Lehetnek-e kölykei Schrödinger macskájának?

Schrödinger macskája híresebb, mint a gazdája. A kérdés viszont már nem az, hogy a macska halott és/vagy él, hanem az, hogyan és mivé szakad szét.

Van egy macskánk, bezárjuk egy dobozba, mellette egy radioaktív atom, egy Geiger–Müller-számláló és egy üveg méreg. Ha elbomlik az atommag, a GM-számláló jelez, összetöri az üvegcsét, kiszabadul a méreg, és a macskának annyi. A radioaktív bomlás viszont tisztán véletlenszerű folyamat, így nem tudni, hogy a zárt dobozban ez mikor következik be és öli meg a macskát. Ötven százalék esélye van a túlélésre. Mivel a macskával semmilyen módon nem tudunk kommunikálni, csak egyféleképpen tudhatjuk meg, hogy még él-e: ki kell nyitnunk a dobozt.

Túlélési esélyek

Ez a bonyolult kísérlet eddig csupán állatkínzás lenne (ne aggódjunk, a valóságban nem hajtották végre). Ha egy valódi macska esetén tesszük fel a kérdést, hogy még él-e a zárt dobozban, a válasz egyértelműen "igen" vagy "nem". Semmi extra. Schrödinger macskája viszont a kvantummechanika törvényeinek engedelmeskedik. Ez macskáknál ugyan nem túl gyakori, azonban úgy tűnik, a világegyetemet felépítő összes részecske a kvantummechanika szabályait tartja be. Amikor sok részecske összeáll – például egy ceruzává vagy egy macskává –, akkor már elhalványodik a kvantummechanika. Kivéve most, Schrödinger háziállata esetén, akit tartsunk meg kvantummacskának.

Ezek unalmas klasszikus fizikai macskák, egyszerre egy helyen Forrás: Photononstop/Russel Kord

Elveszett óvodás

Egy valódi macska nem lehet élő és halott, nem lehet egyszerre két állapotban vagy egyszerre több helyen, de egy kvantummechanikai macska igen. Él is, halott is, a doboz egyik sarkában és a másikban is ül egyszerre. Olyan, mint egy eltévedt óvodás az állatkertben. Ha megkérdezünk néhány látogatót, hol is van az elszabadult óvodásunk, azok mondanak néhány lehetőséget, hogy hol látták legutóbb, de senki nem tudja, hogy pont most, pont hol van. Az állatkert számtalan pontján van egy kis esélye annak, hogy megtaláljuk. A megtalálás pillanatában, amikor észrevesszük és megfogjuk a kezét, akkor már csak egyetlen pontban lesz, a többi fantomóvodás (ahol talán volt) azonnal eltűnik. A kvantummechanikát itt is az jelenti, hogy a fantomóvodások mind egyszerre léteznek.

Csak ha nem látom

Amíg nem látjuk a saját szemünkkel, addig a kvantummechanikai óvodás egy kicsit mindenhol van egyszerre az állatkertben. Ahogy a macska is egyszerre mindenhol van a bezárt dobozban. Helyzetét nem pontos koordinátákkal, hanem egy úgynevezett hullámfüggvénnyel tudjuk megadni, amely tartalmaz minden létező felmerülő helyszínt: a gyerek lehet, hogy az oroszlánoknál van, lehet, hogy a papagájoknál, de lehet, hogy a krokodiloknál, legyen mindegyik esélye 1/3. A hullámfüggvény leírja, hol milyen valószínűséggel lehet, mielőtt megtaláljuk. Az óvodás megpillantásakor – vagy a macska dobozának kinyitásakor – viszont ez a függvény összeomlik. Összeomlik, mivel már pontosan tudom, látom, hogy hol az óvodás, vagy él-e a macska, így a hullámfüggvényben leírt többi helyen már biztosan nincs egyik sem. A megtalálás után a hullámfüggvénynek már nincs feladata.

Ez a macska már-már kvantummechanikai, nem egyértelmű, hogy pontosan hol is van a térben Forrás: Szepesi Boglárka

A Mystery Men – Különleges Hősök című 1999-es akció-vígjátékban a “Láthatatlan Fiú” csak akkor láthatatlan, ha senki (beleértve saját magát is) sem néz rá. Kvantummechanikai nézőpontból ez a tulajdonság nem is olyan furcsa.

Elektronbuborékok

Az elektron egy kvantummechanikai macska. Nincs egyetlen pontos helyen a térben, hanem halványan el van kenve, egy térrészen belül több helyen is lehet, de ha "ránézünk", vagyis megmérjük, akkor egyetlen helyre ugrik. A kvantummechanika igazi furcsasága, hogy annak köszönhetően lesz egy bizonyos helyen, hogy megmértük. A Brown Egyetem kutatói viszont úgy tűnik olyan jelenségre találtak magyarázatot, amely több mint ötven éve ejti gondolkodóba a fizikusokat.

Mivel egy elektronbuborékot nem nézhetünk meg anélkül, hogy elrontanánk, lehet, hogy amíg nem látjuk, pont olyan, mint egy akváriumi macska Forrás: Photononstop/Alexis Platoff

Amikor elektronokat lövünk szuperfolyékony héliumba, akkor taszítják a héliumatomokat, és 3,6 nanométeres (egy hajszál négyezred része) "buborékokat" hoznak létre. Elméletileg ezeknek a buborékoknak ugyanakkoráknak kellene lenniük, és ugyanolyan sebességgel kellene úszniuk a héliumban minden egyes elektron esetén. Ez mégsem így történik. A kísérletben a detektorok várták a héliumfürdő végén az egyszerre odaérkező elektronbuborékokat, de azok össze-vissza jöttek, ráadásul gyorsabban, mint ahogy az elektronoknak kellene. Tizennégy különböző objektumot figyeltek meg, amelyekről a mai napig csak sejtik, hogy mik lehetnek.

Mi van a buborékokban?

Maris és kollégája, a Nobel-díjas Leon Cooper elképzelhető, hogy megtalálta a magyarázatot: a szuperfolyékony héliumban elbomlik az elektron hullámfüggvénye, és annak darabjai keltenek különböző buborékokat. Mintha mindegyik buborékban lenne egy macskakaparásos cetli, hogy “Itt vagyok”. Persze ha az egyik buborékba belenézünk (vagyis megmérjük), akkor minden visszaugrik, a macskából megint csak egy lesz. Az igazán különös az, hogy a héliumos kísérletben az elektron megtalálási valószínűsége nem egy összefüggő térrészre korlátozódik, hanem szétválik, és a részek eltávolodnak egymástól – ezek vannak a buborékokban. Olyan ez, mintha az óvodás annyira eltévedt volna, hogy nem is az állatkert területén belül, hanem a Műcsarnokban vagy a Műjégpályán is lehet.

Félreértés ne essék, a kutatók nem mondják azt, hogy az elektron esett volna szét, hanem csupán a hullámfüggvénye, vagyis a megtalálásának valószínűsége. "Az elektron megtalálási valószínűségét ejtjük csapdába, nem pedig az elektron darabjait" – nyomatékosítja a csoport vezetője, Humphrey Maris. – "Kicsit olyan ez, mint a lottó. Amikor eladják a lottószelvényeket, akkor mindenki, aki vett, kap egy darab papírt. Minden játékosnál lesz egy papír, azaz valamennyi esély arra, hogy nyerjen, tehát az esélyek el vannak osztva a térben. De csak egyetlen díj van – egy elektron – az pedig csak később derül ki, hogy végül kié lesz a nyeremény."

Ez a roppant aranyos kép csupán ajándék annak, aki még mindig kitartóan olvassa ezt a cikket Forrás: Photononstop/Russel Kord

Ha megmérjük, elrontjuk!

Ez az eredmény komoly kérdéseket vet fel azzal kapcsolatban, hogy mi is számít mérésnek, mikor omlik össze a hullámfüggvény, azaz mikor húzzák a lottószámokat. A kísérletből úgy tűnik, hogy az elektronok belövése a szuperfolyékony héliumba nem számít mérésnek, hiszen a függvény nem omlott össze, hanem darabokra esett. A Láthatatlan Fiúnál egyértelmű mérés az, amikor a tükör elé áll, vagy amikor valaki nézi. De mi van akkor, amikor mondjuk egyedül van egy szobában, tükör nélkül? Megmérheti-e saját magát? A héliumban tehát nem tudjuk megmondani, hogy hol van az elektron, a héliumfürdő, úgy tűnik, nem mérés.

Ez a macska haszontalan

Alapvető probléma Schrödinger macska-hasonlatával, hogy egy kvantummechanikai jelenséget próbál klasszikusan közelíteni, vagyis egy kézzel fogható világban nem létező jelenséget leírni egy létezővel. Ez születésénél fogva sikertelenségre van ítélve, de sajnos valódi kvantummechanikai tapasztalattal nem rendelkezünk, így ez a legjobb esélyünk.

"Senki sem tudja, kvantummechanikailag mit jelent megmérni valamit" – állítja Maris. – "Abban talán egyetértenek a fizikusok, hogy egy doktori fokozattal rendelkező, nagy nevű egyetem laborjában ülő fehér köpenyes ember valóban meg tud mérni valamit. De mi van azokkal, akik nem tudják pontosan, hogy mit is csinálnak? Szükség van-e a méréshez tudatra? Nem igazán tudjuk.”