A mindennapi életben intuitív módon megértjük, hogyan működik a világ. Ha leejtünk egy poharat, az a földre törik. Lökj meg egy szekeret, és az gurulni fog. Menj egy falhoz és nem tudsz átmenni rajta. Nagyon alapvető fizikai törvények működnek körülöttünk, amelyeket ösztönösen felfogunk: a gravitáció hatására a dolgok a földre esnek, ha valamit meglökünk, az megmozdul, két dolog nem foglalhatja el ugyanazt a helyet egyszerre.

A századfordulón a tudósok úgy gondolták, hogy az ilyen alapvető szabályoknak a természetben mindenre érvényesnek kell lenniük — de aztán elkezdték tanulmányozni az ultrakicsinyek világát. Az atomok, elektronok, fényhullámok, ezek közül egyik sem követte a szokásos szabályokat. Ahogy az olyan fizikusok, mint Niels Bohr és Albert Einstein elkezdték tanulmányozni a részecskéket, új fizikai törvényeket fedeztek fel, amelyek egyenesen furcsák voltak. Ezek voltak a kvantummechanika törvényei, és a nevüket Max Planck munkásságáról kapták.

“Egy kétségbeesett tett”

1900-ban Max Planck fizikus Berlinben az “ultraibolya-katasztrófának” nevezett dolgot tanulmányozta. A probléma az volt, hogy a fizika törvényei azt jósolták, hogy ha egy dobozt úgy melegítünk fel, hogy abból nem juthat ki fény (úgynevezett “fekete doboz”), akkor végtelen mennyiségű ultraibolya sugárzást kell produkálnia. A valóságban nem történt ilyesmi: a doboz különböző színeket sugárzott, vöröset, kéket, fehéret, ahogy a felmelegített fém is, de nem volt végtelen mennyiségű semmi. Ennek nem volt értelme. Ezek a fizikai törvények tökéletesen leírták, hogyan viselkedik a fény a dobozon kívül – miért nem írták le pontosan ezt a fekete doboz forgatókönyvet?

Planck megpróbálkozott egy matematikai trükkel. Feltételezte, hogy a fény valójában nem folyamatos hullám, ahogy azt mindenki feltételezte, hanem talán csak meghatározott mennyiségű, vagy “kvantum” energiával létezhet. Planck nem igazán hitt abban, hogy ez igaz a fényre, sőt később ezt a matematikai trükköt “kétségbeesett cselnek” nevezte. De ezzel a kiigazítással az egyenletek működtek, és pontosan leírták a doboz sugárzását.

Eltartott egy ideig, amíg mindenki egyetértett abban, hogy ez mit jelent, de végül Albert Einstein úgy értelmezte Planck egyenleteit, hogy a fényt diszkrét részecskéknek lehet tekinteni, akárcsak az elektronokat vagy a protonokat. 1926-ban Gilbert Lewis, a Berkeley fizikusa fotonoknak nevezte el őket.

Kvantumok, kvantumok mindenütt

Ez az elképzelés, hogy a részecskék csak bizonyos méretű energiakupacokat tartalmazhatnak, a fizika más területeire is átterjedt. A következő évtizedben Niels Bohr belevonta az atom működésének leírásába. Azt mondta, hogy az atommag körül mozgó elektronok nem rendelkezhetnek tetszőlegesen kis vagy tetszőlegesen nagy mennyiségű energiával, csak egy szabványos “kvantum” többszörösével.

A tudósok végül rájöttek, hogy ez megmagyarázza, hogy egyes anyagok miért vezetik az elektromosságot, mások pedig miért nem – mivel a különböző energiájú elektronpályákkal rendelkező atomok különbözőképpen vezetik az elektromosságot. Ez a felismerés kulcsfontosságú volt a tranzisztor megépítéséhez, mivel a magját alkotó kristály különböző vezetőképességű anyagok keveredéséből jön létre.

De ők is hullámok

Az egyik furcsa dolog a kvantummechanikában: csak azért, mert egy elektron vagy egy foton részecskeként gondolható el, nem jelenti azt, hogy ne lehetne őket hullámként is elképzelni. Sőt, sok kísérletben a fény sokkal inkább hullámként viselkedik, mint részecskeként.

Ez a hullámjelleg érdekes hatásokat eredményez. Például, ha egy mag körül mozgó elektron hullámként viselkedik, akkor a mindenkori helyzete elmosódottá válik. Ahelyett, hogy egy konkrét pontban lenne, az elektron szétkenődik a térben. Ez az elkenődés azt jelenti, hogy az elektronok nem mindig úgy mozognak, ahogyan azt várnánk. A tömlőn keresztül egy irányba áramló vízzel ellentétben az elektromos áramként haladó elektronok néha furcsa utakat követhetnek, különösen, ha egy anyag felszíne közelében mozognak. Sőt, a hullámként viselkedő elektronok néha át tudnak hatolni egy akadályon. Az elektronok e furcsa viselkedésének megértése szükséges volt, amikor a tudósok megpróbálták szabályozni, hogyan folyik az áram az első tranzisztorokon keresztül.

Hát melyik az – részecske vagy hullám?

A tudósok úgy értelmezik a kvantummechanikát, hogy egy olyan apró anyagdarab, mint a foton vagy az elektron, egyszerre részecske és hullám. Lehet bármelyik, attól függően, hogy hogyan nézzük, vagy milyen kísérletet végzünk. Valójában talán pontosabb lenne azt mondani, hogy a fotonok és az elektronok nem részecskék és nem hullámok – egészen addig a pillanatig, amíg valaki rájuk nem néz vagy egy kísérletet nem végez, meghatározatlanok, és így vagy részecskének, vagy hullámnak kell lenniük.

Ez más mellékhatásokkal is jár: nevezetesen, hogy a részecskék számos tulajdonsága nem jól definiált. Például van egy Werner Heisenberg által kidolgozott elmélet, az úgynevezett Bizonytalansági elv. Ez kimondja, hogy ha egy kutató meg akarja mérni egy részecske sebességét és helyzetét, akkor mindkettőt nem tudja nagyon pontosan megtenni. Ha a sebességet gondosan méri, akkor a pozíciót közel sem tudja ugyanolyan jól mérni. Ez nem csak azt jelenti, hogy nincsenek elég jó mérőeszközei – ez ennél sokkal alapvetőbb. Ha a sebesség jól meghatározott, akkor egyszerűen nem létezik jól meghatározott pozíció (az elektron elkenődik, mint egy hullám) és fordítva.

Albert Einstein nem szerette ezt az elképzelést. Amikor szembesült azzal a gondolattal, hogy a fizika törvényei teret engednek ilyen homályosságnak, kijelentette: “Isten nem kockázik a világegyetemmel”. Ennek ellenére ma a legtöbb fizikus elfogadja a kvantummechanika törvényeit, mint a szubatomi világ pontos leírását. És minden bizonnyal ezeknek az új törvényeknek az alapos megértése segítette Bardeen, Brattain és Shockley-t a tranzisztor feltalálásában.

Források:
— Hová vezet a furcsaság? Miért furcsa a kvantummechanika, de nem annyira furcsa, mint gondolnád, David Lindley
— Mi a kvantummechanika? A Physics Adventure, Transnational College of LEX
— The Handy Physics Answer Book, P. Erik Gundersen
— Albert Einstein kiállítás az Amerikai Fizikai Intézetben
— Heisenberg kiállítás az Amerikai Fizikai Intézetben