Kísérteties távolhatás: a legnagyobb rejtély, amit még Einstein is lehetetlennek tartott

Ha valamire, akkor a kvantumfizikára nyugodtan elmondhatjuk, hogy a mikrokozmosz világában, a részecskék birodalmában olyan döbbenetes jelenségekkel szembesülnek az elméleti fizikusok, amelyek nem csak a makrovilág törvényszerűségeinek, hanem első ránézésre gyakran még a józan észnek is tökéletesen ellentmondanak. Ezek között is külön helyet foglal el a kísérteties távolhatás, a kvantum-összefonódás jelensége, ami akkora képtelenségnek tűnt, hogy az elméleti fizikusok egy része sokáig azt hitte, csak tévedésről, vagy mérési hibáról lehet szó. A XX. század egyik legnagyobb fizikus-gondolkodója, Albert Einstein, aki nem volt hajlandó elfogadni azt, hogy az egyértelműség nem állandó, egyszer azt nyilatkozta ezzel kapcsolatban, hogy Isten nem vet dobókockát. A másik fizikuszseni, Niels Bohr, aki Einsteinnel szemben azt vallotta, hogy a részecskék világában csak a bizonytalanság az egyetlen valóság, azzal replikázott híres kollégájának, hogy ne akarja megmondani, mit tegyen Isten.

Albert Einstein nem hitt a távoli kölcsönhatásban Fotó: Wikimedia Commons

A kísérteties távolhatás - egy rendkívül szokatlan és éppen ezért elfogadhatatlannak látszó viselkedés két részecske között -, az anyagi világ egyik legnagyobb fejtörést okozó jelensége. A kvantum-összefonódás – amit egyébként maga Albert Einstein nevezett el kísérteties távolhatásnak, mert egész egyszerűen képtelenségnek tartotta ezt a jelenséget –, az elméleti fizika egyik legizgalmasabb problémája.

                                                  A kísérteties távolhatás a részecskefizika nagy rejtélye                                                  Fotó: HTTPS://NEWSROOM.UNSW.EDU.AU

Kísérteties távolhatás: egy titokzatos jelenség ami látszólag ellentmond az einsteini elméletnek

A XX. század elején a fizikában elkezdődött és még napjainkban is zajló tudományos forradalom gyökerestől felforgatta a klasszikus fizikának mind a mikrokozmoszról, mind pedig az univerzumról alkotott és korábban megdönthetetlennek, illetve egyetemes jellegűnek vélt igazságait. Az új tudományág, a kvantumfizika alapjait lerakó nagy tudósok, Max Planck, Albert Einstein, Niels Bohr vagy Werner Heisenberg által megfogalmazott kérdések nem egy esetben az elméleti fizika és az emberi gondolkodás határait feszegetve filozófiai dimenzióba emelték az ismeretelmélet alapproblémáit is. 

Einstein fogalmazta meg azt az axiómát, hogy egyetlen kölcsönhatás sem terjedhet gyorsabban a fény sebességénél   Fotó: Wikimedia Commons

Albert Einstein 1905-ben egymás után négy olyan dolgozatot publikált, amelyek közül valamennyi önmagában is kiérdemelte volna a fizikai Nobel-díjat. A speciális relativitáselméletről szóló dolgozatában 

Einstein olyan alapvető axiómákat határozott meg, melyek érvényességét eddig már számos alkalommal empirikus módon is bebizonyították, 

és amelyek mind a mai napig meghatározó jelentőségűek a fizikában. A speciális relativitáselméletben Einstein fogalmazta meg először azt az alapvető fontosságú axiómát, hogy a fény sebessége bármely vonatkoztatási rendszerben a fényt kibocsátó objektum, illetve a megfigyelő sebességétől függetlenül állandó. A másik hasonló jelentőségű és ehhez szorosan kapcsolódó einsteini tétel, hogy egyetlen kölcsönhatás sem terjedhet gyorsabban mint a fény sebessége. Ez utóbbi axióma pedig különös jelentőségű egy kvantumfizikai jelenség, az úgynevezett kvantum-összefonódás problematikájának értelmezésében. 

A kvantum-összefonódás művészi ábrája   Fotó: SCIENCE PHOTO LIBRARY/MARK GARLICK

A kvantum-összefonódás lényege leegyszerűsítve az, hogy ha két részecskét ugyanaz az esemény hozza létre, ezek akkor is szoros kapcsolatban maradnak, ha eltávolodnak egymástól. 

Ha az egyikkel történik valami, a párja azonnal reagál erre attól függetlenül, hogy mekkora távolságra van tőle. 

Az elméleti fizika nyelvén megfogalmazva ez azért következhet be, mert a két részecske nem lokális, vagyis helyhez kötött kapcsolatban áll egymással, hanem ugyanannak a kvantumállapotnak a részesei. A kvantum-összefonódást leíró egyenletekből vezethető le az az elméleti előrejelzés, hogy az azonos esemény által létrehozott részecskék tulajdonságai összekapcsolódnak és ez az állapot akkor is fennmarad, ha szétválasztjuk őket és bármilyen nagy távolságra is kerülnek egymástól. Egy egyszerű hasonlattal szemléltetve ezt állapotot: ha az egyik részecskét például odébb lökjük, a távolban lévő párja szintén így fog reagálni.

A Hold attól függetlenül létezik, hogy látjuk-e éppen, vagy sem

Einstein nem talált elfogadható magyarázatot erre a furcsa viselkedésre, mivel ő a lokális realizmus elvét vallotta a speciális relativitáselmélet egyik döntő fontosságú axiómájának megfelelően, vagyis, hogy az információ instans és mint bármilyen más egyéb kölcsönhatás, nem terjedhet gyorsabban a fény sebességénél.

Fotonok művészi ábrája   Fotó: Wikimedia Commons

 Ha a két kölcsönható részecske például egy fényév távolságra került egymástól, az einsteini axióma kizárja, hogy a két részecske között egyidejű reakció jöhessen létre, mivel lehetetlen az információ fénynél gyorsabb terjedése, azaz a kísérteties távolhatás sérti a fénysebesség túlléphetetlenségének és a kauzalitásnak az elvét, illetve azt a tételt, 

hogy a részecskék állapota akkor is rögzítettnek számít, ha nem figyeljük meg, vagy nem mérjük őket. 

Éppen ezért Einstein szerint ez a hatás csak lokálisan érvényesülhet, mivel egy adott esemény következményei maximum a fény sebességével terjedhetnek tovább. Albert Einstein szerint tehát a valóság objektív dolog és független a megfigyelőtől. A híres tudós Niels Bohrral vitatkozva egyszer azt mondta az objektív valóság szemléltetésére, hogy a Hold attól függetlenül is létezik, ha nem látjuk éppen. 

A két zseniális tudós, Bohr ( a kép bal szélén) és Einstein ( a pamlag jobb szélén, ülve)  Fotó: Wikimedia Commons

A kvantumfizikai forradalom másik nagy alakja, a szintén Nobel-díjas dán fizikus, Niels Bohr azonban Einsteinnel szemben azt vallotta, hogy a valóság alaptermészete a bizonytalanság. 

Bohrnak az volt a kiindulópontja, hogy a mérés mindent megváltoztat. 

Mindaddig, amíg nem végzünk megfigyelést vagy mérést, a részecske tulajdonságai meghatározhatatlanok maradnak számunkra. Bohr ezt többek között azzal szemléltette, hogy a kvantum spinje is megjósolhatatlan marad mindaddig, amíg nem mérjük meg; a mérés pillanatában pedig vagy az óramutató járásával megegyező, vagy pedig azzal ellentétes irányba fog pördülni, amit viszont egészen a mérés pillanatáig nem ismerhetünk előre. 

Niels Bohr, Nobel-díjas dán fizikus  Fotó: Wikimedia Commons

Bohr szerint ha két korreált részecskét szétválasztunk és mérést végzünk az itt maradt részecskén, ezzel a másik távoli részecskét is befolyásoljuk, mivel az egyiken elvégzett mérés hatással van a másik állapotára is, megváltoztatva azt.

Mindaddig amíg nem mérünk meg egy részecskét, addig az úgynevezett szuperpozíció állapotában van, ami egy meghatározhatatlan állapot többféle valószínűség kombinációja. Így például nem tudjuk pontosan meghatározni egy elektron helyzetét az atomban csak azt tudjuk megjósolni, hogy hol lesz bizonyos valószínűséggel. Úgyszintén az elektron spinjét is csak bizonyos százalékú valószínűséggel vagyunk képesek meghatározni, vagyis azt, hogy jobbra, vagy pedig balra kering. Méréskor a hullámfüggvény összeomlik és a részecske meghatározott állapotba kerül; a spinje pedig vagy balra, vagy pedig jobbra perdül.

Bohr az vallotta Einstein lokális realizmusával szemben, hogy valami csak akkor, illetve azzal válik valóságossá, ha megfigyeljük. 

Niels Bohr ezt a szerencsekerék példájával szemléltette: ha megforgatjuk a kereket akkor még nem tudjuk előre meghatározni, hogy a piros vagy a kék mezőn fog-e megállni. Bohr szerint tehát nincs szilárd valóság csak annak a lehetősége létezik, mert bármi csak akkor válik valóssá, ha megfigyeljük. Werner Heisenberg határozatlansági relációja szintén elveti a tiszta determinizmust annak kimondásával, hogy a részecskék világában minél pontosabban mérjük meg a kvantum egyik állapotát, annál ponttalanabbá válhat a másik állapothatározó értéke. Einstein ennek ellenére sem hitt a távoli kölcsönhatásban. 

Werner Heisenberg ( a kép bal szélén) Niels Bohr társaságában  Fotó: Wikimedia Commons

A korreált részecskék létét elfogadta ugyan de úgy vélte, hogy erre e jelenségre valami más, nem pedig a távolhatás lehet a magyarázat.

 Az esinsteini álláspont szerint a kvantummechanika nem téves, hanem csupán nem teljes a maga területén, mivel a kvantumelméletből hiányzik valami amivel akkor is leírható lenne a részecske állapota, ha éppen nem figyeljük meg.

Bizonyos, hogy létezik, de nem tudjuk, hogyan működik

A kísérteties távolhatással kapcsolatos vita nem záródott le a legnagyobb lángelmék vitájával. Később John Stewart Bell ír fizikus úgy vélte, hogy az általa kidolgozott Bell egyenlőtlenségi elvvel megoldást talált a vita lezárásához. A tudós szerint ha az egyenletei alapján a korreláció nem igaz, akkor nem arról van szó, hogy a kvantummechanika nem teljes, -mint ahogy Einstein állítja -, hanem egyeneses téves. A Bell-féle egyenlőtlenségi elv viszont csak akkor helyes, ha a lokális realizmus téves, és a kvantum-összefonódás valós. 

John Stewart Bell, aki kidolgozta a róla elnevezett Bell egyenlőtlenség elvét   Fotó:  Queen's University Belfast

1967-ben a Columbia Egyetem fizikaprofesszora, John Clauser – aki egyébként Einstein lokális realizmusának volt a híve -, a kísérletei során több ezer összefonódott részecskét hozott létre amiket összehasonlított egymással. Az ő, és valamivel később Alan Aspect francia fizikus még finomabb tesztjei azt mutatták, hogy az egyik részecske mérése csak úgy befolyásolhatja a másikat, 

ha egy jel a fénysebességnél gyorsabban halad köztük, ami viszont nyilvánvalóan lehetetlen. 

Ezek a tesztek tehát Bohr elképzelését támasztották alá. 1982-ben egy újabb nagy jelentőségű kísérletet végeztek el a probléma tisztázására, ami szintén Bohr elméletének a helyességét valószínűsítette, csakhogy ezzel még korántsem ért véget az akkor már több évtizede tartó vita. 

John  Clauser, a Columbia Egyetem elméleti fizikusa   Fotó: Wikiwand

Az úgynevezett Bell-teszt leegyszerűsítve egy olyan mérési kísérlet, amikor létrehoznak egy összefonódott részecskepárt amelynek két tagját egy-egy távoli mérőállomásra küldik, ahol két egymástól független platform egyszerre végez el egy olyan mérést ami nincs előre meghatározva, így például megmérik a részecske spinjét. 

Ha és amennyiben a lokális realizmus einsteini elve az igaz, akkor mindkét mérési eredmény független lesz egymástól. 

Ha azonban a részecskék össze vannak fonódva egymással, ami szimultán módon befolyásolja a mérési eredményt, akkor mindkét eredmény szigorúan korreált lesz, ami pedig ellentmond a Bell egyenlőtlenségi elvnek. 2019 júliusában a Glasgow-i Egyetem kutatóinak egy rendkívül precíz műszer segítségével először sikerült lefotóznia az összefonódott részecskéket. 

A tudománytörténeti értékű fotó  a kvantum-összefonódásról   Fotó: Live Science

A kísérlet során fotonokat hoztak összefonódott állapotba. Ultraviola lézer és kristály ütköztetésével sikerült néhány fotont kettébontani, amelyek az energia- és a lendületmegmaradás törvénye alapján összefonódtak. 

A tudósok azt találták, hogy az összefonódott részecskepárok korrelációban vannak egymással méghozzá  a vártnál jóval gyakrabban, 

így a felvételen is sikeresen megörökített részecskepár megsértette a Bell egyenlőtlenségi elvet. Tehát mégis csak Einsteinnek van igaza? Vagy Niels Bohrnak, és ha neki, akkor a Hold nem is létezik ha nem látjuk? A kísérteties távolhatás  tehát olyan nehezen megválaszolható kérdéseket vet fel, amelyek már túlmutatnak a szigorúan vett elméleti fizika határain, és filozófiai magasságba emelik ezt a problémát. 

Az atomszerkezet művészi ábrája   Fotó: AFP

Tényleg csak az a valóság, amit érzékelünk? Vagy mit jelent az, hogy a tudatunktól függetlenül létező valóság, és mit jelenthetnek a valóságnak azok a dimenziói, amiről soha sem szerezhetünk tudomást? Akárhogy is van, mindezek ellenére úgy tűnik, hogy a kvantumfizika attól függetlenül működik, hogy sok mindent még nem ismerünk részecskék felfoghatatlanul furcsa világából.

A kísérteties távolhatás:

• olyan kvantumfizikai jelenség,
• melynek során egy azonos esemény alkalmával keletkezett részecskepár,
• közvetlen kölcsönhatásban marad egymással a távolságuktól függetlenül,
• és amelynek a hatásmechanizmusára még ma sincs tökéletesen elfogadott magyarázat.