Kitekintés
Fizika: múlt, jelen, jövő
A brit fizikus egyesület folyóirata tavaly hét kérdést tett fel 250 fizikusnak. A válaszokat a lap decemberi számában elemezték. 130 érdemi választ kaptak, ezek egy része előrelátható volt, de esetenként kaptak meglepő, gyakran gondolatébresztő és néha filozofikus válaszokat is. A felkérésnél igyekeztek egyensúlyt teremteni az elméletiek és a kísérletiek, a férfiak és nők, a fizika különböző ágai és a világ országai között.
Az első kérdés: mi volt a három legjelentősebb felfedezés a fizikában? A válaszok között újra és újra három kulcsfelfedezést emeltek ki: kvantummechanika, Einstein speciális és általános relativitáselmélete, newtoni mechanika és gravitáció. Mindhárom esetben a kérdéses felfedezés nemcsak a fizika éppen érintett területén idézett elő forradalmat, hanem olyan mély és általános keretet szabott meg, hogy minden későbbi fizikai elméletet e keretek között kellett megfogalmazni.
Newton mozgástörvényeit és a gravitációt azért választották, mert együttesen az első nagy áttörési kísérletet jelentik abba az irányba, ahol a fizika törvényei a matematika nyelvén írhatók le, és e törvényeket kísérletekkel lehet ellenőrizni. Einstein speciális és általános relativitáselmélete teljesen felfordította a teret és időt univerzálisnak és megváltoztathatatlannak valló korábbi felfogást, és olyan meglepő új világot állított helyébe, melyben a tér és idő nem szilárd, hanem alakítható. A szintén nagyon népszerű választást, a kvantummechanikát "minden idők legradikálisabb változást hozó fizikai felfedezésének" nevezték. A kvantummechanika teljesen felfordította az okság, az objektivitás és a kísérletek megismételhetősége klasszikus fogalmait, ezek helyett a természet lényegéhez tartozó spontaneitást vezette be. Sokan azt is kiemelték, hogy a kvantummechanika nemcsak elegáns és hatékony, de kiemelkedően hasznos is. Végül is a kvantumelmélet vezetett el a félvezetők, tranzisztorok, lézerek kifejlesztéséhez, de ide sorolhatjuk az egész mikroelektronikai ipart is.
Sokan választották az elektromosság és mágnesség egyesítését, Maxwell munkásságát, mivel az elektromágnesség és a newtoni fizika összeegyeztethetetlensége vezetett el a speciális relativitáselmélet kidolgozásához. Ugyancsak sokan említették a legfontosabbak között annak felismerését, hogy minden anyag atomokból áll. Többen olyan egyedi felfedezéseket jelöltek meg, melyek új forradalmakhoz nyitottak utat a fizikában: Planck kvantumhipotézise, a radioaktivitás felfedezése, a világegyetem tágulásának felismerése, a fénysebesség állandósága, az elektron felfedezése, az atommag felfedezése, a DNS szerkezetének feltárása. A megemlített felfedezések között a legfrissebb a neutrínó tömegéről 1998-ban szerzett bizonyíték volt.
A 2. kérdéssel arra kerestek választ, hogy melyik öt fizikus tette a legnagyobb hozzájárulást a fizikához? 61 fizikus kapott legalább egy szavazatot; nem meglepetés, hogy Albert Einstein került a lista élére 119 szavazattal. Einstein speciális és általános relativitáselmélete mindörökre megváltoztatta a fizikát, forradalmian megváltoztatta tér- és időszemléletünket. Még olyan "kisebb" eredménye, mint a fotoelektromos hatás magyarázata is elég lenne ahhoz, hogy minden idők legnagyobb tudósai közé soroljuk. Isaac Newton a 2. helyre került 96 szavazattal. Az ő mechanikai és gravitációs törvényei a klasszikus fizika hatalmas területeinek képezik alapját, ezen felül jelentősek optikai, fény- és hőtani eredményei. Newton talán azért kapott kevesebb szavazatot, mint Einstein, mert több válaszoló saját választását a 20. századra korlátozta. Mások meg úgy tartották, hogy a listán 6. helyezett Galileinek jár elismerés, mert előkészítette Newton felfedezéseit. A 3. helyen James Clerk Maxwell skót fizikus végzett, aki négy híres egyenletével az elektromosság és mágnesség két évszázad alatt összegyűlt kísérleti felfedezéseit írta le, sikeresen egyesítve a két jelenséget egyetlenné, elektromágnességgé. Maxwell kulcsszerepet játszott a kinetikus gázelmélet kidolgozásában is, kortársához, a listán 11. helyezett Ludwig Boltzmannhoz hasonlóan. Boltzmann fektette le a statisztikus fizika alapjait, megalkotta az entrópia fogalmát, és sokat tett annak kimutatására, hogy minden anyag atomokból áll.
A vezető 15 fizikus között öt olyan található, aki a 20. század elején a kvantummechanika kidolgozásán munkálkodott (4. Niels Bohr, 5. Werner Heisenberg, 8-9. Paul Dirac és Erwin Schrödinger, 11. Max Planck). Sokan nehéznek találták, hogy egyetlen nevet kiemeljenek ebből a csoportból. Dirac dolgozta ki sikeresen a relativisztikus kvantumelméletet és ő jósolta meg az antianyag létezését, mégis Bohr került ennek az alcsoportnak az élére, 47 szavazata a 4. helyre tette. Bohr ismerte fel, hogy az atomban az elektronpályák kvantáltak. Sok éven át ragaszkodott "félklasszikus" atomfelfogásához, mégis ő inspirálta Heisenberget és Schrödingert a kvantumelmélet mátrix- és hullámelmélet változatának kidolgozására.
A 10. helyre sorolt Rutherford híres kísérlete mutatta meg, hogy az atomnak magja van. Rutherford munkája nyitott teret az egész magfizikának, végső soron az atomenergia felszabadításának. E területeken, mások mellett, a 14. helyre sorolt sokoldalú Enrico Fermi is dolgozott. Marie Curie fedezte fel a rádium és polónium elemeket, számos magfizikai eredményt ért el - 6 szavazattal a 15. helyre került a listán. Rajta kívül csak egyetlen nő kapott még szavazatot: Cecilia Payne-Gaposchkin brit születésű asztrofizikus. Ő fedezte fel, hogy fantasztikusan egyforma a csillagok összetétele és a hidrogén minden más elemnél milliószor gyakoribb a világegyetemben.
A vezető 15 között a legmodernebb fizikus Richard Feynman (1988-ban halt meg), aki sokat tett a kvantum-elektrodinamika, az elektromágneses kölcsönhatás kvantumelméletének kidolgozásáért. Az első 15-ben kapott helyet (a 11. helyen), Boltzmannal holtversenyben Michael Faraday, aki 1821-ben felfedezte, hogy az áram mágneses térben forgató hatást vált ki. Ez a felfedezés készítette elő Maxwell elméletét és az elektromotornak, a modern ipar egyik alapeszközének a megalkotását.
A szavazatot kapott 61 fizikus közül 11-en még ma is élnek. A magfizikus Hans Bethe vezeti ezt a csoportot 3 ponttal.
A 3. és 4. kérdés összefügg: Mi a legnagyobb megoldatlan probléma az ön szakterületén? Mi a legnagyobb megoldatlan probléma a fizika többi területén? Mindkét válaszsorozatot három széles terület uralta: a részecskefizika (beleértve a kölcsönhatások egyesítését, a kvantumgravitációt, a minden elméletét stb.), az asztrofizika (ősrobbanás, sötét anyag, kozmológiai állandó) és a kvantummechanika misztériumai. A kvantumfizika legnagyobb megoldatlan problémája az a kérdés, hogy valójában mit ír le az elmélet. Mi a megfigyelés? Mi az információ?
Mindkét válaszsorozatban felbukkantak más problémák is, például a klímaváltozás, a fúziós energia, az atommag szerkezete, a Nap mágnessége. Sok válaszoló a kondenzált anyagok fizikájából hozott problémákat, leggyakrabban a magas hőmérsékletű szupravezetés eredetét említették. Szerepelt a turbulencia, olvadás, az üvegátmenet és a folyadékszerkezet problémája is. Gyakran említett téma a komplexitás is, a fizikai gondolatok alkalmazása egyre nagyobb és egyre bonyolultabb struktúrákra, végső célként az agyra és élő szervezetekre. Az új határ, melyről semmit sem tudunk, hogyan lehet egységes módon leírni a egyensúlytól távoli összetett rendszereket. Ilyen rendszerek a homokdomboktól a biológiai sejtekig, számítógépekig sokfelé előfordulnak, de nem világos, hogy alkalmazhatók-e és hogyan alkalmazhatók rájuk a statisztikus mechanika elvei. Az atomfizika talán visszafordul, miután eljutott az egyes atomokhoz, az egyes fotonokhoz, az egyes kvantumállapotokhoz, és megpróbál sokkal összetettebb rendszereket ellenőrzése alá vonni. Ennek egyik oldala a kvantumszámítógép. Teller Ede véleménye: "Úgy tűnik, hogy a fizika nagyjából teljes magyarázatot tud adni mindenre, kivéve az életet. Lehet, hogy az élet megértése teljesen új megközelítést igényel?"
Sok válaszoló az első kérdésre adott válaszában hangsúlyozta annak fontosságát, hogy univerzumunk megérthető fizikai törvények alapján, de súlyos kérdések maradtak nyitva ezeknek a törvényeknek a természetét illetően. Milyen mértékben egyedülállóak a fizika törvényei? Vannak-e más törvények által kormányzott más univerzumok? Az ismert univerzum érzékeny a részecskék és erők tulajdonságainak viszonyára. Ha csak néhány százaléknyival is más lenne a kölcsönhatások erőssége vagy a részecskék tömege, akkor a csillagokban nem égne tűz és a világegyetem a maitól nagyon nagyon eltérő hely lenne. A húrelmélet magyarázatot ad a részecske és erő tulajdonságokra? Meg tudja magyarázni, hogy miért ilyen a világegyetem?
Érdemes F. Wilczek elméleti részecskefizikus figyelmeztetését idézni: "Nem szeretem ezt a kérdést, mert veszélyes tendenciát bátorít. A tudományban észben kell ugyan tartanunk a "legnagyobb" megoldatlan problémát, de a gyakorlatban egyensúlyozni kell a probléma belső nagyszerűsége és saját megoldási képességünk között." Galileit hozta fel példának. "Galileit körülvették a teológia, az arisztotelészi filozófia nagy professzorai, akik a világegyetem természetének, az élet értelmének és hasonlóknak "legnagyobb" kérdéseivel foglalkoztak hosszú tanulmányaikban. De Galilei sokkal tartósabb hatást fejtett ki azzal, hogy tanulmányozta és pontosan megértette, hogyan gurul le egy golyó ferde síkon."
Fizikát tanulna, ha idén kezdené az egyetemet? - szólt az 5. kérdés. A megkérdezett fizikusok óriási többsége megelégedett tárgyával. A válaszadók mintegy 70%-a fizikát tanulna, ha ma kezdené az egyetemet, 13% nem döntött vagy határozatlan volt. Csak 17% mondta, hogy nem a fizikát választaná. Voltak köztük olyanok, akik azon az alapon válaszoltak, hogy kapnak egy második életet, mert fizikára egy élet elég volt. Ahogy egy japán fizikus megfogalmazta: "Túl keményen dolgoztam. Legközelebb élvezni akarom az életet." Sokan panaszkodtak arra a növekvő stresszre, amit az alapkutatásoktól a finanszírozók által megkövetelt "fontosság" és annak igazolása okoz. Többek szerint a fizika ma egyszerűen túl nagy, a bevezető időszak túl hosszú ahhoz, hogy fiatal kezdők hatást gyakorolhassanak. A "nem" vagy "talán" válaszokat adók többségét a biotudományok vonzzák. Mások a számítástudományban látják a jobb választási lehetőséget.
Ha most kezdene fizikai kutatásokhoz, melyik területet választaná? - tudakolta a 6. kérdés. A válaszadók között - több mint kettő az egyhez arányban - többségben voltak azok, akik ma kis ugyanazt a területet választanák. Nehéz a véleményeket osztályozni, talán a csillagászok és az asztrofizikusok maradnának legszívesebben ugyanazon a területen. "A világegyetem tanulmányozása lesz a főtéma a fizikában a 21. században." "Az emberek számához viszonyítva az asztrofizikában és kozmológiában akad a legtöbb probléma, mostanában nagyon lenyűgöző a felfedezések gyakorisága." Az asztrofizika és kozmológia más területen dolgozó fizikusok számára is vonzó.
Sok válaszoló azonban inkább a biológiai tudományok felé fordulna, úgy érzik, itt sokkal gyorsabban és sokkal könnyebben tudnának komoly eredményeket elérni. A fizika központi diszciplínái körül túl sok ember zsúfolódott össze és túl kevés gondolatot követnek. Biológiai területre alkalmazott fizikát választanék, ahol a divatos gondolatok távol esnek a fizikától, fogalmazta meg álláspontját az egyik válaszadó. Itt sokkal gyorsabb az ütem, gyorsan jönnek az új módszerek, nagyobb annak az esélye, hogy komoly eredményt lehet elérni. Mások szerint a 21. században a fizika, biológia és a számítástudomány közti területek tartoznak majd a legígéretesebbek közé.
A legbecsületesebb értékelést John Ziman, a Bristol University emeritus professzora adta: "Azt választanám, ami először megragadta az érdeklődésemet és figyelmemet, mivel ha már az ember belemerül, minden kutatási terület egyaránt vesződséges és unalmas, ugyanakkor minden kutatási terület egyformán magával ragadó és szívderítő." Ki tud ezzel vitába szállni?
A 7. kérdést szándékosan provokatívra fogalmazták a szerkesztők: Stephen Hawking szerint 50% az esélye annak, hogy a következő húsz évben egy teljes egyesített elméletre találunk. Egyetért azzal, hogy látótávolságban van az elméleti fizika vége? A szinte kórusban felhangzó válasz határozott nem volt. A legáltalánosabb kritikát az váltotta ki, hogy a természet négy alapvető kölcsönhatását egyesítő elméletnek, a minden elméletének megtalálását a kérdezők azonosították az elméleti fizika végével. Néhány elméleti fizikus egyetértett Hawking felfedezési esélylatolgatásával, de többek szerint 50-100 évre lesz szükség. Húsz év elegendő lehet annak bizonyítására, vajon a szuperhúr elmélet mindennek az elmélete-e vagy a semmi elmélete, középút nincs.
Végtelenül naiv az az elképzelés, hogy az utolsó téregyenlet papírra vetésével véget ér a fizika. 1865-ben például Maxwell elkészült az elektromágneses téregyenletekkel, amikor Ampére törvényéhez illesztette az eltolási áramot. Ez az elektromágnesség kezdete volt, nem a vége. Amikor Schrödinger és Dirac felírta a kvantummechanika hullámegyenletét, ez a kvantummechanika kezdete és nem a vége volt. Amikor Einstein felírta az általános relativitás egyenleteit, akkor a modern gravitációelmélet és kozmológia megkezdődött és nem véget ért.
Többen kiemelték, hogy a minden elméletének felfedezése csak kis hatással lesz a fizika többi részére. Óriási áttörés lesz az egyesített elmélet, de ez nem fog sok fontos problémát megoldani a kondenzált anyagok fizikájában, a biofizikában, az asztrofizikában és így tovább. Biztosan nem fog sokkal világosabb képet adni az élet vagy az intelligencia eredetéről. A redukcionizmus látványosan kudarcot vallott, a minket körülvevő makroszkopikus jelenségek megértéséhez nem indulhatunk ki a húrokból. A leírás minden szintjének megvan a saját logikája, matematikája és fenomenológiája. Ha meg is születik az egyesített elmélet, hatalmas tennivaló halmaz marad.
Vera Rubin asztrofizikus írta: "Ha még hinnénk is abban, hogy húsz év múlva minden ismert lesz a fizikában, hitem szerint a későbbi felfedezések és csillagászati megfigyelések meg fogják mutatni, hogy tévedtünk. De éppen ez adja a tudomány szépségét. Nehéz azt hinni, hogy ötszáz év múlva néhány elképzelésünket nem a 'zseniális, de primitív' osztályba sorolják."
Physics World, 1999. december
Jéki László