10. fejezet - A kvantumszámítások szempontjából fontos fizikai jelenségek

A XX. század elejére a klasszikusnak nevezett fizikai elméletek készen voltak és nagyjából megadták a természeti jelenségek leírását. Csak néhány apróbbnak hitt jelenség lógott ki. A fizikusok azt várták, hogy néhány év alatt megválaszolják ezeket az apró kérdéseket, és meglesz a fizikai világ teljes fizikai (tudományos) leírása. Ezzel szemben ezt a pár apróbbnak hitt jelenséget tanulmányozva egy sor meghökkentő dologra derült fény, kiderült, hogy a jelenségek egy hatalmas csoportja nem magyarázható meg a klasszikus elmélet keretein belül. Ebben a fejezetben néhány alapvető nemklasszikus fizikai törvényről és jelenségről fogunk szólni.

A világban előforduló véletlen eseményeket két részre bonthatjuk aszerint, hogy valódi véletlen eseményről, vagy nem valódi véletlen eseményről van szó. Utóbbi esetben nem ismerjük (nincs elég információnk), vagy nagyon bonyolult lenne előre pontosan megjósolni a jelenséget. Ilyen pl. a dobókocka vagy a pénzérme dobása, sőt a lottóhúzás is. Ezzel szemben a kvantummechanikai jelenségek, mint pl. a rádióaktív bomlás vagy a kvantumoptikai jelenségek valódi véletlen események, vagyis elméletileg sem jósolható előre meg a kimenetelük, csak valószínűségeket ismerhetünk. Ez azért is furcsa, mert ha például azt mondjuk, hogy egy tükör (vagy tükröződő felület) az adott beeső fénysugár 85%-át veri vissza, míg 15%-át elnyeli, addig ezzel semmi gond, amíg a fényt tényleg fénysugárként képzeljük el. A fény viszont kvantumos felépítésű, fotonokból épül fel. Márpedig ha úgy képzeljük el, hogy minden fotonra egyformán hat a felület, és 85%-uk verődik vissza, miközben 15%-uk elnyelődik, akkor vajon egy konkrét fotonra ki dönti el és mi alapján, hogy mi történjen/történik vele? Erre lehet az a válasz, hogy itt valódi véletlen eseményről van szó, senki nem tudhatja és mondhatja meg előre, hogy mely foton fog visszaverődni és melyik elnyelődni, ez elméletileg sem tudható sehonnan, és a jelenség során véletlenül, de a megfelelő valószínűségeknek megfelelően fog megtörténni az esemény.

10.1. Kvantumoptika – szuperpozíció

Először egy optikai kísérletet fogunk bemutatni. Tekintsünk egy polarizált fénysugarat. (Köztudott, hogy a fény transzverzális hullám, vagyis a rezgés, ami terjed, merőleges a terjedés irányára. Ez azt jelenti, hogy a rezgés a fény sebességére merőleges síkban játszódik le. Polarizált fény esetén ez a rezgés egydimenziós.) Ha ezt a polarizált fényt kalcit kristályon engedjük át, az két fénysugárra törik: az egyik egyenesen megy át a kristályon, a másik eltolódással. A kristályt elhagyva a két fénysugár párhuzamos, és polarizáltságuk egymásra merőleges. (Mintha az eredeti polarizáció vektort merőleges vektorok összegére bontanánk.) Ha a szétbontott fény útjába egy másik kalcit kristályt helyezünk (az előzővel fordított állásban), az újra egyesíti őket (10.1. animáció, a polarizáltsági irányok nyilakkal berajzolva). A második kristályból kilépő fény pont olyan, mint az eredeti.

10.1. animáció - A polarizált fénysugarat az első kalcit kristály ketté bontja, a második egyesíti.

Ha a kísérletben az alsó vagy a felső fénysugár útját elzárjuk (valamit odateszünk, amin nem tud áthaladni), akkor a második kristály utáni fény pontosan olyan polarizáltságú lesz, mint a megmaradó fénysugár (lásd a 10.2. animációt, ami bemutatja ezt a részét a kísérletnek).

10.2. animáció - A polarizált fénysugár útja, ha az egyik út blokkolt.

Végezzük most el ugyanezt a kísérletet egyetlen (polarizált) fotonnal (a fénysugár helyett egyetlen fény-részecskével). Az első kristályon áthaladva esély van, hogy a foton a felső, és ugyanennyi, hogy az alsó ágon fog haladni. (Polarizáltsága is ennek megfelelően változik). Tegyük most be a második kristályt is. Ekkor a foton az eredetivel megegyező polarizációval fogja a második kristályt elhagyni. Azt mondhatnánk(?), volt esély, hogy a fenti, és esély, hogy a lenti úton haladt a foton, vagy ezen, vagy azon haladt. De folytassuk a kísérletet a következőképpen! Blokkoljuk a felső, majd az alsó utat. Ekkor a foton polarizációja a második kristályból kilépve megegyezik a nem blokkolt úton levő polaritással. Ha viszont a foton csak az egyik úton haladt volna, akkor itt, a második kristály után fele-fele arányban kellene az alsó, illetve a felső útnak megfelelő polarizáció értéket mérni. Ezzel szemben, ha mindkét út szabad, akkor az eredeti polarizációt mérjük. Tehát a foton nem vagy ezt vagy azt az utat választotta, hanem egyszerre ment mindkettőn, a két út szuperpozíciójában haladt, egyszerre volt ott mindkét úton (és a második kristálynál interferált saját magával). A kísérletet a 10.3. animáció mutatja be.

10.3. animáció - Egy polarizált foton „útja” a kalcit kristályos kísérletben.

Ez egy nemklasszikus jelenség, ami a kvantumszuperpozíció nevet viseli. Ha nem mérjük meg a fotont a két kalcit kristály közt, vagyis nem akarjuk megtudni, hogy melyik úton halad, akkor egyszerre van jelen több állapotban, vagyis mindkét úton egyszerre halad: a szuperpozícióban levő részecske pedig interferál (hat) saját magával.

A kísérletben tehát megjelent a fény részecske-hullám kettőssége, az állapotok szuperpozíciója, illetve a mérés problémája is, amire a következőkben még visszatérünk.