Einstein tévedett: Isten mégis vethet kockát

Einstein, akinek a fizikai világkép gyökeres átalakítását, s nem kis részben a kvantumfizika felfedezését köszönhetjük, tévedett ebben a kérdésben

Több mint százezer önkéntes vett részt abban a kísérletben, amely igazolja, hogy Einstein tévedett a világ természetével kapcsolatban: a kvantumfizika pont olyan bizarr, amilyennek látszik.

Másfél éve tartó elemzés után most jelentette meg a barcelonai Fotontudományi Intézet (ICFO) a Nature hasábjain annak a 2016. novemberi kísérletnek az eredményét, amelyben világszerte több mint 100 ezer önkéntes vett részt a saját maga által előállított véletlenszerű számok beküldésével, s amelynek célja a kvantumfizika egyik régóta kísértő kérdésének határozott megválaszolása volt.

Einstein, akinek a fizikai világkép gyökeres átalakítását, s nem kis részben a kvantumfizika felfedezését köszönhetjük, tévedett ebben a kérdésben Forrás: Elter Tamás archívuma

A BIG Bell Test elnevezésű kísérlet már a sokadik volt azok sorában, amelyek a világ Einstein által favorizált felfogását, az ún. lokális realizmus elvét próbálták megkérdőjelezni. Ezúttal minden eddiginél meggyőzőbben sikerült bizonyítani, hogy Einstein, akinek a fizikai világkép gyökeres átalakítását, s nem kis részben a kvantumfizika felfedezését köszönhetjük, tévedett, amikor vonakodott levonni a saját és mások elméleti munkájából fakadó – és kétségkívül nagyon zavarba ejtő – következtetéseket.

A rejtélyes kvantum-összefonódás

A kvantumvilág természetének értelmezése körül zajló viták szinte egyidősek magával az elmélettel, és a kvantum-összefonódás jelenségén keresztül szemléltethetők legjobban.

A kvantum-összefonódás akkor áll elő, amikor részecskék oly módon keletkeznek vagy kölcsönhatnak egymással, hogy az egyes részecskék kvantumállapota nem írható le a többiekétől függetlenül.

Az összefonódott részecskék fizikai tulajdonságai – például a helyük, a lendületük, a spinjük vagy a polarizációjuk – nem független, hanem korrelációt mutat: ha például egy összefonódott részecskepárról tudjuk, hogy összesített spinjük zérus, akkor ha az egyik részecske spinjét adott tengely mentén jobbra forgónak találjuk egy mérésben, biztosak lehetünk benne, hogy a párjának spinje ugyanazon tengely mentén balra forgó.

A kvantum-összefonódás művészi illusztrációja Forrás: Science Photo Library/MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY/Mark Garlick/Science Photo Libra

A paradox helyzetet az eredményezi, hogy az egymással összefonódásban álló részecskék a mérés pillanatában tetszőleges távolságban lehetnek egymástól. A kvantumos részecskék egészen addig, amíg egy adott fizikai sajátságukat meg nem mértük, nem egy meghatározott állapotban tartózkodnak, hanem – az őket leíró hullámfüggvény szerint – többféle állapot valamiféle valószínűségi kombinációjában.

A mérés dönt

Az, hogy egy kvantumrészecskének jobbra vagy balra forgó spinje van, valójában csak a mérés pillanatában dől el. Ebből viszont az következik, hogy amikor a fenti példában az összefonódott részecskepár egyik tagjának megmérjük a spinjét, s ezzel belekényszerítjük a kétféle állapot valamelyikébe, a párja automatikusan az ellentétes állapotba kényszerül – akkor is, ha a két részecskét kilométerek választják el egymástól!

A mérés pillanatában – a fizikusok szóhasználatával élve – a hullámfüggvény összeomlik, és az összefonódott részecskék mindegyikéről határozott információt szerzünk; azokról is, amelyek távol vannak tőlünk.

Ez csak úgy lehetséges, ha az összefonódott részecskék között valamiféle instant információátadás történik; márpedig ehhez az információnak a fényénél nagyobb – konkrétan végtelenül nagy – sebességgel kell utaznia a részecskék között.

Niels Bohr és Albert Einstein Forrás: Pinterest

Isten nem vet kockát - vagy mégis?

Einstein pontosan látta, hogy a keze alatt születő kvantummechanika milyen bizarr folyományokat von magával, de elutasította az intuíciójával és világnézetével ellentétes következtetéseket. Híres megjegyzése szerint „Isten nem vet kockát!": meggyőződése volt, hogy a hullámfüggvény csak egy matematikai trükk, és a kvantumállapotok határozatlanságának látszata a mi korlátainkból adódik.

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

A fizikai realizmus elvét vallotta, miszerint a kvantumrészecskék fizikai állapota akkor is rögzített, amikor éppen nem mérjük, vagyis a valóság objektív és független a mi megfigyelésünktől.

E kérdés fölött sokéves vitába bocsátkozott Niels Bohrral, a kvantumfizika másik oszlopos figurájával, aki viszont azt a nézetet képviselte, hogy a hullámfüggvény maga a realitás, és a kvantumrészecskék ténylegesen többféle állapot szuperpozíciójában tartózkodnak egészen addig, míg rájuk nem nézünk.

Einstein szintén abszurdnak tartotta az információ instant közlekedését, hiszen az sértette a fénysebesség túlléphetetlenségének, tágabb értelemben a kauzalitásnak (az ok és okozat felcserélhetetlenségének) az elvét. Híres, Podolskyval és Rosennel együtt kiadott közleményében épp az általa „ijesztő távolhatásnak" (spooky action at a distance) nevezett azonnali információátadás abszurditásával érvelt a határozatlanság valódisága ellen. Einstein szerint bármely hatás csak lokálisan érvényesülhet, mivel egy esemény következményei legfeljebb a fény sebességével terjedhetnek tova. A két einsteini „anti-kvantumfizikai" elvet együttesen lokális realizmusként szokták emlegetni.

Bell-egyenlőtlenség

Ám a fizikusok nem filozófusok, ezért a vitás kérdéseket nem az íróasztal mellől, hanem mérésekkel szeretik eldönteni. 1964-ben John Stuart Bell, a CERN fizikusa a matematika egzakt nyelvére kódolta át Einsteinnek a lokalitással és realizmussal kapcsolatos jóslatait, s ezzel kísérletileg ellenőrizhetővé tette e predikciók helyességét.

John Stuart Bell Forrás: vimeo.com

A Bell-egyenlőtlenség néven híressé vált formula akkor és csak akkor teljesül, ha a lokális realizmus igaz, ezért ha egy mérés eredménye megsérti a Bell-egyenlőtlenséget, azzal elveti a lokális realizmus érvényességét.

A 70-es évek óta a Bell-teszt számos változatát elvégezték, s ezek mindig a kvantum-összefonódás jelenségére alapoztak. A Bell-tesztek legegyszerűbb verziójában előállítanak egy összefonódott részecskepárt, és a pár két tagját két, térben távoli mérőállomásra küldik. A két állomáson két független mérő (hagyományosan Alice és Bob) pontosan egyszerre elvégez egy előre meg nem határozott mérést, például a részecskék spinjére vonatkozóan. Ha a lokalitás igaz, a két mérés eredménye egymástól független lesz, hiszen Alice és Bob pont egyszerre mér, és a részecskepár tagjai nem „beszélhetik meg" zérus idő alatt, hogy összehangolják az eredményt. Ha viszont a részecskék csakugyan összefonódottak, és a hullámfüggvény összeomlása szimultán módon befolyásolja Alice és Bob mérési eredményét, a két eredmény szigorúan korreláltnak adódik, és a Bell-egyenlőtlenség sérül.

A cikk a következő oldalon folytatódik, kattintson!