Az előző részben ismerhettük meg az elektromos és mágneses mezők fogalmát, itt most az elektromágnesesség törvényeinek korszakformáló jelentőségét emeljük ki.

A Maxwell-egyenletek és jelentőségük

Az elektrodinamika törvényeit foglalja össze a skóciai James Clerk Maxwell (1831-1879) négy egyenlete, amit a tudós 1864-ben tett közzé. Az elektromágnesség Maxwell egyenletekben kicsúcsosodó elmélete talán a klasszikus fizika legszebb eredménye. Ennek fontosságát aligha fogalmazta meg bárki szebben, mint Richard Feynman Nobel-díjas amerikai tudós:

„A fizika fejlődésének legdrámaibb fordulatai azok, amikor a nagy szintézisek végbemennek, amikor különbözőknek látszó jelenségekről hirtelen kiderül, hogy voltaképpen egyazon folyamat különböző megnyilvánulásai. A fizikai tudomány sikerének alapja az, hogy képesek vagyunk ilyen szintézisekre.

A fizika XIX. századi fejlődésének talán legdöntőbb pillanata az volt, amikor 1860-ban egy szép napon J. C. Maxwell az elektromosság és a mágnesség törvényeit összekapcsolta a fény viselkedésének törvényeivel. Ennek eredményeképpen sikerült részben megmagyarázni a fény tulajdonságait . . . a fényét, amely ősidők óta finom, rejtélyes szubsztancia volt, olyan fontos, hogy a világ teremtéséről szóló fejezetben a bibliaírók külön aktusként írták meg a fény teremtését.”

Mózes teremtéstörténete

De ha már Feynman szót ejtett a Bibliáról, illusztráljuk ezt Mózes első könyvének néhány sorával, amit a teremtés első napjáról mondott:

„1. Kezdetben teremté Isten az eget és a földet.

2. A föld pedig kietlen és puszta vala, és setétség vala a mélység színén, és az Isten Lelke lebeg vala a vizek felett.

3. És monda Isten: Legyen világosság: és lőn világosság.

4. És látá Isten, hogy jó a világosság; és elválasztá Isten a világosságot a setétségtől.

5. És nevezé Isten a világosságot nappalnak, és a setétséget nevezé éjszakának: és lőn este és lőn reggel, első nap.”

Folytassuk az idézetet a negyedik nappal:

„14. És monda Isten: Legyenek világító testek az ég mennyezetén, hogy elválasszák a nappalt az éjszakától, és legyenek jelek, és meghatározói ünnepeknek, napoknak és esztendőknek.

15. És legyenek világítókul az ég mennyezetén hogy világítsanak a földre. És úgy lőn.

16. Teremté tehát Isten a két nagy világító testet, a nagyobbik világító testet, hogy uralkodjék nappal és a kisebbik világítótestet, hogy uralkodjék éjjel; és a csillagokat.

17. És helyezteté Isten azokat az ég mennyezetére, hogy világítsanak a földre;

18. És hogy uralkodjanak a nappalon és az éjszakán, és elválasszák a világosságot a setétségtől. És látá Isten, hogy jó.”

Az idézett sorok összecsengenek az ősrobbanás elméletével, amit a Qubiten „A sötét anyag és sötét energia nyomában” című írásban ismertettünk. Az elmélet szerint előbb következett be az univerzum „sötét” korszakának felváltása a fénnyel átvilágított világgal, mint amikor létrejöttek a csillagok és galaxisok, ahogy az Mózes könyvében meg van írva.

Jövőbe mutató elmélet

Az elmélet nem csak betetőzte a korábbi korok kutatását, hanem előre is vetítette a tudomány jövőbeli útját. Egyfelől a Maxwell-egyenletek már magukban hordozták a speciális relativitás alapelvét, amit Lorentz ismert fel, amikor levezette ebből a téridő transzformációs törvényeit. Másfelől a hullámegyenletek révén előkészítője volt a 20. századi fizika másik forradalmi felismerésének is, amely végül elvezetett a hullámmechanikának is nevezett kvantummechanikához.

Ne feledkezzünk meg azonban a nagy elődökről sem, mert az igazsághoz hozzátartozik, hogy Maxwell sem előzmények nélkül alkotta meg a klasszikus elektrodinamika máig érvényes elméletét. Munkásságát a kísérletek és az elméleti felismerések hosszú útja előzte meg, melyek sorából érdemes kiemelni Gauss, Ampère és Faraday eredményeit. Erről is szó lesz a következő részben.

Fizikai elvek a matematikai formulák mögött

Az előző idézetben már utaltunk Feynman előadásaira alapozott könyvre (R. P. Feynman, R.P. Leighton, M. Sands: „Mai Fizika”, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1970). amely példa arra, hogyan lehet a modern fizika legfőbb törvényszerűségeit precízen és élvezhetően ismertetni. Különösen szemléletes a matematikai formalizmus fizikai tartalmának érzékeltetése a választott példák sorozatán keresztül, és a fizikai gondolkozás megértéséhez nagy segítséget jelent olyan fejezetek beiktatása, mint például a legkisebb hatás elvének bemutatása, vagy ahogyan a könyv utal a tudomány és fantázia kapcsolatára.

A modern fizika széles körben elterjedt szemlélete követi Feynman felfogását a fizikai modellek és a matematikai egyenletek viszonyáról. Ennek illusztrálására idézzünk ismét néhány mondatot a könyvből:

„Ma már világosabban értjük, hogy az egyenletek a fontosak, és nem az a modell, aminek révén eljuthatunk az egyenletekhez. Pusztán az a kérdés, vajon az egyenletek helytállóak-e vagy hamisak? A választ csakis a kísérletek adhatják meg, márpedig a Maxwell-egyenletek helyességét megszámlálhatatlan kísérleti bizonyíték támasztja alá. Ha nem tekintjük az elmélet felépítéséhez használt »állványzatot«, megjelenik előttünk a Maxwell-egyenletek gyönyörű »épülete«.”

Itt mégis érdemes utalni egy másfajta szemléletre is, mert igaz ugyan, hogy Maxwell elképzelése az elektromágnesességet közvetítő médiumról ma már túlhaladott, de ebből még nem következik, hogy az alkalmazott fizikai modell kevésbé lenne fontos, mint a matematikai egyenletek. Helyesebbnek érzem ezért úgy fogalmazni, hogy a matematikai egyenletek képezik azt a szilárd gerendázatot, ami biztosítja a fizika épületének szilárdságát, stabilitását, de a lényeges mégis a teljes épület, amely megtestesíti fizikai világképünket.

Civilizációnk alapja az elektromágnesesség

Emeljük ki még egyszer, hogy Maxwell egyenletei a klasszikus fizika csúcspontját alkotják, példázva a fizikai elméletek egyesítésének egyik mérföldkövét, ami által sikerült a tünékeny és megfoghatatlan fény természetét összekapcsolni az elektromágnesesség jelenségeivel. Ezt tetőzte be a 20. század hajnalán Planck nagyszerű felismerése, hogy a fénynek is van legkisebb egysége, a fotonnak elnevezett kvantum, amely megalapozta a modern fizika felfogását a mikrovilág törvényeiről.

A civilizáció, a kultúra, különböző korszakait valamilyen anyag széleskörű használatához lehet kötni, feloszthatjuk az ókort rézkorra, bronzkorra és vaskorra; a későbbi kultúrákat pedig tekinthetjük akár a szén vagy a szénhidrogének korszakának is. De ha mai civilizációnkat akarjuk valamilyen anyagról elnevezni, talán legtalálóbb lenne, ha az elektron korszakának hívnánk. Az elektromágnesesség elmélete adta meg az alapot az elektromos gépek és eszközök, a világítástechnika, a hírközlés, a közlekedés fejlődésének, a számítástechnika kialakulásának és még hosszan sorolhatnánk a különböző területeket, ahol az elektromágneses jelenségek felhasználása gyökeresen megváltoztatta életünk minőségét. Ezért nem túlzás kijelenteni, hogy egész civilizációnk sorsfordító pillanata volt Maxwell felfedezése.

Az elektromágnesesség jelenségével foglalkozó sorozat következő, befejező részében szemléletesen bemutatjuk a Maxwell egyenletek fizikai tartalmát, anélkül, hogy az olvasótól megkívánnánk a differenciálgeometria alapjainak ismeretét.

A szerző fizikus, a BME és az ELTE címzetes egyetemi tanára.