Στέφανος Τραχανάς: Η κβαντομηχανική μπορεί να διδαχθεί στο λύκειο

Ο Στέφανος Τραχανάς διδάσκει κβαντική φυσική στο Πανεπιστήμιο Κρήτης και είναι ιδρυτής και διευθυντής του Κέντρου Ανοικτών Διαδικτυακών Μαθημάτων Mathesis του Ιδρύματος Τεχνολογίας και Έρευνας (ΙΤΕ). Είναι συγγραφέας έντεκα πανεπιστημιακών συγγραμμάτων, τεσσάρων βιβλίων για το ευρύτερο κοινό και ενός για τη διδασκαλία της κβαντομηχανικής στη Μέση Εκπαίδευση.

Υπήρξε ιδρυτικό μέλος και επί τριάντα χρόνια διευθυντής των Πανεπιστημιακών Εκδόσεων Κρήτης (ΠΕΚ) του ΙΤΕ και έχει τιμηθεί –μεταξύ άλλων– με το Εθνικό Βραβείο Εξαίρετης Πανεπιστημιακής Διδασκαλίας εις μνήμην Ξανθόπουλου - Πνευματικού, με το Βραβείο Ηθικής Τάξεως της πόλης του Ηρακλείου, ενώ το τμήμα Φυσικής έδωσε το όνομά του σ’ ένα από τα αμφιθέατρά του.

Με το τελευταίο του βιβλίο «Ο Βομβιστής και ο Στρατηγός» κλείνει μια τριλογία, που περιλαμβάνει τα: «Το φάντασμα της όπερας: Η επιστήμη στον πολιτισμό μας» (2014) και «Ο Κύκλος: Επιστήμη και δημοκρατία σε ανήσυχους καιρούς» (2024), τα οποία εξετάζουν θεμελιώδεις όψεις της επιστημονικής επανάστασης του 20ού αιώνα και της ταραχώδους σχέσης της με την εποχή μας. Το τελευταίο βιβλίο του επικεντρώνεται στη μεγάλη διαμάχη Αϊνστάιν-Μπορ –ο Βομβιστής και ο Στρατηγός αντίστοιχα– για τη φύση της πραγματικότητας στον ατομικό μικρόκοσμο.

— Το βιβλίο σας «Ο Βομβιστής και ο Στρατηγός» κάνει λόγο για μια «κβαντική επανάσταση» και αποτελεί ένα χρονικό της. Για τι είδους επανάσταση πρόκειται και πώς αυτή «άλλαξε την εικόνα μας για τον κόσμο», όπως λέτε;

Ο χαρακτηρισμός «κβαντική επανάσταση» δεν είναι ούτε υπερβολή ούτε σχήμα λόγου. Στις αρχές του περασμένου αιώνα, οι τότε φυσικοί βρέθηκαν μπροστά σε μια πρωτόγνωρη κατάσταση. Όταν προσπάθησαν να εφαρμόσουν την ένδοξη μέχρι τότε νευτώνεια φυσική στον κόσμο του ατόμου –ο οποίος για πρώτη φορά τότε έγινε προσιτός σε πειραματική μελέτη–, διαπίστωσαν ότι οδηγούσε στο απόλυτο φιάσκο. Αν αυτή η φυσική ήταν σωστή, δεν έπρεπε να υπάρχουν ούτε άτομα ούτε μόρια, και φυσικά ούτε εμείς για να το συζητάμε. Επρόκειτο, επομένως, για την πλήρη χρεωκοπία του παλιού επιστημονικού καθεστώτος στην περιοχή του ατομικού μικρόκοσμου. Και ο μοναδικός δρόμος από κει και πέρα ήταν –με αφετηρία τα νέα φαινόμενα που ήρθαν στο φως– η οικοδόμηση μιας νέας φυσικής θεωρίας ικανής να τα εξηγήσει.

Κι αυτή ήταν η θεωρία που αποκαλούμε σήμερα κβαντομηχανική. Η ονομασία της οποίας προέρχεται από τη λέξη κβάντο –λατινιστί quantum–, η οποία σημαίνει ελάχιστο ποσόν και δηλώνει αυτό που βρίσκεται στον πυρήνα της νέας φυσικής. Ότι όλα στη φύση αποτελούνται από ελάχιστα, αδιαίρετα κομμάτια. Ακόμα και το φως. Παρότι συνεχίζουμε να λέμε ότι «είμαστε λουσμένοι στο φως» –και εννοούμε ότι ένα είδος συνεχούς «φωτεινού ρευστού» πέφτει πάνω μας και μας «λούζει»–, εντούτοις, αυτό που πραγματικά συμβαίνει είναι ότι δεχόμαστε μια «φωτεινή βροχή». Ένα τεράστιο πλήθος από αδιαίρετες και άθραυστες «φωτεινές σταγόνες». Αυτόν τον γενναίο καινούργιο κόσμο των κβάντων –και των παράξενων νόμων που τα κυβερνούν– είναι που μας αποκάλυψε η κβαντική επανάσταση.

— Αν και ένα από τα μεγαλύτερα μυαλά του 20ού αιώνα, ο Αλβέρτος Αϊνστάιν, στάθηκε πολύ κριτικά απέναντι στην κβαντομηχανική. Γιατί αυτό; Ήταν όλα τα επιχειρήματά του εναντίον της λανθασμένα; Και η διαμάχη του με τον Μπορ, στην οποία επικεντρώνεται το βιβλίο σας, σε τι συνίσταται;

Όταν μια επιστημονική επανάσταση βρίσκεται ακόμα σε εξέλιξη, το τι είναι σωστό και τι λανθασμένο κανείς από τους πρωταγωνιστές της δεν μπορεί να το ξέρει. Αυτό γίνεται σαφές αργότερα, όταν η νέα θεωρία έχει πάρει την οριστική της μορφή και είναι πλέον αντιμέτωπη με την ετυμηγορία του πειράματος. Όσον αφορά την κριτική του Αϊνστάιν απέναντι στην κβαντομηχανική, αυτή είχε στο στόχαστρό της τη θεμελιώδη πιθανοκρατία της, όπως την εξέφρασαν ο Δανός φυσικός Μπορ –ο Στρατηγός– και ο νεαρός Χάιζενμπεργκ με την περίφημη «αρχή της αβεβαιότητας». Και πρόκειται, πράγματι, για μια ριζοσπαστική ρήξη με τη νευτώνεια αιτιοκρατία, αφού θεσπίζει ότι στον μικρόκοσμο οι ίδιες αιτίες δεν οδηγούν πάντα στα ίδια αποτελέσματα. Αυτό, λοιπόν, ήταν το επαναστατικό στοιχείο της κβαντομηχανικής που αρνήθηκε να δεχτεί ο Αϊνστάιν, συμπυκνώνοντας την άρνησή του στην περίφημη φράση «ο Θεός δεν παίζει ζάρια με τον κόσμο», την οποία θα σχολιάσει λίγο αργότερα ο Μπορ, λέγοντας: «Αϊνστάιν, σταμάτα να λες στον Θεό τι να κάνει».

Ο τίτλος του βιβλίου μου, «Ο Βομβιστής και ο Στρατηγός», παραπέμπει ακριβώς στο γεγονός ότι αυτοί οι δύο ήταν τα κεντρικά πρόσωπα μιας από τις μεγαλύτερες επιστημονικές διαμάχες στην ιστορία της επιστήμης, η οποία μάλιστα σήκωσε «μεγάλα κύματα» και στην περιοχή της φιλοσοφίας αλλά και των μεγάλων ιδεολογικών συστημάτων της εποχής. Ώστε η κβαντομηχανική –όπως και η θεωρία της σχετικότητας– να χαρακτηριστεί «εβραϊκή φυσική» από τους φιλοναζί επιστήμονες της εποχής, ενώ και η υποδοχή της από τους κρατικούς φιλοσόφους στη Σοβιετική Ένωση δεν ήταν καλύτερη. Τίποτα παράξενο, βεβαίως: Ας σκεφτούμε τι συνέβη με τον Γαλιλαίο. Ο ριζοσπαστικός αντιδογματισμός της θεμελιώδους επιστήμης δεν την έκανε ποτέ «συμπαθή» στους κάθε λογής κατόχους της απόλυτης αλήθειας.

— Αφού, λοιπόν, η διαμάχη ανάμεσα στον Αϊνστάιν και τον Μπορ –ανάμεσα στον Βομβιστή και τον Στρατηγό– βρίσκεται στο επίκεντρο της κβαντικής επανάστασης, τελικά ποιος από τους δύο ήταν ο νικητής; Τι μπορούμε να πούμε σήμερα για το ζήτημα που έθεσε ο Αϊνστάιν; Παίζει ζάρια με τον κόσμο ο Θεός ή όχι;

Όχι μόνο παίζει, αλλά είναι και μανιώδης παίκτης. Κι αυτό, όχι επειδή το αποφάσισε κάποια «οικουμενική σύνοδος», αλλά επειδή έτσι αποφάνθηκε το Δικαστήριο της Φύσης, δηλαδή το πείραμα. Και το ζήτημα έληξε και τυπικά το 2022 με την απονομή του βραβείου Νόμπελ στους τρεις πειραματικούς φυσικούς, οι οποίοι, ύστερα από μια μακρόχρονη σειρά πειραμάτων εκπληκτικής ακρίβειας, δεν άφησαν ούτε χαραμάδα αμφιβολίας σχετικά με τη φύση του Θεού. Οι πιθανότητες

που εμφανίζονται στα φαινόμενα του μικρόκοσμου δεν οφείλονται σε ατελή γνώση των παραγόντων που τα επηρεάζουν (αυτό έλεγε ο Αϊνστάιν), αλλά είναι θεμελιώδεις, σύμφωνα με τον Μπορ: Έτσι συμπεριφέρεται η φύση στο μικροσκοπικό επίπεδο. Η ιστορία αυτή προσφέρεται όμως και για να φωτίσει μια αγνοημένη πλευρά της θεμελιώδους επιστήμης, που είναι η ηθική της αξία. Ότι οι διαμάχες στο εσωτερικό της επιστήμης, όσο παθιασμένες κι αν είναι, δεν λύνονται με τον τρόπο που συνηθίζουν τα «ευγενή» συστήματα ιδεών (με υπερβατικό ή εγκόσμιο ένδυμα) –δηλαδή με τη σφαγή των αντιφρονούντων–, αλλά με προσφυγή στο δικαστήριο της φύσης. Ένα δικαστήριο του οποίου οι αποφάσεις είναι απ’ όλους σεβαστές. Κανείς δεν διανοήθηκε ποτέ να πει ότι ο δικαστής είναι… πουλημένος.

Η ετυμηγορία του πειράματος δικαίωσε λοιπόν τον Μπορ, όμως η κριτική του Αϊνστάιν ήταν τόσο οξυδερκής, ώστε συνέβαλε αποφασιστικά στην τελική διαμόρφωση της κβαντικής θεωρίας. Η κβαντομηχανική ήταν διπλά τυχερή. Δεν είχε μόνο μια άξια κυβέρνηση, αλλά και μια λαμπρή αντιπολίτευση.

— Για ποια άλλα πρόσωπα από αυτό το χρονικό της κβαντικής επανάστασης αξίζει να γνωρίζουμε κάτι; Ποια σημασία έχει αυτό για μας σήμερα;

Αν ήταν να επιλέξω κάποιους από τη 12άδα –τόσοι ήταν οι πρωταγωνιστές της κβαντικής επανάστασης–, θα ξεχώριζα τους «πιτσιρικάδες» της. Την τριάδα Χάιζενμπεργκ, Πάουλι και Ντιράκ, η οποία πήρε πάνω της το «παιχνίδι» στην τελική κρίσιμη φάση του (1925-1927) και το οδήγησε –υπό την εμπνευσμένη καθοδήγηση του Στρατηγού– ως τη νικηφόρα τελική του έκβαση το 1928, όταν ο Ντιράκ –αυτό το υπέροχο λαϊκό παιδί από το Μπρίστολ– κατάφερε να «παντρέψει» τον Αϊνστάιν με τον Μπορ: τον Βομβιστή με τον Στρατηγό. Να παντρέψει, δηλαδή, τη θεωρία της σχετικότητας με την κβαντομηχανική. Και ένα από τα «παιδιά» αυτού του γάμου να είναι η πρόβλεψη για την ύπαρξη της αντιύλης. Η οποία επιβεβαιώθηκε πειραματικά τέσσερα χρόνια μετά και ήταν ένας από τους πειραματικούς θριάμβους της επανάστασης, ο οποίος και επισφράγισε την επικράτησή της.

Στους «πιτσιρικάδες» της κβαντικής επανάστασης θα ήθελα λοιπόν να σταθώ, κυρίως για να πω τούτο: ότι –για το καλό όλων μας– υπήρξε τότε ένα πανεπιστημιακό περιβάλλον –έστω κάποιες φωτισμένες νησίδες μέσα σ’ αυτό– χωρίς αυστηρές ιεραρχικές δομές, όπου έγινε δυνατό να ανθήσει το αντισυμβατικό και αύθαδες πνεύμα αυτών των νέων «παιδιών», ηλικίας 23-26 ετών όταν έκαναν ανακαλύψεις που διαλέγονται με την αιωνιότητα. Και η δημογεροντία του επαγγέλματος –οι καθηγητές μέντορές τους– ούτε στάθηκαν απέναντί τους ούτε προσπάθησαν να οικειοποιηθούν μέρος από τη δόξα τους, απαιτώντας –όπως τόσο συχνά συμβαίνει– να περιλαμβάνεται και το όνομά τους στη σχετική δημοσίευση.

Δεν είναι τυχαίο που η περίοδος αυτή (1900-1930) αναγνωρίζεται ως κορυφαία στην ιστορία της παγκόσμιας επιστήμης. Ενώ δεν μπορούμε να μη σκεφτούμε –όχι χωρίς μελαγχολική διάθεση– πως η Ευρώπη κατάφερε λίγα χρόνια μετά να πυροβολήσει τα πόδια της και το άνθος του επιστημονικού δυναμικού της να αναζητήσει άσυλο στις ΗΠΑ και να οικοδομήσει εκεί τη μεταπολεμική, επιστημονική και πνευματική, ηγεμονία αυτής της χώρας.

— Η UNESCO θέσπισε το 2025 διεθνές έτος Κβαντικής Επιστήμης, αφού συμπληρώνεται ένας αιώνας από το ξεκίνημα αυτής της επιστημονικής «επανάστασης». Πόσα έχουμε μάθει μέχρι σήμερα και πόσο ώριμοι έχουμε γίνει ως κοινωνία, για να διαχειριστούμε αυτή τη γνώση;

Να πούμε, καταρχάς, ότι το 1925 –εκατό χρόνια πριν– είναι το έτος κατά το οποίο ο 23χρονος τότε Χάιζενμπεργκ έκανε το αποφασιστικό βήμα προς την ανακάλυψη της τελικής μορφής των κβαντικών νόμων, το οποίο πυροδότησε μια χιονοστιβάδα εξελίξεων, ώστε μέσα στα επόμενα δύο χρόνια να οδηγηθούμε στην κβαντομηχανική που σήμερα γνωρίζουμε· την πιο επιτυχημένη επιστημονική θεωρία όλων των εποχών, όπως όλοι αναγνωρίζουν. Μια θεωρία η οποία όχι μόνο εξήγησε τον κόσμο μας –από τη μεγάλη έκρηξη έως την ανάδυση της ζωής σ’ έναν κατάλληλο πλανήτη–, αλλά υπήρξε και η κινητήρια δύναμη στα αλλεπάλληλα κύματα τεχνολογικών επαναστάσεων, τα οποία τον άλλαξαν όσο τίποτε άλλο στην ανθρώπινη ιστορία μέχρι τώρα.

Δυστυχώς, ο συνδυασμός της γνώσης με τη σοφία –γιατί αυτό το ζήτημα θέτει η τελευταία σας ερώτηση– ήταν πάντα ένα επισφαλές κεκτημένο των δημοκρατικών κοινωνιών. Διότι βέβαια σ’ αυτές τις κοινωνίες άνθησε η θεμελιώδης επιστήμη (βλ. αρχαία Ελλάδα, δυτικός κόσμος) και μόνο σ’ αυτές αναπτύχθηκε μια κοινωνία πολιτών ικανή να θέτει και να συζητάει τα μεγάλα ηθικά ζητήματα, τα οποία η αλματώδης ανάπτυξη της επιστήμης θέτει ενώπιόν μας. Τη Δημοκρατία και τα μάτια μας, λοιπόν. Αυτό θα μπορούσε να είναι ένα γενικό «δίδαγμα» απ’ όσα είπαμε μέχρι τώρα.

— Εκτός από τον «Βομβιστή και τον Στρατηγό», έχετε γράψει και το βιβλίο «Κβαντομηχανική Λυκείου: Για τη χαρά της ανακάλυψης», που μόλις κυκλοφόρησε και είναι αφιερωμένο σε καθηγητές και μαθητές. Πόσο εύκολο είναι να διδαχτεί η κβαντομηχανική σε νεότερες ηλικίες;

Πρώτα τον καλό λόγο: Έστω κι αν έγινε με καθυστέρηση σε σύγκριση με άλλες ευρωπαϊκές χώρες, η εισαγωγή της κβαντικής φυσικής στη διδακτέα ύλη της Γ΄ Λυκείου ήταν μία από τις πιο σωστές «κινήσεις» που έγιναν για τον εκσυγχρονισμό του σχολικού προγράμματος τα τελευταία χρόνια. Έστω και μόνο για τούτο: Να πάψει να βλέπει ο μαθητής το σχολείο σαν «μουσείο απολιθωμάτων», όπου η φυσική έχει μείνει στον 17ο αιώνα –ευχαριστούμε τον Γαλιλαίο και τον Νεύτωνα, αλλά κάτι έγινε και μετά απ’ αυτούς–, ενώ η λέξη κβαντικός τού φτάνει πλέον από παντού, έστω ως διαφημιστικό περιτύλιγμα σε κάθε είδους ανοησία. Διότι, εκτός από το κβαντικό σύμπαν και τους κβαντικούς υπολογιστές –για να ξεκινήσουμε από τη σοβαρή χρήση της λέξης– ο σημερινός μαθητής θα ακούσει σίγουρα κάποια στιγμή και για άλλα «επιστημονικά» αντικείμενα, όπως κβαντική αστρολογία ή κβαντικός… βουδισμός, ενώ μπορεί ήδη να πιστεύει ότι η «κβαντική ιατρική» είναι μια νέα –και πολύ μοντέρνα– ειδικότητα.

Έγραψα λοιπόν αυτό το βιβλίο για να απαντήσω θετικά στο ερώτημα που θέσατε. Να αποδείξω, δηλαδή, ότι οι βασικές ιδέες της κβαντομηχανικής όχι μόνο μπορούν να διδαχτούν σε μαθητές λυκείου, αλλά ότι είναι και πολύ απλούστερες –και ασύγκριτα πιο ενδιαφέρουσες– από πολλές άλλες έννοιες της διδασκόμενης σχολικής φυσικής. Βέβαια, η ικανότητα μερικών δασκάλων –στο Πανεπιστήμιο ή το Λύκειο– να κάνουν δύσκολα τα εύκολα δεν πρέπει ποτέ να υποτιμάται. Η «μυστικοποίηση του προφανούς» είναι μια πανάρχαια τέχνη.

Σε κάθε περίπτωση, στο δικό μου σύστημα αξιών, η απλότητα στον τρόπο κατανόησης ενός θέματος –και η χαρά που πάει μαζί της– είναι κάτι σαν την αμαρτία. Αν τη γνωρίσεις, δύσκολα μπορείς να την ξεχάσεις. Η «Κβαντομηχανική Λυκείου» γράφτηκε για να είναι ένα… αμαρρτωλό βιβλίο. Αν δεν είναι δεν θα φταίει η κβαντομηχανική, αλλά ο συγγραφέας του.