Jim Al-Khalili

A fizika evangéliuma

részlet

A fordítás az alábbi kiadás alapján készült:
Jim Al-Khalili: The World According to Physics
Published by Princeton University Press, Princeton

All rights reserved.

No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, mechanical, including photocopying, recording or by any information storage and retrieval system, without permission in writing from the Publisher.

Copyright © 2020 by Jim Al-Khalili
Hungarian translation © 2022 Kepes János
Magyar kiadás © 2022 Libri Könyvkiadó, Budapest
Borítóterv © Chris Ferrante

ISBN 978 963 604 090 1

Felelős kiadó Gyuricza Eszter
Szerkesztette Gerner József
Szaklektor Dr. Szabados László
A szöveget gondozta Tóth Andrea
A borítót az eredeti felhasználásával készítette Váraljai Viktória
Műszaki szerkesztő Széplaki Gyöngyi

Elektronikus változat
eKönyv Magyarország Kft.
www.ekonyv.hu
Készítette Ambrose Montanus

Tartalom

Előszó

1. A megértés tisztelete

2. Skálák

3. Tér és idő

4. Energia és anyag

5. A kvantumvilág

6. A termodinamika, és az idő iránya

7. Az egyesítés

8. A fizika jövője

9. A fizika haszna

10. Fizikusi gondolkodás a tisztességről és kételkedésről

Köszönetnyilvánítás

További olvasmányok

Név- és tárgymutató

Jegyzetek

Előszó

Ez a könyv óda a fizikához.

Kamaszkoromban szerettem bele a fizikába. Bevallom, ennek részben az volt az oka, hogy jól ment nekem. A rejtvényfejtés és a józan gondolkodás szórakoztató keverékének láttam, élveztem, hogy miközben az egyenletekkel játszadozom, algebrai jelekkel babrálok, majd számokkal helyettesítem azokat, a természet titkai tárulnak fel előttem. De közben arra is rájöttem, hogy ha kielégítő válaszokat szeretnék kapni a világegyetem természetét és a lét értelmét firtató kérdésekre, amelyek felötlöttek tinédzser agyamban, akkor fizikát kell tanulnom. Kíváncsi voltam, hogy miből vagyunk, honnan jövünk, van-e kezdete és vége a világegyetemnek? Véges kiterjedésű-e, vagy a végtelenbe nyúlik? Mi az a kvantumfizika, amelyről apám beszélt nekem? Milyen az idő természete? Kíváncsiságomtól hajtva egész életemet a fizika tanulásának szenteltem. Némelyik kérdésemre választ kaptam, másokra kevésbé – de még mindig keresem.

Van, aki a valláshoz, esetleg másfajta ideológiához vagy hiedelemrendszerhez fordul, hogy megoldást találjon az élet titkaira. Számomra azonban semmi nem ér fel azzal, ha alapos hipotéziseket állítunk fel, ellenőrizzük azokat, és a világra vonatkozó tényeket vezetünk le belőlük – ami a tudományos módszer ismertetőjegye. Mindaz, amit a tudomány – benne a fizika – segítségével megtudhatunk a világ felépítéséről és működéséről, az én felfogásom szerint nem az „igazság” megismerésének egyik lehetséges útja, hanem az egyetlen megbízható módszer, amely rendelkezésünkre áll.

Kétségtelen, hogy sok ember soha nem szeret bele a fizikába, ellentétben azzal, ahogyan velem történt. Talán saját elhatározásból fordultak el a tudománytól, talán másoktól hallották, hogy a tudomány nehéz – csak a güzüknek való. Annyi biztos, hogy nem kevés fejfájást okozhat, amíg az ember végül felfogja a kvantummechanika finomságait. Pedig a világegyetem csodáit mindenki élvezheti – élveznie is kell –, és az alapismeretek elsajátításához nem szükséges egy életen át tanulnunk. Ebben a könyvben azt igyekszem bemutatni, mitől csodálatos a fizika, miért olyan alapvető tudomány, és miért annyira fontos a világ megértéséhez. A mai fizika áttekintése és hatóköre egészen lélegzetelállító. Ma már (szinte) mindenről, amit a világon magunk körül látunk, tudjuk, hogy miből van, és mi tartja össze, az univerzum fejlődését a téridő kialakulását követő töredékmásodpercig vissza tudjuk követni, a fizikai természettörvények ismerete alapján pedig olyan technológiákat fejlesztettünk és fejlesztünk ki továbbra is, amelyek teljes egészében átformálták az életünket – mindez valóban lenyűgöző. Miközben ezt írom, még mindig azon tűnődöm, hogyan lehetséges, hogy valaki ne szeresse a fizikát?

Ez a könyv a fizika legmélyebb és legalapvetőbb gondolatainak egy részével kívánja megismertetni az olvasót. Az általam említett témákkal valószínűleg nem is találkoztunk az iskolában. Lehetséges, hogy néhány olvasónak ez a könyv lesz az első találkozása a fizikával – és talán arra csábítja, hogy igyekezzen még többet megtudni róla, esetleg egész életében kutatással és felfedezéssel foglalkozzon, ahogy velem is történt. Másoknak, akik a kezdet kezdetén rosszul álltak hozzá, azt jelentheti, hogy újból nekifutnak. Bizonyára nagyon sokakat csodálattal tölt el, hogy az emberiség a megismerés vágyától hajtva milyen messzire eljutott.

Használható ismereteket szerettem volna nyújtani arról, amit a fizika képes közölni a világ természetéről, ezért kiválasztottam egy csokorra valót a modern fizika legfontosabb fogalmai közül, és megpróbáltam bemutatni, hogyan függenek össze egymással. Ennek a szellemi tájképnek széles horizontját fogjuk áttekinteni a legtágabb, kozmikus léptékektől a legparányibb kvantumszintig, a természettörvények egyesítésére irányuló törekvésektől az élet működését meghatározó legegyszerűbb fizikai elvekig, vagy az elméleti kutatás spekulatív horizontjaitól a mindennapi tapasztalatok és technikák mélyén rejlő fizikáig. Újfajta szemléletmódot kínálok az olvasónak, olyan gondolatokat, amelyeket mi, fizikusok megtanultunk elfogadni, de a szakértők legszűkebb körén túl másokkal nem sikerült igazán jól megértetnünk. Például szubatomi szinten az egyes részecskék nagy távolságból is azonnali kommunikációra képesek, ami ellentmond a józan észnek. Ez a nemlokalitás nevű tulajdonság arra kényszeríthet minket, hogy végső soron a tér egész szerkezetére vonatkozó tudásunkat átírjuk. Sajnos azonban sok nem fizikus – sőt mi több, egy-két fizikus is – félreérti, vagy félreértelmezi, hogy ez valójában mit is jelent.

A fizika alapfogalmaival foglalkozó tudományos népszerűsítő könyveket gyakran éri olyan kritika (rendszerint az elméleti fizikusok részéről), hogy nem mindig segítik a laikus olvasókat az ilyesfajta gondolatok megértésében. Szerintem ennek az az oka, hogy azok a fizikusok, akik igazán jól értik ezeket a fogalmakat ‒ akik szakcikkeket írnak kutatásaikról és új elméleteket állítanak fel ‒, abban nem feltétlenül a legjobbak, ahogy saját gondolataikat elmagyarázzák a nem fizikusoknak. Másfelől viszont, akik gyakorlottabban és ügyesebben ismertetik meg a nagyközönséget saját munkájukkal, esetleg nem értenek elég jól egyes fogalmakat, hogy túl tudjanak lépni az egyszerű analógiákon. De még annak is, aki érti a fizikát és (remélhetőleg) jól kommunikál a nem fizikusokkal, nem kis nehézséget jelent elmagyarázni mondjuk a mértékinvariancia, dualitás, örökös infláció, holografikus elv, konform térelméletek, anti-de Sitter-terek vagy vákuumenergia fogalmát anélkül, hogy a mögöttük meghúzódó és a teljes megértéshez elengedhetetlen bonyolult matematikai apparátust használná. Minden tőlem telhetőt megtettem, mégis megeshet, hogy egyes olvasók szerint csinálhattam volna jobban is. Ami nyilván így is van.

Persze ha mélyebben el akarunk merülni az általam csak röviden érintett témák bármelyikében, rengeteg kiváló műhöz fordulhatunk. Könyvem végén felsorolok néhány olyan művet, amelyet a legkönnyebben elérhetőnek, ugyanakkor közérthetőnek tartok. A felsoroltak közül többen a tudományos haladás útját írják le – hogyan fejlődött a fizika az ógörögök óta eltelt évezredek alatt, hogyan születtek a felfedezések, elméletek és hipotézisek, és később hogyan avultak el. Sok esetben a világegyetemről szóló addigi felfogásunkat alapjaiban felforgató forradalmakra koncentrálnak, ezek főszereplőiről beszélnek. Ennek a rövid könyvnek a keretében én nem tekintek vissza a megtett hosszú útra, ahogy arra sem vesztegetek sok szót, hogy meddig kell még eljutnunk (miután fogalmam sincs róla, bár gyanítom, hogy nagyon messzire). Mindenesetre a 8. fejezetben arra is kitérek, amiről pontosan tudjuk, hogy nem tudjuk.

Egyetlen konkrét elmélet mellett sem fogok kiállni. Például amikor a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet összeegyeztetéséről (a modern elméleti fizika Szent Gráljáról) lesz szó, az ezen fáradozó táborok egyike mellett sem teszem le a garast: nem vagyok sem a húrelmélet, sem a hurok-kvantumgravitáció követője,1 miután egyik sem szakterületem. Ami pedig a kvantummechanika értelmezését illeti, nem vagyok sem „koppenhágai”, sem a „sokvilág-interpretáció” híve.2 Ez azonban nem akadályoz meg abban, hogy egyik-másik kérdés kapcsán időnként vitába bocsátkozzam.

Igyekszem nem túlságosan elveszni a filozófiai és metafizikai eszmefuttatásokban, pedig erre nagy a kísértés, amikor az ember a fizika homlokterében álló mély gondolatokat érinti, legyen szó a tér és idő természetéről, a kvantummechanika különféle értelmezéseiről vagy magának a valóságnak a jelentéséről. Nem gondolom, persze, hogy a fizikához ne lenne szükség filozófiára. Hogy némi képet kaphassunk arról, mennyire elemi szinten érinti a filozófia az én tárgyamat, hozok egy példát: az olvasó talán meglepetéssel hallja, hogy a fizikusok még a fizika alapvető feladatának meghatározásában sem értenek egyet. Azt kell-e leírniuk, hogy milyen a világ valójában, mint Einstein gondolta – azaz rátalálni a végső igazságra, amely ott van valahol, csak felfedezésre vár –, vagy elég modelleket alkotni a világról, és a soha meg nem ismerhető valóságról megállapítani a lehető legtöbbet, amit egyáltalán tudni lehet. Ebben a kérdésben én Einstein pártján állok.

Egy szó, mint száz, én azt állítom, a fizika eszközöket ad a kezünkbe az egész világegyetem megértéséhez. A fizikai kutatás abban áll, hogy magyarázatokat keresünk, de csak akkor tudunk belevágni, ha előbb feltettük a megfelelő kérdéseket. Ebben pedig a filozófusok jók igazán.

Így tehát a nem tudás alázatával vágunk neki ennek az útnak, amelyben, az igazat megvallva, osztozunk minden gyermekkel és felnőttel, a múlt és a jövő nemzedékeivel is. Ha elgondolkodunk azon, mit nem tudunk még, talán rájövünk, hogyan tudhatnánk meg. Mert a történelem folyamán feltett sok-sok kérdésnek köszönhetően kaptunk egyre pontosabb képet az általunk ismert és szeretett világról.

Íme a fizika evangéliuma.

1. fejezet

A megértés tisztelete

Noha a történetek mindig is az emberi kultúra elválaszthatatlan részét képezték, számos ősi mítosz és a hozzájuk kapcsolódó babonás hiedelmek helyét mára a modern tudomány vette át. A teremtésmítoszok kiváló példával szolgálnak arra, ahogy a világ megértésére irányuló törekvésünk során egyre inkább megszabadultunk a misztikumtól. Az emberiség a történelem hajnalától számtalan történetet alkotott a világ keletkezéséről és a megteremtésében szerepet játszó istenségekről, kezdve Anun, a sumér Ég Urán, a Káoszból teremtett Gaia görög mítoszain át egészen az ábrahámi vallások Genezis-mítoszáig, amelyet számos társadalomban ma is szó szerint igaznak tekintenek. Sok nem tudós szemében az univerzum keletkezésének modern kozmológiai elméletei sem jobbak az általuk kiszorított vallási mitológiáknál – és ha a mai elméleti fizika néhány különösen spekulatív fogalmára gondolunk, talán valamennyire igazuk is lehet. Ám annyit meggyőződéssel kijelenthetünk, hogy racionális elemzések és gondos megfigyelések révén – tudományos bizonyítékok ellenőrzésének és felhalmozásának fáradságos eljárásával bizonyos történetek és magyarázatok kritikátlan elfogadása helyett – mára meglehetősen sokat megtudtunk a világegyetemről. Azt is biztonsággal kimondhatjuk, hogy a fennmaradó rejtélyek sem természetfeletti erőknek tulajdoníthatók. Csak egyelőre még nem ismert jelenségekről van szó, amelyeket remélhetőleg az értelem, a racionális vizsgálat és igen, a fizika segítségével valamikor teljesen meg fogunk érteni.

Sokak állításával ellentétben a tudományos módszer nem pusztán az egyik lehetséges világszemlélet, sem pedig újabb ideológia vagy hiedelemrendszer. Próbálkozások, kísérletek és megfigyelések révén igyekszünk megismerni a természetet, készek vagyunk a hibásnak vagy tökéletlennek bizonyuló gondolatokat jobbakra cserélni, mintázatokat keresni a természetben, és meglátni a szépséget a leírásukra szolgáló matematikai egyenletekben. Miközben mélyebb ismeretekre teszünk szert, egyre közelebb kerülünk az „igazsághoz”, a világ valódi természetének megértéséhez.

Tagadhatatlan, hogy a tudósoknak ugyanúgy megvannak a maguk álmai és előítéletei, mint bárki másnak, időnként talán még ők is nem teljesen objektív nézeteket vallanak. Amit a tudósok egyik csoportja „konszenzusnak” nevez, abban a többiek „dogmát” látnak. Az egyik generáció esetleg kétségbevonhatatlan ténynek tartja azt, amiről a következő kimutatja, hogy csupán naiv félreértés volt. Akárcsak a vallásban, a politikában vagy a sportban, a tudományban is mindig voltak viták. Sokszor fennáll a veszélye, hogy amíg egy tudományos kérdés nem dőlt el – legalábbis észszerű kétségek merülnek fel vele kapcsolatban –, az ellentétes álláspontok dogmává merevednek. Miközben mindkét felfogás lehet árnyalt és összetett, képviselőik néha annyira rendíthetetlenek, mintha ideológiai vitát folytatnának. Sok esetben, akárcsak a politikai, kulturális, faji és nemi kérdésekre vonatkozó közfelfogásban, csak a következő generáció képes megszabadulni a múlt béklyóitól és előrelépni a vitában.

A tudomány azonban egy nagyon fontos tekintetben különbözik minden más területtől. Elég egyetlen alapos megfigyelés vagy kísérleti eredmény, máris meginog egy széles körben elfogadott tudományos nézet vagy régóta elfogadott elmélet, és a régit új világszemlélet váltja fel. Ez azt jelenti, hogy az elméletek és a természeti jelenségek magyarázatai közül azokban bízunk meg leginkább, amelyek kiállják az idő próbáját. A Föld kering a Nap körül, nem pedig megfordítva, az univerzum nem statikus, hanem tágul, vákuumban a fény sebessége mindig állandó, függetlenül a mérést végzők sebességétől és így tovább. Amikor lényeges, új tudományos felfedezés történik, amely egész világképünket megváltoztatja, nem minden tudós fogadja el azonnal, ez azonban már az ő problémájuk: a tudományos haladás feltartóztathatatlan, ami mellesleg mindig jó dolog, mert a tudás, a megismerés mindig jobb a tudatlanságnál. Kezdetben nem tudjuk, de igyekszünk megtudni, és bár közben vitatkozunk, ha egyszer rájöttünk valamire, arról többé nem feledkezhetünk meg. A „tudatlanság áldás” – ez az elképzelés a tudományos megismerés tekintetében színtiszta ostobaság. Ahogy Douglas Adams mondta: „A megértés tiszteletét bármikor a közöny tisztelete fölé helyezném.”3

Jegyzetek

1 Később persze elmagyarázom ezeket a gondolatokat.

2 Ezekre is kitérek majd.

3 Douglas Adams: A kétség lazaca – Egy utolsó stoppolás a galaxisban, Gabo Könyvkiadó, Budapest, 2017, fordította: Gedeon Béla.

Forgalmazza:
eKönyv Magyarország Kft.
www.ekonyv.hu

Felhasznált betűtípusok
Jost – SIL Open Font License
Noto Serif – Apache License 2.0
Poiret One – SIL Open Font License