Frank Wilczek: Alapelvek - A fizika 10 kulcsa a valósághoz

Frank Wilczek: Alapelvek - A fizika 10 kulcsa a valósághoz 2021 - 215 o.

Előszó - Újjászületés

"(10. o.) ...mivel oly meglepő, a fizikai univerzum megismerhető voltát bizonyítani kell, nem elég pusztán feltételezni."
"(10. o.) A tudományos alapismeretekről szólva könyvemnek az is célja, hogy a hagyományos vallási fundamentalizmussal szemben alternatívát kínáljon."
"(12. o.) Tökéletlen érzékelésünk csak a szilánkjait mutatja annak a valóságnak, amelyet a tudományos kutatás feltárni képes."
"(13. o.) Néhány dolgot meg kell tanulnunk. A világ kevés alapvető építőkockából épül fel, amelyek szigorú, ám különös és ismeretelen szabályokat követnek."
"(13. o.) Néhány dolgot el kell felejtenünk. A kvantummechanika feltárta, hogy nem tudunk megfigyelni semmit anélkül, hogy végül meg ne változtatnánk."
"(15. o.) Alapos vizsgálatok mutatják, hogy testünk és agyunk - az "én" fizikai programja - minden megérzésünknek ellentmondva ugyanolyan anyagból épül fel, mint a "nem én", és úgy tűnik, közöttük folytonos az átmenet."

Bevezetés

"(18. o.) ...a tudományos módszer megjelenése előtt, a technológia fejlődése csupán esetleges volt. A sikeres technikákat többé-kevésbé véletlenül fedezték fel. Ha rájuk bukkantak, nagyon sajátos eljárások, rituálék és hagyományok formájában adták tovább őket. Nem rendezték őket logikai rendszerbe, és nem is törekedtek az ismeretek következetes átadására."

I. Mi az, ami van?

I.1 Bőven van tér

I.1.1 Bőség kívül és belül
"(28. o.) A világ nagy, de mi sem vagyunk kicsik. Jobban fedi a valóságot, ha azt mondjuk: bőven van hely - akár felfelé, akár lefelé skálázunk. Irigykedhetünk az univerzumra csupán méretei miatt. De mi is nagyok vagyunk. Konkrétan, elég nagyok vagyunk ahhoz, hogy elménk átfogja a külső univerzumot."

I.1.2 Külső bőség: mit tudunk, és honnan tudjuk, amit tudunk?
"(34. o.) ...alapvető következtetésünk az, hogy bármerre nézünk a világegyetemben, mindenütt ugyanazt az anyagot találjuk. Továbbá azt tapasztaljuk, hogy az univerzumban mindenütt ugyanazok a törvények érvényesek."
"(34. o.) ...azt látjuk, hogy az anyag hierarchikus struktúrákba szerveződik."
"(34. o.) ...azt látjuk, hogy az anyag nagyjából egyenletesen oszlik el a térben."
"(40. o.) Hubble... úgy találta, hogy a galaxisok távolodási sebessége arányos távolságukkal. Ha a múlt rekonstruálása érdekében képzeletben visszafordítjuk a galaxisok mozgását, akkor ez az arányosság drámai jelentést kap. Azt jelenti, hogy a fordított áramlásban a távolabbi galaxisok gyorsabban közelednek felénk, és a teljes távot épp olyan módon teszik meg, hogy végül ugyanabban az időpontban minden összeér... Az eredeti időirányra visszaváltva a folyamat egy kozmikus robbanásnak tűnik."
"(41. o.) Bármilyen nagy is a "valós" univerzum, a jelenleg látható világegyetem véges."

I.1.3 Belső bőség: mit tudunk, és honnan tudjuk, amit tudunk?
"(46. o.) Az atommag tömege az atom tömegének több mint 99 százaléka. Pedig a mag sugara - a gömbszerű - atom sugarának egy százezred részénél is kevesebb, tehát térfogata az atom térfogatához mérten igazán jelentéktelen. A különbség csillagászati mértékű. A mag úgy törpül el az atomhoz képest, mint a Nap az őt körülvevő csillagközi térben."

I.1.4 A tér jövője
"(48. o.) Einstein általános relativitáselmélete szerint a tér az anyag egy fajtája. Dinamikus entitás, amely görbülni és mozogni képes."

I.2 Bőven van idő

I.2.1 Előhang: mérés és jelentés
"(51. o.) Azonos térfogatoknak azonos az anyag- és mozgásbefogadó képessége, ez azonban nem jelenti azt, hogy egyformán fontosak is. A differenciálatlan, üres térségek kevésbé érdekesek. Hasonlóképp, az egyenlő hosszúságú időintervallumokban ugyanannyit ketyeg az óra, de ez nem jelenti azt, hogy ugyanolyan fontosak."

I.2.2 Az idő bősége
"(52. o.) ...Stapledon... "...az emberiség egész élettartama... csak egy villanás a kozmosz életében"."

I.2.3 Mi az idő?
"(52. o.) "Az idő az, amit az órák mérnek"... Számos szabályosan ismétlődő jelenséget tapasztalhatunk a természetben."
"(53. o.) Az a megfigyelés, hogy létezik egy közös tempó, a fizikai világ működésével összefüggő alapvető tény. Magát a tempót úgy fejezhetjük ki, hogy van valami, amire a világ valamennyi ciklikus jelensége rácsatlakozik, s ez a valami mondja meg, hogy mikor jön el az ismétlődés ideje. Ez a valami, definíció szerint, az idő. Az idő a dobos, aki a változás ritmusát adja."

I.2.4 Történelmi idő: mit tudunk, és honnan tudjuk, amit tudunk?
"(55. o.) ...radioaktív kormeghatározás..."
"(57. o.) ...csillagok korának meghatározása..."

I.2.5 Belső idő: mit tudunk, és honnan tudjuk, amit tudunk?
"(59. o.) ...az emberi élettartam mérhetetlen mennyiségű tapasztalat és meglátás felhalmozásának lehetőségét biztosítja."
"(61. o.) ...a mesterséges intelligencia gondolkodási sebességének határa durván milliárdszorosa a természetes intelligencia gondolkodási sebességének."

I.2.6 Az idő mérése
"(62. o.) ...szélsőségesen rövid időtartam..."

I.2.7 Az idő jövője
"(63. o.) Einstein általános relativitáselmélete, mint a gravitáció elmélete... azt tanítja nekünk, hogy a téridő görbülhet és torzulhat."
"(63. o.) ...nyilvánvaló: a téridő torzulhat, de ez a torzulás nagyon nehezen hozható létre."
"(63. o.) A fizikai idő nagyon merev. Gyakorlatilag azonos ütemben és egy irányban folyik, a fizikai univerzumban minden entitás számára ugyanaz. A pszichológiai idő ettől jelentősen különbözik. Kígyózhat, szétágazhat, körbe-körbe ugrálhat, méghozzá fürgén. Visszajárhatunk a múltba, fordulhatunk emlékeinkhez..."

I.3 Nagyon kevés alkotóelem van

"(66. o.) ...a dolgoknak mindegyike maréknyi alapvető építőelemből épül fel, amelyek nagy számban fordulnak elő a természetben."

I.3.1 Atomok és azokon túl
"(67. o.) A fizikai valóság modern felépítése néhány egyszerű alkotórészből megköveteli, hogy újragondoljuk mond az "egyszerű alkotórész", mind a "felépítés" jelentését."

I.3.2 Elvek: a valóság és vetélytársai
"(68. o.) A világot négy egyszerű, mégis mély általános elv irányítja...
1. Az alaptörvények változást írnak le...
2. Az alaptörvények univerzálisak...
3. Az alaptörvények lokálisak. Vagyis valamely objektum közvetlen jövőbeli viselkedése csak közvetlen környezetének aktuális állapotától függ...
4. Az alaptörvények pontosak... nem ismernek kivételt..."
"(70. o.) ...ezek az elvek biztosítják, hogy kísérleteinkkel pontos és általános, a dolgok változását meghatározó törvényeket fedezhetünk fel."
"(71. o.) A modern fizikában nem a részecskék, hanem a mezők az anyag alapvető építőkövei."
"(72. o.) Érzékeny, ultrapontos kísérletekkel szerzett tapasztalataink komoly nyomást helyeznek arra az elképzelésre, mely szerint a szellem képes befolyásolni az anyagot az akarata által. Íme, itt a kiváló alkalom, hogy a varázslók elénk tárják az igézet erejét, a természetfeletti képességekkel megáldott egyének bemutassák tudásukat, a becsvágyó próbálkozók örök dicsőséget szerezzenek az ima és a vágyakozás erejének demonstrálásával. A legkisebb hatásokat is detektálni lehet. De ez még soha senkinek nem sikerült."

I.3.3 Ami elromolhat, de nem romlik el
"(74. o.) Ahányszor eldöntöm, hogy felemelem a kezem, úgy tűnik, valami olyan történik, ami ellentmond az elveknek. ...van itt egy "énnek" nevezett valami - egy szellem vagy egy akarat -, amely megszabja, hogy a fizikai világ egy darabkája hogyan viselkedjék. Ez egy olyan illúzió, vagy legalábbis sajátos nézőpont, amelyből nehéz kilépni."

I.3.4 Tulajdonságok: mi az anyag?
"(76. o.) ...az anyag három elsődleges tulajdonsággal rendelkezik és e tulajdonságokból az összes többi tulajdonság levezethető. Ezek a következők: tömeg, töltés és spin."
"(76. o.) A spin alapgondolata, hogy az elemi részek ideális, súrlódásmentes pörgettyűk, amelyek forgása soha nem lassul le."
"(77. o.) A kvantummechanika szerint bármely tárgy által hordozott impulzusmomentumnak (perdületnek) van egy elméleti minimuma. Minden lehetséges impulzusmomentum ennek a minimális egységnek az egészszám-szorosa. ...az elektronok, a kvarkok és még néhány másfajta elemi részecske is pontosan ennek az elméleti minimális egységnek megfelelő impulzusmomentummal rendelkeznek... feles spinűek."

I.3.5 A részletek
"(79. o.) ...a közönséges anyag fogalmát... pontosabban is definiálni tudjuk: ez az az anyag, amely elektronokból, fotonokból, kétféle... kvarkból és gluonokból felépíthető."

I.3.6 Az építőkövek jövője
"(89. o.) A biológia egy másik utat mutat a jövő anyagai felé. A sejtek az élet fejlett formáinak "elemi részecskéi."

I.4 Nagyon kevés törvény van

I.4.1 A lokalitás diadala és a mezők tündöklése
"(96. o.) A 20. század folyamán a mezők teljesen átvették a hatalmat. A részecskéket ma már egy mélyebb, teljesebb valóság megnyilvánulásaiként értelmezzük. A részecskék a mezők megtestesülései."
"(96. o.) A mezők, lévén hogy folytonosan töltik ki a teret, látszólag nagyon különböznek a részecskéktől. Nehéz volt elképzelni, hogyan lehetne a fény mindkettő, viszont a kísérletek épp erre mutattak."
"(98. o.) ...a fotonok tulajdonságai mindig azonosak voltak, bárhol és bármikor figyelték meg őket... Ha a fotonok közös eredetét egy közös, univerzális elektromágneses térre vezetjük vissza, megértjük egyébként zavarba ejtő azonosságukat. És ez - analógia alapján - egy olyan mező (az elektrontér) bevezetéséhez is elvezet, amelynek gerjesztései az elektronok. Az összes elektron ugyanolyan tulajdonságokkal rendelkezik, mivel mindegyik ugyanannak az univerzális mezőnek a gerjesztése."
"(98. o.) A lokalitás a mezők révén valósul meg, a részecskéket a kvantumterek hozzák létre. ...nincs szükség két eltérő típusú alapösszetevő bevezetésére - mezőkre és részecskékre. A mezők uralják a világot. Vagyis a kvantummezők."

I.4.2 A négy kölcsönhatás
"(99. o.) A négy erő a következő:
1. elektromágneses kölcsönhatás... (QED)
2. erős kölcsönhatás... (QCD)
3. gravitáció...
4. gyenge kölcsönhatás."
"(100. o.) Az általános üzenet... az, hogy a fizikai világ irányítása nagyon kevés törvényt igényel"

I.4.3 Kvantum-elektrodinamika (QED)
"(101. o.) A fotontérből (elektromágneses térből) jönnek létre a kvantumfeltételek mentén a fotonok. A fotonok, lévén elektromosan semlegesek, közvetlenül nem hatnak egymásra. Az elektrontérből jönnek létre a kvantumfeltételek mentén az elektronok. Az elektronok hatnak egymásra az elektromos erők révén."
"(102. o.) Az atom eltérő teljes energiájú állapotokban létezhet. A megengedett energiaértékek a kvantumfeltételek miatt diszkrét mintázatot alkotnak. A magasabb energiájú állapotok foton kisugárzásával alacsonyabb energiájú állapottá alakulhatnak át. A foton energiája az atom kezdeti és végállapoti energiájának a különbsége."
"(104. o.) ...mivel a csillagászok és a vegyészek... akármilyen irányban és akármikor is fürkészték a világegyetem mélységeit, az atomi spektrumoknak mindig ugyanazt az együttesét látták, arra a következtetésre jutunk, hogy a világegyetemet mindenütt és annak egész története folyamán ugyanazok a... törvények irányítják."

I.4.4 Kvantum-színdinamika (QCD)
"(107. o.) A protonokban kvarkok és gluonok vannak. A kvarkok tömege nagyon kicsi, a gluonoké pedig egyenesen nulla. A protonon belül azonban rendkívül gyorsan mozognak, ennélfogva energiát hordoznak. Energiájuk összeadódik. ...a tömege m=E/c². Ez jelenti a proton és a neutron majdnem teljes tömegét mint a tiszta energia produktumát. Viszont az emberi lények majdnem teljes tömegét protonok és neutronok adják."

I.4.5 Gravitáció (általános relativitáselmélet)
"(110. o.) ...az energia minden formájának - nem csak a tömegenergiának - gravitációs hatása van."

I.4.6 A gyenge erő
"(111. o.) A gyenge erő egyfajta kozmikus akkumulátorként szolgál, lehetővé téve a kozmikus energia lassú felszabadulását."
"(111. o.) Noha a gyenge erő erőtlen, képes olyan dolgokra, amelyekre más erő nem. Sem az erős erő, sem az elektromágneses erő, sem a gravitációs erő nem képes a kvarkok átalakítására."
"(112. o.) ...a gyenge erő... akkor is képes átalakítani a neutront protonná, ha az nem izoláltan fordul elő, hanem egy atommag összetevője. ...valamely kémiai elem atomját egy másik kémiai elem atomjává alakítja át."

I.4.7 A megértés jövője
"(117. o.) Az általános relativitáselmélet azt tanítja, hogy a téridő szétválasztása térre és időre természetellenes. Az ősrobbanás kozmológiája... azt tanítja, hogy a korai univerzum feltűnően egyszerű volt. Ez komoly jelzés arra nézve, hogy érdemes általánosabb, a dolgok egészét feltáró törvények után kutatnunk."

I.5 Bőven van anyag és energia

I.5.1 A kozmikus energia bősége
"(119. o.) Ha.. csak a Földet elérő napsugárzással foglalkozunk, akkor jelenlegi teljes energiafelhasználásunknak... a 10000-szeresét kapjuk."

I.5.2 Alapok és emberi célok
"(120. o.) ...ha azt kérdezzük, hogy mi az emberi tevékenység lényege, és hogy fizikai értelemben mi az ember, akkor a válasz világosabb, mint maga a kérdés. Ezen a szinten az anyag lényege a dinamikus komplexitás."

I.5.3 Kombinatorikus robbanás
"(121. o.) Az atomoknak több olyan tulajdonsága van, amely alkalmassá teszi őket arra, hogy érdekes és bonyolult - azaz komplex - alkotások ideális építőelemei legyenek."
"(122. o.) A kombinatorikus robbanás az összes lehetőségek számának gyors növekedése független választások során... A DNS-ben... a struktúrák pontosan ugyanolyan jellegű kombinatorikus robbanást biztosítanak, mint a tízes számrendszer számjegyei..."

I.5.4 Elképzelni a komplexitást
"(123. o.) Atomi építőköveinktől... elvárjuk, hogy összerakhatóak és szétszedhetőek legyenek, közben viszont legyenek stabilak. ...az átmeneti stabilitás - a stabilitás és a változékonyság közötti finom egyensúlyt igényel."
"(123. o.) Az átmeneti stabilitást három fontos dolog teszi lehetővé. Ezek a magas hőmérséklet, az alacsony hőmérséklet és a közbülső energiaskála."

I.5.5 A lassú égés üzemanyaga
"(125. o.) A Nap égési folyamatában... protonok alakulnak át neutronokká."
"(125. o.) Átlagosan milliárd évekbe telik, amíg egy napbeli proton (kötött) neutronná alakul. Ezért a Nap energiája még kitart néhány milliárd évig."

I.5.6 Összefoglalva: ez vagy te
"(126. o.) Az anyagi valóság teljes megértésének keretei közt a dinamikus komplexitásnak biológiai, végső soron pedig pszichológiai és gazdasági alapjai vannak."
"(126. o.) Négy fundamentális erőnk mindegyike eltérő, de fontos szerepet játszik ebben a történetben. A gravitáció a Nap körüli pályán tartja a Földet, épp a megfelelő távolságban ahhoz, hogy a dinamikus komplexitás kialakulásához szükséges hőmérsékleti egyensúly létrejöjjön. Az elektromágneses erő... az atomokat molekulává szövi. Az erős erő... a nukleáris égéshez szükséges vonzóerőt biztosítja. A gyenge erő pedig a lassú nukleáris égéshez szükséges átalakulásokat teszi lehetővé."

I.5.7 Az anyagi bőség jövője
"(130. o.) A gazdasági növekedés és a tudományos megismerés, áldásaik ellett egyben veszélyeket is hordoznak. Ezek a veszélyek elkerülhetők. De nyitott kérdés, hogy így lesz-e."

II. Kezdet és vég

II.6 Kozmikus történetünk nyitott könyv

II.6.1 Érvényesség és határai
"(134. o.) Alaptörvényeink és a kozmikus történelemre vonatkozó ismereteink azt sugallják, hogy Naprendszerünk mérete és alakja véletlenszerű. Végleges formájának részleteit az határozta meg, hogy miként gyűlt össze és kondenzálódott a ma megfigyelhetó rendszerré a gázoknak, köveknek és pornak a keveréke."

II.6.2 Mi történt?
"(135. o.) ...egy univerzális robbanás utóhatásait éljük át."

II.6.3 Honnan tudjuk?
"(139. o.) A véges értékű fénysebességnek köszönhetően a messzi távolból hozzánk érkező fény a múltat tárja elénk."
"(140. o.) ...a világegyetem... annyi idős..., amilyen idősek a benne fellelhető legidősebb objektumok."

II.6.4 A kozmikus történelem jövője
"(144. o.) Az univerzum keletkezését semmi sem előzte meg, mert ebben a kontextusban az időnek - annak a dolognak, amit az óra mér - nincsen értelme."

II.7 A komplexitás létrejötte

II.7.1 Hogyan vált érdekessé a világegyetem?
"(146. o.) A gravitációs instabilitás... Az univerzum sűrűbb régiói nagyobb vonzóerőt gyakorolnak, így több anyagot halmoznak fel, s még sűrűbbé válnak. Az átlagosnál kisebb sűrűségű régiók ezzel szemben veszíteni fognak a versenyben, és még inkább kiürülnek. Ily módon az idő múlásával a sűrűségbeli kontraszt egyre élesebbé válik."
"(146. o.) ...a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzás, ami a 380.000 éves univerzum képét hozza elénk, nem teljesen egyenletes... sűrűségeltérést tükröz."

II.7.2 Érzékenység: a valóság elágazása
"(148. o.) ...amikor a gravitációs instabilitás jut szerephez, és az anyag csomósodni kezd, bármely konkrét helyen jöjjön is létre ez a csomósodás, pontos formája nagyon érzékeny sok-sok egyedi részecske kezdeti pozíciójára és sebességére. Számításaink szerint kezdetben alig különböző gázfelhőkből drasztikusan eltérő csillag- és bolygórendszerek alakulhatnak ki. Néhány részecske kezdőhelyzetében mutatkozó apró eltérés is megváltoztathatja a létrejövő bolygók, sőt még a csillagok számát is."

II.7.3 A kozmikus komplexitás jövője
"(149. o.) Az univerzum hosszú távú jövője első pillantásra meglehetősen zordnak látszik... nincs ok közvetlen aggodalomra. Napunk még legalább néhány milliárd jó év előtt áll... Ekkora átfutási időtávban hiba lenne alábecsülnünk leleményes mérnökeink kreativitását."

II.8 Sok van még, mit látnunk kell

II.8.1 Érzékelésünk kapuinak kitárása
"(154. o.) A technológia mára már szupererőt adott a kezünkbe, s nem látszik a vége a további lehetőségeknek."

II.8.2 Jól megérdemelt felismerések
"(155. o.) ...példák a tervezett kutatásra, amikor is nagyon élesen körülhatárolt kérdéseket teszünk fel a természettel kapcsolatban, amelyekre elvárható valamilyen válasz."

II.8.3 A Higgs-részecske
"(157. o.) Az ok, amiért a Higgs-kondenzátumot be kell vezetnünk, az, hogy az általunk megfigyelt világban a W és a Z bozonnak a gluonoktól és a fotonoktól eltérően a tömege nem tűnik el. ...be kell vezetnünk egy olyan közeget, amely lelassítja őket."
"(157. o.) A gyenge erő közegalapú elmélete az 1960-as években öltött formát. Az 1970-es években megszaporodtak a mellette szóló bizonyítékok, s ez végül az elmélet általános elfogadását eredményezte. Egy fontos kérdés azonban megválaszolatlan maradt: mi ez a mindennél fontosabb, mindenütt jelen levő közeg - a Higgs-kondenzátum?"
"(157. o.) A kutatók számos spekulatív válasszal álltak elő... A legegyszerűbb... lehetőség azonban az volt, hogy a kondenzátum egyetlen új részecskéből, a Higgs-részecskéből épül fel."
"(159. o.) A Higgs-részecske felfedezését 2012. július 4-én jelentették be. A nagy energiájú fotonpárokban mutatkozó többlet volt a jel."

II.8.4 Gravitációs hullámok
"(160. o.) Wheeler... "A téridő megmondja az anyagnak, hogyan mozogjon; az anyag megmondja a téridőnek, hogyan görbüljön."... A téridő is az anyag egy megjelenési formája."
"(160. o.) A téridő meggörbítéséhez energiára van szükség, és az energia idézi elő a téridő görbületét. Ily módon a görbület részt vesz önmaga megteremtésében. Röviden, a téridőnek önálló élete van."
"(160. o.) ...az elektromágneses... hullámokban az elektromágneses tér önálló életre kel. A változó elektromos mező változó mágneses erőteret kelt, amely változó elektromos teret hoz létre, és így tovább a végtelenségig. A mező önfenntartó zavara terjed tova a térban."
"(160. o.) ...Einsteinnek a gravitációt kódoló görbült erőtere is támogatja az önfenntartó zavarokat. Ez utóbbiakat gravitációs hullámoknak nevezzük. A gravitációs hullámokban a tér bármilyen irányú görbülete más irányokban is görbületet okoz."
"(163. o.) A gravitációs hullámok első sikeres észlelésére 2015. szeptember 18-án került sor. ...Azóta még körülbelül ötven eseményt detektáltak."

II.8.5 Az észlelés jövője
"(164. o.) ...Ramachandran... "...megkérdőjelezhetetlennek tűnik..., hogy testünkhöz vagyunk kötve. Mégis elegendő csupán néhány másodpercnyi megfelelő stimuláció, hogy lényünknek még ez az axiomatikus alapja is átmenetileg eltűnjön"."

II.9 Megmaradt rejtélyek

II.9.1 Az idő megfordítása
"(168. o.) ...ha képzeletben filmre vesszük a bolygók Nap körüli mozgását Newton törvényei szerint, aztán ezt a filmet visszafelé vetítjük le, a film továbbra is a Newton-törvényeknek megfelelően játszódik. A törvényeknek ezt a tulajdonságát időtükrözési szimmetriának, röviden T-szimmetriának nevezzük."
"(170. o.) ...1964-ben... Cronin... Fitch és munkatársaik a K-mezonok bomlásában felfedeztek egy ismeretlen hatást, ami megsértette a T-szimmetriát."

II.9.2 A sötét oldal
"(172. o.) A sötét anyag új típusú részecskékből állhat, amelyek az ősrobbanáskor keletkeztek, és csak nagyon gyenge kölcsönhatásba léptek a közönséges anyaggal. A sötét energia lehet magának a térnek egy univerzális sűrűsége."
"(174. o.) ...az összes megvizsgált esetben a galaxist (láthatatlan) sötét anyag kiterjedt halója veszi körül... A sötét anyagból álló halo tömege mindent összevetve hatszorosa a látható szennyezőknek."
"(175. o.) ...a nagyon távoli galaxisok képe jelentősen eltorzul... Az általános relativitáselmélet szerint a gravitáció eltéríti a fényt, tehát a gravitációs lencsehatás nem meglepő. ...azt találták, hogy a klaszter tömege hatszorosa kell legyen a látható csillagok és gázködök tömegének."
"(175. o.) Albert Einstein... 1917-ben már... fontolgatta... a "kozmológiai állandó" bevezetését. Ez fizikai szempontból azt jelenti, hogy magához a térhez nem nulla sűrűségértéket rendelünk hozzá. Vagyis a kozmológiai állandó nem nulla volta annyit jelent, hogy a tér mindne térfogategysége az össztömegéhez ugyanakkora, nem nulla értékkel járul hozzá, még akkor is, ha a térfogategységben (látszólag) semmi sincsen."
"(175. o.) A komzmológiai állandóval csupán elfogadjuk azt a lehetőséget, hogy a téridő... saját tömeggel rendelkezhet."
"(176. o.) A tér általunk mért energiasűrűsége minden lépték szerint rendkívül kicsi. A Föld térfogatával azonos térfogatú térrész tömege mindössze 7 milligramm... Da a galaxisok közötti tér oly hatalmas, hogy ez a mindenütt jelen lévő pici energiasűrűség a világegyetem teljes tömegét dominálja."
"(177. o.) A sötét energiára Einstein elképzelését fogadjuk el, tehát az magának a térnek az energiasűrűségét jelenti, és egy általános negatív nyomás társul hozzá."

II.9.3 Axionok: kvantum, amely tisztít
"(179. o.) Az axionok... nagyon gyengén hatnak kölcsön egymással és a közönséges anyaggal. Magas hőmérsékleten keletkeztek, és később kiszabadultak a kozmikus tűzgolyóból. Utófényük, az axion-háttérsugárzás, betölti az egész univerzumot. Az axionháttér becsült sűrűsége megfelel a sötét anyag megfigyelt sűrűségének, és az axionok szinte nyugalmi állapotban keletkeznek... Gyönyörű történet, de vajon igaz-e?"

II.9.4 A rejtélyek jövője
"(181. o.) Az ember egyedi sajátossága, amelyben nem osztozik az evolúcióval, és egyelőre a gépekkel sem, a megértésben mutatkozó hézagok felismerésének képessége, és az, hogy örömöt lel ezeknek a hézagoknak a kitöltésében."

II.10 A komplementaritás felszabadító

"(182. o.) A komplementaritás egyszerűen fogalmazva azt jelenti, hogy egyetlen dologra különböző nézőpontból rátekintve az látszólag nagyon különböző vagy éppen egymásnak ellentmondó tulajdonságokkal rendelkezhet."
"(182. o.) A világ egyszerű és bonyolult, logikus és furcsa, törvényszerű és kaotikus. A mélyebb megértés nem oldja fel ezt a kettősséget."

II.10.1 Komplementaritás a tudományban
"(183. o.) Tapasztalataiból kiindulva Bohr a komplementaritást olyan erős elvvé fejlesztette, amely a tudományból átszivárgott a filozófiába, és bölcsességgé tisztult."

II.10.2 Komplementaritás a kvantummechanikában
"(184. o.) Amennyiben adva van a kvantumelmélet matematikai kerete, a hely és a sebesség komplementaritása egy matematikai tétel."
"(185. o.) ...Heisenberg... Felismerését a "határozatlansági elv" alakjában fogalmazta meg."
"(186. o.) Bohr elgondolásai a komplementaritásról Heisenberg munkájának értelmezéséből nőttek ki."
"(186. o.) Einstein nem értett egyet Bohr és Heisenberg megállapításaival... Nem tudott egyetérteni egy olyan elképzeléssel, amely érvényesnek tart egymással össze nem egyeztethető nézőpontokat. ...abban bízott..., hogy a részecske helyzetének és sebességének mérése egyidejűleg megvalósítható."
"(187. o.) Bohr... képes volt azonosítani Einstein legapróbb tévedését is, és igazolni a kvantumelmélet fizikai konzisztenciáját."

II.10.3 A leírás szintje
"(189. o.) A világot annak legkisebb építőkövei szintjén leírni hatalmas elégedettséggel tölti el az embert. Nagy a csábítás, hogy kijelentsük: ...más, magasabb szintű leírások pusztán csak közelítések-kompromisszumok, amelyek a megértés gyengeségeit tükrözik."
"(189. o.) Az érdekes kérdések megválaszolásához sokszor a fókusz áthelyezésére van szükség. Új fogalmakat felfedezni - vagy kitalálni - és általuk újszerű módon gondolkodni soha véget nem érő kreatív tevékenység."

II.10.4 Túl a tudományon: a komplementaritás mint bölcsesség
"(192. o.) A szabad akarat és a fizikai determinizmus a valóság komplementer aspektusai."
"(192. o.) ...a komplementaritás elemi üzeneteit:
• A megválaszolni kívánt kérdések alakítják ki a szükséges fogalmakat.
• Ugyanazon dolognak különböző, olykor egymásnak ellentmondó módon megvalósított elemzései egyformán megalapozott eredményekre vezethetnek."
"(192. o.) A komplementaritás tehát felhívás a különböző nézőpontú mérlegelésre. A komplementaritás szellemében a szokatlan kérdések, szokatlan tények, szokatlan hozzáállás lehetőséget ad számunkra, hogy új nézőpontokat próbáljunk ki, és tanuljunk belőlük. Ez értelmünk kitágulását mozdítja elő."
"(193. o.) ...a tudománynak különleges státusza van. Számtalan gyakorlati alkalmazásban testet öltött sikerei révén óriási a hitele mind a megértés eszközeként, mind a fizikai valóság elemzésének módszereként. A magukat szűken meghatározó tudósok nem gyarapítják, a tudományt kerülő emberek viszont szegényebbé teszik elméjüket."

II.10.5 A komplementaritás jövője
"(194. o.) ...emberi érthetőség és pontos leírás komplementer fogalmak."

Utószó - Hosszú az út hazafelé

"(196. o.) A tudományos megértés olyan sokszínű és ízletes gyümölcsöket terem, hogy aki egyszer evett a tudás fájáról, annak elmegy a kedve más ételek kóstolgatásától. A nem tudományos irodalom unalmasnak tűnik; a nem tudományos filozófia ostobaságnak; a nem tudományos művészet céltalannak; a nem tudományos hagyomány üresnek - és persze a nem tudományos vallás értelmetlennek..." (A szerző figyelmeztetése a tudománnyal foglalkozóknak.)
"(198. o.) ...konzervatív megoldásra vall, ha elfogadjuk azt, amit a híres biológus, Francis Crick "megdöbbentő feltevésnek" nevezett: hogy az értelem, valamennyi aspektusát tekintve, "nem több mint az idegsejtek óriási halmazának és a hozzájuk társult molekuláknak a viselkedése"."
"(199. o.) ...a tudomány azt tanítja, ami van, nem pedig azt, aminek lennie kellene. Segíthet céljaink elérésében, ha kiválasztottuk őket, de a célok kiválasztásában nem segít."
"(199. o.) Közismert, hogy az erkölcsről alkotott felfogásunk idővel változik. ...Tapasztalatok és közös megegyezés alapján az emberek fokozatosan hagyják el korábbi nézeteiket, és teszik magukévá az újakat. Így jogosan jelenthetjük ki, hogy a... kialakuló új nézetek a régieknél fejlettebbek... Ezekben a változásokban az empátia hatókörének kiterjedése a közös... Ha az anyag mintázataként látjuk önmagunkat, rokonain köre természetes módon kibővül, valóban tágra nyílik."

Függelék

Függelék 1. A tömeg mint tulajdonság
"(203. o.) A tömeg kétféle szerepet kap a részecske tulajdonságainak leírásában, tehetetlenségét és gravitációs hatását is leírja. Valamely test tehetetlensége a mozgásának megváltoztatásával szemben megnyilvánuló ellenállását méri. Vagyis nagy tehetetlenséggel bíró test még nagy erők hatásának kitéve is jó közelítéssel megtartja mozgásának sebességét. A részecske gravitációja általános vonzó hatás, amelyet más részecskékre fejt ki. Minél nagyobb a részecske tömege, annál nagyobb a gravitációja. Minden elemi részecskének meghatározott értékű tömege van. Különböző részecskékre ezek az értékek általában különbözők. Úgy tűnik, nem illeszthetők egyetlen egyszerű mintázatba sem. Sok fizikus kísérelt meg magyarázatot adni az elemi részecskék megfigyelt tömegére, de egyelőre senki sem járt sikerrel. (Pontosabban senkinek sem sikerült meggyőznie bárki mást magyarázata helyességéről.)"
"(204. o.) A legfontosabb részecskék közül néhánynak, köztük a fotonoknak, gluonoknak és gravitonoknak, nulla a tömegük. Ez nem jelenti azt, hogy nincs tehetetlenségük vagy gravitációs hatásuk. Valójában van..."
"(204. o.) A tömeg közrejátszik a tehetetlenségben és a gravitációban, de nem az egyedüli tényező. A mozgó részecskének nagyobb a tehetetlensége és a gravitációja, mint a nyugalomban levőnek. Valóban, a relativitás elmélete arra tanít bennünket, hogy az energia, és nem a tömeg az, ami szabályozza a tehetetlenséget és a gravitációt. A nyugalomban levő testek tömege és energiája Einstein híres E=mc² képletének megfelelően arányos egymással, így ebben az esetben a tehetetlenséget és a gravitációt tetszés szerint akár a tömeggel, akár az energiával kifejezhetjük. Amíg a tárgyak a fény sebességéhez mérten lassan mozognak, az E=mc² összefüggés jó közelítés. Ilyenkor nem követünk el nagy hibát, ha a tehetetlenséget és a gravitációt a tömeggel arányosnak tekintjük."
"(204. o.) A fénysebességéhez közelítő sebességel mozgó testekre az E=mc² képlet már nem alkalmazható. Nem arról van szó, hogy Einsstein melléfogott, hanem egy általánosabb és átgondoltabb összefüggést kell alkalmazni, amelyet ugyancsak Einstein vezetett le. Az általánosabb képlet azt mutatja, hogy bár nyugalmi tömege nulla, a fotonnak mégis van tehetetlensége és gravitációs vonzereje."

Függelék 2. A töltés mint tulajdonság
"(204. o.) A részecske elektromos töltése azt szabályozza, hogy milyen mértékben vesz részt a részecske elektromos erőhatásokban..."
"(204. o.) Az elektromos töltésre vonatkozóan két tény teszi könnyűvé és kényelmessé a vele való munkát. Az egyik az additivitása - ami azt jelenti, hogy objektumok tetszőleges együttesének teljes töltését ki lehet számolni úgy, hogy összeadjuk a komponensek töltéseit. A másik, hogy megmarad. Ez azt jelenti, hogy a tér egy elszigetelt részének teljes töltése változatlan marad, függetlenül attól, hogy mi történik az adott régióban. A töltés megváltozhat, ha a tartományba beviszünk, vagy onnan kiveszünk dolgokat, de nem változik meg, ha az ott lévőket átrendezzük vagy összeütköztetjük."
"(205. o.) Az additív és megmaradó mennyiségek a "szubsztancia" intuitív fogalmát testesítik meg. Összeadhatók és nem vesznek el. Szó szerint számítani lehet rájuk."
"(205. o.) Az elemi részecskék töltése a tömegnél jóval egyszerűbb és szabályosabb mintázatot követ. Számos elemi részecskének nulla az elektromos töltése, és valamennyi nem nulla töltésű részecske töltése egy közös egység egészszám-szorosa. Vannak pozitív és negatív töltésűek."
"(205. o.) ...a test elektromos töltésétől függ, hogy a test mennyire erősen reagál az elektromos és a mágneses térre. Van két más típusú, az elektromossal sok vonatkozásban egyező töltés, amelyek más alapvető kölcsönhatásban játszanak meghatározó szerepet. Ezek a színtöltés és a gyenge töltés."
"(205. o.) A színtöltéstől függ a test gluonterekre adott válaszának erőssége. ...a színtöltés olyan, mont a szteroidkúrára fogott elektromos töltés. Az erős kölcsönhatás erősségét szabályozó színtöltés egysége nagyobb az elektromos töltésegységnél (vagyis az elektron töltésénél). Ez teszi erőssé az erős erőt. Nemcsak ez, mert szemben az elektromos töltés egyetlen típusával és a fotonnal, színtöltésből három különböző típus van, és nyolcféle közvetítő gluon."
"(205. o.) Mindent egybevetve, az erős kölcsönhatást leíró egyenletrendszer - ami kvantum-színdinamikaként (QCD) ismert - a kvantum-elektrodinamikát (QED) leíró Maxwell-egyenleteknél, azaz az elektromágnesség modern elméleténél nagyobb és szimmetrikusabb rendszer. A QCD steroidkúrára fogott QED."
"(206. o.) A gyenge töltésnek két típusa van, és egységük valamivel nagyobb az elektromos töltésegységnél..."

Függelék 3. A változás részecskéi
"(206. o.) A W és Z bozonok, valamint a Higgs-bozon nagyjából százszor nehezebb a protonnál. Nagyon instabilak is. Ebből a két tényből - a nagy tömegből és az instabilitásból - következik, hogy nehezen előállítható és tünékeny jelenségek. Előállításuk és észlelésük a nagyenergiás gyorsítóknál végzett munka nagy eredménye a jelen évtizedekben. A neutrínók nagyon könnyű részecskék, és alapvetően stabilak, de nagyon gyengén azért kölcsönhatásba lépnek a közönséges anyaggal (vagyis az anyag építőköveivel)."
"(206. o.) Bár nem tartoznak a közönséges anyag alapvető összetevői közé, ezeknek a részecskéknek mégis fontos szerepük van. Az átalakulási folyamatokban érintettek: az úgynevezett gyenge kölcsönhatásban vagy gyenge erőben. A természetben a gyenge kölcsönhatás bizonyos átalakulási folyamataiban felszabaduló energia mozgatja a tektonikus lemezeket és adja a csillagok energiáját. Az atomreaktorok és a nukleáris fegyverek megvalósítását is ez teszi lehetővé."
"(207. o.) A három neutrínótípust eltérő tömegük és finom kölcsönhatásbeli eltérések különböztetik meg egymástól. Rendkívül könnyű részecskék. ...tömegük törtrésze az elektron tömegének, de legalább két esetben (és valószínűleg a harmadikban sem) nem nulla. Mivel sem elektromos, sem színtöltéssel nem rendelkeznek, a neutrínók nagyon ritkán lépnek kölcsönhatásba közönséges anyaggal. Ez teszi nehézzé vizsgálatukat..."
"(207. o.) A kísérleti fizikusok... gigantikus detektorokat építettek fel és helyeztek üzembe. A neutrínófizika ma nagyon népszer kísérleti tevékenységnek számít. Egyebek között világos képet adott a Nap mélyén zajló folyamatokról és a szupernóva-robbanásokban megvalósuló heves átalakulásokról."

Függelék 4. Bónuszrészecskék
"(207. o.) A bónuszrészecskék valamennyien instabilak. Nagy energiájú ütközések törmelékében találták meg őket, a kozmikus sugárzásban (a 20. század elején) vagy részecskegyorsítókban (manapság)..."
"(207. o.) A bónuszrészecskék tömege széles tartományt fog át, és nem alkot nyilvánvaló mintázatot..."
"(208. o.) Ezek a részecskék három csoportot alkotnak. A tulajdonságaikat megvizsgálva azt látjuk, hogy a c és t kvark az u kvark nehezebb, instabil változata, míg az s és b kvark a d kvark nehezebb, instabil változata, a müon és a tauon pedig az elektron nehezebb, instabil változata."
"(208. o.) Az utolsó "elemi részecskénk" folyamatban lévő kutatások tárgya. A csillagászok számos esetben figyeltek meg a várhatónál erősebb gravitációs teret. Itt nem kis eltérésről van szó: a megfigyelt gravitációs értékhez a közönséges anyag tömegének hatszorosát kell feltételezni..."
"(208. o.) Egy megfelelő tulajdonságokkal rendelkező elemi részecske megoldhatná a sötétanyag-problémát, forrása lehet az egyébként rejtélyes gravitációs többletnek. A megfigyelt tények nagyjából egybeesnek ezzel a magyarázattal, de nem adnak elegendő információt a feltételezett részecske fontos tulajdonságairól, mint amilyen a tömeg és a spin."

Függelék 5. További információk: egy mérvadó katedrálisban
"(208. o.) A Particle Data Group weboldala: http://pdg.lbl.gov. Az összes technikai részlettel együtt dokumentálja a kozmológia és az anyag kölcsönhatásainak kísérleti bizonyítékait. Ez egy tudományos katedrális, amelyet egy valamennyi földrészre kiterjedő közösség épít immár generációkon át kötelességtudatból, a fizikai valóság dicsősége előtt tisztelegve."

Függelék 6. A QCD leleplezése: a jetek
"(209. o.) A kvarkok és gluonok közötti erős kölcsönhatás nem csupán a kis idő- és térbeli elkülönülés esetén gyengül le, hanem az energiában és az impulzusban bekövetkező nagy változások hatására is. Ez a viselkedés az aszimptotikus szabadság két aspektusa. A kvantummechanika egyeleteivel bármelyik levezethető a másikból."
"(209. o.) Az energiában és az impulzusban bekövetkező nagy változások ritka volta különös jelenséghez vezet, amely az ultranagy energiájú kölcsönhatásokban válik domináns tulajdonsággá. Ez a jetek jelensége. A jetek a QCD lényegére mutatnak rá. Bámulatosan közvetlen, kézenfekvő formában mutatják meg a kvarkokat, a gluonokat és elemi kölcsönhatásaikat."
"(209. o.) Nézzük meg, mi történik akkor, ha a proton belsejében levő kvarkot egy külső erő hirtelen megtaszítja. A külső erőhatás lehet például bombázó elektron. A kvark, megszokott környezetéből kiszakítva, nagy adag energiával és impulzussal ellátva elhagyja a protont. Izolált kvark megjelenése azonban tarthatatlan. Kompenzálatlan színtöltése megzavarja a színtöltéssel rendelkező gluonterek egyensúlyát, ezáltal a kvark gluonokat bocsát ki, veszítve energiájából és impulzusából. Ezek a másodlagos gluonok szintén sugároznak, vagy más gluonokká, vagy kvarkokká és antikvarkokká alakulnak át. Ily módon az eredeti kilökődés kvarkokból, antikvarkokból és gluonokból álló csóvát hagy maga után, amelyek azután protonokká, neutronokká vagy más hadronokká dermednek. Mint mindig, a kvarkok, az antikvarkok és a gluonok most sem materializálódnak egyedi részecskeként, csakis társítva (hadronok formájában)."
"(209. o.) Mindez talán bonyolultnak tűnik, és valóban az. A káosznak az aszimptotikus szabadásg ad struktúrát. Mivel a nagy energiát és impulzust hordozó sugárzások ritkák - ez az aszimptotikus szabadság üzenete -, a zuhatag valamennyi részecskéje ugyanabba az irányba kezd mozogni. Végül sok-sok részecskenyomot látunk keletkezni egy keskeny kúpban. Azt mondjuk, hogy a részecskék jetet alkotnak. Mivel az energia és az impulzus megmaradó mennyiségek, ha a jetben megjelenő valamennyi részecske energiáját és impulzusát összeadjuk, az eredeti kvark energiájához és impulzusához jutunk."
"(210. o.) A jetek csodálatos ajándékot jelentenek a fizikusok számára. Mivel az eredeti részecske energiáját és impulzusát kódolják, tulajdonképpen az eredeti részecskék inkarnációi. Ily módon a kvarkok és a gluonok megfoghatóvá válnak annek ellenére, hogy elkülönült részecskeként nem léteznek. A kvarkok és gluonok viselkedésére vonatkozó jóslatainkat a jetekre vonatkozó elvárásokra fordíthatjuk le. Ezáltal a jetek lehetőséget adnak a QCD elemi törvényeinek, a kvarkokra és gluonokra vonatkozó állításainak pontos és részletes ellenőrzésére. Más ismert vagy feltételezett, kvarkokra és gluonokra vonatkozó folyamatokhoz is kapaszkodót adnak."

Függelék 7. A tér geometriája és az anyag sűrűsége
"(210. o.) Az általános relativitáselmélet markáns kapcsolatot jósol a tér átlagos görbülete, átlagos anyagsűrűsége és az univerzum tágulásának mértéke között. Ha a teljes anyag sűrűsége megegyezik egy bizonyos kritikus értékkel, akkor a tér sík; ha ennél nagyobb a sűrűség, akkor a térnek pozitív görbülete lesz, mint a gömbnek; ha a sűrűség kisebb, akkor a tér negatív görbületű, nyeregszerű."
"(211. o.) Jelenleg a kritikus sűrűség nagyjából 10^-29 gramm köbcentiméterenként. Ez köbméterenként hat hidrogénatomnak felel meg.Bár a kritikus sűrűség jóval alatta van a legjobb "ultranagy vákuumnak", amit földi laboratóriumban valaha is elértek, úgy tűnik, mégis közel jár a világegyetem egészének átlagos sűrűségéhez."
"(211. o.) ...a csillagászok mérni tudják a tér geometriai alakját. Ugyancsak mérni tudják a sűrűséget, összegezve a közönséges anyag, a sötét anyag és a sötét energia járulékát. Arra jutottak, hogy terünk nagyon közel áll a síkhoz, és a sűrűség ugyancsak a kritikus sűrűséghez közeli. Ez egybeesik a relativitáselmélet ijóslattal. Mindez arra a feltételezésre bátorít bennünket, hogy a sötét anyag és a sötét energia rejtélye megérthető az általános relativitáselmélet fogalmi keretében. Bizonyos, hogy nem igényli annak módosítását."

Vissza az oldal elejére