Tér és idő, virtuális részecskék és az univerzum rejtélyei: erről szól a modern fizika

Fizika: a világ kulturális öröksége

Az emberi kíváncsiság az őt körülvevő világ megismerésére mindig több volt, mint amit a létfenntartás megkívánt. Már a legősibb civilizációk érdeklődését felkeltette az ég csodálatos világa, és annak rejtélyeit kutatva próbálta megérteni saját sorsát, saját természetét. Ez a kíváncsiság hajtotta előre civilizáció későbbi korszakait is, amíg eljutottunk az Újkor hajnaláig. Ekkor váltak szét a megismerés különböző útjai, vált le a világot egységében kutató filozófiáról a mai értelemben vett tudományok hosszú sora, és ennek első lépése volt a fizika és a csillagászat. A fizikától hamarosan elkülönült a kémia, egyre nagyobb érdeklődést váltott ki az élővilág törvényeinek megismerése, majd az ember és az általa alkotott társadalom világa. De itt és most maradjunk a fizika világánál!

Grafika: Tóth Róbert Jónás


Hány nagy tudós élete munkája hozta létre a fizika világát?  Voltak köztük nagyszerű tudósok, akik egy-egy zseniális gondolattal gazdagították a fizikát, mások kitartó munkával évtizedekig építették tovább. Végül is létrejött ez a csodálatos alkotás, a világ kulturális öröksége, a fizika tudománya! A kései kor szerény fizikusa örülhet, ha akárcsak egy parányit hozzáadhat ehhez az alkotáshoz. De nem csak erre van szükség, ezt az alkotást gondozni kell. Meg kell tisztítani olykor a rárakódott portól, el kell távolítani a rárakódott szennyet, üledéket is. Ráépülhettek oda nem illő vadhajtások is, és egy-egy elemére ráfér a csere. De akárhogy is nyúlunk hozzá, az egész alkotás szelleme meg kell, hogy maradjon. Ezek a gondolatok vezetnek engem is, amikor hozzákezdek „Kalandozások a fizikában” rovat megírásához.  Bevezetőként felsorolok néhány témakört, amelyről írni fogok.

A tér és idő a fizikában

A fizika megpróbálja rendbe rakni fogalmainkat térről és időről, és megfogalmazni a legfőbb rendezési elveket. Vajon a tér csupán egy tartály, amiben elhelyezkednek az anyag és annak legkisebb elemei, az atomok és elemi részecskék, vagy lényegesen több annál? Fölvetődik a kérdés, hogy mi a tér és idő viszonya, melyek között egységet, összhangot teremt a relativitáselmélet a téridő fogalmával. Vajon az idő is csak egy rendezési elv, amivel ok-okozati kapcsolatot találunk az események között? Én az egységes fizikai világban hiszek, melyben nincs tér és idő az anyagi világ nélkül, de az anyagi világ eredete is a tér és idő kapcsolatából épül fel. Kiindulópontom, hogy világunk csak úgy létezhet, ha „ideje van” a megfontolt válaszokra. Amikor valami „itt” megváltozik, az hat az „ottra” is, de nem azonnal, hanem késleltetve. Minden hatáshoz idő kell, mert különben az oda-vissza hatások végtelen halmozódása pusztító robbanásra vezetne. Így eljutunk a relativitáselmélet kiindulópontjához, amely a hatások – köztük a fénysebesség – véges sebességéhez vezet. Ez már kiemeli az idő fontosságát, mert ezáltal a „távolságok” is az idővel fejezhetők ki. De a távolságokat is rendezni kell, ezt fejezi ki a tér három dimenziója. Ez a három dimenzió kétféle módon kapcsolódik össze, az egyik a jobb kéz, a másik a bal kéz szimmetriáját követi. Ez a kettősség jelenik meg a kétféle anyagban is, az anyag és antianyag kettős világában, egyes írásokban ennek magyarázatára is sor kerül.

Megérthető-e a kvantummechanika?

Fontosnak tarom lehámozni a kvantummechanikáról a misztikus körítést, ami úgy állítja be az elméletet, hogy az a józan ész számára érthetetlen, csak alkalmazni tudjuk a formalizmust, hozzászokhatunk különös szabályaihoz, de igazán befogadni gondolatvilágunkba szinte lehetetlen. Meggyőződésem, hogy ha nyitottak vagyunk, amikor a mikrovilág titkait kutatjuk, eljuthatunk azokhoz az elvekhez akár saját magunktól is, ami elvezet minket ebbe a világba. Ez nem lesz könnyű út, de a fáradtságos erőfeszítéseinket jutalmazni fogja a megértés öröme.

A gravitációs térelmélet és mezőelméletek születése

A huszadik század hajnalán született meg a modern fizika, melynek egyik ágát Einstein fogalmazta meg a speciális és az általános relativitáselmélet által. Ez a térelmélet, amelyben a gravitációs erő mint a tér szerkezetének torzulása jelenik meg. A másik a kvantumelmélet, amely eredetileg az atomokban az elektronok mozgását, energiáját határozta meg elektromágneses mezőben. A kvantumelméletnek két szintje van, az egyik önmagában keresi az elektronok energiáját, a másik, magasabb szint a mezőelmélet, amely egységben tárgyalja az elektronok és fotonok rendszerét, mindkettőhöz oszcillátorokat rendel, és ezeknek az oszcillátoroknak állandó képződése és eltűnése írja le a jelenségeket. Itt hangsúlyozni kell a mező fogalmát, mert sajnos gyakran elektromos és mágneses tereket emlegetünk a mező helyett, és ez könnyen félreviszi gondolkozásunkat. A tér ugyanis az elsődleges fogalom, a mező csupán a téren belül írja le a kölcsönhatási erőket. Ezt fejezi ki az általános relativitáselmélet is, amikor a fény útját is a tér görbületeihez igazítja.

A kvantumok mezőelmélete jelentős sikert ért el, amikor az elektrodinamikából kiindulva eljutottak az elemi részecskéket átalakító gyenge és azokat egymásba forrasztó erős kölcsönhatásra is. Kudarcot vallott azonban az a közel százéves erőfeszítés, hogy a gravitációt is besorolja a három másik mezőelmélet közé. Mi ennek a kudarcnak az oka? Ennek okát abban látom, hogy a térelméletet általánosabb alapvetéseit nem lehet leváltani a mezőelméletek másodlagos szemléletmódjával.

Virtuális részecskék és kirándulás a háromdimenziós téren túlra

A mezőelméletek kulcsfogalma a virtuális részecskék (oszcillátorok) feltételezése. A virtualitás a megfigyelések értelmezésében a direkt és indirekt szintjének szétválasztását jelenti. Ha tényleges változást, vagy egy részecskét figyelünk meg, akkor valódi elektronokról vagy fotonokról beszélünk, viszont vannak olyan részecskék és fotonok, amelyeket közvetlenül nem láthatunk, de képződésük és eltűnésük alkotja az elektromágneses mezőt. Már maga az oszcillátor fogalma is virtuális, mert az oszcilláció rezgési állapot, de ez a kísérlet során nem figyelhető meg, viszont jó alapot ad az elmélet felépítésére. A kvantum-elektrodinamika nem beszél arról, hogy mi az, ami oszcillál. Ennél továbbmegy a húr- és szuperhúrelmélet és annak nagyszámú változata, amikor az oszcillációt kihelyezi a szokásos három dimenzión kívülre, további térdimenziók feltételezésével.

Lehetséges-e megérteni a mikrofizikát a szokásos fogalmaink keretei között?

Vessük fel a kérdést: vajon a mikrovilág objektumainak létrejötte felfogható-e  a szokásos háromdimenziós tér önmozgásaként?  Végigjárható-e a fizika sokszor nehezen érthető világa úgy is, hogy minden jelenséget visszavezetünk a megszokott téridőre? Miért ne beszélhetnénk forgásokról az oszcillációk helyett? Hiszen ha egy forgást „oldalról” nézünk, azaz csak egy dimenziót látunk, akkor egy rezgést (oszcillációt) figyelhetünk meg. A fizikai objektumok forgása azonban mindig impulzusmomentum létrejöttével jár együtt. Vajon igaz lehet ez a fotonoknál, melyeknek nincs nyugalmi tömege, vagy az elektronoknál, amelyeket kiterjedés nélküli objektumnak fog fel a fizika?  Miért épül fel az anyagi világ részecskékből és antirészecskékből, és minek köszönhetjük az anyag dominanciáját az antianyaggal szemben?  Hogyan értelmezzük a tömeg, az elektromos töltés eredetét, kiterjeszthetjük-e a gravitációt a mikrovilágra is? Értelmezhetjük-e szintén a tér önforgásaival a mikrovilág objektumait átalakító gyenge kölcsönhatást és az elemi részecskéket összetapasztó erős kölcsönhatást is?

Valószínűség és determinizmus a mikrovilágban

A kvantummechanika már születésekor felvetett fontos ismeretelméleti problémákat; az indítást Einstein, Podolski és Rosen nevezetes írása adta meg, amit ma az EPR-paradoxonnak nevezünk. Vajon végképp meg kell szabadulnunk a determinizmus fogalmától a mikrofizikában, ott valóban a valószínűség az úr? Ennek megértéséhez újra végig kell gondolni fogalmainkat: vajon alkalmasak-e a hétköznapi ismereteinkre alapozott fogalmak akkor is, amikor a közvetlenül nem látható atomok és elemi részecskék kölcsönhatásait akarjuk megérteni? Ilyen és ehhez hasonló kérdésekre is sor kerül a rovat írásaiban.  

Az univerzum rejtélyei

De nem csak a mikrovilág megismerése vett fel kéréseket, hanem foglalkoztat minket egész univerzumunk keletkezése és fejlődése is. Sötét anyag, sötét energia, fekete lyukak és sorolhatnánk. Vajon egyáltalán van-e esélyük, hogy eljussunk a távoli csillagok világába, vagy fordítva, várhatjuk-e idegen civilizációk üzenetét, sőt látogatását a mi Földünkön is? Ezek is olyan kérdések, amire ki fogunk térni a kalandozások során.

Ehhez jó utazást kívánok az olvasóknak.

A szerző a BME és az ELTE címzetes egyetemi tanára. Kötete, A kvantummechanikán innen és túl – a fénysebességű forgás koncepciója november 16-án jelent meg a Scolar Kiadónál.