Isten nem vet kockát, de ne is mondják meg neki, hogy mit tegyen

Albert Einstein az elméleti fizika máig egyik legnagyobb hatású gondolkodója

A kvantummechanika a józanészen túlmenő furcsaságok világa, ahol számunkra felfoghatatlan, a hétköznapokban nem tapasztalható dolgok történnek. Az egyik ilyen Kolumbusz tojását idéző kérdés az Einstein által kísérteties távolhatásnak nevezett probléma.

„A valóság egyetlen meghatározása sem teszi lehetővé a kvantummechanika létezését."
(Albert Einstein)

A 20. század elején új, és napjainkig ható forradalmi korszak vette kezdetét a fizikában, amely gyökeresen felforgatta mind a mikrokozmoszról, mind pedig az univerzumról alkotott hagyományos világképet. A 20. század első évtizedeiben néhány tudós, Max Planck, Niels Bohr, valamint Werner Heisenberg és kollégáik szembefordultak a fizika addig általánosan elfogadott törvényeivel. Az általuk felvetett kérdések nemcsak az elméleti fizika határait feszegették, hanem filozófiai dimenzióba helyezték az ismeretelmélet alapproblémáit is.

Az elfogadhatatlan kísérteties távolhatás

A kvantummechanika egyik igen szokatlan jelensége az úgynevezett kvantum-összefonódás,

amelyet Albert Einstein kísérteties távolhatásnak nevezett,

mivel az még a zseniális tudós számára is elfogadhatatlannak tűnt.

Albert Einstein kísérteties távolhatásnak nevezte az úgynevezett kvantum-összefonódást Forrás: Origo

Ha két részecskét ugyanaz az esemény hoz létre, azok akkor is kapcsolatban maradnak, ha eltávolítjuk őket egymástól.

Ha az egyikkel történik valami, bármily nagy távolságra is kerülnek egymástól, reagál rá a párja. Fizikus nyelven fogalmazva, a két részecske nem lokális vagy nem helyhez kötött kapcsolatban áll egymással, mivel ugyanannak a kvantumállapotnak a részét képezik.

Niels Bohr (a képen középen) és Werner Heisenberg, a 20. századi elméleti fizika két nagy alakja Forrás: Wikimedia Commons

Az erre vonatkozó egyenletekből levezethető az az elméleti előrejelzés, hogy két egymáshoz közeli részecske tulajdonságai összefonódnak, és ez akkor is így marad, ha szétválasztjuk őket.

Az elméleti fizika két óriása, Einstein és Bohr közt heves szakmai vita bontakozott ki a távoli kölcsönhatás lényegéről.

A halvány apró kék pont a középső sötét mezőben egy megvilágított stronciumatom. Az atomi illetve szubatomi birodalomban más törvényszerűségek érvényesülnek, mint a makrovilágban Forrás: David Nadlinger - University of Oxford

A dán fizikus szerint a valóság alaptermészete a bizonytalanság, míg Einstein szerint az egyértelműség állandóan fennáll, nem csak amikor mérünk vagy megfigyelünk egy jelenséget.

Einstein nem fogadta el, hogy a valószínűség határozza meg a természetet

A dán fizikus szerint a mérés, illetve a megfigyelés mindent megváltoztat. Amíg nem végzünk mérést, megfigyelést, addig a részecske tulajdonságai meghatározatlanok, erre példa a híres kétrés-kísérlet: míg a hátsó detektor meg nem mutatja a helyzetüket, addig az elektron bárhol lehet, a megfigyelés pillanatában dől el, hogy hol találjuk, és a mérés kényszeríti arra az elektront, hogy kiválassza a helyet, ahol találjuk.

Bohr, a 20. századi elméleti fizika egyik legnagyobb hatású teoretikusa volt Forrás: Wikimedia Commons

A valóság alaptermészete tehát a bizonytalanság.

A kvantum spinje is meghatározatlan a mérésig, ha megmérik, akkor vagy az óramutatóval megegyező, vagy azzal ellentétes irányba fog pörögni. Ha két korrelált részecskét szétválasztunk, és mérést végzünk az ittmaradt részecskén, a másikat is befolyásoljuk ezzel, az egyiken végzett mérés ugyanis hatással van a másik állapotára is, és megváltoztatja azt.

Werner Heisenberg fogalmazta meg a határozatlansági reláció tételét, amely az atomi világban felülírta a newtoni determinizmust Forrás: Wikimedia Commons

Einstein ezt elutasította, mivel semmi sem terjedhet a fénysebességnél gyorsabban, még az információ sem.

Einstein nem tudta elfogadni, hogy a valószínűség határozza meg a természetet, illetve a valóság alapvető tulajdonságait.

Ő Bohrral szemben az általános érvényű, egyértelmű előrejelzésekre képes klasszikus fizikában hitt.

Ne mondja meg Istennek, hogy mit tegyen!

Sok fizikus készséggel elfogadta a kvantumelméletet, mivel a kvantumegyenletek rendkívül pontosan előre tudták jelezni a részecskék viselkedését. „Fogd be a szád és számolj"- ez volt szállóige az elméleti fizikusok közt, mondván nem az a dolguk, hogy megadják a kvantummechanika jelenségeinek filozófiai magyarázatát, mivel őrájuk csak a fizika tartozik.

A két zseni, Niels Bohr (a pamlag bal szélén ülve) és Albert Einstein másként vélekedtek a mikrovilágban érvényesülő határozatlanságról Forrás: Wikimedia Commons

Einstein és Bohr közt heves szakmai vita bontakozott ki erről a kérdésről,

ekkor hangzott el Einsteintől az a sokat hangoztatott híres mondat: Isten nem vet kockát, mire kollégája azzal vágott vissza: Ne mondja meg Istennek, hogy mit tegyen. Bohr azt állította, csak akkor válik valóságossá valami, ha megfigyeljük.

Ne mondja meg Istennek, hogy mit tegyen! Forrás: Wikimedia Commons

Bohr szerint olyan ez, mint a szerencsekerék, amíg nem állítjuk meg, piros és kék is lehet, de amikor megállítjuk, akkor vagy piros, vagy kék lesz. Szilárd valóság nincs, csak a valóság lehetősége, és bármi csak akkor lesz valós, ha megnézzük.

Einstein erre azzal vágott vissza, hogy a Hold akkor is ott van, ha nem nézünk oda.

Vajon megszűnik-e azzal, ha éppen nem látjuk?

A kesztyűpár és a dobozok

Einstein igyekezett mindezt egy szemléletes hasonlattal is megvilágítani. Azt mondta olyan ez a probléma, mint egy pár kesztyű. Ha két külön dobozba tesszük a kesztyűket, még mielőtt valaki kinyitná ezeket, előre tudni fogja, hogy vagy a jobb, vagy pedig a bal kesztyű lesz az elsőként felnyitandó dobozban. Amikor kinyitja azt a dobozt, amelyben mondjuk éppen a bal kesztyű található, ebből rögtön tudni fogja - anélkül, hogy felnyitná -, hogy ennek jobb párja van a másik dobozban.

Nem attól függ a kesztyűk helyzete, hogy kinyitjuk a dobozt Forrás: Origo

Nem attól függ tehát a kesztyűk helyzete, hogy kinyitjuk-e a dobozt, mert ez már abban a pillanatban eldőlt, amikor becsomagolták ezeket. Tehát azzal, hogy valamelyik dobozt kinyitjuk, nem változtatjuk meg a kesztyűk eredeti állapotát sem. Einstein ugyan elfogadta a korrelált részecskéket, de úgy vélte, hogy erre a jelenségre más a magyarázat, nem a távolhatás.

A kvantummechanika nem téves a maga érvényességi területén, de nem is teljes Forrás: Origo

A zseniális tudós szerint ugyanez igaz az elektronokra vagy összefonódott részecskékre is, mert bármilyen konfigurációjuk már abban a pillanatban meghatározott, mikor elválasztják őket egymástól.

A kvantummechanika nem téves a maga érvényességi területén, de nem is teljes,

mivel a kvantumelméletből hiányzik valami, ami leírja a részecske tulajdonságát, ha épp nem észleljük.

Hogy ellenőrizi? Megméri. De a mérés befolyásolja az eredményt

Einstein 1935-ben publikálta az EPR-paradoxonról (Einstein-Podolsky-Rosen paradoxon) két tanítványával közösen írt munkáját, egy gondolatkísérletet, amellyel úgy érezte, igazolták, hogy a kvantummechanika nem teljes.

Einstein 1935-ben publikálta Podolskyval és Rosennel együtt a híres EPR-paradoxonról szóló dolgozatot Forrás: Origo

Az EPR-paradoxonra adott válaszként fejtette ki Bohr önálló cikkben a komplementaritás elvét.

Aztán 1951-ben David Bohm javasolt egy kísérletet, mely Einsteinék paradoxonjánál könnyebben kivitelezhető és azzal egyenértékű.

David Bohm (a kép jobb szélén) amerikai elméleti fizikus Forrás: Cosmos Magazine

Bohm munkája alapján John Stewart Bell ír fizikus kidolgozta az úgynevezett Bell egyenlőtlenséget, amelyben módot talált a vita eldöntésére. Bell egyenletei azt is megmutatták, ha kiderül, hogy a korreláció nem igaz, akkor a kvantummechanika sem teljes, hanem egy téves és rossz megközelítés.

John Stewart Bell ír elméleti fizikus Forrás: Belfast Telegraph

1964-ben közzé is tette Bell's theorem című dolgozatát, de akkor még senki sem foglalkozott az általa felvetett izgalmas problémával.

Bohrnak lett igaza: tehát még sincs Hold, ha nem látjuk?

1967-ben John Clauser, a Columbia Egyetem fizikusa miközben folytatta Einstein kapcsolódó munkásságát, rátalált Bell dolgozatára.

Clauser egyébként Einstein álláspontját osztotta ebben a kérdésben.

Clauser kísérletei során összefonódott részecskék ezreit hozta létre, és ezeket több szempontból is összehasonlította egymással.

John Clauser, a Columbia Egyetem professzora Forrás: Wikimedia Commons

Nem sokkal később Alan Aspect francia fizikus néhány finomabb tesztet dolgozott ki. A tesztek szerint az egyik részecske mérése csak úgy befolyásolhatja a másikat, ha egy jel a fénysebességnél gyorsabban halad köztük, ami viszont lehetetlen.

A teszt tehát Bohr elméletét támasztotta alá.

Clauser számos mérést végzett el az elméleti vita eldöntésére Forrás: How the Hippies Saved Physics

A méretek növekedésével mintha megszűnne a bizonytalanság, nem tudni, milyen okból.

A mikorvilág furcsa jelenségei megszokott hétköznapi világunkban, a makrovilágban már nem tapasztalhatók,

és ahogy egyre távolabb haladunk az atomok birodalmától, megszűnik ez a fajta furcsaság.

Alan Aspect francia elméleti fizikus finomabb teszteket dolgozott ki Forrás: Quantum Optics to Quantum Technologies

1982-ben végezték el azt a tudománytörténeti jelentőségű kísérletet, amely alátámasztotta Bohr elméletét. Ez viszont az einsteini logikát követve azt sugallja, hogy a Hold nem létezik, ha nem nézzük... Tényleg a megfigyelés hozza létre a valóságot?

Niels Bohr és Albert Einstein Forrás: Pinterest

És vajon létezik-e objektív valóság, vagy sem? Akárhogy is van, a kvantummechanika működik, ezt bizonyítják például a félvezetők, a kommunikációban, az orvostudományban használatos lézer és maga az atomenergia is.