Nobel-díj – Csanád Máté: A tudomány alapjait érintő kérdést vizsgálták a díjazott kvantumfizikusok

„A 20. század elején rengeteg olyan jelenségre derült fény, amelyek az akkori fizika nyelvén nem voltak érthetők. Ahhoz, hogy ezek a jelenségek megmagyarázhatóvá váljanak, valami újat, valami pluszt kellett bevezetni, és ez volt a kvantumvilág” – magyarázta Csanád Máté az előzményekről szólva. Hozzátette: a kvantummechanika közben a fizikának egy olyan ágává vált, amelynek több furcsának tűnő, a hétköznapi tapasztalatainktól eltérő eleme van, például a szuperpozíció elve (amely szerint egy részecske többféle állapot keverékében lehet) vagy az összefonódottság (amelyre a Nobel-díjas fizikusok kutatása vonatkozott).

A kvantumvilág felfedezésekor az egyik első megfigyelés az volt, hogy a kísérletek eredményében van valami véletlenszerű, nem determinisztikusnak tűnő elem. Például amikor az úgynevezett kétréskísérletben azt vizsgálták, hogy hova csapódik be a réseken áthaladó foton, azt látták, hogy minden egyes foton esetében véletlenszerű a becsapódás helye. „Noha a becsapódások eloszlása ismert, az egyes részecskék esetén nem tudunk egyetlen konkrét előrejelzést tenni. Ez a véletlenszerűség lett a kvantumfizika filozófiai alapkérdése, amely persze nagyon zavarja az ilyen filozófiai kérdéseken gondolkozó fizikusokat” – fogalmazott Csanád Máté, hozzátéve, hogy erre keresték a választ a Nobel-díjas tudósok is.

Az elmúlt évtizedekben a kutatók többféle magyarázatot is felvetettek a kvantumfizikában tapasztalt furcsaságokra. Az egyik az volt, hogy a természetben léteznie kell egy ilyen véletlenszerű, indeterminisztikus elemnek. A másik lehetőség szerint van valami rejtett változó, egy olyan tulajdonsága a részecskéknek, amit még nem ismernek a tudósok, és ez dönti el például azt is, hogy hova csapódnak be a fotonok. A harmadik lehetőség pedig a szuperdeterminizmus, amely szerint előre elrendeltetett, hogy a részecskével mi fog történni.

A rejtett változók lehetőségére vonatkozóan John S. Bell ír fizikus végzett
alapvető számításokat, felállított néhány, tetszőleges lokális változóra
érvényes egyenlőtlenséget. Gondolatmenetének alapja az „összefonódottság”,
amely akkor jön létre, ha két részecske egy közös okból keletkezik, méghozzá
úgy, hogy valamely tulajdonságuk (például lendületük, perdületük) matematikai
kapcsolatban áll (például ellentétes irányú). Ekkor az egyik részecskén végzett
mérés a másik – akár térben nagyon eltávolodott – részecske állapotára
vonatkozóan is adhat információt. Ilyenkor a megfigyelt tulajdonságaik
korrelációira vonatkozó Bell-egyenlőtlenségeket vizsgálták a fizikusok.

Az 1970-es évektől elvégzett kísérleteik nyomán kiderült, hogy a Bell-egyenlőtlenségek sérülnek, vagyis ha van is ilyen rejtett változó, akkor az nem lehet lokális jellegű, azaz a fénynél gyorsabban terjedő hatással kell bírnia. „Ezt szintén nem szeretik a tudósok: a fénysebességnél gyorsabban terjedő hatással a múltba tudnánk üzenni, és ez nem túl valószínű, hogy lehetséges” – jegyezte meg Csanád Máté. „Jelenleg azt gondolják, hogy az összefonódottság nem hozhat létre a fénynél gyorsabb információközlést, tehát a rejtett változók nem igazán jelentenek jó magyarázatot a kvantumvéletlen megjelenésére” – mondta a magyar kutató.

A harmadik lehetőséggel kapcsolatban Anton Zeilinger kutatócsoportja egy kísérlet során egy távoli, a Földtől 7,8 milliárd fényévnyi távolságra lévő kvazárból érkező fotonokat, illetve az ebből és más kvazárokból érkező fotonok párjainak összefonódottságát vizsgálta. Kutatásaik nyomán a szuperdeterminizmus által létrehozott korrelációk minimális időtartamát 7,8 milliárd évre lehetett kitolni. „Ez azt jelentené, hogy amennyiben meg van előre határozva, hogy hol csapódik be a foton, akkor annak a meghatározottságnak legalább ennyi időre vissza kellene nyúlnia. Ez szintén nagyon furcsa koncepció, ténylegesen szinte az ősrobbanás óta fennálló korrelációkat jelentene, mintegy eleve elrendelve egy tetszőleges mérés eredményét” – tette hozzá az ELTE kutatója.

Csanád Máté hozzáfűzte: „Most ott tartunk, hogy van három nagyon furcsa koncepciónk, bár egyiket sem szeretjük igazán, ezek közül legtöbben a véletlen létét tartják a leginkább elfogadhatónak.

 A díjazott tudósok a munkásságuk során tulajdonképpen azt a tudomány alapjait érintő kérdést vizsgálták, hogy determinisztikus-e a világ vagy sem, és egyre fejlettebb kísérleteikkel egyre több olyan kiskaput zártak be, amelyek a véletlentől eltérő lehetőségeknek adtak volna teret” – mutatott rá, hozzátéve: Alain Aspect és társai ezeknek a lehetőségeknek a kizárásában és a véletlen szerepének pontosításában végeztek döntő fontosságú kutatásokat.

Mint Csanád Máté kiemelte, az említett alapvető kérdésektől függetlenül a kvantumfizika működik. Ez azt jelenti, hogy olyan berendezéseket tudunk tervezni és üzemeltetni ez alapján, mint a félvezetőkön alapuló számítógépek és adattárolók vagy éppen az orvosi képalkotó eszközök.

Az idei díjazottak kutatásainak a kvantuminformatika megértésében, fejlődésében, illetve a kvantumtitkosításban is alapvető jelentőségük van.

Nyitókép: Anton Zeilinger Nobel-díjas osztrák fizikus. Fotó: AFP/APA/Hans Klaus Techt