Kvantummechanika vagy relativitáselmélet?

Korunk fizikusai két külön szabálykönyv szerint írják le a világot: az egyiket a kvantumszintű folyamatokra alkalmazzák, a másikat pedig a nagy méretekben zajlókra.

Kvantummechanika vagy relativitáselmélet?

1. oldal

Korunkban a fizikusok két különálló szabálykönyv szerint írják le a világ működését. Az általános relativitáselmélet kiválóan alkalmazható, ha a gravitációról és az ez által meghatározott jelenségekről van szó, legyenek ezek keringő bolygók, ütköző galaxisok vagy a táguló világegyetem dinamikája. Ez a teória tehát a nagy dolgokat magyarázza. Ott van aztán a kvantumelmélet, amely a másik három alapvető erőt, az elektromágnességet, illetve az erős és a gyenge kölcsönhatást írja le, és rendkívül jól használható, ha azt akarjuk megfogalmazni, hogy mi történik egy uránatom bomlásakor, vagy ha a fény fotonjai nekiütköznek egy napelemnek. A második elmélet tehát kicsiben működik jól.

Ez eddig nem is lenne probléma, azonban a relativitáselmélet és a kvantumteória kiindulási pontjai, valamint módszerei annyira eltérőek, hogy kibékíthetetlen ellentétben állnak egymással. És nem egyszerűen valamiféle szakmai versengésről van szó a két elmélet hívei között, hanem a teóriák ténylegesen annyira szembe mennek egymással, hogy jelen formájukban egyszerűen nem írhatják le ugyanazt a valóságot. A fizika két ága közti konfliktus 1905-ig nyúlik vissza, amikor Albert Einstein két tanulmányt jelentetett meg, amelyek egyikét a relativitáselmélet, a másikat pedig a kvantumelmélet körvonalazására szánta. A régóta húzódó vita napjainkban új szakaszához érkezett, a két tábor meghatározó fizikusai ugyanis olyan kísérletekbe kezdtek, amelyek végleg eldönthetik, hogy melyik megközelítés áll közelebb az igazsághoz (vagy éppen távolabb attól).

A relativitáselmélet és a kvantummechanika felfogása közt a legalapvetőbb különbség, hogy az egyik „simának”, míg a másik „darabosnak” képzeli a világot. Az általános relativitás eseményei folytonosak és meghatározott kimenetellel rendelkeznek, vagyis minden okhoz egy specifikus, lokális hatás kapcsolható. A kvantummechanikában viszont a szubatomi részecskék kölcsönhatásai nyomán kibontakozó események ugrásokként realizálódnak, és kimenetelük probabilisztikus, azaz nincs egyértelmű eredményük, csak valószínűsíthető a következmény. A kvantumszabályok olyan összefüggéseket engednek meg, amelyek a klasszikus fizikában elképzelhetetlenek. Erre jó példa lehet egy holland kutatócsoport nemrégiben végrehajtott kísérlete. A szakértők a gyakorlatban azt igazolták, hogy két elektron akkor is képes lehet azonnali befolyást kifejteni a másikra (összefonódni), ha több kilométeres távolságban vannak egymástól.

Ahogy a bevezetőben említettük, saját mérettartományában mindkét elmélet kiválóan megmagyarázza a megfigyelt eseményeket, ha azonban más skálán próbáljuk ezeket alkalmazni, egyre több problémába ütközünk. A relativitáselmélet értelmetlen válaszokat kínál, ha kvantumszintű folyamatokat kísérelünk meg leírni általa, mivel atomi skálán a gravitáció kezelhetetlenné válik, és a kvantummechanika is komoly gondba kerül, ha kozmikus méretekben alkalmazzuk. A kvantummezők bizonyos mennyiségű energiát hordoznak üresnek tűnő részeiken is, és ez az energiamennyiség egyre nagyobb lesz, ahogy a mező növekedik. Einstein tömeg-energia ekvivalenciaelve szerint azonban az energiafelhalmozás úgy működik, mintha tömeget halmoznánk fel. A kvantumelméletet egyre nagyobb méretekben alkalmazva egy idő után viszont eljutunk arra pontra, ahol a kvantummező energiája akkora tömeggel válik egyenlővé, amely gravitációs összeomláshoz, és egy fekete lyuk keletkezéséhez vezet, felszámolva a mezőt.

Craig Hogan, a Chicagói Egyetem asztrofizikusa, a Fermilab kutatója kvantumoldalról próbálja feloldani a két teória közti ellentétet, és új elméletében a tér olyan kvantumegységeiről beszél, amelyek kellően nagyon ahhoz, hogy közvetlenül is tanulmányozhatók legyenek. Lee Smolin, a kanadai Perimeter Institute for Theoretical Physics egyik alapítója eközben Einstein filozófiai gyökereihez nyúlt vissza, és egy ezeken alapuló elméletet próbál a világ egyetlen zárt rendszerként való értelmezésére kidolgozni.

Nagy Hadronütköztető

A tét óriási, és ennek belátásához elég, ha egy pillantást vetünk az előzményekre. Amikor Einstein közzétette általános relativitáselméletét, nem egyszerűen felülírta Isaac Newton gravitációs teóriáját, hanem teljesen átformálta azt a látásmódot, amit a fizikában alkalmazunk. Ennek révén vált lehetségessé az olyan koncepciók kidolgozása, mint az ősrobbanás vagy a fekete lyukak elmélete, nem is beszélve az atombombákról és a GPS működéséhez elengedhetetlen időigazításról. Ehhez hasonlóan a kvantummechanika is jóval többet tett annál, minthogy új egyenleteket vázolt fel az elektromosság, a mágnesség és a fény James Clerk Maxwell által kidolgozott formulái helyett. Elméleti keretei nélkül nem jöhettek volna létre a részecskeütköztetők, a napelemek és a modern mikroelektronikus készülékek. A fizika két ága közti harc eldőlésével tehát a tudomány újabb forradalma várható, amelynek végére kiderülhet, honnan származnak a természeti törvények, és hogy a kozmosz bizonytalanságon alapul, vagy inkább determinisztikus.

Hogan a kvantumközpontú gondolkodás bajnokaként azt kutatja, hogy mi történik, ha a gravitáció rendkívül kicsiny távolságokban érvényesül. Einstein fizikájának egyik Arisztotelészig visszanyúló alapvetése, hogy a tér folytonos és a végtelenségig darabolható, vagyis minden távolság még kisebb távolsági egységekre osztható fel. Hogan szerint azonban ez nem biztos, hogy így van. Ahogy a pixel a képernyőn megjelenő képek legkisebb egysége, a foton pedig a fény legkisebb alkotóeleme, a távolságnak is létezhet egy tovább bonthatatlan legkisebb alapegysége, a tér kvantumja.

2. oldal

Hogan elképzelése szerint nincs értelme arról beszélni, hogy a gravitáció hogyan viselkedik egy bizonyos közelségen túl, a kölcsönhatás ugyanis azért nem működik a legkisebb méretekben, mert nincsenek is ilyen méretek. Másként fogalmazva, az általános relativitáselmélet és a kvantummechanika közös nevezőre hozható, mivel relativitás hatásai egy olyan térben érvényesülnek, amely oszthatatlan egységekből épül fel.

Hogan maga is az vallja, hogy ez a koncepció meglehetősen furcsa. Az 1960-as évek óta a fizikusok és a matematikusok egy része egy új keretrendszer kidolgozásán munkálkodik, amely megoldhatja a relativitáselmélet és a kvantummechanika közti ellentmondásokat. A húrelmélet az elmúlt 50 évben egyre szélesebb körben vált népszerűvé, bár azon túl, hogy ígéretes koncepciónak indult, egyelőre nem sok eredményt tudott felmutatni. Ahogy Hogan darabos téren alapuló teóriája, húrelmélet is azt feltételezi, hogy a tér rendelkezik valamiféle alapvető építőelemmel, ezen a ponton azonban a két elképzelés szétválik, a húrelmélet szerint ugyanis az univerzum minden objektuma rezgő energiahúrokből áll. A gravitációs katasztrófát azonban ez a teória is azzal hárítja el, hogy megállapít egy tovább nem osztatható téregységet, bár ez sokkal kisebb, mint Hogan térkvantumjai.

Hogan elmélete, amely a húrelmélettel való bizonyos hasonlóságok ellenére alapvetően új keretrendszert jelent, kvantumalapon fogalmazná újra az általános relativitást, új módot kínálva a tér és az idő természetének megértésére. A koncepció talán legkülönösebb eleme, hogy háromdimenziós valóságunkat kétdimenziós egységek együtteseként képzeli el. Hogan ugyanis komolyan veszi a pixel-metaforát: ahogy a tévé képernyőjén egy csomó „lapos” képpont mélységérzetet tud kelteni, ugyanígy elképzelése szerint a tér is létrejöhet kétdimenziós kvantumok összességéből.

Hogan 2007 óta tervezi azt a kísérletet, amellyel igazolhatja és lemérheti a tér általa feltételezett „szemcsésségét”. Kollégáival ehhez elkezdtek megépíteni egy holométernevű műszert. A név egyrészt egy 17. századi mérőműszerre utal, amellyel fejlesztői szerint mindent meg lehet mérni a „földön és a mennyekben” egyaránt, másrészt a hologramra, amely kiváló példája annak, hogyan tűnhet egy kétdimenziós felület háromdimenziós térnek.

A holométer a világ legpontosabb lézer interferométere. Két Michelson-interferométerből áll, amelyekben egy lézernyalábot egy félig áteresztő tükör hasít ketté, és azokat egy-egy 40 méter hosszú csőbe irányítja. Amikor csövek végén elhelyezett tükrök visszaverik a nyalábokat, ezek a csövek elején újra egyesülnek. Ha a tér valóban darabos a tükrök távolsága sosem lesz egyforma, mert maga tér „vándorol” körülöttük, így a két nyaláb közt fáziseltolódás lesz megfigyelhető, amelynek mértéke elárulhatja, hogy mekkora egységekből épül fel a tér. Hogan az interferométerekkel két konfigurációban kísérletezik: az egyik esetben ezeket egymás mellé, egymásba ágyazva helyezi el, a másiknál pedig egymásnak háttal, mintha az egyik a másik tükörképe lenne. A szakértők azt várják, hogy az egymásba ágyazott elrendezés esetén a fáziseltolódások korrelálni fognak, míg a másik konfigurációban nem, így a két kísérleti elrendezés adatai révén még pontosabban lemérhetők a tér alapegységei.

A holométer

A tér darabosságának igazolásához a kutatócsoportnak 10^-18 méter pontosságú mérésekre van szüksége, ami 100 milliószor kisebb, mint egy hidrogénatom. A kísérletek során továbbá másodpercenként 100 millió adatot kell rögzíteni. Hogan elmondása szerint ez nemcsak megvalósítható, de kifejezetten praktikus is. A fotonika területén elért fejlődésnek köszönhetően viszonylag olcsón és könnyen össze lehetett rakni a holométert, mondja a kutató, aki szerint egy ennyire spekulatív kísérletbe bele sem vág az ember, ha nem oldható meg egyszerűen. Hogan holométere 2014 augusztusában kezdett működni, és azóta is gyűjti az adatokat. A kísérlet első eredményeit várhatóan még idén nyilvánosságra hozzák.

Hogan teóriáját sokan támadják az elméleti fizikusok közül, ami érthető, hiszen ha beigazolódik az elmélet, az a húrelmélet végét jelentheti. Ennek ellenére a fizikusközösség nagy része azon a véleményen van, hogy a kvantummechanika előbb-utóbb maga alá gyűri a relativitáselméletet, mert ha a négy alapvető kölcsönhatásból három „betartja” a kvantumszabályokat, akkor igen valószínű, hogy a gravitáció is ezt teszi. Az elméleti szakértők többsége szerint az, hogy a klasszikus fizika nagy méretekben képes leírni a meghatározó folyamatokat puszta illúzió, olyan közelítés, amely a piciben működő kvantumfolyamatok eredményeképpen valósul meg. A darabos tér elmélete pedig tökéletesen beleillik ebbe a világnézetbe.

3. oldal

Hogan maga Albert Michelson és Edward Morley 19. század végi kísérletéhez hasonlítja saját projektjét. A két kutató az űr hipotetikus közege, az éter jelenlétét próbálta kimutatni, amelyben az akkoriban uralkodó elméletek szerint az elektromágneses hullámok terjednek, ezekről ugyanis úgy vélték, hogy légüres térben nem tudnának haladni. A kísérlet során nem sikerült az éter nyomára akadni, és a meglepő eredmény nagyban hozzájárult Einstein speciális relativitáselméletének létrejöttéhez, amelyből idővel kinőtt az általános relativitáselmélet, felforgatva a fizika világát. A két kísérletet összeköti az is, hogy nagyon hasonló módszerekkel dolgoznak, hiszen Hogan is a Michelson által kifejlesztett interferométer egy változatával igyekszik igazolni elmélete helyességét.

Hogan meg van győződve arról, hogy holométere segíthet megoldást találni a fizika méretproblémájára, mivel megmutathatja, hogyan határozza meg a tér kvantumstruktúrája a gravitáció működését, vagy cáfolhatja a feltevés helyességét,ami szintén előrelépést jelentene.

Lee Smolin teljesen más irányból közelíti meg a problémát. Míg Hogan óvatosan próbálgatja a tér kvantumjai révén összehozni a két nagy elméletet, Smolin szembemegy az árral. „Amikor doktorandusz voltam, Richard Feynman valami olyasmit mondott nekem, hogy ha minden kollégád ugyanazt próbálja igazolni, és nem járnak sikerrel, akkor könnyen lehet, hogy az elmélettel van a probléma. A húrelméletben pedig az elmúlt 40‒50 év során nem történt jelentős előrelépés” ‒ mondja a kutató.

Smolin szerint a kis méretekből kiinduló fizikai elméletek éppen jellegükből adódóan hiányosak. A kvantumtérelmélet jól leírja, hogy az egyes részecskék vagy kisebb részecskerendszerek hogyan működnek, de nem veszi tekintetbe, amit egy kozmoszt leíró teóriának meg kellene tennie. Nem magyarázza meg, hogy miért olyan a valóság amilyen. Smolin felfogása szerint a kvantummechanika pusztán az univerzum bizonyos alrendszereinek elmélete.

A szakértőnek az a véleménye, hogy sokkal többre jutunk, ha az univerzumot egyetlen hatalmas rendszerként képzeljük el, és egy olyan új teóriát építünk fel, amely erre az egészre alkalmazható. Ennek az elméletnek már meg is van a kezdetleges váza, mégpedig az általános relativitáselmélet. A kvantumkerettel ellentétben a relativitásban nincs helye külső megfigyelőnek vagy külső időmérésnek, mivel nincs olyan, hogy kint. Ehelyett minden az objektumok és a tér különbözői részei közti kölcsönhatások eredményeként bontakozik ki. A tehetetlenségtől kezdve minden megmagyarázható a részecskék gravitációs terei révén.

Ennek könnyebb megértéséhez érdemes felidézni Einstein egyik gondolatkísérletét. Képzeljük el, hogy a világegyetem két űrhajóst leszámítva teljesen üres. Az űrhajósok egyike pörög, míg a másik egy helyben lebeg. Melyikük fog szédülni? Az űrhajósok szempontjából tekintve a problémát, mindig a másik fog pörögni látszani, míg magukat hozzá képest álló látják. Külső referenciapontok nélkül nincs lehetőség annak eldöntésére, hogy melyiküknek van igaza, vagyis nem lehet különbséget tenni a két űrhajós között.

Az eltérés tehát csak akkor fog értelmet nyerni, ha a két űrhajóst a létező univerzumba helyezzük át. Az általános relativitáselmélet klasszikus értelmezése szerint tehetetlenségről, vagyis a nyugalmi vagy mozgási állapotának megváltoztatásával szemben jelentkező ellenállásról csak akkor van értelme beszélni, ha feltételezzük egy kozmikus gravitációs mező létét, amellyel szemben ez az ellenállás megvalósul. „Az általános relativitáselmélet nem alrendszerek elmélete. Az egész univerzum, mint egyetlen zárt rendszer viselkedését írja le” ‒ mondja Smolin.

A szakértő elképzelése szerint, ha a világegyetem minden része térben összeköttetésben áll egymással, akkor elképzelhető, hogy ezek a kapcsolatok az időn is átnyúlhatnak. Ebből kiindulva pedig két elméletet is kidolgozott arra vonatkozóan, hogy hogyan fejlődhettek ki a fizika törvényei az univerzumban. Az egyik a kozmikus természetes kiválasztódás elmélete, amelyben azt fejti ki, hogy a fekete lyukak kozmikus tojásokként viselkedve új téridő-darabkáknak adhatnak életet, amelyek saját törvényekkel rendelkeznek. A másik, újabb elmélete pedig gyakorlatilag ezen törvények kialakulási módjáról szól.

Ez utóbbi teória, a precedencia alapelve arra kínál választ, hogy a fizikai jelenségek miért megismételhetők. Ha elvégzünk egy kísérletet, amelyet korábban már végrehajtottak, azt várjuk, hogy annak kimenetele azonos lesz a korábbi eredménnyel. Ha például meggyújtunk egy gyufát, majd ugyanazzal a mozdulattal megpróbálunk meggyújtani még egy gyufát, azt várjuk, hogy a második szál is lángra kap. A megismételhetőség annyira megszokott része életünknek, hogy a legtöbbször nem is gondolunk rá, hanem egyszerűen a természet valamilyen törvényének tulajdonítjuk, hogy az azonos lefolyású események azonos végeredményt produkálnak.

4. oldal

Smolin szerint azonban naivitás lenne azt gondolni, hogy ezek a törvények mindig is léteztek, hiszen ezzel azt feltételeznénk, hogy azok az időn felül állnak. A relativitáselmélet értelmében viszont nincs időn kívüliség, vagyis ezek a törvények is egy időbeli folyamat eredményeként alakultak ki, mondja a szakértő. Mégpedig olyan módon, hogy amikor a dolgok egy adott kombinációban először kerültek interakcióba, az valamilyen eredményt produkált (ami másként is alakulhatott volna), majd később a hasonló elemeket felvonultató folyamatok véletlenszerű kimenetel helyett nagyobb valószínűséggel kezdtek egy bizonyos eredményt hozni.

A törvények kialakulásának igazolására jó módszer lehet tehát, ha egy olyan kísérletet végzünk el, amelyet korábban senki sem hajtott végre, vagyis aminek nincs precedense. Például egy olyan nagyon összetett kvantumrendszert hozunk létre, amelynek elemei eddig sosem létezett kombinációkban vannak összefonódva egymással. A precendencia alapelve szerint ezen rendszer működésének eredménye még teljesen véletlenszerű lesz. Ha azonban újra és újra megismételnénk ezt a kísérletet, idővel egyre gyakrabban fogjuk ugyanazt a végeredményt kapni, vagyis a folyamat egyre megjósolhatóbb lesz, legalábbis elviekben. Egy olyan rendszer, amelyben az univerzum éppen csak elkezdett egy precedenst kiépíteni, persze nem sokban fog különbözni egy teljesen véletlenszerűen működő rendszertől, de nem lehetetlen elcsípni az eltéréseket, véli Smolin.

Bár a precedencia atomi méretekben érvényesül, hatásai a teljesen rendszert befolyásolják. Smolin szerint ezek vizsgálata révén választ kaphatunk azokra a kérdésekre, amelyeket a kvantummechanika fel sem tesz, vagyis hogy miért előre halad az idő és nem hátra, és miért olyanok a természeti törvények, amilyenek. A szakértőt Hoganhez hasonlóan nem kizárólag tervezett kísérletének végeredménye izgatja, hanem hogy választ találjon ezekre az alapvető problémákra, amiben az is előrelépést jelenthet, ha kísérlete kudarcot vall.

Hogy kinek van igaza a fizika két ága közti vitában, azt egyelőre nem lehet eldönteni. Sean Carroll, a Caltech kutatója, aki egyaránt otthonosan mozog a relativitáselmélet és kvantummechanika világában is, jelenleg úgy véli, hogy a kvantummechnikát előtérbe helyező oldal előrébb jár igaza bizonyításában. A már említett holland kísérlet a nagy távolságban is kapcsolatban lévő elektronokkal, amely a kvantummechanika egyik furcsaságát, a kvantum összefonódást demonstrálta, ugyanakkor jelzi, hogy az elmélet messze nem tökéletes.

Ami az átfogó képet illeti, az igazi ellentét nem is az általános relativitáselmélet és a kvantumtérelmélet között húzódik, hanem a klasszikus dinamika és a kvantumdinamika közt, mondja Carroll. A relativitáselmélet az ok és okozat összefüggése szempontjából ugyanis nagyon is klasszikus elveket vall, míg a kvantummechanika teljesen eltérően gondolkodik a kauzalitásról. Einstein még abban reménykedett, hogy ha kellően mélyre ásunk a kvantummechanikában, rátalálunk annak klasszikus, determinisztikus alapjaira, egyelőre azonban nincs nyoma annak, hogy ezek léteznének. A kvantum összefonódás létezése pedig egyenesen afelé mutat, hogy a klasszikus rend keresése fölösleges.

Az emberek általában fel sem fogják, hogy a kvantummechanika mennyire felülemelkedik a tér és a lokalitás mindennapi életben megszokott szabályain, mondja Carroll. Ezek a dolgok a kvantumszinten egyszerűen nem léteznek. Hogy ennek mi az oka, arra talán magyarázatot adhat Hogan elmélete, bár Carroll nem sokat vár a holométeres kísérlettől. Ami a másik oldalt illeti, Smolin teóriáit még kevesebbre tartja, és inkább a húrelmélet mellett teszi le voksát, amely szerinte természetes kiterjesztése lehet a kvantumtérelméletnek.

Azzal ugyanakkor maximálisan egyetért a kutató, hogy a kvantumelméletnek komoly hiányosságai vannak, és a jelenlegi megközelítés teljesen alkalmatlan arra, hogy az univerzum működését megmagyarázza. „Még azt sem tudjuk, hogy mi az idő” ‒ mondja Carroll, aki egyébként annak az elképzelésnek a híve, hogy az idő a piciny méretekben megnyilvánuló kvantum-interakciók révén jön létre, bár ebben a tekintetben Smolin univerzális időelképzelését is megfontolásra érdemesnek tartja. Míg tehát a tér természetének megmagyarázását tekintve a kvantummechanikai oldal tűnik az erősebbnek, ami az időt illeti, korántsem ennyire egyértelmű a helyzet.

Bármi is legyen a kísérletek eredménye, Smolinnak abban mindenképpen igaza van, hogy az univerzumot egészében kellene vizsgálni és leírni, hiszen mi magunk is kvantumszint fölötti méretekben tapasztaljuk meg a világot. Hogan feltételezett térszemcséinek összességét a mindennapi életben folytonos egésznek észleljük, és minél nagyobb méretekben vizsgáljuk ezt az egészet, annak létezése és törvényei egyre érthetetlenebbek számunkra. Az elméleti keretek feszegetésére tehát minden irányból szükség van, hiszen csak így kerülhet közelebb egymáshoz a teóriákban leírt és az észlelt világ.

Tesztek

{{ i }}
arrow_backward arrow_forward
{{ content.commentCount }}

{{ content.title }}

{{ content.lead }}
{{ content.rate }} %
{{ content.title }}
{{ totalTranslation }}
{{ orderNumber }}
{{ showMoreLabelTranslation }}
A komment írásához előbb jelentkezz be!
Még nem érkeztek hozzászólások ehhez a cikkhez!
Segíts másoknak, mond el mit gondolsz a cikkről.
{{ showMoreCountLabel }}

Kapcsolódó cikkek

Magazin címlap arrow_forward