A huszadik század Kopernikuszai

A huszadik század fizikájának legjelesebbjei az emberi megismerés legnagyobb kalandjainak résztvevői is. A fizika forradalma nemcsak e tudomány régi paradigmáit váltotta fel újakkal, hanem új természetszemléletet is hozott. A huszadik század Kopernikuszai: Einstein, Heisenberg, Bohr, Dirac és a többiek megteremtették a modern fizikát.

A fizika történetén, akárcsak a természetfilozófiáén, két nagy kérdés vonul végig. Az egyik a tér és az idő természetének, a másik az anyag felépítésének a kérdése. Az első az abszolút és a viszonylagos, a második a folytonos és a nem folytonos kategóriáinak konfliktusát hordozza. Az elsőből született meg a relativitáselmélet, a másodikból a kvantumelmélet.

A relativitáselméletet nem annyira a modern fizika kezdetének, mint inkább a klasszikus fizika betetőzésének tekintik, a modern fizikát a kvantumelmélet jelenti. Némi túlzással elmondhatjuk, hogy a relativitáselmélet inkább bizonyos ismeretelméleti tételek kritikájából született, a kvantummechanikát illetően ennek a fordítottja igaz: a be nem illeszkedő jelenségek követeltek új leírást, és az új leírás vezetett el az atomi történések teljesen új ismeretelméleti értelmezéséhez.

A kvantumelmélet hőskorszaka a huszadik század első három évtizedére esik. Ezen belül a kvantummechanika fél évtized alatt (1923-1928 között) nagyjából "elkészült". Koppenhágában, Göttingenben és Cambridge-ben lázas viták és szinte a végkimerülésig folytatott számítások eredményeképpen - mondhatni naponta - születtek az új felismerések. Tudománytani vagy szorosabban tudományszervezési szempontból ez volt az első esete a tudományos csoportmunkának.

A kvantumelmélet születésének idejét szinte napra pontosan meg lehet jelölni. Max Planck (1858- 1947) képletét 1900 decemberében hozta nyilvánosságra, az abszolút feketetest hősugárzását írja le véle, és amelynek egyedüli lehetséges értelmezése az, hogy az energia csak diszkrét (nem folytonos) módon, kvantumokban, vagyis adagokban emittálódhat és nyelődhet el. A következő lépés megtételéhez bátorságra volt szükség. Albert Einstein volt az, aki sikerrel alkalmazta Planck kvantumhipotézisét, a fotoelektromos hatás magyarázatára és a szilárd testek fajhőjének energiakvantumokkal történő magyarázatára. 1911-ben Ernest Rutherford megalkotta híres atommodelljét, amelyet a Naprendszerhez való hasonlósága miatt planetáris modellnek neveztek el. A modell nem tudta megmagyarázni az atom stabilitását. 1913-ban Niels Bohrnak ez sikerült, Planck kvantumhipotézisének alapján, sőt az atomsugárzások spektrumának elméleti értelmezését is megadta néhány egyszerű esetben.

Közben a tapasztalati anyag egyre halmozódott. 1924-ben De Broglie az einsteini fénykvantumoknál jelentkező hullám-részecske dualizmust megkísérelte az atomi részecskékre, különösen az elektronokra is kiterjeszteni, bevezetve az anyaghullám fogalmát. 1925-ben Heisenberg az atomok viselkedését leíró egyenleteket oly módon próbálta felírni, hogy azokban csak a megfigyelhető paraméterek, mennyiségek szerepeljenek. 1926-ban Schrödinger teljesen más gondolatsor alapján, más alakú alapegyenlethez, egy hullámegyenlethez jutott el. 1927-ben Heisenberg felállította a határozatlansági relációt, amely teljesen "felforgatta" nemcsak a klasszikus fizikát, hanem a klasszikus determinizmust is. 1928-ban Dirac felírja a relativisztikus hullámegyenletet, s ezzel mintegy egyesíti a hullámtechnikát a relativitáselmélettel.

Ami utána következik, már csak kisebb simítás a kész épületen.

Mi marad hát a nagy vihar után a klasszikus fizikából?

Ha már a kérdést Simonyi Károllyal, A fizika kultúrtörténete mérnök szerzőjével tettük fel, válaszoljunk is az ő segítségével: "...a klasszikus fizikától való eltérés csak a fény terjedési sebességéhez közel eső sebességeknél jelentős. Ilyen módon állíthatjuk, hogy a klasszikus mechanika a relativisztikus mechanikának a fény sebességéhez képest kis sebességekre vonatkozó határesete. (...) A relativitáselmélet természetesen átfogóbb összefüggéseket ad a klasszikus mechanika összefüggéseinél, de nem azok helyett vagy mellett áll, hanem azokat önmagába fogadóan és ezzel egymás hitelét kölcsönösen erősítve".

Az utókor három dologra fog emlékezni a XX. századi tudományból: a relativitáselméletre, a kvantummechanikára és a káoszra.

A káosz a század harmadik nagy forradalma a fizikai tudományokban. Az első két forradalomhoz hasonlóan a káoszt is a newtoni fizikától való elszakadás jellemzi. Ahogy egy fizikus mondotta: "A relativitáselmélet végzett az abszolút tér és idő newtoni illúziójával, a kvantumelmélet az ellenőrizhető mérési folyamat szintén newtoni álmával, a káosz pedig leszámolt a determinisztikus jóslat lehetőségének laplace-i képzetével." A káosz forradalma közvetlenül érinti a látható és tapintható, emberi léptékű dolgok világát, így a mindennapi tapasztalat és a világ valóságos képei újra visszakerültek a tudományos kutatásba. Ahogy a káosz forradalma halad előre, a fizikusok legjobbjai felismerik, hogy visszakerültek az emberi méretekhez, nem galaxisokat tanulmányoznak, hanem felhőket vagy az asztalon pattogó golyó különös dinamikáját. Éppen a legegyszerűbb rendszerek okozzák a legnagyobb fejtörést az előre jelezhetőség dolgában. Ráadásul ezekben a rendszerekben - a káosszal karöltve - magától feltűnik a rend. Csak egy újfajta tudománytól remélhető, hogy áthidalhatja azt a roppant szakadékot, amely az egyes dolgok - egyetlen vízmolekula, a szív szövetének egyetlen sejtje, egy magában álló idegsejt - viselkedéséről megszerzett ismereteket elválasztja azoktól, amelyeket milliónyi ugyanilyen dolog együttes viselkedéséről gyűjtöttünk össze.

A káosz modern elmélete azzal a hátborzongató felismeréssel kezdődött, hogy egészen egyszerű matematikai egyenletek is modellezhetnek olyan rendszereket, amelyek nem kevésbé változékonyak, mint egy vízesés. A bemenetnél még egészen elenyésző, apró eltérések óriási különbségekké nőhetnek a kimenetig - ez az a bizonyos "érzékenység a kezdőfeltételekre". Az időjárásban ez például a félig komolyan, félig tréfásan pillangó-hatásnak nevezett jelenségben mutatkozik meg: e szerint ha egy pillangó szárnya rebbenésével megmozdítja a levegőt mondjuk Pekingben, akkor abból esetleg egy hónap múlva New Yorkban hatalmas viharrendszer támadhat.

A fizikusok valahogy így szeretnek gondolkodni: "Ezek és ezek a feltételek: mi fog most történni?" (Richard P. Feynman). A kezdőfeltételektől való érzékeny függés nem egészen új eszme. Fellelhető a népköltészetben is: Egy szög miatt a patkó elveszett,/ A patkó miatt a ló elveszett,/ A ló miatt a lovas elveszett,/ A lovas miatt a csata elveszett,/ A csata miatt az ország elveszett!

A tudományban, akárcsak az életben, köztudomású, hogy az események láncában adódhat egy válságpont, amely felnagyíthatja a csekélyke változásokat. A káosz azt jelenti, hogy mindenütt vannak ilyen pontok: áthatnak mindent. A természet geometriája költőien is leírható: Aztán még itt, mi összefűz,/ Apró összefüggés, szétterül, mint felhő./ Árnya a homokon, rávetülve a domb oldalára... (Wallace Stevens).

Lipcsei Márta