Elôzô rész

Fölmerült a kérdés, mi történik a fotonnal, a foton energiájával, ha a hullámot különbözô módokon befolyásoljuk.

Ismeretes a régebbi interferencia-kísérletekbôl, hogy a fénysugárzás a tovaterjedés irányában véges hosszúságú hullámsorból, hullámvonulatból áll. Ha egy interferencia-kísérletben az útkülönbséget egyre növeljük, akkor az interferencia egy az illetô fénynemre jellemzô útkülönbségen túl megszûnik. Ez az útkülönbség éppen a hullámsor hossza. Ez alapon a fénykibocsátás lefolyására a következô átlagos képet nyerjük.

Egy atom kisugárzása 1 százmilliomod mp. nagyságrendû ideig tart; ez mégfelel zöld fény esetében kb. 1 millió teljes rezgésnek. Ez idô alatt a hullámfront kb 1 méter utat tett meg, tehát az atomból kijövô hullámzás egy egyre jobban kiterjedô gömbhéjat tölt meg, melynek vastagsága kb 1 méter. Ebben a gömbhéjban történhetik meg valahol a foton energiaátadási jelensége, mely szinte pontszerûen nyilvánul, pillanatnyilag, míg a hullámsor kiterjedés térben és idôben véges. Az egyszerû elképzelés azt mondaná, hogy a foton valahol ebben a térrészben “utazik”.

Rekesszük ki ennek a hullámsornak egy részét azáltal, hogy ernyôt helyezünik a hullám útjába, melyen nyílás van. Akkor a gömbhéjból “hurkát” csináltunk. Ezt a hurkát elmetszhetjük keresztirányban is, úgy, hogy olyan “pillanatzárat” alkalmazunk, amelyet százmilliomod mp-nél kisebb ideig tartunk nyitva, és így a hurka nem mehet át rajta egész hosszában (Kerr-cellával ilyen rövid pillanatzár megoldható), vagy pedig kettéoszthatjuk törés és visszaverôdés által, midôn egyik hurka a megtört, másik a visszavert sugárban halad.

Mi történik a fotonnal a hullámtér ilyen feldarabolása esetében?

Ramsauer, Bothe, Rupp és mások kísérletei – melyekre itt nem terjeszkedhetünk ki –, megmutatták, hogy a foton energiáját ilyen feldarabolásokkal nem tudjuk feldarabolni, hanem a foton energiája mindig egységesen jelentikezik, a feldarabolt térrészek valamelyikében, látszólag a nélkül, hogy a hullámtér feldarabolása bármennyire is befolyásolta volna a fotont. Ez a kijelentés azonban még finomabb megvizsgálásra szorul.

Tovább vitte a gondolatmenetet Einstein, aki a “hurkát” sok részre bontotta fel. Az általa javasalt kísérletben, melyet Rupp végzett el, világító csôsugár-ionok nagy sebességgel haladnak el egy optikai rács mögött, a rácsvonalakra merôlegesen. A rácsvonalak a fényt eltakarják, míg a rácsvonalak között a fény átjut, a hurka tehát annyi darabra "vágódik" szét, amennyi rácsvonal van. A kísérletbôl kétféle eredményt várhatunk.

1. Az atom a fénykvantumot momentán, pillanatszerûen emittálja. Így az egész energia valamelyik rácsközön jut át és frekvenciaváltozás nélkül észleljük a fotont. A hullámsor többi része hatástalan marad, tehát hatástalan a feldarabolás is.

2. A hullámsort sûrû feldarabolással megváltoztattuk – olyan érteIemben, mint az antenna kisugárzását a rádióban a beszéd frekvenciája szerint való kivezérléssel – azaz moduláltuk. A moduláció azt eredményezi a hullámtan szerint, hogy a vivôfrekvencia (jelen esetben a fény rezgésszáma) mellett megjelenik a két odalfrekvencia, melyek a moduláció frekvenciájának a vivôfrekvenciához való hozzáadásával ill. levonásával keletkeznek. Változás történt tehát a fény színében.

Rupp kísérlete a 2. eredményt adta: kimutatható volt a fény rezgésszámváltozása.

A kísérletet késôbb Rupp közvetlen idôbeli modulálással is végrehajtotta. E célra a fényt Kerr-cellán engedte át, melynek elektródjait 1000 megaciklus frekvenciájú (l = 30 centiméteres rádióhullámok) elektromos rezgéssel táplálta. Az eredeti higany-rezonanciavonalnak a két oldalfrekvenciára való felhasadását sikerült kimutatnia.

Az Einstein-Rupp kísérletekbôl nyilvánvaló, hogy a foton és a hullám között szoros kapcsolat van, a hullám befolyásolása visszahat a fotonra s a fény rezgéselméletébôl levonható következtetések érvénnyel bírnak a foton viselkedésére nézve. Nem kereshetünk tehát alternatívát a fény korpuszkuláris vagy hullámelméleti magyarázatában, hanem a fényjelenségek megértésénél és leírásánál az alternatíva mindkét oldalára szükségünk van. Az új fényelmélet csakis a hullám–korpuszkula tulajdonságok valamilyen szintézise lehet.

Ennek a szintézisnek a véghezvitelére (elteikintve az egyes kutatók részletmegoldásaitól) lényegébn véve három átfogó elgondolás történt, melyek közül a harmadik bizonyult megfelelônek.

1. Bohr, Kramers és Slater (1924) szerint a vákuumban mozgó fotonok, melyekben az energiát összpontosítva gondoljuk, nem reálisak. A valóságban fotonokat sohasem figyelünk meg, hanem megfigyeljük az atomokon végbemenô folyamatokat: emissziót, abszorpciót, szórást stb. A sugárzási mezô, azaz a fényhullám, szintén virtuális, s az atomok között létesít bizonyos kapcsolatot, mely valószínûségi jellegû. Ha tehát pl. fényt kibocsátó atom van jelen, akkor meg lesz a valószínûsége annak, hogy valahol, ahol azt a virtuális hullámtér meghatározza (ez természetesen kiterjedt térrész) abszorpciós aktus menjen végbe (esetleg több atomon is). Az elemi aktusok tehát csupán statisztikusan vannak egymáshoz kapcsolva, így az egyes jelenségekre nem érvényes az energia (és impulzus) megmaradásának elve sem, mert pl. miután már egy atom emittált (energiája megkisebbedett), de abszorpció még nem következett be, az energia hiányzik a térbôl. Az sem bizonyos, hogy az emisszió aktusa idôben elôtte jár az abszorpció aktusának. A nagy számok törvénye gondoskodik arról, hogy nagyban, makroszkopikusan az energia és impulzus megmaradása érvényes marad, kicsinyben, a mikrokozmoszban azonban ez nem állítató.

Elvileg ez az elmélet nern tartalmaz önellentmondást; kérdés azonban, hogy a természet így viselkedik-e?

A modern kísérletezô technika megengedte ennek az elméletnek megvizsgálását a mikrokozmoszban, tehát atomi jelenségeken. Bothe és Geiger 1925-ben csúcsszámlálókkal kimutatták, hogy Compton-effektusnál a szórt foton és a kiváltott elektron egyidejûleg lépnek fel (koincidálnak), tehát nem statisztikusan vannak összekapcsolva. Ez megcáfolja Bohr, Kramers és Slater elgondolását.

Ugyancsak cáfolja ezt az elméletet Bothe egy másik kísérlete, mely azt mutatja, hogy egy emissziós aktusra csupán egy abszorpciós aktus következhetik, sohasem több, másszóval: egy hullámsorban (gömbhéjban) csupán egy foton "van jelen", ami ismét az energia-elv érvényét jelenti kicsinyben is. Bothe ezt a kísérletet röntgen-sugarakkal végezte s mindeddig hiányzik e kísérlet elvégzése látható fénnyel. Láthartó fotonok számlálása azok kicsiny energiája miatt ezideig nehézségbe ütközött. E sorok írója kidolgozott egy új eljárást, mely a látható fény fotonjainak számlálására is alkamas (elektronsokszorozó), s jelenleg különbözô kísérletek vannak folyamatban e kérdésnek a látható fény optikájában való megvizsgálására.

Az eddigi kísérletek szerint tehát azt kell mondanunk, hogy a természet nem úgy viselkedik, mint ahogy azt Bohr, Kramers és Slater elmélete állitja.

2. Born elmélete (1925) már figyelembe veszi Bothe és Geiger eredményeit is és az energia elvét, s a fényjelenséget úgy képzeli, hogy az atom ténylegesen emittálja a fotont, mely az emisszió egész hn energiáját magával viszi, de a foton mozgását a térben a hullámmezô írja elô. Az az elôírás statisztikus, valószínûségi jellegû, tehát a fényhullámok itt is valószínûségi hullámok. Végeredményben a foton úgy mozog, hogy valamely térelembe való eljutásának, tehát ott-találásának valószínûsége az ottani hullámamplitudó négyzetével arányos.

Ez az elgondolás közel áll a végleges megoldáshoz, mégsem tartható fenn. Nem érthetô pl., hogy a foton hogyan megy át egy interferencia-kísérlet sötét helyein, melyek mögött világos helyek vannak. Így pl. álló fényhullámoknál sötét és világos interferenciacsíkok váltogatják egymást, s a sötét helyeken, csomósíkokban a fotont nem észleljük, míg a közbeesô világos helyeken igen.

Born elméleténak hibája abban áll, hogy a fotonnak az interferencia-kísérletben pályát tulajdonít. Máskülönben a ténylegesen megfigyelhetô jelenségeket jól adja vissza, mert a klasszikus fényelmélet fényintenzitását helyettesíti a foton megtalásának valószínûségével. A klasszikus fényelmélet a fény energiájának az egész hullámtérre való szétosztását képzeli s az energiának folytonos áramlását, ezt azonban kísérleteink sohasem mutatják, mert minden energiamérés a foton egész energiáját mutatja hn mennyiségben. Hibás tehát a klasszikus fényelmélet, midôn olyat állít, amit nem figyelhetünk meg: az energia szétosztását, s hibázik Born elgondolása, midôn szintén olyat állít, amit nem figyelhetünk meg: a foton pályáját az interférencia-jelenség közben.

3. Ez a kritikai meggondolás vezette Heisenberget és tôle függetlenül Bohrt (1927) arra, hogy megtalálják a fény korpuszkuláris és hullámtulajdonságainak összeegyeztetési lehetôségét.

Ragaszkodjunk a tapasztalati ismeretelmélet álláspontjához: a fizika csak olyan jelenségekkel foglalkozzék, melyek észlelhetôk. A fizika története folyamán sokszor kisegítette ez az elv a tudományt a nehézségekbôl. Elég, ha Galileire utalunk, aki az akkori, elôitéletekkel telt gondolkozás helyébe a megfigyelést és kísérletet vezette be, vagy az Einstein-féle relaitivitáselméletre, mely kiküszöbölte az abszolút, a jelenségektôl független tér fogalmát.

Heisenberg és Bohr rámutattak arra, hogy a fény hullám- s korpuszkula-jelenségei nincsenek egymással ellentmondásban, mert nem jelentkeznek egyszerre. Végezhetünk a fénnyel olyan kísérleteket, melyek annak korpuszkuláris tulajdonságát mutatják (Compton-effektus, fotoeffektus, abszorpció stb.) s ugyancsak végezhetünk olyanokat, melyek hullámtermészetét tárják fel (interferencia), de ha az egyik féle kísérletet végezzük, akkor elvész a lehetôsége annak, hogy egyidejûleg a fény másik sajátságát is vizsgáljuk. Így pl. az 1. képen bemutatott interferencia-kísérletet berendezhetjük úgy, hogy pl. A nyílásnál megállapíthatjuk a foton ott-tartózkodását fényelektromos effektussal (fotonszámláló), de ezzel teljesen megmásítottuk a kísérletet, s az ernyôn nem kapunk inyerferenciacsíkokat, mert elfogyasztottuk a foton energiáját. (Durván szólva: elfogtuk az A nyílást s ezáltal elrontottuk az interferenciát.) Ha pedig hagyjuk az interferencia-jelenséget zavartalanul végbemenni, akkor nem ismeretes elôttünk – hiányzik a tapasztalásunkból – olyan kísérlet, mely egyidejûleg megmutatná, hogy a foton melyik nyíláson "jött keresztül". Mivel pedig nem ismerünk ilyen kísérletet (ismételjük: minden kísérlet, melyet e célból végzünk, elrontaná az interferencia-jelenséget), nem is szabad feltételeznünk, hogy a fotonnak közben pályája volt ugyan, csak mi nem ismerjük. Mert olyan természeti jelenség, amit eIvileg nem ismerhetünk, számunkra nem létezik, de ami számunkra nem létezik, az nincs.

Összefügg mindez azzal a ténnyel, hogy megfigyelésünk, mérésünk szükségképen beavatkozást jelent a jelenségbe: a mérés befolyásolja a mérendôt. A klasszikus fizika szerint, hol a mennyiségek folytonosak, ez a beavatkozás a mérés gondos kivitelével akármilyen kicsiny lehet, nem úgy azonban a kvantumfizika szerint, hol pl. a “látás", a "megnézése valaminek" nem mehet végbe kisebb energiával; mint egy foton energiája.

Heisenberg kihangsúlyozta a mérésnek a mérendôre való ellenôrizhetetlen behatását és ez alapon véghezvitt szigorú kritikai meggondolásaival feláIlította a róla elnevezett határozatlansági relációkat. Ezekre nem térünk itt ki, csupán megemlítjük, hogy ezek segítségével a fénynek hullám- és korpuszkula-sajátsága matematikailag is ellentmondásmentesen letárgyalható.

A legújabbkori fizika legnagyobb élményei közé tartozik, hogy a fénynek ez a hullám–korpuszkula dualizmusa az anyagra is érvényes. De Broglie elméletileg jutott el az anyaghullámok gondolatára 1924-ben s Davisson és Germer 1927-ben kísérletileg is igazolta kristályrácsokon az elektronok interferenciáját, mely a fény interferenciájához teljesen hasonlóan folyik le. Így a hullám–korpuszkula dualizmus a természetnek megnyilvánulása, általános sajátsága.

Rá kell még mutatnunk arra, hogy mindezek a meggondolások, melyekkel itt foglalkoztunk, az egy-foton problémájára vonatkoznak. Természetesem új elméleti fizikai feladatok merülnek fel, midôn feI akarjuk építeni a makroszkópikus jelenségek sok-foton problémáját. Így a kvantummechanika többtest-problémájának feladatkörébe jutunk, melyet fotonoknál ugyanúgy meg kell oldani, mint az anyagi részecskék esetében. Nem lehet célunk itt ezekkel a kérdésekkel foglalkozni – ezek még nincsenek is lezárva –, csupán azt jegyezzük meg, hogy a feladat tulajdonképen a makroszkopikus elektromágneses hullámok levezetése az új fotonelméletbôl, melynek alapelveit itt ismertettük. Mert a dolgok következetes végiggondolása azt mutatja, hogy az a hullám, melyre a korpuszkulával való dualizmusáróI itt szó volt, még nem az elektromágeses hullám, hanem a fotonnak az anyaghulláma vagy De Broglie-hulláma. Az észleléseknek hozzáférhetô elektromágneses hullám a sok-foton probléma anyaghullámából származtatandó le, és ezen a téren még az elméleti fizikának részletfeladatokba kell elmélyednie.

Hangsúlyozzuk még egyszer, hogy a modern fizika a hullám–korpuszkula dualizmus megoldásakor nem ellentmondásokat egyesít, hanem ellentmondásokat szüntet meg.

Bohr a hullám- és korpuszkula-sajátságokat komplementereknek nevezte. Általában komplementerek egy fizikai történésben szereplô azon mennyiségek, melyek a hátározatlansági relációk értelmében nem határozhatók meg egyidejûleg pontosan. Egyiknek pontos meghatározása a másiknak teljes határozatlanságát vonja maga után. A hullám és korpuszkula is, mint komplementer jelenségek, egyidejûleg kizárják egymást, de jól megférnek egymás mellett, ha nem egyidejûleg jelentkeznek.

Az ember tehát megoldotta a természet által föladott legnehezebb találós kérdést, de csupán egész gondolkodásának gyökeres kritikájával. Fel kellett adnunk mindennapos szemléletünk egyes elemeit, mint pl. a pálya fogalmát az interferencia-kísérletben. Ugyancsak föl kellett adnunk a kauzalitás elvét, mert a fényhullámot csupán mint valószínûségi hullámot tekinthetjük, mely nem determinálja a foton megtalálásának helyét. De lássuk be, hogy sem a minden áron megkövetelendô szemléletességet, sem az okság elvét nem merítettük a tapasztalatból. Nem vesztettük el tehát a csatát a természettel szemben, hanem éppen megnyertük, mert a természetbôl nyert új tapasztalatokat ellentmondásmentes logikai rendszerbe tudtuk beilleszteni.

A nagy tanulság pedig az, hogy a természet még a legegyszerûbb jelenségeiben is kimeríthetetlen, mindig új és új oldaláról mutatkozik meg. A fényrôl is biztosra vehetjük, hogy még sok új tulajdonságát fogjuk megismerni, olyanokat, melyek kívül esnek mai legmodernebb fényelméleteink keretein is. A feladat akkor is az lesz, hogy változtassuk meg az elméletet, mert a természetet nem tudjuk megváltoztatni, sem "gúzsba kötni". Az emberi gondolkozásban pedig alig képzelhetô el nagyobb hiba, mint egy elméletrôl az állítani, hogy végleges.

Vissza