A kvantummechanika (QM) szerint az elektron hullám, az optika szerint a fény is hullám – azonban ez a két dolog alapvetően különbözik egymástól!
(A dolgot bonyolítja, hogy az optika nem a fizika végső szava volt a fény tekintetében – a mai leírás, a kvantumelektrodinamika (QED) fény-fogalma sokkal inkább hasonlít a kvantummechanika elektron-fogalmához, mint az optika fényhullámához, ezt azonban egyelőre hagyjuk figyelmen kívül, mert a kérdések láthatóan a köznapi, optikai hullámfogalom ihletésére születtek. Még egy bonyodalom: az ismeretterjesztő könyvek kvantumelméletről szóló részei a nemrelativisztikus kvantummechanika, a Schrödinger-egyenlet és környéke ismertetésével foglalkoznak, a fény viszont alapvetően relativisztikus jelenség, tehát még a nemrelativisztikus és a relativisztikus elméletek fogalmi különbségeivel is meg kell küzdenünk.)
Miben áll ez a nagy különbség? Az optikai fényhullám a klasszikus fizika része, úgy írható le, mint a hely és az idő folytonos függvénye, azaz a teret folytonosan kitöltő anyagfajta, amelynek térben elkülönült részeiről tudunk beszélni, ezeket mérni tudjuk stb, prizmával kettéosztani, az egyik felét elnyeletni, a másikat lencsével fókuszálni stb. A kvantummechanikai hullám viszont egyetlen elektron (vagy más részecske) leírására szolgál, ezt a hullámot nem tudom részekre bontani, nem tudom külön-külön észlelni a bal felét és a jobb felét: az elektront csak „egészben”, részecskeként tudom detektálni, és hiába tölti ki a hullám az egész teret, ez az észlelés csak egyetlen pontban történhet meg, sohasem detektálhatok egy fél elektront… Erre persze azt lehet mondani, hogy a fény is elemi kvantumokból, fotonokból áll. Igen, de amit mi „fény” néven ismerünk, az a jelenség olyan sok foton együttese, fotonok billióié, úgy hogy ezeket nem tudjuk külön-külön észlelni (ehhez speciális kísérleti körülmények, és a fényforrás megfelelő preparálása szükséges). Gyakorlatilag tehát a köznapi fény nem kvantumos objektum, folytonos klasszikus mezőnek, térben eloszló mozgó anyagfelhőnek tekinthető.
A másik különbség a hullámok keltésével és elnyelésével kapcsolatos. A fényt fényforrások hozzák létre, és az anyag bizonyos körülmények között elnyeli. Ehhez hozzászoktunk, senki sem hallott „fénymegmaradási törvényről”. A köznapi fény tehát ideiglenes jelenség. Ezzel szemben az elektron (közönséges körülmények között) tartósan fennmarad. Mi a különbség oka? Az, hogy az elektron egy egységnyi elektromos töltést hordoz, és (az elektromos töltésre vonatkozó szigorú megmaradási törvény következtében) csak úgy tudna átalakulni, ha ezt a töltést egy másik részecskének átadná, vagy egy ellentétes töltéssel kompenzálná. Ez megtörténik az elektron-pozitron annihiláció folyamatában, de ezt egyrészt már nem a kvantummechanika, hanem a kvantummezőelmélet (QFT) tárgyalja, másrészt a köznapi életben nem nyüzsögnek körülöttünk a pozitronok. Így tehát az elektron gyakorlatilag tartósan fennmaradó objektumnak tekinthető. Bizonyos körülmények között (nagy energiasűrűség, hőmérséklet, erős elektromos mező) az elektron is hajlamosabbá válik az átalakulásokra, de ez megint csak nem köznapi folyamat.
Természetesen a fény kibocsátásakor és elnyelődésekor, mikroszkópikus fogalmazásban a fotonok keltésekor és elnyelésekor is teljesülnie kell bizonyos megmaradási tételeknek (az impulzus, az energia, a perdület megmaradásának), ezek azonban sokkal könnyebben, sokkal többféle folyamatban, és legfőképpen a másik résztvevő objektum (tipikusan elektron) egyediségének megmaradása mellett teljesíthető feltételek, ezért sokkal sűrűbben fordulnak elő, mint egy elektron keletkezése vagy eltűnése. A kvantumelektrodinamika elemi jelensége, amelyből az összes elektromágneses jelenség felépíthető, éppen ez: egy elektromosan töltött részecske (tipikusan elektron) elnyel vagy kibocsát egy fotont. Az elektron önmaga marad, azaz a folyamat során az elektronok száma nem változik (csak energiája, impulzusa, perdülete), míg a fotonok száma eggyel nő vagy csökken. A fotonok sokkal „illékonyabbak”. Ezért lehet könnyen fényt kelteni vagy elnyelni (amkor itt és később „fényt” írok, ez mindig a más hullámhosszú elektromágneses sugárzásra is vonatkozik).
A fenti különbségek megjelennek a fényhullám és a kvantummechanikai elektronhullám mozgásának, terjedésének leírásakor is. A fényhullámot egy adott pillanatban bekapcsolható fényforrás kelti, ez gömbhullám formájában terjedni kezd. Ha egy idő után a lámpát kikapcsoljuk, a további sugárzás megszűnik. A már kibocsátott fény egy c sebességgel táguló, állandó c * T vastagságú (ahol T a lámpa bekapcsolt állapotának időtartama) gömbrétegben terjed tova. De ha pl a lámpát bizonyos távolságban fényelnyelő burokkal vesszük körül, az odaérkező fény fotonjai elnyelődnek, a fény megszűnik (energiáját átadta a buroknak), és nincs többé. Nem igaz tehát, hogy
Minden hullám, amint keletkezik, mindenhol lesz jelen a világban és lehetne érzékelni,
Nem: az elnyelődött fényt többé nem érzékelheted.
Ezzel szemben az elektron (amíg bizonyos speciális folyamatokban más részecskévé át nem alakul), tartósan fennmarad, az őt leíró hullám ide-oda hullámzik, tekereg a térben, és az elektron „mindig lesz valahol”.
de csak bizonyos esélyekkel/valószínűséggel.
Ez megint csak az elektronhullámra igaz. Annak négyzete leírja az elektron „megtalálásának” valószínűségét. Lehet itt is, lehet ott is, a tér különböző pontjaiban lehet megtalálni, és nem tudhatjuk előre, hogy hol fogjuk elkapni. A hullámfüggvény csak a megtalálás valószínűségének térbeli eloszlását mondja meg. De mit jelent az elektron „megtalálása”? Mondjuk beérkezik egy ernyőre, ott kivált valami reakciót (pl fényfelvillanást vagy kémiai reakciót). Megtaláltuk! Igen, de ezt követően az elektron továbbra is létezik, hullámfüggvénye tovább terjed (a megtalálás pillanatában egy pontra ugrott össze, és onnan indul tovább, gömb alakú, illetve elektromos terek által torzított alakú hullámként. Ezzel szemben a foton az ernyőre érkezésekor (miután ő is kivált valami reakciót, pl egy ezüstatom elektronjainak átrendeződését, amit később a fotolemez megfeketedéseként észlelünk) teljesen elnyelődik, megszűnik létezni.
Azt a fényhullámot, ami valamelyik távoli csillagból keletkezett azért még nem látom mert első csúcsa/völgye még nem érkezett hozzám, de mivel, hogy a hullám egyszerre mindenhol van, azért azt kell mondanom, hogy nulla a valószínűsége, hogy itt van most ebben a pillanatban, de ha már látom, akkor 1? Hol lehetne egy törtet (a valószínűség nagyobb nullánál és kisebb 1-nél) mondani és ha ott lennék akkor ott két esélyes a dolog? Vagy látom vagy nem? (lassan úgy érzem Schrödinger macskájába botlok mindjárt). Tehát ha csak annyiból állna a megfigyelés, hogy nézem van-e fény vagy nincs és megfordítanám a logikát így: Ha most éppen nem látok fényt, akkor ez azt jelenti, hogy itt és most (téridő) nincs látható fény, nincs hullám. Ezt matematikailag úgy írjuk le, hogy nulla a valószínűsége annak, hogy most itt legyen ez a hullám.
Magyarra lefordítva, az, ami nincs, nem létezik, az matematikailag létezik de nulla valószínűséggel!
A fényhullám észlelése – szemben az elektron a köznapi életben nem valószínűségi jelenség. Ennek alapvető oka az, hogy egy közönséges fénynyaláb nagyon sok fotont tartalmaz. Ha fotonészlelő berendezésed (a szemed vagy a fényképezőgéped érzékelője) egy ilyen fényhullám útjába esik, fotonok milliói nyelődnek el benne, és a kiváltott másodlagos reakciók hatását (pl egy idegimpulzus terjedését a retinádtól az agyad felé) úgy értékeled, hogy „megláttam a fényt”. Ennek valószínűsége a köznapi körülmények között száz százalék, akárhol is kerülsz a forrásból gömbszerűen szétterjedő fény útjában. Ez még csillagászati távolságokban is igaz: egy csillag olyan sok fotont bocsát ki, hogy ha detektorodat arra fordítod, és nincs közben valami fényelnyelő közeg (pl felhő vagy a Hold), akkor száz százalékos valószínűséggel meglátod a csillagot. (További bonyodalom: az égbolt nappali világossága: ekkor is elérnek a csillagból érkező fotonok, csak nem tudod őket elkülöníteni az égbolt különböző irányaiból záporozó sokkal több fotontól.) A nagyon távoli galaxisokra már nem igaz az állítás: onnan ide már olyan kevés foton érkezik, hogy a sok milliárd fényév sugarú gömbön szétterülő fényhullám már nem tekinthető folytonos eloszlásúnak, a kis átmérőjű biológiai detektorba a mérés rövid ideje alatt olyan kevés foton érkezik egy adott távoli objektumból, hogy nem válthatnak ki észrevehető reakciót, nem különíthetők el a háttértől. Ezért kell nagy átmérőjű fénygyűjtő felülettel sokáig exponálva begyűjteni a távoli objektumok fényét.
Ugyanazt mondhatjuk a fényre is? Azaz a fény is mindenhol van jelen egyszerre?
A fentiek szerint nem. A fény csak a fentebb leírt gömbhéjban van jelen, és csak addig, amíg el nem nyelődik valahol és valamikor. Ha kibocsátó forrástól ct távolságnál messzebb vagy, ahol t a kibocsátás kezdete óta eltelt idő, akkor még nem ért el hozzád a fény, nem láthatod – nincs ott, ahol te vagy.
Ha igen, akkor mi az ami mozog és a sebessége C? Esetleg sebességét értelmezhetjük így: A fény hullámainak csúcsai/völgyei C sebességgel vándorolnak...., és akár mondhatom egyenes vonalban....stb?
Már a klasszikus fizikában is több ekvivalens válasz adható erre a kérdésre. Igen, egy adott (monokromatikus) fényhullám hegyei és völgyei vándorolnak c sebességgel (a hullámfrontokra merőleges irányban, és ha a fény már eléggé távol van a forrástól, akkor a frontok síkoknak tekinthetők, tehát a terjedés egyenes vonalú lesz). Ha nem egyszínű a fény, hanem bonyolult keveréke a különböző frekvenciájú hullámoknak, esetleg időben moduláljuk (pl morzézunk a zseblámpánkkal), akkor úgy is fogalmazhatunk, hogy a fényhullámok által kirajzolt konfiguráció, hullámvonulat halad c sebességgel. (Vigyázat, ez nem minden hullám esetén van így, sőt a vízben, üvegben vagy más közegben terjedő fény esetében sem: a különböző frekvenciájú hullámok közegben más sebességgel terjednek, ezért a belőlük kirajzolódó konfiguráció a terjedés közben változik, torzul.) Ezt az aspektust úgy fogalmazhatjuk, hogy a fény által hordozott információ terjed c sebességgel. A harmadik klasszikus interpretáció pedig az, hogy a fényhullám által hordozott energia terjed c sebességgel (ez megint csak vákuumban igaz, közegben az energia lassabban terjed, másrészt ha pl két fényhullám keresztezi egymást, akkor az energia terjedési iránya és sebessége bonyolult módon változik).
Mit mond a kvantumelektrodinamika? Nyilván azt, hogy a fotonok mozognak c sebességgel. Nos: nem ezt mondja. Az igaz, hogy ha egy adott pillanatban a berendezés kibocsát egy fotont, egy másik pillanatban egy másik elnyel egy fotont, akkor nagy valószínűséggel teljesül, hogy az út és az időkülönbség hányadosa c. De a helyzet bonyolultabb, egyrészt mert nem tudhatjuk pontosan sem a kibocsátás, sem az elnyelés pillanatát, és legfőképpen nem tudjuk azonosítani az egyes fotonokat. Nem visznek magukkal útlevelet pecséttel, hogy „én vagyok a Józsi nevű foton, akit 1999. szeptember 18-n este 20:00:00-kor bocsátott ki a Szíriusz”. Honnan lehet tudni, hogy a sok foton közül melyik melyik? Egyáltalán, van-e értelme „egyikről” és „másikról” beszélni? A QED szerint nincs. Egy további aspektus, hogy a fény terjedését nem szabad kis fotongolyók vonulásaként elképzelni. Amíg A-ból eljut B-be, nincs értelme azt mondani, hogy „a foton most éppen félúton jár”! Egyszer feltették nekem a kérdést: "Ha Planck szerint E=h * omega, Einstein szerint viszont E= m * c^2, akkor az omega frekvenciájú fény a fenti képletek alapján kiszámítható m tömegű golyókból áll, ezek egymás nyomában repülnek c sebességgel, és nyilván gravitációsan vonzzák egymást, tehát a elöl repülő foton lelassul, a hátsó meg felgyorsul (c fölé…). Így van-e?" A klasszikus fizika szempontjából teljesen logikus érvelés, ha puskagolyókról lenne szó, még igaz is lehetne. De egyrészt a fotonok „tömegére” vonatkozó kalkuláció téves (erről már többször volt szó itt különböző fórumokon, és nyilván még lesz is, a „tömeg” fogalma igen csak sok fogalomzavarral van körülbástyázva), másrészt – ami itt a fontosabb – „repülés” közben a fotonok „helye” nem értelmezhető. Akkor lesz „helyük”, amikor becsapódnak, és reakciót váltanak ki – igaz, ők abban a pillanatban meg is semmisülnek.
Mára ennyit, már nagyon késő van, és erről a néhány kérdésről is ilyen sokat lehetett locsogni. A további kérdéseid is izgalmasak, és a fizika meg a filozófia egy nem lezárt területére vezetnek. De erről majd legközelebb.
dgy
