KÉRDÉSEK

 

A gondolkodni tudó emberek kialakulásuk óta kérdéseket tesznek fel a körülöttük lévő világra vonatkozóan. Ezeket a kérdéseket előbb-utóbb meg is válaszolják, de paradox módon egy kérdés megválaszolása nem csökkenti a megválaszolatlan kérdések számát, hanem növeli. A kérdések részben az észlelhető jelenségekre vonatkoznak, részben az elképzeltekre.

 

Az ember természetesen először a saját méretéhez (méter ) hasonló nagyságú tárgyakat, jelensé-geket tudta megfigyelni, hosszú időn keresztül így a megfigyelés szűk mérettartományra korlátozódott. Ez a 10-es számrendszert használva a kisebb méretek és a nagyobb méretek felé haladva is 3-3 nagyságrendet jelentett. (mm-től a km-es méretekig). A megfigyelési határ csak lassan nyílt szét, majd a tudomány és technika fejlődésével ez felgyorsult. Érdekes módon lefelé és felfelé közel azonos mértékben, a mikroszkópok és távcsövek segítségével. Ma mindkét irányban kb. 25 nagyságrendnél tartunk a méterhez viszonyítva: a jelenleg ismert legkisebb elemi részecske méretétől a legmesszebb észlelt galaxis távolságáig.

 

A világegyetem felépítése a megismerési folyamat során fokozatosan öltött testet: egy végeláthatatlan építőjáték szerint a végtelenül kis méreteknél megismert elemi részek építik fel a végtelenül nagy méretű égitesteket is. Mind az elemi részek világát, mind a kozmoszt ugyanaz az anyag tölti ki, ugyanakkor végtelen változatossággal, végtelen kölcsönhatással és végtelen önszerveződéssel. A mai ismereteink szerint az elemi részektől a galaxisokig az önszerveződést a kölcsönhatásokra és a szerkezeti elemek tulajdonságaira vonatkozó természeti törvények szabályozzák. Ezek a ma még csak részben ismert, külön-külön területekre vonatkozó törvények talán egy általános természettörvény részei, és a tudásunk talán egyszer elvezet ennek az általános törvénynek a megismeréséhez.

 

A megismerés folyamata sok meglepetést tartogatott. Az első természettörvények a közvetlen érzékelés tartományába tartoztak, és könnyen megérthetőek voltak: a mechanika szabályai logikusak, könnyen felfoghatóak. És bár minden általános tételt, szabályt, törvényt az egész világegyetemre érvényesnek gondoltunk, kiderült, hogy mindegyik csak bizonyos feltételek teljesülése esetén igaz. A felfedezésük pedig pontosan azért történhetett meg, mert az ember által észlelt körülmények véletlenül (?) éppen ezeknek a feltételeknek felelnek meg, vagy pedig a méréseink nem elég pontosak. Nyugodtan mondhatjuk, hogy minden eddig kigondolt szabály, törvény, elmélet csak ideiglenes. Az hogy pillanatnyilag több tény is bizonyítja a helyességét, még nem jelenti, hogy holnap nem találunk egy ezt cáfoló jelenséget. Minden elmélet addig marad érvényben, amíg az újabb felfedezett jelenségek megfelelnek neki.

Egy példa: a háromszög belső szögeinek összege 180 fok. Ez a szabályt évezredek óta ismerjük és használjuk, még ma is, pedig már 90 éve tudjuk, hogy csak akkor igaz, ha a háromszög sík felületen fekszik, és az oldalai egyenesek. A világegyetemben azonban ezek a feltételek gyakorlatilag nem teljesülnek. Minden felület görbül, és még a fény sem halad egyenes mentén. Ettől függetlenül a nem abszolút igaz szabály nagyon jól használható a geodéták és mérnökök számára.

 

A világegyetem megismerése apró részismereteken alapul. Minden természeti jelenséggel kapcsolatban felmerülnek kérdések, amelyek megválaszolása létrehoz egy szabályt vagy törvényt.

Ez néha nem a természet megfigyelésén alapul, hanem kísérleten vagy matematikai számításon.

Az ismeretek gyarapodása után jön valaki, aki megpróbálja azokat összegezni, egy nagyobb területre kiterjedő elméletet, vagy világképet alkotva. Ilyen volt Arisztotelész, Newton, Einstein.

 

A természet megismerésekor feltett kérdések általában két tipusúak: hogyan és miért ?

Egy példa: ha a kézben tartott testet elengedjük, az mindig a föld felé esik. Ebből két kérdés adódik: hogyan mozog és miért esik le. Az elsőre Galilei azt mondta, hogy a leejtett test egyenletesen gyorsulva esik, függetlenül a tömegétől. A másodikra Newton adott választ a gravitációs törvénnyel.

 

Jelenleg nagyon sok elmélet még csak a "hogyan"-ra ad választ, a "miért"-re adott válasszal adós marad. Nagy kérdés azonban, hogy az eddig adott válaszok megfelelnek-e a valóságnak, vagy csak a jelenlegi ismereteink alapján felállított elméletek, amelyeknek semmi közük a világegyetem működéséhez.

 

 

A VILÁGEGYETEM MEGISMERÉSE

 

Manapság a tudósok alapvetően két összesített elmélet segítségével igyekeznek magyarázni a világegyetem mozgását: az egyik a kvantumfizika, a másik a relativitáselmélet. Mindkét tudományos elmélet a XX. század terméke. (A harmadiktól, az élőlények természetes kiválasztódásán alapuló fejlődéselmélettől tekintsünk el.)

 

A kvantumfizika az elemi részek fizikája, az egészen kicsi mérettartományban lejátszódó jelenségekkel foglalkozik. Bár már a görögök is feltételezték, hogy az anyag nem folyamatosan osztható, hanem kis részecskékből (atomokból) tevődik össze, csak 100 évvel ezelőtt tudtuk bizonyítani az atomok létezését. Ezt követően gyorsan kiderült, hogy az atom is tovább bontható, és az elektron, proton és neutron felfedezésével jól magyarázhatóvá vált az atomok és molekulák működése, a kémiai jelenségek egyértelművé váltak. Magyarázhatóvá váltak az elektromosság és mágnesesség már régebben ismert jelenségei is.

50 évvel ezelőtt kiderült, hogy az addig elemi részeknek gondolt proton és neutron sem megbonthatatlan. Az újabb "elemi" részek, a kvarkok felfedezésekor már gondolni lehetett, hogy csak idő kérdése az egyre kisebb építőelemek létezésének bizonyítása, az elemi részek táborának növekedése. A nehézséget az okozza, hogy minél kisebb szinten vizsgálódunk, annál nagyobb energiára lenne szükség. Az egyes részecskék mozgását, átalakulását, bomlását vagy osztódását a közöttük ható erők szabályozzák, amelyek az újabban megismert vagy csak még feltételezett részecskék esetében olyan nagyok, hogy vizsgálatukra nem képes a jelenlegi tudomány. (Ez a magyarázata annak, hogy miért olyan nehéz fúziós erőművet létrehozni.)

Már az elektromágneses erők is lényegesen nagyobbak, mint a legrégebben észlelt erő, a gravitáció. Két elektron között az elektromágneses vonzóerő 42 nagyságrenddel nagyobb (1 után 42 db 0 ), mint a közöttük fellépő gravitációs vonzás, a legújabb elemi részecskék között ható erők pedig további 14-20 nagyságrenddel erősebbek. Így ezek vizsgálatához olyan nagy részecskegyorsító kellene, aminek megépítésére az emberiségnek még reménye sincs. Megoldás lehetne az olyan természeti környezetben való vizsgálódás, ahol ezek a nagy energiák eleve adottak, például egy neutroncsillag belsejében. Ez azonban eleve kivitelezhetetlen.

A kis részecskék vizsgálatának másik problémája, hogy megfigyelésük eleve csak bizonytalansággal végezhető, hiszen a méretük, helyzetük, mozgásuk meghatározásához információt kell gyűjteni róla, ami már eleve megváltoztatja az eredeti állapotát.

Marad az elméleti kutatás, a matematikai számításon alapuló elméletek felállítása, a számításokon alapuló jelenségek megjósolása.

A kvantummechanikában a részecskéket összekötő erők lehetnek vonzók vagy taszítók. Ugyanúgy, mint Arisztotelész szerint, aki azt állította, hogy négy elem létezik (föld, víz, levegő, tűz), és kétféle erő: a föld és a víz esetében lefelé ható, a tűz és a levegő esetében felfelé emelő.

 

A relativitáselmélet szintén új megvilágításba helyezte a természet kérdéseit. Ennek az elvnek a megalkotójaként egyetlen embert, Einstein-t szokták megnevezni, bár nyilván ö is támaszkodott az elődei tudományos elméleteire. Annak ellenére, hogy az elmélet megalkotása óta eltelt 90 év alatt csak kevesen értették meg minden részletét, alapvetően megváltoztatta a világegyetemről meglévő elképzelésünket, és több állítását igazolta gyakorlati megfigyelés.

A relativitáselmélet a térről, az időről és a gravitációról szól. Ebben a körben az első komoly lépéseket Newton tette meg, aki a mozgástörvényeit már nem csak spekulációra alapozta, hanem a természetben elvégzett mérésekre. Kimondta, hogy a testek állapota csak akkor változik meg, ha valamilyen hatás (erő) éri.

Vagyis a mozgó test csak akkor lassul vagy gyorsul, ha erő hat rá, és a mozgó testen ülve ugyanazt a jelenséget tapasztaljuk, ha a hatás a környezet mozgását változtatja meg. (Mindegy, hogy az autó halad az úton, vagy az út megy az autó alatt.) Ebből következik az is, hogy a természetet nem úgy kell vizsgálni, hogy egy nyugalomban lévő helyről nézzük a jelenségeket, mert nincs nyugalomban lévő pont. Ha valaki a vonaton állva leejt egy golyót, akkor azt látja, hogy a golyó függőlegesen esik a föld felé, a vonat mellett álló ember viszont azt látja, hogy a golyó ferdén a menetirány felé esik. És fordítva: ha valaki a vonat mellett állva leejt egy golyót, akkor azt látja, hogy a golyó függőlegesen esik a föld felé, a vonaton lévő ember viszont azt látja, hogy a golyó ferdén a menetiránnyal ellentétes irányba esik. Amikor kiderült, hogy a fénynek is van terjedési sebessége, mindenki biztos volt abban, hogy ez a terjedési sebesség szintén attól függ, hogy a fényt kibocsátó test hogyan mozog.

Einstein előtt mindenki biztosra vette, hogy az idő abszolút és mindenki számára azonos. Vagyis: a mozgó vonat ugyanannyi idő alatt teszi meg két oszlop közötti távolságot akkor, ha valaki ezt az időt a vonaton ülve méri, mint ha a vonat mellett állna. Ezzel szemben Einstein abból indult ki, hogy a fénysebesség állandó, az idő viszont relatív, nagyobb sebesség és nagyobb tömeg mellett lassabban telik. Ebből kiindulva több dolog következett:

- semmilyen test nem mozoghat gyorsabban a fénytől

- a sebesség növekedésével nő a test tömege

- a fény a világűrben nem egyenes vonalban terjed, hanem a gravitációtól függő útvonalat fut be

- a gravitáció meggörbíti a téridőt, és a fényhez hasonlóan minden test ezt a görbületet követi, ha más erő nem hat rá

 

 

LOGIKUS ÉS LOGIKÁTLAN ELMÉLETEK

 

Mai ismereteink szerint a világegyetem nem statikus, hanem állandóan változó, fejlődő. Ezt nem csak az bizonyítja, hogy egy mindenhonnan azonosnak látszó, mozdulatlan, nem fejlődő világegyetemben bármerre nézve egy csillag felszínét látnánk, tehát az égbolt minden egyes pontja olyan fényes lenne, mint a Nap felülete, hanem az is, hogy a csillagrendszerekről érkező fény frekvenciája eltolódik olyan irányba, ami ezen rendszerek távolodását bizonyítja. Mivel a távolodási sebesség egyenesen arányos a távolsággal, logikus az a feltételezés, hogy minden galaxis valamikor egy pontból indult el. Ezt nevezzük ősrobbanásnak, és ez valamikor 12-15 milliárd évvel ezelőtt lehetett. Ha ismerjük a galaxisok sebességét, és ismernénk a világegyetem tömegét, ki tudnánk számítani, hogy a gravitáció meg tudja-e állítani a tágulást ( és ezt követően egy összezuhanás következik ), vagy a tágulás állandóan csökkenő mértékben ugyan, de a végtelenségig folytatódik.

A tágulás persze magyarázható az ősrobbanás helyett azzal is, hogy a világegyetem minden pontjában folyamatosan keletkezik anyag.

 

Egy jó elméletnek az a sajátsága, hogy a jelenlegi viszonyok ismeretében le tudja írni a múltat és a jövőt. A probléma viszont az, hogy a jelenleg ismert természettörvények nem lehetnek érvényesek olyan viszonyok között, mint az ősrobbanás pillanata, amikor a világegyetem mérete nulla volt, sűrűsége és hőmérséklete pedig végtelen nagy. Szintén nehéz megválaszolni azt a kérdést, hogy az ősrobbanás óta keletkezhetett 12-15 milliárd fényévnyi sugarú gömbön kívül mi található. Ha nem foglalkozunk ezekkel a kérdésekkel, egészen jól le lehet írni a fejlődést:

Az ősrobbanás után 1 másodperccel a hőmérséklet kb. tízmillió fok volt, ami azt jelenti, hogy a magas energiaszinten csak foton, elektron, neutrínó és ezek antirészecskéje lehetett. Néhány másodperccel később a hűlés miatt stabilizálódtak azok az elemi részecskék, amelyek folyamatos bomlásához már nem volt elegendő az energiájuk. 100 másodperc múlva a hőmérséklet egymillió fokra esett vissza, ahol már létrejöhettek a deutérium és hélium atommagok. A világegyetem azóta folyamatosan tágul és hűl, jelenleg a hőmérséklete kb. 4 fok. A táguló térben a gravitáció hatására anyagcsomók jöttek létre, ezekből pedig a csillagok és a galaxisok.

 

De hogyan keletkeztek azok a nehezebb elemek, amelyek létrejöttéhez szintén nagy energiákra van szükség ? A nagy tömegű anyag gravitációs összehúzódása olyan nagy nyomást és hőmérsékletet hoz létre a csillagok belsejében, ami már alkalmas a nehezebb elemek keletkezéséhez, és a csillagfejlődés egyes fázisai szintén létrehozhatnak az anyagfejlődéshez szükséges körülményeket.

Így létrejöhetnek a világűrben azok az elemek, amelyek hosszú idő után valahol a bolygókat és az élőlényeket alkotják.

 

A világegyetem működésével kapcsolatos jelenlegi elvek:

- a felállított természettörvények egyetemesek, az egész univerzumban érvényesek,

- a világegyetemet alkotó anyag evolúción megy keresztül, az energiától kezdve a biológiai evolúcióig,

- a világegyetem az úgynevezett ősrobbanás óta vagy állandóan tágul vagy pulzál

- nagy távolságok esetében a gravitációs erő a meghatározó, az atomok méreténél az elektromágneses erő, az elemi részek méreténél pedig az un. gyenge és erős kölcsönhatások.

 

Az elmélettel kapcsolatban azonban fel lehet tenni sok kellemetlen kérdést:

- Mi volt az ősrobbanás előtt ?

- Ha a világegyetem legfeljebb a fénysebességgel tágulhat, mi van a határfelületén túl ?

- Hogyan lehet az, hogy minden irányban látunk olyan távolságra galaxisokat, ahonnét a fény 10-12 milliárd évvel ezelőtt indult el ?

- A világegyetem látható anyaga csak kb. 4 %, az úgynevezett sötét anyag (fekete luk, stb.) 30 %, de mi lehet a fennmaradó 2/3-ad rész ?

 

Ezek megválaszolására is születtek elméletek, ezek azonban már nem bizonyíthatók egyértelműen:

A relativitáselmélet szerint a nagy gravitációs tér lassítja az idő múlását, és meggörbíti a teret. Ez azt jelenti, az ősrobbanás pillanatában lévő végtelen nagy gravitációs térben az idő megáll, tehát nincs értelme azt kérdezni, hogy mi volt előtte. A világegyetem teljes tömege által keltett gravitációs tér pedig a háromdimenziós teret úgy meghajlítja, hogy a tér véges, de határtalan lesz. Hasonlóan a gömbfelülethez, ami egy meghajlított kétdimenziós felület, és szintén véges, de határtalan. (Megmérhető a nagysága, de soha nem lehet a végére jutni.)

 

Mindenesetre az elmélet szinte mindent meg tud magyarázni, amit jelenlegi tudásunk szerint ma észlelünk, és nagy előnye, hogy több állítását utólag lehetett igazolni (pl. azt, hogy a fény útját a gravitáció megváltoztatja, így a nap mellett elhaladó fénysugár iránya megváltozik). Van azonban az elméletnek több olyan állítása, ami a tudomány számára nem okoz problémát, az egyszerű logikus gondolkodás számára viszont igen:

- Nehéz felfogni, hogy az erők egy része vonzó. Racionálisan csak az elképzelhető, ha egyik test taszítja a másikat valamilyen közöttük lévő kapcsolattal, viszont a gravitáció és a különböző töltésű részek közötti elektromágneses erő vonzó. Az ember könnyen tudomásul veszi, hogy a kő lefelé esik és a mágnes zárja a szekrényajtót, azonban ez a tapasztalattól függetlenül nem bizonyítja a vonzó erőtér létezését. Lehet, hogy fizikailag ennek ugyanúgy nincs közvetlen köze a vonzóerőhöz, mint a villanyégő izzásának a kapcsoló felkapcsolásához. ( Látszólag egy kötél segítségével előlről

húzzuk az autót, azonban a valóságban a kötél egy része nyomja hátulról a megtámasztott felületet, pl. a vonóhorgot.)

 

- Az elmélet könnyen játszik a több dimenziós térrel, de a matematikai megoldáson kívül nehéz felfogni a 4, vagy 5 dimenziós teret. Erre persze könnyű azt mondani, hogy a gömbfelületen élő kétdimenziós lény sem tudja elképzelni a harmadik dimenziót jelentő lefelé és felfelé fogalmakat, de mi tudjuk, hogy a kétdimenziós gömbfelület is csak úgy lehet határtalan, ha három dimenziós térben görbül. Ha tehát azt állítjuk, hogy olyan három dimenziós (vagy az idővel bővítve négy dimenziós ) térben élünk, ami önmagába görbül, ez azt jelenti, hogy minimum négy dimenziós térben élünk, de csak hármat észlelünk. Ez pedig már inkább fantázia, mint tudomány.

- A mai elméletek szerint az elemi részek (foton, elektron) hol hullámként, hol részecskeként viselkednek, attól függően, hogy milyen tulajdonságát vizsgáljuk. Ha pedig valami egyszerre hullám és részecske is, akkor valószínűleg egyik sem, csak rosszul vizsgáljuk. A legvilágosabban látszik az elmélet furcsasága akkor, ha azt vizsgáljuk, hogy hogyan viselkedik a fény a növekvő gravitáció esetén, pl. egy képződő fekete lyuk felületén. A fénykvantumra ugyanúgy hat a gravitáció, mint bármely részecskére, tehát ha elhalad egy nagy tömeg mellett, a pályája elhajlik a tömegvonzás miatt. Így ha egy egyre nagyobb gravitációs térrel rendelkező test bocsátja ki, a fény sebességének is csökkenni kellene, ezzel szemben a relativitáselmélet szerint a fény sebessége állandó marad, viszont a hullámhossza megnő, vagyis egyre kisebb frekvenciájú fény keletkezik.

Amikor viszont a kibocsátó test eléri a fekete lyuk állapotot, a fény sem tudja többé elhagyni.

Arra, hogy a hullámnak látszó jelenség nem mindig hullám, jó példa a vízfelület, amelyet természetesen tömeggel rendelkező részecskék összességének fogadunk el, viszont egy beledobott kő hullámhatást okoz, pedig tudjuk, hogy ez nem más, mint a vízcseppek fel-le mozgása valamilyen erő hatására.

 

Nem lehetne olyan elméletet felállítani, ami elég egyszerű ahhoz, hogy ne csak néhány tudós értse, és ami elég logikus magyarázatot ad minden észlelhető jelenségre, beleértve az elemi részek fizikáját és a világegyetem fejlődését is ? Ami olyan világképet ad, ami nem csak matematikailag érthető, hanem fizikailag is, és nem kell hozzá igénybe venni a teremtéselméletet ?

 

 

"MINDENHATÓ" MATEMATIKA

 

Ha természettörvényekkel akarunk foglalkozni, először a matematikát kell megtanulnunk. A matematika évezredek óta az alapja minden tudásnak, és lehetővé tette azt is, hogy a törvényeket ne csak a tapasztalatok összegzése alapján alkossuk meg, hanem matematikai műveletek segítségével előre jósoljunk meg olyan jelenségeket, amit még nem tapasztaltunk. (pl. a fekete lyuk)

 

A matematika fejlődése és a természet megismerése kéz a kézben járt. Évezredekkel ezelőtt az algebra és a geometria a mindennapi élet szükségleteit szolgálta, a matematikai analízis, a valószínűség számítás már lehetővé tette a fejlettebb tudományos törvények megalkotását. Senki nem tagadhatja, hogy a matematika nélkül a természettudomány nem tartana a mai szinten, és nem volnának hidak, felhőkarcolók, űrhajók és számítógépek. Ahhoz még elég volt a tapasztalat és gyakorlat, hogy milyen irányba kell kilőni egy megfelelő nyílvesszőt ahhoz, hogy eltaláljunk egy 200 m-re lévő ellenséget, de matematika nélkül nem volna indítható egy rakéta 3.000 km-es célra. 

 

De a természet valóban a matematika által leírt törvények szerint működik ? A matematika egyáltalán része a természetnek ?

Az érthetőség kedvéért: azt mindenki tudja, hogy mit jelent az 1-es szám. De a természetben nincs 1, csak 1 alma, vagy 1 csillag. Ugyanígy egyszerű felfogni azt, hogy 1+1=2, vagy 2x1=2. Még azt is, hogy 1 alma + 1 alma = 2 alma. De mit kezdjünk azzal, hogy 1 alma + 1 körte = ? , vagy azzal, hogy 2 alma x 1 csillag = ?.

 

Ma a természet törvényeit csak matematikai jelek és képletek segítségével értjük meg. De mennyire követik ezek a képletek a valóságot ? A gyakorlat azt mutatja, hogy minden törvényt leíró képlet addig igaz, amíg a tudásunk el nem ér egy bizonyos szintet.

A matematika alkalmazásának van néhány kellemetlen hátránya, ami hátráltatja az elméletek megértését. Nehéz a természetben nem valós mennyiségeket elképzelni, és az sem könnyű, hogy ha egy jelenséget leíró egyenletben gyökvonás van, az eredmény lehet pozitív és negatív mennyiség egyaránt. A legnagyobb hátrány viszont az, hogy a matematika nem tud számolni a végtelennel. Ma pedig már lassan a megismerésben haladunk a végtelen nagy és végtelen kis mennyiségek felé, így az egyenletekben tudni kellene számolni a végtelen nagy sűrűséggel, távolsággal, gravitációval. Mivel ezzel egyetlen képlet sem tud megbirkózni, ilyen mennyiségeknél a törvényszerűségek megszakadnak, a felállított szabályok, tételek érvényüket veszítik, a kérdésekre pedig gyakran természetfeletti választ adunk.

 

Ha tehát olyan elméletet akarunk készíteni, amelyik nem veszti érvényét bizonyos körülmények között, azt nem a matematikára kell alapozni.

Próbáljunk meg a régi görög filozófusokhoz hasonlóan kizárólag logikus gondolkodással olyan elméletet előállítani, ami megmagyarázza az általunk észlelt összes jelenséget, de nem vesz igénybe természetellenes vagy fizikailag elképzelhetetlen feltételezéseket.

 

 

A GRAVITÁCIÓ

 

Nézzük meg, hogy mire juthatunk az egyik legrégebben megfigyelt természeti jelenséggel, a gravitációval. Mivel a gravitáció volt az első olyan erő, amelyre olyan törvényszerűséget sikerült megállapítani, amellyel magyarázhatók voltak a testek mozgásai, célszerű az új elmélet részleteit is ezzel kezdeni.

 

Newton a bolygómozgások alapján dolgozta ki a tömegvonzásra vonatkozó elképzelését, ami az általános relativitáselmélet megjelenéséig kitűnően használható volt. Szerinte bármely test vonzza az összes többit, és a vonzóerő annál nagyobb, minél nagyobb tömegűek a testek, és minél közelebb vannak egymáshoz. Tehát egy kis tömegű test ugyanolyan erővel vonzza a nagy tömegű testet, mint az a kicsit. Ez az erő nem csak az égitestek mozgását magyarázza, hanem azt is, hogy a leejtett tárgy miért esik a föld felé. Azt viszont nem lehetett vele megmagyarázni, hogy a végtelen nagy, statikus, mozdulatlan világegyetemben a gravitáció hatására miért nem esnek egymás felé az égitestek. Azt pedig, hogy mi okozza a vonzóerő létrejöttét, senki nem tudta megmagyarázni.

 

Einstein az általános relativitáselméletben új leírást adott a gravitációra. Úgy gondolta ugyanis, hogy a gravitációs hatás sem terjedhet gyorsabban a fénysebességnél, tehát nem lehet az, hogy ha a Hold helyzetén változtatunk, a vonzóerő változását abban a pillanatban érezni lehet a Földnél. Olyan elképzelést tett közzé, hogy a gravitáció nem azt jelenti, hogy az egyik test vonzza a másikat, hanem azt, hogy minden tömeggel rendelkező test meggörbíti a teret, a többi test vagy foton pedig ezt a görbületet követi. Ezért jön létre az a jelenség, hogy a Nap mellett elhaladó fénysugár pályája elhajlik. Arra azonban, hogy milyen mechanizmus okozza a tömeg körüli tér görbültségét, ugyanúgy nincs magyarázat, mint a Newton-féle vonzóerőnél a hatás mechanizmusára vonatkozóan. A relativitáselmélet szerint a tömeg tulajdonsága az, hogy meggörbíti a teret, ezt tudomásul kell venni. 

 

A kvantummechanika úgy próbálja magyarázni, hogy a vonzóerőt a testek között egy részecske, a graviton közvetíti. Ha az egyik test gravitont bocsát ki, és azt a másik test befogadja, létrejön közöttük a vonzóerő. Feltételezhetünk a graviton helyett gravitációs hullámot is, a helyzet ugyanaz: senki nem tudja kimutatni, és bár a hatását ki tudjuk számolni, a tényleges fizikai mechanizmusról fogalmunk sincs.

 

Most tételezzük fel a következőt:

- Zárjuk ki a vonzóerő létezését.

- A világegyetemet kitölti egy nagy mennyiségben jelenlévő, nagyon kis vagy nulla tömegű, de nagyon nagy energiájú részecske (nevezzük gravitkának).

- Ez a részecske nagyon kis valószínűséggel minden részecskén szóródik, vagy abban elnyelődik (hasonlóan a neutrínóhoz). A kölcsönhatás valószínűsége egyenesen arányos a részecske tömegével vagy energiájával.

 

Ebben az esetben két test esetében az alábbi mechanizmus játszódik le: 

Az egyik test felé minden irányból azonos mennyiségű gravitka érkezik, amelynek bizonyos része kölcsönhatásba lép a testtel, így a testtől távolodó gravitkák mennyisége kevesebb lesz. Ez a különbség gömbfelületen terül szét, így a távolság négyzetével fordított arányban csökken. A másik testet tehát nem minden irányból azonos gravitka éri, hanem az első test felől kevesebb. A test és a nem egyenlő mennyiségben érkező gravitkák kölcsönhatásának az lesz a következménye, hogy a gravitkák a második testet az első felé lökik. Belátható, hogy ez az erő fordítva is létrejön, és mindkét testre ható lökőerő azonos nagyságú lesz, egyenes arányú a két test tömegével és fordított arányú a közöttük lévő távolsággal. Ha ezt a lökőerőt kiszámítjuk, megkapjuk Newton gravitációs törvényét. Ha pedig feltételezzük azt, hogy a gravitkák sebessége - amely természetesen nem végtelen - megszabja a gravitációs hatás terjedési sebességét, kielégítjük az általános relativitáselmélet elvét is.

 

A KVANTUMFIZIKA TÖRVÉNYSZERŰSÉGEI

 

A kvantumfizika a világegyetemet felépítő elemi részecskékkel, valamint az ezek kölcsönhatását, átalakulását meghatározó erőhatásokkal foglalkozik. Ez a tudományág a XX. század terméke, bár egyes hatásait (pl. az elektromágneses sugárzást) már régebben is észlelték és hasznosították. Eleinte úgy tűnt, hogy ha megismerjük az atomokat alkotó néhány elemi részecskét, mindent meg tudunk magyarázni. Tetszetős volt az az atommodell, ami hasonlított egy bolygórendszerre: a nagyon picike atommag pozitív töltésű protonból és semleges neutronból áll, tőlük nagyon nagy távolságban keringenek a szintén nagyon kicsi, negatív töltésű elektronok, közöttük pedig az üres űr van. Ma már úgy gondoljuk, hogy a legtöbb elemi részecske tovább bontható, átalakulásukat az úgynevezett magerők határozzák meg (kvarkok, mezonok, antirészecskék, stb.). Hogy ezeknek a részecskéknek a változásait ki tudjuk számítani, a tömegen és az elektromos töltésen kívül újabb tulajdonságokat kellett feltételezni. A vizsgálatuk során az is kiderült, hogy bizonyos helyzetekben minden részecske hullámként is viselkedik, és részecskeként is. A másik fontos felismerés, hogy egy-egy részecske nem egy meghatározott helyet foglal el a téridőben, hanem csak azt mondhatjuk, hogy egy bizonyos helyen van nagy valószínűséggel.

 

Ez a kettősség kényelmes a tudósok számára, ha bizonyos érthetetlen tulajdonságot kell megmagyarázni, de a fizikai valóság szempontjából nehezen érthető. Először csak az elektromágneses hullámot tekintettük hullámnak, aminek van frekvenciája, amplitudója, fázisa. Energiája a frekvenciától függ, sebessége pedig a frekvenciától és a hullámhossztól. Az elektromágneses sugárzás hullámhossza széles határok között változik: ide tartozik a több méteres rádióhullám, az infravörös, látható, ultraibolya, és a nagyon kis hullámhosszúságú röntgen sugárzás is. A relativitáselmélet szerint ez az egyedüli részecske, amely a légüres térben állandó sebességgel halad, függetlenül attól, hogy a hullámot kibocsátó test közeledik vagy távolodik, esetleg mi közeledünk vagy távolodunk hozzá, viszont változik a frekvenciája. Magyarán: a fénysebesség ( vagy az elektromágneses sugárzás sebessége ) állandó. De mit állíthatunk akkor, ha ugyanezt a hullámot (fotont) részecskeként kezeljük ? Vagy pedig ha az eleve részecskeként ismert elektront vizsgáljuk hullámként ? Miért a fény sebessége van ebben a kitüntetett helyzetben, hogy ez szabja meg a világegyetemben elérhető legnagyobb sebességet ? Mi a fizikai magyarázata annak, hogy a relativitáselmélet szerint minden test tömege rohamosan nő akkor, ha sebessége megközelíti a fénysebességet, és minden test tömege végtelen nagy, ha sebessége egyenlő a fénysebességgel ? Egyáltalán mi a tömeg, és mi a magyarázata annak, hogy az egyik részecskének van tömege, a másiknak pedig nincs ?

 

Mi van akkor, ha az elektromágneses sugárzás - közte a fény - se nem hullám, se nem részecske ?

 

Nézzük meg, hogy milyen viselkedése van egy hullámnak, pl. a sima vízbe dobott kő által keltett vízhullámnak. A látszattal szemben a víz részecskéi nem haladnak a hullámmal együtt, hanem csak fel-le mozognak. Viszont a hullámmal együtt halad egy bizonyos energia, de ennek haladásához szükség van egy közvetítő közegre, a vízre. Egy ilyen közvetítőközeg léte a fénynél is felmerült, ezt hívták éternek. A relativitáselmélet küszöbölte ki ennek szükségességét. Amennyiben a vízhullám-mal szemben haladunk valamilyen sebességgel, a hullám látszólagos sebessége megnő, frekvenciája nagyobb lesz. Ugyanez a helyzet akkor, ha a víz halad, (pl. folyóvíz ) mi pedig a partról nézzük a hullámok haladását. A relativitáselmélet szerint más a helyzet az elektromágneses sugárzással: ha egy test fénysugarat bocsát ki minden irányba, a fény egy év alatt egy fényév sugarú gömbfelületre terjed szét függetlenül attól, hogy a kibocsátó test állt, vagy mozgott. Az észlelt fény frekvenciája viszont változik attól függően, hogy a test milyen irányban mozgott a kibocsátás pillanatában. Ennek megfelelően a hullámhossza is változik, hiszen a sebesség a frekvencia és a hullámhossz szorzata. (Ezen alapul a sebességmérő radar működése.) A fénysebességet viszont csak abban az esetben mérhetik azonosnak a különböző irányban mozgó megfigyelők, ha az időt nem mérik azonos nagyságúnak. (Különböző távolságokat az azonos sebességgel mozgó fény csak különböző idő alatt tehet meg.)

 

Bár a fény sok hullámra jellemző tulajdonságot mutat, de hiányzik egy láncszem: a közvetítő közeg. Mi az, ami rezeg, és mi az, ami az energia terjedését elősegíti ? Tételezzük fel, hogy nem hullám. Tehát nincs frekvenciája, hullámhossza, amplitudója. Lehet, hogy az elektromágneses hullám maga az energia ? Energia, ami helyváltoztatást végez. Energia, ami kitölti a teret, és aminek a haladása megadja magát az időt is. Ebben az esetben érthető, hogy miért nem lehet ettől nagyobb sebesség, és miért látja minden megfigyelő azonos sebességnek a terjedését. Azt jelenti ez, hogy mindig az az egységnyi idő, ami alatt ez az energia megtesz egységnyi távolságot.

 

És mi a helyzet a többi részecskével és kölcsönhatással ? Lehet azokat is egyszerűbb formában elképzelni, de úgy, hogy minden eddig észlelt jelenséget meg tudjunk velük magyarázni, és a nagyon bonyolultnak észlelt világot is fel lehessen belőlük építeni ?

 

Szintén tételezzük fel, hogy nincs elektron, proton, neutron, mezon, kvark, hanem vannak különböző energiacsomók. Ez Einstein tömeg-energia egyenlőségéből is következhet. Az energiacsomók betöltik az egész teret, nincs üres tér. Azt is mondhatjuk, hogy csak akkor van tér, ha van ott energia. Minél nagyobb energia van minél kisebb térbe zsúfolódva, a mi számunkra annál stabilabb elemi részecskének látszik, és megváltoztatásukhoz annál nagyobb energia kellene. Ahogyan ma nem látszik annak a lehetősége, hogy olyan energia gyorsítókat gyártsunk, amivel eljutunk a legkisebb elemi részecskékhez, ugyanígy nem tudjuk elérni a legkisebb energiakvantumokat.

 

Mi lehet az ilyen energiakvantum mérete ? Határozzuk meg ezt abból kiindulva, hogy tér csak akkor lehetséges, ha vagy energia, vagy tömeg meghatározza. Olyan elmélet nem lehetséges, hogy a legkisebb energiacsomók között üres tér van, tehát az energiakvantumok akkor is egymást érik, ha kicsik, és akkor is, ha nagyok. Tételezzük fel, hogy az energiakvantum olyan gömbszerű képződmény, amelynek sűrűsége a középtől kifelé haladva négyzetesen csökken, de bármilyen távolságig elnyúlik, amíg nem érintkezik a következő energiakvantummal. Tehát elvileg egy darab is be tudná tölteni az egész univerzumot. Ha egy kis részben az energiakvantumok száma megnő, vagyis az energiasűrűség nagyobb lesz, az energiacsomók összenyomódnak, méretük kisebb lesz, sűrűségük megnő. Ha valamilyen ok miatt túl közel kerülnek egymáshoz, egyesülhetnek, mint a szappanbuborékok. Ezt úgy képzelhetjük el, mintha két hegy úgy egyesülne, hogy a magasságuk megnő, nemcsak a középpontban, hanem attól bizonyos távolságra is. Ha az energiasűrűség elér egy bizonyos határértéket, tömegként észlelhetjük. Mivel "szétrobbantásukhoz" nagy energiára van szükség, stabil "elemi részek" jönnek létre. Ha pedig ezek az elemi részek valamilyen ok miatt kisebb energiacsomókat bocsátanak ki, létrejön az elektromágneses sugárzás.

 

Ebből a gondolatmenetből az következik, hogy a látszólagos tömeg, elektromos töltés, spin helyett van a mindenható energia. Nehéz ugyan egy almára úgy tekinteni, mint energiacsomók tömörülésére, de legalább ilyen nehéz elektronoknak, kvarkoknak, mezonoknak elképzelni.

 

 

A VÁLASZOK

 

Két kérdésre kell felelnünk:

- Milyennek látjuk az univerzumot, illetve olyan-e az univerzum, amilyennek látjuk ?

- Miért olyan az univerzum, amilyennek látszik ?

 

Nagyon tetszetős az az elmélet, ami ma a legjobban megmagyarázza az észlelt világegyetemet, csak a józan ész számára már egyes részei felfoghatatlanok.

 

A legelfogadottabb elmélet szerint egy táguló világegyetemben élünk, vagy legalábbis a világegyetem olyan részén, ami tágul. A tágulás 12-15 milliárd évvel ezelőtt indult, amikor a világegyetem egy kis pontszerű térben zsúfolódott össze, tehát az univerzumnak van kezdete. A tágulás vagy mindig tartani fog, vagy megáll, és ezt egy szűkülő szakasz követi, amíg az egész világegyetem ismét össze nem nyomódik a kezdeti állapotba. Az ősrobbanás előtti állapotra nem érvényesek a jelenlegi elméleteink, ezért nem lehet vele foglalkozni. (pl. nem lehet megmondani, hogy előtte hány tágulás-összehúzódás ciklus zajlott le.) A világegyetem hatalmas tömege olyan gravitációt eredményez, ami önmagába görbíti a háromdimenziós teret, így rajta kívül nincs semmi. (az egész világegyetem egy nagy fekete lyukat képez)

Az elmélet szerint az általunk ismert elemek - a hidrogént kivéve - nem az ősrobbanáskor keletkeztek, hanem a későbbi idők folyamán a csillagokban. A kvantumfizika folyamatai a csillagok belsejében ma is zajlanak. Az egész univerzumot kitöltő kis energiájú sugárzás viszont még az ősrobbanás maradéka. 

 

Ehhez az elmélethez tartozik néhány olyan következtetés, amit soha nem tudunk ellenőrizni, és több olyan, ami nem egyezik meg a tapasztalatainkkal.

Nehezen fogható fel, hogy a végtelennek tűnő világegyetemet alkotó anyag valamikor egy pontban volt összezsúfolva. Bármit is állítunk az anyagról és az energiáról, a végtelen sűrűség fogalma inkább a hit körébe tartozik, mint a fizikai valóságba. Ugyanígy nehéz megemészteni a számunkra soha nem megismerhető negyedik dimenzió fogalmát, amivel a tér végességét tudjuk magyarázni.

Tehát: az elmélet elég jól magyarázza a jelen időszak eseményeit, de olyan matematikai fogalommá változtatja a kezdetet és a véget, aminek semmi köze a valósághoz. A negyedik dimenzió létezése nem csak azért hihetetlen, mert a számunkra elképzelhetetlen és érzékelhetetlen, hanem azért is, mert az összes természettörvény csak három dimenziós térre igaz, negyedik dimenzió esetén érvényét vesztené. Ugyanúgy, ahogyan a sík felületen alkotott geometriai szabályok érvényüket vesztik a gömbfelületen. (El tud valaki képzelni olyan gömböt, ami 1 mm-ről folyamatosan növekszik addig, amíg magába nem foglalja az egész univerzumot, majd további növekedés után lesz ismét 1 mm-es átmérőjű ? A jelenlegi elfogadott elmélet szerint ennek nincs akadálya.)

Az elmélet sajátossága a negyedik dimenzió feltételezésén túl az is, hogy a fénysebességet állandónak és a legnagyobb sebességnek tartja, az időt pedig minden megfigyelő számára egyedinek.

Mivel az utóbbi évtizedekben a tudósok sem fogadták el a végtelen mennyiségekkel dolgozó elméleteket, létrejött egy olyan feltételezés, amely szerint az univerzum nem az üres térben egy pontot elfoglaló részecskékből áll, hanem vonalszerű, végtelen hosszú "húrok"-ból. Ez a húr kettéválhat, egyesülhet, mint a részecskék, vagy hurkot írhat le. A részecske mozgását a húron végigfutó hullám írná le. Az elmélet nagy problémája, hogy kizárólag a matematikai számításokon alapul, és működéséhez nem csak a felfoghatatlan negyedik dimenzióra lenne szükség, hanem még további 4-6 dimenzióra is. Vagyis az egész pusztán elmélet.

 

Mit változtatna az elméleten, ha az előbbiekben tárgyalt feltételezéseket elfogadjuk ?

A kiinduló alap az, hogy csak egy elemi részecske van, az energiakvantum. A teret ennek jelenléte határozza meg, az időt pedig ennek változása, haladása.

Az univerzum minden pontját elfoglalja egy energiabuborék, és ezek sűrűsödése alkotja azokat az "elemi részeket", amelyek létrehozzák az égitesteket, galaxisokat. Az energia a térben úgy terjed, hogy az egyik energiakvantum kettéválása során az egyik része beleolvad a mellette lévő másik energiakvantumba, majd az ugyanígy továbbadja ezt az energiát a következőnek. Ennek terjedési sebessége sok mindentől függhet, de amennyiben nincsenek nagyobb energiacsomók a haladás akadályozására, megkapjuk a jelenlegi fénysebességet. Nyilvánvaló, hogy az "elemi részekként" jelentkező nagyobb energiacsomók sebessége ettől csak kisebb lehet. Az energia ilyen módon történő áramlása minden irányba egyenletes és állandó, mindaddig, amíg valami egyenetlenség miatt elnyelődés vagy bomlás, más szóval sűrűsödés vagy ritkulás nem jön létre.

 

Választ kellene adni arra, hogy ennek az energiamasszának a változásait valamilyen törvényszerűség szabályozza-e, vagy pedig a bekövetkező jelenségek véletlenszerűen jönnek létre.

Valószínű, hogy az egyes energiakvantumok változásait jelentősen meghatározza a véletlen, ugyanúgy, mint a részecskék mozgását a határozatlansági elv. Hasonlóan gondolkodhatunk ahhoz, mintha egy zárt, felfujt lufival tele töltött dobozba belenyomunk még egy lufit. Lehet, hogy a dobozban egy lufival több lesz, és nő a feszültség, de megtörténhet az is, hogy az egyik lufi kipukkad, a lufik száma nem változik, de a dobozban nő a levegő sűrűsége.

Az is nyilvánvaló, hogy az egyes részletekre érvényesek lehetnek elméletek és törvényszerűségek.

Az egyik az, hogy az idő minden pontban és mindenki számára mást jelent, de csak előre haladhat. Magyarán: nem vehetjük filmre a jövőt. A másik az, hogy az univerzum összes energiája nem változhat.

Kérdés lehet az is, hogy az a sebesség, amit ma fénysebességként ismerünk, az univerzum minden részében egyforma-e, és mindig azonos volt-e ? Ha feltételezzük, hogy ezt a sebességet az energia haladása adja, nyilvánvaló, hogy nagyon nagy energiacsomókon keresztül kisebb a haladási sebesség. Mai ismeretünk szerint ezt úgy mondjuk, hogy a sűrűbb anyagokban ( a légüres téren kívül ) kisebb a fénysebesség. Viszont az sincs kizárva, hogy az univerzum minden pontjában azonos az energia sűrűsége, tehát változhat a fénysebesség is.

 

Ezeknek megfelelően milyen a világunk ? Statikus és egyenletes, vagy van széle ? Fejlődik a kezdetektől a vég felé, vagy csak folyamatosan alakul ? A változások hatására egyre rendezettebbé válik, vagy a káosz növekszik ? Ha ezekre tudunk válaszolni, akkor már mindent megértettünk.

 

 

Szolnok, 2007.12.03. 

 

 

 

                                                                   Kovács Miklós

                                                                          frescohu@gmail.hu