A kvantumfizika mindenkit izgat, aki valaha is egyetemi szinten tanult fizikát!

A párhuzamos világokról, a kvantumfizikáról és a fizikai valóság egészen mély megértéséről beszélgettek a közönséggel a BME TTK elméleti fizikusai.

„A hétköznapi tapasztalatoktól és az ott megszokottaktól nagyon eltérő látásmódot képvisel, és számos meghökkentő jelenséget jósol és ír le – csak néhány azok közül a jellemzők közül, amelyek miatt a kvantumfizika sokak fantáziáját mozgatja a laikus érdeklődőktől kezdve az akadémiai professzorokig. Az anyagról alkotott jelenlegi felfogásunk, elképzelésünk is a kvantumfizikára épül, aminek minden jel szerint fontos szerepe van akár az egész Világegyetem szintjén. Olyan kérdéseket, dilemmákat feszeget ez a tudományág, amelyek révén még mélyebben megérthetjük a körülöttünk lévő fizikai valóságot – ezt a képet átlátni nem kis kihívás, ugyanakkor hatalmas jutalom az emberiség számára” – fogalmazott Takács Gábor, a BME Természettudományi Kar (BME TTK) Fizikai Intézet Elméleti Fizika Tanszék egyetemi tanára, doktori iskola vezető, aki a kar Science Campus rendezvénysorozatán tartott ismeretterjesztő előadást a kvantumfizikáról. A rendezvényt Asbóth János, a BME TTK Fizikai Intézet Elméleti Fizika Tanszék egyetemi docense, a BME TTK Science Campus program koordinátora moderálta.

A BME TTK által szervezett tudományos ismeretterjesztő program apropóját Sean Michael Carroll kvantummechanikára, kozmológiára és tudományfilozófiára specializálódott amerikai elméleti fizikus és filozófus legújabb könyve: „A mélyen elrejtett valóság” magyar fordításának megjelenése adta. A magyar kiadást a Typotex Kiadó gondozza, amely a kötet körüli kampány részeként felkérte Takács Gábor professzort a kvantumfizika témakörének népszerűsítésére. A műegyetemi oktató-kutató elméleti fizikus nagy örömmel tett eleget a felkérésnek. „Carroll könyve kitűnő mű, lebilincselő, a laikusok számára követhető, ugyanakkor nagyon jól átadja a fizikai ismereteket is, nem nyúl a felszínes és félrevezető magyarázatokhoz” – osztotta meg véleményét Takács Gábor, aki a téma kapcsán a Trend FM „Könyvben utazom” című műsorában is adott interjút. A beszélgetés ingyenesen elérhető a Spotify-on.

A BME TTK professzora elmondta, hogy a kvantumfizika értelmezése egyik fő irányzata Hugh Everett amerikai fizikustól ered, aki elsőként vázolta fel a kvantumfizika ún. „sokvilág-interpretációját” („many-worlds”). „Everett megközelítése szerint az elméletet önmagán belülről, egy klasszikus fizikai háttér nélkül értelmezzük. E felfogás egyenes következménye, hogy a hullámfüggvénynek a ’tankönyvi’ (koppenhágai) értelmezésben posztulált összeomlása sosem történik meg, mindez pedig oda vezet, hogy a fizikai események összes lehetséges kimenetele egyszerre létezik. Ezt úgy szokás szemléltetni, hogy a különböző kimeneteleknek megfeleltethető hullámfüggvény-ágak a világ egy-egy lehetséges történetét írják le. A ’sokvilág’ elnevezés már Bryce DeWittől ered, aki az 1970-es években sokat tett ezen elképzelés népszerűsítéséért” – részletezte a tudománytörténeti kitekintést Takács Gábor.

A professzor kitért a kvantummechanikai sokvilággal kapcsolatos, gyakran a science fiction művek által is terjesztett félreértésekre. „Közkeletű tévedés, hogy ebben az értelmezésben a valóság ’ágakra’ szakad. Éppen ellenkezőleg: a valóságot egyetlen egységes kvantumállapot írja le, amit univerzális hullámfüggvénynek is neveznek. Valójában a makroszkopikus megfigyelők (például élő emberek, kamera, részecskedetektor stb.) számára jelenik meg az egységes kvantumvalóság egymás mellett létező ’világok’ formájában. A különböző makroszkopikus megfigyelők nem ismerik a kvantumállapot minden részletét, mert az erre vonatkozó információ jelentős része a környezettel való rendkívül gyors és egyben folyamatos összefonódás révén irreverzibilisen hozzáférhetetlenné válik számukra. Ezt a kísérletekben is jól igazolható fizikai jelenséget nevezzük dekoherenciának” – ecsetelte a bonyolult elméletet a laikus téma iránti érdeklődőknek Takács Gábor. Egy további értelmezést is megpróbált átadni közönségének: „a környezettel történő összefonódás irreverzibilis növekedése a folyamatok irányát meghatározó mechanizmus. Mindez Ludwig Boltzmann osztrák fizikus és filozófus 19. századi, még klasszikus fizikára alapozott elképzeléseit valósítja meg a kvantumfizika szintjén”. A műegyetemi fizikus szerint a „sokvilág-felfogás” messze nem sci-fi, ám a pontos értelmezése gyakran parázs vita indítója lehet még sokéves tapasztalattal és széleskörű tudással rendelkező elméleti fizikus szakemberek között is. A mai trendek szerint a „sokvilág-felfogás” az egyik legelterjedtebb alternatíva, ami a kvantumelmélet alapjainak kutatásában egyre inkább teret nyer, főként az alapvető fizikai kölcsönhatások leírásával és a kozmológia kvantumos megalapozásával foglalkozók körében.

Az elmondottak után a közönség tagjaiban talán joggal merült fel a kérdés, hogy a kvantumfizika valójában a science-fiction regények motorja és valamilyen szinten magyarázat a regényekben leírtakra? Takács Gábor ezzel kapcsolatban hangsúlyozta, hogy a gazdag emberi fantázia mindig is merített a tudományokból, ami alól a kvantumfizika sem kivétel. „A sci-fi, és általában az irodalom vagy éppen a mozi nagyon sokszor olyan elemeket épít be a történetbe, amelyek tudományosan nem megalapozottak (például ilyen, ha a szereplők oda-vissza utaznak a lehetséges alternatív ’világok’, ’univerzumok’ között). Ugyanakkor azzal is tisztában kell lennünk, hogy a művészet nem egy tudományos fórum. A könyvben, filmben ’megelevenedő’ történet sokkal inkább az emberi problémákra fókuszál, emellett célja, hogy szórakoztasson, megindítson, vagy éppen elgondolkoztasson, és az alkotó e cél érdekében él a képzelet művészi szabadságával, és eljátszik a tudomány szállította alapanyaggal.”

Takács Gábor a kvantumfizika jelentőségét hangsúlyozva kifejtette azt is, hogy számos modern, a mindennapi életünket döntően alakító technológiai vívmány gyökere visszavezethető a kvantumfizikára (például tranzisztor, lézer stb.). Sőt, a szemünk előtt zajlik éppen a második kvantumtechnológiai forradalom, ami már most is jelentős fejlesztésekhez vezetett (például navigációs eszközök), és a közeli jövőben a kvantumszámítógépek révén elhozhatja a számítástechnika soron következő forradalmát.

A laikusok, fizika és science-fiction rajongók mellett a kvantumfizika komoly érdeklődésre tart számot akadémiai körökben is, ugyanis számos, még megválaszolatlan kérdés áll a tudósok előtt. Ezen felvetések és dilemmák száma pedig nemhogy csökkenne, hanem a tudományág fejlődésével egyre több a válaszra váró kérdés. Takács Gábor is részben e téma iránt kötelezte el magát: fő kutatási területe a kvantumtérelmélet és alkalmazásai, többek között erősen korrelált kvantumrendszerek nemegyensúlyi folyamataival, a kvantumos korrelációk és az összefonódás dinamikájával foglalkozik.

A bme.hu-nak adott interjúban elmondta, hogy a kvantumfizikával kapcsolatos problémakör mélyen összefügg a hőtan második főtételével, a folyamatok irányával. Takács Gábor jelenlegi kutatásai is főként erre irányulnak: a professzor azt próbálja megérteni, milyen feltételek mellett és hogyan alakul ki hőmérsékleti egyensúly kvantumrendszerekben, illetve ezzel kapcsolatos egzotikus jelenségeket is tanulmányoznak kutatótársaival. Egy érdekes felfedezésük, hogy a bezárás (vagyis az a mechanizmus, ami az erős kölcsönhatásban azért felelős, hogy nem láthatunk szabad kvarkokat) mágneses láncokban képes megakadályozni a hőmérsékleti egyensúly kialakulását. Egy másik, hogy ugyanezen rendszerekben ennek a mechanizmusnak egy másik aspektusa képes megállítani az ún. „hamis vákuum bomlását” (ez utóbbi szemléletesen a túlhűtött vízgőz hirtelen kicsapódásának kvantumos megfelelője). „Ezeket a jelenségeket széles körben tanulmányozzák a kutatók többek között azért, mert a részecskefizikai mérések arra utalnak, hogy a világegyetem jelenlegi fizikai állapotát meghatározó kvantumvákuum is metastabil állapot lehet, ami viszont hosszú időtávon elbomolhat.”

A BME TTK Fizikai Intézet tudományos repertoárjában a kvantumelmélethez kötődő témák meghatározó jelentőségűek: világszínvonalú elméleti, kísérleti és alkalmazásorientált kutatásokon dolgoznak a műegyetemi szakemberek. Az egyik stratégiai irányt képviselik azok a kutatások, amelyek a kódolás, az algoritmusok vagy akár hardver oldalon közelebb viszik a tudósokat a kvantumszámítógép megvalósításához. Ezeket a törekvéseket fogja össze a Kvantuminformatika Nemzeti Laboratórium. E program keretében a Műegyetem részéről a Természettudományi Kar, valamint a Villamosmérnök és Informatikai Kar az Eötvös Loránd Tudományegyetemmel (ELTE) és a HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközponttal közösen dolgozik azon, hogy Magyarország minél gyümölcsözőbben bekapcsolódhasson a második kvantumtechnológiai forradalomba.

TZS-KJ

Fotók forrása: bme.hu – Takács Ildikó, pixabay.com