A kvantumfizika általában már az elején megfélemlít. Elég furcsa és ellentmondásosnak tűnhet, még azoknak a fizikusoknak is, akik nap mint nap foglalkoznak vele. De nem érthetetlen. Ha a kvantumfizikáról olvasol valamit, valójában hat kulcsfogalmat kell szem előtt tartanod. Ha ezt megteszed, sokkal könnyebben megérted majd a kvantumfizikát.
Minden hullámokból áll; a részecskék is
A fény mint részecske és mint hullám. (Image credit: Fabrizio Carbone/EPFL)
Egy csomó helyen el lehet kezdeni ezt a fajta vitát, és ez legalább olyan jó, mint bármelyik: a világegyetemben minden egyszerre részecske- és hullámtermészetű. Van egy sor Greg Bear fantasy duológiájában (A végtelen koncert és A kígyómágus), ahol a mágia alapjait leíró karakter azt mondja: “Minden hullámok, semmi sem hullámzik, semmilyen távolságon át”. Ezt mindig is nagyon szerettem, mint a kvantumfizika költői leírását – mélyen legbelül az univerzumban mindennek hullámtermészete van.
Természetesen az univerzumban mindennek részecske természete is van. Ez teljesen őrültségnek tűnik, de ez egy kísérleti tény, amit egy meglepően ismerős eljárással dolgoztak ki:
(van egy animált verzió is, amit a TED-Ed számára készítettem).
A valós tárgyak részecskeként és hullámként való leírása persze szükségszerűen kissé pontatlan. Helyesen szólva, a kvantumfizika által leírt objektumok nem részecskék és nem hullámok, hanem egy harmadik kategória, amely osztozik a hullámok néhány tulajdonságában (jellegzetes frekvencia és hullámhossz, némi terjedés a térben) és a részecskék néhány tulajdonságában (általában megszámlálhatók és bizonyos fokig lokalizálhatók). Ez élénk vitát vált ki a fizikaoktatásban arról, hogy valóban helyénvaló-e a fényről részecskeként beszélni a bevezető fizikaórákon; nem azért, mert vitatott, hogy a fénynek van-e részecske jellege, hanem azért, mert a fotonok “részecskéknek” és nem “egy kvantummező gerjesztéseinek” nevezése a tanulókban tévképzetekhez vezethet. Hajlok arra, hogy ezzel ne értsek egyet, mert sok ugyanolyan aggályt lehetne felvetni az elektronok “részecskéknek” nevezésével kapcsolatban, de megbízható forrása lehet a blogbeszélgetéseknek.
A kvantumobjektumoknak ez a “hármas számú ajtó” jellege tükröződik a fizikusok által a kvantumjelenségekről beszélve használt, néha zavaros nyelvezetben. A Higgs-bozont a Nagy Hadronütköztetőben részecskeként fedezték fel, de hallani lehet fizikusokat a “Higgs-mezőről” is beszélni, mint egy delokalizált dologról, ami kitölti az egész teret. Ez azért történik, mert bizonyos körülmények között, például az ütköztető kísérletekben kényelmesebb a Higgs-mező gerjesztéseiről úgy beszélni, hogy a részecskeszerű tulajdonságokat hangsúlyozzák, míg más körülmények között, például annak általános megvitatásakor, hogy miért van bizonyos részecskéknek tömege, kényelmesebb a fizikát a világegyetemet kitöltő kvantummezővel való kölcsönhatások szempontjából tárgyalni. Ez csak különböző nyelvezet, amely ugyanazt a matematikai objektumot írja le.
A kvantumfizika diszkrét
Ezek az oszcillációk a “fagyott” fény képét hozták létre. (Credit: Princeton)
Ez már a nevében is benne van – a “kvantum” szó a latin “mennyit” szóból származik, és azt a tényt tükrözi, hogy a kvantummodellekben mindig valami diszkrét mennyiségben érkezik. A kvantummezőben lévő energia valamilyen alapenergia egész számú többszöröseiben érkezik. A fény esetében ez a fény frekvenciájához és hullámhosszához kapcsolódik– a nagyfrekvenciás, rövid hullámhosszú fénynek nagy a jellemző energiája, míg a kisfrekvenciás, hosszú hullámhosszú fénynek kicsi a jellemző energiája.
Mindkét esetben azonban az adott fénymezőben lévő összes energia ennek az energiának egész számú többszöröse– 1, 2, 14, 137-szerese– soha nem egy furcsa tört, mint például másfél, π vagy kettő négyzetgyöke. Ez a tulajdonság az atomok diszkrét energiaszintjeiben és a szilárd testek energiasávjaiban is megfigyelhető – bizonyos energiaértékek megengedettek, mások nem. Az atomórák a kvantumfizika diszkréciója miatt működnek, a cézium két megengedett állapota közötti átmenethez kapcsolódó fényfrekvenciát használják az idő megtartására olyan szinten, amely a múlt héten hozzáadott, sokat vitatott “szökőmásodpercet” igényli.
Az ultraprecíz spektroszkópia olyan dolgok keresésére is használható, mint a sötét anyag, és részben ez motiválja az alacsony energiájú alapfizikai intézetet.
Ez nem mindig nyilvánvaló – még néhány olyan dolog is, ami alapvetően kvantum, mint a fekete test sugárzása, úgy tűnik, hogy folyamatos eloszlásokat tartalmaz. De mindig van egyfajta szemcsésség a mögöttes valóságban, ha beleásod magad a matematikába, és ez nagyban hozzájárul az elmélet furcsaságához.
A kvantumfizika valószínűsíthető
(Credit: Graham Barclay/Bloomberg News)
A kvantumfizika egyik legmeglepőbb és (történelmileg legalábbis) legvitatottabb aspektusa, hogy lehetetlen bizonyossággal megjósolni egy kvantumrendszerrel végzett egyetlen kísérlet eredményét. Amikor a fizikusok megjósolják valamilyen kísérlet kimenetelét, az előrejelzés mindig az egyes lehetséges kimenetek megtalálásának valószínűsége formájában jelenik meg, és az elmélet és a kísérlet közötti összehasonlítás mindig a valószínűségi eloszlások sok ismétlődő kísérletből történő levezetését jelenti.
A kvantumrendszer matematikai leírása jellemzően egy “hullámfüggvény” formájában történik, amelyet az egyenletekben általában a görög pszi: Ψ betűvel ábrázolnak. Sok vita folyik arról, hogy pontosan mit is képvisel ez a hullámfüggvény, és két fő táborra oszlik: azokra, akik a hullámfüggvényt valódi fizikai dolognak tekintik (ezeknek a szakzsargonban “ontikus” elméletekről beszélnek, ami néhány szellemes embert arra késztet, hogy támogatóikat “pszi-ontológusoknak” nevezze), és azokra, akik a hullámfüggvényt csupán egy adott kvantumobjektum alapállapotára vonatkozó tudásunk (vagy annak hiánya) kifejezésének tekintik (“episztemikus” elméletek).
Az alapmodellek mindkét osztályában egy kimenetel megtalálásának valószínűségét nem közvetlenül a hullámfüggvény adja meg, hanem a hullámfüggvény négyzete (legalábbis lazán fogalmazva; a hullámfüggvény egy összetett matematikai objektum (vagyis olyan képzeletbeli számokat tartalmaz, mint a negatív egy négyzetgyöke), és a valószínűséghez vezető művelet kissé bonyolultabb, de a “hullámfüggvény négyzete” elég az alapötlet megértéséhez). Ez a “Born-szabály” néven ismert Max Born német fizikus után, aki ezt először javasolta (egy 1926-os tanulmány lábjegyzetében), és egyeseknek csúnya ad hoc kiegészítésnek tűnik. A kvantumelméleti alapok közösségének egyes részein aktív erőfeszítések folynak arra, hogy megtalálják a Born-szabály levezetésének módját egy alapvetőbb elvből; a mai napig egyik sem volt teljesen sikeres, de sok érdekes tudományt generál.
Ez az elméletnek az az aspektusa is, amely olyan dolgokhoz vezet, mint hogy a részecskék egyszerre többféle állapotban vannak. Minden, amit meg tudunk jósolni, az a valószínűség, és egy adott kimenetet meghatározó mérés előtt a mért rendszer egy meghatározatlan állapotban van, ami matematikailag az összes különböző valószínűségű lehetőség szuperpozíciójának felel meg. Hogy ezt úgy tekintjük-e, hogy a rendszer valóban egyszerre az összes állapotban van, vagy csak egy ismeretlen állapotban van, az nagyban függ attól, hogy mit gondolunk az ontikus versus episztemikus modellekről, bár mindkettőre vonatkoznak a listán következő pontból származó korlátozások:
A kvantumfizika nem lokális
Egy kvantumteleportációs kísérlet működés közben. (Credit: IQOQI/Vienna)
Az utolsó nagy hozzájárulás, amit Einstein a fizikához tett, nem volt széles körben elismert, leginkább azért, mert tévedett. Egy 1935-ös, fiatalabb kollégáival, Boris Podolskyval és Nathan Rosennel közösen írt tanulmányában (az “EPR-papír”) Einstein világos matematikai megfogalmazást adott valamiről, ami már egy ideje foglalkoztatta, egy olyan elképzelésről, amit ma “összefonódásnak” nevezünk.”
Az EPR-papír azt állította, hogy a kvantumfizika lehetővé teszi olyan rendszerek létezését, ahol a egymástól távol eső helyeken végzett mérések olyan módon korrelálhatnak egymással, hogy az egyiknek az eredménye a másiktól függ. Azzal érveltek, hogy ez azt jelenti, hogy a mérések eredményeit előre meg kell határozni, valamilyen közös tényező által, mert az alternatíva az egyik mérés eredményének a fénysebességnél nagyobb sebességgel történő továbbítását igényelné a másik mérés helyére. Így a kvantummechanikának hiányosnak kell lennie, egy mélyebb elmélet (egy “helyi rejtett változó” elmélet, ahol egy adott mérés eredménye nem függ a mérés helyétől távolabb eső dolgoktól, mint amit egy jel a fénysebességgel (“helyi”) megtehetne, hanem egy összefonódott párban lévő mindkét rendszer számára közös tényező (a “rejtett változó”) határozza meg) puszta közelítése.
Ezt körülbelül harminc évig furcsa lábjegyzetnek tekintették, mivel úgy tűnt, hogy nem lehetett tesztelni, de az 1960-as évek közepén John Bell ír fizikus részletesebben kidolgozta az EPR-papír következményeit. Bell megmutatta, hogy találhatunk olyan körülményeket, amelyekben a kvantummechanika olyan korrelációkat jósol távoli mérések között, amelyek erősebbek, mint bármely lehetséges, az E, P és R által preferált típusú elmélet. Ezt az 1970-es évek közepén John Clauser kísérletileg tesztelte, és Alain Aspect 1980-as évek elején végzett kísérletsorozatát széles körben úgy tartják, hogy az végérvényesen megmutatta, hogy ezek az összefonódott rendszerek semmiképpen sem magyarázhatók semmilyen helyi rejtett változó elmélettel.
Az eredmény megértésének legelterjedtebb megközelítése az, hogy a kvantummechanika nem lokális: egy adott helyen végzett mérések eredményei olyan módon függhetnek távoli objektumok tulajdonságaitól, ami a fénysebességgel mozgó jelekkel nem magyarázható. Ez azonban nem teszi lehetővé a fénysebességet meghaladó sebességű információküldést, bár már számtalan kísérlet történt arra, hogy megtalálják a kvantum-non-lokalitás felhasználásának módját. Ezek cáfolata meglepően eredményes vállalkozásnak bizonyult – további részletekért nézd meg David Kaiser How the Hippies Saved Physics című könyvét. A kvantum-non-lokalitás központi szerepet játszik az elpárolgó fekete lyukakban lévő információ problémájában és a “tűzfal” vitában is, amely a közelmúltban sok aktivitást generált. Vannak még olyan radikális elképzelések is, amelyek az EPR-papírban leírt összefonódott részecskék és a féreglyukak közötti matematikai kapcsolatot foglalják magukban.
A kvantumfizika (többnyire) nagyon kicsi
Kvantumtávcsővel nézve egy hidrogénatom képei. (Credit: Stodolna et al. Phys. Rev…. Lett.)
A kvantumfizikának az a híre, hogy furcsa, mert az előrejelzései drámaian eltérnek a mindennapi tapasztalatainktól (legalábbis az emberek számára – a könyvemben az a koncepció, hogy a kutyáknak nem tűnik annyira furcsának). Ez azért történik, mert az érintett hatások egyre kisebbek lesznek, ahogy a tárgyak egyre nagyobbak lesznek– ha egyértelműen kvantumos viselkedést akarsz látni, akkor alapvetően azt akarod látni, hogy a részecskék hullámként viselkednek, és a hullámhossz csökken, ahogy a lendület nő. Egy olyan makroszkopikus objektum hullámhossza, mint a szobán keresztül sétáló kutya, olyan nevetségesen kicsi, hogy ha mindent úgy tágítanánk, hogy egyetlen atom a szobában akkora legyen, mint az egész Naprendszer, akkor a kutya hullámhossza körülbelül akkora lenne, mint egyetlen atom a Naprendszeren belül.
Ez azt jelenti, hogy a kvantumjelenségek nagyrészt az atomok és az alapvető részecskék léptékére korlátozódnak, ahol a tömegek és sebességek elég kicsik ahhoz, hogy a hullámhosszok elég nagyok legyenek a közvetlen megfigyeléshez. Egy csomó területen azonban aktív erőfeszítéseket tesznek annak érdekében, hogy a kvantumhatásokat mutató rendszerek méretét nagyobb méretekre növeljék. Egy csomó blogot írtam Markus Arndt csoportjának kísérleteiről, amelyek hullámszerű viselkedést mutatnak egyre nagyobb és nagyobb molekulákban, és egy csomó csoport az “üreg-optomechanikában” próbálja fény segítségével lelassítani a szilíciumdarabok mozgását olyan mértékben, hogy a mozgás diszkrét kvantumtermészete világossá váljon. Vannak olyan felvetések is, hogy ezt több gramm tömegű felfüggesztett tükrökkel is meg lehetne csinálni, ami elképesztően menő lenne.
A kvantumfizika nem varázslat
Képregény Dante Shepherd “Surviving the World”-jéből. (http://survivingtheworld.net/Lesson1518.html )… Engedéllyel felhasználva.
Az előző pont nagyon természetesen vezet át ebbe: bármennyire is furcsának tűnik, a kvantumfizika a leghatározottabban nem varázslat. Az általa megjósolt dolgok a mindennapi fizika mércéjével mérve furcsák, de szigorúan korlátozzák őket a jól megértett matematikai szabályok és elvek.
Ha tehát valaki odajön hozzád egy “kvantumos” ötlettel, ami túl szépnek tűnik ahhoz, hogy igaz legyen – szabad energia, misztikus gyógyító erők, lehetetlen űrhajtások -, akkor szinte biztosan az is. Ez nem jelenti azt, hogy nem használhatjuk a kvantumfizikát elképesztő dolgokra – a hétköznapi technológiában is találhatunk igazán klassz fizikát -, de ezek a dolgok bőven a termodinamika törvényeinek és az alapvető józan észnek a határain belül maradnak.
Ezzel meg is van: a kvantumfizika legfontosabb alapjai. Valószínűleg kihagytam néhány dolgot, vagy tettem olyan kijelentéseket, amelyek nem elég pontosak ahhoz, hogy mindenkinek tetszenek, de ez legalább hasznos kiindulópontként szolgálhat a további vitákhoz.