Rockenbauer Antal: Útikalauz a fizikához Newtontól Higgsig (részlet)
Időről időre felröppennek a hírek, hogy ilyen vagy olyan kvantumfizikai kísérletben meg lehetett fordítani az idő irányát visszatérve a múltba. A szenzációt azonban eloszlatják a józan analízisek, amikor kiderül, hogy valójában miről is van szó. A magyarázatok lényege, hogy másként kell gondolkozni, amikor a mikrovilág jelenségeit vizsgáljuk, mint amit megszoktunk hétköznapi világunkban.
A késleltetett választási kísérlet
John Wheeler (amerikai elméleti fizikus, 1911–2008), a Manhattan projekt egyik kulcsszereplője, aki arról is nevezetes, hogy ő alkotta meg a fekete lyuk kifejezést az asztrofizikában, javasolt egy olyan kísérletet, amelynek eredményét az idő visszafordulásával lehet magyarázni, azaz amikor az okozat megelőzi az őt létrehozó okot. A javasolt eljárást nevezik késleltetett választási kísérletnek. Ebben két rés segítségével interferenciát hoznak létre oly módon, hogy a fény fotonjait egyesével indítják. A késleltetés azt jelenti, hogy az egyik rést lezárják, amikor már elég idő telt el ahhoz, hogy a fény túllépjen a résen, de még nem érte el a fényérzékeny lemezt.1 Olyan megfigyelést tettek, hogy ebben az esetben romlik vagy eltűnik az interferencia, ami akkor várható, ha csak egyetlen rés engedte át a fényt, és nem kettő. Következtetés: a késleltetett lezárás utólagosan zárta el a fény útját, tehát a következmény megelőzte az okot. Nézzünk utána a jelenségnek! Látni fogjuk, hogy az idő megfordításának koncepciója az anyag hullám és részecske természetének téves interpretációjából következik.
Mi történik akkor, amikor nem történik semmi?
Mi is a foton? Egy közvetítő részecske két térben elkülönült elektron között. Például a lámpa felgyújtásakor egy elektron megváltoztatja állapotát, és kibocsát egy fotont. Ez megérkezik, mondjuk a szemünkbe, és ott egy másik elektron állapotát fogja megváltoztatni. Ez a látás folyamata. De mit tudunk mondani a fotonról az „utazása” során? Valójában semmit! Amíg nem történik a foton és az elektronok között semmilyen reakció, addig nincs információnk a foton tényleges állapotáról. Ebből fakadnak a különböző paradoxonok, mert olyan kérdéseket vetünk fel, hogy mi történik akkor, amikor nem történik semmi! Ebben az állapotban nincs értelme időről beszélni, amiért a foton állapotának leírásában az idő helyett a valószínűség jelenik meg. Szokásos törvényeink azonban az időre és nem a valószínűségre épülnek, ezért gabalyodunk be olyan kérdésekbe, hogy felcserélhetőnek gondoljuk az ok és okozat sorrendjét. A kölcsönhatás bekövetkezte előtt még nincs szó okozatról, ezért az ok és okozat kapcsolatáról sem beszélhetünk. Erre csak akkor kerülhet sor, ha már történt valami, azaz létrejött a kölcsönhatás.
A megfigyelt és a képzelt valóság viszonya
Alapvető szellemi igényünket fejezi ki, hogy a kölcsönhatás értelmezése kedvéért a kölcsönhatás előtti állapotot is le akarjuk írni. Például az interferencia megfigyelése azt jelenti, hogy közvetlenül látjuk az emulziót érő két fénysugár hatását, ami sötétebb és világosabb foltokban mutatkozik meg. Ezt tekintjük a megfigyelt valóságnak, ennek értelmezésére gondolunk ki egy elméletet. Ezt tette Christiaan Huygens (holland fizikus, 1629–1695) is a 17. században a gömbhullám modell megalkotásával, ami szerint a fény úgy terjed gömbhullámban, hogy annak minden egyes pontja egy új gömbhullámot bocsát ki, és azok szuperpozíciója alkotja meg az interferenciaképet. Magát a gömbhullámot azonban nem látjuk, csak elképzeljük, és matematikai formulákkal leírjuk. Ezért a gömbhullám képzelt valóságnak felel meg, amely a kölcsönhatás lehetőségéről, annak valószínűségéről ad számot a modern fizika megfogalmazásában. Fontos azonban, hogy mindig tegyünk különbséget a közvetlenül megfigyelt és a logikai úton elképzelt fizikai világok törvényei között!
Hol lehet a foton a kölcsönhatás előtt?
Kiinduló kérdés: hol lehet a foton az észlelés előtti szakaszban? Mivel ekkor „nem látjuk” a fotont, csak totózhatunk, és megadhatunk valószínűségeket. Ilyen valószínűséget származtathatunk a gömbhullám modellből, amely szerint egy c · t sugarú gömbön belül a foton bárhol lehet. Ekkor egy időben táguló valószínűségi gömbről beszélünk, ami nem arról szól, hogy hol van a foton, hanem csak arról, hogy hol lehet. Gondolkozásunk önkéntelenül is keveri a hullám és részecske felfogást, pedig nem szabad a hullámot úgy felfogni, mint amit „bejár” egy pontszerű objektum: a hullám egységes és oszthatatlan valószínűségi eloszlás, egy matematikai leírási mód. Ezt úgy érthetjük meg, ha arra gondolunk, hogy maga a foton kölcsönhatás hiányában nem „lát” semmit a környezetéből, nem „tudhatja”, hogy hol van, nem „ismerheti” az irányokat sem. Erre mondjuk mi, akik a megfigyelők vagyunk, hogy a c · t sugarú gömbön belül a foton bárhol lehet. Az már külön kérdés, hogy a foton hol képes kölcsönhatást létrehozni. Az elektrodinamika szerint a kölcsönhatás az elektromos és mágneses mezőn keresztül valósul meg. De mit értünk ezeken a mezőkön? Egy képességet, amely megmondja, ha valahol van egy elektromos töltés, akkor arra a foton mekkora erővel hat. Persze ha ott van a töltés! De valójában a kölcsönhatás előtt nem kerül ilyen töltés a foton útjába, hiszen ekkor a részecske az üres térben halad. Az elektromos és mágneses mező ezért csak matematikai leírás és nem tulajdoníthatunk neki olyan valóságtartalmat, mint például az elektronoknak. Mindaz, amit a kölcsönhatás előtti helyzetről mondunk, csak elképzelt valóság, amelynek valószínűségi törvényei mások, mint a ténylegesen megfigyelt valóságé, ahol már az ok és okozat időbeli törvényei uralkodnak.
A foton túljut vagy túlterjed a réseken?
De hogyan tud a foton egyáltalán kölcsönhatásba lépni, amikor túljut a réseken? Ez a kétréses kísérlet kulcskérdése, amit rengetegszer félremagyaráznak, mert nem a valószínűségi mezőben, hanem a valós időben értelmezik a folyamatokat, és így jutnak el téves teóriákhoz, például az idő irányának megfordításához. Itt a „túljut” szó már magában rejti a tévedés kockázatát, helyesebb inkább a „túlterjed” szót használni, mert amíg nem lép kölcsönhatásba a foton egy elektronnal, addig a c · t hatásgömb teljes tartományában mindenütt ott lehet. Vagyis bizonyos valószínűséggel egy c · tr sugarú gömbön belül lehet, de valamekkora valószínűséggel lehet azon kívül is, ha a t idő hosszabb a tr időnél, azaz annál az időnél, amikor a foton eljuthat a résig. A kölcsönhatás előtti szakaszban a valószínűségi elv érvényesül, és csak a kölcsönhatás bekövetkeztekor beszélhetünk „okozatról”, amikor már az idő egymásutánisága határozza meg az ok és az okozat közötti kapcsolatot. Tehát a kölcsönhatás előtt a foton a c · t sugarú gömb bármely pontjában lehet, de ez nem jelenti azt, hogy a gömb bármely pontján egyforma eséllyel hozhatna létre kölcsönhatást. Ennek oka, hogy a fotonnak van egy „beépített” tulajdonsága: saját frekvenciájának ütemében állandóan változtatja az elektromos és mágneses mező irányát. A Huygens-elv szerint a gömb bármely pontja új gömbhullám forrása. Erre alapozza Feynman (Richard Feynman amerikai fizikus, 1918–1988, Nobel-díj: 1965) nagyszerű könyvében (QED. The strange theory of light and matter, magyar kiadás: QED. A megszilárdult fény, 2001, 2020, Scolar Kiadó), hogy rengeteg különböző utat kell számba venni, de az eredő hatás csak ott jöhet létre, ahol az utak sokaságának azonos a fázisa. Ilyen speciális út a megszakítás nélküli egyenes vonalú haladás, ahol is a gömbhullám ugyanolyan hatást fejt ki, mintha a fény egyenes vonalban terjedne. Ez a terjedés azonban bármilyen irányú lehet, ezért a kölcsönhatás szempontjából a c · t sugarú gömb felülete jön számításba. Tehát kétféle valószínűségről beszélhetünk: az egyik azt mondja meg, hogy a foton a gömb bármely pontjában (nem csak a felületén!) lehet, de hatását csak a gömb felületén tudja kifejteni. Ha ezt megértjük, akkor már megadhatjuk a helyes magyarázatot a késleltetett kétréses interferencia kísérletre is.
1 Wheeler egy másik kísérletet javasolt, amiben nem zárták le a foton áthaladása után a réseket, hanem a rések után elhelyezett detektorokkal megmérték, hogy a foton melyik résen haladt át. Egy ilyen mérés hatására megszűnt az interferencia, még akkor is, ha a detektort csak azután helyezték a berendezésbe, miután áthaladt a foton a réseken, tehát úgy tűnik, hogy a fotonnak már azelőtt el kellett „döntenie”, hogy részecskeként vagy hullámként haladjon át a réseken, mielőtt a detektor a berendezésbe került volna.
A modern fizika a mikrovilág rejtélyeit és a világunkat mozgató négy
alapvető erő eredetét kutatva átalakította szemléletünket térről, időről
és a mozgásokról is. Így jutott el Higgs ahhoz a felismeréshez, hogy a
tér szimmetriatörése alkotta meg a részecskék világát, és ezt a
felfogást viszi tovább a fénysebességű forgások koncepciója, amely utat
nyit a gravitáció és a kvantumelméletek egyesítéséhez.
A könyv utolsó fejezete új megvilágításba helyezi az időt, amely
titokzatos módon átalakul a tér negyedik dimenziójává, megkönnyítve
számunkra, hogy megértsük a relativitáselmélet különös világát.
Rockenbauer
Antal: Útikalauz a fizikához Newtontól Higgsig, Scolar Kiadó, 2020