Relativitáselmélet és a kvantummechanika

Matematika és fizika kicsit másképpen

Mottó:

Aspect rátalált az univerzum egyik tulajdonságára, kísérletileg bizonyította, hogy léteznek láthatatlan kapcsolatok..

Szemelvények:

A mi létünk véges, így nem is tudjuk felfogni a végtelent, ez a lehetetlenségi elv, amúgy már nem mondják hogy végtelen - inkább azt hogy jelenleg is tágul a világegyetem, addig amíg el nem éri a kritikus pontot és el nem jön a Big Freeze, vagy a Big Crunch (ez utóbbi a valószínűbb). Ez lesz az Ómega pont, a világegyetem vége, amióta elfogadottá vált ez az elmélet, a végtelen csak egy lett csak a matematikai változók között.
A mikrorészecskék kommunikálnak egymással - ez kvantumfizika - a CERN jelentette ki hogy tudja hogyan kell elvégezni a kísérletet, de igazolni sokkal később Aspect tudta - ez a EPR paradoxon - az első kísérlet amely szembeszállt illetve megkérdőjelezte a speciális relativitáselméletet, mely szerint a fénynél semmi sem haladhat gyorsabban, ennek ellenére bizonyítható hogy bizonyos feltételek mellett a mikrorészecskék automatikusan kommunikálnak egymással, még akkor is ha a világegyetem két különböző pontján vannak. Persze az nem azt jelenti hogy jeleket küldenek egymásnak. A kísérletet nemrég ismét megerősítették és ma már így írják le: a szubatomi részecskék egyetlen entitást képeznek, a szétválasztásuk csupán illúzió, ezzel Aspect rátalált az univerzum egyik tulajdonságára, kísérletileg bizonyította hogy léteznek láthatatlan kapcsolatok, hogy a dolgok között olyan viszony van, amit eddig nem is sejtettünk, hogy az anyagnak belső szerveződése van, persze ez ellentmond a makrokozmosz működési elvének, és feltételezi hogy a mikro-és makrokozmosz más elven működik, ami lehetetlen, ezen dolgoznak az utóbbi 50 évben a fizikusok és a matematikusok, leírni egy működési elvvel a teljes világegyetemet, merthogy minden ugyanannak a valóságnak a különböző megnyilvánulása, tehát kell legyen egy közös kulcs, így született meg a nemteljességi tétel, ami szerint nem tudjuk bizonyítani egy matematikai rendszer koherens mivoltát, még akkor sem, ha a nem bizonyítható állításai igazak.

A jövőt megismerhetjük-e…

A nemteljességi tétel éppen ennek mond ellent, Einstein kutatásait a káoszelmélettel kiegészítve már jól lehet érteni, mit jelentett számára az hogy a galaxisok teremtésében "isteni" beavatkozást sejtett, erről szól az Isteni Formula, nem akarta nyilvánosságra hozni, mert csak sejtette hogy igaza van, halála előtt dolgozott ezen, a mikrokozmosz viselkedését mi emberek nem tudjuk felfogni, mert hatással van rá a szemlélő (vagy a kutató) hozzáállása. Például, megfigyelték hogy az elektronok ha beletesszük egy szétválasztott dobozba mindig azon a térfélen vannak amit a megfigyelő szemlél. Visszatérve, Einstein nem a biblia konkrét istenét kereste, de az ősi iratokban szerinte ősi igazságokat lehet felfedezni, ha tudjuk hogyan kell olvasni, szerinte előbb utóbb a modern kutatások igazolni fogják pl. a védák könyvének állítását, és halála után tényleg így lett, a Big Bang elmélet a "világ" teremtésére beigazolódott, kutatók megtalálták az ősrobbanás "hangszemetét" visszaverődve a világűrből (ez nekem különösen tetszett) ha éppen nincs adás a TV-ben a hangyák háborúját látjuk a legyünk világ bármely részén, sokan kutatták mi lehet ez, és csak a 80-as évek végén jöttek rá, hogy az ősrobbanás utóhangjait vagy "utóvisszhangjait" látjuk és halljuk a környező galaxisokról visszaverődve. Na ez vajon igaz lehet?

A tudósok két alapvető eszközt találtak (elméletet) az univerzum működésének meghatározására: a relativitáselmélet és a kvantumfizika-kvantummechanika eredményeit.

„Manapság a legnagyobb elmék egyike Professzor Stephen W. Hawking foglalkozik a két elmélet harmonizálásával. Ő próbálja a speciális relativitáselméletet összeegyeztetni a kvantummechanikával. Jelenleg ott tart, hogy nem jó semelyik elmélet sem. Tehát állítása szerint mindkét elmélet hibás, és nem felel meg teljes egészében a világegyetemben lévő fizikai paramétereknek. Még a mostaninak sem teljes egészében! Ahogyan a XX. sz elején mondták a fizika elérte a korlátjait, legalábbis a jelenlegit, amíg valaki ki nem talál egy újabb elméletet. Ez pedig nem biztos, hogy a húr elmélet lesz, és se nem az M elmélet. … Hiszen gondolj csak bele, ha téves, vagy nem helyes a relativitáselmélet akkor hogyan épülhetett rá eddig a fizika. Ha nem helyes a kvantummechanika-kvantumfizika, akkor mire épült a quantum számítógép? J

A fénynél is gyorsabban III

http://charoninstitute.wordpress.com/2012/12/26/a-fenynel-is-gyorsabban-iii/

"Figyelmeztetés!

Cikkünkkel most enyhén sokkolni fogjuk érdeklődő olvasóinkat. A kvantumfizika immár mindannyiunkra ható világának olyan titkait mutatjuk be, amelyek ijesztőbbek lehetnek, mint egy halloween-i éjszaka legrémségesebb fantazmagóriái, és gyönyörűbbek, mint Alíz Csodaországban vagy az Ezeregyéjszaka meséi, egyszerre. A tudomány és a képzelet legújabb eredményei messze meghaladják a Scifi-írók legbizarrabb álmait is, és mindezt most nem fantáziáljuk, hanem fizikai kísérletek sorával igazoljuk. Cikkünk elolvasását csak saját felelősségre, kellő mennyiségű kávé és (egészségre káros mennyiségű) energiaital előkészítése mellett javasoljuk. Köszönjük!

Felejtsünk el mindent

Ahhoz, hogy esélyünk legyen elmerülni ebben a varázslatos világban, először is el kell felejtenünk szinte mindent, amit az objektív világegyetemről eddig tudunk, tudni véltünk, ill. gondoltunk. Talán a logikát és a kommunikáció alapjait megőrizhetjük, de ezeket is csak részben: kényszerből, fenntartásokkal – hamarosan megértjük, miért.

Hogy látjuk a világot?

Mi, emberek általában érzékszerveinkre támaszkodunk a külső világ megítélésében. Természetesnek vesszük például, hogy vannak körülöttünk tárgyak és más élőlények, relatíve jól meghatározható helyen és/vagy sebességgel mozogva; valamint vannak más emberek is, akik ugyanezeket a tárgyakat és élőlényeket nagyrészt ugyanolyannak és ugyanúgy látják és érzékelik, mint mi.

Ezen kívül szentül hiszünk olyan megkérdőjelezhetetlennek tekintett (ám tudományosan soha meg nem magyarázott, főleg nem bizonyított) fogalmakban, mint például az öntudat vagy a szabad akaratunk – és persze abban is, hogy minden más élőlény rendelkezik ugyanezen tulajdonságokkal, tőlünk függetlenül.

Bár mindezeket részben már a Heisenberg-féle határozatlansági teória és az Einstein által napvilágot látott relativitáselmélet is megkérdőjelezte; a kvantumfizika jelenségei alapjaiban ingatják meg erre épülő világképünket. Sőt, ha még pontosabbak akarunk lenni – gyakorlatilag nevetségessé teszik megfigyeléseinket és önértelmezésünket.

Mi a valóság?

A valóság – legalábbis ahogy a kvantumfizika jelenlegi kísérleti eredményei sugallják – még csak nem is hasonlít arra, amit vizuálisan érzékelünk.

Nincsenek például jól meghatározható helyzetű tárgyak, sem élőlények. Egyáltalán nem biztos, hogy az öntudatunk a sajátunk, és főleg nem, hogy a testünkhöz köthető. Nem biztos, hogy létezik szabad akarat, vagy ha mégis, akkor egészen másképp, mint ahogyan ma gondoljuk.

Nem biztos, hogy a fénysebesség az elérhető legnagyobb sebesség; nem biztos (sőt igen valószínűtlen), hogy csak 3 térdimenzió van, és hogy az idő bármiben is különbözik ezektől. Végül, nem biztos, hogy létezik egyáltalán olyan, hogy objektív világegyetem; vagy éppen megfigyelt pillanattól független jelen, jövő, vagy múlt.

Éppen ellenkezőleg, számtalan jel mutat arra, hogy a világegyetem részben vagy talán teljes egészében “szubjektív” hely: vagyis minden öntudattal rendelkező élőlénynek (még általánosabban: minden önmaga és a külvilág érzékelésére képes rendszernek) saját, egymásétól tetszőlegesen különböző világegyeteme van; az objektívnek hitt univerzum pedig talán csak ezek szuperpozíciója, amely csak azon pontokon és úgy kapcsolódik, illetve válik érzékelhetővé (megfigyelhetővé), a többi, öntudattal rendelkező rendszer (élőlény, vagy azok csoportja) számára, hogy ne okozzon paradoxont semmilyen szemlélő esetében sem.

És ami az egészben a legszebb (egyben tudományos hitelesség szempontjából legfontosabb), hogy mindezeket nem filozófusok álmodták meg a “semmiből”. Éppen ellenkezőleg, szigorúan kontrollált körülmények között elvégzett kvantumfizikai kísérletek egész sora igazolja, illetve vetíti előre a döbbenetes állítások jelentős részének létjogosultságát.

És hogy mégis hogyan? Kezdjük az elejéről!

A legszebb kísérlet

Az ún. kétrés (double-slit) kísérletet, mint majdnem minden alapvető hullámfizikai jelenséget látványosan és döbbenetesen egyszerűen illusztrálni képes összeállítást az évtized első felében hivatalosan is a világ leggyönyörűbbjének választották (“The most beautiful experiment, Physics World, 2002 september”).

Bár maga az elrendezés és annak folytonos fénnyel, valamint folyadékokkal (pl. hullámzó vízzel) elvégzett változatai évszázados múltra tekintenek vissza, a kétrés-jelenségek kvantumfizikai vizsgálata csak az utóbbi évtizedekben vált kivitelezhetővé a lézerek és a különleges optikai eszközök, mint például a fényrészecskék (fotonok) felbontására képes kristályok, prizmák fejlődése nyomán.

Mielőtt a kvantumfizika rejtelmeibe mélyednénk, vizsgáljuk meg még egyszer, hogyan is működik normál esetben ez az egyszerű összeállítás!

Két, egymástól nem túl távol lévő rést helyezünk koherens fényforrás, vagy akár vízben terjedő hullámok elé, és azt vizsgáljuk, hogy ezek milyen mintázatot alakítanak ki az átellenes oldalon lévő falon vagy képernyőn.

Hullámzó interferencia-csíkokat fogunk kapni, ami nagyon egyszerűen megérthető, ha modellezzük a két résen áthaladó fény, vagy vízhullámok útját. A két-két résen áthaladó hullámok az ernyő egyes pontjait elérve más-más hosszúságú utat járnak be, és emiatt eltérő fázisban érkeznek meg, így végső soron helyenként erősítik, másutt gyöngítik (vagy éppen teljesen kioltják) egymást.

Idáig tehát nem ért minket különösebb meglepetés; a jelenség a klasszikus fizikai jelenségek kivetítésével is tökéletesen érthető és megmagyarázható.

Ha viszont a kísérletet lézer vagy fény helyett elektron-nyalábbal végezzük el, akkor igen csak el kell, hogy csodálkozzunk – mivel a kapott eredmény akkor is ugyanilyen, hullámzó mintázat lesz (a kihalófélben lévő katódsugárcsöves TV-k elektronágyúja és fluoreszcens képernyője pont megfelel ehhez).

Itt válik érdekesé a dolog – az elektronok ugyanis a klasszikus fizikában például tömeggel és számtalan egyéb jól meghatározható jellemzővel rendelkező anyagi részecskék (ellentétben a fénnyel, amely legalább annyira hullám-természetű is). De akkor hogyan tudnak az elektron-nyaláb apró, anyagi részecskéi interferencia-csíkokat rajzolni a túloldalon lévő képernyőre?

A furcsa megfigyelésre adott legegyszerűbb magyarázatnak eleinte az tűnt, hogy a részecskék sokasága – a két résen való átrepülés során – kényszerűen olyan pályát vesz fel, amelyen egymásnak ütköznek, akár többször is, kitérítve egymást, és a folytonos kölcsönhatás miatt módosuló röppályák végső soron egymást befolyásolva hoznak létre sűrűbb és ritkább becsapódási mintázatokat az ernyőn.

Ez hihetőnek tűnt, egészen addig, amíg ki nem próbálták, hogy mi történik, ha egyszerre csak egyetlen egy elektront lőnek át a rendszeren – kizárva az egymást módosító nyalábok kölcsönhatásának lehetőségét. Teljes képtelenség, hogy interferencia-képet kapjunk – gondolhatnánk a klasszikus fizikát alapul véve. De mindig érhetnek meglepetések, ha túl biztosak vagyunk világképünkben.

Ahol a misztikum kezdődik

Egy elektron elméletileg egy nagyon-nagyon parányi elemi részecske – az általunk ismert anyagok miniatűr építőköve. Kizárt dolog, hogy egyszerre két különböző helyen legyen (mint például a kétrés kísérlet nyílásai), főleg ha azok a helyek milliószor távolabb vannak egymástól, mint az elektron mérete. Így az is kizárt dolog – gondolhatnánk – hogy mindkét résen egyszerre haladva át, önmagával interferáljon.

Nos, látszólag nem is ez történik, hanem valami még ennél is furcsább. Egy önálló elektron (és egy fény-foton is), a kétrés-kísérletben valójában mindig csak egyetlen, jól meghatározható (de előre ki nem számítható) helyen csapódik be a túloldalon lévő képernyőre. Nem hoz létre semmilyen mintázatot, csak egy pontot.

Az igazán elképesztő és klasszikus világképünkkel teljességgel megmagyarázhatatlan jelenség akkor válik megfigyelhetővé, ha egymás után sokszor megismételjük ugyanezt (tehát, hogy egy-egy önálló elektront, vagy fény-fotont lövünk át a kétrés-kísérletben). A sok száz, ezer vagy tízezer egyedi részecske végül – ha becsapódási pozícióikat összegezzük – kialakítják az interferenciaképet, vagyis azt a mintázatot, amihez elvben azonos és egyidejű forrású hullámok interferenciája szükséges.

Hogyan lehetséges ez? Eddigi világnézetünkkel – sehogy. Mégis megtörténik.

Bár a kísérlet annak idején kevés publicitást kapott, minden résztvevő tudóst ámulatba ejtett, és elgondolkodtatott azzal kapcsolatban, hogy valamit esetleg döbbenetesen félreértelmeztünk: eddig.

Be kell, hogy lássuk – igazuk van. De a rejtély még ennél is mélységesebb, ráadásul kényes, a tudomány által alig kezelhető kérdéseket vet fel, ha tovább vizsgálódunk.

Az alábbi, egyik legelső videót a jelenségről a népszerű szórakoztató elektronikai termékeket gyártó japán Hitachi cég kutatói készítették, kommentárjukban pedig kiemelték – “We have reached a conclusion which is far from what our common sense tells us” (Olyan következtetésre jutottunk, amely ép ésszel fel sem fogható)

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 megváltoztatja 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 végső soron, 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.

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 összeomlásához? 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 megfigyelő bármilyen 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.

A Koppenhágai értelmezés

Schrödinger élőhalott macskája a 20. század egyik legnagyobb tudománytörténeti vitáját váltotta ki, amely máig sem ért véget – sőt, a kvantumfizikai kísérletek tükrében egyre érdekesebbé válik. Már Einstein és Schrödinger is hosszan leveleztek róla, később egész konferenciák témája volt, évtizedekig. A Koppenhágai értelmezés szerint a macska valóban “zombi” addig, amíg ki nem nyitjuk a dobozt, de amint ez megtörténik – és azt megfigyeljük – a hullámfüggvény törvényszerű összeomlásával a macska végérvényesen felveszi az egyik, vagy másik állapotot, és világegyetemünk eszerint alakul tovább.

A Koppenhágai értelmezés szerint tehát csak egyetlen, jól meghatározható kimenetele lehet a kísérletnek, és minden szemlélő azt fogja látni: amint kinyílik a doboz.

Ez egy egyszerű és logikus, paradoxonoktól mentes álláspont, és ezért máig sokan kedvelik. De van egy csavaros, mégis tökéletes ellenérv, amely megkérdőjelezi azt.

Mi történik, ha valaki egy óra elteltével kinyitja a dobozt, szomorúan tapasztalja, hogy a macska elpusztult, majd visszacsukja a dobozt; viszont mielőtt bárkivel beszélhetne erről, a fejére esik egy tégla, és maga is jobblétre szenderül. Barátja (Wigner’s friend) a balesetről mit sem tud, de bemegy a laborba, kíváncsian újra kinyitja a dobozt, és csodák-csodája: a cica él és virul.

Be kell, hogy lássuk, hogy a kvantumfizika varázslatos világában (amely a mi világunk is egyben) ez igenis lehetséges. Hiszen, ha maga a megfigyelés omlasztja össze a valószínűségi hullámot, akkor egy másik, független megfigyelés épp olyan valószínűséggel juthat teljesen ellentétes eredményre.

Akkor ez most azt jelenti, hogy mi magunk döntjük el, hogy a macska élő, vagy halott legyen-e? Egy tudatos megfigyelő kívánságai határozzák meg a világegyetemet? Vagy csak elszenvedni kénytelenek a tudatos megfigyelők az egyik, vagy másik szubjektív állapotot? És mi van, ha a két független megfigyelés eredménye nem egyezik?

Ez a paradoxon vezetett a Több-világegyetem (Multiverzum-értelmezés) kialakításához."