Prim Hírek

Ez az elv, miszerint a természet eredendően véletlenszerű – vagyis a részecskéknek nincsenek sziklaszilárd tulajdonságai csak „körülbelülségei” egészen addig, míg pontosan meg nem vizsgáljuk őket – közvetlenül a kvantummechanika alapegyenleteiben van megfogalmazva. De most, folyadékokkal történt meglepő kísérletek egy sora ismét feltámasztotta az ezzel a világnézettel kapcsolatos régi szkepticizmust. A bizarr eredmények táptalajául szolgálnak egy majdnem elfeledett kvantummechanikai értelmezés lángjának, annak, ami nem adta fel az elvét egy meghatározott, konkrét valóságnak.

A kísérletekben olajcseppecskét figyeltek meg, ami a folyadék felületéről pattan vissza. A cseppecske gyengéden megérinti a folyadékot minden visszaverődésnél. Ugyanekkor a régebbi pattogások hullámfodrai befolyásolják az útvonalát. A cseppecske kölcsönhatása a saját, előzőleg keltett hullámfodraival úgynevezett vezérhullámot alakít ki, ezáltal olyan viselkedésmintákat mutat, amit régebben az elemi részecskék sajátosságának gondoltak – beleértve azt a viselkedést, amit annak a bizonyítékaként láttak, miszerint a részecskék hullámként terjednek szét a térben meghatározott pontos helyzet nélkül addig, amíg mérésükre sor nem kerül.

Kvantumos léptékekben a részecskék látszólag olyan dolgokat tesznek, amit emberi léptékű objektumok nem tehetnek meg. Keresztül tudnak haladni akadályokon, spontán keletkezhetnek vagy megsemmisülhetnek, és diszkrét energiaszinteken helyezkednek el. Az új kutatások feltárják, hogy az olajcseppecskék, amikor vezérhullámok terelik őket, szintén ezekkel a kvantum-szerű tulajdonságokkal bírnak.

Néhány kutató számára ezek a kísérletek azt sugalmazzák, hogy a kvantumobjektumok is ugyanolyan meghatározottak, mint a cseppecskék, és szintén vezérhullámok által vannak irányítva – esetünkben a téridő folyadékszerű hullámzásával. Ezek az érvek új életet leheltek mikroszkopikus világ a kezdetekben javasolt, majd a kvantummechanika születésével elutasított determinisztikus (vagyis nem véletlenszerű, sztochasztikus) elméletének.

„Ez egy klasszikus rendszer, amely olyan viselkedést mutat, amit azelőtt kizárólag a kvantumbirodalom jellemzőjének gondoltak, és meg is tudjuk magyarázni” nyilatkozta John Bush, a Massachusetts Technológiai Intézetének alkalmazott matematikai professzora, aki számos friss pattogó-olajcsepp kísérletet vezetett. „Minél többet értünk meg és biztosítjuk fizikai értelmezését, annál nehezebb lesz megvédeni a 'kvantum mechanika mágiájának’ perspektíváját.”

Mágikus mérések

Az ortodox értelmezése a kvantummechanikának, amit „Koppenhágai interpretáció” néven emlegetnek a Dán fizikus, Niels Bohr szülővárosa után, úgy tartja, hogy a részecskék az összes lehetséges valóságot végigjárják egyszerre. Minden részecskét egy „valószínűségi hullám” reprezentál, ami súlyozza ezeket a különböző lehetőségeket, és csak akkor omlik össze a hullám egy határozott állapotba, amikor a részecske mérése megtörténik. A kvantummechanika egyenletei nem körvonalazzák, hogy a részecske tulajdonságai hogyan rögzülnek a mérés pillanatában, vagy hogy a valóság hogyan választ formát ez ilyen pillanatokban. De a számítások működnek. Ahogy Seth Lloyd, az MIT kvantumfizikusa fogalmaz: „A kvatummechanika a józan ésszel ellentétes, és így kell magunkba szippantanunk.”

3. Ábra: Amikor a fény keresztülvilágít a réspáron (felső képrész), két átfedő hollámfront erősítheti vagy gyengítheti egymást, interferenciamintát kialakítva. A minta akkor is kialakul, ha a részecskék csak egyesével haladnak a képernyő felé, mintha minden egyes részecske mindkét résen áthaladna egyszerre, csakúgy, mint a hullámok. Képforrás: Akira Tonomura/Creatve Commons

Egy klasszikus kísérlete a kvantummechanikának, amely bemutatni igyekszik a realitás valószínűségi természetét, egy részecskenyalábon alapul (például elektronokon), amelyeket egyesével küldenek két rés felé egy képernyő előtt. Ha senki sem követi az elektronok pályáját, úgy tűnik, mintha mindkét résen egyszerre haladnának át. Az idő haladtával ugyanis az elektronnyaláb hullámszerű interferenciamintázat formájában sötét és világos csíkokat hoz létre a képernyőn. De amikor egy érzékelőt helyezünk el az egyik réssel szemben, annak a mérése a részecskék hullámszerű jelenlétének elvesztését vonja maga után, amik összeomolva meghatározott állapotokba, külön az egyik, vagy a másik résen haladnak át. Az interferenciaminta eltűnik. A nagyszerű 20. századi fizikus, Richard Feynmann mondta erről a kétrés-kísérletről, hogy „a kvantummechanika szívében rejtőzik” és „lehetetlen, teljességgel lehetetlen megmagyarázni bármilyen klasszikus módszerrel."

Néhány fizikus már nem ért ezzel egyet. „A kvantummechanika nagyon sikeres; senki sem állítja, hogy téves” mondta Paul Milewski, az angliai Bath Egyetem matematikaprofesszora, aki számítógépes modelleket dolgozott ki a pattogó cseppek dinamikájához. „Abban hiszünk, hogy kell lennie valamilyen még alapvetőbb okának amiért [a kvantummechanika] úgy néz ki, ahogy.”

Hullámlovaglás

Az az ötlet, hogy vezérhullámok magyarázhatják a részecskék sajátosságait, a kvantummechanika korai napjaira datálható. A francia fizikus, Louis de Broglie mutatta be a legkorábbi verzióját a vezérlő-hullám elméletnek 1927-ben a Solvay-konferencián Brüsszelben, a tudományág híres alapítótagjainak gyűlésén. Ahogy de Broglie magyarázta azon a napon Bohrnak, Albert Einsteinnek, Erwin Schrödingernek, Werner Heisenbergnek és két tucat más, ünnepelt fizikusnak, a vezérhullám teória ugyanazokat a jóslatokat teszi lehetővé, mint a valószínűségi alapú formája a kvantummechanikának (amire csak az ’50-es évek után utaltak úgy, hogy „Koppenhágai interpretáció”), csak épp kísértetiesség és misztikus összeomlás nélkül. A Bohr által favorizált valószínűségi változat egy magában álló egyenletet, amely a valószínű és valószínűtlen előfordulási helyeit írja le a részecskéknek hullámhegyek és völgyek formájában. Bohr úgy értelmezte ezt a valószínűségi hullám egyenletet, mint a részecske komplett definícióját. Viszont de Broglie arra biztatta kollégáit, hogy két egyenletet használjanak: az egyik valós, fizikai hullámot ír le, a másik a hullámegyenlet változóihoz köti az aktuális, konkrét részecske útját, vagyis kölcsönhatásban és meghajtva van a hullámmal ahelyett, hogy definiálva lenne általa.

Példának vegyük a kétrés kísérletet. De Broglie vezérhullám ábrázolásában minden elektron a két rés egyikén megy át, de befolyása alá kerül a vezérhullámnak, ami mindkét résen keresztülhalad. Mint az uszadék az áramlásban, a részecske olyan helyekre gyűlik, ahol két hullámfront kooperál, és oda nem megy, ahol kioltják egymást.

De Broglie nem tudta előrejelezni a pontos helyét, hogy az egyes részecskék hova érkeznek – csak úgy, mint Bohr változata, a vezérhullám teória is csak a lehetséges kimenetelek statisztikai eloszlását jósolja meg, vagyis a sötét és világos csíkokat – de a két tudós kétféleképp interpretálta ezt a hiányosságot. Bohr azt állította, hogy a részecskéknek nincs kifejezett pályájuk; de Broglie úgy érvelt, hogy van nekik, csak épp nem tudjuk megmérni kellő pontossággal a részecskék kezdőpozícióját, hogy levezessük belőle a pontos útvonalat.

Alapjában véve a vezérhullám teória determinisztikus: a jövő a múltból dinamikusan fejlődik ki, ezáltal ha az univerzum összes részecskéjének pontos állapota adva van egy adott pillanatban, akkor  bármelyik jövőbeli állapotuk kiszámolható.

A Solvay-konferencián Einstein kifogást emelt a valószínűségi univerzummal szemben és tréfálkozott, hogy „Isten nem játszik kockákkal”, de ambivalensnek mutatkozott de Broglie alternatívájával kapcsolatban. Bohr azt mondta Einsteinnek, hogy „ne mondja meg Istennek, hogy mit tegyen”, és (vitatott okok miatt) a nap győztese lett. 1932-ben, amikor a magyar–amerikai Neumann János azt állította, hogy a valószínűségi hullám egyenletnek a kvantummechanikában nem lehetnek „rejtett változói” (vagyis hiányzó komponensei, mint de Broglie részecskéinek jól definiált pályája), a vezérhullám elmélet oly kevéssé volt elfogadott, hogy a legtöbb fizikus elolvasása nélkül elhitte Neumann bizonyítását.

Több, mint 30 évnek kellett eltelnie, hogy Neumann bizonyítása végre hamisnak bizonyuljon, de addigra a károkozás megtörtént. David Bohm fizikus feltámasztotta a vezérhullám teóriát módosított formában 1952-ben, Einstein bátorításával, és tisztázta, hogy működőképes, de soha nem kaptak rá. (Az elmélet de Broglie-Bohm teóriaként vagy Bohm-i mechanikaként is ismert.)

Később az északír fizikus, John Stewart Bell továbbhaladt egy nagy hatású tétel bizonyításával, amelyet sok mai fizikus félreértelmezve ért úgy, hogy lehetetlenné teszi a rejtett változók létét. De Bell támogatta a vezérhullám elméletet. Ő volt az, aki kiszúrta a hibát Neumenn eredeti bizonyításában. 1986-ban ő írta a vezérhullám teóriáról, hogy „olyan természetesnek és egyszerűnek látom, olyan tisztán és megszokott módon oldja meg a hullám-részecske dilemmát, hogy nagyon különös számomra, hogy miért lett általánosan elutasítva.”

A mellőzöttség folytatódik. Az évszázad alatt a standard, valószínűségi megfogalmazása a kvantummechanikának kombinálva lett Einstein speciális relativitáselméletével és tovább lett fejlesztve a Standard Modellé, ami egy bonyolult és precíz leírása a legtöbb részecskének és erőhatásnak az univerzumban. A kvantummechanika furcsaságaihoz való hozzászokás a fizikusok egyfajta beavatási rítusává vált. A régi, determinisztikus alternatíva a legtöbb könyvben már említésre sem kerül; a szakterülettel foglalkozók többsége még csak nem is hallott róla. Sheldon Goldstein, a Rutgers Egyetem matematika professzora, fizikus és filozófus, támogatója a vezérhullám teóriának, az „évtizedes doktrínaerőltetés” során a teória „természetellenes” elutasítását hibáztatja. A mostani stádiumban a kutatók a karrierjüket kockáztatják ha megkérdőjelezik a kvantum ortodoxiát.

Egy kvantumnyi csepp

Most végre a vezérhullám teória kisebb visszatérése tapasztalható – legalábbis a folyadék-dinamikusok közt. „Bárcsak hozzáfértek volna ezekhez a kísérletekhez azok az emberek, akik a kvantummechanikát fejlesztették az múlt évszázad kezdetén,” – fakadt ki Milewski –  „mert akkor a kvantummechanika történelme máshogy alakulhatott volna.”

A kísérleteket tíz éve kezdték, amikor Yves Couder és kollégái a párizsi Diderot Egyetemen felfedezték, hogy vibrációnak kitett szilikonolaj fürdőben egy bizonyos frekvencia olyan cseppecskét indukálhat, ami pattog a felszínen. Úgy találták, hogy a cseppecske pályája a felszín azon görbülete által vezérelt, amit a cseppecske pattogása maga generált – ami a de Broglie vezérhullám koncepciójával analóg kölcsönös részecske-hullám interakció.

Egy úttörő kísérletben a párizsi kutatók a cseppecskerendszert használták fel, hogy demonstrálják az egy- és kétréses interferenciát. Felfedezték, hogy amikor a cseppecske átpattog a gátszerű réspáron, bár pusztán az egyik vagy a másik résen halad át, azonban a vezérhulláma mindkét résen keresztülhalad. Megismételt próbák sora megmutatta, hogy a vezérhullám átfedő hullámfrontjai bizonyos elkülönült helyekre kormányozzák a cseppecskét, és sohasem ezek közé – ami egy jól látható mása a kvantumos kétrés kísérleteknek, amiket Feynman úgy jellemzett, hogy „lehetetlen … megmagyarázni klasszikus módszerrel.” Ráadásul látszólag pusztán a részecskék pályáját megmérve „összeomolhat” a szimultán valóságuk, a vezérhullám megzavarásával a pattogó cseppecske kísérletben szétzilálódik a az interferencia mintázat is.

A cseppecskék képesek látszólag „átfurakodni” akadályokon, vagy keringeni egymás körül stabil „összekapcsolt állapotokban”, és a kvantum spinnel és elektromágneses vonzerővel analóg tulajdonságokat mutatnak. Ha kör alakú területre korlátozzák őket, egy karámba, akkor koncentrikus köröket alakítanak ki, analóg módon az állóhullámokhoz, amiket elektronok generálnak kvantum karámokban. Még annihilálódni is képesek felszín alatti buborékokkal, ez a hatás pedig az anyag-antianyag részecskék közös megsemmisülésére emlékeztet.

Minden tesztben a cseppecske kaotikus útvonalon cselleng, ami idővel ugyanazokat a statisztikai eloszlásokat építi fel a folyadékrendszerben, mint ami elvárt kvantumos léptékben. De ahelyett, hogy ez határozatlanság eredménye lenne, vagy a realitásokat nélkülözné, ezek a kvantum-szerű hatások a kutatók szerint „útvonal memória” által vezéreltek. Minden pattanása a cseppecskének fodrozódás formájában nyomot hagy, és ezek a hullámfodrok kaotikusan de determinisztikusan hatnak a cseppecske jövőbeli visszapattanásaira és kvantum-szerű statisztikai kimenetelekhez vezetnek. Az adott folyadék minél több útvonalmemóriára képes – vagyis minél kevesebb fodrocska vész kárba – annál élesebbé és kvantumszerűbbé válik a statisztikája. „A memória generálja a káoszt, ami a megfelelő valószínűségeket adja” – magyarázza Couder. „Mi tisztán látjuk a rendszerünkben az útvonalmemóriát. Ez nem szükségszerűen jelenti azt, hogy ez létezik a kvantum objektumoknál is, épp csak a lehetőségét sugallja.”

A kvantum statisztika nyilvánvaló akkor is, amikor a cseppecskék külső hatás alá kerülnek. Egy friss teszt során Couder és kollégái egy mágnest helyeztek az olajfürdőjük közepébe és egy ferrofluid (ferromágneses folyadék) cseppet vizsgáltak benne. Ahogy az elektron meghatározott energiaszinteken helyezkedik el az atommag környékén, a pattogó cseppecske is diszkrét helyeken foglalt el stabil pályákat a mágnes körül, melyeket adott energiaszint és impulzusmomentum jellemzett. A diszkrét csomagokba „kvantálása” ezeknek a tulajdonságoknak általában a kvantumbirodalom jellemző definiálásaként értelmezhető.

Ha a tér és idő szuperfolyadékként viselkedne, vagy egy folyadékként, melynek egyáltalán nincsen disszipációja (vesztesége), akkor elképzelhető, hogy az útvonal-memória okot adhat a kvantum-összefonódás furcsa jelenségére is – amire Einstein „kísérteties távolhatásként” utalt. Amikor két részecske összefonódott állapotba kerül, az egyiken történő bármilyen mérés a másik állapotára is azonnal hatással van. Az összefonódás még akkor is kitart, ha a részecskék egymástól fényévnyi távolságokba kerülnek.

A standard kvantummechanikában ez a hatás a részecskék közös valószínűségi hullámfüggvényének azonnali összeomlásaként realizálódik. Az események vezérhullámos változatában egy kapcsolat két részecske közt egy szuperfolyadék-univerzumban olyan pályára állítja őket, amelyen örökké korrelálni fognak, mert a kölcsönhatás tartósan hat a szuperfolyadék kontúrjaira. „Ahogy a részecskék továbbmennek, érzékelik a maguk és az összes többi részecske múltban generált hullámmezejét” – magyarázta Bush. Más szavakkal: a vezérhullám mindenhová kiterjed, „és ezáltal biztosít egy mechanizmust, hogy beszámíthassuk ezeket a nemlokális korrelációkat.” Mindazonáltal a cseppecskék összefonódásának kísérleti próbája még távoli cél marad.

Szubatomikus realitások

A folyadék-dinamikusok közül sokan foglalkoznak vagy szimpatizálnak azzal, hogy az új kutatások meggyőzővé tették, hogy van egy klasszikus, a folyadék alapú magyarázata a kvantummechanikának. „Úgy gondolom, hogy túl sok az egybeesés” – mondta Bush, aki a júniusi munkatalálkozót vezette a témában Rio de Janeiróban, és egy összefoglalót ír a kísérletekről az Annual Review of Fluid Mechanics számára.

Az eredményeket a kvantumfizikusok kevésbé jelentősnek látják. Elvégre a folyadékkutatások nem biztosítanak közvetlen bizonyítékot a vezérhullámok által hajtott részecskékre kvantumos léptékekben. A meglepő analógia az elektronok és olajcseppek közt ráadásul nem hoz újabb és jobb kalkulációs lehetőségeket. „Személy szerint úgy gondolom, hogy nem sok köze van a kvantummechanikához” – nyilatkozta Gerard't Hooft, a holland Utrecht Egyetem Nobel-díjas részecskefizikusa. Úgy gondolja, hogy bár a kvantum teória nem teljes, de a vezérhullám teóriát elutasítja.

Sok, kvantumfizikában tevékenykedő fizikus megkérdőjelezi a nagyon is sikeres Standard Modell újraépítésének értékét. „Azt gondolom, hogy ezek a kísérletek nagyon okosak és tágítják a tudást” mondta Frank Wilczek, az MIT Nobel díjas fizikaprofesszora, „de csak néhány lépésnyire visznek egy nagyon hosszúnak kínálkozó úton, ami a hipotetikus klasszikus mögöttes elmélettől az olyan sikeres kvantummechanikáig tart, amilyennek most ismerjük.”

„Ez tényleg egy nagyon hatásos és látványos manifesztációja a vezérhullám jelenségnek” – mondta Lloyd. „Észbontó – de nem fogja egyhamar helyettesíteni az aktuális kvantummechanikát.”

Az aktuális, éretlen állapotában a vezérhullám-megfogalmazása a kvantummechanikának csak egyszerű interakciókat ír le az anyag és az elektromágneses mező közt David Wallace, az Oxfordi Egyetem filozófusa és fizikusa szerint, és még egy egyszerű villanykörte fizikáját sem adja meg. „Önmagában nem képes túl sokat reprezentálni a fizikából” – mondta Wallace. „A saját nézőpontom, hogy ez most a legsúlyosabb problémája a teóriának, bár elismerem, hogy továbbra is aktív kutatási terület marad.”

A vezérhullám elmélet arról híresült el, hogy nehézkesebb, mint a standard kvantummechanika. Néhány kutató állítása szerint a teóriának problémái vannak az azonos részecskék kezelésével, és ormótlanná válik többrészecskés interakciók leírásakor. Azt is állítják, hogy kevésbé elegánsan kombinálható a speciális relativitáselmélettel. Más kvantummechanikai szakemberek viszont ezzel nem értenek egyet, vagy állítják, hogy a terület egyszerűen nincs eléggé feltárva. Talán csak erőfeszítés kérdése, hogy átdolgozva legyenek a kvantummechanika jóslatai a vezérhullám nyelvezetére, mondta Anthony Legget, az Illinois Egyetem Nobel-díjas fizikaprofesszora. „Bárki személyes ízlése szerint gondolhatja, hogy megéri-e a sok időt és erőfeszítést,” – tette hozzá – „de én úgy gondolom, nem.”

Másrészt, ahogy Bohm érvelt 1952-es írásában, egy alternatív megfogalmazása a kvantummechanikának ugyanahhoz a predikciókhoz vezethet mint a standard változat kvantumos léptékekben, talán különbözhet, ha a természet még kisebb felbontásaihoz ér. Az egyesített elmélet minden skálán történő kutatása során „könnyen rossz úton maradhatunk hosszú ideig, ha a kvantummechanika szokásos értelmezésére korlátozzuk magunkat”, írta Bohm.

Néhány rajongó úgy gondolja, hogy a folyadékalapú megközelítés valóban a megoldás kulcsát jelentheti a kvantummechanika és Einstein gravitációs teóriája közt régóta fennálló konfliktusnak, végtelen kicsiny léptékeknél.

„Meg van a lehetősége annak, hogy megkereshetjük az egyesített elméletét a Standard Modellnek és a gravitációnak az alatta fekvő realitás szuperfolyadék rétegét figyelembe véve.” mondta Ross Anderson, a Cambridge Egyetem számítógép tudósa és matematikusa, és a folyékonyság-kvantumosság analógia írás szerzőtársa. A jövőben Anderson és munkatársai a „rotonok” (részecskeszerű gerjesztések) tanulmányozását tervezik, szuperfolyékony héliumban, ami még közelebbi analógiáját teszi lehetővé a „szuperfolyékony valóságmodellnek.”

De jelenleg a kvantumgravitációhoz kapcsolódások csak spekulatívak, és fiatal kutatók számára kockázatos eszmék. Bush, Couder és más folyadék-dinamikusok remélik, hogy a kvantum-szerű jelenségek növekvő számú demonstrációi egyre meggyőzőbbé teszik a determinisztikus, folyadék kinézetű kvantummechanikát.

„A fizikusok ellentmondásosak a dologgal kapcsolatban, és az emberek semmitmondóak ebben a szakaszban” – mondta Bush. „Mi csak törünk előre, és az idő majd dönt. Az igazság a végén győzni fog.”

Fordította: Cseresznye Zsolt - Quantumpair blog       

Forrás: Simonfoundation.org, Wired.com