A kétréses-kísérlet anatómiája, 1 rész
Létezik egy fizikai kísérlet, amelyről újra és újra felbukkan ugyanaz a provokatív állítás, miszerint a tudósok bebizonyították, hogy a jövő képes megváltoztatni a múltat, és ez mindig megragad engem is, mint oly sok embert, akit mélyen, vagy felületesenérdekel egy kicsit a fizika, pláne az időutazás, és a mögötte álló jelenség valóban a kvantummechanika egyik legmélyebb és legnehezebben értelmezhető aspektusát érinti. A kísérlet úgy kerül bemutatásra, hogy egy fotont átengednek egy kettős résen, majd az a detektorba csapódik, és csak ezt követően döntenek arról, hogy milyen mérést végeznek a foton összefonódott párján, miközben az eredmények alapján úgy tűnik, mintha a foton már korábban „tudta volna”, milyen döntést fognak meghozni. A kétréses kísérlet és a kvantumfizika területére vezető cikkmaraton kezdődik most el.
Ha ez valóban szó szerint igaz lenne, akkor nem pusztán egy különös kvantumjelenségről beszélnénk, hanem az okság alapelvének radikális megsértéséről, vagyis annak az elképzelésnek az összeomlásáról, amely szerint az ok mindig megelőzi az okozatot, és amelyre a teljes klasszikus fizika, sőt a hétköznapi gondolkodásunk is épül.
A jelenség egészen meghökkentő számunkra, akik nem a kvantumos világ szintjén élünk, de nyugodjunk meg: a mögötte húzódó magyarázat nem azt jelenti, hogy a jövő ténylegesen visszahatna a múltra, hanem azt, hogy a kvantummechanika alapfogalmai sokkal mélyebben különböznek a hétköznapi intuícióinktól, mint azt gondolnánk.
Ahhoz, hogy ezt megértsük, először tudatosan félre kell tennünk mindazt, amit a makroszkopikus világról megszoktunk, hiszen egész életünk során olyan környezetben élünk, ahol a tárgyaknak stabil, jól meghatározott tulajdonságaik vannak, amelyek függetlenek attól, hogy éppen megfigyeljük-e őket. Egy könyv akkor is az asztalon marad, amikor nem nézünk oda, egy labda akkor is gömb alakú, ha becsukjuk a szemünket, és a Hold akkor is a Föld körül kering, amikor nappal nem látjuk, vagyis a világ objektívnek és megfigyelőtől függetlennek tűnik.
A klasszikus fizika pontosan erre az intuícióra épül, hiszen feltételezi, hogy a fizikai rendszereknek mindig vannak jól meghatározott tulajdonságaik, és ezek a tulajdonságok nem attól függnek, hogy valaki megméri-e őket, hanem egyszerűen léteznek. Ez az elképzelés annyira természetesnek és magától értetődőnek tűnt, hogy évszázadokon keresztül senki sem kérdőjelezte meg komolyan, egészen addig, amíg a huszadik század elején meg nem jelentek azok a kísérleti eredmények, amelyekkel a klasszikus fizika már nem tudott megbirkózni.
A fekete test sugárzása (korábbi cikkben írtam Max Planckról, akinek ez a kutatás köszönhető), a fotoelektromos hatás és az atomok stabilitása mind arra utaltak, hogy az anyag és a sugárzás legkisebb alkotóelemei egészen más szabályok szerint viselkednek, mint amit a klasszikus elméletek előre jeleztek, és ezek a problémák végül egy teljesen új elméleti keret, a kvantummechanika megszületéséhez vezettek. Az egyik legmeglepőbb felismerés az volt, hogy a fény nem sorolható be egyértelműen sem a hullámok, sem a részecskék kategóriájába, hanem bizonyos körülmények között hullámként, máskor pedig részecskeként viselkedik.
Ez az állítás talán nem tűnik különösebben radikálisnak, azonban valójában teljesen szembemegy a hétköznapi gondolkodással, hiszen egy golyó nem tud egyszerre hullám és golyó lenni, ahogyan egy vízhullám sem képes különálló, lokalizált objektumként viselkedni. A fény azonban pontosan ezt teszi: néha apró energiacsomagokból, úgynevezett fotonokból állónak látszik, máskor pedig úgy terjed, mint egy szétterülő hullám.
A fizikusok kezdetben azt feltételezték, hogy ez a kettősség csupán a hiányos megértés következménye, és hogy a fény valójában vagy részecske, vagy hullám, csak még nem sikerült eldönteni, melyik, azonban egy rendkívül egyszerű kísérlet végül világossá tette, hogy a helyzet ennél sokkal bonyolultabb. Ez a kísérlet a kettős rés kísérlet, amely szinte gyerekjátéknak tűnik, hiszen mindössze egy fényforrásra, egy két keskeny nyílással ellátott falra és egy ernyőre van szükség.
Ha a fény valóban részecskékből állna, akkor minden egyes foton vagy az egyik, vagy a másik résen haladna át, és az ernyőn két világos sáv jelenne meg, amelyek megfelelnek a két nyílás helyének. Ha viszont hullámként terjed, akkor a két résből kiinduló hullámok találkoznak egymással, és interferálnak, vagyis bizonyos helyeken erősítik, más helyeken pedig kioltják egymást, aminek eredményeként nem két csík, hanem sok egymást követő világos és sötét sáv jelenik meg.
Thomas Young már a tizenkilencedik század elején megfigyelte ezt az interferenciaképet, ami akkoriban meggyőző bizonyítéknak számított arra, hogy a fény hullámként viselkedik, és hosszú időre lezárta a vitát. A huszadik század elején azonban Albert Einstein a fotoelektromos hatás magyarázatával kimutatta, hogy a fény bizonyos helyzetekben mégiscsak részecskékből álló energiacsomagként viselkedik, ami újra megnyitotta a kérdést, és végül a kvantumelmélet kialakulásához vezetett.
A történet azonban igazán különössé akkor válik, amikor a fizikusok azt kezdték vizsgálni, mi történik akkor, ha nem folyamatos fényhullámokat, hanem egyesével kibocsátott fotonokat küldenek a két rés felé, hiszen a józan ész azt diktálná, hogy ilyen esetben nem alakulhat ki interferencia, mivel egyszerre mindig csak egyetlen foton van jelen, így nincs másik, amellyel kölcsönhatásba léphetne.
A kísérletek azonban azt mutatták, hogy bár az ernyőn kezdetben csak véletlenszerű pontok jelennek meg, ahogy egyre több foton érkezik, ezek a pontok fokozatosan kirajzolják ugyanazt az interferenciaképet, amelyet hullámok esetén várnánk, mintha minden egyes foton „tudná”, hogy a többi hová fog becsapódni, vagy mintha önmagával interferálna. Ez az a pont, ahol a klasszikus intuíció teljesen csődöt mond, hiszen egyetlen részecske nem haladhat át egyszerre két különböző nyíláson a hétköznapi értelemben.
A kvantummechanika válasza erre a paradoxonnak tűnő helyzetre a szuperpozíció fogalma, amely szerint a foton állapotát egy hullámfüggvény írja le, amely egyszerre több lehetséges út valószínűségi amplitúdóját tartalmazza, és ezek az amplitúdók képesek interferálni egymással. Ez alapvetően különbözik a hétköznapi valószínűségtől, hiszen amikor például feldobunk egy pénzérmét, akkor a kimenetel már a feldobás pillanatában eldől, csak mi nem tudjuk, míg a kvantummechanikában a jelenlegi értelmezés szerint maga a fizikai állapot sem rendelkezik egyetlen meghatározott értékkel a mérés előtt.
Ez a különbség talán finomnak tűnik, valójában azonban ez választja el a klasszikus fizikát a kvantummechanikától, és ez teszi lehetővé, hogy egyetlen foton esetében is kialakuljon az interferenciakép, mivel a különböző lehetséges utakhoz tartozó amplitúdók egymással interferálnak, hasonlóan a vízhullámokhoz.
A történetben a legkülönösebb rész csak most következik: amikor a fizikusok megpróbálták kideríteni, hogy a foton valójában melyik résen halad át, anélkül, hogy megállítanák vagy jelentősen befolyásolnák a mozgását. Ennek érdekében apró detektorokat helyeztek el a két rés közelében, azzal a céllal, hogy információt szerezzenek a foton útjáról.
A következmény azonban teljesen váratlan volt: amint elvileg lehetővé vált annak meghatározása, hogy a foton melyik nyíláson haladt át, az interferenciakép eltűnt, és helyette két széles folt jelent meg az ernyőn, pontosan úgy, mintha klasszikus részecskéket lőttek volna át a réseken. Fontos hangsúlyozni, hogy nem az történt, hogy az interferenciakép torzult vagy halványabb lett, hanem egyszerűen megszűnt, ami arra utal, hogy a rendszer viselkedése alapvetően megváltozott.
Ez a felismerés az egész kvantummechanika egyik központi elemévé vált, hiszen azt sugallja, hogy a rendszer viselkedése nemcsak a fizikai beállításoktól függ, hanem attól is, hogy milyen információ válik elérhetővé róla, még akkor is, ha ezt az információt senki sem használja fel ténylegesen. Más szóval, már az a tény is elegendő lehet, hogy elvileg meg lehetne mondani, melyik úton haladt a foton, ahhoz, hogy az interferencia eltűnjön. Ez elég zavarbaejtő.
Ez a gondolat Albert Einstein számára elfogadhatatlan volt, mivel ő úgy vélte, hogy a foton már a kibocsátás pillanatában pontosan meghatározott pályán halad, és ha mi ezt nem tudjuk megállapítani, az csupán a mi tudatlanságunk következménye, nem pedig a természet alapvető bizonytalansága. Ebből a meggyőződésből született meg az egyik legismertebb tudományos vita, amelyben Einstein azt állította, hogy a kvantummechanika nem teljes elmélet, és hogy létezniük kell olyan rejtett változóknak, amelyek meghatározzák a rendszerek viselkedését.
Niels Bohr és a koppenhágai értelmezés hívei ezzel szemben azt állították, hogy a kvantummechanika nem hiányos, hanem a természet valóban ilyen módon működik, és hogy a klasszikus értelemben vett objektív valóság fogalma nem alkalmazható közvetlenül a mikroszkopikus világra. Ez a vita hosszú ideig inkább filozófiai jellegűnek tűnt, mivel nem álltak rendelkezésre olyan kísérletek, amelyek egyértelműen eldönthették volna a kérdést.
A helyzet azonban megváltozott, amikor olyan kísérletek jelentek meg, amelyek már nem pusztán értelmezési kérdéseket vetettek fel, hanem konkrét, mérhető különbségeket jósoltak a különböző elméletek között, és ezek az eredmények végül új fényt vetettek a kvantummechanika alapjaira. A történet következő fejezetében megismerjük azt az embert, aki talán mindenkinél többet tett a kvantumelmélet megszületéséért, mégis élete utolsó évtizedeit annak bizonyítására szentelte, hogy valami alapvetően hiányzik belőle.
Ő volt Albert Einstein, és a következő ütközet még csak most kezdődik.
