Kvantummechanika és a kétrés-kísérlet

Annak idején a zseniális Richard Feynman mondta, hogy a kétrés-kísérletben benne van a kvantummechanika (kvantumfizika, és kvantumelmélet néven is hivatkoznak rá) minden furcsasága. Éppen ezért, ha valakit mélyebben érdekel a fizika ezen legfurcsább, sokszor a józan észnek is ellentmondó ága, annak mindenképp érdemes megismerkednie vele. Lássuk, miről is van szó ...

Képzeljünk el egy elektron forrást, amiből elektronok indulnak ki egy képernyő irányába. Itt rögtön megjegyezném, hogy a kísérletet általában fénnyel szokták elmagyarázni, én mégis azért választottam inkább az elektront, mert azt sokkal inkább anyagi részecskének képzeljük, hiszen a mindent felépítő atomok építő kövei, és így talán már elsőre is jobban érezzük majd, hogy milyen bizarr  dologról van szó. De elvégezték már ezt a kísérletet hidrogén atomokkal, és bizonyos molekulákkal is. Mi egyenlőre maradjunk az elektronoknál. Szóval elektronokat lövöldözünk egy fluoreszkáló képernyő irányába, ahol az elektronok becsapódási helyén kis pöttyök jelennek meg. Hasonló módon működnek például a régi típusú elektronágyús (CRT) monitorok vagy TV-k is. Most helyezzünk egy árnyékoló lemezt az elektronsugár útjába, amin vágunk egy rést. A képernyőn így a következő képet fogjuk látni:

Zárjuk le ezt a rést, és nyissunk meg egy másik rést ettől jobbra. Így a becsapódó elektronok a következő képet fogják kirajzolni:

Ebben nincs is semmi különös. De vajon mi történik akkor, ha mindkét rést kinyitjuk? Logikusan a következő képet várnánk:

De nem ezt látjuk. E helyett egy interferencia kép alakul ki, ami valahogy így fog kinézni:

Érdekes módon tehát megjelenik egy harmadik csík is, ráadásul középen, ahová amúgy egyáltalán nem, vagy csak nagyon ritkán kellene elektronoknak kerülnie, sőt, az elektronok nagy része ide csapódik be. Miért olyan különös ez? Képzeljük el, hogy egyesével repkednek ki az elektronok, amik egyszer az egyik, egyszer a másik résen mennek keresztül. Amíg csak az egyik rés van nyitva, addig szépen vagy a jobb, vagy a bal oldalra csoportosulnak. De ha nyitva van mindkét rés, úgy a legtöbb elektron középen köt ki. Mintha a résen áthaladva tudná, hogy a másik rés is nyitva van, és emiatt nagyobb eséllyel menne középre. A dolog nem lenne olyan fura, ha az elektront hullámoknak képzelnénk el, hiszen hullámok esetén megszokott, hogy ilyen interferencia képet kapunk. Csakhogy ebben az esetben ha csak egyetlen elektront lövünk ki a képernyő felé, annak a réseknél ketté kéne válnia, át kellene mennie mindkét résen, hogy aztán a kijelzőhöz érkezve egymaga interferencia mintázatot rajzoljon ki. De nem ez történik. Mikor egy elektront kilövünk a kijelző felé, az pontosan egy pontba fog érkezni. Az interferencia mintázatot csak a sok célba érkező elektron rajzolja ki. Az egészet tehát csak valahogy úgy tudjuk elképzelni, hogy mikor kilőjük az elektront, az hullámmá válik, átmegy mindkét résen, interferál saját magával, majd mielőtt elérné a képernyőt, újra részecske lesz. Mikor a hullám részecskévé omlik össze, véletlenszerű helyen jelenik meg, és egy adott helyen a megjelenés valószínűsége megegyezik a hullám adott helyen vett erősségével (amplitúdójával). Ha viszont az elektron saját magával interferál, úgy szükségképpen át kell, hogy menjen mindkét résen. Ha tehát mindkét résnél egy detektort helyezünk el, fülön csíphetjük a pici elektront, amint egyszerre két lukon halad át. Várható módon azonban itt sem az történik, amire számítunk. A detektor szépen jelez, hogy hol az egyik, hol a másik lukon haladt át az elektron, de soha nem a kettőn egyszerre. Ráadásul ilyen esetben az interferencia kép is eltűnik, és két vonalat látunk a kijelzőn (amilyet elsőre vártunk volna a kísérlettől). Van minderről egy nagyon jó kis 5 perces videó, ami bemutatja a fentieket.

Foglaljuk össze az eddigieket: Az elektron hullámként viselkedik mindaddig, míg nem figyeljük meg. Ha megfigyeljük, úgy a hullám újra részecskévé omlik össze. A részecske megjelenési helye teljesen véletlenszerű, de nagyobb valószínűséggel jelenik meg ott, ahol erősebb a hullám (nagyobb a hullám amplitúdója). Ráadásul ahogyan azt már a bejegyzés elején írtam, ez működik atomokra, és kisebb molekulákra is. A fényről még el tudjuk képzelni, hogy hullám (sokáig így is kezeltük), az elektron is elég megfoghatatlan ahhoz, hogy bevegye az ilyesmit az ember agya, de hogy az atomok és molekulák is így viselkedjenek (eltűnnek amíg nem figyelünk oda, két lukon is átmennek egyszerre, majd valahol véletlenszerűen feltűnnek), az már azért elég fura. Valójában minden anyagi test hullámként viselkedik, de mivel a hullámhossz (mennyire van szétkenve) fordított arányban áll a test tömegével (valójában impulzusával), ezért makroszkopikus tárgyak esetén (pl. egy pingponglabda)  nem vesszük észre. Szóval ahhoz, hogy egy pingponglabdát két résen dobjunk át egyszerre, ahhoz közelebb kellene lennie a két résnek egymáshoz, mint a labda mérete. Ez az effektus tehát csak mikroszkopikus méretekben jelentkezik, ettől azonban nem kevésbé bizarr. Fura ez az egész úgy ahogy van, de a legfurább talán az a pillanat, amikor a hullám részecskévé omlik össze.

Az összeomlás egyik fura motívuma, hogy amíg az elektront hullámként képzeljük el, addig ugye mindkét résen keresztül kell mennie egyszerre. Ha nem így lenne, nem tudna saját magával interferálni, hogy létrehozza az interferencia képet. Abban a pillanatban viszont, amikor megfigyeljük, az elektron vagy az egyik, vagy a másik résnél ugrik össze, soha nem érzékeljük két helyen. Olyan mint ha az egyik résnél valóságossá vált elektron átszólna a másik résnél lévőnek, hogy tűnjön el, nehogy egyszerre lássa őket a két detektor. Ez az üzenet pedig egy pillanat alatt ér el a valóságossá váló elektrontól a virtuálisig. Az ilyen pillanatszerű hatások pedig nagyon zavarják a fizikusokat, köztük is talán Albert Einsteint zavarta mindez leginkább. A gond az, hogy az összeomlás pillanatában a ketté vált részecske két fele nagyon távol kerülhet egymástól. Képzeljünk el például egy olyan elrendezést, ahol fotonok (fény részecskék) érkeznek egy félig áteresztő üvegre. Ez kettéosztja a nyalábot, ami két külön úton halad egy ideig, majd újra egyesítjük, így létrehozva az interferencia képet. Ez tulajdonképpen ugyanúgy a kétréses kísérlet, csak most trükkös módon a két rés jó nagy távolságra került egymástól. Ez adott esetben akár lehet több fényév távolság is. Ha most mindkét ágra behelyezünk egy detektort, akkor a két fotonnak egy pillanat alatt el kell döntenie, hogy melyik ágon omlik össze, és ugyanígy egy pillanat alatt át kell szólnia a másik fotonnak, hogy tűnjön el. De ha a kommunikáció kevesebb mint egy másodperc alatt (gyakorlatilag pontosan a mérés pillanatában) lezajlik, a távolság pedig több fényév, akkor itt bizony fénysebességnél gyorsabb információ közlés történt, holott a speciális relativitáselmélet (írtam én is róla) szerint a fénynél gyorsabban nem közölhetünk információt. Ez az ami miatt Einsteint kirázta a hideg, és a jelenséget kísérteties távolhatásnak nevezte el. Valójában nem is információ közlésről van szó, egyszerűen csak valamiképp kapcsolatban van egymással a két részecske. És ez még nem minden, ugyanis ez igaz bármilyen részecske rendszerre, amik valaha is egyek voltak, és az egyik ilyen részecske megfigyelése (részecskévé való összeomlása) kihatással van a másik állapotára is. Van például a részecskéknek egy spinnek nevezett tulajdonsága. Ezt tulajdonképpen pörgésként értelmezhetjük (valójában nem az, de ebbe ne menjünk bele). Ha ketté szakítunk egy részecskét, ami nem pörgött, és a keletkező egyik részecske jobbra pörög, akkor a másiknak a perdület megmaradása miatt balra kell pörögnie. Csakhogy a perdület olyan mint a részecske helye, csak az összeomlás pillanatában dől el, hogy a részecske balos-e, vagy jobbos. Akárcsak a hely esetén, a dolog teljesen véletlenszerű, és itt éppen 50-50% van arra, hogy ez vagy az. Amiben biztosak lehetünk, az az, hogy ha az egyik jobbos, akkor a másik balos lesz. Képzeljük el tehát ezt a két részecskét, amik egyetlen részecske szétszakításával jöttek létre. Elrepülnek két ellentétes irányba, és mikor már fényévekre vannak egymástól, megmérjük az egyik perdületét. Ilyenkor ugye a mérést a másik részecskének is meg kell "éreznie", hogy saját perdületét ezzel ellentétes irányba állítsa. De ahogy két részecske állapota így össze tud fonódni, úgy akárhány részecskére is igaz ez. Ily módon, ha feltételezzük, hogy a világ az ősrobbanás pillanatában egyetlen összefonódott valami volt, akkor következésképp a világ összes részecskéje "érzi" egymást. Mindannyian, és úgy alapvetően az egész világ egyetlen nagy összefonódott valami.

Az összeomlás pillanatának másik nagy furcsasága, hogy a jelek szerint teljesen véletlenszerű. Erről a véletlenszerűségről már írtam a Kvantummechanika, determinizmus és szabad akarat című bejegyzésemben. Jelen írásból, és az előbb említett írásból (melynek fő témája a határozatlansági reláció, és annak néhány filozófiai következménye) már nagyjából összerakható a kvantummechanika világképe. E szerint minden anyagi részecskének vannak részecske és hullám tulajdonágai. Ezen tulajdonságok egyszerre csak bizonyos pontatlansággal mérhetőek (lehet, hogy helyesebb lenne azt mondani, hogy léteznek). Minél pontosabban akarjuk meghatározni egy részecske hullám tulajdonságait, annál pontatlanabbul tudjuk meghatározni a részecske tulajdonságokat. Tulajdonképpen a határozatlansági reláció komplementer mennyiségei közül az egyik mindig valami hullám tulajdonság, míg a másik részecske tulajdonság. Ily módon a határozatlansági reláció beolvasztható ebbe az egész hullám-részecske kettősség képbe. A részecskét a kvantummechanika alapvetően valószínűségi hullámként kezeli, ami mindig csak a konkrét méréskor vesz fel valódi (részecskéhez köthető) értéket. Ezzel a képpel kicsit újra is értelmezhetjük az előző (szabad akaratos) bejegyzésben említett alagút effektust. Azt mondhatjuk, hogy mikor nem figyelünk oda, a dobozban lévő részecske hullámmá válik, és mikor újra megfigyeljük, akkor bizonyos valószínűséggel a dobozon kívül omlik össze újra részecskévé. Így tud kiszökni a dobozból. A hullámfüggvénnyel teljesen pontosan tud számolni a fizika, hajszál pontos valószínűségi értékeket kaphatunk minden pontra, de az összeomlással nem igazán tudnak elszámolni. Azt, hogy a részecske hova omlik össze, csak a jó Isten (talán szó szerint ;)) tudja. Emiatt ez a kérdés úgy tűnik kivezet a fizikából, ezzel helyet adva olyan dolgoknak, mint a szabad akarat. Ha ugyanis az agy működésében szerepet kapnak kvantummechanikai folyamatok, amivel a fizika nem tud elszámolni, úgy lehetséges, hogy ezen keresztül tud hatni egy a fizikán felül álló tudat a cselekedeteinkre. Ez persze nem bizonyíték a szabad akarat, a lélek, meg hasonlók létezésére, de egy lehetőség, ami a klasszikus fizikában nem létezik. Ha a világ a klasszikus fizika determinisztikus törvényei szerint működne, úgy az ősrobbanás pillanatában minden előre el lenne döntve. Erről írtam a fent említett bejegyzésemben, ami jól kiegészíti ezt a mostanit.

Remélem ezzel a kis írással sikerült rávilágítani arra, hogy a kvantummechanika miért olyan érdekes. Úgy tűnik, ez valahol a természettudományok peremén helyezkedik el, és erről a peremről egy egész érdekes, ugyanakkor valószínűleg elérhetetlen világ tárul elénk, ha elkezdünk egy kicsit filozofálni a következményeken. Olyan gondolatok villannak fel előttünk, mint a szabad akarat, a tudat lehetősége, vagy az objektív valóság hamis volta. Mivel ezekre a területekre elég nehéz (ha nem lehetetlen) betörni, rengeteg elmélet született a kvantummechanika értelmezésére. Bár ezek nagyon sokfélék, mindegyikük kellőképp bizarr. Olyan dolgok kerülnek elő, mint időben visszafelé haladó részecskék, párhuzamos univerzumok, vagy fizikai világon felül létező tudat (a Schrödinger kiscicáiban olvashat ilyeneket az ember). Százával sorakoznak az elméletek, és egyik sem sokkal jobb, vagy rosszabb, mint a másik (még nekem is van egy saját bejáratú értelmezésem, bár inkább csak amolyan gondolat ébresztő). Remélem sikerült kicsit kedvet csinálnom a téma mélyebb megismeréséhez. Jó elmélkedést ...