Egy igazán érdekes Podcastot hallgattam meg (Startalk), amiben egy igen figyelemreméltó elméleti prblémáról beszéltek, amiről eddig nem hallottam. Ebből táplálkozik ez a cikk.
Az elektron az egyik legismertebb elemi részecske, szeritem a proton és a neutron mellett mindenki ezt mondaná, ha megkérnék, említsen egyet. Minden atom része, ott van a testünkben, a számítógépünk áramköreiben, a Napban, a távoli galaxisok csillagaiban és a több milliárd fényévre lévő kvazárokban is. Ennek ellenére még ma is léteznek olyan gondolatkísérletek róla, amelyek inkább tudományos-fantasztikus történetnek hangzanak, mint komoly fizikai elképzelésnek (de nem baj, szeretjük a sci-fit is).
Az egyik legismertebb ilyen felvetés szerint elképzelhető, hogy az Univerzum minden egyes elektronja valójában ugyanaz az egyetlen elektron, amely újra és újra keresztülhalad a téridőn. Az igen… Merész.
Hangsúlyoznám, hogy ez az ötlet nem része az elfogadott fizikának, mégis különleges helyet foglal el a tudomány történetében, mert megmutatja, milyen messzire képes eljutni az emberi gondolkodás, amikor a természet legmélyebb törvényeit próbálja megérteni.
A történet egy egyszerű megfigyeléssel kezdődik. A fizikusok minden eddigi mérés alapján azt találták, hogy az elektronok tökéletesen egyformák. Egyetlen elektronnak sincs saját „személyisége”: mindegyik tömege pontosan ugyanakkora, ugyanakkora az elektromos töltése, ugyanakkora a spinje és ugyanúgy viselkedik minden ismert kölcsönhatásban. Soha nem sikerült olyan tulajdonságot találni, amely alapján két elektront meg lehetne különböztetni egymástól.
Ez önmagában nem meglepő a modern kvantumfizikában, hiszen az elemi részecskék valóban megkülönböztethetetlenek. Az 1940-es években azonban néhány fizikus feltette a kérdést: vajon ennek szükségszerűen így kell lennie? Vagy létezhet ennél különösebb magyarázat is?
A legismertebb elképzelést John Archibald Wheeler vetette fel. Gondolata szerint az összes elektron azért teljesen azonos, mert valójában nem is sok különálló elektron létezik, hanem csupán egyetlen egy, amely újra és újra végighalad a téridőn.
Ez elsőre szinte értelmezhetetlennek hangzik. Hogyan lehetne ugyanaz az elektron egyszerre egy atom belsejében, egy távoli galaxisban és a saját testünkben?
A válasz a speciális relativitáselmélet egyik fontos fogalmához, a világvonalhoz kapcsolódik. A relativitás szerint minden részecske egy folyamatos pályát rajzol a négydimenziós téridőben. Ez a világvonal nem csupán azt mutatja meg, hogy merre mozog a részecske a térben, hanem azt is, hogyan halad az időben.
Normál esetben egy részecske világvonala folyamatosan a jövő felé vezet. A kvantumtérelmélet bizonyos matematikai leírásaiban azonban megjelenik egy érdekes értelmezés: az antianyag egyes egyenletekben úgy is felfogható, mintha ugyanaz a részecske visszafelé haladna az időben.
Ez az elképzelés elsősorban Richard Feynman és Ernst Stueckelberg munkájából vált ismertté. Fontos hangsúlyozni, hogy ez elsősorban egy matematikai értelmezés, nem pedig annak bizonyítéka, hogy valóban látunk részecskéket visszafelé utazni az időben.
Wheeler ezt az ötletet vitte tovább egy rendkívül merész gondolatkísérletté. Ha egy elektron képes lenne időnként megfordulni az idő irányában, majd ismét előre haladni, akkor rendkívül hosszú idő alatt számtalanszor átszelhetné az Univerzum történetét. A különböző helyeken és különböző időpontokban végzett megfigyelések során úgy tűnne, mintha megszámlálhatatlan elektron létezne, miközben valójában mindig ugyanannak az egyetlen elektronnak egy másik szakaszát figyelnénk meg.
Ebben a képben az elektron világvonala elképesztően bonyolult lenne. Előre haladna az időben, majd visszafordulna, ismét előre indulna, újra visszafordulna, és ezt gyakorlatilag az Univerzum teljes története során ismételné. A különböző időmetszetekben egyszerre rengeteg helyen metszené a jelen pillanatát, ezért mindenhol elektronokat látnánk.
Felmerül azonban egy nagyon komoly probléma. A laboratóriumokban elektronokat ütköztetünk egymással. Ha valóban ugyanarról az egyetlen elektronról lenne szó, akkor miként ütközhetne saját magával?
Wheeler erre azt válaszolta, hogy az ütközések során az egyik elektron valójában előrefelé, a másik pedig visszafelé halad az időben, ezért a kölcsönhatás az elektron és a pozitron viselkedésével magyarázható. A kvantumelektrodinamika matematikája valóban megengedi az ilyen jellegű ábrázolásokat a részecskediagramokon.
Ez azonban még nem jelenti azt, hogy ténylegesen egyetlen elektron létezik. A modern fizika ma már több okból sem tartja valószínűnek Wheeler elképzelését. Az egyik legfontosabb probléma az, hogy az Univerzumban jóval több elektront figyelünk meg, mint pozitront. Ha ugyanaz az elektron folyamatosan oda-vissza haladna az időben, akkor sokkal kiegyensúlyozottabb elektron–pozitron arányra számítanánk. A kozmológiai megfigyelések viszont egyértelműen azt mutatják, hogy az anyag nagy fölényben van az antianyaggal szemben.
Emellett a részecskefizika jelenlegi elmélete, a kvantumtérelmélet egészen más módon magyarázza az elektronok azonosságát.
Eszerint az elektronok nem különálló kis golyócskák, hanem ugyanannak az elektronmezőnek a kvantumai.
Ahogyan egy tó felszínén keletkező hullámok mind ugyanannak a víznek a rezgései, úgy minden elektron is ugyanannak az univerzumot kitöltő kvantummezőnek egy gerjesztése. Ez természetes módon eredményezi, hogy minden elektron tökéletesen azonos tulajdonságokkal rendelkezik (na itt, ennél a résznél a podcast hallgatása során magam is „megvilágosodtam” az elektronok természte iránt).
Ennek ellenére Wheeler ötlete ma is gyakran előkerül tudományos beszélgetésekben. No nem azért, mert a fizikusok igaznak tartanák, hanem mert kiváló példája annak, hogyan születnek a tudományban olyan elméletek, amelyekből később nagyszerű kutatások fejlődhetnek ki. Wheeler „egyetlen elektron” hipotézise tehát egy jelentős gondolatébresztő hipotézis.
