Lehetséges, hogy az objektív valóság egyáltalán nem létezik, mondják a kvantumfizikusok

Létezik-e a valóság, vagy akkor alakul ki, amikor egy megfigyelő méri? Hasonlóan az ősrégi rejtélyhez, hogy ad-e hangot egy fa, ha senki sem...

Létezik-e a valóság, vagy akkor alakul ki, amikor egy megfigyelő méri? Hasonlóan az ősrégi rejtélyhez, hogy ad-e hangot egy fa, ha senki sem hallja az erdőben, a fenti kérdés továbbra is az egyik legizgalmasabb dolog a kvantummechanika területén a szubatomi részecskék viselkedésének mikroszkopikus szintjén.

Egy olyan területen, ahol olyan érdekes, szinte titokzatos jelenségek uralkodnak, mint a "kvantum-szuperpozíció," - amikor egy részecske egyszerre két vagy akár "minden" lehetséges helyen lehet -, egyes szakértők szerint a valóság a saját tudatosságunkon kívül létezik, és azon semmit nem tudunk változtatni.

Mások ragaszkodnak ahhoz, hogy a "kvantumvalóság" egyfajta gyurma valamilyen formája, amelyet saját cselekedeteinkkel különböző formákká alakítunk. A brazíliai São Paulo-i ABC Szövetségi Egyetem (UFABC) tudósai most azzal a feltételezéssel rukkoltak elő, hogy a valóság "a megfigyelő szemében" létezhet.

A Communications Physics folyóiratban áprilisban publikált új kutatásukban a brazil tudósok megpróbálták ellenőrizni a "komplementaritás elvét," amelyet a híres dán fizikus, Niels Bohr javasolt 1928-ban.

Ez azt állítja, hogy az objektumok bizonyos komplementer tulajdonságpárokkal rendelkeznek, amelyeket lehetetlen egyszerre megfigyelni vagy mérni, mint például az energia és az időtartam, vagy a helyzet és a lendület. Például nem számít, hogyan állítanak be egy kísérletet egy elektronpárral, nincs mód mindkét mennyiség helyzetének egyidejű tanulmányozására: a teszt az első elektron helyzetét fogja szemléltetni, ugyanakkor elfedi a második részecskét (a komplementer részecske).

"Isten nem játszik kockával"

Ahhoz, hogy megértsük, hogyan viszonyul ez a komplementaritási elv az objektív valósághoz, vissza kell lépnünk a történelemben, körülbelül egy évszázaddal ezelőttig. 1927-ben Brüsszelben legendás vitára került sor Bohr és a híres német származású elméleti fizikus, Albert Einstein között az ötödik Solvay-konferencia (a legfontosabb éves nemzetközi fizikai és kémiai konferencia) során.

77 másik zseniális tudós szeme láttára, akik mind az osztrák fővárosban gyűltek össze, hogy megvitassák a kvantumelmélet születőben lévő területét, Einstein ragaszkodott hozzá, hogy a kvantumállapotoknak megvan a saját valóságuk, függetlenül attól, hogy egy tudós hogyan viselkedik velük. Eközben Bohr megvédte azt az elképzelést, hogy a kvantumrendszereknek csak azután lehet saját valóságukat meghatározni, miután a tudós felállította a kísérleti tervet.

"Isten nem játszik kockával," - mondta Einstein.

"Egy rendszer hullámként vagy részecskeként viselkedik a kontextustól függően, de nem lehet megjósolni, hogy mit fog tenni," - érvelt Bohr, a hullám-részecske kettősség fogalmára mutatva, amely szerint az anyag egy pillanatban hullámként jelenik meg, egy másik pillanatban részecskeként viselkedik, ez az ötlet, amelyet Louis de Broglie francia fizikus terjesztett elő először még 1924-ben.

A "komplementaritás elve"

Nem telt el sok idő az 1927-es Solvay-konferencia befejezése után, amikor Bohr nyilvánosan megfogalmazta komplementaritási elvét. Az elkövetkező néhány évtizedben az ellentmondásos Bohr-felfogást számtalanszor próbára tették és újra tesztelték. Az egyik, aki kísérletezett a komplementaritás elvével, John Archibald Wheeler amerikai elméleti fizikus volt.

Wheeler 1978-ban megpróbálta újragondolni Thomas Young 1801-es kétrés kísérletét a fény tulajdonságaival kapcsolatban. A kétréses kísérlet során fénnyel világítanak egy falra két párhuzamos résen keresztül. Ahogy a fény áthalad mindkét résen, az elválasztó túlsó oldalán elhajlik, és átfedésbe kerül a másik résből származó fénnyel, interferálva ezzel. A kísérlet végén megjelenő grafikon mintázat egy interferenciaminta, ami azt jelenti, hogy a fény hullámokban mozog. Lényegében a fénynek részecske- és hullámtermészete is van, és ez a két természet elválaszthatatlan.

Wheeler készüléke egy "hullámmérő készülék" és egy "részecskemérő készülék" között váltott, miután a fény már áthaladt a gép nagy részén. Más szóval, késleltetetten választott aközött, hogy a fény hullámként vagy részecskeként terjedt-e már, és megállapította, hogy a választás késleltetése után sem sérül a komplementaritás elve.

Az újabb mérések azonban, amelyek a kvantum-szuperpozíció elvét próbálták alkalmazni a késleltetett választási kísérletre, a két lehetőség egymás mellett való létezését látták (ahogyan a tó felszínén lévő két hullám átfedheti egymást). Ez hibrid hullámszerű és részecskeszerű viselkedésre utalt ugyanazon a berendezésen belül, ami ellentmond a komplementaritás elvének.

Kvantumvezérelt valóság

A brazil tudósok úgy döntöttek, hogy egy kvantumvezérelt valóságkísérletet is terveznek.

"Az orvosi képalkotáshoz hasonló mágneses magrezonancia technikákat alkalmaztunk," - mondta Roberto M. Serra, az UFABC kvantuminformációs tudományos és technológiai kutatója, a kísérlet vezetője.

Az olyan részecskék, mint a protonok, neutronok és elektronok, mind rendelkeznek magspinnel, ami az iránytűben lévő tű tájolásához hasonló mágneses tulajdonság.

"Egyfajta elektromágneses sugárzást alkalmazva manipuláltuk ezen különböző atomok nukleáris spinjeit egy molekulában. Ebben az összeállításban létrehoztunk egy új interferencia-eszközt a protonmag spinjéhez, hogy megvizsgáljuk annak hullám- és részecskevalóságát a kvantumbirodalomban," - magyarázza Serra.

"Ez az új elrendezés pontosan ugyanazokat a megfigyelt statisztikákat produkálta, mint a korábbi kvantum-késleltetett választású kísérletek," - mondta Pedro Ruas Dieguez, jelenleg a lengyelországi Nemzetközi Kvantumtechnológiai Központ (ICTQT) posztdoktori kutatója, aki részt vett a tanulmányban.

"Az új konfigurációban azonban a kísérlet eredményét a hullámok és részecskék viselkedésével tudtuk összekapcsolni oly módon, hogy az igazolja Bohr komplementaritási elvét," - folytatja Dieguez.

A 2022. áprilisi tanulmány fő következtetése az, hogy a kvantumvilág fizikai valósága egymást kizáró entitásokból áll, amelyek ennek ellenére nem mondanak ellent, hanem kiegészítik egymást.

Ez lenyűgöző eredmény, mondják a szakértők. "A brazil kutatók kidolgoztak egy matematikai keretet és a megfelelő kísérleti konfigurációt, amely lehetővé teszi a kvantumelmélet tesztelését, különösen a komplementaritás természetének megértését a rendszer fizikai realizmusának tanulmányozása révén," - mondja Stephen Holler, a Fordham Egyetem fizika docense.

Ez egy tanulmány, amely kiemeli az ikonikus amerikai kvantumfizikus és Nobel-díjas Richard Feynman régóta fennálló közmondását : "Ha úgy gondolja, hogy érti a kvantummechanikát, akkor nem érti a kvantummechanikát," - mondta Holler.

"Sokat kell tanulni az elméletről, és a kutatók továbbra is haladnak az alapelvek megértésében, ami különösen fontos, mivel abba a korba lépünk, amikor a kvantumeszközök és a számítástechnika kezd elterjedni."

Dieguez lelkes. "Az a tény, hogy egy anyagrészecske hullámként, a fény pedig részecskeként viselkedhet a kontextustól függően, még mindig a kvantumfizika egyik legérdekesebb és legszebb titka," - mondja.

Paradox módon a kvantummechanikában rejlő "furcsaság" igen hasznosnak bizonyulhat. "Minél jobban megfejtjük a kvantummechanikát, annál inkább képesek vagyunk olyan kvantumtechnológiát nyújtani, amely felülmúlja klasszikus megfelelőit, a kvantumszámítógépeket, a kvantumkriptográfiát, a kvantumérzékelő eszközöket is," - mondja Serra.

Az, hogy a valóság a megfigyelő szemében létezhet, a kvantumtartomány fizikai valóságának egy nagyon sajátos aspektusa, és maga a rejtély nem könnyen fedi fel magát, amiben mindkét kutató egyetértett. (1)

(1) - https://www.popularmechanics.com/science