JOHN GRIBBIN TOVÁBBI MŰVEI:

Schrödinger macskája

Schrödinger kiscicái és a valóság keresése

Számolás kvantummacskákkal

13,8: A Világegyetem valódi kora és a mindenség elmélete nyomában

A FELSOROLÁSBAN NEM EMLÍTETT, MAGYARUL MEGJELENT KÖNYVEI:

Az idő születése

A tudomány története 1543-tól napjainkig

A természettudomány rövid története (szerk.)

Kozmikus körforgás

A multiuverzum nyomában

Egyedül vagyunk!

A természettudományokról mindenkinek

Világűr: végső határaink

NEM JELENT MEG MAGYARUL:

The Universe: A Biography

Einstein’s Masterwork: 1915 and the General Theory of Relativity

MARY GRIBBINNEL:

Out of the Shadow of a Giant: How Newton Stood on the Shoulders of Hooke and Halley

Richard Feynman: A Life in Science

Science: A History in 100 Experiments

HAT
LEHETETLEN
DOLOG

Ön se érti a kvantumfizikát?

Hat elképzelés a szubatomi világ  rejtelmeiről

JOHN GRIBBIN

AKKORD KIADÓ, 2019

Az eredeti mű címe:

John Gribbin:

Six Impossible Things

Icon, London, 2019

Fordította: Dr. Both Előd

Lektorálta: Dr. Patkós András

Szerkesztette: Oláh Judit

Tördelés, tipográfia: Gelányi Mariann

Illusztrációk: © Getty Images

Copyright © 2019 John and Mary Gribbin

Hungarian translation ©  Both Előd, 2019

Hungarian edition © Akkord Kiadó, 2019

Minden jog fenntartva. A könyv bármely részlete csak a kiadó előzetes engedélyével használható fel.

ISBN 978-963-252-152-7

Elektronikus verzió v1.0

Kiadja az Akkord Kiadó Kft.

www.gabo.hu

gabo@gabo.hu

www.dibook.hu

Felelős kiadó: Földes Tamás

Felelős szerkesztő: Várlaki Tibor

TARTALOM

ELŐSZÓ Mi ez az egész, Alfie?

AZ ELSŐ ROHAM A legfőbb rejtély

A MÁSODIK ROHAM Összefonódás

1. ELKÉPZELÉS A nem is olyan csodálatos koppenhágai értelmezés

2. ELKÉPZELÉS A nem is olyan lehetetlen vezérhullám-értelmezés

3. ELKÉPZELÉS A túlzottan megterhelt sokvilág-értelmezés

4. ELKÉPZELÉS A következetlen dekoherencia-értelmezés

5. ELKÉPZELÉS A sokaságok nemértelmezése

6. ELKÉPZELÉS Az időtlen tranzakciós értelmezés

KONKLÚZIÓ Nincs épelméjűségi nyilatkozat

Ajánlott irodalom

A SZERZŐ

John Gribbin számos sikerkönyv szerzője, többek közt: Schrödinger macskája, Schrödinger kiscicái és a valóság keresése, 13,8: A Világegyetem valódi kora és a mindenség elmélete nyomában, A tudomány története 1543-tól napjainkig, Kozmikus körforgás és Egyedül vagyunk! A Sussexi Egyetem vendégkutató csillagásza, akit a Spectator „a tudomány népszerűsítésének egyik legkiválóbb és legtermékenyebb írójaként” jellemzett.

Alice nevetett.

– Nincs értelme – mondta –, a lehetetlent nem hiheti el az ember!

– Szerintem nincs elég gyakorlatod – mondta a Királynő. – Én a te korodban naponta félórán át csak ezt gyakoroltam. Volt úgy, hogy már reggeli előtt hat lehetetlen dolgot elhittem.

LEWIS CARROLL: ALICE TÜKÖRORSZÁGBAN

(Révbíró Tamás fordítása)

ELŐSZÓ

Mi ez az egész, Alfie?

A kvantumfizika furcsa. Legalábbis számunkra furcsa, mert a kvantumvilág szabályai, amelyek az atomok és a szubatomi részecskék szintjén a világ működését irányítják (a fény és az anyag viselkedését, amint Richard Feynman megfogalmazta), nem azok a szabályok, amelyeket jól ismerünk, és a „józan ész” megnyilvánulásának nevezünk.

Úgy tűnik, a kvantumszabályok azt állítják, hogy egy macska egyszerre lehet élő és holt, egy részecske pedig képes egyszerre két helyen lenni. Valójában a szóban forgó részecske egyúttal hullám is, ugyanis a kvantumvilágban mindent teljes körűen leírhatunk akár hullámokként, akár részecskeként, ahogy tetszik. Erwin Schrödinger találta meg a hullámok kvantumvilágát leíró egyenleteket, Werner Heisenberg alkotta meg a részecskék kvantumvilágát leíró egyenleteket, Paul Dirac pedig bebizonyította, hogy a kvantumvilág leírásaként a valóság e két változata pontosan egyenértékű egymással. Mindez az 1920-as évek végére egyértelművé vált. Ám sok fizikus legnagyobb szomorúságára (nem is beszélve a közönséges halandókról), sem akkor, sem azóta senki sem volt képes józan ésszel felfogható magyarázatot adni arra, mi is történik.

Erre az egyik reakció az volt, hogy a problémát figyelmen kívül hagyták, abban a reményben, hogy az majd eltűnik, magától megoldódik. Az egyenletek ugyanis (bármelyik változatot kedveljük) megfelelően működnek, ha bizonyos, konkrét feladatokat szeretnénk elvégezni, például megtervezünk egy lézert, megmagyarázzuk a DNS szerkezetét, vagy kvantumszámítógépet építünk. A diákok nemzedékeinek tulajdonképpen azt verték a fejébe, hogy „Fogd be a szád és számolj!” – vagyis ne kérdezzék meg, mit jelentenek az egyenletek, csak darálják a számokat. Ez olyan, mint amikor az ujjunkat a fülünkbe dugva azt kiabáljuk: „la-la-la, nem hallom, amit mondasz”. A mélyebben elgondolkodó fizikusok más módon keresték a megoldást. Számos, többé-kevésbé kétségbeesettnek tűnő „gyógymódot” fundáltak ki a kvantumvilágban zajló folyamatok „magyarázatára”.

Ezeket a gyógymódokat, „értelmezéseknek” nevezzük. Az egyenletek szintjén ezek egyike sem jobb bármely másiknál, bár az értelmezők és követőik mindegyike azt vallja, hogy a számukra kedves elképzelés az egyetlen igaz hit, és mindazok, akik más felfogást követnek, eretnekek. Másrészt viszont, matematikai értelemben egyik értelmezés sem rosszabb bármelyik másiknál. Ez valószínűleg azt jelenti, hogy valahol tévútra jutottunk. Egy szép napon talán majd rájövünk a világ egy diadalmas, új leírására, amely ugyanazokat az előrejelzéseket teszi lehetővé, mint jelen formájában a kvantumelmélet, ezen túlmenően viszont értelme is van. Nos, ebben legalábbis reménykedhetünk.

Úgy gondoltam, addig is érdemes lenne agnosztikus áttekintést adni a kvantumfizika néhány legfontosabb értelmezéséről. Józan ésszel szemlélve, ezek mind őrültségnek tűnnek, és bár egyesek őrültebbek, mint mások, de ebben a világban az őrültség nem feltétlenül jelenti azt, hogy rossz, sőt a még nagyobb őrültség sem szükségszerűen még rosszabb. Hat példát választottam, vagyis fél tucatot, jobbára azért, hogy kövessem az Alice-től kölcsönzött idézetet. Megvan a saját véleményem egymáshoz viszonyított érdemeikről, de remélem, ez nem fog lelepleződni, így hagyom, hogy az olvasó a saját ízlése szerint válasszon –, vagy egyszerűen csak ujjait a fülébe dugva kijelentse: „la-la-la, nem hallom, amit mondasz”.

Mielőtt azonban bemutatnám ezeket az elképzeléseket, világossá kellene tennem, mi is az, amit értelmezni akarunk. A tudomány gyakran megszakításokkal, néha hirtelen rohamokkal meglódulva fejlődik. Ebben az esetben azonban úgy tűnik, elismeréssel adózva Charles Lutwidge Dodgsonnak (ismertebb írói álnevén Lewis Carrolnak, az Alice-regények írójának A fordító megjegyzése,), helyénvaló két ilyen rohammal megismerkedni.

John Gribbin

2018. június

AZ ELSŐ ROHAM

A legfőbb rejtély

A kvantumvilág minden furcsaságát magában rejti az, amit hivatalosan „kétréses kísérletnek” nevezünk. Richard Feynman, aki a kvantumfizikában elért eredményeiért Nobel-díjat kapott, szívesebben használta a „kísérlet két lyukkal” elnevezést, és kijelentette, hogy ez „az a jelenség, amelyet semmiféle klasszikus módon nem lehet – abszolúte lehetetlen – megmagyarázni, s amely ugyanakkor magában rejti a kvantummechanika lényegét is. Ezt a rejtélyt nem tudjuk abban az értelemben megvilágítani, hogy »elmagyarázzuk«… ez az egész kvantummechanika alapvető sajátossága.”{1} Ez talán meglepően hangzik mindazok számára, akik csak arra az iskolai fizikai kísérletre emlékeznek, amellyel „bebizonyítják”, hogy a fény a hullámok egyik fajtája.

A kísérlet iskolai verzióját elsötétített teremben hajtják végre, ahol a fény egy egyszerű ernyőre esik – egy karton- vagy papírlapra –, amelybe két lyukat fúrtak, vagy két, keskeny, párhuzamos rést vágtak. Ezen ernyő mögött egy második ernyő helyezkedik el, de lyukak nélkül. A fény a két lyukon keresztül áthalad az első ernyőn, majd a második ernyőre esik, ahol világos és sötét csíkok jellegzetes mintázata alakul ki. A fény a lyukakból kiinduló terjedését diffrakciónak, a létrejövő mintát pedig interferenciaképnek nevezzük, mert a világos és sötét sávok váltakozása annak az eredményeképpen keletkezik, hogy a két lyukból érkező két fénysugár kölcsönhatásba lép egymással, azaz megzavarják egymást (interferálnak). Pontosan azt a mintát látjuk, amire akkor kell számítanunk, ha a fény hullám formájában terjed. Bizonyos helyeken a hullámok összeadódnak, ezért ott a második képernyőn világos folt keletkezik; másutt a hullámhegy a másik hullám hullámvölgyével esik egybe, így kioltják egymást, vagyis az ernyő sötét marad. Pontosan ugyanilyen típusú interferencia-mintát rajzolnak ki a pocsolya felszínén terjedő hullámok, ha egyszerre két kavicsot dobunk a vízbe. Az ilyen típusú interferencia egyik jellegzetessége az, hogy a második ernyőn a legvilágosabb folt nem közvetlenül a két lyuk egyike mögött, hanem pontosan félúton a pontok között jelenik meg, vagyis ott, ahol az ernyő teljesen sötét lenne, ha a fény részecskék áramlása lenne. Ha a  fénysugár részecskék árama lenne, akkor az lenne várható, hogy pontosan mindkét lyuk mögött egy-egy világos foltot látunk, a fényfoltok közötti terület pedig sötét marad.

Eddig rendben is lennénk. A kísérlet azt bizonyítja, hogy a fény hullámként terjed, amint azt Thomas Young a XIX. század elején felismerte. Sajnos, a XX. század elején egy másik kísérlet azt bizonyította, hogy a fény részecskék árama. Ebben a kísérletben egy fémfelületből fénysugárral kilökött elektronokat vizsgáltak – a fényelektromos (fotoelektromos) hatást. Amikor megmérték a kilépő elektronok energiáját, kiderült, hogy a fémet adott színű fénnyel megvilágítva minden egyes elektron energiája mindig pontosan ugyanakkora. A fémlemezt erősebb fénnyel megvilágítva a fény hatására ugyan több elektron lépett ki, de energiájuk nemcsak egymással volt azonos, hanem ugyanakkora volt, mint amikor gyengébb fény hatására kevesebb elektron lépett ki. Albert Einstein volt az, aki a jelenséget a fény részecskéivel magyarázta, amelyeket ma fotonoknak nevezünk – ő pedig a fény kvantumai kifejezést használta. A foton által szállított energia mennyisége a fény színétől függ, tehát a megvilágításhoz azonos színű fényt használva, minden foton energiája pontosan ugyanakkora. Einstein leírása szerint „a legegyszerűbb elképzelés az, hogy egy fénykvantum teljes energiáját egyetlen elektronnak adja át”. A fény erősségét növelve több foton (fénykvantum) érkezik, de mindegyik azonos energiát ad át az elektronoknak. Einstein erre a munkájára, nem pedig a relativitáselméleteire kapta meg a Nobel-díjat. Miután a fizikusok száz éven keresztül hullámnak tekintették a fényt, fontolóra kellett venniük, hogy részecskének kellene tekinteni – de akkor hogyan lehet megmagyarázni a kétréses kísérletet?

A helyzet csak rosszabbodott. Miután a fényelektromos hatásra vonatkozó kísérletek kétségbe vonták a fény hullámtermészetét, az 1920-as években a fizikusokat egy másik eredmény képesztette el, miszerint az elektronok, a szubatomi világ őstípus részecskéi, hullámokként viselkedhetnek. A kísérletekben elektronnyalábokat lőttek át nagyon vékony, egytízezred és egyszázezred milliméter közötti vastagságú aranyfólián, amelynek túlsó oldalán az átjutó elektronokat vizsgálták. A kísérletek eredménye szerint az elektronnyalábok elhajlottak (diffrakciót szenvedtek), amikor áthaladtak a fémet alkotó atomok közötti réseken, éppúgy, ahogyan a kétréses kísérlet során megfigyelhető a fény diffrakciója. A kísérleteket elvégző George Thomson Nobel-díjat kapott annak bizonyításáért, hogy az elektronok hullámok.{2} Apja, J. J. Thomson viszont korábban annak bizonyításért kapott Nobel-díjat, hogy az elektronok részecskék (és még aktív volt, amikor George megkapta a díjat). Mindkét díj odaítélése indokolt volt. Semmi sem bizonyítja ennél világosabban a kvantumvilág furcsaságát. Ez azonban még mindig nem a teljes történet.

A hullám–részecske kettősségként ismertté vált fogalom jelentette az 1920-as évektől kezdve a kvantumelmélet értelmezésének lényegét. A kvantummechanika alapjairól folytatott elmélkedésben született meg nagyrészt mindaz az elképzelés, amire később visszatérek. A rejtély azonban a maga teljes dicsőségében akkor nyilvánult meg, amikor az 1970-es évek elején szép kísérletsorozatokat végeztek. Ezért most átugrunk egy fél évszázadig tartó időszakot, és megpróbálom bemutatni a legfőbb rejtélyre vonatkozó, legfrissebb tényeket. Ha úgy érzik, nehéz elfogadni az ezután következőket, ne feledjék, hogy Mark Twain szavai szerint „az igazság furcsább, mint a fikció, de ez azért van, mert a fikció kénytelen a lehetőségek talaján maradni, az igazság viszont nem”.

1974-ben három olasz fizikus, Pier Giorgio Merli, Gian Franco Missiroli és Giulio Pozzi kifejlesztett egy módszert, amellyel a kétréses kísérlet megfelelőjét elektronokkal tudták elvégezni. A fénysugár helyett elektronnyalábot használtak, az elektronok egy forró huzalból léptek ki, majd áthaladtak az elektron-biprizmának (kettős prizmának) nevezett eszközön. Az elektronok egyetlen nyíláson keresztül tudtak belépni a kettős prizmába, ott azonban elektromos mezővel találkoztak, amely kettéosztotta a nyalábot, az elektronok fele az egyik, fele a másik kijáraton lépett ki. Ezután olyan detektorernyőre érkeznek, mint amilyen a számítógépek régi típusú képernyője, ahol minden elektron világos foltot hoz létre ott, ahová megérkezik. A foltok fennmaradnak, ezért amint egyre több elektron halad át a kísérleten, lépésenként felépül egy minta a képernyőn. Amikor egyetlen elektront küldünk át a kettős prizmán, akkor 50-50% esélye van annak, hogy az egyik vagy a másik útvonalat követi, és egyetlen pontot hoz létre a képernyőn. Ha a kísérlet során sok elektronból álló nyalábot használunk, akkor sok, egymást átfedő folt jön létre a képernyőn, amely foltok együttesen valamilyen mintát rajzolnak ki – méghozzá a hullámok esetében várható interferenciaképet.

Ez önmagában nem különösebben riasztó. Jóllehet, az elektronok részecskék, de sokan vannak a nyalábban, ezért a kísérlet során kölcsönhatásba lépnek egymással, és kialakítják az interferencia-mintázatot. Végül is, a víz hullámai is interferencia-mintákat hoznak létre, márpedig a víz részecskéknek tekinthető molekulákból áll. Nem értünk azonban még el a történet csattanójáig. Az olasz kísérlet olyan pontos volt, hogy egyenként lehetett az egyes elektronokat kilőni és útnak indítani a berendezésben olyan módon, ahogyan egy forgalmas repülőtéren egymás után szállnak fel a repülőgépek. Akárcsak a repülőgépek, az elektronok is tisztes távolságban követték egymást. Az elektronforrás (amely valójában kicsit kifinomultabb volt, mint egy forró huzal) és a detektor képernyője közötti távolság 10 méter volt, és minden egyes elektron csak akkor hagyta el a forrást, amikor az előző már célba ért.{3} Kitalálhatják (legalábbis remélem) mi történt, amikor több ezer elektront lőttek ki, egyiket a másik után, hogy a kísérlet során valamilyen minta épüljön fel az érzékelő képernyőjén. Interferencia-mintázat jött létre. Ha az egyes részecskék összedolgoztak, hogy egymással kölcsönhatva létrehozzák a kapott mintát, ugyanolyan módon, ahogy a vízmolekulák kölcsönhatásának eredményeképpen kialakul a mintázat, akkor ennek a kölcsönhatásnak téren és időn keresztül kellett történnie. Ez a fajta kísérlet „egyetlen elektron kétréses diffrakciója” néven vált ismertté.{4}

Amikor az elektronokat egyenként engedik át a fénnyel végzett kétréses kísérlet megfelelőjén, akkor minden egyes elektron fényfoltot hoz létre az érzékelő képernyőjén. Ezekből a foltokból idővel felépül az interferencia-mintázat, mintha az elektronok hullámok lennének (lásd az előző képet).