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.

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.

Ha kíványcsi vagy folytatásra olvasd el a következő bejegyzést.

Budapest, Amszterdam
2009 május - 2010 december
Nagy Gergely
Időkép.hu