Nesze nektek egy kis tudomány: tegnap este írtam ezt a fizika-házidolgozatot a részecskefizika határairól. Érdekel ez a téma… Ha valami pontatlanságot, elgépelést vagy hasonló hibát találtok benne, tessék ne olyan szigorúan értékelni, hanem inkább figyelembe venni, hogy éreztem magam tegnap este. Egyébként másfeles sorközzel öt oldal lett.

Edit 18:09

Az már nem kicsit durva, hogy a mai Feat bejegyzés pont az lett (véletlenszerűen választ a motor), amiben a legutóbbi hasonló fizika házidolgozatról írtam. Egybeesések. Olyan, mint hogy a drágaságommal egymástól teljesen függetlenül belevettük a Galaxis Útikalauzt. Az az írás már sajnos nincs fent a neten (amikor a szerver elszállt, elszállt vele a vWrite is), de ha van rá igény, akkor publikálhatom újra. Generátorokról és motorokról szól — meg van egy kisebb szintén fizikai írás a piezoelektromosságról is.

Valamikor a huszadik század hajnalán néhány fizikus hirtelen jött nagy jódolgában elkezdett olyan témákat feszegetni, amiket azelőtt és azóta sem lehetett teljes egészében feltárni. Ez pedig az univerzum – vagy ha úgy tetszik, a világegyetem – keletkezésének tudományos leírása lenne, valamint az ezzel kapcsolatos tudományos elméletek levezetése, napjainkban való esetleges hasznosításaiknak lehetőségei, és a legfontosabb, egységesítésük (mivel elég hamar elharapódzott itt is a széthúzás). Van néhány olyan elem az anyagi világban, ami nagy segítséget tud nyújtani a kutatóknak vizsgálódásaik során. Ilyen a mikro- és makrokozmosz szélsőségeinek vizsgálata, azaz míg az asztrofizikusok a gravitációs hullámokat és az ősrobbanás más bőbeszédű utórengéseit próbálják elfogni, egy másik csoport, akik nyilván megsértődnének, ha beskatulyáznám őket a “magfizikus” vagy “kvantumfizikus” elnevezés mögé, a világban elszórt nagyenergiájú részecskegyorsítókban atommagokat és még nagyságrendekkel kisebb szubatomikus részecskéket ütköztetnek.

Az imént nagy merészen – remélve, hogy a tisztelt Olvasó átsiklik a slendrián megfogalmazáson – azt mertem írni, hogy az anyagi világról beszélünk. De egyáltalán mit jelent ez? Csak sorban. Anyagi – vagyis nyilván anyagból áll. Ugyanakkor Einstein a híres neves képletével – szükséges most idézni? akinek igen, annak álljon itt: e=mc² – leírta, hogy az anyag tulajdonképpen csak energia. Vagy legalábbis van valami furcsa összefüggés az anyag és az energia között, ami nagyjából – első ránézésre – úgy néz ki, hogy ha az anyag elérné a fénysebesség négyzetét, energiává alakulna. Persze nem erről van szó – nem is lehetne, hiszen már maga a fénysebesség is elérhetetlen, a négyzete pedig egyszerűen elképzelhetetlen, így ha az iménti feltevés helyes lenne, nem lenne semmiféle energia a világban – pedig van. Érdekes kérdés lehet, hogy Einstein ugyan miből vezette le állításait, de a válasz ehhez képest kiábrándító: két alaptételre – ha úgy tetszik, axiómára – alapozott mindent, amik így szólnak: 1, minden fizikai jelenségnek és a jelenséget leíró matematikának azonosnak kell lennie, bármilyen inercia-rendszerről legyen is szó; 2, a fény sebessége vákuumban (c) mindig állandó, bármilyen rendszerben, bármilyen körülményekről legyen is szó. Mit jelent tehát az, hogy az anyag egyenértékű az energiával (anyag-energia ekvivalencia, ugye)? Vegyük például az atombombát, ahol egy relatíve kis mennyiségű atomból hihetetlen nagy mennyiségű energia szabadul fel. Az urán maghasadásakor létrejövő két másik atom tömegének összege kevesebb, mint az uráné, vagyis valahova eltűnik a tömegből — ez, ami eltűnik, szabadul fel energiaként, és mivel az energiát úgy kaphatjuk meg, ha a tömeget a fénysebesség négyzetével szorozzuk, azt hiszem, az energia iszonyatos mennyisége is meg van magyarázva ezzel. Jó kérdés, hogy mi a helyzet a fúzióval, ahol viszont két könnyebb atommag egyesül egy nagyobbá, így elvileg a tömeg nő, vagyis pont hogy elvonnia kéne az energiát — ehhez képest a fúzió során felszabaduló energia nagyságrendekkel túlszárnyalja a hasadás során felszabadulót, ami talán nem is meglepő, ha belegondolunk, hogy a csillagokat is ez az energia táplálja. Itt más úton közelíteném meg a magyarázatot: az atommagokat, az atommagokban a nukleonokat az erős kölcsönhatás tartja egyben, aminek energiája a tömegdefektus. A tömegdefektus az a különbség, amivel az atommagot alkotó részecskék tömegeinek összege kisebb az atommag tömegénél. Vagyis ennyi energiát kell közölni a maggal, hogy a nukleonokat szét lehessen választani. Az egy nukleonra jutó kötési energiát fajlagosnak nevezik, és az elemek az energiaminimumra való törekvés miatt – nocsak, az anyag anyag akar maradni, hasonlóan az élőhöz, ami minden áron élő akar maradni – a legmagasabb fajlagos kötési energiával rendelkező állapothoz törekednek, ez pedig a vas. Ha a vasnál (a Fe56 izotópnál) kisebb a tömegszáma az atomoknak, akkor fúzióra lépnek, aminek során elementáris erejű energia szabadul fel a kötési energia feleslegéből. Hasonló dolog zajlik le a nehezebb elemeknél, csak ott egy atommag válik szét, bár szintén a kötési energia feleslege szabadul fel.

De miért olyan hatalmas ez a kötési energia? Egyszer egy tanárom az ilyen, általános iskolásoknak kellemetlenül megválaszolhatatlan tudakozódásokra azt válaszolta, hogy “Látja, ez egy nagyon jó kérdés”. A kötési energia az úgynevezett erős kölcsönhatás keretein belül fogja össze a parányi részecskéket, amely kölcsönhatásnak van egy közvetítő részecskéje, a gluon. Igazság szerint a gluonok csak közvetetten felelősek a protonokat és neutronokat összetartó erőért, mivel ők nem a protonok és neutronok között közvetítenek egy kölcsönhatást, hanem inkább azok alkotóelemei, a kvarkok között. Ahogy a protonnak pozitív töltése van, és az elektronnak negatív, úgy a kvarkoknak is van töltésük, ami felelős a belőlük összeálló részecskék töltéséért (ezért nem volt jó példa az elektron, mert az alapvető részecske jelenlegi tudásunk szerint), csak ezt a töltést nem pozitívnak, negatívnak vagy semlegesnek nevezzük, mivel egy kicsit bonyolultabb ennél a helyzet. A kvarkoknak egyrészt van ízük (a tudósok itt fogytak ki a normális nevekből), ami lehet hatféle, másrészt van színük, ami lehet háromféle. Ehhez még hozzá kell venni, hogy mint minden más részecskének, a kvarkoknak is vannak antianyag-párjaik, azaz vannak antikvarkok, amivel szükségszerűen együtt jár, hogy vannak anti-ízek és anti-színek is (örvendezzünk együtt, gyermekeim). A színeket egy részecskén belül (tehát egy protonon, neutronon vagy ellentétpárjaikon belül) nem keverhetjük, vagyis nem lehet egy protonban két egyforma kvark. Az ízekre ez már így nem igaz, a különböző ízek keveredése hozza létre ugyanis a nukleonok töltését: két “fel” és egy “le” (mondtam, hogy köze sincs az ízhez) alkotja a pozitív protont és egy “fel” és két “le” a semleges neutront. Az érdekesség ezekkel a James Joyce után elnevezett (a kvarkok angol “quark” neve az ír író Finnegans Wake című művéből származik) szerencsétlen apró részecskékkel, hogy az ő szintjükön már konkrétan megfigyelhető az anyag-energia átmenet – már ha egyáltalán akármi is konkrétan megfigyelhető ilyen nagyságrendben. A kvarkokból nem csak a protonok és neutronok állnak, hanem a hadronok egész családja (a protonon és neutronon kívül még körülbelül százhúszfajta van belőlük), amikben három kvark van, és a mezonok, amikben egy kvark és egy antikvark kapcsolódik össze. Namost, az ilyen részecskékből nem lehet kivonni se a gluonokat, se a kvarkokat, mivel ezek színtöltéssel rendelkeznek, és ahogy távolodnak el egymástól úgy nő közöttük az energia a színenergia-mezőben. Ez az energia pedig – és itt jön a várva-várt fordulat – kvark-antikvark párokká válik valahogyan, amik összekapcsolódnak: nem feltétlen így, kvark-antikvark módon – ez az eset a szintén nagyjából százhúszféle mezonért felel – összekapcsolódhat három kvark is, így létrehozva a hadronokat, amikről korábban már volt szó. De most nem a részecskék enumerációját kéne itt prezentálnom, hanem sikítani, mint a fába szorult féreg, hogy kéremszépen, itt volt a bizonyítható átalakulás, az energia (lényegében) anyaggá vált! Mi lesz így velünk? (Nem kell pánikba esni.)

A kvantumelméleteknek (amikből az előzőeket szemezgettem) az a közös jellemzőjük – szinte mindnek – hogy a részecskéket pontszerű testeknek tekintik, azaz úgy veszik, mintha nem lenne kiterjedésük. Ugyanakkor ez nyilvánvalóan nem lehet a valódi helyzet, mivel ha nem lenne kiterjedésük, akkor hiába állna össze a kvarkokból, teszemazt, három szerencsés példány, mégsem tudnának egy kiterjedéssel rendelkező részecskét létrehozni. Kivéve persze, hogyha maguk a részecskék valóban kiterjedés nélküliek, és csak az általuk kibocsátott erőtérnek van kiterjedése, és a laikus (mint én) ezt az erőteret tekinti a részecskének magának. Ez elég sok problémát felvet, mármint ha a részecskéknek nincs kiterjedésük, ráadásul valamilyen szinten a relativitáselmélettel is ütközik ez a nézet (vagy nem pont ez, de a kvantummechanika valamelyik része), így nem meglepő, hogy elég hamar megpróbálkoztak valamiféle összhangot teremteni – természetesen egy új elmélettel – az eddigi ellentmondások helyére. Sikerült is…

Ez ugyanis a húrelmélet lényege. A húrelmélet a részecskéket – micsoda meglepetés – húroknak tekinti, bár lehet, hogy ezúttal is csak valami betépett fizikus-parti utánhatásait láthatjuk viszont az elnevezésekben, ami húroknak nem több, mint 10^-35 méter az átmérőjük (vagyis még nekik is van kiterjedésük). Ezekkel az apróságokkal igazából az az egyetlen probléma, hogy ha meg akarnánk vizsgálni őket, igen érdekes problémába ütköznénk, éspedig hogy ez egyelőre számunkra még nem lehetséges. Ennek oka a méretük – a 10^-35 méternyi átmérő elképzelhetetlenül apró, még a nagyságrendet sem tudjuk mi, átlagos földi haladók felfogni. Összehasonlításképpen egy rövid szemléltetés: ha az atommagban a protonok és neutronok tíz centiméter méretűek lennének (ó istenem, milyen hatalmas is az, 0,1 méter!), akkor az atom maga nagyjából egy kilométernyi méretű lenne, viszont a kvarkok és az elektronok még így is csak 0,1 milliméter átmérőjűek lennének! Az már ilyen “emberi” nagyságrendben hihetetlen apró. A gond itt csak az, hogy már az a “kilométeres” atom is csupán 1 Ångström méretű – és 1 Ångström csupán 10^-10 méternek felel meg. Vagyis ahhoz, hogy a húrok nagyságrendjére kerülhessünk, még nagyjából huszonöt nullát kell odaírnunk a tizedesvessző és a szegény magányos egyes közé. Ezen kívül bizonyítottan és elméletileg levezetve a legkisebb olyan hossz, amiről még biztos tudást szerezhetünk, ami még anyagi eszközökkel megfigyelhető, az az úgynevezett Planck-hossz, a tér megfigyelési kvantuma, a legkisebb értelmes alkalmazható geometriai méret, ami pont a húrocskák mérete. Érzékelhető már a probléma mibenléte?

Így hát azon az egy apró bukkanón kívül, ugyanis hogy tapasztalatilag bizonyíthatatlan, a húrelmélet, különösen pedig a szuperpozíciót is magában foglaló szuperhúrelmélet, nagyon hasznos újításokat hozott. A szuperpozíciót röviden és tömören úgy lehetne összefoglalni, hogy minden bozonnak (az erőközvetítők, a foton, a gluon és a többiek) van egy fermion-párja (a fermionok a leptonok, vagyis az elektron, a müon és a tau-lepton, ezek neutrínó-párjai valamint a kvarkok) – ezeket a párokat nevezik szuperpartnereknek. Ugyanakkor persze a szuperpozíció elve legalább annyira bizonyítatlan, mint a húrelmélet, sőt. A húrelméletnek megvan az a nagy haszna, és ennek köszönheti egyre növekvő népszerűségét, még itt kint a popkultúrában is, hogy egy elméletbe sűrítve megpróbálja megmagyarázni az egész világegyetemet, vagyis az összes erőhatást és részecskét. Ez már mondjuk kezd egy cseppet hasonlatossá válni a Galaxis Útikalauzbeli egerek “Az élet, a világmindenség meg minden.” kérdésére, de ettől most tekintsünk el.

A húrelmélet a részecskéket – és minden mást is – a parányi húrok rezgéseiként fog fel. Ezek a parányok a kilencdimenziós térben rezegnek, amiből három dimenzió az, amit mi érzékelünk részecske vagy erőhatás címszó alatt. Nem egy alapvető rezgési módjuk van a húroknak, az egyik ezek közül egy tömeg nélküli részecskének felel meg, ami akár a graviton is lehetne, a gravitációs kölcsönhatás máig rejtőzködő közvetítője. Ha megfacsarjuk egy kicsit a húrelméletet, és hozzáadjuk a szuperszimmetria elvét, ezzel eggyel megemeljük a dimenziók számát (okolás elmarad), így már nem a szokásos értelemben vett húrokról van szó, hanem membránokról, amik viszont hasonlóképpen rezegnek, hasonlóan “nagy” méretűek, és úgyanúgy felelnek az anyagi világ minden jelenségéért. Van még egy nagy pozitívumuk ezeknek az apróságoknak, az, hogy véges a méretük, így szükségszerűen az univerzum maga is összemegy, ami a szuperhúrelmélet tételeivel összedolgozva azt jelenti, hogy az ősrobbanás utáni megoldhatatlan probléma, a hőmérséklet és a nyomás végtelenbe szökése, valamint a gravitációs kölcsönhatás erejének gigászira növekedése, vagyis az úgynevezett szingularitás egyszerűen nem jelentkezik. A szingularitás hiányában pedig lehetséges az ősrobbanás előtti időről valamit állítani – ez már csak azért is furcsa, mert más elméletek szerint az idő is az ősrobbanással kezdődött. Valamint volt egy másik “lényegtelen” akadály is, az, hogy ha az univerzum egész anyaga egy pontszerűen kis tartományba lett volna bezsúfolva, akkor a fény ezt nem tudta volna befutni, vagyis a tér különböző részei között nem lehetett volna semmiféle ok-okozati összefüggés. Ugyanakkor a mai világegyetem homogén, azaz nagyjából mindenhol azonos az anyagsűrűség, és az ősrobbanásból származó sugárzás és hőmérséklet is, ami nem valósulhatott meg azalatt az idő alatt (a Planck-idő alatt), vagyis kéne lennie valami időnek az ősrobbanás előtt is. Ha elfogadjuk a szimmetriát – és a szuperhúr-elmélet elfogadja – akkor nem lesz ilyen problémánk. Igazság szerint, ha elfogadjuk a szuperhúr-elméletet, és legalább annyi buzgalommal hiszünk benne, mint a jókeresztyén atyafiak az Úr Jézus Krisztusban, akkor semmilyen, a világ természetével kapcsolatos problémánk nem lesz már. Ez az elmélet azt sugallja, hogy az ősrobbanások és ős-reccsek ciklikusan követik egymást, csak éppen végtelen időközönként (vagy valami olyasmi). Ez azt jelenti, hogy a mi univerzumunk most éppen tágul, ugyanakkor az ősrobbanás előtt meg pont, hogy szűkült, méghozzá addig szűkült, amíg egy pontba zsugorodva újra tágulni nem kezdett, így létrehozva a világegyetemet, amit mi megtapasztalhatunk.

Persze ez mind csak elmélet. Lehet, hogy a világ valóban úgy keletkezett, ahogy azt a Biblia vagy a Korán vagy valamelyik Véda leírja (talán a Ríg), viszont ezt nem tudhatjuk biztosan. Arisztotelész valami isteni sugallattól vezérelve jól választotta el a fizikát a metafizikától (mai értelmében véve a két tudományt): a fizika megmagyarázza az e világi dolgokat, és a metafizika ugyanezt teszi, másként. Nyilván a fizika egy empirikus tudomány, így szükségszerűen ha erre a világra érvényes tudást akarunk gyűjteni, akkor ennek kell lennie a fölérendeltnek. Most így a végén talán megengedhetek magamnak egy kis lazítást (már nem mintha közben nem engedtem volna meg), és rátérhetek a jóval korábban felvetett kérdésre. Az hagyján, hogy van anyag, ezen töprengtünk eddig, de mit jelent az, hogy világ? A világ az, amit érzékelünk? Nem csak. Akkor hát az, aminek az érzékelésére megvan a lehetőségünk? Nem biztos. Na jó, a filozófiát majd inkább a filozófia-tanárnőnek…