Το Νόμπελ Φυσικής 2025 αποκαλύπτει πώς ο κόσμος του… αόρατου γίνεται ορατός
Το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 2025 απονεμήθηκε στους John Clarke, Michel H. Devoret και John M. Martinis «για την ανακάλυψη μακροσκοπικών κβαντικών φαινομένων σήραγγας και κβαντισμού της ενέργειας σε ηλεκτρικά κυκλώματα».
Η ορολογία της ανακοίνωσης της επιτροπής είναι αρκετά τεχνική, ας δούμε τι σημαίνει. Υπάρχουν τρία στοιχεία σε αυτό το βραβείο που θα ήταν αξιοπερίεργα από μόνα τους ξεχωριστά, αλλά εδώ συνυπάρχουν και συνδυάζονται και τα τρία.
Φαινόμενο σήραγγας
Το φαινόμενο σήραγγας είναι ιδιότητα του μικροσκοπικού κόσμου: επηρεάζει ατομικά σωμάτια όπως πχ. το ηλεκτρόνιο, εν αντιθέσει με ένα μπαλάκι του τένις. Αν πετάξετε ένα μπαλάκι σε ένα τοίχο (βλ εικόνα), θα δείτε το μπαλάκι να χτυπά πάνω του και να αναπηδά προς τα πίσω. Αν μπορούσαμε να πετάξουμε ένα μικροσκοπικό ηλεκτρόνιο προς τον ίδιο τοίχο, η Κβαντο-Μηχανική (ΚΜ) προβλέπει ότι μερικές φορές το ηλεκτρόνιο μπορεί να περάσει «μέσα από» τον τοίχο. Όταν λέμε «μέσα από» δεν εννοούμε ότι το ηλεκτρόνιο δημιουργεί μια τρύπα όπως θα έκανε μια σφαίρα από εκπυρσοκροτούμενο όπλο. Το ηλεκτρόνιο «απλά» εξαφανίζεται από τη μια πλευρά του τοίχου και επανεμφανίζεται από την άλλη μεριά. Ακούγεται τρελό, αλλά είναι μία από τις πολλές (τρελές) προβλέψεις της ΚΜ, ένα από τα παράξενα φαινόμενα που παρατηρούνται στο μικροσκοπικό κόσμο.
Κάνει η ΚΜ παρόμοιες προβλέψεις για τον δικό μας μακροσκοπικό κόσμο; Όχι. Αν υπολογίσουμε την ΚΜ πιθανότητα να μπορέσουμε να περάσουμε εμείς μέσα από ένα τοίχο, θα δούμε ότι είναι εξαιρετικά μικρή, ένας αστρονομικά μικρός αριθμός. Αν και η μαθηματική πιθανότητα είναι μη-μηδενική, πρακτικά είναι μηδέν.
Αν μπορούσαμε τώρα να σμικρύνουμε το σώμα μας κάνοντας τη μάζα μας παρόμοια με αυτή ενός ηλεκτρονίου, η θεωρητική ΚΜ πιθανότητα τώρα μεγαλώνει, και το φαινόμενο σήραγγας για το (μικρό) σώμα μας είναι πια μια ρεαλιστική πιθανότητα. Με αυτόν τον τρόπο η ΚΜ προβλέπει ότι ενώ τα μικροσκοπικά σωματίδια μπορούν με κάποιο μαγικό τρόπο να περνούν μέσα από τοίχους, δεν θα δούμε ποτέ ανθρώπους να περνάνε μέσα από τοίχους στην καθημερινή μας ζωή. Γενικότερα, η ΚΜ διέπει τη λειτουργία του μικροσκοπικού κόσμου αλλά δεν είναι εμφανής στην καθημερινή μας ζωή. Ίσως αυτό είναι κάπως καθησυχαστικό: οι παράξενες ιδιότητες του μικροσκοπικού κόσμου σταδιακά εξαφανίζονται καθώς οι διαστάσεις των αντικειμένων μεγαλώνουν.
Υπεραγωγιμότητα
Υπεραγωγιμότητα είναι η ιδιότητα ορισμένων υλικών να άγουν ηλεκτρικό ρεύμα χωρίς απώλειες ενέργειας όταν ψύχονται σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Η υπεραγωγιμότητα είναι ένα πραγματικό (δηλαδή πειραματικά επαληθευμένο) φαινόμενο αλλά χρειάζεται εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες για να επιτευχθεί, π.χ. κάτω από -200°C. Είναι κι αυτό ένα φαινόμενο που αδυνατεί να ερμηνεύσει η Κλασσική Φυσική, αλλά προβλέπεται επίσης από την ΚΜ.
Ίσως έχετε ακούσει τον όρο «υπεραγωγιμότητα σε θερμοκρασία δωματίου», ένας τεχνολογικός στόχος με δυνητικά τεράστιες πρακτικές εφαρμογές. Πολύ συνοπτικά, θα μπορούσαμε να εξαλείψουμε (ή να μειώσουμε πάρα πολύ) τις απώλειες ενέργειας σε ο,τιδήποτε χρησιμοποιεί ηλεκτρισμό, πχ: αιωρούμενα τραίνα που δεν ακουμπάνε σε ράγες και κινούνται ανεμπόδιστα σαν αθλητές του καλλιτεχνικού πατινάζ στον πάγο, μεταφορά ενέργειας χωρίς απώλειες, ηλεκτρικά αυτοκίνητα που χρειάζονται πολύ λίγο ηλεκτρισμό, μπαταρίες με δραματικά μειωμένες απώλειες ενέργειας, εργοστάσια παραγωγής ενέργειας σύντηξης, κλπ. Η υπεραγωγιμότητα θερμοκρασίας δωματίου είναι το Ιερό Δισκοπότηρο της Φυσικής Στερεάς Κατάστασης, το πλησιέστερο στο (ανέφικτο) «αεικίνητο» της Φυσικής, αλλά χωρίς να παραβιάζεται ο Δεύτερος Νόμος της Θερμοδυναμικής.
Φανταστείτε τώρα ότι έχουμε δύο υπεραγώγιμα σύρματα, δηλαδή υλικό στο οποίο μπορούν τα ηλεκτρόνια να κινούνται χωρίς απώλειες ενέργειας, και ότι τα φέρνουμε πολύ κοντά το ένα στο άλλο αλλά με μια λεπτή μεμβράνη μονωτικού υλικού μεταξύ τους, η οποία μεμβράνη αντιστοιχεί στον ΚΒ «τοίχο» του φαινομένου σήραγγας. Αυτή η πειραματική διάταξη ονομάζεται Joseph junction. Τι παρατηρούμε; Παρατηρούμε ηλεκτρόνια από το ένα υπεραγώγιμο σύρμα να «περνάνε» μέσα από τη μεμβράνη-τοίχο και να εμφανίζονται στο διπλανό σύρμα. Με τη διάταξη αυτή έχει δημιουργηθεί ένα κύκλωμα ηλεκτρικού ρεύματος χωρίς να υπάρχει διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο συρμάτων. Το φαινόμενο είναι κβαντικό: η ενέργεια που μετράμε δεν έχει συνεχείς αλλά διακριτές (δηλαδή κβαντισμένες) τιμές, μια συνέπεια της ΚΜ συμπεριφοράς των ηλεκτρονίων. Άλλη μία παράξενη ΚΜ πρόβλεψη που επαληθεύεται πειραματικά.
Από το μικροσκοπικό στο μακροσκοπικό
Μιλήσαμε για ηλεκτρικό ρεύμα: η κίνηση των ηλεκτρικών φορτίων είναι ανιχνεύσιμη μέσω του Joseph junction. Η καινοτομία αυτής της πειραματικής διάταξης είναι ότι μας επιτρέπει να παρατηρούμε ΚΜ φαινόμενα στο μακροσκοπικό μας κόσμο, το οποίο είναι εξαιρετικά ασυνήθιστο. Η ανακοίνωση του βραβείου Νόμπελ αναφέρει ότι το μεγάλο επίτευγμα είναι η υλοποίηση «μιας σειράς πειραμάτων που αποδεικνύουν ότι οι παράξενες ιδιότητες του ΚΜ κόσμου μπορούν να παρατηρηθούν σε μια συσκευή που χωράει στην παλάμη του χεριού μας».
Η δυνατότητα να παρατηρούμε ΚΜ φαινόμενα στην καθημερινή μας ζωή είναι αρκετά σπάνια. Το φαινόμενο είναι ανάλογο της χρησιμοποίησης της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Άινσταιν (που εξηγεί πώς η βαρύτητα επηρεάζει το χρόνο) για να υπολογίσουμε ορισμένες διορθώσεις που χρειάζονται οι δορυφόροι για να συγχρονιστούν με τη Γη ώστε να λειτουργεί το GPS στο κινητό μας. Σωστά καταλάβατε, κάθε φορά που χρησιμοποιείτε τους χάρτες της Google επαληθεύετε πειραματικά τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αινστάιν. Αλλά ας επιστρέψουμε στο θέμα μας.
Η ΚΜ κυβερνά το μικροσκοπικό κόσμο: δουλεύει αθόρυβα υποστηρίζοντας ένα ολόκληρο σύστημα αλληλεπιδράσεων μεταξύ στοιχειωδών σωματιδίων, αλλά πού και πού κάνει γνωστή την παρουσία της στην καθημερινή μας ζωή δημιουργώντας φαινόμενα που δε μπορούν να εξηγηθούν από την Κλασσική Φυσική. Όταν μας δύναται η ευκαιρία να πάρουμε μια γεύση της λειτουργίας του μικροσκοπικού κόσμου στην καθημερινότητά μας είναι μια σπάνια και ξεχωριστή στιγμή.
Όταν συμβαίνει αυτό, νομίζω ότι όντως αξίζει ένα Νόμπελ Φυσικής.
Αριστερά: στο μακροσκοπικό κόσμο, ένα μπαλάκι αναπηδά όταν χτυπάει έναν τοίχο. Δεξιά: στο μικροσκοπικό κόσμο, ένα σωματίδιο μπορεί ορισμένες φορές να περάσει μέσα από τον τοίχο. [Εικόνα από https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2025/popular-information/]