A fizika mélyén van egy szerencsés sejtés. Hihetetlenül jó tipp volt, amely az idő és a kísérletek ellenére is szilárd maradt, és ma már a kvantummechanika egyik alapelve.
Born-szabálynak hívják, és bár előrejelzésekre használják, senki sem érti igazán, hogyan működik. De egy merész új kísérlet az újraírására lehet az áttörés, amire már régóta vártunk, hogy végre teljes egészében megértsük.
A University College London fizikusai, Lluís Masanes és Thomas Galley összefogtak Markus Müllerrel az Osztrák Tudományos Akadémiáról, hogy új módot találjanak a fizika ezen alaptörvényének leírására.
Nem ők az elsők, akik mélyebb igazságokat keresnek ehhez a legelképesztőbb kvantumelvhez. És, legyünk őszinték, nem is ők lesznek az utolsók. De ha van megoldás, akkor ahhoz valószínűleg olyan egyedi megközelítésre lesz szükség, mint az övék.
Először is, hogy megértsük, mi olyan különleges a Born-szabályban, kicsit hátrébb kell lépnünk.
Már közhelyszámba megy, hogy a kvantummechanika furcsa. Az egyszerre élő és halott macskák és az információt térben és időben teleportáló részecskék miatt megszoktuk, hogy a fizika alagsorát bűvészmutatványnak látjuk.
A nagy nevek, mint Schrödinger, Heisenberg és Einstein általában megkapják a dicsőséget, de a német fizikus és matematikus, Max Born az, aki igazán megérdemli az elismerést azért a monumentális fejfájásért, amit a kvantummechanika okoz.
Ahhoz, hogy megértsük a hozzájárulását, csak meg kell néznünk, milyen forró káoszban találták magukat a fizikusok az 1920-as évek elején. Nemrég derült ki, hogy az atom szerkezete egy sűrű, pozitív töltésű atommagból áll, amelyet kisebb negatív töltésű részecskék vesznek körül.
Miért nem omlik össze az egész rendszer, ez volt a Nagy Kérdés, amelyet addig rúgtak, amíg Louis de Broglie francia fizikus elő nem állt egy merész javaslattal – ahogyan a fényhullámok részecskejellegűek, úgy azok a negatív elektronok is fennmaradhatnak, ha szintén hullámszerűek.
A fény kettősségét már elég nehéz volt lenyelni. De a szilárdnak tűnő anyagot úgy leírni, mintha az óceán hulláma lenne, egyszerűen őrültség volt. Mégis, a kísérletek azt mutatták, hogy ez jól illeszkedik.
Majd 1926-ban Born egy egyszerű javaslattal állt elő – kollégái matematikájából merítve, megmutatta, hogy ezek a hullámok hogyan tükrözik a valószínűséget, és kitalált egy szabályt, amely összekapcsolta a megfigyeléseket a véletlen mértékével. Ez a szabály lehetővé teszi a fizikusok számára, hogy megjósolják a részecskék helyzetét a kísérletekben, az e hullámfüggvények amplitúdói által tükrözött valószínűségek segítségével.
De a Born-szabály nem valamilyen alapvető axiómákon vagy a természet mélyebb igazságain alapult. Egy előadásában, amelyet 1954-ben tartott, amikor munkájáért megkapta a fizikai Nobel-díjat, Born elmagyarázta, hogy az “aha!” pillanat Einstein munkájából fakadt.
“Ő úgy próbálta érthetővé tenni a részecskék – fénykvantumok vagy fotonok – és a hullámok kettősségét, hogy az optikai hullám amplitúdóinak négyzetét a fotonok előfordulásának valószínűségi sűrűségeként értelmezte” – mondta Born.
Ez egy ihletett találgatás volt, mégpedig pontos. De nem voltak alapvető axiómák, nem voltak olyan alaptörvények, amelyek Bornt a következtetésére vezették. Ez pusztán előrejelzés volt, nem mondott semmit a mélyebb elvekről, amelyek a lehetségesek sokaságát egyetlen valósággá változtatják.
Einstein gyűlölte a következményeket, híresen azt állította, hogy Isten nem kockázik, és úgy érezte, hogy a kvantummechanika egy hiányos elmélet, amely új darabokra vár, hogy tisztázza a képet.
Majdnem egy évszázaddal később ezek a darabok ugyanolyan megfoghatatlanok, mint valaha. És a Born-szabály még mindig ott ül a középpontban, csendben jósol, anélkül, hogy felfedné választásának titkát.
A híres törvény olyan újrafogalmazására van szükség, amely megőrzi jósló erejét, miközben további igazságokra utal. Masanes, Galley és Muller tehát egy maroknyi, látszólag triviális feltételezés alapján átdolgozta a szabály megfogalmazását.
Először is rámutattak, hogy a kvantumállapotokat nagyság- és iránymértékek szerint írják le.
Másrészt megmutatták, hogyan írhatók le ezek az állapotok az úgynevezett unitaritás szerint. Ez a szakzsargon arra az információra utal, amely egy folyamat kezdő- és végpontját összeköti. (Egy durva hasonlattal élve, lehet, hogy nem tudjuk, hogyan jutottunk haza a kocsmából, de az a módszer, amivel odajutottunk, leírja a visszaútvonalat is.)
A következőben feltételezték, hogy bárhogyan is csoportosítjuk egy összetett kvantumrendszer részeit, annak nem szabadna különbséget tennie a végső állapot mérése szempontjából. A szivárvány hét színre osztása olyan választás, amelyet a kontextustól függően hozunk meg; a természetet nem mindig a kényelmes felosztás érdekli.”
Végül megerősítették, hogy egy kvantumállapot mérése egyedi. Mindezek után a számtalan lehetőség egy szilárd válaszban végződik.
Ezekből az egyszerű kiindulópontokból a trió logikusan építkezett vissza a Born-szabályig. Munkájuk bárki számára olvasható az arxiv.org előzetesen lektorált weboldalon, de máris vitát vált ki.
Ez önmagában nem megoldás, ne feledjük, mivel nem magyarázza meg, hogy a lehetőségek hulláma miért omlik össze az általunk megfigyelt valósággá.
Ehelyett megmutatja, hogy az alapvető feltételezések hogyan vezethetnek ugyanahhoz a törvényhez, új nézőpontot nyújtva a probléma megközelítéséhez.
Egyelőre Isten még mindig tisztességesen dobja azokat a kockákat. Talán így fogjuk rajtakapni, hogy csal.