A modern fizika dilemmái

Haladás vagy zsákutca?

Rockenbauer Antal

  A fizikai törvények három alapvető kritériuma

Hétköznapi életünkben kialakultak fogalmaink a mozgásról, mint a tárgyak egymáshoz képesti viszonyáról, térbeli elhelyezkedésével és az események időbeli lefolyásáról. Valójában négy alapfogalomról van szó: a térről, időről, a tárgyakról és a mozgásokról. A fizika rendszerezett módon kapcsolja össze ezeket a fogalmakat és állapítja meg törvényeit. Ennek során elfogad bizonyos alapelveket. Törvényeit úgy akarja megfogalmazni, hogy érvényessége ne függjön a megfigyelőtől, és legyen reprodukálható bárki számára, aki azonos kiinduló feltételeket teremt. Ebben már benne rejlik az egyik fontos kérdés: mi annak a kritériuma, hogy tényleg azonosak-e a kezdő feltételek? Honnan tudhatjuk, hogy nem marad rejtve előttünk valami, ami befolyásolni fogja az eredményeket? A reprodukálhatóság pedig feltételezi a kauzalitást és a determinizmust: a vizsgált rendszer egy jól definiált állapotból mindig egy másik jól definiált állapotba megy át. Természetesen bonyolult rendszerekben, például egy gázban, nem követhetjük minden egyes atom és molekula mozgását, ilyenkor csak valószínűségi megállapításokat tehetünk, erre példa a termodinamika, de ekkor is feltételezzük, hogy ez a valószínűség nem a determinizmus hiánya, hanem csak annak lehetetlensége, hogy nyomon kövessük a rendszer összes elemének a mozgását.

Jogosan vetődik fel a kérdés, hogyan alkalmazhatjuk a mikrovilágban azokat a fogalmakat, amelyeket eredetileg a makrovilágban alakítottunk ki. Atomok és elemi részecskék esetén óriási léptékváltásról van szó. A szemünkkel közvetlenül látható milliméteres világtól hét nagyságrend választja el az atomokat:  tízmillió atomot kell összefűzni, ha a lánc hosszát szabad szemmel is látni akarjuk. Hasonlóan nagyságrendi ugrást jelent a sebességek terén a hétköznapi életben szokásos értékekhez képest a fény sebessége, amihez közel kerülhet az elemi objektumok mozgása is. Ne feledjük a fénynek a másodperc törtrésze elegendő ahhoz, hogy akkora utat tegyen meg, mint Földünk teljes kerülete, hol van ehhez képest a puskagolyó, a szuperszonikus vadászgépek, vagy akár az űrrakéták sebessége is, a különbség mintegy tízezerszeres! A fizikában is hasznos útmutató lehet a józanészre való hivatkozás, de erre csak korlátozottan szabad hagyatkozni, mert ez extrapolációt jelent: nincs garancia arra, hogy sok-sok nagyságrenddel kisebb távolságokban és hatalmas sebességeknél is ugyanolyan törvények uralkodnak, mint amit megszoktunk a mindennapokban. Ezért, ha a modern fizika törvényei a józanész számára nehezen befogadhatók, akkor különös gondossággal kell eljárni, lehet, hogy a józanész szavát kell igazítani a felismert új világhoz, de az is lehet, hogy a fizikai elméletek kidolgozói indultak el rossz úton. Az előbbire példa a geocentrikus világ elvetése. Évezredekig természetesnek tűnt, hogy a Föld körül forog az egész világ, erről naponta meggyőződhettünk, ha néztük a Nap mozgását, vagy éjszaka a csillagokét. De ma, amikor tudjuk, hogy Földünk egy apró porszem, sőt annál is kisebb a világegyetemhez képest, ma már a józanész sem állítja, hogy e-körül a porszem körül forogna egész univerzumunk. Az utóbbira is akad példa, amikor az elmélet elfogadhatatlan mértékben elrugaszkodik a valóság talajáról. Erről a kérdésre később még kitérek a kauzalitással kapcsolatban.

 A fizika mennyiségi viszonyokat vizsgál, ehhez szükség van matematikai összefüggésekre is. A fizika törvényei ezért matematikai alakban formálhatók meg. A fizikának ezért tisztelni kell a matematika logikáját, nem teheti meg, hogy önkényesen eltér a matematika szigorú szabályaitól. Ugyanakkor a fizikai elméleteknek, törvényeknek, akkor van értelmük, ha alá lehet vetni a kísérlet próbájának, ami vagy megerősíti elképzeléseinket, vagy cáfolja azt. A kísérleti ellenőrizhetőség nélkül a fizika elveszne az ezotériában. Amikor feltesszük a kérdést, hogy a fizika fejlődik-e vagy zsákutca felé halad, akkor azt vizsgáljuk, hogy mennyire sikeresen tisztázza az alapfogalmakat és azok kapcsolatát, valamint tiszteletben tartja-e az előbb felsorolt három követelményt: a kauzalitást, a matematikai korrektséget és a kísérleti kontrollálhatóságot. 

 A klasszikus fizika alapfogalmai: abszolút kategóriák

A klasszikus fizika megalkotta a maga fogalomrendszerét, a tárgyak mozgását a tömeg, erő, energia és impulzus kategóriáival jellemezte, leírja pályájukat a térben és időben a newtoni differenciálegyenletekkel, megfogalmazta az elektromágnesesség törvényeit Maxwell nevezetes négy egyenletében, bevezetve az elektromos töltés, az áram, az elektromos és mágneses tér fogalmát. A termodinamika összegzi az energia különböző formáinak egymásba alakításával mozgásba hozott rendszerek (gépek) működéséből nyert tapasztalatokat és törvényeivel kimondja, hogy nem lehet örökmozgót konstruálni. A klasszikus fogalomrendszer olyan kategóriákon alapult, ami a teret és időt egymástól függetlennek és abszolútnak tekintette, amiben a tárgyak, a fizikai objektumok elhelyezkednek és mozognak. A klasszikus leírás a fizikai objektumok tulajdonságait is abszolútnak tekinti, jól definiált tömeget és méretet rendel minden tárgyhoz.

 Relatív kategóriák megjelenése a modern fizikában: a téridőtől a téridő-részecskéig

A huszadik század hajnala forradalmi változásokat hozott a fizika egész szemléletében, ennek három fő fejezete a speciális, az általános relativitáselmélet és a kvantummechanika. A speciális relativitás új kapcsolatot teremtett a tér és idő között, sőt megváltoztatta a tárgyakról alkotott elképzeléseinket is. Eszerint nincs külön tér és idő, csak a kettő együtteséről a téridőről beszélhetünk. Nem mondhatjuk meg, hogy mekkora egy tárgy hosszúsága anélkül, hogy tisztáznánk milyen rendszerből nézzük. A gyorsan haladó vonat ablakából rövidebbnek látszik a vízszintesen tartott rúd, mint amekkorának az látja, aki a rudat a kezében tartja. A hétköznapi életben természetesen ezt nem vehetjük észre, mert ehhez olyan vonatra lenne szükség, amelyik egy másodperc alatt körbe futná a Földet, azaz közel kerülne a fény sebességéhez. De most képzeletben gondoljuk azt, hogy ilyen vonaton utazunk. Ebből a vonatból nézve megváltozik az idő futása és a tömeg is. Ha a vonat mellett álló ember egy rúgót tart kezében, amin egy súly fel és alá mozog, akkor a vonaton lassabbnak látszanak a rezgések, mint amit a rugót kezében tartó ember lát. Ezt a vonaton ülő úgy értelmezi, hogy odakinn lassabban telik az idő. A rezgésidőből, amikor a súly tömegére következtet, akkor azt állapítja meg, hogy nagyobb a tömeg, mint ami a földön álló megfigyelő megállapít. Tehát a hosszúság és az idő is relatív, ugyanez vonatkozik az objektumok tömegére is, de van-e akkor valami, ami abszolút? Igen van, és ez a négydimenziós térben mért hosszúság, amit a tér és idő koordináták alapján számíthatunk, ha az időt megszorozzuk a fény sebességével és figyelembe vesszük, hogy az időbeli komponens négyzetéből a térbeli komponensek négyzetösszegét kell levonni. Evvel megfogalmaztuk a relativitáselmélet legfontosabb tételét. A józanész nehezen követi ezeket a szabályokat, de a felhalmozott kísérleti tapasztalatok súlya miatt nem lehet kétségünk, hogy a különösnek tűnő jelenségek mégis a fizikai valóság alkotórészei. Megnyugtató, hogy a sebességeknek abban a tartományában, amivel mindennapjainkban találkozhatunk elhanyagolható mértékűek a relativisztikus effektusok. A klasszikus fizika a mozgások leírására bevezette az energia és az impulzus fogalmát. A relativitás elmélete szintén átrendezte ennek a két fogalomnak a viszonyát. Az energia négyzetéből és impulzus négyzetösszegének különbségéből álló mennyiség a tárgyak mozgásának igazi állandója, amelyik egyúttal kapcsolatot teremt a tömeg és energia között a nevezetes E = mc² ekvivalencia szabály szerint. Bár hétköznapi tapasztalataink alapján képzett fogalmainkkal nem könnyű érteni a speciális relativitás különleges szabályait, mégis egyértelmű, hogy az elmélet jelentős előrelépést jelent a fizika történetében, mert a megállapítások összhangban maradtak a fizika alapelveivel.

Szintén egyértelmű előrelépés az általános relativitás elmélete. Ebben Einstein tovább fejlesztette a relativitás fogalmát, mert már nem az egyenletes sebességgel száguldó vonatot vette alapul, tehát az inercia rendszert, hanem a gyorsulót. Mindannyian éreztük már, hogy a gyorsuló liftben nagyobb erővel tapad a lábunk a padlóhoz, vagy a gyorsuló vonaton a hátunk nekifeszül az ülés támlájának, ez a tehetetlenségi erő. Einstein ekvivalenciát állapított meg a gyorsuláskor fellépő tehetetlenségi erő és a tömegtől származó gravitáció között. A tömeg begörbíti a körülötte levő teret, ahogy egy súly besüppeszt egy gumimatracot, és emiatt a súly közelében levő tárgyak a súly felé gurulnak. Ez az elmélet tovább finomítja a téridő és a tárgyak kapcsolatát: többé a tárgyak nem passzív szereplői a térnek, hanem alakítói is, meghatározzák a tér struktúráját. A továbbiakban ezt a gondolatot akarjuk továbbépíteni, célunk egy olyan fizikai világkép kialakítása, ahol a téridő nem egy „tartály”, amiben a fizikai jelenségek, a részecskék és más fizikai objektumok mozgását leírjuk, hanem a tér, idő, a mozgások és a részecskék egymással kölcsönható világa, amelyben elválaszthatatlan egységet alkot ez a négy fogalom. A téridő a mozgásokban nyilvánul meg, ami kapcsolatot teremts a négy dimenzió között, ennek alapformája a fénysebességű forgás, ami nem más, mint az elemi részecskék sokasága. Ez alatt azt kell érteni, hogy a részecskék nem léteznek elválasztva a téridőtől, hanem annak mozgás szülte gyermekei. Ennek hangsúlyozására érdemes egy új fogalmat bevezetni: a téridő-részecske összetétel által. Ez a fogalom azt fejezi ki, hogy a részecske a téridő létezési módja. A részecskék által mutatkozik meg a téridő, részecskék nélküli térről és időről nem lehet beszélni. Ennek a koncepciónak kifejtése legfőbb célunk, amihez az utat a kvantummechanika nyitja meg. 

 A kauzalitás elvesztése a kvantummechanikában

Einstein elmélete a gravitációról nyitva hagyta a kérdést: miért és milyen mechanizmuson keresztül görbíti meg a tömeg a teret? Ez a kérdés azóta is a fizika neuralgikus pontja, neki feszültek már a fizikusok legjobb koponyái, de áttörés máig sem következett be, de ez a kérdés már átvezet a huszadik század fizikájának következő fejezetéhez, a kvantummechanika megszületéséhez. Hétköznapi életünkben „nagy” tárgyakkal kerülünk kapcsolatba, amit nagyszámú atom és molekula alkot és ahonnan óriási számú foton áradata érkezik hozzánk. Ezen alapul a méréstechnikánk is. A modern tudomány azonban eljutott arra a szintre, amikor már felmerül a kérdés, hogy mi van az atomok belsejében, sőt mi történik az egyedi fotonokkal, elektronokkal vagy atommagokkal. Kiderült, hogy szokásos fogalmaink már csak részben alkalmasak a mikrovilág folyamatainak leírására, szükség volt egy új matematikai formalizmusra, a függvények jól bevált világa helyett operátorokat kellett rendelni az energiához, impulzushoz és így tovább. A klasszikus fizikában megszokott folytonos változások helyett értelmezni kellett energiaugrásokat is, és az elemi folyamatok leírásában bekerült a valószínűség fogalma. Az a kép alakult ki, hogy a mikrovilágban többé nem érvényesül a kauzalitás és a determinizmus, ebben a világban a valószínűség az úr. Ha például egy üveglapra fény érkezik, akkor a fotonok 96 százaléka áthalad az üvegen és 4 százalék visszaverődik, de ha kiválasztunk egyetlen fotont, akkor mi dönti el, hogy melyik utat választja? A kvantummechanika erre a kérdésre nem ad választ. Ezért mondta Einstein „az Isten nem kockajátékos”. Fölvetette a kérdést, hogy a kvantummechanika valószínűségi világa mögött kell lenni valamilyen egyedi tulajdonságnak, amit rejtett paraméternek nevezett, amelyik eldönti, hogy egy kiválasztott foton milyen reakcióba lép az anyaggal, annak elektronjaival. A fizikustársadalom nem fogadta el Einstein érveit, helyette a koppenhágai iskola nézete vált elfogadottá. Amíg nem jön létre kölcsönhatás a foton, elektron vagy más elemi objektum között, addig a lehetőségek skáláját kell figyelembe venni, de amikor lezajlik a mikro folyamat, akkor beleesik a vizsgált rendszer valamelyik lehetséges állapotba. Ezt nevezték el a hullámfüggvény redukciójának. Ez az álláspont viszont a kauzalitás és determinizmus „leváltását” jelenti a valószínűségi elvvel. Ezt tekintem az első hibás lépésnek a fizika zsákutcája felé.

 Matematikai ellentmondások a részecskék mezőelméletében

A mikrovilág folyamatairól a fotonok adnak felvilágosítást, de minden foton kibocsátás, vagy elnyelés megváltoztatja az elektronok mozgásállapotát. Emiatt az elektronok mozgását nem tudjuk a fotonoktól elkülönülten tárgyalni, és szükség van olyan elméletre, amelyik a képződő és eltűnő fotonokat együtt tárgyalja az elektronok rendszerével. Ezt valósítja meg a tér-, pontosabban mezőelmélet, a kvantum elektrodinamika (QED). Az elmélettel látványos eredményeket lehetett elérni az elektron mágneses tulajdonságainak leírásában, de akadt egy bökkenő: amikor az elektronok sajátenergiáját meghatározták végtelenül nagy értéket kaptak. A probléma elméleti kiküszöbölésére tett erőfeszítések nem hozták meg a kívánt eredményt, ezért az elméleti fizika belenyugodott a ténybe: bizony a divergencia nem küszöbölhető ki, evvel kell „együtt élni” a továbbiakban. Ez a megalkuvó álláspont egy újabb törés a fizika történetében, mert megszegi a matematikai korrektség követelményét. A mezőelmélet módszertanát sikerült átvinni a magfizika más területeire is, jól bevált a nukleonok átalakulását előmozdító gyenge kölcsönhatás esetén és az atommagban uralkodó erős kölcsönhatás leírásában is, eltekintve persze a szokásos divergencia problémáktól.

 Húrelméletek: menekülés a valóság elöl

 A fizikusok nagy álma, hogy megalkossák a „mindenség elméletét”, ahol a mezőelméletben elnyeri helyét a gravitáció is, minden erőfeszítés ellenére sikertelen maradt. Ekkor indult meg a próbálkozás a szokásos téridőn kívüli további dimenziókkal. Maga az ötlet csábítónak tűnik, hogy valamiféle rezgő húrok hozzák létre az anyagi világ legkisebb építőköveit, az elemi részecskéket, de konzekvens elméletet nem sikerült alkotni, bárhogy is növelték elszánt tudósok a „láthatatlan” dimenziók számát. Ennek ellenére a húr, szuperhúr elmélet és társai olyan divatosak lettek, hogy egész iparággá nőtt a kutatásnak ez az iránya, vezető intézetek neves tudósai keresik meg evvel kenyerüket, sőt többnyire az ő véleményük a hangadó a tudományirányítás kérdéseiben is, de amit csinálnak, az már távol van a fizika alapvetésétől, mert főleg avval foglalkoznak, hogy megmagyarázzák miért nincs lehetőség az elmélet kísérleti ellenőrzésére. Ez már a fizika teljes zsákutcája, a három alapelvből semmi nem maradt! 

 Tényleg megtalálták a Higgs-bozont?

Bizonyos szempontból a Higgs-bozon kerüli felhajtás is beletartozik a képbe. Higgs feltevése a szimmetriatörésről az elméleti fizika egyik legszebb gondolata. A metastabil szimmetrikus tér átbillen egy alacsonyabb szimmetriájú állapotba, és az így nyert energia az alapja a részecskék tömegének, és ennek a folyamatnak első lépésében jön létre a Higgs-bozon, amelyik aztán tömeget adhat a többi elemi részecskének. Ennek a hipotézisnek bizonyítása a nagyenergiájú LHC kísérletek fő célja. A nagy felhajtás ellenére azonban nincs szó bármilyen bizonyítékról. Az elmélet a tömegről csak annyit jelent ki, hogy elég nagy legyen a tömeg továbbadáshoz, megmondja viszont a töltését és a spint. Mit talált viszont a kísérlet? Talált egy nagy tömegű részecskét, viszont semmit nem lehet tudni a töltésről és a spinről. Ezek után miféle bizonyítékról lehet beszélni? Ez különösen kérdéses azután, hogy a talált részecske tömege jóval kisebb a top kvarkénál, aminek újabban sikerült pontosan meghatározni az értékét. 

 Milyen legyen a következetes fizikai világkép?

A zsákutcából való kiútkeresés olyan elméletet kíván, amelyik betartja azokat a játékszabályokat, amit a fizikai megismerés megkövetel: a mikrovilág törvényei ne mondjanak ellent a kauzalitásnak, tartsák tiszteletben a matematika szigorú szabályait, azaz ne jelenjenek meg végtelenbe futó energiák véges rendszerekben, és ami mindennél fontosabb, hogy ne akarják elkerülni a kísérleti kontrollálhatóság követelményeit.

Egy ilyen elméletre tettem javaslatot a korábbi bejegyzésekben. A vázolt elméletben olyan fizikai világkép kidolgozására törekszem, ahol minden tárgy, minden objektum a téridő speciális mozgásformája és ez vonatkozik a fizikai erőkre is. A fizikai világ két egymásba fonódó, egymást kiegészítő alapelemre épül: a részecskékre és a részecskéket stabilizáló, forgásba hozó görbült téridőre. ahol a sajátforgások hozzák létre a téridő görbületeit, ez a görbület adja viszont azt az erőt, amely a forgásokat létrehozza.  Erre használom a téridő-részecske fogalmat. A részecskék és antirészecskék létezése a mozgások tükörszimmetriáján alapul, ez a szimmetria a kettősforgások kiralitása, amely lehet jobb- és balsodrású. Lásd a „Fénysebességű forgások és a relativitáselmélet I és II.

A blog további begyzéseinek összefoglalóját lásd "Paradigmaváltás a fizikában"