Mi a valóság?

A valóság - legalábbis ahogy a kvantumfizika jelenlegi kísérleti eredményei sugallják - még csak nem is hasonlít arra, amit vizuálisan érzékelünk.

Nincsenek például jól meghatározható helyzetű tárgyak, sem élőlények. Egyáltalán nem biztos, hogy az öntudatunk a sajátunk, és főleg nem, hogy a testünkhöz köthető. Nem biztos, hogy létezik szabad akarat, vagy ha mégis, akkor egészen másképp, mint ahogyan ma gondoljuk. 

Nem biztos, hogy a fénysebesség az elérhető legnagyobb sebesség; nem biztos (sőt igen valószínűtlen), hogy csak 3 térdimenzió van, és hogy az idő bármiben is különbözik ezektől. Végül, nem biztos, hogy létezik egyáltalán olyan, hogy objektív világegyetem; vagy éppen megfigyelt pillanattól független jelen, jövő, vagy múlt.

Éppen ellenkezőleg, számtalan jel mutat arra, hogy a világegyetem részben vagy talán teljes egészében "szubjektív" hely: vagyis minden öntudattal rendelkező élőlénynek (még általánosabban: minden önmaga és a külvilág érzékelésére képes rendszernek) saját, egymásétól tetszőlegesen különböző világegyeteme van; az objektívnek hitt univerzum pedig talán csak ezek szuperpozíciója, amely csak azon pontokon és úgy kapcsolódik, illetve válik érzékelhetővé (megfigyelhetővé), a többi, öntudattal rendelkező rendszer (élőlény, vagy azok csoportja) számára, hogy ne okozzon paradoxont semmilyen szemlélő esetében sem.

És ami az egészben a legszebb (egyben tudományos hitelesség szempontjából  legfontosabb), hogy mindezeket nem filozófusok álmodták meg a "semmiből". Éppen ellenkezőleg, szigorúan kontrollált körülmények között elvégzett kvantumfizikai kísérletek egész sora igazolja, illetve vetíti előre a döbbenetes állítások jelentős részének létjogosultságát.

És hogy mégis hogyan? Kezdjük az elejéről!

A legszebb kísérlet

Az ún. kétrés (double-slit) kísérletet, mint majdnem minden alapvető hullámfizikai jelenséget látványosan és döbbenetesen egyszerűen illusztrálni képes összeállítást az évtized első felében hivatalosan is a világ leggyönyörűbbjének választották ("The most beautiful experiment, Physics World, 2002 september").

 

Bár maga az elrendezés és annak folytonos fénnyel, valamint folyadékokkal (pl. hullámzó vízzel) elvégzett változatai évszázados múltra tekintenek vissza, a kétrés-jelenségek kvantumfizikai vizsgálata csak az utóbbi évtizedekben vált kivitelezhetővé a lézerek és a különleges optikai eszközök, mint például a fényrészecskék (fotonok) felbontására képes kristályok, prizmák fejlődése nyomán.

 

Mielőtt a kvantumfizika rejtelmeibe mélyednénk, vizsgáljuk meg még egyszer, hogyan is működik normál esetben ez az egyszerű összeállítás!

Két, egymástól nem túl távol lévő rést helyezünk koherens fényforrás, vagy akár vízben terjedő hullámok elé, és azt vizsgáljuk, hogy ezek milyen mintázatot alakítanak ki az átellenes oldalon lévő falon vagy képernyőn. 

Hullámzó interferencia-csíkokat fogunk kapni, ami nagyon egyszerűen megérthető, ha modellezzük a két résen áthaladó fény, vagy vízhullámok útját. A két-két résen áthaladó hullámok az ernyő egyes pontjait elérve más-más hosszúságú utat járnak be, és emiatt eltérő fázisban érkeznek meg, így végső soron helyenként erősítik, másutt gyöngítik (vagy éppen teljesen kioltják) egymást.

Idáig tehát nem ért minket különösebb meglepetés; a jelenség a klasszikus fizikai jelenségek kivetítésével is tökéletesen érthető és megmagyarázható.

Ha viszont a kísérletet lézer vagy fény helyett elektron-nyalábbal végezzük el, akkor igen csak el kell, hogy csodálkozzunk - mivel a kapott eredmény akkor is ugyanilyen, hullámzó mintázat lesz (a kihalófélben lévő katódsugárcsöves TV-k elektronágyúja és fluoreszcens képernyője pont megfelel ehhez).

Itt válik érdekesé a dolog - az elektronok ugyanis a klasszikus fizikában például tömeggel és számtalan egyéb jól meghatározható jellemzővel rendelkező anyagi részecskék (ellentétben a fénnyel, amely legalább annyira hullám-természetű is). De akkor hogyan tudnak az elektron-nyaláb apró, anyagi részecskéi interferencia-csíkokat rajzolni a túloldalon lévő képernyőre?

A furcsa megfigyelésre adott legegyszerűbb magyarázatnak eleinte az tűnt, hogy a részecskék sokasága - a két résen való átrepülés során - kényszerűen olyan pályát vesz fel, amelyen egymásnak ütköznek, akár többször is, kitérítve egymást, és a folytonos kölcsönhatás miatt módosuló röppályák végső soron egymást befolyásolva hoznak létre sűrűbb és ritkább becsapódási mintázatokat az ernyőn.

Ez hihetőnek tűnt, egészen addig, amíg ki nem próbálták, hogy mi történik, ha egyszerre csak egyetlen egy elektront lőnek át a rendszeren - kizárva az egymást módosító nyalábok kölcsönhatásának lehetőségét. Teljes képtelenség, hogy interferencia-képet kapjunk - gondolhatnánk a klasszikus fizikát alapul véve. De mindig érhetnek meglepetések, ha túl biztosak vagyunk világképünkben.

Ahol a misztikum kezdődik

Egy elektron elméletileg egy nagyon-nagyon parányi elemi részecske - az általunk ismert anyagok miniatűr építőköve. Kizárt dolog, hogy egyszerre két különböző helyen legyen (mint például a kétrés kísérlet nyílásai), főleg ha azok a helyek milliószor távolabb vannak egymástól, mint az elektron mérete. Így az is kizárt dolog - gondolhatnánk - hogy mindkét résen egyszerre haladva át, önmagával interferáljon.

Nos, látszólag nem is ez történik, hanem valami még ennél is furcsább. Egy önálló elektron (és egy fény-foton is), a kétrés-kísérletben valójában mindig csak egyetlen, jól meghatározható (de előre ki nem számítható) helyen csapódik be a túloldalon lévő képernyőre. Nem hoz létre semmilyen mintázatot, csak egy pontot.

Az igazán elképesztő és klasszikus világképünkkel teljességgel megmagyarázhatatlan jelenség akkor válik megfigyelhetővé, ha egymás után sokszor megismételjük ugyanezt (tehát, hogy egy-egy önálló elektront, vagy fény-fotont lövünk át a kétrés-kísérletben). A sok száz, ezer vagy tízezer egyedi részecske végül - ha becsapódási pozícióikat összegezzük - kialakítják az interferenciaképet, vagyis azt a mintázatot, amihez elvben azonos és egyidejű forrású hullámok interferenciája szükséges.

Hogyan lehetséges ez? Eddigi világnézetünkkel - sehogy. Mégis megtörténik.

Bár a kísérlet annak idején kevés publicitást kapott, minden résztvevő tudóst ámulatba ejtett, és elgondolkodtatott azzal kapcsolatban, hogy valamit esetleg döbbenetesen félreértelmeztünk: eddig.

Be kell, hogy lássuk - igazuk van. De a rejtély még ennél is mélységesebb, ráadásul kényes, a tudomány által alig kezelhető kérdéseket vet fel, ha tovább vizsgálódunk.

Az alábbi, egyik legelső videót a jelenségről a népszerű szórakoztató elektronikai termékeket gyártó japán Hitachi cég kutatói készítették, kommentárjukban pedig kiemelték - "We have reached a conclusion which is far from what our common sense tells us" (Olyan következtetésre jutottunk, amely ép ésszel fel sem fogható) 

A mérés és a megfigyelő szerepe

A fizikusok természetesen megpróbálták megfejteni ezt az igencsak rázós találós kérdést, vagyis megérteni, hogyan interferálhatnak egymással, vagy éppen önmagukkal az időben teljesen elkülönített, független részecskék?

Értelemszerűen ennek megválaszolásához először valahogy meg kellett próbálniuk kitalálni, hogy melyik résen haladnak át a fotonok vagy elektronok, mielőtt az ernyőre vetülnének. Ennek érzékelésére ma már számtalan technikai lehetőség van; a tudósok végigpróbálták mindegyiket.

Ám válasz helyett egy még nagyobb rejtéllyel találták szemben magukat. Ha érzékelőket helyeztek a rendszerbe, amelyek képesek voltak erre a mérésre, akkor a mérés minden alkalommal sikerült ugyan (tehát minden egyes részecskéről jól elkülöníthetően meg lehetett határozni, melyik résen haladt át) - viszont a hullámzó interferencia-kép is teljesen eltűnt az ernyőről ugyanebben a pillanatban. Helyette egy unalmas, elmosódott szélű foltot alkottak mind az elektronok, mind a fotonok, azon réssel szemben, amelyiken a mérés szerint áthaladtak - az interferencia-kép "összeomlott", a hullámfüggvény megsemmisült.

A fizikusokat először csak meglepte, de még nem sokkolta ez a jelenség. Hiszen köztudott, hogy bármilyen "mérés" valójában kölcsönhatás a megmért objektum és a mérőeszköz között; ez pedig megvátoztatja mindkettőjük állapotát, jellemzőit.  Az interferencia-kép összeomlását azzal magyarázták, hogy a mérés (például a repülő elektronok fotonokkal, vagyis fénnyel való megvilágítása) olyan mértékben zavarta a parányi részecskéket, hogy azok nem voltak képesek eredeti pályájukon zavartalanul tovább haladni, és így érthető, hogy nem tudtak az ernyőn "interferálni".

Ez a magyarázat egy ideig tartotta magát, de később kiderült, hogy interferencia-kép kialakítására nem csak fotonok vagy elektronok, hanem jóval összetettebb és nagyobb tömegű struktúrák - mint például atomok, vagy molekulák - is egyaránt képesek. A 90-es évek elején elvégzett kísérletekben a tudósok trükkös megoldást találtak a "melyik-rés" kérdés kísérleti érzékelésére anélkül, hogy a mérés az atomokat elvben jelentősen zavarhatta volna repülési útvonalukon, bármi is legyen az. Konkrétan, lézerrel vagy mikrohullámú sugárzással gerjesztették az atomokat, még mielőtt elérték volna a réseket, így azok a felvett energiát fény (vagyis egy-egy foton) kisugárzásával kénytelenek voltak leadni. Az érzékelőket úgy állították be, hogy ne magukat az atomokat, hanem az általuk kibocsájtott fény-részecskéket érzékeljék. Így végső soron, indirekt módon tudomást szerezhettünk volna a repülési útvonalról (tehát, hogy melyik résen haladt át éppen az adott atom), viszont az interferncia-képnek is illett volna megmaradnia.

Mondanunk sem kell, hogy nem ez történt. Az interferencia-kép ugyanúgy összeomlott, pedig a közvetett "mérés" atomokra gyakorolt hatása olyan elképesztően csekély volt, hogy elvileg nem okozhatott volna semmilyen érzékelhető eltérést.

Még néhány ezer újra és újra elvégzett kísérlet, trükkösebbnél trükkösebb mérés és érzékelési mód után a kutatók már kezdték úgy látni, hogy fizikailag NEM maga a mérés omlasztja össze az interferencia-képet. Hát akkor micsoda? 

És innentől válik nagyon-nagyon  kényessé a kérdés a fizikusok számára.

Az alábbi videó, bár angol nyelvű, a fentieket igen szemléletesen ábrázolja - még nyelvtudás nélkül is érdemes lehet megtekinteni.

Kényes kérdések

Számos - kísérletileg is alátámasztott - vélemény szerint ugyanis mi magunk, a kísérlet megfigyelői okozzuk a hullámfüggvény - vagyis a részecske szabadságának - összeomlását. Ha bármilyen módon tudomást szerzünk arról, hogy merre járt a részecske, akkor éppen miattunk veszíti el azt a szabadságát, hogy egyszerre lehessen mindkét helyen vagy éppen egyiken sem; enélkül ugyanis nem interferálhat "önmagával".

Másképp fogalmazva - ha kíváncsiságunkkal "kikényszerítjük" az útvonal-információt, akkor abban a pillanatban a részecske elveszíti hullámtermészetét, és egy unalmas, jól meghatározott pályán repül tovább. Ha viszont nincs lehetőségünk erre, akkor a részecske ismét "szabaddá" válik, és vidáman, figyelmen kívül hagyva az általunk ismert világ fizikai korlátait, egyszerre lehet mindkét helyen amikor áthalad a kétrés-kísérlet akadálypályáján.

Ez azt jelentené, hogy egy tudatos megfigyelő szükséges a hullámfüggvény öszeomlásához? Például egy ember? Vagy elég az is, ha a műszereink megmérik az útvonal-információt, anélkül, hogy bárki kiértékelné az eredményeket? Összeomlana-e a hullámfüggvény, vagy érintetlenül interferálna tovább önmagával?

A fizika tudománya nem ismeri az "öntudat" fogalmát, sőt, nem is tud mit kezdeni vele, ezért a tudósok nagy része olyan megoldást keres, amelyben nincs jelentősége annak, hogy a kísérlet megfigyelőjének van-e az általunk ismert értelemben "öntudata". Ám lehetséges, hogy a fizika téved ebben. Vagy a fizikának igaza van, ebben az esetben viszont az "öntudat" fogalma nem, vagy nem feltétlenül szűkíthető le az emberi faj képviselőinek szűk csoportjára. Sőt, még az élőlények szintjére sem. Lehetséges - mint ahogy azt már korábban is írtuk - hogy a megfigyelő bármilyen struktúra lehet. Egy molekula, egy vírus, egy kődarab, egy bolygó vagy éppen a Nap; egy erdő és egy sivatag, de éppúgy a tengervíz egy molekulája és a sivatag egy homokszeme együttesen is.

Mielőtt beleszédülnénk ezen lehetőségek végtelenjébe, meg kell ismernünk néhány nagyon fontos fizikai vagy éppen gondolat-kísérletet, amely szorosan kapcsolódik témánkhoz - és amelyek nem kevésbé különleges értelmezésekre adhatnak okot.

Schrödinger macskája

Az egyik leghíresebb ilyen, igencsak paradox kísérlet már majdnem 100 éves, és azóta sem tud a tudományos világ egységes álláspontot kialakítani annak megítélésében. Több száz könyv, több ezer cikk és tanulmány született már az élőhalott macska értelmezésének témájában: mindhiába. Nincs egységes álláspont.

A kísérletben - amelyet szerencsére a valóságban sohasem végeztek el, és remélhetőleg soha nem is fognak (nem csak humanitárius okokból, hanem azért is, mert a kísérlet konkrét eredménye voltaképpen lényegtelen) - egy aranyos cica életét tesszük függővé egy kvantumfizikai szinten teljesen véletlenszerűnek tekintett, 50-50 %-ban bekövetkező folyamat kimenetelétől.

Konkrétan, egy külvilágtól hermetikusan elzárt dobozba zárjuk kedvenc macskánkat, egy óra időrartamra, egy instabil izotóppal, valamint egy annak esetleges bomlását érzékelő műszerrel (pl. Geiger-számlálóval). Ha az izotóp elbomlik - aminek pontonsan 50 % a valószínűsége egy órán belül - a műszer azt érzékeli és gonosz módon összetör egy apró kémcsövet, amiben cianid kapszula van és gyorsan, fájdalommentesen, de végérvényesen jobb létre szenderíti a cicát. Ha viszont az izotóp nem bomlik el - amire éppúgy 50 % az esély - akkor nem történik semmi, és egy óra múva kinyitva a dobozt, keblünkre ölelhetjük kedvencünket.

A doboz viszont egy óráig zárva van, és semmit, de semmit nem tudhatunk arról, hogy mi történt odabent (elbomlott-e az izotóp, vagy sem). Csak akkor, amikor kinyitjuk a dobozt derül ki, hogy a macska megúszta-e az igencsak kétesélyes orosz rulettet. A lényeg az, hogy amíg ki nem nyitjuk a dobozt, addig éppolyan valószínű, hogy a cica él és virul, mint az, hogy jobblétre szenderült.

Fontos megértenünk, hogy az izotópok időbeli bomlása éppolyan jelenség, mint a kétrés-kísérletben a részecskék útvonalválasztása. Amíg meg nem nézzük, melyik valósult meg a kettő közül - vagyis, hogy az izotóp elbomlott-e, vagy sem, illetve hogy a foton a baloldali, vagy a jobb oldali résen haladt át - addig a két állapot "egyszerre" létezik. Vagyis, a macska élő és halott egyszerre, a fotonok pedig mindkét résen áthaladnak.

Ha viszont kinyitjuk a dobozt - vagy megmérjük a fotonok röppályáját - akkor a hullámfüggvény "összeomlik", és immár nem élőhalott macskát, hanem egy élő VAGY halott macskát fogunk látni, de a kettőt semmiképpen sem egyszerre.

Innentől persze a kérdés legalább annyira filozófia, mint fizika; a macskát sohasem láthatjuk élőhalott állapotban, hiszen megfigyelésünkkel "összeomlasztjuk" a hullámfüggvényt éppúgy, ahogy a fotonok repülési útvonalát. Ez vajon paradoxon? Itt élesen elválnak egymástól az értelmezések.

A Koppenhágai értelmezés

Schrödinger élőhalott macskája a 20. század egyik legnagyobb tudománytörténeti vitáját váltotta ki, amely máig sem ért véget - sőt, a kvantumfizikai kísérletek tükrében egyre érdekesebbé válik. Már Einstein és Schrödinger is hosszan leveleztek róla, később egész konferenciák témája volt, évtizedekig. A Koppenhágai értelmezés szerint a macska valóban "zombi" addig, amíg ki nem nyitjuk a dobozt, de amint ez megtörténik - és azt megfigyeljük - a hullámfüggvény törvényszerű összeomlásával a macska végérvényesen felveszi az egyik, vagy másik állapotot, és világegyetemünk eszerint alakul tovább. 

A Koppenhágai értelmezés szerint tehát csak egyetlen, jól meghatározható kimenetele lehet a kísérletnek, és minden szemlélő azt fogja látni: amint kinyílik a doboz.

Ez egy egyszerű és logikus, paradoxonoktól mentes álláspont, és ezért máig sokan kedvelik. De van egy csavaros, mégis tökéletes ellenérv, amely megkérdőjelezi azt.

Mi történik, ha valaki egy óra elteltével kinyitja a dobozt, szomorúan tapasztalja, hogy a macska elpusztut, majd visszacsukja a dobozt; viszont mielőtt bárkivel beszélhetne erről, a fejére esik egy tégla, és maga is jobblétre szenderül. Barátja (Wiener's friend) a balesetről mit sem tud, de bemegy a laborba, kíváncsian újra kinyitja a dobozt, és csodák-csodája: a cica él és virul. 

Be kell, hogy lássuk, hogy a kvantumfizika varázslatos világában (amely a mi világunk is egyben) ez igenis lehetséges. Hiszen, ha maga a megfigyelés omlasztja össze a valószínűségi hullámot, akkor egy másik, független megfigyelés épp olyan valószínűséggel juthat teljesen ellentétes eredményre.

Akkor ez most azt jelenti, hogy mi magunk döntjük el, hogy a macska élő, vagy halott legyen-e? Egy tudatos megfigyelő kívánságai határozzák meg a világegyetemet? Vagy csak elszenvedni kénytelenek a tudatos megfigyelők az egyik, vagy másik szubjektív állapotot? És mi van, ha a két független megfigyelés eredménye nem egyezik?

Ez a paradaxon vezetett a Több-világegyetem (Multiverzum-értelmezés) kialakításához.

A Multiverzum-értelmezés (Many-Worlds Theory)

Az értelmezés szerint a hullámfüggvény valójában soha nem omlik teljesen össze -legalábbis ami a létező világok összességét jelenti -, viszont minden egyes megfigyelő, aki eltérő eredményt tapasztal, azonnal egy új, független téridőbe kerül, amelynek nincs többé kapcsolata a következő megfigyelők világegyetemével. 

 

Más szavakkal, a világegyetem "elágazik", vagy kettéválik minden olyan esetben, amikor egy megfigyelés kikényszeríti a hullámfüggvény látszólagos összeomlását. Tehát Schrödinger macskája esetében legalább két világegyetem születik; az  egyikben a macska tovább él, és mindenki aki megfigyeli, élőnek látja; míg a másikban házi kedvencünk a cica-mennyországban kergeti tovább az egereket. Ettől függetlenül a hullámfüggvény sértetlen marad, de csak a multiverzum szintjén értelmezve: az egyes elágazó univerzumok annak összeomlott állapotát tapasztalják.

Ahogy azt látni fogjuk, a kísérlet értelmezésének analógiája nagyon sok esetben fontos szerepet játszik majd az interferencia-kép értelmezésében; most visszatérünk a parányi részecskék világába, és megvizsgáljuk, milyen trükkös és érdekes eredményekhez vezet, ha egy kicsit "megbolondítjuk" a korábban ismertetett, klasszikus kétrés-kísérletet.

A Kvantumradír (quantum-eraser) kísérletek

Mint azt már említettük, a kutatók kezdték egyre inkább úgy látni, hogy a "melyik-rés", vagy "melyik-útvonal" közvetlen vagy közvetett megismerésével - vagy talán még megismerés nélküli, műszeres érzékelésével is - óhatatlanul összeomlik az interferencia-kép, mindegy, mennyire jelentéktelen a mérés fizikai hatása az interferáló részecskékre nézve.

Ekkor felvetődött, hogy mit történne, ha "megjelölnénk" vagy térben elkülönítenénk a szabadon mozgó részecskéket, de mielőtt megpróbálnánk a jelölés alapján kitalálni az útvonalukat, ismét "összekevernénk" őket, és így vetülnének a képernyőre.

Más szavakkal, mi történne, ha lehetőséget teremtenénk a "melyik-rés", vagy "melyik-útvonal" megismerésére, de végül nem használnánk azt ki? Mi lenne, ha "eltörölnénk" ismereteinket, mielőtt azok birtokába juthatnánk?

Ennek egy nagyon egyszerű módja az, ha például másként polarizáljuk az egyik, illetve a másik résen áthaladó fotonokat (függőlegesen vagy vízszintesen), de mielőtt az ernyőre vetülnének, egy ellentétes, de szimmetrikus polarizációs szűrővel ismét összekeverjük őket. (A polarizációs szűrők ma már meglehetősen hétköznapiak, olyannyira, hogy a kísérletet "házilag" is el lehet végezni; a 3-dimenziós mozikban is ilyeneket használnak a két szemünk számára a képek szétválasztására).

Nos, a Kvantumradír kísérletek újabb meglepő eredményt hoztak; noha a részecskéket megjelöltük a polarizációval, vagyis "megmértük" őket, de aztán eldobtuk a mérési eredményt, mielőtt azt megismerhettük volna, így az interferencia-kép újra megjelent az ernyőn. Egy újabb, kristálytisztának tűnő érv amellett, hogy nem a mérés, hanem mi magunk - a megfigyelők - omlasztjuk össze a hullámfüggvényt, ha "kikényszerítjük" az egyértelmű eredményt. 

Ekkor azonban a fizikusoknak egy ördögi ötlete támadt - mi lenne, ha kigúnyolnánk az éppen rajtunk nevető világegyetemet, és saját maga ellen fordítanánk ezt a tényt? Mi lenne, ha a megfigyelést akkor végeznénk el, amikor a részecskék már nem tudnak ellene semmit sem tenni? Ez vezetett az ún. "Késleltetett választásos kvantumradír-kísérletekhez" - amelyek - mint az sejthető - nem várt és elképesztő eredménnyel zárultak.

A tanulság, hogy a világegyetemet nem lehet csak úgy "kigúnyolni", úgy tűnik, bármennyit is csavarunk és trükközünk, mindig előáll valamivel, amire senki nem számított.

A késleltetett választásos kvantumradír-kísérlet

A trükk, amivel a tudósok próbálkoztak, valóban elismerésre méltó, és hatástalanságában is rendkívüli. Nagyon leegyszerűsítve, az alapelképzelés a következő volt.

Állítsuk össze a klasszikus kétrés-kísérletet, de az interferencia-ernyő legyen tetszés szerint elmozdítható, vagyis "kivehető" a fény, a fotonok, vagy a különálló elektronok útjából. A kivehető képernyő mögé pedig helyezzünk két optikai érzékelőt (mikroszkópot, távcsövet, stb), amely közül az egyik például csak a jobb oldali, a másik csak a bal oldali résre fókuszál.

Tegyük a helyére az interferencia-ernyőt, és lőjük ki egyesével a fotonokat vagy elektronokat, majd várjuk meg, amíg áthaladnak valamelyik (vagy mindkét) résen, és várjunk egészen addig, amíg majdnem elérik az interferencia-ernyőt. 

Ekkorra már réges-régen elvileg el kellett, hogy dőljön, hogy a részecske melyik résen haladt át, vagy esetleg mindkettőn egyszerre (hiszen fénysebességgel vagy közel fénysebességgel halad, és a következő pillanatban becsapódik, ill. becsapódna az ernyőbe), mi viszont még mindig dönthetünk, hogy hagyjuk-e ezt megtörténni. Ha a helyén hagyjuk az ernyőt, akkor szépen hullámzó interferencia-képet kapunk. Ha viszont hirtelen kiemeljük az ernyőt - a másodperc milliárdod része alatt - akkor a résekre fókuszáló optikai érzékelők valamelyike látni fogja a fotont, és tudhatjuk, hogy melyik résen haladt át igazából.

Tudjuk, hogy ahhoz, hogy az ernyőn inteferencia-képet kapjunk, a fotonnak vagy elektronnak egyszerre kell áthaladnia mindkét résen; térben, időben vagy ezek valamilyen kombnációjában. Viszont a kísérleti eremények szerint, ha kivesszük az ernyőt, SOHA nem látjuk őket egyszerre mindkét résen áthaladni. Mindig az egyik VAGY a másik "távcső" látja a felvillanást, de a kettő együtt sohasem.

Itt egy látszólagos paradaxonnal kerülünk szembe; hiszen mi az interferencia-ernyőt csak a leges-legutolsó pillanatban, akkor emeltük ki a rendszerből, amikor az már nem hathatott volna arra, hogy a részecskék melyik utat (vagy utakat) választották.

Ez látszólag olyan, mintha a mi későbbi döntésünk visszamenőleg megváltoztatta volna a múltat; vagyis ha a helyén hagyjuk az inteferencia-ernyőt, akkor interferencia-képet kapunk (mindig), pedig az csak a hullámfüggvény szabadsága esetén lehetséges; ha viszont az utolsó pillanatban kivesszük, mindig csakis az egyik résen látjuk beérkezni a részecskét. Márpedig ha mindig csak az egyik résen haladna át, nem okozhatna interferencia-képet. A döntést a kiemelésről viszont minden egyes esetben csak jóval azután hoztuk meg az ernyő kiemeléséről, miután már régen áthaladtak a résen, vagy réseken...

Vagy, ha nem a jelen változtatta meg a múltat, akkor honnan tudhatták volna "előre" a fotonok, vagy elektronok, hogy mi milyen döntést fogunk hozni? Honnan tudhatták volna, hogy átrepülhetnek-e mindkét résen, vagy csak az egyiken? Honnan tudhatták volna, hogy mi kikényszerítjük-e majd a döntést az egyértelmű útvonalukról, vagy hagyni fogjuk őket szabadon interferálni?

Hogy még jobban megértsük mindezt, képzeljük el ugyanezt a kísérletet nagyban. Nagyon nagyban, hogy pontosak legyünk.

Intergalaktikus késleltetett-választásos kvantumradír

Képzeljük el, hogy egy több milliárd fényévnyire lévő naprendszer bolygójáról néhány foton valamikor (több milliárd éve) kisugárzódott a Föld irányába. Csakhogy a távoli csillag és a Föld között egy órási, hatalmas tömegű galaxis lustálkodik.

Az ilyen hatalmas tömegű galaxisokról köztudott, hogy általában szupermasszív fekete lyukak találhatóak a középpontjukban, és erősen meggörbítik a teret (erről a jelenségről fotóink is vannak, tehát nagyon is létező); elhajlítják a mellettük elhaladó fény útját, és végső soron gigantikus méretű, gravitációs "lencseként" viselkednek. Így aztán lehetőségünk van olyan, jóval távolabbi csillagokat, bolygókat vagy égitesteket is megpillantani, amik egyébként takarásban lennének.

Felismerhetjük, hogy ez az elrendezés tulajdonképpen egy óriási tér- és időbeli méretű kétrés-kísérlet, amelyben a távoli csillagról vagy bolygóról útnak indult foton elhaladhat a galaxis egyik oldalán, vagy a másikon - esetleg mindkettőn egyszerre.

Ha a Földön egy fényérzékeny lemezt fordítunk a beérkező fotonok felé anélkül, hogy a galaxis egyik vagy másik oldalára fókuszálnánk a lencsékkel, az apró fény-részecskék interferencia-képet fognak kialakítani. Ha viszont két távcsővel ráfókuszálunk a galaxis két szélére, akkor mindig csak az egyik távcsőben fogjuk látni a fotonokat felvillanni, külön-külön. De sohasem egyszerre.

Ne felejtsük el, hogy a fény, vagyis a fotonok erről a távoli, nagyon távoli bolygóról vagy csillagról már több milliárd éve úton vannak, és a gravitációs lencseként viselkedő galaxis mellett is hasonlóan hosszú ideje elhaladtak.

Mi viszont most, a jelenben dönthetünk arról, hogy tudni akarjuk-e, melyik utat választották, vagy meghagyjuk a szabadságukat, amely szerint egyszerre mindkét oldalon is jöhettek. Csakhogy ez, mint objektív tény, már milliárd évekkel ezelőtt el kellet, hogy dőljön.

A következtetés elkerülhetetlen - döntésünkkel ezen több milliárd év történetét írhatjuk újra, vagy változtathatjuk meg, esetleg alakíthatjuk ki, értelmezés szerint. Hiszen, ha távcsöveinkkel ráfókuszálunk a galaxis két szélére, akkor mindig csakis az egyik oldalon fogjuk látni a fotonok felvillanását, vagyis több milliárd éve is azok csakis azon az egy jól meghatározott úton "repülhettek" át felénk a térben. Ha viszont hagyjuk őket az interferencia-ernyőre esni, akkor interferncia-képet alakítanak ki, ami csak úgy lehetséges - ismét - ha egyszerre mindkét úton jöhettek.

Valóban képesek lennénk erre? Megváltoztatjuk, vagy csak kialakítjuk az eddig határozatlan múltat?

A Wheeler-féle értelmezés

A fenti (gondolat) kísérlet egyik legismertebb elemzője, és részben kitalálója, Wheeler szerint megváltoztatni ugyan nem vagyunk képesek visszamenőleg a múltat (ezzel megúsztuk a logikai paradaxont), viszont kialakítani azt igen.

Wheeler így fogalmaz - "The past does not exist until measured in the present" (A múlt nem létezik, amíg meg nem mérjük a jelenben).

Vagyis, a múlt tetszőlegesen képlékeny, amíg mi meg nem próbáljuk megismerni azt; és (mint például a galaktikus méretű gondolatkísérletben) a fotonok egyszerre repülnek csak az egyik oldalon, csak a másikon, és mindkét oldalon egyszerre. Vagyis, a valóság a lehetőségek szuperpozíciója, egészen addig, amíg meg nem figyeljük.

Wheeler értelmezése meghökkentő, de logikus. (Eddig.) Egyetlen alternatívája a Bohm nevéhez köthető, ún. "pilot-wave theory", amelyben a részecskék és a valószínűségi hullám függetlenek egymástól. Mindkét elképzelést nagy próbatétel elé állították azonban a legújabb, összefonódott részecske-párokkal kombinált, késleltetett választásos kvantumradír-kísérletek. Ezeknek számos változata létezik, de a lényegük ugyanaz - kideríteni, mi történik akkor, ha egyszerre van lehetőségünk megfigyelni egy részecskepár-ikrek valamelyikének jelenbéli viselkedését, és összehasonlítani mindezt az ettől függetlennek tekintett, késletetett választásunkkal az ikerpár másik tagján. A kísérlet elsőre bonyolultnak tűnik, de ne ijedjünk meg tőle.

Lássuk az igazi nagyágyút!

Összefonódott részecskepárok késleltetett választásos kvantumradír-kísérlete

Ezt a döbbenetes eredményekhez vezető kísérletet 1982 és 1999 között Yoon-Ho Kim, R. Yu, S.P. Kulik, Y.H. Shih, and Marlan O. Scully tervezték meg és hajtották végre, az eredeti mérési jegyzőkönyvek (a hitelesség kedvéért) itt találhatóak.

Az alább belinkelt videó a legtöbb részletet jól ismerteti, de néhány hiba is található benne, főleg, ami a végkövetkeztetéseket illeti - ettől függetlenül mindenképpen érdemes megnézni! (magyarázat, korrekciók és cikkünk folytatása a videó után)

A bemutatott kísérleti elrendezés egyébként helyesen van felvázolva (kivéve, hogy a BBO kristály a Glen-Thompson prizma része, és ahol a videóban a G-T prizma található, ott valójában egy egyszerű prizma van). Mindemellett annak elemeire fogunk hivatkozni, némi kiegészítéssel.

 

A következő történik. Először is, a kísérlet "lelke", a forrás egy olyan ultraibolya lézer, amely képes fotonokat egyenként kilőni magából. Az UV- fotonok ezután szabadon átrepülnek (mindenfajta mérés, vagy útvonal-meghatározás nélkül) egy kétréses apparátuson, ami után rögtön egy különleges kristályba ütköznek (bármelyik résen is haladtak át).

 

Ez a különleges kristály egy nemlineáris (BBO) optikai elem, amely kettéhasítja az UV-fotont két, különböző irányban kirepülő infravörös fotonná, amelyek tökéletesen összefonódott állapotban repülnek tovább a térben.

 

Megjegyzés - a párkeltésről, vagyis az összefonódásról már részletesen írtunk a Fénynél is gyorsabban c. cikkünkben; a lényege, hogy az így keletkező részecske-ikerpárok bármennyire is távolodnak el egymástól térben és időben, létezésük végéig azonnali és feltétlen kényszer-kapcsolatban maradnak egymással; ha bármi történik egyikükkel, az azonnal, késleltetés nélkül megváltoztatja a másikat is.Ez a hatás kísérletileg bizonyítottan fénysebességnél gyorsabban (azonnal) megy végbe, és ez a tény most rendkívül fontos a kísérlet megértéséhez.

 

A kísérleti vázlatban piros színnel jelöltük azoknak a foton-ikerpároknak az útját, amelyek látszólag a felső résen haladtak át (~=amennyiben az útvonaluk megismerését méréssel "kikényszerítjük"), kékeszöld színnel pedig azokét, amelyek az alsó útvonalat választották (~=volna, amennyiben színvallásra kötelezzük őket, az előbbiek szerint).

 

Megjegyzés - Az előbbi mondat, és annak feltételes módban megfogalmazott kitételeinek teljes megértése szintén elengedhetetlenek a kísérlet értelmezése szempontjából.

Nagyon fontos, hogy a párkeltést végző kristály (közvetlenül a kétrés-nyilás után) mind az "alsó", mind pedig a "felső" nyíláson látszólag áthaladó eredeti, UV-fotont kétfelé bontja - ezekből lesznek az azonos színnel jelölt, összefonódott részecske-ikerpárok.

Az ikerpárok tagjai azonban eltérő szögben hagyják el a nemlineáris kristályt; a pár egyik tagja a képen felfelé, a másik pedig lefelé térítődik el a párkeltés pillanatában. A képen felvelé vetülő ikreket "szignál", a lefelé vetődő ikreket pedig "másoló" (idler) fotonoknak nevezzük.

Hogy teljesen tiszta legyen, négyféle, látszólag vagy ténylegesen is különböző részecskét különböztetünk meg a kísérlet során, végig. Ezek a következők -

1) A vörössel jelzett szignál fotonok, amelyek a párkeltő kristálynál a képen felfelé térnek ki - ezek a lefelé kitérő, szintén pirossal jelzett ikerpárjukkal vannak összefonódva, és ha útvonalokat megmérnénk, akkor azt találnánk, hogy a felső résen haladtak volna át az eredeti lézerforrásnál lévő nyílások közül

2) A kékkel jelzett szignál fotonok, amelyek párkeltő kristálynál a képen felfelé térnek ki - ezek a lefelé kitérő, szintén kékkel jelzett ikerpárjukkal vannak összefonódva, és ha útvonalokat megmérnénk, akkor azt találnánk, hogy az alsó résen haladtak volna át az eredeti lézerforrásnál lévő nyílások közül

3) A vörössel jelzett idler (másoló) fotonok, amelyek a párkeltő kristálynál a  képen lefelé térnek ki - ezek a felfelé kitérő, szintén pirossal jelzett ikerpárjukkal vannak összefonódva, és ha útvonalokat megmérnénk, akkor azt találnánk, hogy a felső résen haladtak volna át az eredeti lézerforrásnál lévő nyílások közül

4) A kékkel jelzett idler (másoló) fotonok, amelyek a párkeltő kristálynál a képen lefelé térnek ki - ezek a felfelé kitérő, szintén kékkel jelzett ikerpárjukkal vannak összefonódva, és ha útvonalokat megmérnénk, akkor azt találnánk, hogy az alsó résen haladtak volna át az eredeti lézerforrásnál lévő nyílások közül

Megjegyzés - A szignál, és az idler ("másoló") elnevezések egyébként tetszőlegesen felcserélhetőek lennének, tekintve, hogy az összefonódott ikerpárok között nincs, és nem is lehet különbség; csupán arra kell vigyáznunk, hogyha egyszer elneveztük őket, akkor következetesen ragaszkodjunk az elnevezéseikhez a kísérlet során.

A kísérleti apparátusnak a kép felső részén látható elemeinek a megértése egyszerűbb, ezért kezdjük a folyamat értelmezését is ezzel. Itt azt láthatjuk, hogy egy lencse segítségével a vörös és kék virtuális útvonalú (szignál) fotonokat egy lencse segítségével rekombináljuk, majd egy detektor-képernyőre vetítjük; volatképpen egy feltétel nélküli kvantumradírt hozunk így létre, amely eltörli a "melyik-rés" útvonal-információját. Így a kísérleti apparátus ezen része önmagában meghagyja a hullámfügvény teljes szabadságát, és ha semmi ettől eltérő nem történik a részecskék ikertestvéreivel (az idlerekkel, vagyis a "másoló" fotonokkal) az apparátus többi részében, akkor a detektor-ernyőn interferencia-kép kialakulására számíthatunk.

Másképp fogalmazva, ha az idler ("másoló") ikertestvéreket is rekombináljuk egymással, és nem próbáljuk meg kitalálni azok útvonalát, akkor a szignál fotonok találkozási helyén mindenképpen tiszta és zavartalan interferencia-képet kell, hogy kapjunk. Ez kísérletileg igazoltan pontosan így is történik; ha a kép alsó részén található tükör-rendszer úgy lenne kialakítva, hogy soha ne lehessen ott sem eldönteni, melyik útvonalon érkezett az észlelt foton, akkor felül mindig meg is maradna a hullámzó interferencia.

Ha viszont a képen alsó tükör-rendszer úgy lenne kialakítva, hogy a "melyik-útvonal" (melyik-rés) információ mindig kinyerhető lenne az ott lévő detektorok segítségével, akkor az törvényszerűen összeomlasztaná felül is a "szignál" fotonok interferencia-képét - mivel a szignál fotonok kényszerkapcsolatban vannak idler ("másoló") ikertestvéreikkel, és ha az ő útvonalukat megismerjük, az nyilván azt jelenti, hogy a szignálok útvonalát is megtujuk abban a pillanatban.

Úgy is fogalmazhatunk, hogy a felső detektor-ernyőn megjelenő (vagy összeomló) interferencia-kép épsége kizárólag attól függ, hogy mit csinálunk, vagy mi történik a másoló (idler) ikertestvéreikkel az apparátus további részeiben.

A kísérleti apparátus alsó része kicsit bonyolultabbnak tűnik, de valójában igen egyszerű. Van benne egy prizma, két fix tükör (Ma és Mb, ezek nem csinálnak semmit, csak visszatükrözik a fotonokat), van benne 3 darab félig áteresztő tükör (Beamsplitter - BSa, BSb, BSc - ezek teljesen véletlenszerűen vagy átengedik, vagy visszatükrözik a fotonokat, 50-50%-os eséllyel), és van négy detektor-ernyő.

A legegyszerűbben úgy tudjuk megérteni az apparátus működését, ha végigkövetjük a másoló (idler) foton-ikerpárok útját. Először is, egy prizma szétválasztja a vörös és kék jelzésű, párhuzamosan egymás mellett haladó másoló (idler) fotonokat, hogy más-más utat járhassanak be.

A vörössel jelzett fotonok ezután a BSb félig áteresztő tükör segítségével 50-50 %-os eséllyel vagy rögtön a D4 detektor-ernyőre vetülnek, vagy továbbhaladnak, és az Mb tükörről a BSc félig áteresztő tükörre vetülve megint 50-50 %-os eséllyel juthatnak a D1 vagy a D2 detektor-ernyőre.

 

A kékkel jelzett fotonok ugyanekkor a BSa félig áteresztő tükör segítségével 50-50 %-os eséllyel vagy rögtön a D3 detektor-ernyőre vetülnek, vagy továbbhaladnak, és az Ma tükörről a BSc félig áteresztő tükörre vetülve szintén 50-50 %-os eséllyel juthatnak a D1 vagy a D2 detektor-ernyőre.

 

 

Amennyiben a D3 vagy a D4 detektor-ernyőn érzékelünk egy fotont, akkor ezzel egyértelműen megismertük az eredeti foton útját is (tehát, hogy az alsó vagy a felső résen lépett be eredetileg) - és mivel a másoló fotonok kényszerkapcsolatban vannak a szignál ikerpárjaikkal, ez törvényszerűen összeomlasztja a kép felső részén a D0 detektor-ernyőn is az interferenciaképet.

Ha viszont a D1 vagy D2 detekor-ernyőn tapasztaljuk a foton beérkezését, akkor az égvilágon semmit nem tudtunk meg az eredeti foton útjáról - hiszen a D1, ill. a D2 detektor-ernyőre mindkét nyílásból (résből) származó foton éppúgy érkezhetett a tükrök útvonal-kialakítása miatt. Másképp fogalmazva, a D1 ill. D2 detektor-ernyő nem árulja el a "melyik-út" információt; azt a tükrök trükkös elrendezése " eltörölte". Így a kísérleti apparátus alsó része is "kvantumradírként" funkcionál, mindek követkztében a felső, "szignál" interferencia-kép érintetlen marad.

A kép jobb szélén található az "Egybeesési számláló", ami voltaképpen összepárosítja egymással az egyes deketor-ernyőkön érzékelt fotonok megjelenését és pozícióját, hogy a végén - sok száz, vagy sokezer ismétlés után - statisztikailag ki lehessen értékelni a kísérletet.