με το ερευνητικό αντικείμενό τους. Ορισμένοι από αυτούς, ενώ συνδέθηκαν αρχικά με μεγάλες και πολύ δημιουργικές σχέσεις φιλίας, κατόπιν χώρισαν με πικρίες και έντονα εγωιστικές εχθρότητες. Γεγονός που αποδεικνύει ότι ακόμη και τα πιο μεγαλειώδη ορθολογικά επιστημονικά επιτεύγματα είναι… «ανθρώπινα πολύ ανθρώπινα».

Πρόκειται δηλαδή για την επική και ταυτοχρόνως αδιαφανή ιστορία μιας ομάδας ιδιοφυών φυσικών που μέσα σε λίγες δεκαετίες άλλαξαν όχι μόνο την επιστήμη τους, αλλά και τη σχέση της ανθρωπότητας με τον φυσικό κόσμο. Και ο Tobias Hurter, κορυφαίος Γερμανός επιστημονικός δημοσιογράφος που έχει σπουδάσει φιλοσοφία και μαθηματικά, καταφέρνει σε αυτό το βιβλίο να περιγράψει με τρόπο γοητευτικό τόσο την εποχή όσο και τις ξεχωριστές ζωές των πρωταγωνιστών της κβαντικής επανάστασης.

Στέφανος Τραχανάς
Ο βομβιστής και ο στρατηγός
Σελ. 360, ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΠΕΚ

Μόλις κυκλοφόρησε μια ενδιαφέρουσα και καλογραμμένη ιστορική ανασυγκρότηση των εννοιών και των εφαρμογών της κβαντικής επανάστασης στη Φυσική, αλλά και μια προσπάθεια γνωσιολογικού απολογισμού της ευρύτερης επιρροής της στο σύνολο της ανθρώπινης σκέψης. Πρόκειται για το πιο πρόσφατο προϊόν της συγγραφικής περιπέτειας του Σ. Τραχανά να εκλαϊκεύσει τις κορυφαίες επιστημονικές καινοτομίες που οδήγησαν στην ανατροπή των κλασικών μεθόδων και προτύπων σκέψης στη Φυσική. Η προσπάθεια αυτή ξεκίνησε το 2014 με το «Φάντασμα της Οπερας», ακολουθήσε ο «Κύκλος», ένα αμιγώς επιστημολογικό κείμενο, και ολοκληρώνεται με το παρόν βιβλίο στο οποίο ο συγγραφέας προχωρά όχι μόνο στην ιστορική αφήγηση και στην επιστημονική αξιολόγηση των επιτευγμάτων ενός αιώνα κβαντικής θεωρίας, αλλά επίσης σε κάποιες προβλέψεις για τη μελλοντική πορεία και τις τεχνολογικές εφαρμογές της Κβαντομηχανικής τον 21ο αιώνα.

Ετσι τα πολυάριθμα κεφάλαια που συγκροτούν αυτό το νέο βιβλίο χωρίστηκαν από τον Σ. Τραχανά σε τέσσερις θεματικές ενότητες και σε ένα παράρτημα σχετικά με τη ειδική σχετικότητα του Αϊνστάιν. Από αυτές τις ενότητες ξεχωρίζουμε για τη διαύγεια και τη διασαφητική αξία τους τα κεφάλαια εκείνα που εξιστορούν τη γέννηση αυτής της δεύτερης -μετά τη Θεωρία της Σχετικότητας- μεγάλης επιστημονικής επανάστασης στη σύγχρονη Φυσική. Η κβαντική θεωρία διαμορφώθηκε σταδιακά από το 1900 έως την περίοδο του μεσοπόλεμου , επιβάλλοντας έκτοτε στη διεθνή επιστημονική κοινότητα την αποδοχή της ιδιαίτερα ανατρεπτικής κβαντικής μηχανικής ως της μόνης έγκυρης επιστημονικά προσέγγισης όλων των μικροφυσικών φαινομένων.

«Μια επιστημονική επανάσταση χωρίς «βόμβες» στα θεμέλια του παλιού καθεστώτος και χωρίς «Στρατηγό» να συντονίζει τους «βομβιστές» μάλλον δεν γίνεται. Και η κβαντική επανάσταση τα είχε όλα. Τον Αλβέρτο Αϊνστάιν πρώτα απ’ όλα -τον μεγαλύτερο βομβιστή του 20ού αιώνα- και τον επίσης μεγάλο βομβιστή Νιλς Μπορ, ο οποίος όμως έγινε ταυτόχρονα ο Στρατηγός της! Ο μέντορας της δεύτερης γενιάς επαναστατών -Χάιζενμπεργκ, Πάουλι και Ντιράκ- χάρις στους οποίους η επανάσταση είχε ένα θριαμβευτικό φινάλε. Κατέληξε στην πιο επιτυχημένη επιστημονική θεωρία όλων των εποχών· την κβαντομηχανική». Αυτά γράφει ο Σ. Τραχανάς εξηγώντας αφενός τον τίτλο «Ο βομβιστής και ο στρατηγός» και αφετέρου τον φιλόδοξο γνωσιολογικά στόχο του νέου βιβλίου του, δηλαδή να μας πείσει ότι η κβαντομηχανική είναι η «πιο επιτυχημένη επιστημονική θεωρία όλων των εποχών»!

Και χαρακτηρίζουμε φιλόδοξο αυτόν τον στόχο διότι η πολυπόθητη ενοποίηση του μακρόκοσμου της σχετικότητας με τον μικρόκοσμο της Κβαντικής Φυσικής δεν έχει επιτευχθεί μέχρι σήμερα. Και η ενδεχόμενη ενοποίησή τους από μια ευρύτερη φυσική θεωρία εξακολουθεί να παραμένει ένας ευσεβής μεν αλλά ανεπιβεβαίωτος επιστημονικά στόχος, μολονότι έχει περάσει ένας αιώνας συστηματικών θεωρητικών και πειραματικών αναζητήσεων. Ενα πολύ βαθύ και δυσεπίλυτο επιστημονικό ρήγμα, το οποίο ο συγγραφέας το αναγνωρίζει ρητά και το αντιμετωπίζει όπως μπορεί καλύτερα σε διάφορα κεφάλαια του βιβλίου.

Δημήτριος Ραπακούλιας
Η Κβαντική για όλους
Σελ. 77, ΕΚΔΟΣΕΙΣ «Απαρσις»

Μπορεί ένας ώριμος επιστήμονας να συνοψίσει σε ένα πολύ μικρό βιβλίο -μόλις 77 σελίδων!- τις πιο βασικές ιδέες και τη σημασία για την ανθρώπινη σκέψη της επανάστασης της Κβαντικής Φυσικής; Σε αυτό το ρητορικό ερώτημα θα απαντούσα σίγουρα αρνητικά, αν δεν είχα διαβάσει το βιβλίο του Δημητρίου Ραπακούλια «Η Κβαντική για όλους: χωρίς μαθηματικά, χωρίς τύπους, χωρίς προαπαιτούμενες».

Πρόκειται για μια πολύ πυκνή σε πρωτότυπες ιδέες και παιδαγωγικά γοητευτική προσέγγιση που παρουσιάζει τις δύσπεπτες έννοιες της κβαντικής φυσικής χωρίς να προσφεύγει σε δύσκολους μαθηματικούς χειρισμούς και αμετάφραστους στην καθομιλουμένη επιστημονικούς ιδιωματισμούς οι οποίοι λειτουργούν απαγορευτικά και αποτρεπτικά για τις/τους μη ειδικές/ούς πολίτες.

Ιδού πώς παρουσιάζει ο ίδιος τις προθέσεις του: «Στο βιβλίο αυτό εξηγώ όσο πιο απλά γίνεται την σημασία που έχει η «επανάσταση της κβαντικής» για τον απλό πολίτη. Τι συμπεράσματα πρέπει να ενσωματώσει στην κουλτούρα του, στην φιλοσοφία του, στον τρόπο που αντιλαμβάνεται όσα συμβαίνουν γύρω του». Και έχοντας παρουσιάσει όσο πιο απλά γίνεται τις βασικές έννοιες της Κβαντικής Φυσικής, δεν παραλείπει να τονίσει ότι αυτές οι χρήσιμες επιστημονικές έννοιες ως ανθρώπινες επινοήσεις έχουν πάντα κάποια εγγενή όρια: «Εδώ παραμονεύει ένας μεγάλος κίνδυνος: να αντιστρέψουμε την κατάσταση και να θεωρήσουμε ότι η πραγματικότητα είναι αυτά τα δικά μας κατασκευάσματα. Να παραμορφώσουμε δηλαδή την πραγματικότητα έτσι ώστε να χωρέσει στις κατασκευασμένες έννοιές μας. Γιατί τότε φτάνουμε είτε σε δογματισμούς θρησκευτικού τύπου, είτε και σε ιστορικά εγκλήματα».

Ο καθηγητής Δημήτριος Ραπακούλιας δίδαξε Φυσικοχημεία τόσο σε προπτυχιακό όσο και σε μεταπτυχιακό επίπεδο. Αρχικά στο Πανεπιστήμιο των Παρισίων (Université Paris VI ) και αργότερα στο Πανεπιστήμιο Πατρών, όπου ίδρυσε το Εργαστήριο Χημείας Πλάσματος. Εχει δημοσιεύσει δεκάδες επιστημονικά άρθρα και τέσσερα διδακτικά βιβλία. Υπήρξε επικεφαλής πολλών ευρωπαϊκών ερευνητικών προγραμμάτων και έχει τιμηθεί με το παράσημο της Λεγεώνος της Τιμής της Γαλλικής Δημοκρατίας.

Nicole Yunger Halpern
Κβαντικό ατμοπάνκ: η φυσική της επαύριον του χθες
Μετ.: Ανδρέας Δημητρόπουλος,
Σελ. 384, ΕΚΔΟΣΕΙΣ Κάτοπτρο

Πώς συνδέονται οι πρόσφατες τεχνολογίες αιχμής της κβαντικής πληροφορικής με τις ατμομηχανές της βικτοριανής εποχής; Πώς η βιομηχανική επανάσταση του χθες σχετίζεται με την αναδυόμενη κβαντική υπολογιστική τεχνολογία, που στο ορατό μέλλον θα οδηγήσει στη δημιουργία νέων πανίσχυρων κβαντικών υπολογιστών; Και τι σχέση έχει η σωματιδιακή Κβαντομηχανική με τη Θερμοδυναμική και την Πληροφορική; Σε αυτά τα ασυνήθιστα αλλά πολύ επίκαιρα ερωτήματα επιχειρεί να απαντήσει ένα πολυσυζητημένο διεθνώς και άριστα μεταφρασμένο βιβλίο: το «Κβαντικό ατμοπάνκ» (Quantum Steampunk).

Πρόκειται για ένα ιδιαίτερα τολμηρό και αισθητικά γοητευτικό συγγραφικό εγχείρημα, στο οποίο η επιστημονική ανάλυση των δύσκολων επιστημονικών εννοιών και θεμάτων που πραγματεύεται επιτυγχάνεται με την προσφυγή στη δημιουργική φαντασία, προϋπόθεση κάθε προόδου τόσο στις επιστήμες όσο και στις τέχνες. Ενα πρωτότυπο βιβλίο υψηλής επιστημονικής εκλαΐκευσης που διερευνά τρία υποτίθεται διαφορετικά και φαινομενικά ασύνδετα μεταξύ τους ερευνητικά πεδία: της Κβαντομηχανικής, της Θερμοδυναμικής και της Πληροφορικής.

Αυτές οι τρεις τόσο διαφορετικές και μέχρι χθες αυτόνομες φυσικές επιστήμες, όπως ανακαλύψαμε στις μέρες μας όταν καταφέρνουν να συνεργαστούν ισότιμα μπορούν να δημιουργούν νέα διεπιστημονικά πεδία έρευνας με ασύλληπτες τεχνολογικές εφαρμογές! Για παράδειγμα το επαναστατικό πεδίο έρευνας της «κβαντικής θερμοδυναμικής» ή, ακριβέστερα, της «κβαντοπληροφορικής θερμοδυναμικής» στο οποίο η συγγραφέας αυτού του βιβλίου έχει πρωταγωνιστικό και διεθνώς αναγνωρισμένο ρόλο.

Πράγματι η θεωρητική φυσικός Νικόλ Γιούνγκερ Χάλπερν (Nicole Yunger Halpern) διδάσκει και διευθύνει τις σχετικές έρευνες στο κορυφαίο Ινστιτούτο Κβαντικής Πληροφορίας και Επιστήμης Υπολογιστών (QuICS) του Πανεπιστημίου του Μέριλαντ. Και ο στόχος της σε αυτό το βιβλίο είναι να εισαγάγει τον αμύητο αναγνώστη στις πολύ νέες έννοιες αυτού του νέου διεπιστημονικού ερευνητικού πεδίου. Και στο «Κβαντικό ατμοπάνκ», συνδυάζοντας δημιουργικά τις φουτουριστικές τεχνολογίες με τις βικτοριανές ευαισθησίες, διερευνά συστηματικά ερωτήματα όπως: «Θα καταφέρει η Κβαντική Φυσική να φέρει την επανάσταση στους υπολογιστές και στις μηχανές γενικότερα;», καθώς και «Ποια βαθύτερα μυστικά μπορεί να αποκαλύψει η θεωρία της κβαντικής πληροφορίας σχετικά με τη φορά του χρόνου;» Τέλος, δεν παραλείπει να διερευνήσει την αισθητική του νέου επιστημονικού πεδίου, την οποία και εκφράζει με τρόπο ιδιαίτερα απολαυστικό και διασκεδαστικό στις σελίδες αυτού του βιβλίου.

ℹ️ Την Κυριακή 23 Μαρτίου 15.00-21.00 το Ιδρυμα Ευγενίδου σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο Πατρών διοργανώνει το φεστιβάλ «100 Χρόνια Κβαντικής Θεωρίας: Από τα θεμέλια μέχρι την εφαρμογή στη σύγχρονη τεχνολογία», που φιλοδοξεί να φωτίσει τις «σκοτεινές πλευρές» της κβαντικής επιστήμης.