Corvina Kiadó, 2024
Dr Osman Péter ismertetése
„Soha nem fogjuk megérteni, kik is
vagyunk valójában, ha nem sikerül megértenünk mindennek az eredetét” –
a könyvből.
„Az anyag hatalmas illúzió
csupán. És pedig azért, mert az anyag formában nyilvánul meg, és a forma
változó. – Jack London” Ø „Mert olyan szövetből készültünk, mint az álmok: kis
életünket a mély alvás köríti. – William Shakespeare”
Tonelli ezeket választotta könyve mottóiul.
Őt már ismerjük. Idő - Khronosz megölésének álma c.
könyvéről (Corvina Kiadó, 2023.) a Szemle 2023/4. számában szóltunk.
A brit kiadó Wiley ajánlójából:
„Miből vagyunk? Mi tartja össze az anyagi testeket? Van-e valami különbség a
földi anyag és az égi között – az anyag, amely a Földet alkotja és az, amely a
Napot és a többi csillagot? Midőn Démokritosz kijelentette, hogy atomokból
állunk, kevesen hittek neki. Majd csak Galilei és Newton idején, a 17.
században vették az emberek komolyan, és még 400 év telt el, amíg fel tudtuk tárni
az anyag elemi összetevőit.
Körülöttünk minden anyaginak – az anyagnak, amely sziklákat
és bolygókat formál, virágokat és csillagokat, sőt mi magunkat – nagyon sajátos
tulajdonságai vannak. Ezek a tulajdonságok, amelyek teljesen normálisnak tűnnek
nekünk, valójában igen különlegesek, mert az univerzum, amelynek fejlődése
csaknem 14 milliárd éve kezdődött, ma nagyon hideg környezetet alkot. Tonelli
e könyvében elmagyarázza, hogy az elemi részecskék, amelyek az anyagot
alkotják, miként alkotnak összekapcsolódó kvantum állapotokat, kvarkok és
gluonok ’őslevesét’, vagy nagytömegű neutroncsillagokat. Válaszokat kapunk a legújabb
kutatásokból felmerült új kérdésekre: Milyen értelemben anyagállapot a
vákuum? Miért vibrálhat és oszcillálhat a téridő? Létezhetnek a tér és idő
elemi szemcséi? Milyen formákat vesz fel az anyag a nagy feketelyukak
belsejében? Tonelli világos és életteli
stílusban izgalmas utazásra viszi az olvasókat napjaink tudományának legújabb felfedezéseihez,
hogy új fényben láthassák a világmindenséget és önmagukat.” (Kiemelések tőlem.
Idézetek nyitó idézőjeltől záróig, bekezdéseken át.)
Tonelli-ről: egyike a Higgs bozon
felfedezése vezetőinek. (Az elmélet alapján megjósolt Higgs bozon, »az isteni
részecske« felfedezése a modern fizika egyik nagy áttörése. E könyv részletesen
ír róla. – OP) Tonelli az általános fizika (general physics) professzora a
Pisai Egyetemen, és a genfi CERN fízikusa. Magas állami kitüntetések birtokosa.
Számos, nagy sikert aratott tudományos-ismeretterjesztő könyve jelent meg. Amint
e könyve is bizonyítja, remekül ötvöz
könnyed, elegáns elbeszélést a tudomány alapos bemutatásával.
Innentől szóljon ő – minden idézet e könyvéből.
Könyve egy látszólag ide nem illő, kis családtörténettel
indul, amelynek csak az utolsó mondatából derül ki, miért áll itt.
A Bevezetésben – sokatmondó címe
Mindenek anyja – könnyed, filozofikus esszét kapunk, dióhéjban az anyag kultúr‑
és tudománytörténetéről, egyebek közt az ember és az anyag kapcsolatáról,
utóbbi helyéről a gondolkodásunkban, fogalmának gyökereiről, a holt anyaggá
vált testet övező rítusokról. Belső címszavai: Ø Egy szó, amelynek nagyon
mélyek a gyökerei Ø Gyászrítusok és gondoskodás a holttestekről Ø Az anyag,
ahogyan a nagy bölcsek látták Ø A stabilitás hiedelme és a világegyetemet
alkotó anyag megmaradása
Tonelli a könyvről: „Könyvünk segít leküzdeni számos
előítéletet, mindenekelőtt azonban együtt tárgyalja a kortárs fizika
felfedezéseit az anyagról, annak születéséről és hosszú fejlődéséről, és amit
majd tapasztalunk, attól bizony eláll a lélegzetünk. Először is azért, mert bámulatos
fogalmakkal fogunk találkozni. Felfedezzük az anyag efemer, múlékony
formáit, amelyeknek a létezése látszólag jelentéktelen, mellettük pedig – talán
a legváratlanabbul előbukkanó szegletekben – sokáig fennmaradó, gyakorlatilag az örökkévalóságot jelentő formákkal
is megismerkedünk. Meglepődve fogjuk tapasztalni, hogy mi magunk is
nagyrészt ezekből állunk. De érinteni
fogjuk a legimpozánsabb anyagi struktúrák belső törékenységét is. Ez a
törékenység az őket alkotó elemi részecskék viselkedésének legbensőbb és legrejtettebb
mechanizmusaiból ered.
A meglepő formák határtalan sokféleségét a mai tudomány
szemszögéből elemezve végleg szakítanunk
kell azzal a képzettel, hogy az anyag testi, kézzel fogható, szilárd valami.
Olyan formáit fogjuk ugyanis felfedezni, amelyek ugyan körülvesznek bennünket,
és meghatározó szerepet játszanak világunk makroszkopikus szerkezetében, mégsem
láthatjuk, de meg sem érinthetjük őket, magyarán: még nem tudunk róluk semmit.
Feltesszük magunkban a kérdést, milyen mechanizmusok tartják össze a
legkompaktabb, hihetetlenül kis térfogatban szokatlanul nagy tömegeket
összetömöríteni képes anyagi testeket, egy
eddig ismeretlen, a fizika egyetlen törvénye által sem megmagyarázott
dinamikának engedelmeskedve.
Nagy kozmikus
távolságokat szelünk majd át, hogy megvizsgáljuk az anyag leggyorsabban
elenyésző és legtörékenyebb formáit; ezek mindenfelé száguldoznak az
univerzumban, és a világegyetem fejlődése szempontjából meghatározó jelenségek
alkotóelemei. Elmélyedünk az anyag
legbonyolultabb formáiban is, és kísérletet teszünk a talányok megfejtésére,
amelyeket a biológiai anyag rejt. Utóbbiról majd kiderül, hogy minden, csak
nem hitvány és formátlan. Látni fogjuk: nem várt szervezettség munkálkodik
benne, ami viszont rendkívül kényes egyensúlyok egész sorához kötődik,
olyannyira, hogy az a végletekig törékennyé teszi.
Készen állunk rá, hogy
felderítsük az anyag végtelen sokrétűségét, ahogy azt a modern tudomány
elénk tárja. Megállapíthatjuk majd, hogy az anyag stabilitásával és
állandóságával kapcsolatos, már évezredek óta fennálló előítélet merő illúzió.
Ugyanakkor azt is be fogjuk látni, hogy nem könnyű meghatározni, mi is az anyag valójában.
Ahogy fokozatosan közeledünk annak legbelsőbb összetevőihez, le kell mondanunk
sok, a materializmus naivabb formáiból örökölt bizonyosságról. Mint mindig,
most sem lesz hiány a meglepetésekből.”
S két, a legtöbbeknek
így megfogalmazva szokatlan és meghatározó súlyú felvetés a Zárszóból:
„A világmindenségnek két anyagi
összetevője van: a téridő és a tömeg-energia. Mindkettő alapvető az
univerzum születésének megértéséhez. S az egyik legnagyobb kérdés, hogy a téridő és a tömeg-energia hogyan tud spontán
módon előtörni a vákuumból, és létrehozni egy csodákkal teli világegyetemet.”
A Wiley szavait átvéve, Tonelli valóban izgalmas utazásra
visz, ám nem is csak a fizika mai élvonalához, hanem sokat elmond az útról is,
amelyen idáig eljutottunk. Tartsunk itt vele úgy, hogy megidézzük az
elmondottak néhány karakteres és/vagy fontos részletét!
„Az atomizmus születése” („Atomok és vákuum” fejezet alfejezete.
’Kezdetben valának az ógörögök’ - remek áttekintés az anyag atomos szerkezete
koncepciójának születéséről. – OP)
A logika erejének
csodája: „Démokritosz Kr. e. 460 körül született kimagaslóan tehetős családban.
A legenda szerint lemondott a vagyonáról és a tekintélyes megbízatásokról,
pedig utóbbiak megszilárdíthatták volna helyzetét. Termékeny gondolkodóként a
filozófia minden területét művelte. Tisztán spekulatív úton, a kor filozófiai
érvelésére jellemző logikai megközelítéssel
jut el az atomizmushoz. (Tonelli később szól az atom koncepciójának másik
megalkotójáról Leukipposzról is – OP) Valamennyi görög gondolkodóhoz hasonlóan
viszolyog a végtelentől, a szó szoros értelmében vett nemszámtól, a
meghatározatlan mennyiségtől, amelyet, mint olyat, nem lehet megérteni, azaz
nem is tartalmazhatja semmi sem. Egy végtelenbe tartó folyamat felforgató és
tűrhetetlenné tényezővé válik, amennyiben feloldhatatlan ellentétben áll a
mértékkel és a racionalitással.
Így tehát valamelyik
anyagi összetevő felosztásának művelete nem folytatódhat a végtelenségig. Minden
anyagi szubsztanciának, amelyet szétdarabolunk, és egyre kisebb töredékekre
bontunk, el kell érnie egy tovább már nem
osztható kis méretet: ez az atom. A kifejezés az »oszthatatlant« jelentő
görög atomosz szóból származik. Az anyag nem viselkedhet úgy, mint a Kr. e. 5.
században élt eleai Zénónnál a tér, amit tetszés szerint töredékekre
bonthatunk. (L. Zénon híres paradoxonai: Akhilleusz és a teknős versenyéről és
annak két parafrázisáról. Érdekes leszármaztatásuk a »kvantum-Zénon-paradoxon –
OP) Ha az anyagot végtelenségig fel
lehetne bontani, a folyamat végére nem maradna semmi, következésképpen a lét
nemlétből állna. Márpedig ez logikai képtelenség. Ezért kell tehát
elképzelnünk valami szilárd, áthatolhatatlan, nemteremtett és örökkévaló, a
folyamatot korlátozó dolgot.
Az atomok mellett Démokritosz elmélete feltételez egy másik
meghatározó összetevőt is, az ürességet (amit Arisztotelész szerint még a »semmi«
vagy a »határtalan« elnevezéssel is illet). Az utóbbiban az atomok különböző
mennyiségben, alakban és elrendeződésben mozoghatnak, ütközhetnek és
kapcsolódhatnak, létrehozva így a különböző elemeket.”
„Epikurosz Kr. e. 341-ben született a mai Törökország
partjai előtt, az Égei-tengeren fekvő Szamosz szigetén, és filozófiai iskoláját
Kr. e. 306-ban költöztette át Athénba. Ellentétben a tévesen neki tulajdonított
hedonista életszemlélettől, határozottan állította, hogy a bölcs csak úgy
érheti el a legfőbb gyönyörűséget, ha megszabadul a halálfélelemtől, márpedig ez csakis a világot irányító fizikai
mechanizmusok ismeretén keresztül valósulhat meg.
Démokritosz atomizmusának átvétele és továbbfejlesztése arra
szolgált Epikurosz számára, hogy lefektesse egy materialista világkép alapjait,
amelyre egy új, átfogó filozófiai megközelítést építhet. Ennek értelmében a
valóság az emberi intelligencia révén tökéletesen megismerhető. Semmiféle
isteni beavatkozásra nincs szükség a természeti jelenségek megértéséhez. Minden megmagyarázhatóvá válik, ha
felismerjük az anyagi világban működő belső dinamikát.”
Tonelli bemutatja, milyen alapos világképet dolgozott ki
Demokritosz az atomos szerkezetre, s hogy azok „Örökké léteznek, és az anyagi
világ felépítésének alapvető összetevői.” Történetmondása elvezet Titus
Lucretius Carus-hoz, aki „A dolgok természetéről c. tankölteményében hagyta
ránk Epikurosz gondolatainak legteljesebb összefoglalását.” Az áttekintés a
’sötét középkoron’ át folytatódik „Egy ellenpápa titkárának hihetetlen
felfedezése” [alfejezet] történetével, amelynek révén „a materializmus
újjászületik, és új erőre kap”, egy meglepő részlettel: „A 16. sz. végén az intellektuális körök művelt
materializmusa mellett már népi környezetben is terjedtek a vallásos
materializmus különböző formái, igaz, ezek az előbbinél kevésbé
kifinomultak voltak.” A fejezet odáig visz, hogy „A 19. sz. elején John Dalton megalkotta
az atomista elmélet első modern változatát, közzétette hat elem – a hidrogén,
az oxigén, a nitrogén, a szén, a kén és a foszfor – atomsúlytáblázatát, Ez volt a kezdete annak a nagy kalandnak,
amely 1869-ben elvezetett az elemek Dmitrij Ivanovics Mengyelejev periódusos
rendszeréhez. 1897-ben Joseph Thomson, az angliai Cavendish Laboratórium
igazgatója felfedezte az elektront. A 19.
század vége tehát az atomista modell diadalát, de egyben válságának kezdetét is
jelentette. Nyomban nyilvánvalóvá vált ugyanis, hogy az elektronok az
atomok belsejében helyezkednek el. Amit 2500 éven át a szó legszorosabb
értelmében oszthatatlan elemnek tekintettek, valójában összetett állapotú: van
szerkezete, és további elemi összetevőkre bontható. Ez volt a kezdete annak a hosszú folyamatnak, amely a 20. századi
fizikát elvezette annak megalkotásához, amit ma a részecskefizika standard
modelljének nevezünk.”
Elérni az elérhetetlen csillagot (Man
of La Mancha) „Csak részecskék” [fejezet] „A 20. század elején a tudósok által
kidolgozott, nagyszerű technikai megoldásokkal ’láthatóvá válik a láthatatlan’ .
Az atomok továbbra is túl parányi testek ahhoz, hogy közvetlenül láthatóvá váljanak,
de a fizikai kísérletek már lehetővé tették különböző atommodellek
megfigyelését.
Ahhoz, hogy megértsük, miből áll a közönséges anyag, meg
kell barátkoznunk az elemi részecskékkel. Ezt lépésről lépésre tehetjük meg,
mivel a bennünket körülvevő anyag túlnyomó többsége nagyon korlátozott számú
alapösszetevőből áll. A legegyszerűbben mindez a következőképpen foglalható
össze: az anyag részecskékből áll, és ezek más részecskékkel történő csere
révén kölcsönhatásba lépnek egymással. Ez minden. De mit jelent a fenti megállapítás? És egyáltalán, hogyan váltak
azonosíthatóvá ezek a részecskék? Milyen technikákkal fedezhetők fel az anyag
végtelenül kis részei?”
Igazi ’tonellis’
párhuzam következik: Egy Pink Floyd számmal indít, és „A hetvenes évek
elején fiatalok egy egész nemzedéke próbálta még a zenében is meghatározni a
jelent és a jövőt egymástól örökre elválasztó, kiigazíthatatlan, már a
politikában, a gazdaságban, az erkölcsökben, sőt még az emberek közötti
kapcsolatokban is érzékelhető törésvonalat. A Pink Floyd által okozott ’törés’
helyrehozhatatlannak bizonyult. Sok olyan
– köztük néhány teljesen feltáratlan – út nyílt meg, ami korábban
elképzelhetetlen fejleményekhez vezetett volna.
A törést okozó, új kánon nagyon is megfelel a mai fiatalok
ízlésének, mert még most is élnek vele. Valami
hasonló történt a fizikában a 20. század elején. Egy zseniális kísérlet és az
eredményeinek megértésére kidolgozott elméletek sora forradalmasította az
anyagról és a világról kialakított szemléletünket.
A rockzenéről beszélünk, de a fejtegetés kiterjeszthető
számos más területre is. Vannak pillanatok, amikor hirtelen megváltozik minden,
megbomlik az egyensúly, és az már soha nem áll helyre, nekünk pedig az az
érzésünk, hogy ebből a törésből előre aligha látható újdonságok születnek majd.
A törést okozó, új kánon nagyon is megfelel a mai fiatalok
ízlésének, mert még most is élnek vele. Valami
hasonló történt a fizikában a 20. század elején. Egy zseniális kísérlet és az
eredményeinek megértésére kidolgozott elméletek sora forradalmasította az
anyagról és a világról kialakított szemléletünket.”
Következik a Részecskevadászok alfejezet, s nyitó
mondata: „1908-ban Lord Ernest Rutherford kidolgozta a modern részecskefizika
számára utat nyitó kísérletet.” Itt azonban álljunk meg, s a tartalomjegyzék segítségével tekintsük
át a történet további menetét. (Vigyázat, felettébb szédítő lesz, s
Tonelli stílusművészete olykor a címadásoknál is elszabadul!) A 3. fejezetben
járunk:
·
3. Csak részecskék
·
A Hold sötét oldala (a Pink Floyd-os rész – OP)
·
Részecskevadászok
·
Más részecskékhez kapcsolódó részecskék
·
Erósz ellenállhatatlan ereje
·
A legtartózkodóbb és legfélszegebb részecskék
birodalma
·
Öt kis jelenség
·
4. Felhők, lágy anyag és az utolsó sámánok
·
Anyagállapotok
·
A rugalmas anyagok különös világa
·
A nagy anyagi struktúrák szinte örök élete
·
Az anyag legmúlékonyabb formáinak semmivé foszló
világa
·
5. Egy évezredes előítélet diadala és bukása
·
A fermionok és a bozonok története
·
De mi is valójában a tömeg?
·
A ’64-es fiúk
·
Genf, 2011. november 8.
·
Egy különös mező, amely elfoglalja az egész
univerzumot
·
A Higgs-bozon furcsasága és a sok rejtély, amit
tartogat
·
6. Fénylő égitestek és fekete csillagok
·
Mik a csillagok?
·
A Nap viharos oldala
·
Egy nyugodt csillag látványos vége
·
Szupernóvák és neutroncsillagok
·
Fekete lyukak
·
7. A világegyetemet benépesítő anyag sötét
formái
·
Főleg gáz és egy csipetnyi por
·
Milkoméda és a Feketeszem-galaxis
·
Az anyag sötét oldala
·
A fény, amely látja a sötétanyagot
·
Az árnyak sötét birodalma
·
Tapintatos és szelíd hírnökök
·
8. Mi tartja a vizet, amelyben Bahamut
úszik?
·
A világegyetem kritikus sűrűsége
·
Mi a vákuum?
·
Miből születik az anyag?
·
Mi lesz az anyaggal?
·
9. A káprázatos illúzió
·
A mechanikus materializmus nagy eufóriája
·
Pártállami materializmus
·
A modern materializmus
·
De mi is valójában az anyag?
·
És ha a részecskék netán elmondhatatlan titkokat
rejtegetnek előlünk?
·
Zárszó.
Mi is tartja össze?
„Más
részecskékhez kapcsolódó részecskék” „Miközben az anyag legbelsőbb
szerkezetének megértésében mutatkozott ugyan előrehaladás, új problémák
merültek fel, a feltett kérdésekre azonban a válasz egyelőre váratott magára.
Mindenekelőtt: hogyan fér meg egymás mellett több proton az atommagban? Az
elektromágnesesség törvényei jól ismertek voltak: az azonos, pozitív töltéssel
rendelkező protonok, ha megpróbáljuk őket bezárni ezekbe a rendkívül szűk
terekbe, iszonyatos erővel taszítják egymást. Új formában jelent meg ismét az a
vitás, már a korai, az atomizmust felkaroló görög gondolkodókat is nyugtalanító
kérdés: ha a protonok az atomok, hogyan
kapcsolódnak egymáshoz? Mi tartja őket egyben?
A neutron
felfedezésével ugyanakkor még bonyolultabbá vált annak megértése, hogy mi
tartja össze az atommagokat. Most arra kellett magyarázatot adni, hogyan
maradhatnak együtt a protonok és a neutronok a térnek ebben a parányi részében.
Egy új, az elektromágneses taszításnál
jóval nagyobb erőt kellett keresni, ami a neutronokat, vagyis a töltés
nélküli részecskéket is összenyomva tartja az atommagban. Ennek egy olyan
erőnek kellett lennie, amely azonnal elenyészik, amint eltávolodunk magától a
magtól. Hamarosan gyűltek a bizonyítékok arra vonatkozóan, hogy nukleáris
léptékben valamennyi erőhatás közül csakugyan a legféktelenebb hatott, annak
alaposabb megértése viszont, hogy mi is történik az atommag belsejében, még sok
évtizedet várat magára.”
Gyenge kölcsönhatás „Még bonyolultabbá tette a dolgot egy teljességgel új, csak a szubatomi
világban ható erő felfedezése: ez volt a gyenge
kölcsönhatás . Sok-sok éven át senki sem talált magyarázatot bizonyos
instabil elemek radioaktív bomlására; ezek béta-sugárzást produkálva, azaz
elektronok kibocsátásával alakulnak át különböző elemekké. Egészen addig, míg
Enrico Fermi, az akkor még fiatal fizikus elő nem állt elméletével: a béta-bomlás hátterében egy új, alapvető
kölcsönhatás húzódik meg. Csak azért kerülte el ez eddig a figyelmünket,
mert rendkívül gyenge, százezerszer
gyengébb az elektromágneses kölcsönhatásnál, a birodalma pedig parányi, mivel a nukleáris távolságok végtelenül
kis világára korlátozódik. Ahhoz túl gyenge, hogy összetartsa az anyagot, de
fontos szerepet játszik átalakításában, abban, hogy bomlásra készteti.
Forradalmi elméletének
felvetésével Fermi megsejtette a gyenge és az elektromágneses kölcsönhatás
közötti lehetséges analógiát, megnyitva
ezzel az utat az erők harmadik nagy egységesítése, az elektromágnesesség és
a gyenge kölcsönhatás közötti egységesítés előtt. Amikor a kezdeti
szkepticizmust követően a tudományos közösség egésze már nagyon komolyan vette
az úgynevezett Fermi-kölcsönhatást (ahogyan ezt az új erőt egy ideig nevezték),
a fizikusok kettős kihívással találták
magukat szemben: egyfelől igyekeztek megérteni azt az iszonyatos erőt, ami
egyben tartja az atommagot, másfelől viszont szerették volna felfedni, honnan
jön az atommag egyes összetevőit bomlásra késztető második erő. Közel ötven
évnek kellett még eltelnie, mire sikerült azonosítani ezeket az új
kölcsönhatásokért felelős részecskéket. Ennek eléréséhez a fizikusok először a
kozmikus sugárzást használták, később pedig kifejlesztették a ma is
használatos, nagy teljesítményű részecskegyorsítókat.
Csak a 20. század
második felében vált valóban lehetségessé annak megértése, miből is épülnek fel
az atomok, és mi a dinamikája az új, az atommagokat összetartani képes erőnek,
de addig sem volt hiány meglepetésekben. Kiderült ugyanis, hogy a protonok és a
neutronok sem elemi részecskék, hanem maguk is más, még kisebb és szerfölött
különös összetevőkből állnak.”
„Erósz ellenállhatatlan ereje” „Isaac Newton volt az egyik első
modern tudós, aki megfogalmazta a távolról ható erők elméletét. Felfedezése
annál is fontosabb, mert első ízben került sor két, addig különbözőnek és
egymástól különállónak gondolt természeti erő egységesítésére. A Newton fejére
hulló alma képzelet szülte anekdotája rendkívüli tudományos eredményt
takar: annak az erőnek, amely leszakítja a gyümölcsöt az ágról, és arra
készteti, hogy a földre pottyanjon, ugyanaz az eredete, mint annak, amellyel a
Föld a Holdat a pályáján tartja. A földön
érvényesülő nehézségi erő és az égi gravitáció ugyanazon erő két különböző
megjelenési módja. Mi több, Newtonnal – további fejlemények előhírnökeként
– új
fejezet nyílik. Ennek az erőnek a forrása a tömeg. A testet alkotó
anyagnak van egy tulajdonsága: gravitációs erőhatást képes kifejteni, magához
tud vonzani bármely más testet a világegyetemben, és kölcsönhatásba lép minden
más tömeggel. Ez a korszerű megközelítés
kétszáz évvel később, a 19. század vége felé tért vissza, amikor a tudósok
az elektromos és a mágneses jelenségek megértésével próbálkoztak. Az
elektromágnesesség Coulomb, Faraday, Maxwell és mások által kidolgozott
törvényei az erők második nagy egyesítéséhez vezettek. Ennek során vált világossá,
hogy az elektromos és a mágneses jelenségek – amelyekről úgy tartották, hogy
egymástól független és különálló természeti erőknek tulajdoníthatók – valójában
ugyanazon kölcsönhatás, az elektromágnesesség két különböző megnyilvánulása.
Az elektromágnesesség
törvényeinek megfogalmazása egyenesen a modern fizikához vezet majd bennünket:
ezek ugyanis bizonyos tekintetben paradoxok, és a velük kapcsolatban felmerülő
kérdések nyomán született meg a speciális relativitáselmélet és a
kvantummechanika. Azoknak a végtelenül kis távolságoknak a világa, ahol az
elektronok az atommag körül keringenek, vitathatatlanul az anyag újfajta
szemléletének birodalmát jelenti.”
„A legtartózkodóbb és legfélszegebb részecskék birodalma” A
részecskegyorsító és az ütköztetés: „A fénysebességhez közeli
sebességgel száguldó, nagy energiájú elektronok képesek könnyen behatolni a
magba. Ezt a múlt század hatvanas évei óta tudjuk előidézni, és azóta vált lehetővé szerkezetének részletes
megértése. Ahogy az már Rutherfordnál is történt, az ütközésből kikerülő
elektronok szögeloszlását vizsgálva kiderítették, hogy a protonok vagy
neutronok tömege nem egyenletesen oszlik el a térfogatban, hanem néhány ponton
összpontosul. Magyarán: a protonokat és a
neutronokat egyaránt más elemi részecskék is alkotják, és ezek annyira bizarr
módon viselkednek, hogy megérdemeltek egy olyan, szintén különös elnevezést,
mint a kvark.
A 20. század második felében végzett kutatásoknak
köszönhetően sikerült azonosítani a kvarkok
jellemzőit, és minden részletében megérteni az erős és gyenge kölcsönhatás
viselkedését, azt, ahogyan interakcióra lépnek velük.
Ők az egyetlen olyan részecskék, amelyek a természet
valamennyi erőhatása révén képesek kölcsönhatásba lépni egymással. Az erős
kölcsönhatást a gluonok közvetítik. A gluonok cseréjével a kvarkok
olyan heves vonzásnak vannak kitéve, hogy le tudnak győzni minden elektrosztatikus
taszítást.
Az erős kölcsönhatás
nagyon különleges tulajdonságokkal rendelkezik. Két kvark közötti távolság
növekedésével az erős kölcsönhatás növekszik, mintha egy rendkívül erős rugó
fejtene ki hatást rájuk. Ez az oka annak, hogy a kvarkok nem tudnak megélni egymagukban, mindig más kvarkokhoz kell
kötődniük. Ha megpróbáljuk szétválasztani őket, az erős kölcsönhatás
erőtere egyfajta csőben összpontosul, ami megnyúlik, miközben mindenáron
igyekszik fenntartani a köteléket. A mező energiája a távolság növekedésével
fokozatosan nő, és amikor tarthatatlanná válik a helyzet, a kötelék pedig
megszakad, a felszabaduló energia újabb
kvarkokká alakul át, amelyek az elszakadni akaró kvarkokhoz kötődnek.”
„Öt kis jelenség” „A
közönséges anyag mikroszkopikus szinten nagyon kevés elemi összetevőből: három
anyagrészecskéből – az elektronból és a két legkönnyebb kvarkból, az up (»fel«)
és a down (»le«) kvarkból –, valamint
két, erőhatást közvetítő részecskéből, a fotonból és a gluonból áll. A foton az elektromágneses kölcsönhatást
hordozza, és hat az anyag mindhárom
részecskéjére, a gluon pedig az erős
kölcsönhatást közvetíti, és interakcióra lép az erős töltéssel rendelkező
kvarkokkal, ugyanakkor semmibe veszi az ilyennel nem rendelkező elektronokat.
Mint látható, nagyon kevés összetevővel már hatalmas mennyiségű
anyagszerkezetet meg tudunk magyarázni. Ha összekapcsolunk két +2/3 töltésű up
kvarkot és egy –1/3 töltésű down kvarkot, akkor egy protont kapunk, amelynek a
töltése +1. Ha viszont két down kvarkot és egy up kvarkot egyesítünk, akkor
neutront kapunk, amelynek a töltése nulla.
A neutronokat és protonokat alkotó kvarkok folyamatosan gluonokat cserélnek,
így az ebből eredő vonzás messze meghaladja az azonos előjelű kvarkok közötti
elektrosztatikus taszítást.
A mi standard modellünk összetevői közül döntő szerepet
játszanak a kölcsönhatásokat hordozó részecskék, és megoldják a [klasszikus
felfogás szerinti – OP] ’atomok’ egymással történő társulásának kérdését,
amelyen a filozófusok és a természettudósok évezredeken át törték a fejüket.
Ami pedig az elemi részecskék tulajdonságait és viselkedését illeti, továbbá – amint
látni fogjuk – a vákuumét is, amelyben terjednek, nos, ez teljesen más történet. Annyira különösek és minden korábbi
képzeletet felülmúlóak, hogy az ókor jelentős gondolkodói közül még a
legnagyobb képzelőerővel megáldott koponyák sem tudták volna elgondolni. Ezek
a felfedezések várnak ránk a következő fejezetekben.”
Kötési energia – „A nagy anyagi struktúrák szinte örök élete”
„Ahhoz, hogy pontosan
megértsük a közönséges anyag szerveződését, a kötési energiát kell vizsgálnunk.
A fogalom abból fakad, hogy amikor két anyagi test összekapcsolódik, ahhoz,
hogy megszabadulhassanak ettől az állapottól, energia felhasználására van
szükség. Az elv általános jellegű, és
minden ilyen rendszerre vonatkozik.
A mikroszkopikus
rendszerek kötési energiájának mérésére a mértékegységek az elektronvolt
(jele: eV) többszörösei. 1 eV az a
mozgási energia, amelyet egy elektron nyer, ha álló helyzetből indulva,
vákuumban, 1 volt potenciálkülönbség hatására felgyorsul. Pl. az egy molekulát
alkotó két atomot összetartó energia tipikus értéke néhány eV. Az elektronokat az
atommag körüli keringésre kényszerítő energia [elektronhéjtól függően] néhány
eV-tól mintegy 10 KeV-ig terjed. Amikor
az elektromágneses kötésekről áttérünk az erős kölcsönhatás által létrehozott
kötésekre, hirtelen [nagyságrend]váltás következik be. Az energiát egy
atommag protonjai és neutronjai közötti MeV-ban mérik, míg 1 GeV
szükséges egy proton széttöréséhez, s hogy az azt alkotó kvarkok és gluonok
valamelyike felszabaduljon.
Egy rendszer kötési
energiája mindig negatív, ez a kötött állapot jellemzője: a börtöncella,
ahová a proton és a neutron be van zárva, lebontásához energiát kell
felhasználni.
Melegítéssel a molekulák vagy atomok rendszereinek olyan
energiát lehet átadni, hogy szétroncsoljuk a közöttük lévő belső kötéseket.
Ilyen körülmények között tapasztalhatjuk az állapotátmenetnek nevezett
jelenséget. Ugyanaz az anyag anélkül,
hogy kémiai természete megváltozna, más belső szerkezetet vesz fel.”
„A rugalmas anyagok különös világa” (Tonelli felvázolja létünk,
működésünk sajátos fizikai alapjait.)
„A bennünket alkotó test az anyagi rendszereknek
egy olyan kategóriájába tartozik, amelyet nem könnyű a három hagyományos
kategóriára, azaz szilárd testekre, folyadékokra és gázokra redukálni. Mint
minden biológiai rendszer, testünk is rendkívül összetett, sokféle alkotórészből
álló organizmus: egy erős tartószerkezetre, a csontvázunkra épül.
A testünket felépítő,
rugalmas biológiai anyag számos előnnyel jár. (Tonelli itt egy hosszabb
gondolatmenetet szentel annak, mi mindent köszönhetünk kezünk e rugalmas
biológiai anyagból származó képességeinek – kezdve onnan, hogy:) Attól a
pillanattól fogva, hogy valamelyik távoli ősünk néhány millió évvel ezelőtt
kiegyenesedve kezdett járni, a
kézhasználat alapvető szerepet játszott az ember evolúciójában. Kezünkkel
egyre sokoldalúbb eszközöket tudtunk előállítani, ami növelte túlélési
esélyeinket. Nemzedékek ezrein át használtuk a kezünket arra, hogy
megsimogassuk és megvigasztaljuk egymást, felkaroljuk a gyengébbeket, kölcsönös
vigaszt keressünk, vagy hogy kölcsönösen megvakarjuk vagy bolházzuk egymást. Az eredendően valamiféle durva fogóként és a
kövek megragadására szolgáló kéz a társadalmi kohéziót és a csoport
megszilárdítását elősegítő, alapvető eszközzé, egyúttal az emberi képzelőerő
kreatív képességének jelképévé vált.” (Pompás példa Tonelli megragadóan
gördülékeny előadásmódjára. Megmagyarázza a kötési energia mibenlétét, szerepét
az anyagok minőségében, egyenes vonalú folytatással máris a testünket felépítő
élő anyagnál vagyunk, s kezünk anyagi jellemzőivel, az azokra támaszkodó
funkcionális képességeinkkel visz tovább legszebb képességeink legjavából a
képzelőerőhöz és a kreativitáshoz.” (S hogy mennyit jelentenek kezünk
finommotoros képességei, arra valószínűleg majd akkor döbbenünk rá igazán, ha
sikerül kiiktatni az oktatásból az azok korai fejlesztésében felettébb nagy
szerepet játszó kézírást – ami nagyban visszavetheti az azért felelős agyi
területek és mechanizmusok fejlődését is. S már következik is egy újabb szédítő
szaltó az elbeszélésben – OP)
„Az a zseniális szerveződés, amely lehetővé teszi az anyag
számára, hogy kapcsolatba kerüljön az őt körülvevő világgal, növekedése és
szaporodása érdekében táplálékot merítsen belőle, valamint hogy új területeket
hódítson meg a maga számára, módfelett összetett; elkerülhetetlenül arra van
ítélve, hogy idővel leépüljön. Minden élő faj pusztulása nem más, mint a biológiai
struktúrák oxidációjának és egyszerűsödésének kivédhetetlen folyamata. (Arról
nem szól, miért kivédhetetlen, ahogy arról sem, milyen óriási üzletágak épülnek
a kivédésére, kezdve akár az ’öregedésgátló’ kenceficékkel és
varázstablettákkal. S jön a halandóság kozmikus léptékben – OP)
Ugyanez a folyamat nem érinti az élettelen anyagot – vagy
legalábbis mi hosszú időn át bedőltünk
ennek a hiedelemnek. Mindössze néhány éve annak, hogy csillagászok és
asztrofizikusok a kozmosz sötét oldalát megmutatni képes eszközöket építettek.
Azóta egész bolygót vagy a Naphoz hasonló nagy csillagokat elpusztítani képes,
kozmikus katasztrófákat, hatalmas, teljes naprendszereket elnyelő fekete
lyukakat, egymással ütköző neutroncsillagokat, egész galaxisokat szétzúzó
relativisztikus jeteket (relativisztikus anyagsugarakat) sikerült már
megfigyelni. Ez a tudás még nem vált a közgondolkodás részévé, és a kozmosz
nagy anyagi struktúráinak tartós fennmaradásával kapcsolatos, az emberiséget
évezredek óta kísérő előítélet még mindig széles körben elterjedt.”
„A nagy anyagi struktúrák szinte örök élete” Meglepő tétellel indul: „Egy
bolygó, egy naprendszer, egy galaxis élettartamát évmilliárdokban mérjük. Ez az
időlépték annyira eltér az általunk megszokott időtartamoktól, hogy még
elképzelni is csak nehezen tudjuk. Az ilyen aránytalanul nagy, a csillagászati
objektumokat jellemző időtávok magyarázata az őket alkotó anyagok atommagjainak
szerkezetében és a világegyetem
hőmérsékletének időbeli alakulásában rejlik.” A magyarázat indítása: „[Az
égitestek alkotó anyagai] protonokból és neutronokból állnak; hihetetlen ellenálló képességük e parányi
részecskék szilárd szerkezetéből adódik. Mindkettő a gluonok által
összetartott up és down kvarkokból áll, egyetlen kis különbséggel: a proton
töltéssel rendelkezik, míg a neutron semleges, továbbá a proton tömege
valamivel alatta marad a neutronénak. E
tulajdonság fontos következménnyel jár a nagy anyagszerkezetek stabilitása
szempontjából: a protonok nem bomolhatnak neutronokra és elektronokra, mert
ez a bomlás sértené az energiamegmaradás törvényét. Más, elméletileg lehetséges
bomlásokat soha nem jegyeztek fel. Egyszóval a protonok mai tudásunk szerint örök életre – vagy legalábbis a
világegyetem jelenlegi korát nagyságrendekkel meghaladóan hosszú időre – vannak
ítélve.
Az ősrobbanás utáni első percekben keletkezett protonok több
száz millió évig szabadon kóborolhattak, mielőtt összetömörültek, és
megalkották volna a legkorábbi – évmilliárdokkal később az első galaxisokban
csoportosuló – csillagokat. Ez a hatalmas
ősproton-populáció még mindig itt él körülöttünk, táplálja az égboltot
beragyogó csillagok megszámlálhatatlan sokaságát, és építi a bennünket és
környezetünket alkotó atommagokat. Ezzel szemben a neutronok szabadon, vagyis az atommagtól elszigetelve, néhány órán
belül szinte mind elpusztulnának. Mégis megmenekülnek ettől a szomorú
sorstól, mivel a protonokkal összekapcsolódva a különböző elemek atommagjait
alkotják. Az atommag kényelmes burkában azzal vannak elfoglalva, hogy az erős
kölcsönhatás maradványait kicseréljék a többi neutronnal és protonnal, és arra
összpontosítva, hogy tapadásukat minden máshoz ne veszítsék el, nem tudnak lebomlani.
Az erős kölcsönhatás
által összetartott, három könnyű kvark szerkezete különösen robusztus. A proton
teljes tömege annak a kötésnek félelmetes energiájából származik, amelyet a kvarkok
között kölcsönhatásba lépő gluonok hoznak létre. A nagyjából 1 GeV kötési
energia azt jelenti, hogy a komponenseket
összetartó ragasztó hihetetlenül erős. A kis struktúra felépítése tökéletes
– a természet nem fukarkodott az ötletekkel: a szerkezete szilárd, és a
legsúlyosabb perturbációkkal szemben is ellenálló. Egy ennyire jól összetartott
szerkezet szétrombolásához igen nagy energiájú részecskékre vagy iszonyatosan
magas hőmérsékletre van szükség. A kozmoszban léteznek ugyan részecskéket akár
nagyságrendekkel nagyobb energiára felgyorsítani képes mechanizmusok, de az
ilyen jelenségek ritkák. Ezeknek a protonok és neutronok szétzúzására képes,
hatalmas energiájú részecskéknek a természetes áramlása meglehetősen gyenge,
így a csillagok és a nagy égitestek
anyaga zavartalanul túlélheti az idő múlását.
A hő – mégpedig valami irdatlan nagy hő – képes lenne
feltörni azt a bűvös dobozt, amelyben a kvarkok elrejtőztek. Csakhogy ehhez
ezermilliárd fokig kellene hevíteni őket. Márpedig ez még a legnagyobb tömegű
csillagok esetében is lehetetlen, hiszen ezek belső hőmérséklete soha nem
haladja meg a néhány száz millió fokot. A nagy égitesteknek ez a tulajdonsága,
nevezetesen, hogy korszakokat élnek túl, és a hőmérséklet és a nyomás
szokványos változásai nem zavarják meg őket – nos, itt a gyökere annak a tévhitnek, hogy a hatalmas anyagi struktúrák
tartósan fennmaradnak, sőt örökkévalóak. Ez a felfogás a 20. század eleje óta
jutott válságba, amikor is a tudósok kezdtek számot vetni az élettelen anyag
mulandóbb formáival. Felfedezték az anyagi állapotoknak egy olyan átmeneti
világát, amelyben még a legszerencsétlenebb rovar, a kérész röpke élettartama
is irigylésre méltóvá válik mellettük.”
„Az anyag legmúlékonyabb formáinak semmivé foszló világa” Ebből
itt csak ennyit: A „nagyon nehéz elemek” radioaktív bomlásáról, továbbá
csúcstechnikákkal mesterségesen előállított új elemek instabilitásáról szól a
kifejtés:
„A hétköznapi anyagot és a világegyetem anyagi összetételét a maga egészében
szabályozó törvények alapos megértése érdekében a fizikusoknak be kellett
járniuk a rövid ideig fennmaradó anyag világát, és rekonstruálniuk kellett
annak minden jellemzőjét. A régmúlt idők sámánjaihoz hasonlóan, akik az
illúziók és az álmok világába behatolva szerezték meg a tudásukat (?? – OP), a
modern tudósok is úgy fedezték fel a természet legmélyebb szimmetriáit, hogy
bemerészkedtek a leghamarabb semmivé foszló és legtünékenyebb anyagi állapotok
fantazmákkal teli világába. (Másutt Tonelli is utal rá, hogy az utóbbiaknak ehhez
a legmodernebb technológiákra támaszkodó kutatási módszereket kell
kifejleszteniük. – OP)
„Az elemi részecskék
standard modellje az anyag különös, rövid átlagéletű állapotaira is kiterjeszti
a közönséges anyag magyarázatát lehetővé tévő megközelítést. A modell
általánosítása a kvarkok három családját tartalmazza. Az elsőt már ismerjük: a
protonokat és a neutronokat alkotó két up és down kvark. A másik két család
sokkal nehezebb kvarkokat tartalmaz, és meglehetősen szokatlan nevekkel
illették őket. A második családot a ritka kvark (strange quark, a töltése –1/3)
és a bájos kvark (charm quark, a töltése + 2/3) alkotja; mindkettő nagyon
nehéz. A bájos kvark súlya meghaladja még a protonét is, a tömege pedig
többszázszor nagyobb a könnyű kvarkokénál. A harmadik családba tartoznak a
kategória bajnokai: az alsó kvark, más néven szépséges kvark (bottom quark vagy
beauty quark, a töltése –1/3), valamint a felső kvark (top quark, a töltése +
2/3). A felső kvarknak a legnagyobb a súlya ) inkább tömege – OP) a
kategóriában: több mint 170 GeV, akárcsak egy aranyatomé. Az up és down
kvarkhoz hasonlóan a másik két család kvarkjai is rendelkeznek elektromos
töltéssel, gyenge kölcsönhatással és színtöltéssel.” (Eretnek megjegyzés: a
kvarkokra aggatott fura osztályozó jelzők mintha arról árulkodnának, hogy a tudomány
még nem tud róluk annyit, hogy valamely saját megkülönböztető tulajdonságukkal
nevezze el őket. – OP)
És jő az antianyag: „A
standard modell által tartalmazott valamennyi részecske esetében mindig
figyelembe kell vennünk azok megfelelő antianyagpárját is. Ez olyan
részecske, amelynek azonos a tömege, és néhány ellentétes kvantumszámmal
rendelkezik, beleértve az elektromos töltést is. Így például az anti-up
kvarknak ugyanakkora a tömege, mint az up kvarknak (kb. 2 MeV), de a töltése
–2/3.
Az antianyag létezését
elsőként Paul Adrien Maurice Dirac angol fizikus jósolta meg. 1928-ban egy
– később a történelembe bevonult – egyenlet megoldásai között figyelmes lett
egyre, amely mintha egy pozitív elektron mozgását írná le,
egy olyan részecskéét, amely nagyon hasonlít az atommagok körül keringő, de
ellentétes töltésű részecskéhez. Kezdetben a legtöbben matematikai kuriózumnak
tartották, mígnem a kozmikus sugárzással kapcsolatos kísérletei során egy
fiatal amerikai fizikus valami nagyon furcsát vett észre. 1932-ben az akkor 27
éves Carl David Anderson a kozmosz legmélyéről érkező titokzatos részecskeáram
összetételét próbálta megérteni, és valósággal összezavarodott: több száz
ismert részecske között talált egyet, amely rendelkezett az elektron valamennyi
tulajdonságával, nem számítva, hogy a töltése pozitív volt.”
Ismerkedő utunk itt erőszakos véget ér. Még nem ismert az az
alagút-effektus, amellyel, a beszámolót folytatandó, áthatolhatnánk a
terjedelmi korláton. Így a legizgalmasabb részek felfedezését meghagyjuk az
Olvasónak. Nagyon megéri!