A tudomány 10 legnagyobb rejtélye: 1. rész, A semmi ágán

„Az élet teljes jelentése, minden emberi vágy együttes értelme, egy olyan alapvető rejtély, amely meghaladja felfogóképességünket. Amíg fiatal voltam, dühös voltam a dolgok ezen állása miatt. Mára megbékéltem vele. Még megtiszteltetésnek is tartom, hogy közöm lehet ehhez a rejtélyhez.”
Wigner Jenő Nobel-díjas amerikai–magyar fizikus emlékirataibólÉrtelmet találni a dolgokban, megindokolni, miért vannak így és nem máshogy: ez a tudósok állandó kutatásának tárgya. Meglelni az okot, majd az ok okát… stb., ameddig csak az értelem eljuthat. Megkerülhetetlen a végső kérdés, amelyet a XVIII. század elején a filozófus-matematikus Georg Wilhelm von Leibniz tett fel:

10.
Miért van inkább valami, mint semmi?
„A semmi ugyanis sokkal egyszeríbb és könnyebb, mint a valami. Továbbá, ha feltételezzük, hogy a dolgoknak létezniük kell, az embernek akkor is számot kellene tudni adnia arról, hogy miért így kell létezniük, és miért nem másként.”Mit kezdhet a tudomány ezzel a filozófiai kérdéssel? Első nekifutásra úgy tínik, nem sokat. Leginkább arra kérdezhet rá, miért – vagy inkább hogyan – keletkezett a világegyetem. Ehhez azonban egy ’már ott lévőre’ volna szükség, egy kiindulópontra: princípiumra, törvényre vagy tárgyra. A ma széles körben elfogadott Nagy Bumm (Big Bang) elmélet – amely szerint a világegyetem egy rendkívül sírí és forró állapotból kiindulva fejlődött – egyelőre néma marad, ha a nulla pillanatról kérdezzük, ugyanis nem tudja leírni, mi történt ama 10-35 másodpercen belül, amikor a hőmérséklet, a síríség és a téridő görbülete a végtelenhez tartott. Ezt a csendet azonban megtörhetik azok a kísérletek, amelyeket a CERN-ben (Centre Européen pour la Recherche Nucléaire, Európai Atommagkutató Központ) terveznek.

Ez volt a helyszíne a World Wide Web születésének. 2009 tavaszától itt indítják majd be a világ jelenlegi legnagyobb részecskegyorsítóját, a Nagy Hadronütköztetőt (Large Hadron Collider, LHC), amelyben valóra válhat a Nagy Bumm utáni első töredékmásodpercek történéseinek újrajátszása.Igen ám, de akkor is fennmarad a kérdés: mi volt a Nagy Bumm előtt? Lehet, hogy Szent &Aacutegoston intuíciója – „meg kell értenünk, hogy az idő teremtése előtt nem volt idő” – megfelel a valóságnak, persze azzal az apró változtatással, hogy a teremtést a 13–14 milliárd évvel ezelőtti Nagy Bummal helyettesítjük? A relativitáselmélet alapján feltehető, hogy a téridő az anyag építőköveivel együtt keletkezett, ez esetben pedig az előtt kérdésének nincs értelme. Az emberi elme azonban, amelynek megvan a maga „naiv fizikája”, nehezen nyugszik bele abba, hogy eddig és ne tovább. De vajon többet tud-e kezdeni az öröktől fogva létező világegyetem Arisztotelésztől datált víziójával? Nemigen; kivéve egyes fizikusokat. A Pennsylvania &Aacutellami Egyetem Abhay Ashtekar vezette csoportja mintegy visszafelé haladt az univerzum történetében. Ahogy elérték a Nagy Bummhoz közeli időszakaszt, amelyre már nem alkalmazható az általános relativitáselmélet, a kvantumfizika egyenleteit vetették be.

A Nagy Bummon túllépve egy zsugorodó, ugyanakkor a mi táguló világegyetemünkhöz hasonló téridő-geometriával rendelkező világegyetem képe rajzolódott ki, amelyben a gravitációs erők húzása befelé irányulhatott. A szimulációk hónapokon át tartó futtatásával a kutatók arra jutottak, hogy a klasszikus Nagy Bumm helyett inkább egy Nagy Visszapattanás (Big Bounce) – pontosabban, egyfajta kvantum-visszapattanás – történt. Ekkorra az összehúzódó világegyetem elért egy olyan pontot, amikor a téridő-háló szétszakadt, s a téridőkvantum tulajdonságai a gravitációt vonzó helyett taszítóvá alakították át. Sokan fenntartásokkal fogadták ezt az elméletet. Választ adhat ugyan az előtt kérdésére, de az idők kezdetét – vagy nem kezdetét – még így sem sikerült meghatározni. Ráadásul a fizikának vannak olyan eredményei, amelyek szerint tényleg inkább a semminek kellene léteznie, mint valaminek – méghozzá magában a jelenlegi világegyetemben. A Nagy Bumm elméletnél maradva,

anyagnak és antianyagnak gyakorlatilag egyforma mennyiségben kellett volna keletkeznie,

ezek pedig, amint találkoznak, megsemmisítik egymást…De nézzük, mi is az antianyag? Az antianyag egyáltalán nem semmi, hanem maga is anyag, csupán ellentétes töltésí. Létére előbb következtettek a fizikusok, mint hogy rátaláltak volna. Paul A. M. Dirac brit Nobel-díjas fizikus, aki egyébként Wigner Jenő testvérét vette feleségül, 1928-ban írta le híres egyenletét, amelyet róla neveztek el, és amely a relativisztikus kvantummechanika alapegyenlete. Az egyenlet alapján e tudós azt a következtetést vonta le, hogy az elektronok mellett pozitív töltésí antielektronoknak is kell létezniük. Ezeket pozitronoknak nevezték el, ami már ismerősen cseng, amennyiben hallottunk az orvostudományban használt egyik képalkotó eljárásról, a Pozitron Emissziós Tomográfiáról (PET). &Aacuteltalánosítva, Dirac azt mondta ki: „minden anyagi részecskének kell, hogy legyen egy antirészecskéje, amely vele mindenben megegyezik, kivéve abban, hogy töltése ellentétes”.

Az antirészecskék azonban ritkák a mi világunkban, nem ütközünk beléjük lépten-nyomon. Egyáltalán hol bukkanhatunk rájuk? Victor Hess 1912-ben fedezte fel a kozmikus sugárzást, amely a Földön kívülről eredő, nagy energiájú részecskékből áll. Ezt a kozmikus sugárzást kutatta Carl D. Anderson svéd származású amerikai fizikus, mígnem 1932-ben ködkamra-felvételeken rá nem talált a pozitron nyomaira. A továbbiakban ő maga is alkotott pozitronokat úgy, hogy más anyagokra gamma-sugárzást bocsátott. Kimutatta, hogy ily módon egyszerre jön létre egy elektron és egy pozitron – ezt hívják párkeltésnek –, vagyis, hogy ezek valóban egymás antirészecskéi. Ezért a munkájáért 1936-ban Hess-szel együtt Nobel-díjat kapott. A párkeltés ellentéte a szétsugárzás vagy annihiláció, a megsemmisülés: ha anyagi világunk bármely részecskéje találkozik saját antipárjával, mindkettejük tömege energiává átalakulva szétsugárzódik.

A természet legkisebb építőköveit kereső részecskefizika mai átfogó elmélete a Standard Modell, amely szerint, ahogy Gabriel Chardin francia fizikus, Az antianyag (L’Antimatière) címí könyv szerzője összegzi: „a világegyetemnek lényegében üresnek kellene lennie, csak igen kevés anyaggal, nem lehetnének sem bolygók, sem galaxisok, csak a részecskék és antirészecskék végzetes találkozásaiból eredő fotonok”. Esetleg az antianyag, elkülönülve az anyagtól, a világegyetem egy másik részében gyílt fel? Ha létezne egy ilyen antivilág, annak antianyag alkotta csillagrendszerei antirészecskéket sugároznának, és – a szétsugárzás jelensége miatt – a galaxisok és antigalaxisok határán erős sugárzási zónának kellene lennie. A csillagászok azonban semmi ilyesmit nem észleltek.

Vannak kutatók, akik lehetségesnek tartják, hogy az anyag és az antianyag már kezdetektől nem volt egyensúlyban. A fizikusok többsége szerint azonban a Nagy Bumm során egyenlő meny-nyiségben keletkeztek, vagyis a kettő közt szimmetria volt, ám nagyon rövid időn belül kialakult egy csekély szimmetriasértés, amelynek révén az anyag került túlsúlyba: minden egymilliárd antirészecskére egymilliárd-egy részecske jutott. Univerzumunk eszerint ennek az apró anyagtöbbletnek köszönheti létét – a többi részecske-antirészecske pár ugyanis szétsugárzott. &Aacutem fennmarad a kérdés: mi az a körülmény vagy történés, amely inkább az anyagnak kedvezett, mintsem az antianyagnak, s amelynek révén az anyag végül egyeduralkodóvá vált? Ezzel kapcsolatos egy magyar kutatócsoport munkája. Csikor Ferenc, Fodor Zoltán és az idén Junior Prima díjat elnyert Katz Sándor (ELTE Elméleti Fizika Tanszék) olyan fázisátmenetet vizsgált, amely felelős lehet az anyag-antianyag aszimmetriáért. Szuper-számítógépes modelljük alapján létezik egy olyan kritikus pont – egy olyan magas anyagsíríség és hőmérséklet –, amelyen ez a fázisátmenet megvalósulhat. &Oumlsszegezve, ha azt ma még nem is tudják meghatározni, miért van inkább valami, mint semmi, azt talán hamarosan tudni fogjuk, miért több az anyag, mint várható.

Kísérletileg az antianyag-problémát a CERN-ben vizsgálják, ahol 1995-ben sikerült először létrehozni antihidrogént – eleinte csak néhányat, ma már úgy másodpercenként egyet. Az antianyag-kísérletek egyike az ASACUSA, amelyben japánokon és dánokon kívül magyarok is részt vesznek – ebben nagy pontossággal sikerült igazolni anyag és antianyag úgynevezett CPT (töltésbeli, térbeli és időbeli) szimmetriáját. E hármas szimmetriából következik, hogy a világegyetem tükörképe – ahol minden anyagot ellentétes töltésí antianyaggal helyettesítenénk, minden objektumot a tükörképével és mindezt időben megfordítanánk – ugyanúgy fejlődne, mint saját világegyetemünk, vagyis a két világegyetem az összes egymásnak megfelelő időpontban azonos lenne. De csak lenne…


09.
Léteznek-e más világegyetemek?
Mit jelent az, hogy több világegyetem? Olyan világokat, amelyek ugyan párhuzamosan léteznek, mégsem tudhatnak egymásról semmit. Az is lehet, hogy pontos másolatai egymásnak, az is, hogy vannak eltérések. E párhuzamos világokban saját hasonmásaink élhetik alternatív történelmünket… Az egyik legnépszeríbb tudományos (fantasztikus?) elmélet szerint egyszerre sok világ létezik. A XVIII. század elején Bernard le Bovier de Fontenelle francia író a világok sokaságáról álmodozott, amit az újabb exobolygó-felfedezések csak megerősíteni tudtak. Tovább mehetünk ennél, más világegyetemeket is feltételezhetünk? A Kr. e. VII. században Anaximandrosz görög filozófus már megfogalmazta ennek lehetőségét, ám a XX. századig kellett várni, hogy a kérdés értelmet nyerjen, és egyes elméleti fizikusok világegyetem-sokaságról beszélhessenek… Vannak köztük, akik szerint az univerzumok pezsgésében a miénk csak egyetlen buborék; mások rejtett világokkal számolnak, vagy úgy vélekednek, hogy ha belépnénk egy fekete lyukba – amely minden anyagot és energiát elnyel –, egy másik univerzumba jutnánk. &Aacutem valójában a legkisebb megfigyelt bizonyítékkal sem rendelkezünk, és lehet, hogy soha nem is fogunk.Az elme fényízése mindez? Ezt azért mégsem lehet kimondani. Valójában komoly számítások vezetnek a több világ hipotéziséhez. Egyes fizikusok szerint világegyetemünk nevetséges kis sziget, és

minden nem nulla valószíníségí esemény alkalmasint be is következik valahol…

Mit mond minderről a kvantummechanika? Párhuzamos univerzumokat – legalábbis a Hugh Everett-féle, 50 évvel ezelőtti értelmezésében. A Princetoni Egyetem egykori diákja szerint ahányszor csak a mi világegyetemünkben egy kvantumesemény bekövetkezik, annyiszor a párhuzamos világegyetemekben is végbemegy, de más kimenetellel. &Iacutegy végül minden lehetséges változat megvalósul. A mikrovilág törvényszeríségeit leíró kvantumfizikában egy rendszer állapota mindaddig határozatlan, amíg egy mérés azt az egyik vagy a másik állapotba nem löki. A párhuzamos
világegyetemeket e mérések létesítik. Everett szerint a kvantumfizika nemcsak a mikrovilágra, hanem hétköznapi világunkra is alkalmazható.Vegyük Erwin Schrödinger macskáját – amit, ahogy Stephen Hawking megjegyezte, ma már senki sem merne hasonló sorsnak kitenni, még gondolatkísérlet szintjén sem…

A macskát dobozba zárták egy olyan radioaktív atommal, amelyről tudjuk, hogy egy óra múltán 50 százalékos valószíníséggel elbomlik. A bomlása esetén kibocsátott részecske míködtet egy rendszert, amely ha jelt ad, akkor egy súly leesik, és összetör egy méregfiolát. A dobozba nem láthatunk bele. Amíg nem tudjuk, él-e a macska, vagy sem, addig egyszerre mindkét állapot fennáll, vagyis a macska élet/halál kvantummechanikai szuperpozícióban lebeg. (A szuperpozíció elve, amikor egy részecske vagy hullám állapota kevert, így egyes tulajdonságai nem határozhatók meg egyértelmíen.) A macska állapotát ekkor olyan függvény írja le, amely élő és holt mivoltának 50-50 százalékos keveréséből adódik. A doboz kinyitásakor kerül csak határozott állapotba, a két lehetőség valamelyikébe: él, vagy nem él.

Everett szerint a kvantumelmélet nagy léptékekben is alkalmazható:
a világ többféle állapotban is létezhet, és az egymás melletti világegyetemekben minden lehetőség megvalósul. Visszatérve Schrödinger macskájára: amint a dobozt kinyitjuk, a világegyetem megkettőződik: az egyikben a macska él, a másikban nem.Sok tudós ma is úgy véli, hogy a fekete lyukak más világegyetemekre nyíló ajtók. Pontosabban, a fekete lyukakban univerzumbébik jönnek létre, amelyekben a fizikai törvények már másmilyenek lesznek, mint mifelénk.Korábban Stephen Hawking is úgy vélekedett, a fekete lyukakból az információ más univerzumokba juthat. Mára azonban felülbírálta saját elképzelését, mivel arra jutott, hogy az információ visszajut saját univerzumunkba: „Sajnálom, hogy ki kell ábrándítanom a sci-fi rajongókat, de amennyiben az információ megmarad, a fekete lyukakat nem lehet más univerzumokba való utazásra használni. Ha egy fekete lyukba beleugrunk, tömegünk visszakerül a mi univerzumunkba, de roncsolt alakban. Az információ arról, hogy néztünk ki, megmarad, de felismerhetetlen állapotban.” – mondta a tudós egy 2004-es nemzetközi konferencián.De ezzel együtt is létezik még egy elmélet, amely megtámogathatja a több világ elképzelését: ez az infláción alapul, amely a világegyetemnek a Nagy Bumm utáni, elképzelhetetlenül gyors és nagy mértékí felfúvódása. Ameny-nyiben ez egyszer végbemehetett, nem lehetetlen, hogy megismétlődjék, s hogy ezáltal valamely előző világegyetem egy parányi részletéből kiindulva új világegyetemek szülessenek.


08.
Kvantumos-e a világunk?
A világ két részre szakad. A mikrovilágban a részecskék egyazon pillanatban hullámok és testek, itt is vannak, meg ott is… A makrovilágban, amely közvetlenül érzékelhető, a klasszikus mechanika törvényei érvényesülnek: pontosan lokalizálható tárgyak, okok, okozatok. Niels Bohr annak idején még ezeket mondta: „A klasszikus és kvantumos világ egymás mellett létezik; különböznek egymástól, a kvantumvilágban van szuperpozíció, a klasszikusban nincs. A két világ csak a mérés folyamatában érintkezik egymással; ilyenkor véletlen választás történik. Mi csak a világ klasszikus felét láthatjuk, a kvantumos világ csak árnyék.” Mindez a koppenhágai interpretáció néven vált ismertté, amelynek lényege egyesek szerint ennyi volt: Shut up and calculate! (Befogod a szád és számolsz!)… És valóban, sok évtizeden át nem illett a klasszikus és a kvantum közti átmenetet firtatni. &Uacutegy tínt, hogy ha a fizikusok ebbe fektetik energiájukat, akkor lényeges és megoldható feladatokat odáznak el a beláthatatlan jövőre. Az ifjú John Stuart Bell azonban a koppenhágai szellemet bírálva gúnyosan kijelentette: „a kvantummechanika FAPP – ’for all practical purposes’ (minden gyakorlati célra) – kiváló, de értelme homályban marad”. E lélektani áttörés nyomában sorra születtek olyan elméleti irányzatok, amelyek a két világ közti határvidék felderítését tízték ki célul.

Miért nem lehetünk egyszerre két vagy több helyen? Az ember a lelke mélyén ott hordozza ezt az álmot, melyet valaha több istenségének is tulajdonított. Ami számunkra egyszeríen elérhetetlen, azt a tudománynak sikerült rejtvénnyé tennie! Ahogy egyre kisebb nagyságrendek titkaira derül fény, úgy fedezik fel, hogy a bármilyen élőlényt vagy bármilyen tárgyat alkotó elemi részecskék egy meglepő tulajdonsággal rendelkeznek: ugyanabban a pillanatban több helyen is lehetnek. Például egy atomban az elektron határozatlan helyen található a magtól tízmilliomod milliméter távolságon belül. Helyéről legfeljebb annyi mondható, hogy valahol a magot borító felhőben oszlik el. Minden állapotnak megfelel egy helyzet, egy energiaszint. Egy elemi részecske 0-tól különböző valószíníséggel végtelenül sok állapotot elfoglalhat.

Azaz a kvantumvilágban a valóság nem egy, hanem több.

&Aacutem ha ezt az azóta sem cáfolt fizikát követjük, akkor mivel magyarázzuk, hogy senki sem rendelkezik az ubikvitás képességével, senki sem lép át a falon és nem létezik egyszerre több fizikai állapotban? Miért vannak rendkívüli tulajdonságaik elemi részecskéinknek, és miért nincsenek a számunkra érzékelhető világnak? Hogyan térünk át a kvantumos (se nem élő, se nem holt) macskáról a klasszikus macskára, amely vagy életben maradt, vagy nem?
Meg kellett várni az 1970-es éveket, Wojciech H. Zurek (Los Alamos Nemzeti Laboratórium) és Heinz-Dieter Zeh (Heidelbergi Egyetem) válaszát – utóbbi többórás előadásban győzte meg Wigner Jenőt is hipotézise helyességéről. Ez pedig a következő. Annak, hogy a szabad szemmel észlelhető világban nem figyelhetünk meg kvantum-szuperpozíciókat, az az oka, hogy a tárgyat alkotó részecskékkel mérhetetlen gyorsan és számtalan helyen kölcsönhatásba lép a makroszkopikus tárgyak környezete, lerontva a kvantum-szuperpozíció hatásait. Egy rendszerben minél több a részecske, annál nehezebb ezt elkerülni. Környezetétől megzavarva az elektron vagy itt, vagy ott van. Schrödinger példájában:

amikor a kvantumrészecske összekapcsolódik a méregfiolával – amely egy makroszkopikus tárgy –, megszínik a határozatlanság és az egymás mellett létező lehetőségek, a macska állapota egyértelmívé válik. Eközben az atomok és a kis molekulák sokáig megőrizhetik koherenciájukat.Mindehhez képest meglepő feltevéssel állt elő két osztrák fizikus, Johannes Kofler (Linzi Egyetem) és CĄaslav Brukner (Bécsi Egyetem). &#336k úgy vélik, nagy méretekben is a kvantumtörvények irányítanak, csupán ezt nem vesszük észre! Értelmezésük szerint a macska se nem élő, se nem holt, hanem egy újfajta állapotban létezik, melynek a klasszikus fizikában nincs megfelelője. Lévén, hogy méréseink elmosódottak – egyik kvantumállapotot nem tudjuk a másiktól megkülönböztetni –, a kvantumvilág különössége helyébe a hétköznapi világ lép.

Az osztrák kutatók szerint ehhez nincs szükség a környezet hatására bekövetkező dekoherenciára. Schrödinger macskája élet és halál közt végez kvantumugrásokat. Ezt azonban nem vehetjük észe, mivel ehhez oly rendkívül sok kvantumállapotot kellene megmérnünk, amennyit nem tudunk. Talán egy, a macskánál jóval kevesebb részecskéből álló létezőnél megkísérelhetnénk e kvantumugrások tetten érését? Nem tudni…Vagy az említett multiverzum lenne a megoldás: a doboz kinyitása után a macska megkettőződik, s vele az eredeti macskát tartalmazó egész univerzum is? De menjünk most tovább. Mi a helyzet, ha magunk vagyunk a macska helyén? Az egyik világban élünk, a másikban nem? Mindez ma is rejtély, miközben mindennapi vagy kevésbé mindennapi életünk eszközei, melyek a kvantumfizikán alapulnak, kiválóan míködnek. Az elektronok mozgásának hullámtermészetén alapult a kristályos anyagok sávszírő hatásának – a megengedett és a tilos sávoknak – a felismerése, ezen pedig a mobiltelefonok. De a kvantummechanikához kapcsolódnak a lézerolvasók, az alagúteffektussal míködő mikroszkópok, a szupravezetők, sőt a rádió, a tévé és a számítástechnika is. &Aacutem e berendezésekben csak valamely alkotórész és csak bizonyos körülmények között kvantumos. Például ilyenek a CD-ket olvasó lézer fotonjai…Mégis, tetten érhető-e valahol a kvantum-szuperpozíció összeroppanása? Magyarán,

átléphető-e a gyakorlatban a kvantum- és a klasszikus világ határa?

Ezt vizsgálták 1996-ban a coloradói Boulderben található Szabványügyi és Technológiai Intézet (NIST) kutatói. Elkülönített berilliumionokat elektromágneses csapdában, az abszolút nulla fokhoz közeli hőmérsékleten tartottak, elszigetelve minden külső energia- és sugárzási forrástól. &Iacutegy a szinte mozdulatlan ionnak két kvantumállapota lehetséges: a külső pályán lévő elektronjának mágneses momentuma – ez egyfajta parányi iránytí – vagy felfelé, vagy lefelé mutat. A kvantummechanika szerint addig, amíg az elektront meg nem zavarjuk, az ion e két állapot fele-fele arányú keverékében, avagy szuperpozíciójában marad. A szuperpozíció két összetevője térben csaknem átfedi egymást. Ezen összetevőket a kutatók külső elektromágneses tér segítségével fokozatosan távolítani kezdték egymástól. Ahogy a távolság nőtt, a szuperpozíció koherenciája fokozatosan csökkent, majd összeroppant: ekkor az ion az egyik lehetséges állapotba került. &Iacutegy sikerült átlépni a kvantumfizika mikrovilágából a klasszikus fizika makrovilágába. Majd a határon visszafelé is átkeltek: az iont ismét a szuperpozíció állapotába vitték.Végül: léteznek olyan – több millió atomot tartalmazó – apró áramkörök, amelyek bizonyos feltételek közt kétállapotú szuperpozícióban vannak, a mikroszekundum tört része idejére. §
Folytatjuk…