A fordítás alapjául szolgáló kiadás:
Carlo Rovelli: Helgoland
Adelphi Edizioni, Milánó, 2020

Fordította Balázs István
A fordítást szakmai szempontból ellenőrizte Asbóth János

Copyright © 2020 Adelphi Edizioni s.p.a. Milano
All rights reserved
Hungarian translation © 2021 Balázs István
Magyar kiadás © 2022 Park Kiadó, Budapest
A Park Kiadó a Libri Könyvkiadó Kft. imprintje.
Borítóterv © Jason Boher

ISBN 978 963 355 726 6

Felelős kiadó Tönkő Vera
Felelős szerkesztő Szalay Marianne
Szerkesztette Seres Iván
A szöveget gondozta Kiss Béla
A borítót az eredeti felhasználásával készítette Somogyi Péter
Műszaki szerkesztő Rochlitz Vera

Elektronikus változat:
eKönyv Magyarország Kft.
www.ekonyv.hu
Készítette Ambrose Montanus

Ted Newmannek, aki megértette velem,
hogy nem értem a kvantummechanikát

Tekintetünk a feneketlen
mélységekbe merül

A fövenyen üldögéltünk, Časlav és én, néhány lépésnyire a tengertől; mély beszélgetésben voltunk, már órák óta. A Hongkong partjai előtti Lamma szigetére jöttünk ki egy konferencia délutáni szünetében. Časlav, a kvantummechanika egyik legnevesebb szakértője, egy összetett gondolatkísérlet elemzését ismertette a tanácskozáson. Az őserdőt szegélyező, a homokos tengerpartig húzódó ösvényen sétálva újra meg újra megvitattuk ezt a témát, s még itt, a strandon is folytattuk. Végül tulajdonképpen egyetértésre jutottunk. A tengerparton megpihenve azután hosszasan hallgattunk. Néztük a vizet. „Tényleg döbbenetes – suttogta Časlav –, hogyan is hihetnénk benne? Mintha nem is létezne… a valóság…”

Idáig jutottunk a kvantumokkal. Ha jól belegondolunk, a legfontosabb tudományos eredményt hozó elmélet egy hihetetlen sikerekkel teli évszázad után – megörvendeztetve bennünket a modern technika vívmányaival, és megalapozva az egész 20. századi fizikát – még mindig döbbenetet, zavart és hitetlenkedést kelt.

Volt egy pillanat, amikor úgy tűnt, sikerült tisztázni, hogyan működik a világ: a valóság mégoly változatos formáinak mélyén is mintha csupán néhány erő által vezérelt anyagrészecskék lennének. Az emberiség azt hihette, fellibbentette Májá fátylát: meglátta a valóság alapzatát. Az öröm azonban nem tartott sokáig: sok-sok tény vetett véget neki.

Végül 1925 nyarán egy huszonhárom éves német fiatalember az Északi-tenger egyik széljárta szigetére, Helgolandra, a „Szent Földre” érkezett, hogy magányban töltse nyughatatlan napjait. Ott, azon a szigeten ötlött fel benne egy gondolat, amellyel számot lehetett adni minden makacsul ellenszegülő tényről, és meg lehetett alkotni a kvantummechanika, a „kvantumelmélet” matematikai szerkezetét. Ez volt minden idők talán legnagyobb tudományos forradalma. Ezt a fiatalembert Werner Heisenbergnek hívták. Vele kezdődik történetünk.

A kvantumelmélet tisztázta a kémia alapjait, az atomok, a szilárd testek és a plazma működését, megmagyarázta az ég színét, a neuronok működését agyunkban, a csillagok dinamikáját, a galaxisok eredetét… vagyis a világ ezernyi aspektusát. A kvantumelmélet az alapja a technikai fejlődésnek is a számítógépektől az atomerőművekig. Mérnökök, asztrofizikusok, kozmológusok, vegyészek és biológusok alkalmazzák nap mint nap. Alapjai már bekerültek a középiskolák tanrendjébe is. És ez az elmélet soha nem bizonyult tévesnek! Ez az elmélet a modern tudomány lüktető motorja. De mélységesen titokzatos is. És némiképp nyugtalanító.

Szétzúzta a valóságról alkotott korábbi képünket – hogy az meghatározott röppályákon mozgó részecskékből állna –, de arról nem mondott semmit, hogyan kellene helyette elgondolnunk a világot. A matematikája nem írja le a valóságot, nem mondja meg, „mi van”. Mintha egymástól távol eső dolgok között bukkanna fel mágikus kapcsolat. Az anyag helyére látomásszerű valószínűségi hullámok lépnek.

Akiben felmerül az a kérdés, hogy mit mond nekünk voltaképpen a kvantumelmélet a való világról, óhatatlanul elképed. Einstein, noha maga is megsejtette ezeket a gondolatokat, és elindította ezen az úton Heisenberget, soha nem emésztette meg ezt. Ahogyan Richard Feynman, a 20. század második felének nagy elméleti fizikusa írta: senki sem érti a kvantumokat.

Márpedig a tudomány éppen ez: felkutatni, hogyan lehet újféleképpen gondolkodni a világról. Képesség arra, hogy folyamatosan felülbíráljuk fogalmainkat. A tudományban egy lázadó és kritikus gondolat látnoki ereje működik, s képes önnön fogalmi alapjainak a megváltoztatására, és akár a nullpontról kiindulva is újrarajzolhatja képünket a világról.

Az elméletnek ez a különössége egyfelől összezavar bennünket, másfelől meg új távlatokat nyit a valóság megértésében: ez a valóság sokkal árnyaltabb a térben keringő részecskék leegyszerűsítő anyagelvűségénél. Ezt a valóságot mindenekelőtt relációk (viszonyok) alkotják, s nem objektumok (tárgyak).

Az elmélet új utakat sugall a nagy kérdések újragondolásához, a valóság szerkezetétől kezdve a tapasztalás természetéig, s a metafizikától talán a tudat természetéig is. Minderről ma meglehetősen eleven vita folyik a tudósok és a filozófusok körében, és erről később mind beszélni fogok.

Helgoland kopár, félreeső, északi szelektől tépázott szigetén Werner Heisenberg fátylat lebbentett fel köztünk és a valóság között, s a fátyol mögött nagy szakadék tátongott. A könyvben elbeszélt történet ezen a szigeten kezdődik, ott, ahol Heisenbergben megfogant az új gondolat; majd lépésről lépésre haladunk az egyre szélesebb körű kérdésfeltevések felé, amelyek mind a valóság kvantumszerkezetének felfedezése nyomán merültek fel.

ℏℏ

Az itt következő oldalakat elsősorban azoknak szántam, akik nem ismerik a kvantumfizikát, és szeretnék megérteni – már amennyire ember képes rá –, hogy mi az, és hogy mi következik belőle. A lehető legnagyobb tömörségre törekedtem; mellőztem minden olyan részletet, amely nem annyira fontos a kérdés lényegének megragadásához. A lehető legnagyobb érthetőségre törekedtem egy olyan elméletről szólva, amely homályos tudományos kérdések középpontjában áll. Jobbára nem is azt magyarázom, hogy miképpen érthetjük meg a kvantummechanikát, hanem inkább csak azt, hogy miért annyira nehéz megértenünk.

A könyv megírásával azonban munkatársaimra is gondoltam, kutatókra és filozófusokra, akik minél mélyrehatóbban vizsgálják az elméletet, annál jobban elképednek. Őrájuk is gondoltam: hogy folytassuk a már megkezdett párbeszédet ennek az elképesztő fizikának a jelentőségéről, és hogy elmozduljunk egy átfogó perspektíva felé. A könyv végére nagyszámú jegyzet került: azoknak íródtak, akik már jól ismerik a kvantummechanikát. Nagyobb pontossággal mondják el azt, amit magában a szövegben olvasmányosabban igyekszem előadni.

Elméleti fizikai kutatásaim fő célja mindig is a tér és az idő kvantumtermészetének megértése volt. Az, hogy a kvantumelméletet összhangba hozzuk Einsteinnek a térrel és az idővel kapcsolatos felfedezéseivel. Azon kaptam magam, hogy megszakítás nélkül a kvantumokról gondolkodom. Az itt olvasható szöveg azt a pontot tükrözi, ameddig mostanra eljutottam. Nem veszi semmibe a tőle eltérő nézeteket, de céltudatosan részrehajló: az általam hatékonynak ítélt távlatra összpontosít, s arról úgy vélem, hogy a legizgalmasabb utakat nyitja meg. Ez az elmélet „relációs” értelmezése.

Mielőtt belefognánk, álljon itt egy figyelmeztetés: a nemtudásunk révén feltáruló szakadék mindig szédítő, és vonz, mint a mágnes. Ám ha komolyan vesszük a kvantummechanikát, és elgondolkodunk mindarról, ami belőle következik, az szinte pszichedelikus élmény: azt várja el tőlünk, hogy így vagy úgy, de mondjunk le olyasvalamiről, ami világértelmezésünkben szilárdnak és kikezdhetetlennek látszott. Arra ösztönöz bennünket, hogy fogadjuk el: a valóság gyökeresen más, mint ahogyan elgondoltuk. Arra késztet, hogy hagyjuk tekintetünket a feneketlen mélységekbe merülni, s ne féljünk attól, hogy belesüppedünk a kifürkészhetetlenbe.

Lisszabon, Marseille, Verona,
London a kanadai Ontario államban

2019–2020

ELSŐ RÉSZ

I. „Egy különös szépségű belső felé nézve…”

Hogyan történt, hogy egy fiatal német fizikus egy igazán különös gondolatra bukkant, ám az nagyon jól leírta a világot; és hogyan támadt mindebből nagy zűrzavar?

1. Az ifjú Werner Heisenberg abszurd ötlete: „a megfigyelhető dolgok”

„Hajnali három fel lifé járt már, amikor végére értem számításaimnak. Roppant izgatott lettem. Sokkal izgatottabb voltam, hogysem alvásra gondolhattam volna: alighogy megvirradt az új nap, nekivágtam a sziget déli csücskének, ahol már rég kiszemeltem magamnak egy tenger fölé nyúló meredek sziklát. Minden különösebb nehézség nélkül megmásztam, és a szirtfokon vártam be a napkeltét.”1

Gyakran tűnődtem rajta, vajon milyen gondolatok kavaroghattak a fiatal Heisenberg fejében, s mit érezhetett, amikor felmászott a tenger fölé nyúló, meredek sziklára Helgoland kopár és szélfútta északi-tengeri szigetén, s nézte a napfelkeltére várva a tenger végtelen hullámzását azután, hogy elsőként belelátott a Természet egyik legszédítőbb titkába azok közül, amelyeket az emberiség valaha is megpillanthatott. Huszonhárom éves volt.

Azért ment oda, hogy enyhítse kínzó allergiáját. Helgolandon – neve szerint a „Szent Földön” – gyakorlatilag nincs fa, így nagyon kevés a pollen. James Joyce is így említi az Ulyssesben: „Hamarosan nem lesz fa honunkban, csakúgy, mint Portugáliában […], vagy egy marad, mint Helgolandon”.1 Utazásának célja legfőképpen az volt, hogy elmerüljön az őt már-már a megszállottságig foglalkoztató problémában. Ez volt az a nehéz ügy, amellyel Niels Bohr szembesítette. Alig aludt; magányosan töltötte az időt, és próbált olyan számításokat végezni, amelyekkel igazolhatná Bohr érthetetlen szabályait. Időnként meg-megszakította a munkát, hogy megmássza a sziget szikláit. A rövid pihenők alatt Goethe Nyugat-keleti dívánjából tanult meg verseket – abból a gyűjteményből, amelyben a német költőfejedelem az iszlám iránti rajongását énekelte meg.

Niels Bohr akkor már neves tudós volt. Egyszerű, de különös képleteket írt fel, amelyek előre jelezték kémiai elemek tulajdonságait, még azelőtt, hogy megmérték volna őket. Így például előre leírta a fölhevített elemek által kibocsátott fény rezgésszámát: vagyis a színét. Ez figyelemre méltó eredmény volt. Képletei azonban nem adtak meg mindent, például a kibocsátott fény intenzitását sem.

S legfőképpen volt ezekben a képletekben valami valóban képtelen: minden megokolás nélkül feltették, hogy az atomokban az elektronok csak bizonyos, pontosan meghatározott pályákon, bizonyos, pontosan meghatározott távolságra, bizonyos, pontosan meghatározott energiával keringenek az atommag körül; s hogy azután megmagyarázhatatlan módon „átugranak” egyik pályáról a másikra. Az első „kvantumugrások”. Miért épp ezek a pályák? Mik ezek az össze nem illő „ugrások” egyik pályáról a másikra? Milyen ismeretlen erő késztethet egy elektront ilyen bizarr viselkedésre?

Az atom mindennek az elemi építőköve. S vajon hogyan működik? Hogyan mozognak benne az elektronok? Bohr és munkatársai több mint tíz éve küszködtek már ezekkel a kérdésekkel, de nem jutottak velük dűlőre.

Koppenhágában Bohr, mint egy reneszánsz festő a műhelyében, maga köré gyűjtötte az általa ismert legragyogóbb fiatal fizikusokat, hogy együtt dolgozzon velük az atom titkainak kikutatásán. Közöttük volt Wolfgang Pauli is, egy kiváló, rendkívül intelligens, de nagyképű és pimasz fiatalember, Heisenberg barátja és iskolatársa. Pauli, önelégültség ide vagy oda, a nagy Bohr figyelmébe ajánlotta barátját, Heisenberget, mondván, hogy ide ő kell, ha előbbre akarnak jutni. Bohr hallgatott is rá, és 1924 őszén Heisenberget, Max Born fizikus göttingeni asszisztensét szintén meghívta a dán fővárosba. Heisenberg néhány hónapot képletekkel teleírt táblák előtt vitatkozott végig Bohrral Koppenhágában. A fiatalember és a mester már korábban, Bohr göttingeni látogatásakor is nagyokat sétált a hegyekben, az atom rejtélyeiről, fizikáról és filozófiáról beszélgetve.2

Heisenberg belemerült a problémába. Valósággal a megszállottjává vált. Mindennel próbálkozott, akárcsak a többiek. Nem működött semmi. Úgy tűnt, nincs olyan, józan ésszel felfogható erő, amely ezekre a Bohr által leírt, különös pályákra, majd ugrásokra késztethette volna az elektronokat. Pedig ezek a röppályák és ugrások jó előrejelzéssel szolgáltak az atomokkal összefüggő jelenségekre. Észveszejtő!

A csüggedtség szélsőséges eszközök keresésére ösztönzi az embert. Heisenberg ott, az északi-tengeri szigeten magányában úgy határozott, hogy radikális megoldások keresésébe kezd. Húsz évvel korábban már Einstein is alapvetően radikális elképzelésekkel ejtette bámulatba a világot. Radikalizmusa hatékonynak bizonyult. Pauli és Heisenberg szinte beleszerelmesedett Einstein fizikájába; Einstein mítosszá vált. Talán eljött a pillanat, gondolták, hogy ha ki akarnak jutni az atomokban keringő elektronok zsákutcájából, meg kellene kockáztatni egy nem kevésbé radikális lépést. Ők megtehetnék ezt a lépést? Huszonévesen lehet nagyot álmodni.

Einstein megmutatta, hogy a legmélyebb meggyőződésünk is lehet téves. Ami nyilvánvalónak tűnik, az nem biztos, hogy helyes. A nyilvánvalónak tűnő feltevések elvetésével a dolgok mélyebb megértéséhez juthatunk. Einstein tanítása szerint csak arra alapozzunk, amit látunk, s ne arra, aminek szerintünk léteznie kell.

Pauli gyakran ismételgette Heisenbergnek ezeket a gondolatokat. A két fiatalember alaposan belekóstolt ebbe a mézédes méregbe. Követték a valóság és a tapasztalás viszonya körüli vitákat: a múlt század elején ezek áthatották az osztrák és a német filozófiát. Ernst Mach, akinek döntő befolyása volt Einsteinre, azt hangoztatta, hogy tudásunkat – minden hallgatólagos „metafizikai” feltevéstől megszabadulva – csakis tapasztalatainkra szabad építenünk. Ezek a különféle, eltérő gondolatok kavarogtak, mint egy robbanóanyag kémiai összetevői, az ifjú Heisenberg fejében, amikor 1925 nyarán Helgoland szigetére menekült.

És ott eszébe ötlött egy gondolat. Egy olyan gondolat, amely csak egy huszonéves fiatal határokat nem ismerő radikalizmusából fakadhat. A fizika, a tudomány, teljes világképünk felforgatására hivatott gondolat. Egy olyan gondolat, amelyet az emberiség – úgy hiszem – máig nem emésztett meg.

ℏℏ

A Heisenberg-féle ugrás merész, és merészségében is egyszerű. Senkinek nem sikerült olyan erőt találnia, amely oka lehetne az elektronok különös viselkedésének? Rendben van; akkor ne is keressünk ilyen új erőt. Vegyük inkább azt, amelyet már ismerünk: az elektront a maghoz vonzó elektromos erőt. Nem találunk a Bohr-féle röppályákat és ugrásokat igazoló új mozgástörvényeket? Jól van; akkor ragaszkodjunk a már ismert mozgástörvényekhez, és ne is változtassunk rajtuk.

Változtassuk meg viszont azt a módot, ahogyan az elektront elgondoljuk. Ne vegyük röppályán mozgó testnek; mondjunk le az elektron mozgásának leírásáról. Maradjunk meg annak a leírásánál, amit kívülről megfigyelünk: az elektron által kibocsátott fény erősségénél és rezgésszámánál. Alapozzunk mindent csupán a megfigyelhető mennyiségekre. Ez Heisenberg gondolata.

Heisenberg egyes-egyedül a megfigyelt mennyiségeket, vagyis a kibocsátott fény frekvenciáját és amplitúdóját felhasználva próbálja meg újraszámolni az elektron viselkedését. Ebből kiindulva igyekszik újból meghatározni az elektron energiáját.

Megfigyelni a hatást figyelhetjük meg: az egyik Bohr-pályáról a másikra ugró elektron ugrásának a hatását. Heisenberg a fizikai változókat (számokat) olyan számtáblázatokkal helyettesíti, amelyeknek vízszintes sorai az indulási pályát, oszlopai pedig az érkezési pályát mutatják. A táblázat mezői a sorok és oszlopok találkozásában az egyik röppályáról a másikra való ugrást írják le. Heisenberg azzal tölti idejét a szigeten, hogy e táblázatok felhasználásával kiszámoljon valamit, ami igazolhatja Bohr szabályait. Alig alszik. Az atombeli elektronnal nem sikerülnek a számítások, az a probléma túl bonyolult. Megpróbálkozik egy egyszerűbb rendszerrel; azon igyekszik kimutatni Bohr szabályait.

Június 7-én megmoccan valami:

„Roppant izgatott lettem, amikor az első kiszámított értékek szemlátomást nem mondtak ellent az energiatételnek, úgyhogy innen kezdve egész sereg elemi számítási hibát követtem el. Így aztán hajnali három felé járt már, amikor végére értem számításaimnak. Minden egyes energianívó-érték összhangban állt az energiamegmaradás törvényével.”

„Kétségtelen volt tehát: kvantummechanikám – a számítások alapján – következetes és összefüggő rendszernek bizonyult.”

„Mélyen megilletődtem. Úgy éreztem, különös, csodálatos szép világba nyertem bepillantást az atomi jelenségek felszíne alatt. Szinte szédültem, ha belegondoltam, hogy most aztán alaposan ki kell fürkésznem azokat a rendkívül gazdag matematikai struktúrákat, amelyeket a természet olyan nagylelkűen feltárt előttem.”

Ezekbe a szavakba beleborzong az ember. „Egy különös, csodálatosan szép világ” a jelenségek felszíne alatt. A Galilei által leírtak visszhangoznak benne, amint matematikai összefüggést látott megjelenni a lejtőn leguruló tárgyakkal végzett méréseiben; ez a földi tárgyak mozgását leíró első felismert matematikai törvény az emberiség történetében: „Nincs ahhoz fogható izgalom, mint meglátni a matematikai törvényt a látszatok rendezetlensége mögött.”

ℏℏ

Jegyzetek

1Ez a Heisenberg-idézet és a következők – minimális átalakítással – Werner Heisenberg A rész és az egész. Beszélgetések az atomfizikáról című könyvéből valók. Ford. Falvay Mihály. Gondolat, Budapest, 1983, 87. Eredeti kiadása: Der Teil und das Ganze. Piper, München, 1969.

2Niels Bohr: „The Genesis of Quantum Mechanics”, Essays 1958–1962 on Atomic Physics and Human Knowledge. Wiley, New York, 1963, 74–78. Niels Bohrtól magyarul lásd az Atomfizika és emberi megismerés című kötetet (Gondolat, Budapest, 1964), az azonban szűkebb az amerikai tanulmánygyűjteménynél, csak a „Fény és élet”, valamint „A tudás egysége” című írást közli.

Kiegészítő jegyzetek

1 Szentkuthy Miklós fordítása. Európa Könyvkiadó, Budapest, 2012, 315. – A ford.

Tartalom

Tekintetünk a feneketlen mélységekbe merül

ELSŐ RÉSZ

I. „Egy különös szépségű belső felé nézve…”

1. Az ifjú Werner Heisenberg abszurd ötlete: „a megfigyelhető dolgok”

2. Erwin Schrödinger félrevezető ψ-je: „a valószínűség”

3. A világ szemcséssége: „a kvantumok”

MÁSODIK RÉSZ

II. Szélsőséges gondolatok mulatságos bestiáriuma

1. Szuperpozíciók

2. A ψ, ha komolyan vesszük: sok világ, rejtett változók és fizikai kollapszusok

3. A határozatlanság elfogadása

III. Lehetséges, hogy valami valóságos neked, de nekem nem?

1. Volt idő, amikor a világ egyszerűnek tűnt

2. Relációk

3. A kvantumok ritkás és könnyed világa

IV. A valóság szövete: kapcsolódások hálója

1. Összefonódás

2. Hármas tánc szövi a világ összefüggéseinek hálóját

3. Információ

HARMADIK RÉSZ

V. „A jelenség egyértelmű leírása magában foglalja azokat a tárgyakat, amelyeknek a jelenség megnyilvánul.”

1. Alekszandr Alekszandrovics Bogdanov és Vlagyimir Iljics Lenin

2. Naturalizmus szubsztancia nélkül: kontextualitás

3. Alapzat nélkül? Nágárdzsuna

VI. „A természetnek ez megoldott probléma.”

1. Egyszerű anyag?

2. Mit jelent a „jelentés”?

3. A világ belülről

VII. Ahol megpróbálok befejezni egy történetet, amelynek nincs vége

De tényleg lehetséges ez?

Köszönet

Jegyzetek

A képek forrásai

Mutató

Forgalmazza:
eKönyv Magyarország Kft.
www.ekonyv.hu

Felhasznált betűtípusok
BIZ UDPGothic – SIL Open Font License
Noto Serif – Apache License 2.0
Prompt – SIL Open Font License