Téridő-részecske

Közvetlenül, vagy közvetve a fotonok révén nyerjük az információt a külvilágról, ezért alapvetően a fotonok természete határozza meg a fizikai világról alkotott fogalmainkat. Környezetünk tárgyairól a fotonok özöne érkezik hozzánk és minden egyes foton, valamelyik elektron állapotváltozásáról ad hírt. Megpróbáljuk rendszerezni az információt és képet alkotni az elektronok által képviselt fizikai objektumok elrendeződéséről, ehhez fejlesztette ki gondolkodásunk a tér fogalmát. A teret mint távolságok és irányok rendszerét fogjuk fel, de ezek a fogalmak kizárólag a nagyszámú foton érkezése miatt nyernek értelmet. A modern fizika azonban már képes egyedi elektronokat és egyedi fotonokat is megfigyelni, de vajon jogosan használjuk az egyedi foton mozgásának leírásához azt a fogalomrendszert, ami épp a nagyszámú fizikai objektum elrendeződését tükrözi? Hasonlóan vagyunk a fizikai idő fogalmával, ami segít az események egymásutániságát jellemezni, de ha egyetlen elektrontól érkező fotont figyelünk meg, akkor nincs szó egymásutániságról. A nagy sebességek birodalmában, ami jellemző az elemi részecskék világára már a folyamatok egyidejűsége is megkérdőjeleződik, ezért szükség volt a tér és idő fogalmának összekapcsolására, amit Minkowski után téridőnek nevezünk. A részecskék létezése azonban nem független a téridőtől és ez fordítva is igaz: a téridőt a részecskék építik fel, ezért eljutunk egy új fogalomhoz, amit téridő-részecskének nevezhetünk. Tömören úgy fogalmazhatjuk meg a fizikai világképüket, hogy a részecske a téridő létezési formája.

A relativitáselmélet kiindulópontja, hogy a foton vákuumban fénysebességgel terjed, de van-e értelme annak a fogalomnak, hogy vákuum? Ilyenkor részecskementes térre gondolunk, de ha már ott halad akárcsak egyetlen foton is, akkor nem beszélhetünk vákuumról. Szabatosabb ezért azt mondanunk, hogy a foton kölcsönhatásmentes állapotban fénysebességgel halad. A relativitáselmélet szerint a megfigyelőhöz képest nagysebességgel mozgó rendszerben a tér és az idő lerövidül, és ha ez a sebesség a fénysebesség, akkor az idő és az objektumok haladás irányában mérhető távolsága nullára zsugorodik. Képzeljük el, hogy egy távoli galaxisban egy gyorsuló elektron kibocsát egy fotont és az hosszú-hosszú út megtétele után eljut a szemünkbe, ahol aztán egy elektron elnyeli. Ez a folyamat indítja el azt a bonyolult reakcióláncot, amiért látjuk a csillagokat az éjszakai égbolton. A foton számára az a rendkívül hosszú út – ami számunkra millió, vagy milliárd fényévet jelent – nulla, és hasonlóan nulla az időtartam is. Valójában a két elektron között úgy jön létre a kölcsönhatás, mintha közvetlenül érintkeznének! Mi annak a feltétele, hogy a távolból érkező foton megindítsa azt a reakciót, ami a „látást” is előidézi? Az, hogy a foton-küldő (emittáló) és az átvevő (abszorbeáló) elektron sajátforgásának fázisa megegyezzen! És mi azaz energia, impulzus és impulzusmomentum, amit magával hordoz a foton, a fény? Ez felel meg annak az energiának, impulzusnak és impulzusmomentumnak, amit az egyik elektron akár egy távoli galaxisból átad egy másik elektronnak, amelyik lehet például a mi szemünkben is!

De létezik-e egyáltalán „a foton”, vagy csupán azért használjuk ezt a fogalmat, mert lehetővé teszi számunkra az elektronok közötti kölcsönhatások természetének megértését? (Itt csak az egyszerűség kedvéért beszélek elektronokról, voltaképp bármilyen töltött elemi részecske esetén ugyanerről van szó.) Bontsuk fel a kölcsönhatási folyamatot három szakaszra:

• a gyorsuló elektron kibocsátja a fotont
• a foton terjed a térben
• a fotont elnyeli egy másik elektron

A középső szakaszban a foton nem lép semmilyen kölcsönhatásba. Viszont minden megfigyelés a kölcsönhatásokhoz kapcsolódik, ezért erről az állapotról nem lehet semmilyen valóságos információnk! Nem meglepő tehát, hogy ehhez a szakaszhoz nem tartozik sem idő, sem távolság (relativitáselmélet), a kölcsönhatásmentes foton nem „formálja” a téridőt, erről a fogalomról nincs is értelme beszélni. Ez alapján érthetjük meg a foton különleges tulajdonságait. A foton gömbhullámokban terjed, mondja ki az optika egyfelől, másfelől viszont azt látjuk, hogy a fény útja mindig egyenes. Még különösebbek az úgynevezett kétréses kísérletek, amikor két résen keresztül léphet ki a fény, majd egy fényérzékeny lemezen újra találkozik. Az ernyő bizonyos helyein létrejönnek felvillanások, más helyeken viszont nem, akkor is, ha egyszerre csak egyetlen foton indul útnak. Tehát a foton önmagával hoz létre interferenciát! A felsorolt jelenségekre kielégítő magyarázatot nyújt a kvantumelektrodinamika (QED), amikor mikro-lépésekre bontja fel a foton útját és ezeket a valószínűségi amplitúdóval szorozva összegzi. Ezek a mikro-folyamatok a fotont „orfeuszi” részecskének tekintik, amelyik minden pillanatban és minden helyen újjászületik újabb gömbhullámokat indítva, amelyek végösszege végül kiválasztja a „legrövidebb” utat. Ez a kép összhangban van avval a felfogással, hogy nincs sajátidő és sajáttér a fénysebességű foton számára, ezért nem lehet irányokról sem beszélni. Az elmélet tehát joggal tételezi fel, hogy minden irány valószínűsége egyenlő, hiszen nincs is „sajátirány”. A QED szerint a mikro-lépések sebességét még a fénysebesség sem köti, sőt a foton még az idő „irányával” sincs tisztában, amikor létrejönnek elektron-pozitron párok és nincs megszabva, hogy párképződés, vagy foton annihiláció következik-e előbb. Mindez elfogadható olyan állapot leírására, amiről nincs valódi információnk, ahol nincs értelmezve a tér és idő. A mikro-lépések összegzése azonban mindig olyan eredőhöz vezet, ahol már érvényesül a kauzalitás, ahol a kölcsönhatások végsebessége megegyezik a fénysebességgel, ez már a téridő világa. 

A fotont és elektront úgy is megkülönböztethetjük, hogy csak az utóbbit tekintjük „téridőt létesítő” részecskének, amelyik számára létezik a „sajátidő” és „sajáttér”. Egyúttal ez a tulajdonság határozza meg, hogy az elektronoknak a fotonokkal szemben van nyugalmi tömegük is. Az elektronhoz hasonlóan valamennyi nyugalmi tömeggel rendelkező részecskét a téridő építőinek és egyúttal megnyilvánulási formáinak kell tekinteni, a fotonok szerepe, hogy létrehozza a téridőt építő objektumok között a kapcsolatot, a kölcsönhatást. Így jön létre fizikai világunk, amiben az elektromágneses erőkön kívül más erők is szerepet játszanak a részecskék közötti kölcsönhatások létrehozásában (az erős nukleáris és a gravitációs kölcsönhatás), a gyenge kölcsönhatás teszi lehetővé a téridő mozgásformáinak egymásba való alakulását, az erős gravitáció biztosítja a részecskéket alkotó sajátforgások stabilitását.

A blog további begyzéseinek összefoglalóját lásd "Paradigmaváltás a fizikában"

  Rockenbauer Antal