Könyvbemutató

2023 március 11, Józsa Galéria

Miért kerül elő a miszticizmus kérdése a mikrovilág fizikájában?

A modern fizika eszköztára rengeteg információt nyújt számunkra a mikrovilág szerkezetéről és folyamatairól, de jelentős eredmények mellett jókora adósság halmozódott fel, mert nem történt meg a fogalmi rendszert hozzáigazítsa az új információkhoz. A könyv szemléletmódjában azt a kapcsolati láncot keresem, amelyik az elérhető információból indul ki, keresi az annak megfelelő fogalmi rendszert és végül eljut a kvantitatív megfogalmazáshoz a matematika eszköztárás felhasználva. Gondolkodásunk természetes módon ragaszkodik, ahhoz a fogalmakhoz, ami egyrészt a hétköznapok tapasztalatain alapul, másrészt a klasszikus fizika eredményei sugallnak. A problémát az okozza, hogy minden fogalomnak meg van a maguk érvényességi területe, és nincs arra garancia, hogy egy korábban jól bevált fogalom változtatás nélkül alkalmazható legyen egy új területen.

• És ez miért baj?

A helyes fogalmak nélkül nem igazán értjük a mikrovilág jelenségeit, és még kiváló fizikusok is hajlamosak arra, hogy elkalandozzanak más területekre, például kereshetik az élet eredetét, vagy az agy működésének rejtelmes folyamatait, amit valójában nem értenek, de mégis azzal próbálkoznak, hogy az egyik ismeretlen jelenséget visszavezessék egy másik kevéssé megértett okra. Így kerülnek elő olyan spekulációk, amely a kvantumvilág jelenségeire akarják visszavezetni az élet és az agy ismeretlen jelenségeit. Nem az a baj, hogy erre törekszenek, hanem az, ha ennyivel megelégszenek, és nem keresik meg a tényleges magyarázatot.

A modern fizika vadhajtásának tartom az egyre bonyolultabb, egyre összetettebb matematikai struktúrák hajszolását. Pedig a cél nem a matematika, a matematika eszköz, a matematika nyelv, amelyben a fizikai gondolatok kvantitatív formát öltenek. A törekvés, ami a könyv megírásához vezetett, hogy előbukkanjon a fizikai lényeg a matematikai formulák dzsungele mögül.

• Miért van egyáltalán szükség új fogalmi rendszerre a mikrovilágban?

A fő ok a megszerezhető információ eltérő jellegéből fakad! Nézzük ehhez a mozgási pálya fogalmát! Abból indulunk ki a klasszikus fizikában, hogy a mozgás során a hol és a mikor kérdésére pontos választ adhatunk anélkül, hogy ezzel megzavarnánk a test eredeti mozgását. Például a labda útját videóra vehetjük, vagy távcsövünkkel folytonosan nyomon követhetjük egy égitest útját.  Ez alkotja meg a pályafüggvényt, amiből bizonyos dolgokat meghatározhatunk, így a mozgási energiát, vagy az impulzust, valamint keringő, vagy forgó mozgások esetén a forgási impulzust, vagyis az impulzusnyomatékot. Ha ismerjük a testre ható erőt, akkor ezt hozzáadhatjuk a mozgási energiához és eljutunk a következtetéshez, hogy az energia megmarad. Hasonló megmaradási elvekhez juthatunk el az impulzussal és annak nyomatékával is. Azt mondhatjuk, hogy megtaláltuk a mozgás, a változás mögött az állandóságot kifejező fizikai mennyiségeket.

• De mi a helyzet a mikrovilágban, például hogyan mozog az elektron az atomban?

Erről információt csak akkor kapunk, amikor az elektron átugrik az egyik állapotból egy másikba és kibocsát egy fényjelet. Szemben a makrovilággal a nyerhető információ nem folytonos, azt mondhatjuk, hogy kvantumokban érkezik. De mit mondhatunk ezekről az állapotokról, amikor éppen nincs ugrás? Valójában semmit, ezt csak találgathatjuk! Tudjuk, hogy milyen a potenciálfüggvény és kiindulhatunk a megmaradási elvekből. Tudjuk, hogy az energia megmarad, de nem ismerjük a mozgási pályát, ezért megfordítjuk a logikai sorrendet és nem azt mondjuk, hogy az energia megmarad, hanem azt kérdezzük, hogy mi az, ami megmarad. Így válik a pályából korábban meghatározott energia kérdőjellé, amelynek matematikai megfelelője az operátor. Valójában a kvantummechanika alapegyenlete, a Schrödinger egyenlet, az energiamegmaradás kérdő mondata! A kérdésre azonban többféle válasz adható. Amikor mérést végzünk, akkor a lehetséges válaszok egyikét találjuk meg. Hasonló a helyzet, amikor kitöltünk egy totószelvényt. Az esélyeket latolgatva írhatunk 1, 2 vagy X-et a szelvényre, mert három lehetőség közül választhatunk. De amikor a bíró lefújja a meccset, csak egyetlen eredmény marad. Nem arról van tehát szó, amit a koppenhágai iskola állít, hogy a mérés miatt összeomlik az állapotfüggvény, csupán arról, hogy a feltett kérdésre már egyértelmű választ kaptunk. De mi az az állapotfüggvény, amiről beszél a kvantummechanika? Mivel az un. stacionárius mozgásállapotról nincs időbeli információnk, így az időt felváltja egy új dimenzió: a valószínűség, ami kifejezi a térbeli tartózkodási esélyeket. A kvantummechanikában ezért az időbeli egymásutániságot felváltja az egymásmellettiség elve.

További kérdés kapcsolódik az információ kvantált jellegéhez. Fogalmi rendszerünknek is a kvantáltsághoz kell kapcsolódni, sőt ezt kell tükrözni az alkalmazott matematikai formalizmusnak is. Ezért lett „kvantált” a kvantummechanika formalizmusa. Ide tartozik a modern fizika évszázados küzdelme is, amely a mikrovilág kvantumos elmélete alapján próbálja megírni a gravitáció kvantumelméletét is. Mindmáig sikertelenül. Miért? Ennek oka is az információ jellegében van: a gravitációról kizárólag folytonosan érkező tapasztalatokból értesülünk. A folytonos információhoz pedig folytonos elmélet dukál, ezt alkotta meg Einstein az általános relativitáselméletben.

• Milyen példákkal illusztrálja a könyv ezeket a kvantummechanikai elveket?

Itt most három példát emelnék ki. Az elsőt a kémia veti fel. Vegyünk egy síkszerkezetű molekulát, például a benzolt, amelyet hat egymáshoz szabályos hatszögben összekötött szénatom alkot, és mindegyikhez egy-egy hidrogénatom kötődik. Az elektronok egyik típusához, amit p pályának nevezünk, olyan valószínűség eloszlás tartozik, amiben a gyűrű alatt és felett egyforma a valószínűség, de nulla annak esélye, hogy az elektron a síkban lenne. Felmerül a kérdés, hogyan tud az elektron a sík alatti pozícióból átkerülni a felsőbe, ha közben nem lehet a gyűrű síkjában? Ez egy tipikus kérdés, amikor megszokott makroszkopikus fogalmainkat belevisszük a mikrofizikába. A stacionárius állapotban nincs időbeliségről szó, de gondolkodásunk a megszokott sablonokat követi. Miért beszélhetünk például a sík alatti és feletti pozíciókról? Amikor van erről információnk! Könnyű megkülönböztetni, hogy mi van az asztal alatt és felett, mert a gravitáció útbaigazít. De ha felrajzolunk egyetlen benzol molekulát, akkor nincs olyan információnk, ami különbséget tenne az alatt és a felett között, vagyis ez a fogalom értelmét veszti. Ha mégis ragaszkodunk hozzá, arra azt a választ kapjuk, hogy a két esély egyforma lesz.

• Mi a következő példa?

A másik példát vegyük az elektromosság területéről!  Nyomjuk meg a villanykapcsolót és a lámpa azonnal világítani kezd. Valójában ez is egy kvantummechanikai jelenség, amit a szakirodalom alagút effektusnak nevez. Miért? Ugyanis, a kapcsolóban az elektromos vezeték korrodeál, így létrejön egy szigetelő réteg a kapcsolóban, amit nem tudna átugrani az elektron a szokásos hálózati feszültség esetén. A klasszikus fizika időbelisége jelenik meg, amikor arra gondolunk, hogy olyan nagy a potenciál gát, amihez kevés az elektron mozgási energiája. A kvantummechanikai állapot viszont azt jelenti, hogy bizonyos valószínűséggel az elektron már eleve ott van a szigetelő réteg mindkét oldalán, és az elektron csupán az indító lökésre vár, hogy meginduljon. Az elektron tényleges mozgása a vezetékben lassú, órákat kellene várni, hogy megérkezzen a lámpához. A gyors megérkezés oka, hogy nem kell végigvándorolni az elektronoknak a hosszú utat, mert eleve olyan állapotban van az elektronrendszer, ahol az eloszlás a kapcsolótól a lámpáig ér, és csupán az indító lökésre van szükség, hogy a lámpa izzószálában is meginduljon az elektronáramlás.

Melyik a harmadik példa?

Harmadik példám egy alapvető kvantummechanikai problémához vezet, amit aktuálissá tesz, hogy a legutóbbi Nobel díj egyikét egy francia fizikus Alen Aspect kapta meg. Évszázados vita, amit hajdanán még Einstein indított el, aki két társával együtt nem nyugodott bele a kvantumvilág véletlen jellegébe és javasolta a kvantummechanika rejtett paraméterrel való kiegészítését, ami determinisztikussá teheti a véletlennek tartott folyamatokat is. Ez az EPR paradoxon. Különböző számítások azonban kimutatták, hogy ez a feltevés a kvantummechanikai számításokkal összeegyeztethetetlen eredményre vezet. Itt jön a képbe Aspect kísérlete, aki egyszerre két fotont indított útjára, és a kiindulási helyzethez képest egyenlő távolságban mérte a fotonok un. polarizációját és erős korrelációt kapott a két mérés között, szemben a kvantummechanikai várakozással, mely szerint nem lehetne ilyen determinisztikus kapcsolat a két eredmény között. Ez szülte meg az összefonódott kvantumállapot fogalmát, mely szerint a két foton szétválás után sem engedte el egymás kezét, és amikor az egyik foton belekényszerül az egyik polarizációs állapotba, az késlekedés nélkül átviszi a másik fotont az ellentétes polarizációba. Ez hozta be a kvantummechanikába a teleportálás ötletét: hozzunk létre valamit a közelünkben és akkor annak pandantja majd tőlünk távol is megjelenik. Bár ez az ötlet nagyon divatos lett, amit a Nobel díj odaítélése is mutat, szerintem tévedésen alapul az egész: a kvantummechanikai véletlen elv addig érvényes, amíg kizárólag csak kvantum információval rendelkezünk. Két dogot kell ugyanis figyelembe venni, az egyik egy megmaradási elv, ami a polarizációra vonatkozik. Amikor két foton létrejön, akkor a két polarizációs irány ellentétes. Valójában nem tudjuk, hogy konkrétan milyenek ezek az irányok, de az biztos, hogy ellentétesek, ha egyenlő távolságban végezzük a mérést a kibocsátási helyhez képest. A másik tényező a szerezhető kvantum információ kiegészülése makroszkopikus információval. Ez a külső információ onnan származik, hogy a mért polarizációs irány a műszer által kijelölt irányra vonatkozik, viszont a két műszer iránya egymáshoz képest nem véletlenszerű, hanem azonosnak választott, ennek beállítása pedig már makroszkopikus megfigyelésen alapul.  Ezzel kilépünk a kvantummechanikai véletlen világából a makrovilág determinisztikus felfogása felé, és érthetővé válik a két foton polarizációja között megfigyelt kapcsolat. A könyvben ilyen és ehhez hasonló jelenségeket sorolok fel

• A könyv alcíme a harmadik kvantálás, mit kell ezen érteni?

A könyv a gondolkodás különböző fázisait követi a fizikán belül. Amikor az egységes világ megértésére törekszünk, először részeire kell bontani. Egymástól elválasztott fogalmakat alkotunk meg. Képzeljünk magunk elő fogalmi dobozokat, ilyen doboz a tér, ilyen az idő, de ilyen a fizikai objektumok fogalma is. Amikor mozgásról beszélünk, akkor ezeket a dobozokat vesszük elő. A könyv általam írt része négy nagy fejezetből áll. Kezdődik a kvantumfelfogás előtti klasszikus fizikai törvényekkel. Ebben a mozgásokat az említett három doboz segítségével írjuk le. A relativitáselmélet már összeköti a teret és az időt, amihez egy kulcsot használ, ez a kulcs a fénysebesség állandóságának elve.

Ezt követi az első kvantálás. Ehhez szükségünk van új dobozokra, az egyik az idő helyére kerül, ez a valószínűség, amiről már beszéltem, a fizikai objektumok dobozában megjelenik az elemi részecskék világa is, de ennek két rekesze van, az egyikben vannak amelyek kölcsönhatnak, például az elektronok, a másik rekesz tartalmazza a kölcsönhatást megvalósítóit, például a fotonokat . Az első kvantáláson a már említett Schrödinger egyenletet értjük. Ebben még külön-külön szerepel a tér és idő doboza és a részecskéké, de már a valószínűség doboza váltja fel az időét. Az első kvantálásnak is van relativisztikus változata, ez a Dirac egyenlet. Ebben már a négydimenziós téridőben fogalmazzuk meg a mozgásegyenleteket, amely használja a valószínűség dimenzióját is. A könyv harmadik fejezete a második kvantálás már összenyitja a részecskék két dobozát, összekapcsolja az elektronokat és a fotonokat, itt a kulcs az oszcillátorok fogalma, amely egylényegűvé teszi a két részecske típust, amelyek kölcsönösen átalakulnak egymásba. Ezt az elméletet nevezzük kvantum elektrodinamikának, illetve mező elméleteknek. A könyv utolsó, negyedik fejezete további összenyitást hoz létre, ebben már nem különül el a téridő és a részecskék világa, hanem egy nagyobb egységet alkot. Ennek kulcsa pedig a fénysebességű forgások elve. Ez a fejezet már lényegesen túlmutat a jelenleg elfogadott fizikai világképen. A harmadik kvantálás az a módszer, amelyben egységes keretek között érthető meg valamennyi elemi objektum szerkezete és viselkedése.

        Merre tovább?

Amikor a könyv megírásához kezdtem, úgy gondoltam, hogy ez lesz az utolsó ecsetvonás, amivel a végére jutok a fizikai elvek felgombolyításának. De teljesen váratlanul felötlött bennem a gondolat, vajon a harmadik kvantálásban kifejtett elvek nem vihetnek tovább a mikrovilágból az univerzum egészének nagy kéréseihez is? Kiderült, hogy igen! És ezáltal forradalmilag új kozmológiához juthatunk, ezért megfogalmazódott bennem az igény, hogy szükség lenne egy új könyv megírására is. Talán még lesz rá időm!