Dr. Lovas István

Várható fejlődés

a természettudományokban

A feladat, amire vállalkoztam, nem nevezhető egyszerűnek. Meg kellene jósolnom a jövőt. Ebben olyan ősökre tekinthetek vissza, mint a madárjósok, az áldozati állatok beléből jósoló haruspexek és a ma is működő asztrológusok. Vigasztalásomra szolgál, hogy  Johannes Kepler is készített nativitást, mondván, hogy "nem Messiás-e minden újszülött és csak később válik szokott pimasszá". Kepler a horoszkópkészítéssel csak mellékesen foglalkozott "főállásban", a feladata az volt, hogy Tycho de Brache megfigyelési adataiból meghatározza a bolygók pályáinak pontos alakját. Maga is elcsodálkozott, amikor kiderült, hogy a Mars pályája nem kör, hanem ellipszis. Ha meg akarta jósolni pontosan a Mars helyét valamilyen későbbi időpontban, akkor az ellipszis pályán való elmozdulást kellett kiszámítania. Az előrejelzést a megfigyelés fényesen igazolta. Ebből az következik, hogy szerencsés esetben meg lehet jósolni a jövőt. De azt megjósolni, hogy merre halad a természettudomány a XXI. században, teljességgel lehetetlen. Az előrejelzéshez szükséges bátorságot nagyban csökkentette a determinisztikus káosz jelenségének a felfedezése, ami négy évtizeddel ezelőtt történt. Megállapítást nyert már akkor, hogy egy determinisztikus törvényeknek alávetett rendszer jövőbeli viselkedését hosszú távon csak akkor lehet pontosan megjósolni, ha a rendszer szabadságfokainak a száma vagy háromnál kevesebb, vagy a rendszerben működő kölcsönhatások a változók lineáris függvényei.

Ha az ilyen különlegesen egyszerű iskolapéldáktól eltekintünk, röviden azt mondhatjuk, hogy minden rendszer kaotikus, azaz hosszú távon megjósolhatatlan viselkedésű (feltéve, hogy a leírásban szereplő paraméterek értéke meghalad bizonyos kritikus értéket).

Nemcsak a jövőt nehéz megjósolni, hanem a múltat is. Nézzük hát először a múltat!

A természettudományt durván három ágazatra bontjuk: a fizikára, a kémiára és a biológiára. Ezután három világot definiálunk: az első az emberméretű világ, a második a mikrokozmosz, a harmadik a makrokozmosz.

A XIX. század végéig a természettudományok elsősorban az emberméretű világot kutatták. Ekkor alakultak ki mind a három ágazatnak a klasszikus fejezetei. Ezekbe a fejezetekbe tartoznak azok a jelenségek, amelyeket érzékszerveinkkel közvetlenül meg lehet tapasztalni. A kémia a XIX. században ugyan nagy előrehaladást tett az anyag atomos szerkezetének felderítése területén, de mégiscsak megmaradt "klasszikus" kémiának. Hasonlóképp a biológia is nagy lépést tett a sejtbiológia irányába, de mégiscsak megmaradt "klasszikus" biológiának. A fizikában a mikrokozmosz irányában történt első áttörést Max Planck tette meg 1900-ban. Ez a "modern fizika" születési éve. Ekkor született meg a kvantumfizika. Planck ugyanis felismerte, hogy a fény, azaz az elektromágneses mező energiája kvantált. Ez azt jelenti, hogy a mező nem folytonosan változik, mint a klasszikus fizikában, hanem kvantumosan, azaz diszkrét ugrásokkal. Az E energia értéke vagy 0 hn, vagy 2 hn, vagy 3 hn stb. lehet. Az E energia a legkisebb energiakvantumnak, azaz hn-nek csak egész számú többszöröse lehet (itt n a mező rezgésszáma, h pedig a Planck-féle állandó). Egy negyedszázadnak kellett eltelnie, mire megszülethetett a kvantumfizika elmélete, a kvantummechanika. Ezzel létrejött az az eszköz, amellyel behatolhatunk a mikrokozmoszba. Nem tévedés, a kvantumelmélet az eszköz szerepét játszotta és játssza. Ennek az elméletnek mint eszköznek a segítségével lehet rendszerbe foglalni és megérteni a mikrovilág jelenségeit. Az emberméretű klasszikus fizikában a jelenségeket érzékszerveinkkel megtapasztalhattuk és ehhez a tapasztalathoz kerestünk leírást. Ez volt a klasszikus fizika elmélete: a mechanika, az elektrodinamika, a hőtan stb.

A mikrovilághoz nincs érzékszervünk. A klaszszikus fizikai tapasztalatokon edződött józan eszünk nem ad biztos eligazítást. A megbízható iránytűt a kvantumelmélet adja, amelynek kijelentéseit többnyire közvetett, igen sokszor bonyolult kísérletek igazolják.

A klasszikus fizikában a jelenségeket a közvetlen megfigyelés ragadta meg, és az elmélet csupán a leírást szolgáltatta. A mikrovilág jelenségeit az elmélet jósolja meg, és a kísérlet szerepe az, hogy a jóslatot igazolja vagy megcáfolja. Amennyiben cáfolja, az elmélet módosításra, többnyire kiterjesztésre szorul. Az elmúlt 75 év során senki sem számolt be olyan szavahihető megfigyelésről, amely kétségbe vonta volna a kvantumelmélet megbízhatóságát. Nem tagadva sem Planck óriási teljesítményének értékét, sem a XX. század első negyedében zajló heroikus küzdelem eredményeit, mégis azt kell mondanunk, hogy a kulcsot a mikrokozmoszhoz Werner Heisenberg találta meg, 1925-ben. Ekkor kezdődött el a mikrokozmosz megértése.

Két év múlva, 1927-ben Heitler és London megalkották a hidrogénmolekula kvantumelméletét. Ezzel megszületett a kémiai kötés magyarázata. Ez az év tekinthető a modern kémia születési dátumának. Minthogy azonban a molekulák bonyolult soktestrendszerek, a kvantumelméleti tanulmányozásuk óriási matematikai nehézségekbe ütközik. A legtöbb esetben drasztikus egyszerűsítéseket tartalmazó modellek bevezetésére kényszerülünk. Ezért a kémia "hagyományos" módszerei a legtöbbször eredményesebbnek bizonyultak, mint az "ab initio" kvantumkémiai módszerek. Ez azonban nem kérdőjelezi meg a kvantumelméleti nézőpont relevanciáját.

A biológiában a forradalmi változás dátuma 1953, amikor Crick és Watson felfedezte a dezoxiribonuklein sav (DNS) szerkezetét. Felismerték, hogy a kettős spirált összekötő lépcsőfokok, az A(denin), a C(itozin), a G(uanin) és a T(imin) egy négybetűs ABC betűinek tekinthetők és e betűk sorrendje által meghatározott "szöveg" örökítődik át. A DNS felfedezésével megszületett a molekuláris genetika, ami bámulatos fejlődést ért el az elmúlt fél évszázadban. A figyelem a sejtmagban lejátszódó molekuláris folyamatok felé fordult. A természettudomány mindhárom ágazatában egyre inkább bebizonyosodik az a felfogás, hogy az anyag makroszkopikus, azaz emberméretű skálán megtapasztalható tulajdonságait a mikroszerkezet határozza meg. A mikrovilág megértésének kulcsa a kvantumelmélet. Annak ellenére, hogy az utolsó három évtizedben az anyag önszervező képességének (a mintázatképződésnek) a kutatása jelentős eredményeket ért el, meg kell állapítanunk, hogy a fizikában, a kémiában és a biológiában előforduló stabil szerkezeteket

CSAK A KVANTUMFIZIKA TÖRVÉNYEI ALAPJÁN TUDJUK MEGÉRTENI!

Az anyag építőkövei a fermionnak nevezett részecskék (az elektron, a proton stb.). Ezek diszkrét lehetőségek, azaz kvantált állapotok között választhatnak. Azokat az állapotokat azonban már nem választhatják, amelyeket egy ugyanilyen fermion már elfoglalt. Ez egy alapvető fontosságú törvény: ez a Pauli-féle kizárási elv. (Egy "építőkő" oda nem kerülhet, ahol már van egy!) A fermionokat a bozonok ragasztják össze. Így jön létre a szerkezet, úgy, mint kőműves keze nyomán az épület! A kvarkokból proton és neutron, a protonokból és a neutronokból atommag, az atommagból és az elektronokból atom, az atomokból molekula, a molekulákból óriás molekula (biomolekula) jön létre. Ily módon annyira tökéletes összetett szerkezetek alakulnak ki, hogy az azonos típusú összetett részecskéket egymástól megkülönböztetni lehetetlen. Ez a kvantumfizika által definiált tökéletes szabályosság valahol a DNS szintjén kezd átmenni az emberszabású "lazaságba", de az egypetéjű ikrek néha azt a benyomást keltik, hogy a megkülönböztethetetlenség elve szinte az emberig ér (amit komolyan venni természetesen óriási tévedés lenne).

Ezek előrebocsátása után lássunk a dologhoz. Jósoljuk meg a jövőt!

Véleményem szerint jelentős előrehaladás várható a következő területeken:

1.) A szigorú mikroszerkezetet hordozó objektumok kutatása.

Ezen a területen a célkitűzés ugyan fizikai, kémiai, illetve biológiai szerkezetek megismerésére irányul, de a módszertan, a gondolkodásmód rendkívül hasonlatos. A cél egyre bonyolultabb, de még kezelhető szerkezetek létrehozása, leírása és végül megértése. Ez elkezdődött már a XIX. században, de folytatódni fog a XXI-ben is.

2.) A természettudományokban felhalmozódott matematikai restancia feldolgozása.

A természettudomány fejlődése során elkápráztatóan sok olyan ismeret halmozódott fel, ami matematikai modellek, illetve elméletek egyenleteibe van "befalazva".

Meg vagyunk győződve arról, vagy legalább is azt hisszük, hogy ezek helyesek. Ez a hitünk néhány megoldható iskolapéldából táplálkozik. Most közelgett el annak az ideje, hogy a számítástudomány bámulatosan fejlődő eszköztárát felhasználva ellenőrizzük kedvenc modelljeinket, amelyek a legtöbb esetben eddig kezelhetetlen nem lineáris egyenletek formájában alusszák Csipkerózsika-álmukat.

3.) A természettudományok gyakorlati alkalmazása szintjén, a fizikai anyagtudomány, a kémiai technológia, a biotechnológia szintjén a hasznosíthatóság a főszempont. A tiszta természettudomány a dolgot önmagában vizsgálja, az alkalmazott természettudomány pedig a "számunkra hasznos dolgot". Itt az előrehaladás kulcsa az interdiszciplináris megközelítés. Fontos azonban, hogy ne az egyén legyen interdiszciplináris (fegyelmezetlen) hanem a kutatócsoport legyen képes különböző diszciplinákat összeilleszteni.

Illusztráció céljából egy érdekes eszközt szeretnék bemutatni. Ez a biochip, amelynek segítségével azonosítani lehet egy ismeretlen eredetű biológiai mintát. A módszer hasonlít a kémiában használatos kvalitatív analízishez. A biochip egy apró mélyedésekkel ellátott műanyag lapka, amelynek mélyedéseibe beöntjük az ismert reagenseket. Ezután hozzáadjuk az ismeretlen mintát. Ha a reagensben és az ismeretlen mintában vannak olyan komponensek, amelyek képesek összeilleszkedni, majd kémiai kötést létrehozni, akkor fényfelvillanást tapasztalunk. A kémiai kötés kiépülése során felszabaduló kötési energia ugyanis fény formájában jelenik meg. A fényjel megjelenése bizonyíték arra, hogy a reagensben jelen lévő ismert komponensek képesek reagálni az ismeretlen mintában található komponensekkel.

A módszer érdekessége abban áll, hogy a reagensek olyan készítmények, amelyek ismert élőlény DNS-darabkáit tartalmazzák "feltárt" állapotban, azaz a DNS kettős spirálja fel van hasogatva egyes szálakra. Az ismeretlen mintát ugyanígy preparálják. A benne található kettős spirálokat egyes szálakra hasogatják. Ha a reagensben lévő felhasított szál egy darabja összeillik a meghatározandó mintában jelen lévő felhasított szál megfelelő darabjával, akkor egy sajátos "kémiai reakció" megy végbe: a kettős spirál felépül.

A keletkezett fényjelet detektáljuk, majd ezt elektronikusan feldolgozzuk, számítógépen a szükséges műveleteket elvégezzük, majd az eredményt megjelenítjük vagy adatbankban tároljuk. Ebben benne van a modern természettudomány minden csodája a biológiától, a kémián át a fizikáig. Egyszersmind benne van a modern technika minden vívmánya a genetika eszköztárától, a kémiai technológián át a száloptikáig és a számítástudomány teljes arzenáljáig.

A jelenlegi irányok lineáris extrapolálásával meg lehet kockáztatni azt az állítást, hogy a XXI. században a természettudományok eddigi fejlődése révén előállt ismeretek olyan kombinációi fognak domináns szerepet játszani, mint az imént vázolt biochip, amelyeket egyformán lehet a par excellence biológiai (fizikai, kémiai stb.) kutatások céljára használni, de az olyan gyakorlati célokra is, mint a környezetvédelem, a fogyasztóvédelem, az orvosi diagnosztika stb., stb. Még egyszer hangsúlyozni kell azonban, hogy fatális félreértés azt hinni, hogy az ilyen interdiszciplináris módszerek kifejlesztése és alkalmazása interdiszciplináris kutatókat igényel. A XXI. században a saját szakterületét kiválóan ismerő, elhivatott kutatókra lesz szükség, talán jobban, mint valaha. Ezek száma úgy tűnik azonban, hogy egyelőre világszerte csökken. Ennek oka az, hogy a kényelmet értéknek tekintő társadalom, a tévé által gerjesztett passzivitásban felnövekvő generációk nem kedveznek az aszkétikus életfelfogásnak. Pedig a természettudományokban ma eljutni az aktuális problémák mélységéig, minden eddiginél nagyobb koncentrációt, önfegyelmet, munkabírást és lemondást, röviden aszkétizmust követel. Talán a harmadik világ fiai lesznek majd elsősorban képesek erre.

4.) A természettudományok területén a leggyorsabb fejlődést ígérő tudományterületek valószínűleg a biológia, az informatika és az asztrofizika lesz.

Azt hiszem, nem kell túl nagy bátorság ahhoz, hogy a XXI. század legfontosabb tudományterületének a biológiát gondoljuk. Ezen belül elsősorban a genetikát és ennek orvostudományi alkalmazásait. Hasonlóképpen megjósolhatjuk, hogy az informatika területén belül az egyre intelligensebb rendszereknek, a fizikai "robotoknak" és a szellemi "ügynököknek" a kifejlesztése még beláthatatlan jövő előtt áll.

Megkockáztatom, hogy harmadik területként az asztrofizikát nevezzem meg. Itt ugyanis a XX. század utolsó évtizedében váratlan megfigyelések történtek. A hátralévőkben a figyelmet erre, nevezetesen az Univerzumban fellelhető anyag történetére szeretném koncentrálni.

A közelmúltban kiderült, hogy jelenleg az Univerzum anyagának csak a három százalékát ismerjük. Ez a három százalék a "látható anyag", amit csillagok formájában ősidők óta megfigyelünk. Az Univerzum anyagának egyharmadát a "sötét anyag" teszi ki, amit nem látunk ugyan, de amit gravitációs hatása révén már meg tudunk figyelni. Hogy az a "sötét anyag" miből áll pontosan nem tudjuk, de mibenlétéről már vannak határozott elképzeléseink. Lehet például, hogy ezt a "dark matter"-t zömmel neutronok alkotják. Az anyag fennmaradó kétharmada azonban teljesen titokzatos. Ez a quintessencia vagy "dark energy". Ennek a létét "már" az ógörögök is feltételezték. Ezt a közvetlenül megfigyelhető másik négytől, a földtől, a víztől, a levegőtől és a tűztől megkülönböztethető ötödik anyagnak gondolták.

Mielőtt azonban azt kérdeznénk, hogy mit tudunk erről a quintessenciának nevezett valamiről, azt kell kérdeznünk, hogy minek a kétharmadát alkotja ez-

A válasz, amint már mondottuk: ez az Univerzum összes anyagának a kétharmada. De honnan tudjuk, hogy mennyi az Univerzum háromharmada- Ez a kérdés alapvető fontosságú. Különösen, ha belegondolunk, hogy az anyag túlnyomó része nem is látható. Ahhoz, hogy ezt az érdekes problémát megvilágíthassam, kénytelen vagyok egy kis kitérőt tenni, és a táguló Univerzum modelljére vonatkozó legfontosabb ismereteket összefoglalni. Ezt a modellt Friedmann alapozta meg 1922-ben, amikor is megoldotta az Einstein-féle általános relativitáselmélet alapegyenleteit, feltételezve, hogy a világot homogén és izotrop anyag tölti ki. Arra a meglepő eredményre jutott, hogy ha tetszőleges két pont távolsága valamely t0 időpontban r0, akkor egy későbbi t időpontban rt lesz, ami nagyobb: rt > r0. Meghatározta a távolság időbeli változásának ütemét, azaz az rt = R(t) x r0 függvénykapcsolatot. Arra a következtetésre jutott, hogy

Ha az anyag E energiasűrűsége egy Ekr kritikus értéket vesz fel, azaz E = Ekr, akkor a tér görbülete zérus: K = 0, azaz a tér a megszokott Euklidesz-féle. Ha azonban az energiasűrűség nagyobb, mint a kritikus E > Ekr, akkor a görbület pozitív K > 0 és az Univerzum egy zárt gömbi világot alkot. Végül ha E < Ekr, akkor a görbület negatív: K < 0, és az Univerzum egy nyílt, hiperbolikus világ. Olyan, mint a Bolyai-féle tér.

A három lehetőség közül bármelyik valósul is meg, az Univerzum mindenképpen tágul: az idő múlásával a geometriai tér pontjainak egymáshoz mért távolsága folyamatosan növekszik. Ezt a meghökkentő elméleti megállapítást, amit kezdetben maga Einstein sem akart elfogadni, megerősítette a híres Hubble-féle tapasztalati törvény, ami kimondja, hogy a galaxisok távolodnak tőlünk, és a v távolodási sebességük arányos a tőlünk mért r távolsággal:

V = H0r

(Ahol H0 a Hubble-állandó: 1/H0 ~ 15 milliárd év.)

Hubble-nak a csillagászati megfigyelésekből levont következtetése, valamint Friedmannak az általános relativitáselméletéből matematikai úton levont következtetése teljes összhangot mutat. Ezek alapján Gamow 1948-ban fogalmazta meg a táguló Univerzum modelljét, miszerint kb. 15 milliárd évvel ezelőtt az egész Univerzum egy parányi térfogatban foglalt helyet, a benne lévő anyag energiasűrűségének mértéke hihetetlenül nagy volt, a hőmérséklettel együtt. Ilyen körülmények között a ma ismert struktúrák még nem alakulhattak ki, mert a heves hőmozgás nyomban szétrombolta volna ezeket. Minthogy azonban az Univerzum időben tágult, a hőmérséklet egyre jobban csökkent és megnyílt a lehetősége annak, hogy szerkezetek jöjjenek létre. Az ősanyagban jelen lévő kvarkokból protonok és neutronok épültek fel. Amikor a hőmérséklet annyira lecsökkent, hogy a protonok és neutronok átlagos mozgási energiája 10 MeV (Millió elektron Volt) alá csökkent, kialakulhattak az atommagok. Amikor pedig 10 eV (elektron Volt) alá esett a hőmérséklet, akkor létrejöhettek az atomok. Ez azt jelenti, hogy a pozitív elektromos töltésű proton magához tudta kötni a negatív töltésű elektront és így kialakult a semleges hidrogénatom, amit a már megszelídült hőmozgás nem tudott szétrombolni.

Az Univerzum tágulása ma is tart. Hogy milyen ütemben, az elsősorban azon múlik, hogy mekkora az anyag energiasűrűsége.

Sok évtizedig azt hittük, hogy a mi világunk egy nyitott hiperbolikus világ, minthogy csak a látható anyagról volt tudomásunk, aminek energiasűrűsége alig teszi ki a kritikus Ekr-érték három százalékát.

Ez egy korábban nem várt fejleménynek volt köszönhető. A magyarázat a következő. Abban az időben, amikor a semleges hidrogén még éppen nem tudott alakulni, de már "készülődött", az anyag egy többé-kevésbé jól meghatározott hőmérsékletű plazma volt. Azaz egy olyan anyagfajta, amelyet elektromosan töltött negatív elektronok és pozitív atommagok alkottak, és amely az elektromágneses sugárzással (a fénnyel) nagyon heves kölcsönhatásban állt. Ebben a plazmában a véletlen instabilitások következtében egy sajátságos "szemcsés" szerkezet alakult ki. Ezeknek a "szemcséknek" az átlagos átmérőjét ki lehet számítani, minthogy a plazma minden fontos fizikai jellemzőjét tudjuk. Amikor a közelmúltban sor kerülhetett az égbolt hőmérsékletének nagy pontosságú feltérképezésére, előtűntek ezek a szemcsék, mint a hőmérséklet eloszlásában jelentkező inhomogenitások. Ezek átmérőjét meg lehetett mérni. A szenzáció erejével hatott a felismerés, hogy a szemcsék átmérőjének a számított értéke és a megfigyelt értéke igen jól megegyezett. "Hát nem ezt vártátok-" - kérdezhetnénk. Nem! Nem, mert ha az Univerzum K-görbülete nem zérus, hanem negatív, ekkor az mintegy homorú lencse lekicsinyítette volna a szemcse képét. De ez nem következett be! Ebből azt a következtetést vonhatjuk le, hogy az Univerzum görbülete zérus K = 0. De ekkor ebből nyomban következik, hogy az anyag energiasűrűsége éppen a kritikus: E = Ekr!

Hogy milyen gyönyörű a tudomány fejlődésének története, azt mi sem bizonyítja jobban, hogy éppen ezzel a roppant fontos megállapítással egy időben észrevettek egy furcsaságot az égen. Azt tapasztalták, hogy a nagyon távoli szupernovák halványabbak, mint amilyennek azokat a Hubble-törvény alapján várni lehetne. Megmérték ugyanis a szupernova V távolodási sebességét a hidrogénvonalak vöröseltolódásából, majd ebből kiszámították az r(= V/H0) távolságát. Minthogy a megfigyelt szupernovák abszolút fénykibocsátási teljesítményét (a luminozitását) korábbi csillagászati megfigyelésekből pontosan ismerjük, meg lehetett mondani, hogy itt, a Földön milyen fényesnek kellene látszaniuk. A megfigyelés szerint ezek a szupernovák jóval halványabbak. A gondos elemzés azt mutatja, hogy a Hubble-törvényben van a "hiba". Nagyon nagy távolságoknál megszűnik a lineáris összefüggés. Ez pedig azt jelenti, hogy a világegyetem gyorsulva tágul. Mi okozza ezt az eddig nem tapasztalt jelenséget-

Az nagyon valószínű, hogy annak a kétharmadnyi anyagnak, ami az eddig ismert anyaggal (látható + sötét anyag) együtt adja ki az ekr értékét, köze lehet a tágulás gyorsulásához. De hogy mi az, azt pontosan nem tudjuk, a megjelölésére, jobb híján egyelőre az ógörögök által bevezetett elnevezést használjuk = e "quintesszencia".

Ennek felderítése, tehát az Univerzum kétharmadát kitevő anyag megismerése a XXI. századra vár. Ahogy szokták mondani: "Nem semmi!"

***

A teológia és a természettudományok különböző létsíkok kutatásával foglalkoznak. Érintkezési pontjuk nincs. A hit Isten ajándéka. A természettudománynak nincs szerepe abban, hogy megkapom-e ezt az ajándékot, vagy elvesztem.

De kettős öröme van annak, aki a hit ajándékát is megkapta, és a természettudomány révén bepillanthat a teremtett világ csodálatos harmóniájába.

Lovas István fizikus (Gyöngyöshalász, Heves m., 1931). Az ELTE-TTK karán végzett, kutatási területe az elméleti és kísérleti atommagfizika. A fizika doktora, az MTA tagja. 1992-96 között a Központi Fizikai Kutató Intézet vezérigazgatója, jelenleg a debreceni egyetem tanára, az Acta Physica Hungarica  főszerkesztője.