Univerzális határokat feszegethetünk egy A4-es papírlap hajtogatásával

A szubatomi világban zajló folyamatok szinte felfoghatatlanok az emberi elme számára

Hányszor tudunk összehajtani egy A4-es méretű papírlapot? Első hallásra nem tűnik túl izgalmasnak ez a kérdés, pedig a papírlap hajtogatásával egészen a mikrokozmosz gondolkodásunk határait feszegető világáig juthatunk el.

A hajtogatás végén már kétséges, hogyan viselkedik a téridő

Nos, hányszor tudunk összehajtani egy A4-es méretű lapot? Nem is gondolnánk, de csak hatszor-hétszer! A felezés nagyon gyorsan felgyorsul. Ha hajtani már nem tudjuk, hát vagdossuk tovább egy ollóval. Amennyiben 30-szor megfelezzük a papírt, 10^-8 cm lesz a mérete, körülbelül ekkora egy hidrogénatom is.

A szubatomi világban zajló folyamatok szinte felfoghatatlanok az emberi elme számára Forrás: Tumbrl

A 47. felezésnél elérjük a proton átmérőjének méretét,

amely 10^-13 cm, a 114. felezésnél pedig a 10^-33 centimétert, az úgynevezett Planck-hosszt. (A Planck-hossz az egyetlen hosszúság, amely a három nagy fizikai állandón, a fénysebességen, a Planck- és a gravitációs állandón alapul. Magába foglalja a világegyetem relatív, kvantum- és gravitációs jellegzetességeit.)

Max Planck Nobel-díjas német fizikus, a kvantummechanika egyik atyja Forrás: Technology Corp

A centiméter 10^-33-od része az a legkisebb hosszúság, ahol a fizikai valóságunk még létezhet. Legalábbis az a fizikai valóság, amelyben létezünk.

Itt már kétséges a tér és idő, itt már nem ismert, hogyan viselkedik az anyag.

Ez a mérettartomány a kvantummechanika világa. 114 vágás után nem tudjuk, hogy mi lesz a papírlappal, nem tudjuk mi lesz a térrel, idővel, anyaggal.

Mi lehet ott, ahol megszűnik a tér?

Egyes feltételezések szerint itt megszűnik a tér, ami helyett csak kaotikus kvantumhab a valóság, és a gravitáció is más szerepet tölt be, mint amit általában tapasztalunk.

A fizikusok úgy gondolják, hogy a vákuumot az úgynevezett kvantumhab tölti ki,

ahol a virtuális részecskék – olyan részecskék, amelyek közvetlenül nem mutathatók ki, azonban megfigyelhető más részecskékre gyakorolt hatásuk miatt –, folyamatosan megjelennek és megsemmisülnek.

Mi lehet ott, ahol megszűnik a tér? Forrás: Wallpaper Cave

A kvantumok világa tele van meglepetésekkel.

A mikrokozmoszban a részecskék másképpen viselkednek, az atomok kvantumtulajdonságai eltérnek attól, mint amit makroszkopikus világunkban figyelhetünk meg, és sok esetben ellent is mondanak neki.

Forrás: Wallpaper Cave

A kvantumoknak egyik ilyen különös viselkedése például a komplementaritás – az atom kétféle leírása: a hullámszerű kvantumállapot és az úgynevezett bolygómodell –, ami azt jelenti, hogy az elektron másképpen viselkedik, ha két komplementer helyzetben figyeljük meg. Mindkét leírás igaz, de más-más esetekben alkalmazható. A foton ugyancsak kettős természetű: egyszerre részecske is, és hullám is.

A Maxwell-egyenlettől a mindenség elméletéig

Több olyan teória létezik, amelyekkel megpróbálnak válaszokat adni. Az egyik a húrelmélet, mely szerint a részecskék nem pontszerű objektumok, hanem rezgési mintázatok, azaz egész parányi húrok, hurkok, és annyira vékonyak, hogy csak hosszuk van, magasságuk, szélességük nincs.

A húrelmélettől azt remélik a kutatók, hogy sikerül egyesíteni benne a természet alapvető erőit,

és elemi részecskéit. Egy ehhez kapcsolódó másik hipotézis, az M-elmélet vagy a mindenség elmélete, az egymástól különböző törvényű univerzumokat írja le.

James Clerk Maxwell 19. századi skót matematikus-fizikus, aki egy összefoglaló egyenletrendszerben írta le az elektromosság és a mágnesesség törvényeit Forrás: Wikimedia Commons

Megadja az összes paramétert, például a kölcsönhatás erősségét, az elemi részecskék tömegét és töltését. Maxwell egy egyenletrendszerben írta le az elektromosságot és a mágnességet, Einstein pedig a speciális relativitáselméletben a fényelméletet egyesítette ezzel.

Albert Einstein, a 20. század egyik legnagyobb elméleti fizikusa Forrás: Wikimedia Commons

Az 1970-es években a fizikusok egyesítették az erős kölcsönhatást (ez tartja össze az atommagban a protonokat és neutronokat, illetve a protonokat, valamint a neutronokat alkotó részecskéket), gyenge kölcsönhatást (a radioaktivitás), valamint az elektromágneses kölcsönhatást.

Edward Witten amerikai matematikus és fizikus, a húrelmélet egyik legjelentősebb teoretikusa Forrás: Wikimedia Commons

Majd jött a húrelmélet és az M-elmélet abból a célból, hogy a gravitációt is beépítsék az eddig már egyesített elméletekbe, vagyis a fizikusok szeretnék a négy alapvető kölcsönhatást egyetlen átfogó elméletben leírni. (A gravitáció a négy közül a leggyengébb kölcsönhatás.)

A kvantumok furcsa univerzumában háborog a téridő

A kvantummechanika törvénye szerint az elektromágneses sugarak, például a röntgensugárzás, a mikrohullám vagy a fény, kvantáltak, azaz csak bizonyos nagyságú egységekben, „csomagokban” bocsáthatók ki, illetve nyelhetők el. Így például a foton, a fény kvantuma nem osztható kisebb „csomagra”, mondjuk ½-ed fotonra.

Szimuláció egy féregjáratról Forrás: Davide and Paolo Salucci

A kvantumok furcsa univerzumában a téridő geometriája heves fluktuációkat mutat,

és ezek a kutatók szerint – teoretikusan – féregjáratokat hozhatnak létre. A tér geometriája annál kaotikusabb, minél kisebb részét vizsgáljuk. Az atommag méreténél (10^-12 cm) elég simának látjuk a teret, 10^-30 cm-nél egyenetlenségeket figyelhetünk meg, 10^-33 cm-nél viszont a tér görbülete már heves ingadozásokat mutat. Olyan ez, mint amikor egy papírlap messziről nézve sima, és ha kicsit meghajlítjuk, még akkor is, de ha mikroszkóppal vizsgáljuk, akkor redők, gödrök, kiemelkedések láthatók rajta.

Werner Heisenberg Nobel-díjas német atomfizikus, a róla elnevezett határozatlansági reláció megalkotója Forrás: Wikimedia Commons

E kaotikus környezet okát magyarázza a Heisenberg-féle határozatlansági elv,

amely kimondja, hogy a fizikai mennyiségek bizonyos párjainak értéke nem ismerhető meg ugyanolyan pontossággal, ilyen pár például a hely-impulzus, térerősség-tér változási sebessége.

Forrás: AFP

Azaz, ha ismerjük az elektron impulzusát, akkor nem tudjuk, hol helyezkedik el az adott elektron, csak a valószínűségét tudjuk meghatározni, és fordítva is. Vagyis a részecske helyének és impulzusának bizonytalansága egymással fordítottan, a szorzatuk pedig a Planck-állandóval arányos.

Ahol még a nulla sem tartós érték

A fizikusok szerint a vákuum valójában nem üres tér, mert részecskepárok jelennek meg és tűnnek el benne folyamatosan, azaz a részecskepárok fluktuációja zajlik itt.

Úgy gondolják, hogy nem létezhet teljesen üres tér a határozatlansági elv miatt.

A Heisenberg-féle határozatlansági reláció szerint ugyanis még a 0 sem válhat tartós értékké, mivel egyszerre sohasem ismerhető meg az erőtér értéke, illetve változásának sebessége.

A határozatlansági elv szellemében nem létezhet teljesen üres tér Forrás: Wallpaper Universe

Így az erőterek nulla körül is folyamatosan ingadoznak kissé pozitív, illetve negatív irányba, ezért csak az átlaguk nulla, maga a tér azonban sohasem az. Ahol a téridő görbülete nagy, vagy ahol a leggyorsabban változik, a részecskék is ott keletkeznek a legintenzívebben. A kvantumgravitáció az általános relativitáselméletet és a kvantummechanikát ötvözné, de a fizikusok erre még nem találták meg a kielégítő megoldást.

És mi történik, ha duplázzuk a papírlapot?

Ahogy a papírlap felezése igen gyors, úgy a duplázása is az. Ha megduplázzuk, A3-as lapot kapunk, a következő duplázásnál A2-eset, és így tovább.

Kilencvenszer megduplázva elérjük kozmikus látóhatárunkat,

azaz túljutunk az összes csillagon és látható galaxison, és elérjük az einsteini univerzum véges, ám határtalan szélét, amely jelenlegi ismereteink szerint úgy 14 milliárd fényévnyire van.

Forrás: Wallpaper Cave

Ha összevonjuk a felezést és a duplázást: a papír 204 felezésével és duplázásával eljutunk a fizikai valóság legkisebb elemétől a legnagyobbig.

(Szomor Anikó összeállítása)