A kétréses-kísérletből indukt cikksorozat 2. része
Albert Einstein neve ma elsősorban a relativitáselmélettel és az E = mc² képlettel kapcsolódik össze. A hétköznapi, fizika és a matematika iránt kevésbé érdeklődő olvasók számára nem ismert azonban, hogy élete utolsó évtizedeiben már nem ezek a kérdések foglalkoztatták leginkább. Figyelme egyetlen problémára összpontosult: vajon a kvantummechanika valóban a természet végső leírása, vagy csupán egy meglehetősen közkedvelt, de hiányos elmélet?
Ez felettébb érdekes annak fényében, hogy Einstein maga is kulcsszerepet játszott a kvantumelmélet megszületésében. Az 1905-ben publikált fotoelektromos hatás magyarázatával bevezette a fénykvantum, vagyis a foton fogalmát, amiért később Nobel-díjat kapott. Mégis, később ő vált a kvantummechanika egyik legismertebb kritikusává. Fontos hangsúlyozni, hogy Einstein nem a kvantummechanika számítási pontosságát vitatta: teljes mértékben tisztában volt azzal, hogy az elmélet kiválóan egyezik a kísérleti eredményekkel. A problémája mélyebb volt: szerinte a kvantummechanika nem mondja meg, mi történik valójában a fizikai rendszerekkel.
A fizikai elméleteknek két alapvető szerepük lehet. Egyrészt képesek előre jelezni a mérések eredményeit, másrészt leírhatják a valóságot a megfigyeléstől függetlenül. A klasszikus mechanika mindkét követelménynek megfelel. Egy bolygó pályája például akkor is létezik, amikor senki sem méri vagy követi figyelemmel, és a mozgása pontosan kiszámítható.
Einstein úgy vélte, hogy minden teljes fizikai elméletnek ilyen módon kell működnie.
A kvantummechanika azonban más megközelítést alkalmaz. Egy részecske állapotát nem konkrét pályával írja le, hanem egy hullámfüggvénnyel, amely csak valószínűségeket ad meg arra vonatkozóan, hogy a részecskét hol találhatjuk meg. Ez azt jelenti, hogy a mérés előtt nem beszélhetünk egyértelműen meghatározott tulajdonságokról.
Einstein ezt nem fogadta el végső magyarázatként. Úgy gondolta, hogy a bizonytalanság nem a természet alapvető tulajdonsága, hanem a tudásunk hiányosságából fakad. Hasonlóan ahhoz, amikor egy lezárt boríték tartalmát nem ismerjük: attól még a benne lévő tárgy rendelkezik konkrét tulajdonságokkal. Ez az elképzelés a lokális realizmus fogalmában foglalható össze. A realizmus azt jelenti, hogy a fizikai rendszerek tulajdonságai a megfigyeléstől függetlenül is léteznek. A lokalitás pedig azt, hogy egy esemény nem hathat azonnal egy távoli eseményre; minden kölcsönhatásnak időre van szüksége, és nem terjedhet gyorsabban a fénynél.
Ez a két elv Einstein világképének alapját képezte, és a relativitáselmélet is ezekre épült.
A kvantummechanika azonban olyan jelenségeket mutatott, amelyek látszólag ellentmondtak ennek a képnek. Ennek egyik legismertebb példája az 1935-ben publikált EPR-gondolatkísérlet, amelyet Einstein Boris Podolskyval és Nathan Rosennel közösen dolgozott ki. A gondolatkísérlet lényege, hogy két részecske egy közös folyamat során jön létre, és bizonyos tulajdonságaik szorosan összekapcsolódnak. Ha ezek a részecskék később nagy távolságra kerülnek egymástól, akkor az egyik méréséből azonnal következtethetünk a másik állapotára.
Einstein szerint ez kétféleképpen értelmezhető. Vagy a részecskék már a kezdetektől rendelkeztek ezekkel a tulajdonságokkal, vagy a mérés valamilyen módon azonnal befolyásolja a távoli részecskét. Az utóbbi lehetőséget Einstein elfogadhatatlannak tartotta, és „kísérteties távolhatásnak” nevezte. Úgy vélte, hogy a kvantummechanika hiányos, és létezniük kell olyan rejtett változóknak, amelyek meghatározzák a mérési eredményeket még a megfigyelés előtt.
Hosszú ideig úgy tűnt, hogy ez a vita nem dönthető el kísérletileg. A helyzet azonban megváltozott, amikor John Stewart Bell 1964-ben kimutatta, hogy a lokális realizmus konkrét matematikai korlátokat szab a mérhető korrelációkra. Ezeket a korlátokat Bell-egyenlőtlenségeknek nevezzük.
A kvantummechanika előrejelzései bizonyos esetekben megsértik ezeket az egyenlőtlenségeket, így lehetőség nyílt a két elképzelés kísérleti összehasonlítására.
Az 1980-as évek elején Alain Aspect és munkatársai olyan kísérleteket végeztek, amelyek egyértelműen kimutatták a Bell-egyenlőtlenségek sérülését. Az eredmények a kvantummechanika jóslataival egyeztek meg.
Ez azt jelenti, hogy a természet nem írható le egyszerre lokális és realista módon abban az értelemben, ahogyan azt Einstein elképzelte. Legalább az egyik alapfeltevést fel kell adnunk. Kemény dió ez, még az egyik legnagyobb fizikus számára is.
Ez a felismerés mély következményekkel jár a valóságról alkotott képünkre nézve. Ha a részecskék állapota nem meghatározott a mérés előtt, akkor újra kell gondolnunk, mit jelent egyáltalán egy fizikai tulajdonság létezése.
Ez a kérdés vezetett el később olyan gondolatkísérletekhez, mint John Archibald Wheeler késleltetett választású kísérlete, valamint annak modern változatai, köztük a kvantumradír.
(A következő részben részletesen megvizsgáljuk a kettős rés kísérlet különböző változatait, és azt, hogyan vezetnek ezek a jelenségek a kvantummechanika legmélyebb paradoxonjaihoz… )
