Η αρχή απροσδιοριστίας

Αποστόλη καλησπέρα, σε ευχαριστούμε για το σύνδεσμο με τα ενδιαφέροντα στοιχεία για τη διδασκαλία της κβαντικής σε άλλες ευρωπαϊκές χώρες.

Για να μην παρεξηγηθώ να κάνω σαφές πως η φράση:
« Όσο περισσότερο συνδέουμε τις «νέες ιδέες» με τη «γνωστή φυσική» του «αιτίου-αποτελέσματος» τόσο καλύτερα αποτελέσματα θα έχουμε και υπάρχει πιθανότητα κάτι τελικά να μείνει στο μυαλό των μαθητών μας….»
δηλώνει πρόθεση μη απόρριψης του οικοδομήματος της φυσικής, προφανώς κλασικής, που διδάχτηκαν οι μαθητές σε όλα τα χρόνια της σχολικής τους πορείας.

Προσπαθήσαμε να τους δείξουμε μέσα από Νόμους και Αρχές Διατήρησης πώς μπορεί να έχουν μια αιτιοκρατική αντίληψη των όσων συμβαίνουν στη φύση. Τόσο το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο όσο και το φαινόμενο Compton επιβεβαιώνουν κάτι τέτοιο, εφόσον δεχθούμε τη σωματιδιακή και κυματική φύση του φωτός αντίστοιχα, κάτι που εκτιμώ πως μπορεί να γίνει αποδεκτό από τους μαθητές.

Από εκεί και μετά τα πράγματα δυσκολεύουν.
Θέτοντας τα τρία βασικά ερωτήματα:

a.   Υπάρχουν οι βασικές οντότητες της ατομικής φυσικής , όπως τα ηλεκτρόνια, τα φωτόνια, κ.λ.π., ανεξάρτητα από τις παρατηρήσεις των φυσικών ;

b.   Αν η απάντηση στο προηγούμενο ερώτημα είναι καταφατική, είναι δυνατό να κατανοήσουμε τη δομή και εξέλιξη των ατομικών οντοτήτων και φαινομένων,

 δημιουργώντας χωροχρονικές εικόνες που ν’ αντιστοιχούν στην πραγματική τους     

  υπόσταση ;

c.  Πρέπει οι φυσικοί νόμοι να διαμορφωθούν έτσι ώστε να δίνεται μία ή περισσότερες αιτίες για όλα τα παρατηρούμενα φαινόμενα ;

  ερωτήματα, που μπορούν να αναφέρονται ως ερωτήματα:
·            για την πραγματικότητα
·            για την κατανόηση
·            για την αιτιοκρατία
αμφιβάλλω για το κατά πόσον είναι δυνατόν να δοθούν πειστικές απαντήσεις.

Φοβάμαι πως υπάρχει κίνδυνος να ραγίσει το οικοδόμημα γνώσης, από το ασαφές που έμφυτα περιέχουν οι έννοιες της κβαντικής θεωρίας που θα πρέπει να διδάξουμε.

Αξίζει ίσως να θυμηθούμε πώς τοποθετήθηκαν στα παραπάνω ερωτήματα, οι θεμελιωτές της κβαντικής θεωρίας…..
 

Tα ερωτήματα αυτά δίχασαν την κοινότητα των φυσικών: οι Planck, Ehrenfest, Einstein, Schrödinger, de Broglie απάντησαν καταφατικά στα ερωτήματα αυτά. Αντίθετα, οι Sommerfeld, Born, Bohr, Pauli, Heisenberg, Dirac, Jordan απάντησαν αρνητικά.

Οι  Bohr, Born μαζί με τους Ehrenfest, Einstein και Schrödinger αποτελούν τη μεσαία γενιά των δημιουργών της κβαντικής θεωρίας. Οι τρεις τελευταίοι πίστευαν σε μια αντικειμενική πραγματικότητα, κατανοήσιμη από τον άνθρωπο, καθώς και σ’ αιτιακούς νόμους. Αντίθετα οι δύο πρώτοι, εισήγαγαν ιδέες που απορρίπτουν την αιτιότητα και το κατανοήσιμο, ενώ επιπλέον περιόρισαν σημαντικά τη σημασία της ίδιας της έννοιας της φυσικής πραγματικότητας.

Η νεότερη γενιά των δημιουργών της κβαντικής θεωρίας αποτελείται από τους de Broglie, Pauli, Heisenberg, Jordan και Dirac. Επιστημολογικά, εκτός από τον de Broglie, οι απόψεις τους κυμαίνονται από την έλλειψη φιλοσοφικού ενδιαφέροντος για την φυσική πραγματικότητα, έως την ισχυρή τάση ν’ αποτινάξουν τις έννοιες της αιτιοκρατίας και της πραγματικότητας.

Αν εστιάσουμε στους γνωστότερους, θα δούμε πως ο ορισμός του Bohr για τη φυσική ήταν πολύ διαφορετικός απ’ ότι του Einstein: «Είναι λάθος να νομίζουμε ότι σκοπός της φυσικής είναι ν’ ανακαλύψει πώς είναι η φύση. Η φυσική αφορά αυτό που εμείς μπορούμε να πούμε για τη φύση». «Η λέξη πραγματικότητα δεν είναι παρά μία λέξη, που πρέπει να μάθουμε να χρησιμοποιούμε σωστά».

Με την  αρχή της συμπληρωματικότητας ο Bohr επεξεργάστηκε το νέο ρόλο του παρατηρητή, που από τον χαρακτήρα της κβαντικής θεωρίας επηρεάζει το αποτέλεσμα των μετρήσεων, σε αντίθεση με την κλασική φυσική όπου η πράξη της παρατήρησης δεν επηρεάζει τις μετρήσιμες ποσότητες.

Αλλά και στο πρόβλημα της αιτιοκρατίας η στάση του Bohr ήταν αρνητική:

«…το πόσο ριζική αλλαγή στον τρόπο περιγραφής της φύσης έχει φέρει η εξέλιξη της ατομικής φυσικής , φαίνεται ανάγλυφη από το γεγονός ότι η αρχή της αιτιοκρατίας έχει αποδειχθεί πολύ στενό πλαίσιο για να περιλάβει τις παράξενες κανονικότητες που κυβερνούν τα μεμονωμένα ατομικά φαινόμενα».

Η επιστημολογική στάση του Heisenberg χαρακτηρίζεται από την απόρριψη της φυσικής πραγματικότητας , του κατανοήσιμου και της αιτιότητας:

«Στη μοντέρνα φυσική δεν είναι το υλικό αντικείμενο που έχει προτεραιότητα αλλά η μορφή, η μαθηματική συμμετρία».

Για την αιτιοκρατία πίστευε: «Η αλυσίδα αιτίας-αποτελέσματος θα μπορούσε να επαληθευτεί ποσοτικά μόνο στην περίπτωση που ολόκληρο το σύμπαν θεωρείτο σαν ένα σύστημα-όμως τότε θα είχε εξαφανιστεί η φυσική αφήνοντας μονάχα στη θέση της ένα μαθηματικό σχήμα. Η διαίρεση του κόσμου σε συστήματα παρατηρητή και παρατηρούμενου εμποδίζει μια σαφή διατύπωση του νόμου αιτίας ή αποτελέσματος».

Ο Heisenberg δεν δεχόταν χωρίς επιφυλάξεις την αρχή συμπληρωματικότητας του Bohr. Οι αντιρρήσεις του πάντως είχαν τελείως διαφορετική αφετηρία απ’ ότι στους Einstein, Schrödinger  και de Broglie.

Ενώ οι τελευταίοι αντιτάχθηκαν στη συμπληρωματικότητα επειδή δεν ήθελαν να δεχτούν τέτοιους αξεπέραστους περιορισμούς στην κατανόηση μας για τη φύση, ο Heisenberg πίστευε ότι η θεωρητική φυσική ήταν μια ανθρώπινη δημιουργία της οποίας μοναδικός σκοπός ήταν να προβλέπει πειραματικά αποτελέσματα.

Κλείνοντας τη σύντομη αναφορά στις απόψεις των θεμελιωτών της κβαντικής φυσικής, να θυμηθούμε και το  θεώρημα του von Neumann, 1932, το οποίο  αποδείκνυε ότι δεν ήταν δυνατό να κατασκευαστεί κάποια θεωρία με «κρυμμένες μεταβλητές» που θα εξηγούσε ρεαλιστικά και αιτιοκρατικά τα κβαντικά φαινόμενα.

Να θυμίσω μια πρώτη αναφορά στους θεμελιωτές της κβαντικής γραμμένη πριν 20 περίπου χρόνια, που βρίσκεται και στην ιστοσελίδα του αείμνηστου φίλου Μίλτου Σακελλαρίου.