Kvantumfizika érthetően 4.

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 végsősoron, 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.

http://www.youtube.com/watch?v=DfPeprQ7oGc&feature=player_embedded

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 megfigyelőbármilyen 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.