Borítószöveg

A Hét rövid fizikalecke évszázadok tudásának bravúros és szellemes összefoglalója. Carlo Rovelli a 20. századi fizika forradalmi felfedezésein és rejtélyein – relativitáselmélet, kvantumfizika, fekete lyukak, az univerzum szerkezete – vezeti át az olvasót élvezetes, közérthető és választékos stílusban. Megismertet a múlt század jelentős tudományos felfedezéseivel és azok jelentőségével, s teszi mindezt olyan könnyed és szórakoztató stílusban, hogy még a modern fizikában járatlanok is kedvet kapnak a tudományhoz.

„A tudományos kíváncsiság, a valóság elmélyült kutatása és a tudósok képessége arra, hogy másképp lássák a világot, már-már költészet.”

Financial Times.

CARLO ROVELLI (1956) olasz elméleti fizikus, hazáján kívül dolgozott az Egyesült Államokban, jelenleg Franciaországban él, az Académie internationale de philosophie des sciences (AIPS) és az Institut universitaire de France (IUF) tagja, továbbá a marseille-i Aix-Marseille Universitén (AMU) működő Elméleti Fizikai Központ (Centre de physique théorique) kvantumgravitációs kutatócsoportjának vezetője. Könyvei közül kiemelkedik: Che cos’è la scienza. La rivoluzione di Anassimandro (Mi a tudomány? Anaximandrosz forradalma, 2011); La realtà non è come ci appare. La struttura elementare delle cose (A valóság nem olyan, mint amilyennek látszik. A dolgok elemi szerkezete, 2014).

„Vannak határok, ezekhez érve folyamatosan tanulunk, ég bennünk a tudásvágy. Határokra bukkanunk a tér szövetének legparányibb mélységeiben, a világmindenség kezdeteinél, az idő természetében, a fekete lyukak sorsában, de még a mi gondolkodásunk működésében is.” Ebből az előfeltevésből indulnak ki ezek a „rövid leckék”, amelyek bámulatos átláthatósággal vezetnek végig bennünket annak a forradalomnak néhány megkerülhetetlen útszakaszán, amely a 20. században megrengette a fizikát, miközben a rengések még ma sem csillapodnak: Einstein általános relativitáselméletéből és a kvantummechanikából kiindulva eljutunk a világmindenség szerkezetének, az elemi részecskéknek, a kvantumgravitációnak, az idő természetének és elménk működésének nyitott kérdéseiig.

CARLO ROVELLI

Hét rövid
fizikalecke

– részlet –

PARK KÖNYVKIADÓ

A fordítás alapjául szolgáló kiadás:
Sette brevi lezioni di fisica
Adelphi Edizioni, Milánó, 2014

Fordította Balázs István

Copyright © 2014 Adelphi Edizioni s.p.a. Milano
All rights reserved
Hungarian translation © 2015, 2026 Balázs István
Magyar kiadás © 2016, 2026 Park Könyvkiadó, Budapest
A Park Könyvkiadó az LS Kiadói Csoport tagja
Borítóterv © Coralie Bickford-Smith

Elektronikus kiadás, 2016, 2026

ISBN 978 963 633 452 9

Szerkesztette Seres Iván
Felelős szerkesztő Tönkő Vera
A szöveget gondozta Lovass Gyöngyvér és Lovass Ildikó
Műszaki szerkesztő Rochlitz Vera
Tördelte Rochlitz Vera
Elektronikus könyv Nagy Lajos

Tartalom

Előszó

ELSŐ LECKE
A legszebb valamennyi elmélet közül

MÁSODIK LECKE
A kvantumok

HARMADIK LECKE
A kozmosz szerkezete

NEGYEDIK LECKE
Részecskék

ÖTÖDIK LECKE
Térszemcsék

HATODIK LECKE
A valószínűség, az idő és a fekete lyukak hője

BEFEJEZÉSÜL
Mi magunk

Előszó

Ezek a leckék azoknak íródtak, akik egyáltalán nem vagy csak alig ismerik a modern tudományt. Együttesen gyors áttekintést adnak a 20. századi fizikában lezajlott nagy forradalom legnevezetesebb és leglebilincselőbb aspektusainak némelyikéről, s még inkább azokról a kérdésekről és rejtélyekről, amelyeket ez a forradalom vetett fel. A tudomány ugyanis megmutatja, hogyan érthetjük meg jobban a világot, de azt is világossá teszi, hogy mi mindent nem tudunk még.

Az első leckét Albert Einstein általános relativitáselméletének szenteljük, a „legszebbnek valamennyi elmélet közül”. A másodiknak a kvantummechanika a tárgya, s vele a modern fizika leginkább zavarba ejtő vonatkozásai. A harmadik lecke a kozmoszról szól, az általunk is lakott világmindenségnek, az univerzumnak a szerkezetéről. A negyedikben az elemi részecskékről lesz szó. Az ötödik lecke megismerteti az olvasót a kvantumgravitációval: az ez irányú folyamatos erőfeszítések a 20. századi nagy felfedezések szintézisét keresik. A hatodikban olvashatunk a valószínűségről, valamint a fekete lyukak hőjéről. Lezárásképpen az utolsó fejezet visszatér önmagunkhoz, s azt firtatja, miként vagyunk képesek gondolkodni ebben a modern fizika által leírt különös világban.

Az itt közreadott leckék azt a cikksorozatot fűzik egybe, amelyet a szerző az Il Sole 24 Ore nevű napilap vasárnapi mellékleteiben jelentetett meg. Külön köszönet illeti értük Armando Massarentit: ő nyitotta meg a hétvégi lapmelléklet kulturális rovatát a tudomány előtt, rávilágítva, hogy az mennyire szerves és létfontosságú szerepet játszik a kultúrában.

MÁSODIK LECKE
A kvantumok

A 20. századi fizika két tartóoszlopa, az első leckében bemutatott általános relativitáselmélet és mostani tárgyunk, a kvantummechanika jobban már nem is különbözhetne egymástól.

Mindkét elmélet arra tanít bennünket, hogy a természet finomszerkezete sokkal árnyaltabb, mintsem megjelenése láttán gondolnánk. Az általános relativitáselmélet azonban egyetlen egységet alkotó drágakő: egyetlen elme szüleménye, Albert Einsteiné, és egyetlen egyszerű, koherens egységben szemléli a gravitációt, a teret és az időt. A kvantummechanika – másképpen mondva: a „kvantumelmélet” – viszont a kísérletezésben ért el páratlan eredményeket, és olyan alkalmazásokhoz vezetett, amelyek megváltoztatták mindennapi életünket (közéjük tartozik az a számítógép is, amelyen írok), s mégis, bár már több mint egy évszázad telt el a megszületése óta, mindmáig az érthetetlenség és a titokzatosság különös légköre lengi körül.

Azt szokás mondani, hogy a kvantummechanika születése pontosan az 1900-as évre esik, s születésével mintegy megkezdődött az intenzív gondolkodás százada. Max Planck német fizikus kiszámítja, hogyan fest egy meleg doboz belsejében az egyensúlyi állapotú elektromos mező. A számításban cselhez folyamodik: felteszi, hogy a mező energiája „adagokra”, „kvantumokra” oszlik szét, azaz kis csomagokban, energiagöbökben van jelen. Az ezzel kapott eredmény tökéletesen visszaadja a mért adatokat (így vagy úgy tehát helyesnek kell lennie), csakhogy ellentmond mindannak, amit akkoriban tudtak. A korabeli fizikusok úgy gondolták ugyanis, hogy az energia folyamatosan változik; semmi ok nem látszott arra, hogy apró építőelemekből felépülőnek kellene tekinteni. Az energiamennyiség véges csomagokból való összeállítása Max Planck szemében sem tűnt többnek ravasz számítási módszernél; maga sem értette, hogy miért jutott jó eredményre. Öt évvel később azután Albert Einstein lesz az – megint ő –, aki átlátja, hogy az „energiacsomagok” a valóságban is léteznek.

Einstein megmutatta, hogy a fény csomagokból áll: fényrészecskékből. Ezeket a részecskéket nevezzük ma fotonoknak. Munkájának bevezetőjében ezt írja:

„Úgy tűnik előttem, hogy a fluoreszkáláshoz, a katódsugarak létrejöttéhez, a dobozból előtörő elektromágneses sugárzáshoz és más hasonló, a fény kibocsátásával és átalakításával összefüggő jelenségekhez kapcsolódó megfigyelések jobban érthetők, ha feltesszük, hogy a fényenergia diszkontinuus módon oszlik el a térben. Itt fontolóra veszem a feltevést, hogy egy fénysugár energiája nem folytonosan oszlik el a térben, hanem ellenkezőleg: véges számú »energiakvantum« alkotja, s azok a tér különböző pontjain helyezkednek el, osztódás nélkül mozognak, s egyedi egységenként jönnek létre és nyelődnek el.”

Valójában ezekkel az egyszerű és világos sorokkal született meg a kvantumelmélet. Figyeljük csak meg azt a csodás „Úgy tűnik előttem” mondatkezdetet; emlékeztet arra az „Úgy gondolom”-ra, amellyel Darwin vezeti be jegyzetfüzetébe rendkívüli gondolatát a fajok fejlődéséről, és arra a „habozásra” is, amelyről Faraday beszél könyvében az elektromos mező forradalmi gondolatának bevezetésekor. A zseni habozik.

Einstein dolgozatát társai elsőre egy éles elme ifjúkori bolondságának tartják. Később azonban éppen ezért a munkájáért kap Nobel-díjat. Ha Planck az elmélet atyja, akkor Einstein a nevelőszülője.

Ámde az elmélet, mint minden gyermek, később a maga útját járta, s Einstein már nemigen ismert rá. A múlt század tízes és húszas éveiben a dán Niels Bohr irányítja a fejlődését. Ő érti meg, hogy az atomokban lévő elektronok energiája is – a fényenergiához hasonlóan – csak bizonyos „kvantált” értékeket vehet át, s legfőképpen azt ismeri fel, hogy az elektronok csak „ugrálhatnak” bizonyos, megengedett energiaszintű pályák között, s ugrás közben kibocsátanak vagy elnyelnek egy fotont. Ezek a nevezetes „kvantumugrások”. Bohr koppenhágai intézetében gyűlnek össze a század legragyogóbb ifjú elméi, hogy megpróbáljanak valamiképpen rendet teremteni az atomok világában ezek között az érthetetlen viselkedésformák között, és következetes elméletet alkossanak.

1925-ben aztán végre napvilágot látnak az elméletet leíró egyenletek, s Newton egész mechanikájának a helyére lépnek. Nehéz nagyobb sikert elképzelni. Hirtelen minden megváltozik, és mindent sikerül számításokkal igazolni. Lássunk rá csak egyetlen példát. Emlékszünk még a periódusos rendszerre, a Mengyelejev-féle táblázatra a világegyetem összes lehetséges elemével, a hidrogéntől kezdve az uránig? Ott függött jó néhány osztályterem falán. De vajon miért éppen ezek az elemek vannak benne, s vajon miért éppen ilyen ez a táblázat: miért vannak benne periódusok, és miért éppen ilyenek s nem mások a táblázatbeli elemek tulajdonságai? Ezekre az a válasz, hogy minden elemben a kvantummechanika alapegyenletének valamelyik megoldása testesül meg. Az egész kémia ebből az egyetlen egyenletből bontakozik ki.

Werner Heisenberg, egy egészen fiatal német zseni lesz az, aki – szédítő gondolatokra támaszkodva – elsőként felállítja az új elmélet egyenleteit.

Heisenberg felteszi, hogy az elektronok nem léteznek mindig – hanem csak akkor, ha valaki megfigyeli őket, vagy pontosabban: ha kölcsönhatásba kerülnek valami mással. Egy helyen akkor „öltenek testet” valamekkora kiszámítható valószínűséggel, amikor nekicsapódnak valami másnak. A mi szemünkben az egyik pályáról a másikra való „kvantumugrás” az elektron létezésének egyetlen valóságos módja: az elektron nem más, mint az egyik kölcsönhatástól a másikig vezető ugrások összessége. Ha éppen senki sem zavar egy atomot, akkor az nem egyetlen meghatározott helyen van.

Olyan ez, mintha az Úristen a valóság tervét nem határozott vonalakkal rajzolta volna meg, hanem pusztán beérte volna elmosódott vázlatokkal.

A kvantummechanikában egyetlen testnek sincs meghatározott helye, csak akkor, ha éppen belebotlik valami másba. A két kölcsönhatás közötti állapot leírására egy elvont, nem a valóságos, hanem egy absztrakt matematikai térben létező függvény használatos.

De van itt még ennél rosszabb is: ezek az egyik kölcsönhatásból a másikba átvezető ugrások nem előre látható módon történnek, hanem teljességgel véletlenszerűen. Lehetetlen előre látni, hogy egy elektron hol bukkan majd fel újra, csupán annak a valószínűségét tudjuk kiszámítani, hogy valahol – itt vagy ott – megjelenik. A valószínűség a fizika legbensejében üti fel a fejét – ott, ahol, úgy tűnt, mindent pontos, egyértelmű és megmásíthatatlan törvények irányítanak.

Mindez képtelenségnek tűnik? Einstein is annak látta. Egyfelől Nobel-díjra javasolta Werner Heisenberget, elismerve ezzel, hogy tudóstársa valami sarkalatos felismerésre jutott a világról, másfelől amikor csak tehette, zsörtölődött: így semmit sem lehet megérteni.

A koppenhágai csapat ifjú titánjai elképedtek: épp Einstein? Az ő szellemi atyjuk, az, akinek volt bátorsága elgondolni a lehetetlent, egyszerre visszavonulót fúj, megijed ettől az újabb nagy ugrástól az ismeretlen felé, holott az éppen vele kezdődött? Épp Einstein – aki azt tanította nekünk, hogy az idő nem egyetemes s a tér görbül –, csakugyan ő állítaná most, hogy a világ nem lehet ennyire különös?

Niels Bohr türelmesen elmagyarázta Einsteinnek az új gondolatokat. Einstein ellenvetéseket tett. Gondolatkísérleteket eszelt ki, hogy bebizonyítsa: az új elképzelések ellentmondásosak. „Képzeljünk el egy fénnyel teli dobozt – kezdődött egyik híres példája, a fénydoboz gondolatkísérlet –, s abból engedjünk egy rövid pillanatra kiszökni egy fotont.” Bohrnak végül is mindig sikerült válaszolnia és leszerelnie Einstein ellenvetéseit. A párbeszéd éveken át folytatódott a két nagy elme között – tudományos tanácskozásokon, levelekben, cikkekben… A hosszas vitában hol egyiküknek kellett változtatnia a véleményén, hol a másiknak. Einsteinnek el kellett ismernie, hogy valóban nincs ellentmondás az új elképzelésekben, Bohr pedig kénytelen volt belátni, hogy a dolgok egyáltalán nem olyan egyszerűek és könnyen érthetők, mint kezdetben gondolta. Einstein azonban nem akart engedni abban a neki kulcsfontosságú kérdésben, hogy igenis létezik objektív valóság, s az független attól, ki kire hat. Bohr meg nem akart feladni semmit a gyökeresen új szemléletmód érvényességéből, abból, ahogyan az fogalmat alkotott a valóságról. Einstein végül elfogadta, hogy az új elmélet óriási előrelépés a világ megértésében, de nem tágított attól, hogy a dolgok nem lehetnek ennyire különösek – és hogy „visszamenőleg” kell egy érthetőbb magyarázat.

Egy évszázad telt el azóta, és a helyzet változatlan: a kvantummechanika egyenleteit és a belőlük levont következtetéseket fizikusok, mérnökök, vegyészek és biológusok nap mint nap használják a legkülönfélébb területeken. Mindenütt roppant hasznosak a modern technikában; tranzisztorok sem léteznének kvantummechanika nélkül. Mindamellett ezek az egyenletek továbbra is rejtélyesek: nem azt mondják el, hogy mi történik egy fizikai rendszerrel, csak azt, hogy egy fizikai rendszer miképpen észlel egy másikat. Mi következik vajon ebből? Az, hogy egy fizikai rendszer lényege leírhatatlan? Vagy csak azt, hogy még hiányzik a történet egy részlete? Netán azt – s nekem is így tűnik –, hogy bele kell törődnünk: a valóság csupán kölcsönhatás?

Tudásunk gyarapodik, ehhez nem fér kétség. Korábban még álmunkban sem sejtett dolgokat tesz lehetővé. De ezzel a gyarapodással újabb és újabb kérdésekre kell választ találnunk. Új titkokat kell megfejteni. Aki az elmélet egyenleteit laboratóriumi körülmények között alkalmazza, az sokszor nem is bíbelődik ezzel, de fizikusok és filozófusok tanulmányokban és konferenciákon továbbra is firtatják ezeket a kérdéseket, az utóbbi években egyre többet. Mi a kvantumelmélet ma, születése után egy évszázaddal? Nem mindennapi fejesugrás a valóság természetének mélyére? Vagy csak tévedés volna, egy ki tudja, miért mégiscsak működő tévedés? Esetleg egy kirakós játék még nem teljes darabja? Avagy csak jeladás a világ szerkezetének valami mély, de még meg nem emésztett összefüggéséről?

Amikor Einstein meghalt, legfőbb vitapartnere, Bohr a megrendült csodálat hangján beszél róla. Azután néhány évvel később meghal Bohr is, és a dolgozószobájáról valaki fényképet készít: a falon egy tábla látszik, s azon egy rajz Einstein gondolatkísérletének „fénnyel teli dobozát” ábrázolja. A legvégsőkig munkált benne az akarat: összemérni magát vele és minél többet megérteni. A legvégsőkig: a kételyig.

www.parkkiado.hu
www.facebook.com/parkkiado

Újdonságaink, eseményeink, valamint kedvezményes
ajánlataink megtalálhatók megújult webáruházunkban
www.booklove.hu

Forgalmazza
eKönyv Magyarország Kft.
www.ekonyv.hu
Elektronikus könyv Nagy Lajos

Felhasznált betűtípus
Noto Serif – SIL Open Font License