„Nemsokára ezt is meg lehet adóztatni” – Csanád Máté a kvantumelméletről

Nyitókép: a Relativisztikus Nehézion-ütköztető (RHIC) STAR kísérlete, az egy atommagütközésben rekonstruált részecskepályákkal

Csanád Máté (1980) az ELTE Atomfizikai Tanszékének habilitált egyetemi docense, nagyenergiás mag- és részecskefizikával foglalkozik. Kutatóéveit többek között a CERN-ben (Európai Nukleáris Kutatási Szervezet, a Nagy Hadronütköztető „otthona”), illetve a Stony Brook Egyetemen és a Brookhaveni Nemzeti Laboratóriumban töltötte. Az RHIC gyorsító STAR és PHENIX kísérleteinél a magyar csoportok vezetője. Az ELTE-n többek között atom-, kvantum- és részecskefizikai tárgyakat oktat.

Csanád Máté

***

Mi a kvantumelmélet lényege? Miért rengette meg és rengeti meg máig a tudományos világot?

A kvantumelmélet lényegét nehéz röviden összefoglalni, annyi minden másképp van benne, mint ahogy azt a születésünktől kezdve (vagy talán már az előtt is) a klasszikus fizikán edzett agyunk elképzeli. A legfontosabb talán az, hogy el kell búcsúzni a „tömegpont” vagy „pontrészecske” fogalmától, illetve attól, hogy a fizikai objektumoknak (mondjuk részecskéknek) mindenféle, jól meghatározott fizikai tulajdonságaik vannak (hely, lendület, energia, perdület, stb).

Ehelyett ezen mennyiségek tekintetében léteznek úgynevezett „sajátállapotok”, amelyekben az adott mennyiség jól meghatározott – de általánosságban sokféle ilyen állapot egyfajta keverékében (összegében, szuperpozíciójában) van az adott fizikai objektum (például részecske). Bizonyos mennyiségeknek (mint a hely és a lendület) ráadásul nem is esik egybe a „sajátállapota”, azaz mindkettő egyszerre nem lehet tökéletesen meghatározott.

Ezt többnyire úgy lehet értelmezni, hogy az adott kérdésre („Mennyi az adott objektum adott irányú lendülete?”) valamilyen valószínűségi eloszlás a válasz. Hogy az ilyen

Fontos ugyanakkor látni, hogy a kvantumfizika értelmezése máig kutatások tárgyát képezi, sokan próbálnak a dolog mélyére ásni (magam nem ezzel foglalkozom; Magyarországon Diósi Lajos nevét érdemes említeni, vagy például a kvantumtechnológiai lehetőségeket kutató ELTE-s, BME-s és Wigneres kutatócsoportok tagjait).

A makrovilág (hétköznapi, tárgyi valóság) fizikai törvényei mintha ellentmondanának a mikrovilág (atomi valóság) fizikai törvényeinek. Mivel a makrovilág a mikrovilágra épül, ez azt is jelenti, hogy nem beszélhetünk objektív valóságról?

Hm, ez a kérdés túl messzire megy: nem mondanám, hogy ellentmondás van, hiszen nincs olyan kísérlet, aminek ne lenne működő magyarázata, nincs olyan mérés, amelyre ne tudtak volna az egyenletek helyes jóslatot tenni; és természetesen matematikai ellentmondás sincs (ha lenne, akkor bármilyen téves állítást is be lehetne bizonyítani). Az, hogy van-e objektív valóság, inkább filozófiai kérdés, és mivel én nem vagyok filozófus, nem ismerem a legfrissebb kutatási trendeket, nem is tudnék erre kimerítően válaszolni – ebben a témában tudomásom szerint manapság például E. Szabó László vagy Rédei Miklós végeznek tudományfilozófiai kutatásokat.

Ugyanakkor értem a „konyhanyelven” feltett kérdés mögötti problémát: ha egy részecske nem rendelkezik konkrét hellyel vagy lendülettel, akkor az olyan, mint ha a részecske helye vagy lendülete nem lenne az objektív valóság része. Ez akár tekinthető így is, helyette a részecskét a kvantumfizikában leíró jellemző, a hullámfüggvény az, amivel a „valóságot” jellemezzük. De a probléma mélyebb, ahogy a klasszikus einsteini kérdés is mutatja:

– de erre válaszolni nem a fizikusok feladata (legalábbis nem ez az elsődleges feladatunk).

A Relativisztikus Nehézion-ütköztető (RHIC) PHENIX kísérlete, az egy atommagütközésben rekonstruált részecskepályákkal (Brookhaven National Laboratory)

A nevezetes „kétréskísérlet” szerint az elektronnak egyazon pillanatban lehet hullám- és részecsketermészete is. Mintha itt magának az anyagnak (és az energiának?) a definíciója is értelmét veszítené. Bármilyen tudományosan próbálunk hozzáállni a témához, a laikusnak úgy tűnhet, mintha tévedés áldozatai lettünk volna az elmúlt századok során. Mintha a fizikai valóságba belépne egy nem feltétlenül tudományos eredőjű, egyetemesebb jelenség.

A kétréskísérlet fő tanulsága, hogy egyetlen részecske becsapódása előre nem jelezhető helyen következik be (bár vannak fizikusok, akik még ezzel is vitatkoznának). A sok részecske becsapódása nyomán kialakuló mintázat oka (a legtöbbek szerint) az, hogy mindkét résen átmehetett, és a lehetőségek interferenciába kerültek. Én nem beszélnék se tévedésről, se tévútról, különösen nem „nem feltétlenül tudományos eredőjű” jelenségekről; mindez ugyanis

Mindenfélét ki tudunk számítani ezen elméletekkel: a kvantummechanikát messze-messze tovább vivő részecskefizikai kvantumtérelméletek előre jelzik a legapróbb részecske legkisebb rezdüléseit is, amilyeneket a CERN vagy a Brookhaveni Nemzeti Laboratórium óriásgyorsítóinak kísérleteiben észlelünk. Ilyen értelemben tökéletesen működik a természettudomány; a kérdések jó része inkább tudományfilozófiai.

Ugyanakkor vannak fizikai kérdéseink is, amelyek a kvantuminformatika terén lehetnek fontosak – például hogy van-e esetleg határ a kvantumos viselkedésben: egy elemi részecske kvantumos, egy atom is, egy makromolekula is (többezer atomos molekulákat is vizsgáltak már így),

Ezzel kapcsolatban konkurens elméletek vannak, de ezek nem mind tesznek (jelenleg) cáfolható jóslatokat. Bizonyos „egzotikus” gondolatokat azonban lehet tesztelni, elég itt Diósi Lajos és Roger Penrose nemrég előtérbe került eredményeire gondolni.

Milyen tudományos konszenzust borító tények, jelenségek bukkantak még fel az idők során a kvantumelmélet kapcsán?

Az ellentmondások a 20. század elején (részben a 19. század végén) bukkantak fel, az atomok elektromágneses sugárzást elnyelő és kibocsátó képességének részleteiben, illetve a forró testek sugárzásának eloszlása („spektruma”) kapcsán. Mindezeket azonban természettudományos szempontból megnyugtatóan tisztázta a kvantummechanika – ahogy a később megmutatkozó, furcsábbnál furcsább jelenségeket is.

Filozófiai kérdéseket azonban bőven okozott számunkra, azóta is sokan vitatkoznak a kvantummechanika értelmezésén – az egyenletein már jóval kevesebben. És a természettudomány fókuszában mégis csak az előrejelzések, és az ezeket lehetővé tevő egyenletek állnak.

Hogy lehet feloldani az ellentmondásokat?

A kvantummechanika feloldotta az „ellentmondásokat”: kiderült, hogy nem az a helyes kép, hogy az elektron minden időpillanatban a tér egy adott pontján van, hanem a helyének minden pillanatban egyfajta eloszlása van. Ehhez még bizonyos tekintetben a valós számoktól is el kellett búcsúzni, és helyettük az úgynevezett komplex számokat használni – sőt, kiderült, hogy az „időpillanat” és a „tér adott pontja” fogalmait is újra kell értelmezni.

Ez azonban sikerült; a legnagyobb fejtörést az okozza, hogy minden egyenletünk tökéletesen működik, mégis

azokat muszáj lesz továbbfejleszteni, hogy filozófiai értelemben szebbek, teljesebbek legyenek. Csak az nem világos, hogy milyen irányban – ehhez először hibát kellene találnunk valamelyik egyenlet valamelyik előrejelzésében. Ebben az irányban rengeteg kísérlet zajlik, a kvantuminformatikától a nagy részecskegyorsítókig, de egyelőre nincs konkluzív eredmény.

Részecskegyorsító szerelése (Brookhaven National Laboratory)

Miért kellene elfogadnunk a tudomány hatalmát a mindennapok felett, ha láthatóan nem örök érvényűek a megállapításai? (Leszámítva a matematikát, aminek viszont semmi köze az anyagi világhoz.) Nem csupán a kvantummechanikára gondolok, hiszen egy híres fizikus szavai szerint csak az ő élete során megdőlt az összes jelentős tudományos elmélet.

Ez alapvető félreértés: a tudomány megállapította, hogy milyen anyagból milyen vastagra kell építeni egy híd talapzatát, hogy évtizedekig, évszázadokig ott álljon – és ott is áll. A tudomány azt is megállapította, hogy hogyan kell műholdakat az égre „lőni”, és hogy ezeket hogyan kell programozni, hogy a mobiltelefonunk megmondja, pontosan hol is vagyunk. Ezt semmilyen új elmélet nem veheti el – ennek megfelelően a kvantumfizika és a relativitás sem érvénytelenített semmit, ami alapján addig sikeres előrejelzéseket tett az emberiség az elektromosságra, a gravitációra vagy a termodinamikára vonatkozóan.

Tehát

Ami változik, az a dolgok értelmezése, filozófiája – és főleg a még meg nem értett dolgok összessége; ez utóbbi megbízhatóan csökken. Tehát az, hogy megdől a newtoni fizika, az nem azt jelenti, hogy az annak segítségével épült épületek is ledőlnek. Ha megdől az elektromosság klasszikus elmélete, attól még az addig működő rádió továbbra is működni fog.

Ilyen értelemben a tudomány hatalma a mindennapok felett teljes: a minket körülvevő anyagi világ (főleg az ember alkotta része) a már ismert törvényeinknek „engedelmeskedve” működik. A fizika fő feladata: jóslatot tenni, hogy mi fog történni a következő pillanatban, órában, évszázadban, milliárd évben. És ebben extrém sikeres – leszámítva az időjárás előrejelzését, de ez egy másik, a káoszelmélettel foglalkozó cikk témája lehetne.

Értjük a dolgot vagy nem, az ún. „kvantumkonyha” alapján sorra születnek a technológiai újítások a mobiltelefonoktól az egyre felfoghatatlanabb teljesítményre képes számítógépekig. A kvatummechanika mely jellemzői indították be így a technikai fejlődést? Mi a titok? Milyen már látható, konkrét lehetőségeket rejtenek a rejtélyes kvantumszabályok a jövőre nézve?

A kvantummechanika azért indított be óriási technikai fejlődést, mert sok-sok nagyságrenddel sikerült általa kitolni a megértett dolgok méretskáláját. Mivel már értjük az atomok viselkedését, ki tudjuk aknázni azt (a 20. századi számítástechnika a félvezetőkben például). Ha az elemi részecskék viselkedését is értjük, akkor azt is egyre jobban ki tudjuk aknázni (kvantumszámítógépekben például). A kulcs a megértés – anélkül nem lehet előre haladni.

Ugyanakkor az a helyzet, hogy

Ahogy Galvani vagy Volta sem tudta, hogy munkájuk nyomán bő kétszáz évvel később az emberiség jó része érintőképernyős telefonokba merülve sétál majd; ahogy Planck és Heisenberg sem tudta, hogy elméleteikre alapozva száz év elteltével kvantuminternetet hozhat létre az emberiség; úgy mi sem tudjuk, hogy az alapvető kölcsönhatásokra irányuló kutatásaink eredményeképpen milyen technológiai haladást érhet majd el az emberiség száz év múlva.

Annyit mondhatunk, amit a legenda szerint Faraday az őt kérdőre vonó későbbi angol miniszterelnöknek: „Nagy esély van rá, hogy nemsokára ezt is meg lehet adóztatni.”