A kvantumvilág – és benne rejlő bizonytalanság – dacol azzal, hogy szavakkal leírjuk.

“Az ég tudja, milyen ostobaságnak tűnő dolog nem lesz holnap bizonyított igazság.” 

A nagy matematikus és filozófus, Alfred North Whitehead így fejezte ki csalódottságát a feltörekvő kvantumfizikából származó furcsaságok miatt. Ezt 1925-ben írta, amikor a dolgok kezdenek igazán furcsa lenni. Abban az időben  kimutatták, hogy a fény részecskék és hullámok is , és Niels Bohr bemutatta  az atom furcsa modelljét  , amely megmutatta, hogyan ragadtak meg az elektronok a pályájukon. Csak úgy tudtak egyik pályáról a másikra ugrani, hogy fotonokat bocsátanak ki, hogy alacsonyabb pályára álljanak, vagy elnyeljék őket, hogy magasabb pályára lépjenek. A fotonok a maguk részéről olyan fényrészecskék voltak, amelyekről Einstein 1905-ben sejtette, hogy léteznek. Az elektronok és a fény nagyon egyedi dallamra táncoltak. 

Amikor Whitehead beszélt, a fény hullám-részecske kettőssége  éppen az anyagra terjesztette ki . Amikor megpróbálta megérteni Bohr atomját, Louis De Broglie 1924-ben azt javasolta, hogy az elektronok is hullámok és részecskék, és úgy illeszkedjenek atomi pályájukhoz, mint az állóhullámok – ez a fajta, amelyet egy rögzített húr rezgésével érhetünk el. Minden hullámzik tehát, bár a tárgyak hullámossága a méret növekedésével gyorsan kevésbé láthatóvá válik. Az elektronok számára ez a hullámosság döntő jelentőségű. Sokkal kevésbé fontos, mondjuk egy baseballnál.

Kvantum felszabadulás

A kvantumelmélet két alapvető aspektusa merül fel ebből a vitából, és ezek gyökeresen eltérnek a hagyományos klasszikus érveléstől. 

Először is, azok a képek, amelyeket elménkben építünk fel, amikor megpróbáljuk elképzelni a fényt vagy az anyagrészecskéket, nem megfelelőek. Maga a nyelv küzd a kvantumvalósággal való megszólításért, mivel ezeknek a mentális képeknek a verbalizálására korlátozódik. Ahogy a nagy német fizikus  , Werner Heisenberg írta : „Szeretnénk valamilyen módon az atomok szerkezetéről beszélni, nem csak a „tényekről”… De az atomokról nem beszélhetünk hétköznapi nyelven. 

Másodszor, a megfigyelő már nem passzív szereplője a természeti jelenségek leírásának. Ha a fény és az anyag részecskeként vagy hullámként viselkedik attól függően, hogy a kísérletet hogyan állítjuk be, akkor nem tudjuk elválasztani a megfigyelőt a megfigyelttől. 

A kvantum világában a megfigyelő döntő szerepet játszik a megfigyelt fizikai természetének meghatározásában. A megfigyelőtől függetlenül létező objektív valóság fogalma – ami a klasszikus fizikában, sőt a relativitáselméletben is adott – elveszett. Ez bizonyos mértékig vitatott; a világ odakint, legalábbis a nagyon kicsik birodalmán belül, olyan, amilyennek mi választjuk. Richard Feynman mondta a legjobban :

„A nagyon kis léptékű dolgok úgy viselkednek, mintha semmi közvetlen tapasztalatod nem lenne. Nem úgy viselkednek, mint a hullámok, nem úgy viselkednek, mint a részecskék, nem úgy viselkednek, mint a felhők, vagy biliárdgolyók, vagy rugók nehezéke, vagy bármi, amit valaha is láttál.”

Tekintettel a kvantumvilág bizarr természetére, csak radikálisan új megközelítésekkel lehet előrelépést elérni. Az 1920-as években két év leforgása alatt egy vadonatúj kvantumelméletet találtak ki. Ez a kvantummechanika volt, amely le tudta írni az atomok viselkedését és átmeneteiket anélkül, hogy olyan klasszikus képeket idézne elő, mint a biliárdgolyók és a miniatűr naprendszerek. 1925-ben Heisenberg megalkotta figyelemre méltó „mátrixmechanikáját”, a fizikai jelenségek leírásának teljesen új módját. 

Heisenberg konstrukciója ragyogó felszabadulás volt a klasszikus ihletésű képalkotás korlátai alól. Nem tartalmazott részecskéket vagy pályákat, csak az atomok elektronátmeneteit leíró számokat. Sajnos köztudottan nehéz volt kiszámítani – még a legegyszerűbb atom, a hidrogén esetében is. Lépjen be egy másik zseniális fiatal fizikus. (Azokban a napokban rengetegen voltak, mind a 20-as éveikben jártak, és Bohr gyámsága alatt.) Az osztrák Wolfgang Pauli megmutatta, hogyan lehet a mátrixmechanikával ugyanazokat az eredményeket elérni, mint a hidrogénatom Bohr-modelljével. Más szóval, a kvantumvilág olyan leírási módot követelt, amely teljesen idegen mindennapi intuíciónktól.

Az egyetlen bizonyosság a bizonytalanság

1927-ben Heisenberg követte új mechanikáját, és mélyreható áttörést hajtott végre a kvantumfizika természetében, tovább távolítva azt a klasszikus fizikától. Ez a híres  bizonytalansági elv . Azt állítja, hogy nem tudhatjuk meg tetszőleges pontossággal bizonyos fizikai változópárok (például a helyzet és a sebesség, vagy jobb esetben a lendület) értékét. Ha megpróbáljuk javítani a kettő közül az egyik mérését, a másik pontatlanabb lesz. Ne feledje, hogy ez a korlátozás nem a megfigyelésnek köszönhető, ahogy néha mondják. Heisenberg, aki megpróbált képet alkotni a bizonytalansági elv matematikájának magyarázatára, azt állította, hogy ha mondjuk fényt világítunk egy tárgyba, hogy lássuk, hol van, akkor maga a fény eltaszítja azt, és pontatlan lesz a helyzete. Vagyis a megfigyelés aktusa zavarja a megfigyelteket. 

Bár ez igaz, nem ez a kvantumbizonytalanság eredete. A bizonytalanság beépül a kvantumrendszerek természetébe, a megfoghatatlan hullám-részecske kettősség kifejezése. Minél kisebb az objektum – vagyis minél lokalizáltabb a térben –, annál nagyobb a lendületének bizonytalansága. 

Itt is az a kérdés, hogy szavakkal magyarázzuk meg azt a viselkedést, amelyhez nincs megérzésünk. A matematika azonban nagyon világos és hatékony. A nagyon kicsik világában minden homályos. Nem tulajdoníthatunk alakzatokat az adott világban lévő tárgyaknak, ahogy azt megszoktuk a körülöttünk lévő világért. Ezen objektumok fizikai mennyiségeinek értékei – olyan értékek, mint a helyzet, az impulzus vagy az energia – nem ismerhetők meg a Heisenberg-reláció által megszabott szinten. 

A megismerhetőség, amelyet itt a valamiről való abszolút tudás lehetőségeként értünk, a kvantumvilágban gyengébb, mint az absztrakció. Lehetetlenné válik. Az érdeklődők számára a Heisenberg-féle kifejezés az objektum helyzetére és impulzusára: ∆x ∆p ≥ h/4π, ahol ∆x és ∆p az   x pozíció és a p impulzus  szórása , h pedig Planck-állandó . Ha megpróbálja csökkenteni a ∆x-et, azaz  növeli  tudását arról, hogy hol van az objektum a térben, akkor  csökkenti  a lendületére vonatkozó ismereteit. (A fényhez képest lassan mozgó objektumokban az impulzus csak mv, a tömeg szorzata a sebesség.) 

A kvantumbizonytalanság megsemmisítő csapást mért azoknak, akik azt hitték, hogy a tudomány determinisztikusan képes leírni a világot: az A cselekvés B reakciót vált ki. Planck, Einstein és de Broglie hitetlenk voltak. Így volt ezzel Schrödinger is, a kvantumfizika hullámleírásának hőse, amellyel a következő héten foglalkozunk. Lehet, hogy a természet ilyen abszurd? Végül is Heisenberg relációja azt üzente a világnak, hogy még ha végtelen pontossággal ismerné is egy tárgy kezdeti helyzetét és lendületét, akkor sem tudná megjósolni jövőbeli viselkedését. A determinizmust, a mechanika, a csillagok körül keringő bolygók, a földre előreláthatóan leeső tárgyak, a térben terjedő és a felületekről visszaverődő fényhullámok klasszikus világképének sarokkövét, a valóság valószínűségi leírása helyett fel kellett hagyni. 

Itt kezdődik az igazi szórakozás. Ez az, amikor az olyan óriások világnézete, mint Einstein és Bohr, ütközik a bizonytalanság által a valóság természetét érintő új fogás közepette. Körülbelül egy évszázaddal ezelőtt a világ, vagy legalábbis a mi felfogásunk, egészen mássá vált. És a kvantumforradalom még csak most kezdődött.

Írta: Marcelo Gleiser