A Csillagok háborújától a Bosszúállókig – próbálkoznak a sci-fik a kvantumfizikával, de csak ritkán sikerül eltalálni

Diósi Lajos, a Wigner Fizikai Kutatóközpont fizikusa szerint a kvantumfizika még a legnagyobb tudósokat is zavarba hozza – ez azonban egyáltalán nem igaz a film- és sorozatkészítőkre, bármi olyat próbálnak ugyanis megmagyarázni, ami a fizika törvényeinek ellentmond, egyszerűen ráfogják, hogy kvantum, és a probléma meg is oldódott. A Hangya mert nagyot álmodni, hiszen szinte az egész film (majd a másik két folytatás is) a kvantumbirodalomban játszódik, de talán nem meglepő, hogy annyira nem sikerült a jelenlegi tudományos tudásunk alapján haladniuk a készítőknek.

Fekete lyuk lett volna a Hangyából, ha ekkorára zsugorodik

„A Hangyában Scott Lang az úgynevezett Pym-részecskék miatt zsugorodik hangyányira. De mi az a Pym-részecske? – tette fel a kérdést Sabrina Patsch elméleti fizikus. – Nézzük meg a részecskefizika sztenderd modelljét. Eszerint kétféle részecske létezik: tömegrészecske, illetve erőt hordozó elemi részecske. Előbbiből áll össze például az emberi test, utóbbi pedig különböző erők közvetítéséért felel, mint a sugárzás, az elektromágnesesség, a gravitáció és így tovább. A Pym-részecske valószínűleg nem az első kategóriába tartozik, tehát erőt közvetítő elemi részecskének kell lennie.”

A Hangya is, értelemszerűen, atomokból épül fel. Ezeknek van egy atommagjuk középen, amelyet az elektronok egy felhőszerű alakzatban vesznek körbe – mondta Patsch. „Ezt az alakzatot ki tudjuk számolni a Coulomb-törvény segítségével. Az atommag és az elektronok között van egy csomó üres terünk. Mi van akkor, ha a Pym-részecske annyit tesz, hogy az elektronokat erősebben vonzza tőle az atommag?”

Ez esetben a kutató szerint elméletileg lehetséges lenne, hogy maguk az atomok összemenjenek, és Hangya valóban ilyen kvantumméretűre zsugorodjon.

A probléma csak az, hogy így a súlyának attól még állandónak kellene maradnia, ez pedig egyértelműen nem így történik a filmben. Aztán ott van a másik probléma: a zsugorodás mértéke. Egy bizonyos szint után ugyanis az atommagok összezsugorítása elérné az eseményhorizontot, ez pedig azt jelentené, hogy Hangyából fekete lyuk lesz. „Ebből is látszik, hogy egyáltalán nem egyszerű kvantumméretre zsugorítani” – mondta Patsch.

Aztán az is kérdés, hogy mi a mérethatára annak, aminél egy objektum már képes kvantumszinten viselkedni. Ez még mindig aktív kutatás része, jelenleg ott tart a tudomány, hogy molekulákat még igen, az apró, ultraszívós medveállatkákat viszont már nem tudják kvantumállapotba hozni. A vírusokkal is végeztek már kísérleteket (arról is készült tanulmány, hogy a koronavírus egy kvantumfizikai mechanizmus, az alagúteffektus útján képes bejutni a szervezetbe és megfertőzni a sejteket), de egyelőre erre nincs perdöntő bizonyíték. „A tudósok jelenleg nem tudják, hol kezdődik a kvantumvilág” – mondta Patsch.

A Hangya és a Darázs: Kvantumánia ennél egy óriási lépéssel nagyobb hülyeség – mondták a kutatók. Igazán a kvantumemberek verték ki náluk a biztosítékot, de az elszalasztott lehetőség is, hogy valódi kvantumfolyamatokat mutassanak be a filmben. Az egyetlen, ami átment a szűrőn, az a rész volt, amikor egy Hangyából két Hangya lesz: ezt úgy hívják, hogy szuperpozíció, és annyit jelöl, hogy egyetlen dolog (jelen esetben Hangya) egyszerre lehet két teljesen különböző állapotban is, mint ahogyan Schrödinger közmondásos macskája is egyszerre volt élő és halott a dobozban.

A szerencsétlenül (vagy szerencsésen) járt elméleti macskát a Futuramával kapcsolatban is emlegették az előadók, amely szerintük meglepően jól bánik a fizikával, többek között a kvantumfizikával is. Fernando Gago Encinas kvantumfizikus a Schrödinger macskájáról szóló epizód apropóján elmagyarázta a kísérletet is, amely valószínűleg a kvantumfizika egyik legszélesebb körben ismert elmélete, de nagyon kevesen ismerik részleteiben.

Erwin Schrödinger ugyanis az elméleti dobozba, elméleti méreggel és elméleti céziumatom mellé zárt elméleti macskával szintén a szuperpozíciót akarta érzékeltetni. A céziumatom a dobozban egyszerre lehet stabil és instabil állapotban is – utóbbi esetben bomlani kezd, a hozzá erősített elméleti kalapács összetöri a mérget tartalmazó üvegcsét, és a macska meghal. Egészen addig mindkét eshetőség valóság, amíg valaki meg nem nézi, mi történt valójában. Ez a részecskék nyelvére lefordítva azt jelenti, hogy egy részecske lehet egyszerre két állapotban, egészen addig, amíg meg nem figyelik, ettől ugyanis összeomlik a hullámfüggvény (ez a részecske állapotának matematikai leírása), és a részecske „választ” a két állapot között.

Ugyanezt a témát feszegeti a Futurama lóversenyes epizódja is, amely arra mutat rá, hogy a részecske szuperpozícióját az változtatja meg, aki vagy ami megfigyeli – egy kvantumlóverseny esetében ez akár csalásra is adhat lehetőséget:

Ki vagy, Doki? és a kvantumangyalok

Egy kicsit kevésbé elvont, de hasonlóképp a kvantumrészecskék és a megfigyelő kapcsolatával megmagyarázható jelenség a Ki vagy, Doki? című sorozatban megjelenő síró angyal: egy olyan kőszobor, amely csak akkor mozoghat, ha valaki nem néz rá. „Ez valójában egy kvantumeffektus” – mondta Patsch.

A síró angyalok a kvantum-Zénón-paradoxon megtestesítői: „Zénón szerint ha egy nyilat kilövünk, az egy adott időben a térben egyszerre mindig csak egyetlen pozíciót foglal el. Ha mozog, akkor egymás után foglal el mindig egyetlen pozíciót. Persze amit Zénón nem vett figyelembe, az az, hogy a nyílnak például van sebessége, mozog, mindegy, hogy nézzük-e vagy sem” – mondta Patsch. Zénón ezzel szemben azt mondta, hogy a nyílnak sincs sebessége, ha egy adott pillanatban megfigyeljük. A kvantumrészecskék azonban máshogy viselkednek. „A kvantumnyíl is mozog, de ha ránézek, összeomlik a hullámfüggvénye, és megáll a levegőben. Ez egy ténylegesen mérhető kvantumeffektus, és ha tudjuk, hogy a síró angyalok ez alapján viselkednek, sokkal jobb védekezési módjaink vannak ellenük, mint amiket a sorozatban láttunk.”

A kvantum-Zénón-effektust egyébként először Alan Turing brit tudós vetette fel gondolatkísérletként 1958-ban, bár csak 1977-ben írták le részletesen, és csak 1989-ben figyelték meg a laboratóriumban.

A síró angyalokkal kapcsolatban az megállja a helyét, hogy ha rájuk nézünk, megállnak. A kvantum-Zénón-effektus miatt azonban az is működhet, hogy megrázzuk őket jó erősen, a megfigyelésnek ugyanis nem kell információt hordoznia – magyarul nem az a lényeg, hogy mi látjuk a részecskéket, hanem az, hogy megzavarjuk őket. „Az is elég, ha akár csukott szemmel is egyszerűen megrázzuk vagy megrúgjuk őket” – mondta Patsch, hozzátéve, hogy akár a szónikus csavarhúzó is működhetne, hiszen fényt bocsát ki, és a fotonok valószínűleg magukban megzavarnák a kvantumangyalokat.

A kutatók kitértek az időutazás lehetőségére is, megjegyezve, hogy előrefelé abszolút reális, és működik is, elég egy fekete lyukhoz vagy egy nagy gravitációs vonzású bolygóhoz közel menni, majd mindezt túlélni, mint ahogy a Csillagok közöttben is láttuk. Visszafelé azonban jelenlegi tudásunk szerint nem lehet menni – a legreálisabb leírást az ilyen időutazásra valószínűleg szintén a Ki vagy, Doki? adja meg: „egy nagy golyónyi ingatag-imbolygó, időszerű valami”.

A kvantum-összefonódás legyen veled

Meglepő, de akár a Csillagok háborújában megjelenő, mindent átjáró Erőt is meg lehet magyarázni kvantumfizikával. Tudjuk ugyanis, hogy a filmek szerint az Erőért felelős midikloriánok az élő sejtekben megtalálható, mikroszkopikus méretű, szimbióta, egysejtű létformák, ebből következik, hogy a kvantumvilág tagjai, hiszen feltehetően kisebbek, mint a medveállatka, és nem nagyobbak, mint egy baktérium.

„Illusztráljunk két midikloriánt, vagyis két kvantumrészecskét két érmével, ezek lehetnek akár fej, akár írás. Mivel kvantumrészecskék, speciális módon tudnak egymással kölcsönhatásba lépni” – mondta Encinas. Ha ezt a két érmét összekapcsoljuk, létrejön a kvantumfizika egyik legalapvetőbb jelensége, az összefonódás, azaz amikor két kvantumállapotban lévő részecske együtt alkot egy kvantumrendszert, és az egyikkel végzett művelet a másikra is kihat. Ha ezután eltávolítjuk őket egymástól, az összefonódás megmarad, és akár millió kilométerekkel arrébb is ugyanúgy mindkettő fej, vagy mindkettő írás marad.

Persze ennek érmékkel a gyakorlatban semmi értelme nincs, de ha kvantumrészecskék állapotával számolunk, már sokkal inkább. Kísérleti úton már sikerült bebizonyítani, hogy mintegy 250 kilométeres távolsággal működik a kvantum-összefonódás: egy osztrák kísérletben sikerült optikai kábeleken keresztül két kvantumrészecskét 248 kilométeres távolságból is összefonódva tartani.

Az előadók szerint akár hasonló történhet az Erővel is: ha a Csillagok háborúja univerzumában az Erő mindent átjár, akkor talán folyamatos az összefonódás, és ezen keresztül megváltoztatható a midikloriánok állapota.

Tony Stark felfedezte a kvantumgravitációt

Az előadók a beszélgetés végén visszatértek egy kicsit a Marvel-filmekhez és a Hangyához, illetve az időutazáshoz, a Vasember azonban nem ugrotta meg a kvantumküszöböt. Tony Stark szerint ugyanis az alapvető probléma az időutazással az, hogy „a kvantumfluktuáció megzavarja a Planck-skálát, ami aztán triggereli a Deutsch-propozíciót”. Itt sok mindent kell kibontani, a Tony Stark által felvetett probléma pedig végül valójában a jelenleg ismeretlen kvantumgravitációhoz köthető. Nézzük sorban!

A kvantumfluktuáció egy valós fogalom. A vákuum valójában nem egy légüres tér, részecskék folyamatosan mozognak benne, emiatt pedig az energiaszint is folyamatosan változik, fluktuál. Ezek ideiglenes változások, de jól mérhetők.

A következő, amiről a Vasember beszél, az a Planck-skála, vagyis inkább Planck-egység. „Mi is ez tulajdonképpen? Ahhoz, hogy megértsük, tudnunk kell, hogy a fizikában négy alapvető erőről beszélünk: az erős kölcsönhatásról, a gyenge kölcsönhatásról, az elektromágnesességről és a gravitációról – mondta Patsch. – A mikroszkopikus világban a gravitáció a leggyengébb mind közül, a kvantumrészecskékre egyáltalán nem hat. Az a szint, amelyen ez megmutatkozik, vagyis a téridő legkisebb lehetséges egységes mérete, a Planck-skálán mozog.”

Most már tudjuk, mi az a kvantumfluktuáció, és tudjuk, mi az a Planck-skála – de hogy zavarja meg az első a másodikat? „Minden alkalommal, amikor a részecskék a vákuumban mozognak, gravitációs mezejük is van. Meggörbítik a téridőt. De mivel ez folyamatosan mindenhol, mindig történik, nem egyetlen részecskénk van, amely görbítgeti a téridőt, hanem rengeteg – ezért ingataggá válik, ezt a folyamatosan változó, mikroszkopikus szinten mindent kitöltő tartományt pedig kvantumhabnak hívjuk. Igen, ez egy valós tudományos kifejezés – magyarázta Patsch.

– Ez megnehezíti a dolgunkat, mert ahhoz, hogy meg tudjuk magyarázni pontosan, mi is ez, és hogyan viselkedik, ismernünk kellene a kvantumgravitációt. Meg kellene magyaráznunk a gravitációt kvantumskálán. A probléma az, hogy nem tudjuk.”

Tony Stark elmélete itt esik szét, hiszen nincs olyan, hogy Deutsch-propozíció. Patsch feltételezi, hogy ezzel a Vasember David Deutsch oxfordi fizikusra utalt, aki kidolgozta az úgynevezett konstruktorelméletet – ez azt jelenti, hogy ha az univerzumban lejátszódó összes folyamatot szimulálni lehet kvantumszámítógépekkel, akkor minden fizika modellezhető a kvantumszámítás és az információelmélet elveiből levezetett algoritmusok segítségével.

Elméletben a konstruktorelmélet használható lehet arra, hogy modellezze a kvantumfluktuációt és a Planck-skála szintjén mozgó féreglyukakat, amelyeket végül a Bosszúállók használtak arra, hogy visszamenjenek az időben. De egyvalami mégis hiányzik az egyenletből, az pedig a kvantumgravitáció, és ezáltal a kvantumhab tulajdonságainak pontos leírása.

Ha a konstruktorelmélet az, amire Tony Stark valóban utalt, akkor ez végül segíthetett navigálni a kvantumhabban a szuperhősöknek. Az viszont, hogy hogyan oldotta meg végül a problémát, megint csak értelmetlen: egymás után bemondott néhány valós fizikai kifejezést a számítógépnek (Möbius-szalag, sajátérték, spektrális dekompozíció), amely végül megoldja az időutazás problémáját.

A két kutató azonban mindezek után kijelentette, hogy igenis kellenek az olyan filmek és sorozatok is, amelyek nem a valós fizikát mutatják be – ezek arra jók, hogy inspiráljanak, hogy elképzeljünk velük egy lehetséges jövőt. „Szükségünk van rossz sci-fire is, mert szeretnénk, ha elképzelhetnénk a jövőt, szeretnénk kreatívak lenni, és, ami még fontosabb: az is lényeges, hogy ezek a filmek szórakoztassanak” – mondta Patsch.