Mi a valóság?

Érzékszerveinken keresztül vezet az út a valóság megismerése felé, de mi is a valóság? Csak az a valóság, amivel közvetlenül, vagy műszereink által kapcsolatba kerülhetünk? Valóságnak tekinthetjük-e az olyan fogalmakat is, amelyekkel megalkotjuk a fizika törvényeit? Valóság-e a görbült téridő, valóság-e az elektromos, mágneses vagy gravitációs mező, valóságosak-e az elektromágneses kölcsönhatást közvetítő, de közvetlenül nem látható virtuális fotonok? A kérdés megválaszolása túlmutat a fizikán, ezért csak a megismerési folyamat olyan buktatóira irányítom a figyelmet, amely akkor lép fel, amikor a megismerés eszközét hasonlítjuk össze a megismerés tárgyával.

Mi a fény?

A világról kapott legtöbb információt a látáson keresztül szerezzük. Sötétben nem látunk, a látáshoz fény kell. Ezt szolgáltatja nekünk nappal a nap, éjjel a tűz világa, vagy modern korunkban az elektromos égők. De mi a fény, a látás eszköze, ez a megfoghatatlan titokzatos elem, amelynek oly sokat köszönhetünk? Ha feltesszük a kérdést, akkor a megismerés eszközére már a megismerés tárgyaként gondolunk. Az eszköz tárgyként való vizsgálata a megismerés módjának átalakítását teszi szükségessé, de erről gyakran megfeledkezünk, és emiatt könnyen paradoxonok útvesztőjébe kerülünk. Ennek oka, hogy minden más tárgyról a fény szállítja számunkra az információt, de mi ad számunkra információt magáról a fényről? A fény által látjuk, hogy milyen az alakja és a színe a tárgyaknak, és a szemünkbe jutó információt elképesztő sebességgel dolgozza fel agyunk, létrehozva a tárgyak képeit, sőt a mozgásokat is követhetjük a képek változását összekötve. Nyomon követhetjük a labda mozgását, vagy láthatjuk, ahogy a víz hullámokat vet tavakban és tengerekben. A folytonosan áradó fénytől kapott információk alapján alkotjuk meg a röpülő labda fogalmát, és ezt a fogalmat visszük át a mikrovilágba, amikor részecskékről beszélünk; ugyanakkor a víz hullámai jelennek meg képzeletünkben, amikor a mikrovilág objektumait hullámoknak fogjuk fel.

Látjuk-e a fényt, látásunk eszközét?

A nagy paradoxon, hogy a fény által látunk, ez érkezik meg közvetlenül szemünkbe, vagy regisztráljuk valamilyen mérőműszerrel, vagy egy video felvevővel, de magának a fénynek útját nem tudjuk követni. Láthatjuk, hogy honnan indul el a fény, láthatjuk a tárgyakat, ahová eljut, de arra hogy mi történik közben, csak következtethetünk. Emiatt gondolkozásunknak más utat kell választani, hiszen a fény által közvetített képekből kell visszakövetkeztetni, magára a hírhozóra. Itt arra támaszkodhatunk, hogy a kép nem csak attól a tárgytól függ, amiről készült, hanem a kép minőségét a hírhozó tulajdonságai is befolyásolják. Fogalomalkotásunk a fény által megismert tárgyak tulajdonságaiból indul ki, amit aztán ráaggasztunk a fényre is, hiszen mi mást is tehetnénk? Ilyen ráaggasztott tulajdonság, amikor a fényről, illetve annak elemeiről, a fotonokról, részben mint részecskéről (korpuszkula), részben mint hullámról beszélünk.

Hogyan alakul át a mozgási pálya fogalma a mikrovilágban?

Szokásos világunkban milyennek ismerjük például a golyót? Látjuk alakját és ezt gömbnek nevezzük, és látjuk pozícióját is, melynek mozgását folytonosan követhetjük. A folytonosság fogalma pedig onnan származik, hogy elvben tetszőleges sűrűséggel érkeznek a mozgó objektumokról fotonok. A golyónak ezt a képét vetítjük rá a mikrovilág objektumaira, az atomokra és annak összetevőire. az atommagra és az elektronokra is. Ennek alapján képzeljük el a részecskéket miniatűr golyónak, más szóval korpuszkulának, és beszélünk annak pozíciójáról, valamint pályájáról is. Az elektron pályáját akár láthatóvá is tehetjük, ha a gyorsítóból kilépve áthalad az emulzión, vagy ködkamrán, de ilyenkor valójában nem az elektront látjuk, csak a pálya nyomát, amerre elhalad, és ahol az emulzió egyes molekuláit, vagy a gőz cseppjeit átalakítja. A pályafogalom használata mégis indokolt, mert az elektron nyomának tényleges megfigyelésén alapul. Más a helyzet viszont, ha az atom, vagy molekula elektronjainak stacionárius pályájáról beszélünk. Ezek „néma” pályák, csak akkor jeleznek, ha épp ugrás történik két pálya között. Tehát maguk a pályák nem láthatók, és így a pálya fogalmát is át kell értelmezni az elektron „útjának” követhetetlensége miatt. A szokásos pálya fogalma azon alapul, hogy láthatjuk a mozgás egymást követő pozícióit, az atomokban és molekulákban viszont az információ nem folytonosan érkezik, csak egyszeri jelzést kapunk az ugrásról. Helyesebb ezért az elektron pályája helyett, annak állapotáról beszélni, amely már nem a pillanatnyi pozíciók időbeli egymásutániságát veszi sorra, hanem az egyes pozíciók valószínűségéről beszél, vagyis az elektron térben elfoglalt lehetséges pozícióit, azaz az eloszlást adja meg. Ennek értelmében az egymásutániság időbeli rendjéről áttérünk a valószínűség egymásmellettiségi rendjére. Ezt a valószínűségi eloszlást nyújtja át nekünk a kvantummechanika az állapotfüggvény segítségével. A valószínűség belépése az elektronok mozgásának leírásába ezért nem az alkalmazott matematikai eljárás következménye, pláne hiányossága, hanem ellenkezőleg, annak sikere, hogy megtaláltuk az adekvát matematikai eljárást, amely képes számunkra megadni a ténylegesen elérhető valószínűségi információt. Ez úgy valósul meg, hogy a mozgásokat jellemző fizikai mennyiségeket – úgymint az energiát, impulzust és kötött mozgásokban az impulzusnyomatékot – többé nem a térbeli pozíció és az idő közötti egyértékű függvénykapcsolattal definiáljuk, hanem matematikai operátorokat rendelünk a felsorolt fizikai mennyiségekhez. Nevezetesen az energia esetén az idő szerinti, az impulzus esetén a térkoordináták szerinti, az impulzusnyomaték esetén az irány szerinti differenciálhányados mutatja meg nekünk azokat az állapotokat (sajátfüggvényeket), amelyben a szóban forgó fizikai mennyiségek állandók maradnak. Voltaképpen ezt fogalmazza meg a Noether elv is, amikor az energiát az idő kezdőpontjától, az impulzust az origó választásától független mennyiségként értelmezi.

Determinizmus és valószínűség a mikrovilágban

A determinisztikus elvet valló szokásos gondolkozás azonban berzenkedik a mikrofolyamatok valószínűségi leírása ellen, mondván, ha nem is követhetjük az elektron mozgását stacionárius állapotokban, a részecske attól még bejárja a pályát, és a valószínűség nem más, mint az a gyakoriság, amivel az elektron az egyes pozíciókon áthalad. Ez a gondolkozás onnan származik, hogy nem tudunk megszabadulni a klasszikus pályafogalomtól, amelynek forrása, hogy a tárgyak útját követni tudjuk a folytonosan érkező fotonok által nyújtott információ révén. Ha viszont folytonosan érkező információ nem áll rendelkezésre, hanem csak az ugrást észlelhetjük két állapot között, akkor ehhez a korlátozott és egyszeri információhoz kell hozzáigazítani fogalmainkat is, azaz ki kell lépni a szokásos gondolkozás kereteiből. Ennek alapja, hogy az egymásmellettiség logikája nem vezethető le az egymásutániság logikai szabályaiból. Az ilyen logika elsajátítása azonban nem könnyű feladat, példa rá a kvantummechanika értelmezéséről szóló viták hosszú története! Ha viszont igazán érteni akarjuk a mikrovilág jelenségeit, meg kell birkózni fogalmaink átalakításával is.

A fotonok valószínűségi világa

Ezt a fogalmi átalakítást kell elvégezni a fényt alkotó fotonoknál is.  Itt is abból indulunk ki, hogy az elektron állapotai között végbemenő ugrások foton kibocsátással, vagy elnyeléssel járnak, majd ebből vonunk le következtetéseket a foton tulajdonságairól. A foton közvetíti az elektronok közötti „párbeszédet”. Az egyik elektron valahol, akár egy villanyégőben, akár a Napban, vagy valahol egy távoli csillagban, megváltoztatja pályáját kibocsátva egy fotont, és ez később – talán a másodperc parányi töredéke, vagy évmilliárdok után – megérkezik szemünkbe, ahol megváltoztatja egy másik elektron állapotát. A folyamathoz idő kell, melynek tartama a két elektron távolságától függ. Ennek mérésével állapíthatjuk meg, hogy mekkora sebességgel terjed a fény. Arról azonban nincs információnk, hogy a foton útja közben mit csinál, és így csak találgatásokra szorítkozhatunk, amely valószínűségi leírást tesz szükségessé. Ha már megérkezett szemünkbe, vagy valamilyen műszerbe a foton, akkor úgy gondolhatunk rá mint részecskére, mert ismerjük a megérkezés pontos helyét. De a megérkezés előtt csak azt a kérdést tehetjük fel, hogy egy adott helyen mekkora valószínűséggel léphet kölcsönhatásba a foton, ha van ott egy elektromos töltés. Ennek elméletét a klasszikus elektrodinamika az elektromos és a mágneses mező fogalmával adja meg. A mező azt jelenti, hogy ha a tér valamelyik pontján egységnyi elektromos töltés, vagy áram van, akkor arra mekkora erő fog hatni. A klasszikus elektrodinamika egyenleteit a négy Maxwell egyenlet adja meg kiegészítve a Lorentz erővel, amely a mágneses mező és az elektromos áram közötti kölcsönhatást adja meg. A Maxwell egyenletek szerint vákuumban is létezhet időben és térben periodikusan változó elektromágneses mező, ez pedig nem más, mint a fény. Igen ám, de a vákuumban nincs töltés, ezért a mezőt ott nem tekinthetjük mérhető fizikai mennyiségnek! Beszélhetünk azonban a kölcsönhatás lehetőségéről, de ezzel kilépünk a megfigyelhető világból a gondolkodás absztrakt mezejére. Ebben a világban már nem az oksági törvények uralkodnak, megmondva, hogyan mozog a foton, hanem a matematikai valószínűség logikai szabályai. Ezen a valószínűségi elven alapul a foton hullámmodellje is.

Valószínűségi hullámok

A fény saját természetéről árulkodik, amikor látszólag megtörik a vízből kilógó rúd, amikor a mikroszkópban nagyra nő a tárgyak képe, vagy a távcső közel hozza hozzánk a csillagokat. A jelenségek egy részét a korpuszkula modellel is tudjuk értelmezni, ahogy ezt hajdan Newton is tette, de az interferencia már csak a hullámmodellel értelmezhető. A hullámmodell megalkotója Huygens volt, aki gömbhullámok terjedésével sikeresen értelmezte az interferenciát a többi optikai jelenséggel együtt. Evvel a jelenséggel akkor találkozunk, ha szétválasztjuk a monokromatikus fényt nyalábokra, amelyek később újra találkoznak, de közben eltérő hosszúságú utat tesznek meg. Ha az útkülönbség a hullámhossz egész számú többszöröse, akkor a hullámok összeadódnak, ha ellentétes fázisban találkoznak, kioltják egymást. Így hozhatunk létre periodikusan változó világos és sötét foltokat a filmen. A periodikus szerkezet azt mutatja, hogy egyes helyeken összeadódik a fény kölcsönhatási képessége az elektromos mezők összeadódása miatt, másutt az ellentétes mezők kioltják egymást, ezért ott a fény elveszíti kölcsönhatási képességét. Az emulzió periodikus foltszerkezetét viszont nem az okozza, hogy bizonyos helyekre kevesebb, máshova több foton jutott, ugyanis a foton bárhol lehet a kibocsátást követő t idő után a c·t sugarú gömbön belül, és ennek valószínűsége azonos a teljes elérhető tartományban. Evvel szemben viszont a foton esélye, hogy kölcsönhatásba léphessen egy elektronnal, más és más lesz a tér egyes helyein, és változni fog időben is. A kölcsönhatási képesség, ahogy már említettük, valószínűségi fogalom, amely nem a már létrejött effektust írja le, csupán annak lehetőségét veszi számba. Ez magyarázza, hogy amikor gondolatban egyesével küldjük útjára a fotonokat a két-réses kísérletben, azok önmagukkal is képesek interferenciát létrehozni, azaz egyes helyeken több, másutt kisebb lesz az esély, hogy az elektronokkal reakcióba lépjenek. Ennek felel meg, hogy minden egyes fotonhoz térben és időben periodikusan változó valószínűségi hullámot rendelhetünk, és ezt a valószínűséget építi fel az elektromágneses mező az elektrodinamikában. Analógiáról beszélhetünk a stacionárius állapotú elektron és a foton között, az előbbinél az állapotfüggvény abszolút érték négyzete adja meg a valószínűséget, a foton esetén viszont ezt a szerepet a mezőerősségek négyzete játssza el. Az elektronállapot és a foton mozgás különbsége viszont abban jelentkezik, hogy a stacionárius állapot időtől független valószínűségi eloszlás, szemben a foton térben és időben periodikus valószínűségi hullámával.

Mi a hullám?

De hát honnan is származik a hullámról alkotott fogalmunk? Legfőként a víz hullámai jelennek meg előttünk, melyet a víz molekuláinak rendezett mozgása hoz létre. Ezért a hullám fogalma összekapcsolódik a közeg fogalmával, amelyben számtalan apró elem együtt mozog. Ettől a képtől a klasszikus fizika nem tudott megszabadulni, maga Maxwell is valamilyen viszkózus közeget képzelt el, amely hordozza az elektromos és a mágneses mezőt. Előkerült az éter fogalma is mint a kölcsönhatások hordozója. Erre azonban nincs szükség, ha elfogadjuk, hogy a fotonok kölcsönhatási képessége a valószínűség gondolati szférájához tartozik, ehhez pedig nem kell feltételezni semmilyen közeget. A paradoxonok egyike, hogy a foton térben kiterjedt hullám, amely valahol a tér egy adott pontjában megváltoztatja egy elektron állapotát és elnyelődik, de hogyan tűnhet el az egész hullám egyszerre mindenütt? A válasz a jövő és a múlt viszonyára vezethető vissza. A kölcsönhatás előtt a foton jövőjére teszünk feltevéseket, hogy mi történhet vele a tér egy véges tartományában, ahová bizonyos idő alatt eljuthatott. Ez a tartomány lehet óriási is, ha például egy csillagból érkező fénysugárról van szó! Ha viszont már megtörtént a kölcsönhatás, a foton sorsa beteljesedett, már a múlt részévé vált az esemény. Ez pedig már egy adott helyen történt, nincs többé helye találgatásnak, mint korábban, amikor elképzelésünk szerint a foton hullámként egy véges tartományban mindenütt lehetett. Hangsúlyozni kell: lehetett, nem pedig volt! Óriási különbség! A reakció során nem a hullámfüggvény omlott össze, amiről a koppenhágai iskola beszél, hanem átléptük a határt, ahol már egyértelmű múlttá vált a jövő sokértékűsége. A foton részecske természete így a lezárt múlthoz, a már bekövetkezett eseményhez kapcsolódik, a hullámtermészet viszont még a jövő várakozásait írja le. Evvel tudjuk feloldani a foton hullám és részecske természete közötti paradoxont.

A mikrovilág egységes hullámelmélete

De Broglie felfedezése óta tudjuk, hogy nem csak a foton, hanem valamennyi objektum a mikrovilágban egyaránt rendelkezik hullám és részecske természettel. Erre példa, amikor elektronsugarak között hozunk létre interferenciát. Az egyenletes sebességgel haladó elektronok nem bocsátanak ki fotonokat, azaz nem láthatók a kölcsönhatás előtt, pozíciójukról információt csak a detektálás után kapunk. Mozgásukról szerezhető információ így a fotonokéval egyezik meg, amiért a hullámmodell rájuk ugyanúgy alkalmazható. Itt a hullámok hossza az impulzusukból származtatható, melynek aránya a kétféle pályán mozgó elektronok útkülönbségéhez viszonyítva határozza meg az interferenciaképet, amelyben periodikus maximumok és minimumok jönnek létre.

A mikrovilág egységét azáltal tudjuk megragadni, hogy megalkotjuk a fotonok és elektronok – persze a többi elemi objektum számára is – a közös fogalmi rendszert. Ennek nagyszerű példája a kvantumelektrodinamika mezőelmélete, amely átlépi a határt a kölcsönhatás tárgya és eszköze között azonos formalizmust (oszcillátorokat) alkalmazva az elektronok és fotonok számára, bevezeti továbbá a virtuális fotonok rendszerét. A virtuális – tehát közvetlenül nem észlelhető – fotonok építik fel az elektromágneses mezőt, és általuk lép fel a térben nem érintkező töltések között erőhatás. Ez a felfogás kibővíti azt a képet, amikor a foton két elektron állapotváltozását közvetíti, és magyarázza azt is, hogy miért lép fel vonzás, vagy taszítás két töltés között stacionárius állapotban. Ezek a különleges fotonok állandóan képződnek és elnyelődnek, sőt virtuálisan létrehoznak részecske-antirészecske párokat is, amely apró remegésben tartja az erőmezőket. Ez a felfogás képes bámulatos pontossággal leírni a mágneses jelenségeket. Az elmélet tehát működik, de felmerül a kérdés: szabad-e a virtuális fotonokat is a valóság részének tekinteni? Ez viszont már túlmutat a fizika hatókörén. A fizika a gondolkozás, a megismerés fontos eszköze, de épp a legalapvetőbb fogalmak meghatározása már nem feladata.

A blog további írásai elérhetők: "Paradigmaváltás a fizikában"