Az elektron kettős természete

Ami hullám, az nem részecske, ami részecske, az nem hullám! Mindebből levonhattuk azt a következtetést, hogy leírásunk a fény jellemzése során szemléletünkkel össze nem egyeztethető következtetésekre vezet, amiből nem következik, hogy a fény léte bármilyen ellentmondást hordozna magában, vagy hogy nem tudunk logikus, de nem szemléletes leírást adni a fény természetéről. Aki ismeri az emberi megismerés útjait, pontosan tudja, hogy a logikus dolgok gyakran legkevésbé sem szemléletesek. A fény az fény, bárhogyan is szeretnénk leírni, de számunkra a fény, mint objektív létező valóság a kísérlet, értelmezés, leírás folyamatában születik meg.

A leíró szerepének ilyetén felértékelődése fontos lépés azon az úton, mely a világ kvantummechanika segítségével történő leírásának jobb megértése felé vezet. Akkor pillanthatunk be még mélyebben a „nyuszi üregébe”, ha az elektronokkal is megismerkedünk. Az, hogy az elektromos töltés kvantált, azaz vannak legkisebb, oszthatatlan egységei, ugyanúgy meglepte a fizikus társadalmat, mint az energia kvantáltsága. A 19. század végéig az elektromos anyagot vagy elektromos folyadékot folytonosnak tartották, azaz azt feltételezték, hogy bármilyen kicsi töltést le lehet választani az anyagról megfelelő technikával. Az elektront, mint az elektromos töltés legkisebb egységét J. J. Thompson fedezte fel 1896-ban, s az elektromosság eme oszthatatlan egységeinek létét hamarosan számos kísérlet igazolta. A frissen felfedezett részecskék szerepet kaptak a 20. század atommodelljeiben. A leginkább ismert Rutherford modell szerint az elektronok úgy keringenek egy atom központi, sűrű magja körül, mint a bolygók a Nap körül.

Az elektronokat pályájukon természetesen nem a gravitáció, hanem a pozitív töltésű atommag vonzása tartja. Rutherford atommodelljének ellentmondásait a dán Niels Bohr oldotta fel oly módon, hogy egyesítette a Planck-féle energia kvantumok elméletét a Rutherford modellel. Ettől a pillanattól kezdve a modellben az elektronok pályája már nem volt tetszőleges az atommag körül, hanem olyan módon vált meghatározottá, hogy segítségükkel Planck energiakvantumjainak születését és elnyelődését értelmezni lehessen.

A fotonok, azaz Planck energiakvantumjai az atomban található elektronok elektronpályák közötti ugrása során születnek, vagy nyelődnek el. A különböző Bohrpályákon az elektronok energiája különböző, s az atom egy elektron alacsonyabb energiájú elektronpályára való ugrása során kvantált, a két pálya energiaszintjének különbségével megegyező energiát sugároz ki. Az atom energiaelnyelése ennek a folyamatnak a fordítottja. Bohr nem tudott elméleti választ adni arra a kérdésre, hogy mi határozza meg a Bohr pályák sugarát. Mi az oka annak, hogy egy anyag elektronpályáinak éppen mekkora az átmérője. Bohr a pályákat az adott anyag által kibocsátott, illetve elnyelt fotonok energiájából kiszámolta ugyan, de magyarázni nem tudta. A rejtély megoldása egy belga herceg, Louis de Broglie nevéhez fűződik, aki feltételezte, hogy az elektronokhoz sebességüktől függő hullámhosszúságú hullámok rendelhetők, s ezen hullámok mindig egész számban férnek el a Bohrmodell elektronpályáin. De Broglie szerint hasonlatosan a gitár húrjaihoz, melyeken csak meghatározott hullámhosszú (magasságú) hangok szólalnak meg, az elektronhullám is csak meghatározott pályák létezését teszi lehetővé. Ez a meglehetősen szürreális ötlet irányította rá a figyelmet arra a lehetőségre, hogy az elektronokhoz akár hullámtulajdonságok is rendelhetők.

De vajon képesek-e az elektronok hullámként viselkedni? Az első ezt igazoló kísérleteket 1927-ben, három évvel de Broglie felfedezését követően végezték. Természetes kristályrácson interferenciára kényszerítettek egy elektronnyalábot. Az interferencia tipikus hullámtulajdonság. A kísérlet nehézségét az adta, hogy a hullámszerű viselkedés csak olyan helyzetekben tud megjelenni, amikor is a hullámokkal kölcsönható eszköz méretei a hullámhossz tartományába esnek. Hiába rendelkezik mondjuk egy angol kastély kifinomult kísértete akár hullámtulajdonsággal is, ahhoz, hogy hullámként tudjon áthatolni a kastély falán, olyan résre van szüksége, mely saját hullámhosszának nagyságrendjébe esik. S ilyen rést, melynek segítségével hullámként viselkedhet egy tipikus részecske, még egy elektron esetében sem könnyű találni, pedig annak hullámhossza összehasonlíthatatlanul nagyobb, mint az említett kísérteté, mivel a de Brogliehullámhossz a tömeggel fordítottan arányos. Ezt a problémát hidalták át a természetes kristályrácsok, melyekben az atomok távolsága a de Broglie által megállapított elektronhullámhossz nagyságrendjébe esett. Na de mit jelent az elektronnyaláb interferenciája?

Hogy tudtak az elektrongolyócskák hullámként áthatolni a kristályon? Mi történik a kristályrács belsejében? A kísérlet a kristályrácson már áthaladt elektronok ernyőbe való becsapódási helyét tudta detektálni, melyek eloszlása a hullámok által keltett mintázattal volt megegyező. Úgy tűnt, hogy az elektronok részecskeként léptek be a kristályba, részecskeként csapódtak be az ernyőbe, de közben a kristályrács belsejében hullámként viselkedtek. Ne felejtsük el egy pillanatra sem, ami részecske, az nem hullám, ami hullám, az nem részecske. Ha az elektronok részecskékként és nem hullámként haladtak volna át a kristályon, más becsapódási kép rajzolódott volna ki. Mindebből tehát az következett, hogy az elektronok viselkedése szemléletünk és tapasztalataink szempontjából ugyanolyan ellentmondásos, mint a fény. Azaz nemcsak a hullámként megismert fénynek, hanem a részecskeként azonosított elektronnak is kettős természete van. Ez tehát a képünk a valóságról, melyet az evolúció által biológiailag determinált érzékszerveink s agyunk ilyen ellentmondásosan tud megragadni. Egyáltalán mit tudunk a valóságról? Lényegi sajátsága-e az elektronnak, hogy egy piciny golyót, egy mínusz jelecskét visz a hátán?

A 20. század fizikája ismét ráirányította a figyelmet arra, hogy igazából nem a valóságot ragadjuk meg közvetlenül, hanem szimbólumok segítségével párbeszédet folytatunk a valósággal, ahogy persze egymással is, betűk, számok, szavak és jelek révén. A világunkban egyre nyilvánvalóbb, hogy milyen nehéz megmondani, mi is a valóság. Csak interpretált valóság van, s az értelmezés párhuzamos valóságok sokaságához vezet. Lassan eljutunk oda, hogy kinek-kinek az teremti meg saját valóságát, hogy milyen forrásból tájékozódik. A 20. század első felében, az elektronok kettős természetének vizsgálata során, a megfigyelő és leíró tudatos ember és a valóság viszonyának egészen új, hihetetlen mélységei tárultak fel. Ezek a tapasztalatok gyökeresen felforgatták a fizikusok társadalmát. És sokakat az értelmezés, a filozófia mezejéről a számok és képletek biztonságos világába való visszahúzódásra késztették. De mi nem riadunk meg! A következő alkalommal szembesülni fogunk azzal a hatalommal, mellyel a megfigyelő elkerülhetetlenül megváltoztatja a megfigyelt valóságot.