Miért érthető nehezen a modern fizika?

Elveszett és megtalált gondolatok - Etesi Gábor írása

KLASSZIKUS ÉS MODERN FIZIKAI LEÍRÁS

Egy "fizikai elmélet" nem más, mint a természet valamely szempont alapján összetartozónak vélt jelenségeinek matematikai modellezése. Megfordítva, így is fogalmazhatunk: a "fizikai elmélet"olyan szintaktikailag és szemantikailag értelmezett modell, melynek szintaktikáját a matematika jelölésrendszere és következtetési szabályai alkotják, szemantikáját pedig a modellben megjelenő matematikai struktúrák fizikai fogalmakkal való megfeleltetése adja. Ez utóbbi szintet nevezhetjük (szűkebb értelemben vett) megértésnek.

Tudománytörténetileg szokás beszélni klasszikus és modern fizikáról. Klasszikus fizika alatt a XVII-XIX. század folyamán létrejött klasszikus mechanikát, elektrodinamikát, valamint a termodinamikát értjük. Modern fizika gyűjtőnévvel pedig a XX. század első felében szinte robbanásszerűen megszületett speciális és általános relativitáselméletet, a kvantummechanikát, valamint a kvantummező-elméleteket illetjük. Felvetődhet a kérdés, hogy a klasszikus, illetve modern jelző csupán tudománytörténeti jelentőségű, vagy pedig netán mélyebb különbségre utal.

Ha a speciális és általános relativitáselméletet a klasszikus fizikai leírás kiteljesedésének tekintjük, s ezáltal a klasszikus fizika körébe utaljuk,akkor a két jelző valódi, mély különbségre utal.

Mind a klasszikus, mind a modern fizika modelljeinek szintaktikáját a matematika egyes fejezetei adják, tehát ezen a szinten különbséget nem találunk. Szemantikai szinten azonban már igen: a klasszikus fizikai modellek szemantikája jól ismert fogalmakat használ, sőt ezen fogalmak ismerete csupán a "józan ész" határain belül elegendő az elméletek megértéséhez. Ezek a fogalmak pl. a hely, idő, mozgás, lendület, tömeg, sebesség, gyorsulás, erő stb.
A kvantumelméletben viszont a helyzet lényegesen más. Ezt világosan mutatja az a megjegyzés, hogy míg a kvantummechanika szintaktikája már 1932-re kész is volt és azóta is változatlan¹, addig szemantikája máig is élénk vita tárgya. Ugyanis a kvantummechanika matematikai formalizmusának interpretálásakor beszélnünk kell olyan ismeretlen, illetve eddig csupán elnagyoltan értett dolgokról, mint pl. "kvantummező", "mérés", "kölcsönhatás" vagy "szuperpozíció".

A kvantummezőről való beszédtechnikát Niels Bohr fejlesztette ki és komplementaritási elvnek nevezte el (BOHR 1984). Bizonyos kísérleti szituációkban egy kvantummező részecskeként viselkedik, másokban viszont hullámként. Javaslata szerint ezek az egymásnak klasszikusan ellentmondó képek valójában kiegészítik egymást, s e képek felhasználásával kell megkísérelnünk utalni a kvantummező "igazi", "kimondhatatlan" tulajdonságaira.
Említsünk meg egy másik nehézséget is, amely a méréssel kapcsolatos. A kvantummechanikát teljes elméletnek gondoljuk annak ellenére, hogy egy konkrét kísérlet kimeneteléről nem tud számot adni, éles ellentétben a klasszikus leírással. Pontosabban fogalmazva, kijelentéseket tudunk tenni arra vonatkozólag, hogy nagyon nagy számú, ugyanolyan módon előkészített és végrehajtott kísérlet során mi lesz a mérés végeredménye "nagy átlagban". Vagyis, egyetlen kísérlet kimeneteléről csupán valószínűségeket tartalmazó állítás tehető. Megelégedhetünk-e ezzel? A szokásos indoklás az, hogy a kísérletező magával a méréssel durván és elkerülhetetlenül beavatkozik a kísérlet lefolyásába, ellenőrizhetetlen módon befolyásolva annak kimenetelét. Ebben a kontextusban a mérés mint kölcsönhatás jelenik meg.

1: Neumann János "Mathematischen Grundlagen der Quantenmechanik" c. könyvének 1932-es megjelenésétől datálhatjuk a kvantummechanikát mint matematikailag kész, precíz formalizmust. Magyarul NEUMANN 1980.