Mi van, ha az egész kvantummechanikát félreértettük?

Van egy régóta dédelgetett elméletem a világ működéséről, amely finoman szólva sem egyezik a modern fizika általánosan elfogadott modelljével. Nem állítom, hogy igazam van, de egy ideje foglalkoztat a gondolat, hogy talán sokkal egyszerűbb a világ annál, mint ahogy ma leírjuk.

A kvantummechanika matematikailag elképesztően sikeres. A jóslatai működnek, a kísérletek igazolják, és rengeteg technológiánk épül rá. Engem mégis zavar, hogy a fizikai valóság magyarázatakor olyan fogalmakhoz jutunk, mint a hullám-részecske kettősség, a szuperpozíció, a hullámfüggvény összeomlása vagy a kvantum-összefonódás.

Mi van, ha ezek egy része nem a természet alapvető tulajdonsága, hanem egy mélyebben fekvő fizikai mechanizmus matematikai leírásának következménye?

Anyag mint hullámstruktúra

Az én elképzelésem szerint a világegyetem alapja az elektromágneses tér. Nincsenek hagyományos értelemben vett elemi részecskék, csak elektromágneses hullámok és azok különböző konfigurációi.

Az anyag legkisebb építőelemeit stabil, lokalizált elektromágneses örvényekként képzelem el. Olyan hullámstruktúrákként, amelyek önmagukba záródnak, és bár a bennük lévő mező folyamatosan változik, maga a struktúra képes egy helyben maradni.

Valahogy úgy, ahogy egy vízörvény is helyben maradhat, miközben a víz folyamatosan mozog benne. Persze az elektromágneses tér nem víz, az örvény pedig csak szemléltetés.

Ebben a modellben az elektron nem egy apró golyó, és nem is egy valószínűségi felhőben létező rejtélyes objektum. Maga a stabil elektromágneses örvény az elektron. A töltés, a spin és akár a tömeg is a hullámstruktúra geometriájából, energiájából és dinamikájából következhetne.

Honnan jöhet a kvantáltság?

A következő kérdés az energia kvantáltsága.

A kvantummechanika szerint bizonyos rendszerek csak meghatározott energiaszinteken létezhetnek. De ehhez önmagában nincs szükség kvantummechanikára. Egy klasszikus rezonátorban sem alakulhat ki tetszőleges állóhullám: csak azok a frekvenciák stabilak, amelyek megfelelnek a rendszer geometriai és fizikai feltételeinek.

Miért ne működhetnének hasonlóan az elektromágneses örvények?

Ha egy ilyen struktúrának csak meghatározott stabil állapotai léteznek, akkor a kívülről érkező elektromágneses hullám csak bizonyos feltételek mellett változtathatja meg az állapotát. A megfigyelő ebből annyit érzékelne, hogy a rendszer meghatározott mennyiségű energiát nyelt el vagy bocsátott ki.

Vagyis a kvantáltság nem feltétlenül a terjedő elektromágneses hullám tulajdonsága lenne, hanem azé a struktúráé, amellyel kölcsönhatásba lép.

Innen nézve a foton fogalma is megkérdőjelezhető. Attól, hogy egy detektor egyetlen lokalizált eseményt regisztrál, még nem következik feltétlenül, hogy az eseményt kiváltó sugárzás is önálló részecskeként érkezett oda. Lehet, hogy csak a detektor képes diszkrét állapotváltozásokra.

Természetesen az egyszerű klasszikus elektromágneses elmélet nem magyaráz meg minden fotonkísérletet. Az egyfotonos interferencia és a fotonkorrelációs mérések komoly akadályt jelentenek egy ilyen elképzelés előtt. Ezeket nem lehet figyelmen kívül hagyni.

Véletlen és összefonódás

Hasonló a helyzet a kvantummechanika valószínűségi természetével.

Én nehezen fogadom el, hogy a természet alapvetően véletlenszerűen működik. Sokkal kézenfekvőbbnek tartom, hogy egy rendkívül összetett, de determinisztikus rendszer viselkedését látjuk, amelynek egyszerűen nem ismerjük minden változóját.

Ettől persze még nem lesz igazam. A Bell-egyenlőtlenségek kísérleti megsértése például kizárja a lokális rejtettváltozós modellek jelentős részét. Egy determinisztikus alternatívának ezekre az eredményekre is pontos magyarázatot kellene adnia.

A kvantum-összefonódással kapcsolatban különösen szkeptikus vagyok. Nem a megfigyelt korrelációkat vitatom, hanem azt, hogy a matematikai leírásuk egyben a fizikai mechanizmusukat is megmagyarázza. Engem az érdekel, pontosan mi történik a térben, amikor két rendszer között ilyen korrelációkat mérünk.

A hipotézis határai

Van azonban egy alapvető probléma az egész elképzelésemmel.

A hagyományos Maxwell-egyenletek vákuumban lineárisak, és önmagukban nem biztosítanak olyan stabil, önmagukba záródó örvényeket, amilyeneket feltételezek. Ráadásul a jelenleg ismert részecskék tulajdonságait és a többi alapvető kölcsönhatást sem lehet egyszerűen elektromágneses jelenségnek nyilvánítani.

Vagyis az elméletem jelenleg inkább hipotézis, mint valódi fizikai modell. Ahhoz, hogy komolyan vehető legyen, konkrét mezőegyenletekre és ellenőrizhető eredményekre lenne szükség.

A következő lépés: szimuláció

És itt jön az a rész, ami mérnökként igazán érdekel.

Miért ne lehetne ezt szimulálni?

Egy háromdimenziós térbeli rácson numerikusan modellezhető az elektromágneses mező időbeli fejlődése. GPU-val ma már olyan számítási kapacitás áll rendelkezésre, amellyel egészen összetett meződinamikai rendszereket lehet vizsgálni.

Első lépésként azt kellene kideríteni, hogy megfelelő fizikai feltételek mellett létrehozható-e stabil, lokalizált elektromágneses örvény. Ha igen, meg lehetne vizsgálni az állapotait, a kölcsönhatásait és a kívülről érkező hullámokra adott válaszait.

A következő lépés az lenne, hogy a szimuláció képes-e reprodukálni olyan jelenségeket, amelyeket ma kvantummechanikával írunk le.

És van egy ennél merészebb ötletem is.

Ha a kvantumjelenségek mögött valóban klasszikus meződinamika állna, akkor elvileg megpróbálhatnánk kvantumszámítógépes algoritmusokat futtatni egy ilyen szimulált rendszerben. Az eredményeket össze lehetne hasonlítani valódi kvantumszámítógépek eredményeivel.

Persze kvantumrendszereket ma is tudunk klasszikus számítógépeken szimulálni. Az igazi kérdés nem az, hogy lehetséges-e, hanem az, hogyan skálázódik a számítási igény. Ha ugyanolyan exponenciális növekedést kapunk, nem jutottunk különösebben messzire. Ha viszont lényegesen kedvezőbbet, az már érdekes eredmény lenne.

Mit mond el egy működő modell?

Az egész gondolatmenetem mögött egyetlen alapvető kérdés áll.

Attól, hogy egy matematikai modell rendkívül pontosan megjósolja a mérések eredményét, biztosan helyesen írja le azt is, ami fizikailag történik?

A fizika története tele van olyan modellekkel, amelyek a maguk idejében jól működtek, később mégis egy általánosabb elmélet speciális eseteinek bizonyultak.

Lehet, hogy a kvantummechanikával is ez a helyzet. És az is lehet, hogy nem.

Nem gondolom, hogy egy elektromágneses örvényekre épülő elképzeléssel egy csapásra megoldottam a fizika problémáit. Egyelőre még azt sem tudom, hogy a feltételezett struktúrák matematikailag létezhetnek-e.

De a tudományban szerintem nem az a fontos, mennyire szokatlan egy elképzelés, hanem az, hogy lehet-e belőle ellenőrizhető modellt készíteni.

Ha pedig a szimuláció azt mutatja, hogy az egész hülyeség, akkor legalább megtudtam, miért.

Addig viszont motoszkál bennem a kérdés: mi van, ha valójában nincsenek részecskék, nincsenek fotonok, és a kvantummechanika különös világa csupán egy sokkal egyszerűbb hullámmechanika megnyilvánulása?

Mi van, ha végső soron minden csak hullám?