Egy korábbi bejegyzésben (Determinizmus és kvantummechanika: a szabadság szintjei a fizikában) már áttekintettem a kvantummechanika néhány olyan jelenségét, aminek összehangolása szokásos fogalmainkkal nehézséget okoz és paradoxonokhoz vezet. Itt most részletesebben és szemléletes példákkal kiegészítve veszem elő ezeket a kérdéseket, elsőként a kétrészes kísérleteket, amelynek értelmezése a legvilágosabban mutatja a klasszikus fizika és a kvantumfizika eltérő szemléletmódjának okait.
Az EPR-paradoxon
A kvantummechanika értelmezési dilemmái ilyen vagy olyan módon a Heisenberg-féle bizonytalansági elvhez kapcsolódnak. Addig egyeznek az álláspontok, amíg nagyszámú részecske tulajdonságairól van szó, mert ekkor elfogadható a valószínűségekre alapozott statisztikai leírás. A kvantummechanikai korrespondencia elv szerint a határozatlansági törvények belesimulnak a makro-világban a klasszikus fizika determinizmusába. Más a helyzet, ha egyetlen foton, vagy elemi részecske tulajdonságait vizsgáljuk. Erre példa az Einstein, Podolsky és Rosen által felvetett gondolatkísérletek esete (EPR-paradoxon), melyek közül néhányat már tényleges kísérlettel is ellenőriztek.
A kétréses kísérlet
Az EPR-paradoxon talán legtöbb vitát kiváltó esetét képviselik a kétréses kísérletek. A kísérlethez monokróm fényforrást használunk, amelyik két keskeny (a hullámhosszal összemérhető) résen halad át és egy fényérzékeny ernyővel vizsgáljuk a beeső fény intenzitását. Eddig a kísérlet nem több mint a jól ismert interferencia jelenség megfigyelése: az optikai úthosszak különbsége által meghatározott helyeken fénymaximumokat és minimumokat észlelünk. A kísérlet akkor ad meglepő eredményt, ha egyesével indítjuk el a fotonokat, és külön-külön detektáljuk a felvillanásokat. Ebben az esetben ott tapasztalunk gyakrabban felvillanást, ahol interferencia maximum van és nincs felvillanás a minimum helyeken. Tehát nem az egyidejűleg kibocsátott fotonok közötti interferenciát látjuk, hanem az egyes fotonok saját magukkal lépnek interferenciába, ami arra mutat, hogy a foton egyszerre halad át mind a két résen!
Milyen információnk van a fotonról a kölcsönhatás előtt?
Ez a jelenség nem fordulhat elő a klasszikus fizikában, viszont jellemző a kvantumos állapotokra. Mi ennek az oka? Képzeljük magunkat a foton helyébe! Milyen információval rendelkezik a kölcsönhatás előtt? Olyan a helyzete, mint magunknak, ha az üres térben lennénk és semmilyen fény, semmilyen információ nem jutna el hozzánk. Ekkor nem jelentene számunkra semmit az irány fogalma. mert környezetünk nem adna számunkra semmilyen összehasonlítási lehetőséget. Emiatt a foton számára a tér fiktív! A foton terjedésérnek leírására mi mégis a szokásos térfogalmainkat használjuk, de mivel nem rendelhető semmilyen határozott irány a mozgáshoz, így azt mondjuk, hogy minden irányban egyenlő valószínűséggel terjed a fény.
A foton karakterisztikus tulajdonságai
A fotonról két dolgot azonban tudunk, egyrészt c sebességgel mozog, másrészt állapota periodikusan változik. A fénysebességű forgás modellben ez a periodikusság a forgásból származik, melynek frekvenciája határozza meg a foton energiáját is. A forgás miatt a foton minden időpillanatban egy kitüntetett fázissal rendelkezik, melynek értéke kizárólag a foton kibocsátásától számított időtől függ. De merre halad a foton, ha nincs irány? Jobbra, balra, előre vagy hátra? Ezeknek a fogalmaknak nincs értelme, ha nem beszélhetünk valódi mozgási irányról. A foton tehát minden időpillanatban tetszőleges irányban haladhat. Mozgásában kizárólag csak a fázis váltakozása játszik szerepet. Ennek felel meg a Huygens által felállított elképzelés, aki úgy értelmezte a gömbhullámokban történő terjedést, hogy minden időben és pontban a fény újabb gömbhullámot kelt és a gömbhullámok összegződése alkotja meg a terjedési képet. Ez kijelöl egy gömbhullám frontot, ameddig egyáltalán eljuthat a fény egy adott idő alatt és ez a front jól definiált fázissal rendelkezik. Mivel a foton mozgási iránya nem határozott, így a gömbön belül bármely ponthoz a foton különböző utakon is eljuthat, ezért a foton a teljes gömbben mindenütt jelen van. Tehát jelen van egyidejűleg mind a két résnél is.
Hogyan halad át a foton a réseken?
De mi történik a fotonnal, amikor eléri azt a felületet, ahol két rést alakítottunk ki? Ott ahol nincs rés sok-sok elektron van több rétegben is és a foton kölcsönhatásba kerülhet ezekkel az elektronokkal Két dolog történhet, vagy reakcióba lép valamelyik elektronnal az első rétegben, vagy tovább halad. Viszont minden ilyen „találkozás” időt vesz igénybe, így az optikai közegben a foton mozgása lelassul. Ez a jelenség okozza vízben és üvegben a fénytörést, ahol a fotonok többsége nem nyelődik el a közeg által. Ha viszont optikailag nagyon sűrű a közeg, akkor előbb-utóbb elnyelődik a foton, tehát a falon nem jut át. De azok a fotonok, amelyek néhány rétegen túljutnak esélyt kapnak, hogy átlépjenek a réseken. Még akkor is így van, ha egyetlen fotonról van szó, ezért mind a két résnél átbújik a foton. A foton ezt persze nem észleli, mert ha nem lép kölcsönhatásba egyetlen elektronnal sem, akkor a réseknél is a szokott módon, tehát gömbhullámokban terjed tovább. Ha végül eljut a fényérzékeny ernyőhöz, akkor attól függ a detektálás esélye, hogy mekkora az optikai úthosszak különbsége a két réstől számítva, ezért a detektálás gyakorisága megfelel az interferencia szabályainak.
A hullámfüggvény redukciója
A foton tehát a detektálás előtt a terjedési gömbön belül bárhol lehet, de a detektálása már csak egyetlen pontban történhet meg. Abban a pillanatban, amikor valamelyik elektronnal kölcsönhatásba lépett már nem lesz csak abban az egyetlen pontban, ahol az elektron tartózkodik. Amikor a kvantummechanika ezt a jelenséget leírja, akkor a hullámfüggvény redukciójáról beszél. A detektálás előtt a foton hullámfüggvénye az egész térrészben való előfordulást írja le, de a detektálás után már egyetlen pontra korlátozódik a foton pozíciója. Azt mondjuk ilyenkor, hogy a foton hullámtermészete megszűnik és a detektálás pillanatában már korpuszkulaként viselkedik. A hullámfüggvénynek ez a „redukciója” sok spekulációra adott már okot, sokan keresik azt a fizikai folyamatot, ami a foton, vagy az elektron állapotváltozását előidézte. Eddig a foton szempontjából vizsgáltuk a kérdést, de hasonló a történet az elektron oldaláról is, a detektáláskor az elektron állapotát leíró hullámfüggvény is „redukálódik” a kölcsönhatás bekövetkeztekor. Véleményem szerint azonban nincs egy rejtélyes fizikai folyamat sem a foton, sem az elektron hullámtermészetének megváltozása mögött, mert a változás az információban, az irány fogalmában történik, amikor a fiktívből reálissá válik. Detektáláskor ugyanis „látjuk”, hogy hová csapódott be a foton. Mégpedig azért látjuk, mert a fényérzékeny ernyőről rengeteg foton jut el hozzánk, ez valójában a „látás”. Tehát amikor a mérést kiértékeljük, akkor már nem csupán az egyetlen fotonról, amit megfigyelünk, kapjuk az információt, hanem a fotonok garmadájától. Ez a sok foton alakítja ki aztán „valós” irányképzetünket! Egyetlen fotontól nyert információról csak akkor beszélhetnénk, ha nem látnánk az egész berendezést, de akkor az egyetlen fotonról sem tudnánk semmit! Tehát ami megváltozik az nem a foton állapot redukciója, hanem az irányról alkotott fogalmunk.
Detektálhatjuk-e, hogy melyik résen halad át a foton?
Próbáljuk meglesni, hogy valóban egyidejűleg hatol-e át a foton a két résen, ezért helyezünk el egy-egy detektort mind a két rés mögött, de gondoskodjunk róla, hogy a detektorok után a foton változatlan elrendezésben érhesse el a fényérzékeny ernyőt. Azt fogjuk tapasztalni, hogy egyszerre csak az egyik detektor szólal meg. Ennek oka, hogy egyetlen foton mindig csak egyetlen elektronnal léphet kölcsönhatásba. Ebben az esetben viszont megszűnik az interferencia, azaz a fényérzékeny ernyőn egyenletes eloszlásban jelennek meg a felvillanások. Az interferencia elmaradásának oka, hogy a detektorból már megváltozott fázisú foton lép ki, és ez a fázis már véletlen módon összegződik a másik résen átjutó fotonéval.
LINK a folytatáshoz: A kvantumvilág rejtélyei 2.
Az alábbi linkre kattintva lehet eljutni a "Paradigmaváltás a fizikában" című bejegyzésre, ahonnan további bejegyzésekre történik utalás.
