2005 Szeptember






Tartalomjegyzék A m-kormányzat lehetőségeinek átértékelése A tudás terjesztése és megszerzése a mobilkorban Utolsó lap

A modern fizika ellentmondásai

Szerző: Héjjas István

Modern civilizációnkban életünket meghatározza a technika, amely alapvetően a fizika tudományára épül. Fizikai elven működik a számítógép, a vezetékes és mobil telefon, a rádió és a televízió, az internethálózat, az autó és a repülőgép, fizikai elven működnek a villamoserőművek, a haditechnikai és űrkutatási eszközök, az orvosi diagnosztikai és kémiai analitikai készülékek és műszerek, a mezőgazdasági és építőipari gépek stb. A mai embernek ezért úgy tűnhet, hogy a modern fizika egységes, egzakt, tökéletes tudomány, amely előbb-utóbb minden problémára korrekt válaszokat és megoldásokat szolgáltat.




A valóság azonban nem ennyire szívderítő. Sőt a fizika fejlődésével egyre újabb s egyre nehezebb problémák merülnek fel, olyannyira, hogy a szaporodó logikai ellentmondások lassan alapvető paradigmaváltást tehetnek indokolttá, csak még nem tudjuk, hogy ez végül hova vezet.

 

 

A gyakorlatban többféle fizika létezik, és a problémát az okozza, hogy bár ezek egymásnak gyakran logikailag ellentmondanak, a saját alkalmazási területükön mégis mindegyik használhatónak bizonyul. A használhatóság ugyanis azt jelenti, hogy a fizikai elmélet által megjósolt eredmény megfelelő pontossággal megegyezik az utólag tapasztalható vagy mérhető eredménnyel. Ha például egy hídszerkezet méretezése során kiszámítjuk, hogy a híd el fog bírni egyszerre 6 darab 20 tonnás kamiont, akkor biztosak lehetünk abban, hogy normális körülmények esetén nem fog összedőlni ekkora terhelés hatására. A fizikai elméletek által megjósolt eredmények természetesen mindig korlátozottan, de általában eléggé pontosak ahhoz, hogy a gyakorlatban használhatóak legyenek.

 

A fizikai elméletekben fontos szerepet játszanak a természeti állandók. Ilyen állandó pl. a vákuum permeabilitása és dielektromos állandója, az elektron töltése és tömege, a finomszerkezeti állandó stb. Ha ismerünk néhány fizikai állandót, akkor ezekből – matematikai műveletek segítségével – újabb természeti állandókat képezhetünk. Felmerülhet ezért a kérdés, hogy hány olyan független állandó létezik, amelyek közül egyiket sem lehet leszármaztatni a többiből. Egyes tudósok a független természeti állandók darabszámát 26-ban határozzák meg, de nincs kizárva, hogy ez a szám a jövőben még bővül. A természeti állandók között van három olyan kritikus tényező, amelyek elsősorban felelősek a fizikai ellentmondásokért.

Ezek:

·        a mozgások és erőhatások sebességi korlátját meghatározó vákuumbeli fénysebesség (c),

·        a mechanikai testek közötti tömegvonzás mértékét meghatározó gravitációs állandó (g) és

·        a kvantumfizikai bizonytalanságot meghatározó Planck féle állandó (h).

A probléma abban van, hogy mind ez ideig nem sikerült kidolgozni olyan ellentmondásmentes fizikai elméletet, amely képes egyszerre figyelembe venni mind a három tényezőt.

A fizika annak idején az által vált igazi tudománnyá, hogy sikerült matematikailag modellezni a Nap körül keringő bolygók mozgását. Ehhez először szükség volt arra a felismerésre, hogy a Föld gömbölyű, és Kopernikusz felismerésére is, amely szerint a Föld és a bolygók a Nap körül keringenek. Ezt követte Kepler felfedezése, aki felállította az ellipszis alakú pályákon keringő bolygók mozgásának matematikai képleteit, bár azt már nem tudta megmagyarázni, hogy a bolygók miért követik az általa felismert szabályokat.

 

A Galilei-féle fizika

 

A legegyszerűbb fizikai elméletet Galilei alkotta meg, aki felismerte azt a helytelenül Newtonnak tulajdonított szabályt, amely szerint minden tárgy megtartja egyenletes egyenes vonalú mozgását, ha reá semmiféle erő nem hat. Más szóval, az erő nem a mozgás oka, hanem a mozgás megváltozásának az oka. Galilei kidolgozta a klasszikus relativitás elvet is, amelynek segítségével egymáshoz képest mozgó koordináta rendszerek között át lehetett számítani a mozgó mechanikai tárgyak helyzetét és sebességét. Galilei ismerte az erőhatások vektoros összegezésének elvét is, vagyis az eredő erő kiszámításának módját.

A Galilei féle fizika teljesen figyelmen kívül hagyta a fentebbi három „kritikus” természeti állandót, ami azt jelenti, hogy a fénysebességet mint határsebességet gyakorlatilag végtelen nagynak tekintette, és nem számolt sem a gravitációs vonzással, sem pedig a kvantumbizonytalansággal. Ez a fizika tehát a következő számhármassal jellemezhető: c = ∞, g = 0, h = 0

 

A Newton-féle klasszikus mechanika

 

Newton egyik legnagyobb felfedezése az volt, hogy nem szükséges a mechanikai tárgyaknak egymással közvetlenül érintkezniük ahhoz, hogy közöttük erőhatás jöjjön létre. A tárgyak ugyanis a távolból képesek egymást vonzani. Ez a vonzóerő pedig a tömegvonzás, vagyis a gravitáció.

Newton a fénysebességet végtelen nagynak tekintette, és a távoli hatások azonnali bekövetkezésével számolt. Ez a mechanika már egészen jól használható, amit igazol, hogy Newton gravitációs egyenleteinek segítségével fedeztek fel később két új bolygót, nevezetesen a Neptunuszt és a Plútót.

A Newton féle mechanikát ma is eredményesen alkalmazzák a mérnöki tudományokban, mivel a tapasztalat szerint legalább +/–0,00001 % pontos eredményeket ad mind a gépészeti berendezéseknél, mind pedig a Naprendszerünkben mozgó bolygók, holdak, üstökösök, aszteroidák valamint az ember alkotta mesterséges holdak és űrhajók pályájának kiszámításánál.

Newton fizikája a következő számhármassal jellemezhető: c = ∞, g ≠ 0, h = 0

 

A Maxwell-féle klasszikus elektrodinamika

 

Newton a mechanikai egyenleteinek kezeléséhez segédeszközként kidolgozta a differenciál- és integrálszámítás alapszabályait is. A matematika történetének alighanem ez volt az egyik legnagyobb horderejű felfedezése. E matematikai segédeszköz rendkívül hatásosnak bizonyult a matematika és a klasszikus fizika további fejlődése szempontjából is. A matematikusok ezután fokozatosan kidolgozták a komplex számok és függvények, valamint a vektoranalízis elméletét és számos fontos egyéb matematikai módszert, a fizikusok pedig ezek segítségével megalkották a termodinamika, hidrodinamika, hullámoptika, elektromos és mágneses jelenségek stb. matematikai modelljeit.

 

A klasszikus fizika csúcspontja alighanem Maxwell elektrodinamikai elmélete volt. Maxwell az elméletében kizárólag az elektromos és mágneses jelenségekkel foglalkozott, és a villamos töltések közötti kölcsönhatást nem a Newton féle távolhatási elv szerint értelmezte. Vagyis nem azt mondta, hogy egy pozitív és egy negatív elektromos töltés a távolból vonzza egymást, hanem azt, hogy az egyik töltés maga körül létrehoz egy erőteret (mezőt) és ezt a másik töltés úgy érzi, hogy erő hat reá. Maxwell ezen elv segítségével felfedezte az elektromágneses hullámokat és ezek terjedésének szabályait, és megállapította, hogy az elektromágneses erőterek és hullámok a vákuumban fénysebességgel terjednek. Ezért a villamos töltések közötti kölcsönhatás sem lehet azonnali, hanem annak kialakulásához időre van szükség. Nyitva hagyta azonban a kérdést, hogy melyik az az „abszolút” koordinátarendszer, amelyben a vákuumbeli fénysebességet értelmezni kell, s amelyben ezáltal a fény minden irányban azonos sebességgel terjed.

A klasszikus elektrodinamika a következő számhármassal jellemezhető: c ≠ ∞, g = 0, h = 0

 

A speciális relativitáselmélet

 

Einstein speciális relativitáselmélete a Galilei-féle relativitás-elv továbbfejlesztése. Mint tudjuk, Galilei szerint az egymáshoz képest egyenletes sebességgel mozgó inercia-rendszerekben a mechanikai törvények változatlan formában érvényesek. Einstein továbbfejlesztése szerint nem létezik kitüntetett (abszolút álló ) koordinátarendszer és az egymáshoz képest egyenletes sebességgel mozgó inercia rendszerekben az összes természeti törvény, vagyis a termodinamikai, optikai és elektrodinamikai törvények is változatlan formában érvényesek. Ez azt is jelenti, hogy a fény terjedési sebessége bármelyik koordinátarendszerben bármilyen irányban mindig azonos.

A speciális relativitáselmélet matematikai modelljéből az következik, hogy a vákuumbeli fénysebesség abszolút határsebesség, amelynél gyorsabban semmiféle objektum nem haladhat és semmiféle erőhatás nem terjedhet. A speciális relativitáselmélet nem foglalkozik sem a gravitációval, sem a kvantum-bizonytalansággal. Amivel foglakozik, az az, hogy egymáshoz képest mozgó koordináta rendszerekből nézve eltérő mérőszám adódik a sebességre, a távolságra, az időre és a tömegre. Ahhoz azonban, hogy ez az eltérés a gyakorlatban méréssel kimutatható legyen, igen nagy relatív sebesség (legalább a hangsebesség többszáz-szorosa) szükséges.

A speciális relativitáselmélet a következő számhármassal jellemezhető: c ≠ ∞, g = 0, h = 0

 

A kvantummechanika

 

A kvantummechanika a mikrorészecskék fizikája, s nem foglalkozik sem a gravitációval, sem a fénysebességgel, mint határsebességgel. Amivel foglalkozik, az a részecskék állapotának kvantumbizonytalansága, amelynek mértékét a nem zérus értékű Planck állandó határozza meg. Ez utóbbi igen fontos természeti állandó, amely a kvantumfizika számos összefüggésében megjelenik, így többek között meghatározza a fényrészecskék (fotonok) frekvenciája és energiája közötti kapcsolatot, a hidrogén atom alapállapotú elektronjának impulzusmomentumát és még számos egyéb fontos adatot.

A kvantummechanikában egy részecske állapota un. hullámfüggvénnyel írható le. Ez utóbbi komplex változós függvény, amelynek ha az abszolút értékét négyzetre emeljük, kapunk egy számot, amely megmutatja, hogy a részecske egy meghatározott helyen és pillanatban mekkora valószínűséggel hajlamos kölcsönhatásba lépni.

 

A kölcsönhatás megvalósulásának műszeres észlelése esetén azonban a mikrofizikai jelenséget felváltja egy makrofizikai jelenség – vagyis maga az észlelés –, s ezzel eltűnik a hullámfüggvény. Ezt a jelenséget a hullámfüggvény összeomlásának szokás nevezni.

A kvantummechanika a következő számhármassal jellemezhető: c = ∞, g = 0, h ≠ 0

 

Az általános relativitáselmélet

 

Az eddig tárgyalt fizikai elméletek a három „kritikus” konstans közül csak egyet-egyet vettek figyelembe. Ezek az elméletek a fizikai valóság különböző jelenségeinek leírására szolgálnak és a saját alkalmazási területükön igen jól működnek, mivel az általuk figyelembevett egyetlen állandó döntő mértékben meghatározza a vizsgált jelenségeket, ezért a másik kettő szerepe elhanyagolható.

Lehetnek azonban a fizikai jelenségek világában olyan „határesetek”, amelyekben az ilyen elhanyagolás jelentős hibát okoz. Felmerül ezért a kérdés, hogyan lehetne ezen elméleteket egyesíteni, és ezzel az alkalmazásuk területét kiszélesíteni, esetleg általános érvényűvé tenni.

Az egyik ilyen egyesítési törekvés eredménye az általános relativitáselmélet, amely a speciális relativitáselmélet és a Newton féle gravitációs elmélet kombinációjaként fogható fel. Ebben az elméletben a Planck féle állandó zérus, de létezik nem zérus értékű gravitációs állandó és véges fénysebesség.

Az általános relativitáselmélet szerint voltaképpen nem létezik gravitációs kölcsönhatás. Ehelyett a nagy tömegű tárgyak meggörbítik maguk körül a téridőt, és e görbült térben a tárgyak tehetetlenségi mozgása olyan, mintha a nem görbült térben vonzóerő hatna reájuk. A gravitációs állandó szerepe ebben az elméletben az, hogy ennek segítségével lehet kiszámítani a görbültség mértékét.

Az általános relativitáselmélet a következő számhármassal jellemezhető: c ≠ ∞, g ≠ 0, h = 0

 

A kvantummező-elmélet

 

A kvantummező-elmélet úgy fogható fel, hogy az a speciális relativitáselmélet és a kvantummechanika egyfajta egyesítése. Ebben az elméletben a gravitáció nem játszik szerepet, de van véges fénysebesség és Planck féle állandó.

A kvantummező-elmélet első változata a kvantum-elektrodinamika volt, amely szerint a Maxwell féle elektromágneses mező kvantált, s a mezőből eredő erőhatást erőközvetítő fotonok közvetítik, s ezek szuperpozíciója hozza létre az erőteret. A kvantummező-elmélet általánosabb megfogalmazása szerint minden kölcsönhatás ún. virtuális erőközvetítő részecskék segítségével jön létre. A szubnukleáris erős kölcsönhatást pl. mezonok közvetítik.

A kvantummező-elmélet a következő számhármassal jellemezhető: c ≠ ∞, g = 0, h ≠ 0

 

Kvantumgravitációs elmélet

 

A fentebbi két elméletben sikerült a három „kritikus” természeti állandó közül kettőt-kettőt összekombinálni úgy, hogy abból a gyakorlatban használható és mérésekkel igazolható elmélet alakuljon ki. Nem sikerült azonban olyan ellentmondásmentes elméletet kidolgozni, amely mind a három konstans szerepét figyelembe veszi, s ezzel kiterjeszti a kvantummező elméletet a gravitációs kölcsönhatásra is. Egy ilyen elméletben ugyanis egyesíteni kellene az általános relativitáselméletet és a kvantummező-elméletet. Közöttük azonban mély ellentmondás húzódik.

A kvantummező-elmélet szerint ugyanis minden kölcsönhatás erőközvetítő részecskék közreműködésével jön létre, tehát a gravitáció is, amelynek feltételezett, de még kísérletileg fel nem fedezett közvetítő részecskéje lenne a. graviton, amelynek várható fizikai tulajdonságait már különféle elméleti spekulációk alapján ki is számították.

Ezzel szemben, mint tudjuk, az általános relativitáselmélet szerint a gravitációs kölcsönhatás valójában nem létezik, ez csak látszólagos jelenség, vagyis a téridő görbület hatására megjelenő illúzió, ezért ehhez nincs szükség erőközvetítő részecskére sem.

Roger Penrose szerint az ellentmondások hatására esetleg bele kell törődni abba, hogy nem ugyanolyan természeti törvények érvényesek a nagy és a kicsi fizikájában, vagyis a mikrorészecskék és a kozmikus méretek birodalmában.

Ha a kvantumgravitációs elmélet valamilyen váratlan csoda folytán mégis megszületne, akkor ezt a következő számhármassal lehetne jellemezni: c ≠ ∞, g ≠ 0, h ≠ 0

 

A szuperhúr-elméletek

 

A kvantummező-elmélet és az általános relativitáselmélet összebékítésére dolgozták ki a szuperhúr-elméletet, pontosabban annak több féle, egymásnak is ellentmondó változatát, amelyek rejtett dimenziókat feltételezve 10 és 27 közötti dimenzió számú téridőben állítják fel az egyenleteiket.

A szuperhúr-elméletek szerint az önmagukba záródó rejtett térdimenziók relativisztikus térgörbülete olyan mértékű, hogy ezen dimenziók mentén az univerzum kiterjedése az atommag méreténél is nagyságrendekkel kisebb. Az ilyen többdimenziós terekben rezegnek a finom energiaszálak, az ún. szuperhúrok, amelyek kiterjedése kb. úgy aránylik az atommag átmérőjéhez, mint az atommag átmérője a Naprendszer méretéhez.

Ilyen méretű és energia szintű objektumok létezésének kísérleti igazolása a jelenlegi ismereteink szerint elvileg lehetetlennek látszik, ezért a szuperhúr-elméleteket sem bizonyítani, sem cáfolni nem lehet. Így azután ezek legfeljebb a szellemes matematikai spekulációk szintjén mozognak.

A kétségeket az is erősíti, hogy egy fizikai elmélet megalapozottságát elsősorban annak prediktív képessége tudja alátámasztani. Ez azt jelenti, hogy az illető elmélet alapján előre meg lehet jósolni bizonyos jelenségeket, amiket azután a megfigyelés vagy a kísérlet igazol, és kétségesnek minősül minden olyan spekulatív elmélet, amely csak arra alkalmas, hogy önmagában ismert tapasztalásokra utólag hihetőnek látszó magyarázatokat találjon.

 

Héjjas István

 

Irodalom

Stephen BATTERSBY: Is space rolled up like a funnel? NewScientist, 17 april 2004

Albert EINSTEIN: On the Electrodynamics of Moving Bodies, Annual Physics, 1905/17

FÉNYES Imre: Modern fizikai kisenciklopédia, Gondolat, Budapest, 1971

Richard P. FEYNMANN: Mai fizika, Műszaki Könyvkiadó, 1978

Michael B. GREEN: Szuperhúrok, Tudomány, 1986. november

MARX György: Kvantummechanika, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1957.

NOVOBÁTSZKY Károly: A relativitás elmélete, Tankönyvkiadó, Budapest, 1962.

Joseph NORWOOD: Századunk fizikája, Műszaki Könyvkiadó, 1981

Roger PENROSE: A nagy, a kicsi és az emberi elme, Akkord Kiadó, 2003

Henri POINCARÉ: Foundation of Modern Physical Science, Reading, Mass, Addison-Wesley, 1958

SIMONYI Károly: A fizika kultúrtörténete, Gondolat Kiadó, 1978

 









Hirdessen itt! A szükséges információkat elolvashatja, ha erre a szövegre kattint.


A fenti dokumentummal kapcsolatos felelősség meghatározása