roó Róbert némi iróniával jegyezte meg: míg Einstein hozzájárult a fizika új aranykorának elindításához, és sokat tett a XX. század formálásáért, egy másik fontos embert is meg kell említeni: ő Rátz tanár úr, a Fasori Evangélikus Gimnázium tanára, aki matematikát és tudományszeretetet tanított, és aki többek között elindította a pályáján Neumann Jánost és Wigner Jenőt. Nagy szerepe volt abban, hogy a Nature című rangos tudományos folyóirat harmadik évezredbeli első számának vezércikke szerint a XX. századot Budapesten csinálták.
De mit hozhat a XXI. század a tudományban? Vannak-e a tudománynak, ezen belül is a fizikának határai?
A fizika elsősorban az élettelen anyaggal foglalkozik, annak változásaival és a változásokat létrehozó erőkkel. Vizsgálódása a világegyetem óriási méreteitől az elemi részecskékig terjed, sőt azon is túl, azaz igen széles spektrumot fed le. Módszereit a többi természettudomány is alkalmazza, s a fizika eredményei határozták meg jelenlegi technikai kultúránkat. Mindez 400 évvel ezelőtt kezdődött, amikor először használtak a tudományos kutatásban mechanikus paradigmákat. A fizikai rendszerek és gépek közötti analógiát a klasszikus mechanika törvényei, valamint a differenciál- és integrálszámítás felfedezése hangsúlyosabbá tette, az ipar XVIII. századi mechanizálása pedig még tovább erősítette. Ez a folyamat szülte meg a XIX. században a termodinamikát.
A fizika a múlt század közepéig a természet alaptörvényeinek megismerésére koncentrált, és ezt redukciós megközelítéssel tette: a bonyolult folyamatokat, jelenségeket modellekkel próbálta leírni. A tudományos modell valamifajta analógia, a jelenség összehasonlítása valamivel, amit ismerünk, de általában egyszerűbb a vizsgált jelenségnél. Példának vehetjük a vízhullámok esetét. A fényhullámokat nem tudjuk úgy megfigyelni, mint ahogy a vízhullámokkal tesszük, mégis hasznos a fényt hullámszerűnek tekinteni, mivel a kísérletek azt mutatják, hogy e kettő sok szempontból hasonlóképp viselkedik. A modellek gyakran segítenek megérteni egy folyamatot, és ezért olyan kísérleteket is iniciálhatnak, amelyek elmélyíthetik a jelenségről gyűjtött ismereteket.
A XX. század fizikájának az is jellemzője, hogy alapvetően lineáris egyenletekkel dolgozott. Ilyen természetesen a newtoni mechanika, de a kvantummechanika is. Különösen az utóbbi óriási XX. századi sikereinek köszönhető, hogy a tudósok a fizikát a linearitás keretén belül próbálták tartani, és az ettől való eltérést csak „szükséges rossznak”, perturbációnak tekintették. Ezenkívül nem is nagyon volt eszköz nemlineáris egyenletek kezelésére. A múlt század vége felé már egyértelművé vált, hogy a világ alapvetően nemlineáris, és a számítástechnika lehetőséget teremtett az ilyen jellegű öszszefüggések matematikai kezelésére, illetve megoldására és modellezésére is (pl. káosz, komplex rendszerek).
Ezzel párhuzamosan megváltozott a fizikai kutatás jellege is. Az alaptörvények feltárásának helyére egyre nagyobb súllyal lépett a törvények alkalmazása, vagyis az egyszerű rendszerekből a bonyolultabbak felépítése, az új jelenségek megfigyelése, és az eszközök létrehozása vált a meghatározó kutatási feladattá, a problémamegoldó megközelítés pedig a fő kutatási stílussá. Az új eszközök általában új lehetőségeket is teremtettek a kutatásban, és így hozzájárultak ismereteink határainak kiterjesztéséhez.
Új technikák és műszerek jöttek létre, mint például a mikrohullámok, az atomreaktor, a gyorsítóberendezések, a tranzisztoriált, illetve integrált áramkörös elektronika, a számítógép, a magmágneses rezonancia módszere és alkalmazásai, az alacsony hőmérsékletet biztosító kriosztátok, a mézer és a lézer, az űrhajózás stb. E változásokat ugyanakkor motiválták a társadalomtudomány fizikával kapcsolatos elvárásai is.
A mai fizikai kutatásban kétféle tevékenység – az alaptörvények feltárása, illetve ezek alkalmazása – egyaránt jelen van, de a hangsúly az utóbbi felé tolódott el. A részecskefizika inkább az első, míg például a szilárdtestfizika és az optika inkább a második kategóriába sorolható. Mindkét megközelítési forma a fizikai ismeretek határainak folyamatos kitolódását eredményezte.
Az asztrofizika az egyre növekvő méretű távcsövek és az egyre érzékenyebb detektorok segítségével „egyre messzebbre lát”. Szenzációt jelentett a Sas-köd Hubble-teleszkóppal megfigyelt három oszlopa, amely a nem szakmai közvélemény figyelmét is felkeltette. Ugyancsak betekintést enged ebbe a világba az a Hubble-teleszkóp felvételein alapuló animáció, amely a csillagok születését mutatja háromszegmensű csillagködben. Az asztrofizika az utóbbi évtizedekben óriási fejlődésen ment keresztül. Nemcsak azért, mert az egyre nagyobb távcsövek és egyre érzékenyebb detektorok segítségével egyre messzebb és jobb felbontóképességgel látunk, hanem azért is, mert a magfizika és a részecskefizika eredményeinek köszönhetően sokat megértettünk a világegyetemben zajló folyamatokból. Ez már átvezet az egyre kisebb méretek világába. Jelenlegi ismereteink szerint a legkisebb megkülönböztethető távolság két pont között a Planck-hosszúság (számszerűen 1,62 · 10–35 mm). Kísérleti eszközeinkkel azonban még messze vagyunk az elvi határtól. Az egyre nagyobb gyorsító berendezések célja pedig az, hogy ezt egyre jobban megközelítsük.
A gyakorlati alkalmazások méretei is egyre lejjebb tolódnak a mikrométerek világából a nanométerek, illetve az atomi méretek világába. Új típusú mikroszkópokkal közel atomi, sőt atomi felbontóképesség érhető el, molekuláris szinten zajló folyamatok modellezhetők stb.
Folyamatosan kitolódnak a fizika időhatárai is. Követni tudjuk a világegyetem fejlődését az ősrobbanás utáni 10–43 másodperctől a napjainkig eltelt mindegy 15 milliárd év során, de a rövid idők tartományában is egyre lejjebb jutunk méréseinkkel. A femtoszekundumos időtartományban (10–15 s) működő lézerekkel, amelyek már üzletben vásárolható standard berendezések, gyors kémiai folyamatokat tudunk fényképezni, követni tudjuk például a molekulák gyors mozgását vagy belső mozgásaikat. A legújabb kutatások eredményeként a lézerek impulzushossza és így a segítségükkel végzett mérések időfelbontása már az attoszekundumos (10–18 s) időtartományt ostromolják.
Az asztrofizika megfigyelései szerint a világegyetem tömegének csak igen kis hányada látható tömeg (5%). A jelenlegi, legáltalánosabban elfogadott elképzelés szerint mintegy 30% az úgynevezett sötét energia formájában van jelen. Ezen energia milyenségéről még nem sokat tudunk. A másik véglet az úgynevezett Planck-energia.
A kísérleti részecskefizika területén a kozmikus sugárzásban figyelték meg a legnagyobb energiájú részecskéket, melyek mozgási energiája nagyobb a teniszsztárok szervalabdáinak energiájánál.
Képesek vagyunk nagy teljesítményű sugárzást előállítani laboratóriumban, a legegyszerűbben például igen rövid impulzusú lézerekkel, melyekkel atomokat is szétszakíthatunk, sőt elektron-pozitron párok formájában új részecskéket is sikerült már előállítani.
Az információ fizikai mennyiség, és ezért energiatartalma is van. Többek között R. Feynman foglalkozott azzal, hogy 1 bitnyi információhoz – termodinamikai megfontolások alapján – mekkora energia tartozik. Szerinte 1 másodperc alatt 1 watt teljesítménnyel szobahőmérsékleten, 50 nanométeres távolság esetén, 1018 bit továbbítható, ami mintegy 9 nagyságrenddel több, mint amit a szilíciumos integrált áramköri technológia várhatóan 2010-ben teljesíteni fog.
Azok az eredmények, melyek fényében kvantummechanikai rendszerek is felhasználhatók az informatikában, még ezt a fenti határt is átléphetővé tehetik.
Miközben a fénysebességet átlépni nem lehet, ma már a fénysugár néhány milliomod másodpercre megállítható, majd változatlan formában továbbengedhető, esetleg információval feltöltve. Mindehhez csupán az anyag nagyon hideg állapotban lévő új formájára, ennek kis térfogatban tartására és két megfelelően választott lézerre van szükség.
A vizsgált elektromos és mágneses terek tartományát is sikerült kiterjeszteni, egyrészt asztrofizikai mérésekben és laboratóriumi kísérletekben, másrészt földi és ezen belül laboratóriumi megfigyelésekben. Az anyagok – beleértve az elemi részeket – vizsgálatában az ún. szóráskísérletek (részecskenyaláb szórása a vizsgált anyagban) mintegy mikroszkópként használhatók. A mikroszkópok felbontóképessége pedig az alkalmazott sugárzás (elektromágneses, elektron, proton stb.) hullámhosszától függ. Minél nagyobb az egyes szóródó részecskék energiája, annál kisebb a hullámhossza, és így nagyobb a kísérlet felbontóképessége. Ezért építünk egyre nagyobb gyorsítókat. Az igazán nagy energiájú részecskéket azonban a természet produkálja (például kozmikus sugárzás formájában). A nagy előrehaladás ellenére a laboratóriumi kísérletek még sok nagyságrenddel elmaradnak akár ezektől a kozmikus sugárzási energiáktól is, nem beszélve az asztrofizikai folyamatok energiáitól.
Vannak ugyanakkor olyan elvi határok, melyek áthághatatlannak látszanak. Léteznek például olyan korlátok, amelyek feloldhatóak, de nem könnyen. A Naprendszer leírása például egy „soktest-probléma”, amelynek pontos megoldása még a jelenlegi számítástechnika segítségével is igen nehéz. Ugyanez vonatkozik az időjárás-előrejelzésekre is. A kaotikusan viselkedő rendszerek leírására pedig – noha erre jó modelljeink vannak – azért nehéz jó megoldást találni, mert az időbeli folyamatok során az eredmény hibája exponenciálisan nő.
Előfordul, hogy a válasz azért nehéz, mert rossz a kérdésfelvetés. Ha például a kvantummechanikai leírás során egyszerre kérdezünk rá egy részecske helyére és impulzusára, akkor nem kapunk jó választ.
A bizonytalanság oka lehet az is, hogy korlátozott mennyiségű adat áll rendelkezésünkre. Ez vonatkozik például olyan kérdésekre, mint az élet, az emberiség, a nyelv vagy a csillagok eredete. De a korlátot az is jelentheti, hogy a vizsgált objektumból csak egyetlen példány található: jelenlegi ismereteink szerint ilyen a világegyetem.
Természetesen léteznek technikai korlátok is, melyekre igaz az állítás, hogy ami ma korlát, az talán már holnapra nem lesz az.
Végül gyakran előfordul, hogy magasabb szinten szerveződő rendszerek nem érthetők meg alacsonyabb szintűek alapján, noha azok önmagukban érthetőek. Ez vonatkozik például az életfolyamatokra, amelyek nem magyarázhatóak egyedül molekuláris szinten.
Mindazon megállapítások, amelyekkel foglalkoztunk, csak azon modellrendszer, illetve elméletek keretében érvényesek, amelyekkel a mai fizika dolgozik, és amelyeket kísérletekkel sikerült meggyőzően igazolni. Nem zárható azonban ki, hogy újabb ismeretek fényében ezen modelleket, illetve elméleteket módosítani kell.
Hogy ezt egy újabb Einstein teszi majd meg? Noha ezt természetesen kizárni nem lehet, valószínű, hogy századunk új, izgalmas, életünket is befolyásoló felfedezései – és biztos, hogy lesznek ilyenek – csapatmunka eredményei lesznek, és a nagy egyéniségek ezen csapatok meghatározó személyiségei közül kerülnek ki.
Az előadás televíziós változata megtekinthető október 26-án (szombaton) a Duna Televízióban 13.25-től, október 27-én (vasárnap) 13.10-től az M 1-en, valamint 21.30-tól az M 2-n. A Mindentudás Egyetemének következő előadása október 28-án 19.30-kor kezdődik a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem informatikai épületének B28-as előadójában (Budapest XI., Magyar tudósok körútja 2/B).
Az előadások teljes szövegét a hozzászólásokkal és a vitával együtt a www.mindentudas.hu weblapon találják meg az érdeklődők.
Kroó Norbert 1958-ban végzett az ELTE TTK fizika szakán. 1991 óta a BME címzetes egyetemi tanára, s jelenleg az MTA főtitkára. Több évet dolgozott külföldön, többek közt Svédországban. Díjai közt található az Akadémiai Díj, a Pázmány Péter-díj, a Munka Érdemrend arany fokozata és az Alexander von Humboldt-díj. Szűkebb szakterülete a szilárdtestek fizikája és az optika. Legutóbbi munkáiban egy új típusú, extrém felbontású mikroszkóp kifejlesztésén, illetve felületfizikai alkalmazásán fáradozott.
költségvetés
Az EU első birodalmi költségvetése
