Visszafordítható-e az idő iránya a kvantumok világában?
Időről időre felröppennek a hírek, hogy ilyen vagy olyan kvantumfizikai kísérletben meg lehetett fordítani az idő irányát, visszatérve a múltba. A szenzációt azonban eloszlatják a józan analízisek, amikor kiderül, hogy valójában miről is van szó. A magyarázatok lényege, hogy másként kell gondolkozni, amikor a mikrovilág jelenségeit vizsgáljuk, mint amit megszoktunk hétköznapi világunkban – ahogy erről szó volt korábbi írásunkban is. Az ott kifejtett gondolatokra támaszkodva találhatjuk meg a hibát azokban az okoskodásokban is, amivel érvelni szoktak az idő irányának megfordítása mellett.
A késleltetett választási kísérlet
John Wheeler amerikai elméleti fizikus, a szövetséges hatalmak atomfegyver-fejlesztésére irányuló Manhattan projekt egyik kulcsszereplője, aki arról is nevezetes, hogy ő alkotta meg a fekete lyuk kifejezést az asztrofizikában, javasolt egy olyan kísérletet, amelynek eredményét az idő visszafordulásával lehet magyarázni, azaz amikor az okozat megelőzi az őt létrehozó okot. A javasolt eljárást nevezik késleltetett választási kísérletnek. Ebben két rés segítségével interferenciát hoznak létre oly módon, hogy a fény fotonjait egyesével indítják. A késleltetés azt jelenti, hogy az egyik rést lezárják, amikor már elég idő telt el ahhoz, hogy a fény túllépjen a résen, de még nem érte el a fényérzékeny lemezt. Olyan megfigyelést tettek, hogy ebben az esetben romlik vagy eltűnik az interferencia, ami akkor várható, ha csak egyetlen rés engedte át a fényt, és nem kettő. Következtetés: a késleltetett lezárás utólagosan zárta el a fény útját, tehát a következmény megelőzte az okot.
Nézzünk utána a jelenségnek! Látni fogjuk, hogy az idő megfordításának koncepciója az anyag hullám és részecske természetének téves interpretációjából következik.
Mi történik akkor, amikor nem történik semmi?
Mi is a foton? Egy közvetítő részecske két térben elkülönült elektron között. Például a lámpa felgyújtásakor egy elektron megváltoztatja állapotát, és kibocsát egy fotont. Ez megérkezik, mondjuk a szemünkbe, és ott egy másik elektron állapotát fogja megváltoztatni. Ez a látás folyamata. De mit tudunk mondani a fotonról az „utazása” közben? Valójában semmit! Amíg nem történik a foton és az elektronok között semmilyen reakció, addig nincs információnk a foton tényleges állapotáról. Ebből fakadnak a különböző paradoxonok, mert olyan kérdéseket vetünk fel, hogy mi történik akkor, amikor nem történik semmi.
Ebben az állapotban nincs értelme időről beszélni, ezért a foton állapotának leírásában az idő helyett a valószínűség jelenik meg.
Szokásos törvényeink azonban az időre és nem a valószínűségre épülnek, ezért gabalyodunk bele olyan kérdésekbe, hogy felcserélhetőnek gondoljuk az ok és az okozat sorrendjét. A kölcsönhatás bekövetkezte előtt még nincs szó okozatról, ezért az ok és okozat kapcsolatáról sem beszélhetünk. Erre csak akkor kerülhet sor, ha már történt valami, azaz létrejött a kölcsönhatás.
A megfigyelt és a képzelt valóság viszonya
Alapvető szellemi igényünket fejezi ki, hogy a kölcsönhatás értelmezése kedvéért a kölcsönhatás előtti állapotot is le akarjuk írni. Például az interferencia megfigyelése azt jelenti, hogy közvetlenül látjuk az emulziót érő két fénysugár hatását, ami sötétebb és világosabb foltokban mutatkozik meg. Ezt tekintjük a megfigyelt valóságnak. Ennek értelmezésére gondolunk ki egy elméletet, ez tette Christiaan Huygens holland fizikus is a 17. században a gömbhullámmodell megalkotásával, amely szerint a fény úgy terjed gömbhullámokban, hogy annak minden egyes pontja egy új gömbhullámot bocsát ki, és ezek szuperpozíciója alkotja meg az interferenciaképet.
Magát a gömbhullámot azonban nem látjuk, ezt csak elképzeljük, és matematikai formulákkal leírjuk. Ezért a gömbhullám képzelt valóságnak felel meg, amely a kölcsönhatás lehetőségéről, annak valószínűségéről ad számot a modern fizika megfogalmazásában. Fontos azonban, hogy mindig tegyünk különbséget a közvetlenül megfigyelt és a logikai úton elképzelt fizikai világok törvényei között!
Hol lehet a foton a kölcsönhatás előtt?
Kiinduló kérdés: hol lehet a foton az észlelés előtti szakaszban? Mivel ekkor „nem látjuk” a fotont, csak totózhatunk és megadhatunk valószínűségeket. Ilyen valószínűséget származtathatunk a gömbhullámmodellből, amely szerint egy c•t sugarú gömbön belül a foton bárhol lehet. Ekkor egy időben táguló valószínűségi gömbről beszélünk, ami nem arról szól, hogy hol van a foton, hanem csak arról, hogy hol lehet.
Gondolkodásunk önkéntelenül is keveri a hullám és részecske felfogást, pedig nem szabad a hullámot úgy felfogni, mint amit „bejár” egy pontszerű objektum: a hullám egységes és oszthatatlan valószínűségi eloszlás, egy matematikai leírási mód. Ezt úgy érthetjük meg, ha arra gondolunk, hogy maga a foton kölcsönhatás hiányában nem „lát” semmit a környezetéből, nem „tudhatja”, hogy hol van, nem „ismerheti” az irányokat sem. Erre mondjuk mi, akik a megfigyelők vagyunk, hogy a c•t sugarú gömbön belül a foton bárhol lehet.
Az már külön kérdés, hogy a foton hol képes kölcsönhatást létrehozni. Az elektrodinamika szerint a kölcsönhatás az elektromos és mágneses mezőn keresztül valósul meg. De mit értünk ezeken a mezőkön? Egy képességet, amely megmondja, ha valahol van egy elektromos töltés, akkor arra a foton mekkora erővel hat. Persze, ha ott van töltés! De valójában a kölcsönhatás előtt nem kerül ilyen töltés a foton útjába, hiszen ekkor a részecske az üres térben halad.
Az elektromos és mágneses mező ezért csak egy matematikai leírás, és nem tulajdoníthatunk neki olyan valóságtartalmat, mint például az elektronoknak. Mindaz, amit a kölcsönhatás előtti helyzetről mondunk, csak elképzelt valóság, amelynek valószínűségi törvényei mások, mint a ténylegesen megfigyelt valóságé, ahol már az ok és okozat időbeli törvényei uralkodnak.
A foton túljut, vagy túlterjed a réseken?
De hogyan tud a foton egyáltalán kölcsönhatásba lépni, amikor túljut a réseken? Ez a kétréses kísérlet kulcskérdése, amit rengetegszer félremagyaráznak, mert nem a valószínűségi mezőben, hanem az időben értelmezik a folyamatokat, és így jutnak el téves teóriákhoz, például az idő irányának megfordításához. Itt a „túljut” szó már magában rejti a tévedés kockázatát, helyesebb inkább a „túlterjed” szót használni, mert amíg nem lép kölcsönhatásba a foton egy elektronnal, addig a c•t hatásgömb teljes tartományában ott lehet, azaz bizonyos valószínűséggel a c•tr sugarú gömbön belül lehet, és valamekkora valószínűséggel lehet azon kívül is, ha a t idő hosszabb tr-nél, vagyis annál az időnél, amikor a foton eljuthat a résig. A kölcsönhatás előtti szakaszban a valószínűségi elv érvényesül, és csak a kölcsönhatás bekövetkeztekor beszélhetünk „okozatról”, amikor már az idő egymásutánisága határozza meg az ok és az okozat közötti kapcsolatot.
Tehát a kölcsönhatás előtt a foton a c•t sugarú gömb bármely pontjában lehet, de ez nem jelenti azt, hogy a gömb bármely pontján egyforma eséllyel hozhatna létre kölcsönhatást. Ennek oka, hogy a fotonnak van egy „beépített” tulajdonsága: saját frekvenciájának ütemében állandóan változtatja az elektromos és mágneses mező irányát. A Huygens-elv szerint a gömb bármely pontja új gömbhullám forrása. Erre alapozza Richard P. Feynmann nagyszerű könyvében (QED – The strange theory of light and matter), hogy rengeteg különböző utat kell számba venni, de az eredő hatás csak ott jöhet létre, ahol az utak sokaságának azonos a fázisa. Ilyen speciális út a megszakítás nélküli egyenes vonalú haladás, ahol is a gömbhullám ugyanolyan hatást fejt ki, mintha a fény egyenes vonalban terjedne. Ez a terjedés azonban bármilyen irányú lehet, ezért a kölcsönhatás szempontjából a c•t sugarú gömb felülete jön számításba. Tehát kétféle valószínűségről beszélhetünk: az egyik azt mondja meg, hogy a foton a gömb bármely pontjában (nem csak a felületén!) lehet, de a hatását csak a gömb felületén tudja kifejteni. Ha ezt megértjük, akkor már megadhatjuk a helyes magyarázatot a késleltetett kétréses interferenciakísérletre is.
Mi történik tehát a fotonnal a kétréses kísérletben?
A kétréses kísérletben lezárjuk a lehetséges utak jó részét, csak kettő, a hullámhossznál keskenyebb résen szökhet ki a foton. Ez azt jelenti, hogy a fotonok javarésze elvész a falban, de vannak szerencsések, amelyek nem reagálnak a falak egyetlen elektronjával sem. A c•t gömböt valószínűségi gömbként kell kezelni, ha épp olyan a foton, hogy elkerülte a falat, akkor egyenlő esélye van, hogy mindkét résnél ott lehessen, hiszen a foton a teljes gömbön belül bárhol lehet.
Ne feledjük, mindig csak valószínűségekről van szó. Nem az a kérdés, hogy a foton hol van (ez rossz kérdés!), hanem az, hogy hol lehet. A lehetre pedig a valószínűség szabályai mérvadók, amelyek eltérnek attól, amikor tényleg megfigyeljük a fotont. Tehát megfigyelt részecskéről csak a kölcsönhatás bekövetkezése után beszélhetünk, előtte viszont a valószínűségi hullámmodell nyújtja számunkra a megfelelő képet a fényről. A valószínűségi hullám a két résen kilépve már létrehozza az interferenciát, mert vannak olyan pozíciók a fényérzékeny lemezen a két réstől mérve, ahol a fázisok egyezése miatt a két valószínűség összeadódik, de van olyan hely is, ahol fordított a fázis, és ezért a valószínűségek kivonódnak egymásból. Ha csak egy rés van, akkor természetesen nincs interferencia.
A késleltetett lezárás hatása
Mi van abban az esetben, amikor azt az időzónát választjuk a rés lezárására, amikor már elvben kijuthatott (figyelem: kijuthatott, de nem biztos, hogy tényleg kijutott!) a résen a valószínűségi hullám, de még nem érkezett meg a detektorhoz? Legyen tr idő, ami alatt a foton valószínűségi frontvonala a résig ér el, és td, amikor a detektorhoz. Az egyik rés lezárását abban a t időben kell végrehajtani, amely tr és td közé esik. Mivel egyesével indítjuk el a fotonokat, és a fotonok nagy része nem jut ki a szűk réseken, így milliószámra kell ismételni a fotonkibocsátást, majd a rés lezárását és újranyitását, hogy vizsgálhassuk az interferenciát, és különbséget tehessünk az egyréses (nincs interferencia) és a kétréses (van interferencia) kísérlet között. Nem könnyű kísérlet, de gondoljuk azt, hogy sikerült megvalósítani.
Ez az utóhatásos kísérlet valójában a valószínűségi tartomány átalakítását jelenti abban az időzónában, amíg nem került sor a foton detektálására. Ennek hatása, hogy az interferenciakép részben gyengülni fog, aminek mértékét az szabja meg, hogy a t – tr különbség hogyan viszonyul tr-hez. Képzeljünk el két gömböt, amely leírja a foton lehetséges tartományát, az egyik a réseket alkotó falig terjed ki, a másik sugarát pedig a rés lezárási ideje adja meg: R = c•t. Ha a t – tr időkülönbség kicsi, akkor a c•t sugarú gömb térfogata nem sokkal nagyobb a c•tr sugarúhoz képest, ezért a valószínűségek számításánál azt kapjuk, hogy döntő mértékben az egyréses kísérlet feltételei teljesülnek. (A tr-nél csak kissé hosszabb t időben sokkal nagyobb annak a valószínűsége, hogy a foton a résen belüli tartományban van, mint annak, hogy már átjuthatott a résen). Emiatt nagymértékben leromlik az interferencia minősége, noha a lezárásokat tr idő után hoztuk létre. Ha viszont a t – tr különbség jóval nagyobb, mint tr, akkor az interferencia mértéke csak kissé fog romlani. Ez a kísérlet tehát elvi lehetőséget ad az elmélet ellenőrzésére, és nincs szükség arra, hogy megfordítsuk az idő irányát, amikor az okozat visszahat az okra. Nincs szó tehát időben visszamenőleges hatásról, az interferenciaromlás a foton valószínűségi terének sajátságából adódik.
A kvantumfizika értelmezésének nehézségei
A kvantummechanikai jelenségek magyarázatát az teszi nehézzé,
hogy mélyen belénk ivódott az időben való gondolkozás, és így szinte képtelenek vagyunk megérteni a valószínűség világát,
ahol nem egymás utáni okozati láncok sorakoznak, hanem egymás melletti eseményeket kell számba venni. Amit nem szabad elfelejteni, hogy alapvető különbség van az elméleti modellek és a ténylegesen megfigyelt jelenségek között, és ha erre nem vagyunk tekintettel, előjönnek a paradoxonok és a józan ésszel szembemenő következtetések. Erre intő példa napjainkban, hogy divattá vált egyes fórumokon az idő megfordításáról beszélni a kvantumvilágban, és előállni különféle spekulatív elméletekkel.
A szerző fizikus, a BME és az ELTE címzetes egyetemi tanára. A Qubiten a Kalandozások a fizikában címen futó sorozatának korábbi írásai itt olvashatók, tudósportréit pedig itt találod.
További kapcsolódó cikkek a Qubiten: