Kvantumkáosz

Kvantumkáoszt valósítottak meg német kutatók. Korábban még sohasem sikerült hasonló jelenséget létrehozni és megfigyelni. A Max Planck Kvantumoptikai Intézet munkatársainak tanulmányát a rangos Physical Review Letters hasábjain közölték.

A kutatók egy régi kísérlet modern változatát építették fel. Már 1888-ban felfedezték, hogy fény hatására részecskék lépnek ki fémekből, 1889 óta tudjuk, hogy ezek a részecskék elektronok. A kísérleti eredmény magyarázatát Albert Einstein adta meg 1905-ben, ez a tanulmánya egyike volt a 100 éve megjelent alapvető dolgozatainak. (Ezekre emlékezve nyilvánították az idei évet a fizika évévé). Az Einstein által adott magyarázat szerint a fény kvantumokból, fotonoknak nevezett részecskékből áll - ezért a felismerést kapta meg 1921-ben a fizikai Nobel-díjat. Ha az elnyelt fotonnak elegendően nagy az energiájára, akkor elektron lép ki az anyagból. Ahogy egyik mai méltatója, Roger Penrose professzor írta: ez a dolgozat segített felnyitni egy teljesen új világ - a kvantumfizika - ajtaját.

A káoszelmélet alapjait az 1970-es években rakták le. A Magyar Nagylexikon tömör meghatározása szerint a káosz elsősorban az emberi léptékű makroszkopikus világ sajátos mozgásformája, a kevés összetevőből álló rendszerek összetett mozgása. Alapja az a felismerés, hogy egyszerű determinisztikus törvények is vezethetnek igen bonyolult viselkedésre, ez a determinisztikus káosz. A kezdetben még egészen elenyésző, apró eltérések később óriási különbségekké nőhetnek. A leggyakrabban idézett példa a "pillangó-hatás": ha egy pillangó szárnya rebbenésével megmozdítja a levegőt Pekingben, abból esetleg egy hónap múlva hatalmas vihar támad New Yorkban.

Nem véletlenül szerepel a tömör meghatározásban az emberléptékű, makroszkopikus világ felemlítése. A kvantumvilágban ugyanis nem léphet fel determinisztikus káosz, bár a folyamatok ott is nagyon összetettek lehetnek. Egy kvantummechanikai rendszer sokféle, egyidejűleg fennálló állapotból fejlődik ki, ez a fejlődés nem determinisztikus. A német kutatók olyan káoszjelenséget vizsgáltak kvantummechanikai rendszerekben, amelyek a makroszkopikus fizika szabályai szerint determinisztikusan kaotikusnak minősülnek.

A klasszikus fényelektromos kísérlet fémlemeze helyett elpárologtatott rubídium-atomokkal dolgoztak a kutatók. A rubídium-atomokat lézerfénnyel világították meg, a rendszert elektromos térbe és erős mágneses térbe helyezték. Az egyes atomokat így háromféle erőhatás érte: a mágneses tér, az elektromos tér és az atomon belül, a protonok és az elektronok között ható elektrosztatikus erő.

A háromféle hatás mindegyike más-más mozgásra késztetné az elektronokat. Ha a három közül az egyik erőhatás uralkodóvá válik, akkor az elektronok mozgása egyszerű, nem kaotikus. Ez történik akkor, ha az elektron még nem nyelte el a lézerfényt, az atommag közelében tartózkodik. Ha azonban a lézer foton elnyelésével magasabb energiaállapotba kerül, akkor távolabb kerül az atommagtól, és sokkal erősebben hat rá a külső elektromágneses tér. Mozgása ebben az esetben kaotikussá válik. Kaotikus mozgással egyre távolabb kerül az atommagtól, végül teljesen szabaddá válik. A mozgás kaotikusságát az elektronnyaláb és a fényrészecskék energiája közt megfigyelt, itt nem részletezhető összefüggés bizonyítja. Minél kaotikusabban viselkedett a rendszer, annál erősebb ingadozást figyeltek meg az elektronok áramában.

Jéki László