Végh László:

EGY ÚJ TERMÉSZETKÉPRŐL

Debreceni Egyetem, Fizikai Intézet, 2002/2003. tanév I. félév

Világképünk jellege és fejlődése

Az egyén öntudatának kialakulása és a világszemlélet:

A világról, a természetről alkotott képünk jellege nem a tudatosnak mondható tevékenységünk eredménye, hanem már az öntudatra ébredésünk során rögzül bennünk és alapvetően ilyen marad életünk egésze során.

A tudatosságunk biológiai alapjai agyunk működéséhez kötődnek. Az agysejtek a magzati lét nyolcadik hetétől a tizennyolcadik hétig alakulnak ki, ebben az időszakban percenként kétszázezer új neuron keletkezik. Hálózatba rendeződésük azonnal megindul. A neuronok huzalozódását alapvetően a külső ingerek, magzatkorban főleg az anyával való kapcsolatok határozzák meg. A szeretet áradását az állat is érzékeli, nem csodálkozhatunk azon, hogy a magzat és a csecsemő számára ez annyira fontos. A magzatkor és a csecsemőkor első fele az öntudat kialakulásának - az én és a világ létére való ráébredésnek -, kulcsfontosságú szakasza. Ha ekkor a magzat és a csecsemő azt érzi, hogy szeretik, örvendezve várják és jövetele nagyon sokat jelent a környezete számára, akkor egyúttal az emberkében az is tudatosul, hogy ez a világ az ő világa, ebben otthon érezheti magát. Az így létrejövő bizalom és biztonságérzés mélyen meggyökerezik az emberben és a lényének meghatározó elemévé válik. Az eredetével az egyén nincs tisztában, hiszen ebből az időszakból - ez a bensőnek nevezhető biztonságérzet kb. hathónapos korig alakul ki, később már nincsenek emlékei. Ez a mélyen lakozó belső bizalom határozza meg az egyén egész életét, viszonyát az emberekhez, a természethez és a világhoz. A világot szép, rendezett egységes egésznek érzi, mindez az ép lelkületű ember számára zsigeri érzés.

A világ rendje és a mágia:

A világ rendjét érző, észlelő ember a régi időkben úgy vélte, hogy a teljes világ egy hatalmas összefüggő egységes egészet alkot, és minden mindennel valamennyire össze van kapcsolva. Az, hogy a dolgok miként kötődnek egymáshoz, azt az ember fel nem foghatja, mert minden annyira összetett. Bizonyos beavatott személyek, mint a varázslók, sámánok stb. viszont mágikus eljárásaikkal hathatnak a világra. A mágia szerint ha a megfelelő tevékenységet végezve a világban valamit megváltoztatok, akkor ennek a hatása egészen más jellegű változásokhoz vezethet, tehát bizonyos eljárásokkal elérhetem, hogy essen avagy elálljon az eső, meggyógyuljon a beteg ember, stb. Ez a szemlélet babonaként ma is jelen van, ne lépjünk rá a küszöbre, ne menjünk át az árkád alatt, stb. alakjában.

A világ rendje és a természetfölötti:

A rideg körülmények között élő emberek mágikus világszemléletét a némileg civilizáltabb körülmények között élők vallásos szemlélete szorította háttérbe. A vallásosság alapvető feltétele a természetfölöttihez, idegen szóval a transzcendenshez való eljutás. Ha ma vizsgálódunk, vajon mi lehet 'az egész mögött lenni kell valaminek' féle, szunnyadó vallásosságként meghatározható megnyilatkozások hátterében, akkor kiderül, hogy az ilyen vélekedések mögött alapvető emberi tapasztalatok összegződése rejlik. Az egyik ilyen mély emberi tapasztalat a természet rendjének az érzékelése. Az emberek nagy többsége számára a természet, a világ egésze rendezett, harmonikus egységet alkot. Ez zsigeri érzésünk, a benső bizalom, biztonságérzet egy kifejeződése. Ha valaki a természetben elsősorban a kaotikus, veszélyes elemekre figyel fel, mint a 'nagy sötét rengeteg erdő', vagy amikor a tó 'fenyegető nagy víz', akkor az illető nem a saját személyes tapasztalatai miatt szorong, hanem inkább a belső bizonytalanságát vetíti ki a természetre. A másik alapvető, szinte magától értetődő, mindennapos emberi tapasztalat az emberi tevékenységhez kötődik. A sikereinket a világban annak köszönhetjük, hogy értelmes munkánkkal rendet teremtünk magunk körül, házat építünk, kertet művelünk, stb. A civilizáltabb ember alapvető tapasztalata, hogy a gazdátlanul hagyott dolgai, mint például a ház rendetlenebbé válnak, szétesnek. A rend megjelenése a teremtő, alkotó munkának, a rend fennmaradása az értelmes gazda kitartó erőfeszítéseinek a következménye. Ez a két alapvető tapasztalat, mint a természet egészének rendje és a rendet teremtő és fenntartó értelmes munka ott lakoznak az ember elméjében. A két dolgot az ember elméje öntudatlanul is összekapcsolja. Azt az önkéntelenül is felmerülő kérdést, hogy mitől rendezett a természet, az ember önkéntelenül is a maga mindennapos rendteremtő erőfeszítéseire, munkájára gondolva válaszolja meg. Eszerint a természet egészének a rendje és annak fennmaradása valamilyen értelmes létező munkájára utal. Az anyagi világ egyedüli értelmes lénye az ember, mi pedig jól tudjuk magunkról, hogy a természet rendjét nem mi hoztuk létre, mi is csak ennek a rendnek a termékei vagyunk. Ezért az ember számára a természet és a világ egészének rendje és annak fennmaradása valamilyen, a természeten kivüli, természetfölötti tényezővel értelmezhető. Ez lehet a magyarázata annak, hogy vallásos nevelést egyáltalán nem kapott emberekből is kibuknak olyan megjegyzések, hogy az egész mögött lenni kell valaminek, a világ nem létezhet csak úgy véletlenül. A vallásosság maga tudatos tevékenység, a benső biztonságérzet önmagában csak a természetfölötti felvetéséhez vezet el.

A világ rendjének jellege:

A világ összefüggő egészet alkot, azt azonban, hogy az összefüggések jellege milyen, nem egyszerű megérteni. A régi kultúrák természetképét az élő természet rendszereinek, mint például a hangyabolynak vagy más társulásoknak és a természet nagyobb rendszereinek megfigyelése alakíthatta ki. A hangyaboly egésze csodálatosan szép, harmonikusan működő rendszert alkot. Az egyes hangyák úgy tevékenykednek, nyüzsögnek, hogy a boly összefüggő, önfenntartó egészet képez, még akkor is, amikor életében kisebb-nagyobb zavarok mutatkoznak. A kínai és más keleti civilizációk és Arisztotelész természetképe is ezt a jellegzetességet hangsúlyozta. A természet úgy működik, hogy harmonikus egyensúlyban lévő egészet alkosson, amelynek részei olymódon kapcsolódnak egymáshoz, úgy hatnak kölcsön egymással, hogy az egész egyensúlya, kisebb-nagyobb megrázkódtatások esetén is fennmarad. A részek működését nem a külső hatások, törvények, hanem az egész rendje határozza meg. Az egész tehát jóval több, mint a részek egyszerű összege, ezért a részekre figyelni, azokat boncolgatni hiábavalóság, az egész, a lényeg megértésében nem segíthet.

Józan volt tehát az a feltevés, hogy a világot valamilyen mindent átfogó rendező elvet feltárva lehet megérteni. ősidők óta felismerték, hogy a földi természet bonyolultsága és az égbolt rendje között valamilyen kapcsolat van. A világmindenségben uralkodó rendezettség és harmónia leginkább szembeötlő jelei éppen az égbolton megfigyelhető mozgások rendje. A csillagok és a bolygók viselkedése egyszerű törvényszerűségeket követ. Már az ősi korok embere is észlelhette ezeket és az első civilizációk naptárai is a szabályszerűen ismétlődő égi jelenségeken alapultak.

Mivel a földi történéseket általában kiismerhetetlennek tartották, a tapasztalt földi rendet, mint például az évszakok szabályos váltakozásait, az égi jelenségekhez kötötték. Ennélfogva a régi korok embere a világ egésze rendjének alapjait az egek rendjében látta és a földi lét mögötti rendszert az ember számára felfoghatatlannak vélte. A sokistenhit világszemlélete: A sokistenhívő vallások felfogása szerint a világ egyes történéseit az istenek, felsőbbrendű lények vezérlik. Szellemi lények döntései által vezérelt világ nem fogható fel az ember számára, mert az ember nem ismerheti a felsőbbrendű lény gondolkodását, céljait. A világ szent dolgait tabuk védelmezik és ez a lehetőségét is kizárta annak, hogy az ember kifürkészhesse az isteni szándékokat, avatlan módon beavatkozzon az isteni világrendbe, a kísérletezésnek lehetősége sem juthatott eszébe senkinek.

A megismerhetetlen világban élő ember akkor boldogulhat, ha alkalmazkodik az istenek kivánalmaihoz. Nem a saját kárán kell mindent megtanulnia, hanem az ősök tapasztalatait kell átvennie. A ilyen világkép időszemlélete, a napszakok, a Hold járásának, az évszakok változására épülve általában ciklikus. Azaz eszerint minden csak ismétlődés, ezért nincs szó eredetről, beteljesülésről, csupán a körforgás egyes szakaszairól. Az ilyen szemléletű társadalmakat, például az régi Kínát, a hagyományok tisztelete, az ősök megbecsülése és az újtól való, sokszor rettegésig fokozódó tartózkodás jellemzi. Ugyanis ami most újnak látszik, azzal már találkozniuk kellett a régieknek is és nyilván azért nem szerepel az ismereteink között, mert a régiek úgy ítélték meg, hogy ártalmas.

A sokistenhit gyengülése és a világkép átalakulása:

A természettudományos gondolkodás megjelenését a korábbi istenkép fokozatos átalakulása tette lehetővé. A nagy, sokezer éven át virágzó birodalmak, általában földrajzilag védett, nehezen megközelíthető területeken találhatók. Ezeknek a vallásos szemlélete nem változott komolyabban. A változás olyan földrajzi helyeken történhetett, ahol a történelem forgandósága magával vonta az istenképek jelentős változását is. Ez az övezet Mezopotámia és a Földközi-tenger medencéje volt, amelynek történetét az állandóan beáramló népek vándorlása és letelepedése, az ezzel járó örökös háborúk tették mozgalmassá. Itt a sokistenhit súlyos válságba került, mivel a helyi istenek vesztettek tekintélyükből, mert nem tudtak megfelelő védelmet és biztonságot nyújtani. Az emberek egyre kevésbé tartottak isteneiktől és elkezdtek gondolkozni azon, végül is milyenek azok az erők, amelyek ténylegesen kormányozzák a világot. A sokistenhit gyengülése két területen különösen szembetűnően jelentkezett, Görögországban és a zsidó nép földjén.

Kr. e. 600 körül a kisázsiai görög filozófusok felvetették, hogy a természeti jelenségek isteni közreműködés nélkül is leírhatók. Nem arról volt szó, hogy ki akarták zárni isteneiket a világból, ehelyett inkább személytelenné tették és a világot vezérlő törvényekkel azonosították isteneiket. A görög filozófia és tudományosság egyrészt összegezte a korábbi korok eredményeit másrészt máig érvényes eredményekkel gazdagította az emberi gondolkodást. Platón dualizmusa szerint a megfigyelhető, az érzékeink által vizsgálható anyagi világ az igazi valóságnak, az ideák világának csupán az árnyéka, tökéletlen utánzata. Az anyagi világ istene, a Demiurgosz az értelem nélküli anyagot az ideák alkotta minta szerint gyúrja, igyekszik az anyagot minél tökéletesebbé alakítani, de az örökösen változó anyag azonban kitör ezekből a formákból, állandóan felbomlik. Az ókori gondolkodás számára ez a dualista szemlélet vált meghatározóvá és mivel ez a földi valóság lebecsülését vonja maga után, a megvetett anyagi világ nem kaphatott kellő figyelmet.

Az egyistenhit világszemlélete:

Az egyistenhívő vallások szerint Isten a világot az általa adott törvényekkel kormányozza. Törvényt csak az adhat, aki teremtett. Ha a teremtés nyersanyaga kivülről származna, akkor az Isten hatalma nem lehetne teljes, alkalmazkodnia kellene az előzményekhez. Ezért az egyistenhit alapvető jellemzője a semmiből való teremtés. A Biblia szerint az embert Isten a saját képmására teremtette. Ez természetesen nem a kinézetre való hasonlóságot jelenti, hanem részben azt, hogy észjárásunk hasonlít Isten gondolkodásmódjára. Azaz az ember képes lehet arra, hogy felfogja Isten teremtett világának törvényeit. Ez felbátorít a törvények keresésére. Mivel a természetben minden csak teremtmény, a a szentségek hiányában vizsgálódást gátló tabuk sincsenek. Az egyistenhit világában az időszemlélet lineáris, az idő a teremtéstől a végső időkig tart. Közben természetes módon változik a világ, ezért itt hiányzik a ciklikus időszemléletű társadalmak újtól való merev idegenkedése.

A modern természettudomány születése:

A modern természettudomány a keresztyén világszemlélet és a görög gondolkodás kölcsönhatása révén született meg. A keresztyén Európában a megfelelő szellemi és társadalmi háttérnek köszönhetően lassan megnyílhatott az út a természet törvényeinek felismeréséhez, rendszeres vizsgálatához, azaz a tudományok fejlődéséhez. A fejlődés a merevebb gondolkodású ortodox egyházzal való szakítás után a latin kereszténység uralta területeken gyorsult fel. A XII. századtól kezdve az újonnan alapított egyetemeken szabadon vitatkozhattak a különböző irányzatok követői Isten és a világ, Isten és az ember viszonyáról és más kérdésekről. A szabad légkör annak az eredménye, hogy a Biblia kijelentéseit a keresztény egyház nem szó szerint értelmezte. Szerinte az Isten által sugalmazott Biblia az emberi tudás kimeríthetetlen kincsestára és nem csupán a betű szerinti üzenet a fontos, hanem emögé még felmérhetetlenül sok tudás, ismeret van beépítve. Ezeknek feltárása örök emberi feladat. Ennek során az ember tévedhet, ezért a Biblia értelmezése állandó szabad vita tárgya lehet. A közös nyelv, a latin általános használata, a különböző irányzatok képviselői közötti viták, a nézetek szabad ütköztetése, a diákok és professzorok tanulmányútjai évszázadokon keresztül megfelelő hátterül szolgáltak az új gondolatok, eszmék születéséhez és terjesztéséhez. Ez a sok évszázadon át tartó folyamat vezetett el oda, hogy a XVII. században Európában megszületett a természettudomány.

Az újkori, XVI.-XVII. századi tudományos forradalom alapjául az égitestek mozgásának tanulmányozásához kötődött. Az egyre pontosabb adatokat a korábbi, másfél évezreden át használt földközéppontú leírás, mely Ptolemaiosz nevéhez fűzödött, már nem tudta kielégítő módon értelmezni. Kopernikusz napközéppontú modellje szakított a ptolemaioszi felfogással majd Kepler törvényei a bolygók mozgásának egyszerű, ám igen pontos leírását nyújtották. Newton a gravitációs erő bevezetésével és a mechanika mozgástörvényeinek megfogalmazásával levezette Kepler három törvényét. A newtoni mechanika az égi és a földi jelenségek leírására egyaránt alkalmas. Így kiderült, hogy a világ valóban egységes egészet alkot.

Miért lehetséges a természettudomány:

A természet megismerésének történetét tanulmányozva azt tapasztalhatjuk, hogy azok a törekvések, amelyek egyszerre a világ egészét szándékoztak megragadni, nem vezettek eredményre. Nem lehet a világ rendjét 'mindent vagy semmit' alapon megérteni. Bár a világ dolgait az egészet tekintve számtalan kapcsolat fűzi egybe, mégis lehetséges az, hogy egyes jelenségek a többitől elkülöníthetők és úgy vizsgálhatók. Azaz lehetséges, hogy valamit úgy vizsgálhassunk, hogy az összes többiről semmit sem tudunk. Az, hogy a természet így vizsgálható és leírható, megdöbbentően érdekes. Einstein ezt úgy fejezte ki, hogy a világnak az a legérthetetlenebb tulajdonsága, hogy felfogható, megérthető.

A tudományos módszert éppen az jellemzi, hogy a tudomány nem akar egyszerre mindent megmagyarázni, nem tör rögtön a tökéletes megértésre, nem akarja megragadni a világ egészét. Sőt, arra sem törekszik, hogy a világ valamilyen kisebb részét tökéletesen, a maga egyediségében le tudja írni. Például a Holdat vizsgálva, nem akarja megérteni a Holdat teljes egészében, annak a világra, emberiségre gyakorolt hatását, nem törekszik úgymond a "holdság" lényegének megragadására. A tudomány megelégszik azzal, hogy le tudja írni a Hold Föld körüli keringését, a Hold tengelye körüli forgását, a holdkőzeteket, stb. Tehát a tudomány megkeresi, melyek azok a tulajdonságok, amelyek a világ egyes tárgyait jellemezhetik és csak ezekkel a tulajdonságokkal foglalkozik. Nem a tárgy egészére, csak bizonyos jellemzőire összpontosít.

Megfigyelés, kísérlet, modell:

A tudományos módszer alapja a megfigyelés, a kísérletezés, a mérés. Egyrészt meg tudjuk figyelni a természet jelenségeit, leírhatjuk azokat. Ilyen, csak a megfigyelésre támaszkodó tudomány a csillagászat. Az égi jelenségekkel, jellegüknél fogva, nem lehet mást tenni, mint hogy megfigyeljük őket és próbáljuk a mérési eredményeket értelmezni.

Ha nem égi jelenségeket vizsgálunk, hanem a földi dolgokat tanulmányozzuk, és meg akarjuk ragadni egy adott jelenség lényegét, a környezet bonyolultsága zavaró tényező lehet. Ezért, hogy jobban megértsük, mi hogyan történik, kísérleteznünk kell. Ekkor a jelenség tanulmányozásához mesterségesen olyan környezetet teremtünk, hogy minél kevesebb legyen a zavaró tényező, más dolgok hatásai ne fedhessék el a tanulmányozni kívánt jelenséget. A kísérlet maga a mesterséges környezetben végzett megfigyelés. A kísérlet megtervezése, véghezvitele egyes esetekben igen komoly feladatot jelent és a kísérleti berendezés sokszor egészen más jellegű rendszert alkot, mint amiket a természetben találhatunk.

A kísérletezésnél alapvető szempont, hogy a megfigyelő léte, a megfigyelés ténye ne befolyásolja a kísérlet kimenetelét. Ez, ha az élettelen természetet vizsgáljuk, vagy alacsonyabb rendű élőkkel kísérletezünk, nem okoz gondot. A Hold viselkedését magától értetődően nem zavarja az, hogy a csillagászok figyelik, a kémcsőben zajló reakciók sem függnek a megfigyelőtől és az alacsonyabbrendű élőket sem befolyásolja a megfigyelés ténye. Azonban az ember viselkedése már nagyon erősen függhet attól, hogy kísérleteznek-e vele. Például a gyógyszerek hatásának ellenőrzésekor nemhogy a betegek, hanem még a kezelést végző helyi orvos sem tudhatja, melyik beteg kapott valódi hatóanyagot tartalmazó tablettát és melyik ahhoz külsődlegesen teljesen hasonló, ugyanolyan ízű, stb, ám hatóanyag nélküli tablettát, ún. placebót. Csak a másik, távoli helyen lévő valaki ismeri, mely sorszámú üvegek tartalmaztak hatóanyagot, és melyek placebót. Később majd tárgyaljuk, nem lehet a hagyományos módon kísérletezni az ökológiai rendszerekkel sem. Még súlyosabbak a nehézségek a pszichológiai kísérleteknél. Ha a kísérletben résztvevők tudják, hogy milyen jellegű kísérletben vesznek részt, az értékelhetetlenné teszi az eredményt. Ez a pszichológiai kísérletezést, azoknak értelmezését nagyon nehézzé teszi.

A tudós számára a megfelelő, a vizsgált rendszert jellemző tulajdonságok felismerése, és a mennyiségek közötti kapcsolat feltárása a feladat. Ez általában nem egyszerű, mert nem könnyű megtalálni, mik egy jelenségnek a lényegesebb tulajdonságai, mi az, ami egy rendszert igazából jellemez. Nagyon sokszor a rendszer áttekinthetetlen módon, első közelítésben azt is mondhatnánk, összevissza, szabálytalanul viselkedik. A jelenség értelmezéséhez először is modellt kell készíteni. A modellkészítés lényege, hogy ki kell találni, rá kell jönni arra, a jelenség megértéséhez mi az, ami igazán fontos, és mi az, aminek a jelenlététől, hatásától el lehet tekinteni. Ha sikerül jó modellt készíteni, akkor, bár sokmindent elhanyagoltunk, számos dologtól eltekintettünk, mégis elég nagy biztonsággal és pontossággal megmagyarázhatjuk, mi, hogyan történik.

A modellek kidolgozása határozza meg azt is, hogyan tervezzük meg a kísérletet, mire figyeljünk jobban, minek a kizárásáról, vagy legalább is zavaró hatásának a csökkentéséről kell gondoskodnunk. A kísérletezés és a modellek kidolgozása, finomítása egymást kölcsönösen serkentő, tökéletesítő folyamatot képez. A modellek segítségével fogalmazzuk meg, milyen törvényszerűségek állhatnak egy-egy jelenség, jelenségek csoportja mögött. A törvények megadásában a matematika meghatározó szerepet játszik, a természettudomány ragaszkodik ahhoz, hogy a törvényeket lehetőleg matematikai úton fogalmazzuk meg.

A tudomány, a tudományos módszer rendkívül hatékonynak bizonyult. Tudjuk, mennyire sikeres. Egy vonására azért még külön is fel kell hívni a figyelmet. Ez a tudomány tisztessége, becsületessége. Mindent, amit elfogad, csak rendkívül komoly kritika után teszi. Vannak csaló tudósok, vannak, akik saját elképzeléseiket délibábként hajszolva csak annak igazolására összpontosítanak, miközben másra alig figyelnek. A tudományos közvélemény kritikája azonban nagyon erős, ezt is kibírja. Nincs tekintély, az, hogy valaki nagy ember valaha ezt mondta, nem számíthat perdöntő érvnek. Minél újabb dolgot sikerül felfedezni, korábban minél szilárdabbnak hitt ismeretet sikerül megkérdőjelezni, a tudós annál sikeresebb. Ezért az élenjáró kutató nem vádolható konzervatívizmussal, az új iránti érzéktelenséggel, vaskalapossággal. A tudós számára nem szégyen tudományos elképzeléseinek állandó felülvizsgálata, hanem létszükséglet.

A matematika és a természettudomány :

A tudomány, a fizika nyelve a matematika. A matematika úgy értelmezhető, mint valamennyi lehetséges mintázat és a mintázatok között létező kapcsolatok összessége. A mintázaton véges számú adattal leírható dolgot értünk. A mintázatok lehetnek például a síkbeli, térbeli alakzatok, a közöttük lévő kapcsolatokat a síkgeometria vagy a térgeometria tételei fogalmazzák meg. A mintázatok lehetnek a számok, akkor a kapcsolatokat a számelmélet tételei adják meg. A mintázatok lehetnek egy halmaz elemei, akkor a kapcsolatokat a halmazelemeken végezhető műveletek szabják meg. A matematikában az a fontos, ha kiválasztottuk a vizsgált mintázatokat és megadtuk a közöttük lévő alapvető összefüggéseket, akkor a továbbiakban következetesen, logikusan végezzük a megfelelő műveleteket.

Világos, hogy a matematika sokkal többet tartalmaz, mint amennyi matematikát a természettudós, közgazdász vagy más alkalmazó felhasznál. A matematikus mindig is inkább a matematika kedvéért művelte a tudományt, nem pedig azért, hogy közvetlen gyakorlati haszon származzék felismeréseiből. Az egyes eredmények hasznosítása sokszor évtizedekkel követte a matematikus felfedezését.

Jó példa erre Bolyai János geometriai felfedezése. Bolyai mint katonatiszt szolgált egy galiciai laktanyában. Ott, szabad idejében dolgozta ki a róla is elnevezett geometriát. Bolyai arra volt kiváncsi, lehet-e olyan geometriát alkotni, amely nem tartalmazza az euklidészi geometria párhuzamossági axiómáját. Sikerült ilyet alkotnia. Munkája megalkotása után sok évtized telt el, míg kiderült, hogy az általa kidolgozott geometria az Einstein által felfedezett általános relativitáselmélet egyik matematikai alapja, a világmindenség egy lehetséges geometriája.

Érdekes, hogy miközben a természet a matematika nyelvét beszéli, a matematika egyúttal az emberi elme alkotása. Ezen, mint fentebb tárgyaltuk, nem csodálkozhatunk. Az ember alapvető képessége a világ összefüggéseit, rendjét feltárni képes gondolkodás. Nem csoda, hogy az összefüggéseket következetesen tárgyaló matematikai gondolkodásra is képes. Azzal, hogy az ember több lépésre előre tud gondolkodni, bizonyos embereket képessé tesz arra, hogy összetettebb és elvontabb matematikai tételeket is be tudjanak bizonyítani.

Mindezeket tudva sem lehet egyszerűen azt mondani, hogy az ember matematikai képessége puszta evolúciós kényszer lenne. Az evolúciós túlélési stratégiához sokkal egyszerűbb gondolkodás is elég volna. A ragadozókkal, mostoha természeti körülményekkel folytatott harc nem teszi szükségessé az elvont gondolkodás ilyen fokú mélységét. Az, hogy az ember gondolkodása annyira összetett összefüggéseket is képes átlátni, mint amilyenek a világegyetem kialakulását, fejlődését jellemzik, igencsak figyelemreméltó.

Deizmus:

A newtoni mechanika, a természettudomány hatalmas sikerei nyomán egyes teológusok arra gondoltak, hogy Isten létét, a hit mélyebb megalapozása céljából, úgymond matematikai pontosságú bizonyítékokkal kellene alátámasztani. A tudományos jellegű gondolkodás azonban nemvárt, nem kívánt eredményekre vezetett, amelyek súlyosan rombolták az egyházi gondolkodás tekintélyét.

A tudományos eredmények nyomán megpróbálták elképzelni, milyen lehet a világ egésze, mihez lehetne hasonlítani Isten munkálkodását. A newtoni mechanika sikerei nyomán a világ egészét mint gépezetet fogták fel. A matematikai megközelítés sikerét, a számítások pontosságát, megbízhatóságát tekintve nem lehet csodálkozni azon, hogy a világegyetemet óraműhöz hasonlították. A bolygók, csillagok valóban lenyűgöző pontossággal követték a kiszámított pályákat, a newtoni mechanika törvényei megdöbbentően jól írták le az egyes természeti jelenségeket.

Amikor azonban a teológusok és filozófusok elgondolkodtak azon, hogy a gépezetként működő világ mit jelent a teológiai értelmezés számára, meglehetősen visszás eredményekre jutottak. A világ egy gépezet és annak alkotója Isten, ez volt a kiindulópont. Ha pedig Isten alkotta a világot, annak tökéletesnek kell lennie, merthogy az Alkotó hibátlan és tévedhetetlen. Ismert volt, egy óra annál tökéletesebb, annál ritkábban kell azt felhúzni, minél ügyesebb, jobb az órásmester. Minél jobban van megszerkesztve valami, annál ritkábban szorul tervezője, építője segítségére. Tehát mivel a világ egésze Isten alkotása, és Isten tökéletes, ebből következik, hogy Istennek nem kell jelen lennie a világban. A gépezet megy magától is, akár évmilliókon át, beavatkozás nélkül. Gondoljunk Madách Imre művének, az Ember tragédiájának kezdősoraira.

A fenti gondolatmenet a felvilágosodás korában meghatározóvá vált. Ezt a nézetet, miszerint Isten teremtette a világot, de nincs benne jelen, deizmusnak nevezik. Isten ebben a világban csak egy nyugalmazott mérnök. Vagy ahogy egy másik kép mutatja, csupán lapozgatja a világ történetének előre megírt forgatókönyvét. A deista nézetek képviselői mint szükségtelen, felesleges intézményeket, hevesen támadták az egyházat.

Amikor a kémiában felfedezték az anyagmegmaradás törvényét, azt a materialista filozófia művelői érthető módon általánosították a világmindenség egészére. Kimondták, az anyag nem vész el, csak átalakul. Newton gravitációs elméletét a világ egészére alkalmazva azt is ki lehetett mondani, hogy a világ végtelen, csillagokkal egyenletesen kitöltött tér (lásd később). Ennek alapján a világot térben és időben végtelennek fogadták el. Ez ellentmondott a bibliai leírásnak, miszerint a világot az Isten a semmiből teremtette. A filozófusok ezzel úgymond tudományos alapon tagadták Isten létezését, váltak ateistává, istentagadóvá. Az ateizmus további erősödését vonta maga után Darwin evolúciós elméletének korabeli értelmezése is. Eszerint az ember nem a teremtés koronája, hanem csak a legértelmesebb állat. A materializmus, a világ gépként való szemlélete a XIX. század végére uralkodóvá vált és még ma is meghatározó tényező.

Mechanisztikus kép:

Ahogy eddig is tárgyaltuk, a gondolkodást a materializmus, annak is mechanisztikus változata jellemezte. Eszerint az anyag részecskékből áll. A részecskék közül a legegyszerűbbek az anyag elemi építőkövei. Mint ilyenek, tömeggel rendelkező, szerkezet nélküli, pontszerűnek tekinthető, változatlan, változtathatatlan, örökké létezők. Nyugalomban vannak, vagy mozognak, egymással kölcsönhatni képes részecskék. A világ folyamataiért az állandónak tekintett részecskék egymással való kölcsönhatása felelős. A természetben eszerint minden hatás úgy terjed, hogy az anyagi részecskék vonzzák vagy taszítják egymást. Világos kapcsolat van az ok és az okozat között, az anyag szigorúan meghatározott matematikai törvények szerint változik, viselkedik. Ez a felfogás talán legszebb sikereit a gázok viselkedésének leírásával aratta.

A materializmus és világegyetemet gépezetként kezelő szemlélet rendkívül sikeres volt. Nagyon hasznos keretet nyújtott tudományágak fejlődéséhez. Ezért érthető, hogy annyira ragaszkodtak hozzá, és sok tudományág esetén ma is meghatározó módon használják. Akkor is, ha ott nem igazán alkalmazható.

A XX. században kiderült, hogy a világ a fenti egyszerű módon nem értelmezhető. A tér és az idő nem tekinthetők abszolútnak, a részecskék sem örökéletűek. A világegyetem nem tekinthető állandónak, hanem egyre összetettebb rendszerré fejlődik. Az élet nem lehet egyszerű véletlen, hanem mély kapcsolatban áll a fizika alaptörvényeivel. Mindezekkel a következő részekben foglalkozunk.

Tér és idő

A térnek és az időnek a fizika által használt fogalmai a XX. század elején még egyszerűbbek voltak és nagyjából megfeleltek a köznapi elképzeléseknek. A legtöbb ember a tér fogalmát, mivel annyira alapvető, egyszerűen adottnak fogja fel, nincs rajta különösebb töprengenivaló. Csak akkor ütődünk meg egy kissé, ha azokkal a kérdésekkel kerülünk szembe, vajon végtelen-e a tér, vagy véges, létezett-e a tér mindig.

A térről alkotott, úgymond a józan észnek megfelelő elképzelésünk végül is az általános iskolában tanult euklidészi geometrián alapul. A párhuzamos vonalak, ezt mindenki el tudja képzelni, a végtelenben sem találkoznak. A geometriai tér természetes módon azonosítható a fizikai, a valódi térrel, amelyben az életünk zajlik. Történelmileg ez az azonosítás hosszabb folyamat eredménye. A görög kozmológia, az égbolt megfigyelése alapján, a világegyetemet véges gömbnek képzelte el, melynek középpontjában helyezkedik el a Föld. Az égbolt szerkezetét szférák sokaságával írták le, érthető, ugyanis a különböző szférák a különböző tipusú égitestek tartózkodási helyei. Nagy kérdés maradt, hogy mi van a legkülső szférán kivül? A kérdést nem tudták elfogadható módon megválaszolni. A kialakuló természettudomány elvetette a véges és gömbszerű világ eszméjét, helyébe a végtelen tér fogalma került.

Kopernikusz óta tudhatjuk, hogy a Föld nem tekinthető az Univerzum középpontjának. A bolygók mozgását sokkal jobban leírhatjuk és megérthetjük, ha feltételezzük, hogy azokat a Nap tartja maga körül pályájukon. Newton felismerte, hogy a csillagos ég mozgástörvénye a tömegek között ható gravitációs vonzóerő. Ezzel az erővel tudjuk leírni és megérteni a bolygók pályáinak milyenségét, ez az erő hat az égbolt csillagai között is.

Newton végtelen világegyeteme:

A gravitációs erő univerzális, minden tömeg között fellépő, ható erő, minden tömeg vonz minden más tömeget. Newton felismerte, hogy ebből a csillagos égre, annak milyenségére nézve, igen súlyos következtetéseket kell levonnunk. Newton elgondolkodott azon, milyen módon írható le a világegyetem egésze, ha a rendszert alakító, vezérlő erő a gravitáció. Miképpen érthető meg, hogy az égbolt csillagai egymáshoz képest mozdulatlannak látszanak, tehát az, hogy az univerzum állandó állapotú, idegen szóval sztatikus. A korabeli csillagászok ugyanis ilyennek látták az eget.

Mivel a gravitációs vonzás valamennyi csillag között hat, az égbolton álló csillagok mozdulatlansága érthetetlen. Ha most állnának is, akkor a kölcsönös vonzás hatására meg kell kezdeniük az egymás felé való mozgást. Idővel egyre közelebb kerülnek egymáshoz, végül pedig egymásba, a csillagok összessége által alkotott rendszer tömegközéppontjába kellene zuhanniuk. Ám az ókori csillagászok is ugyanilyennek látták az eget. Az univerzum sztatikusságát Newton a következőképpen magyarázta.

A csillagok azért nem mozognak egymás felé, mert valamennyi csillagot minden egyes irányból egyforma gravitációs erő vonz. Egyetlen csillag sem mozdulhat el, mert mindenfelé vannak szomszédai, amelyek egyforma erővel húzzák valamennyi irányba. Ezért az egyes csillagokra ható összerő nulla. Következésképpen minden egyes csillag mozdulatlan. Ez csak akkor lehetséges, ha az eget mindenhol, minden irányban egyenletesen töltik ki a csillagok.

Ennek a magyarázatnak van egy meglehetősen súlyos következménye. Nevezetesen, a csillagokkal egyenletesen betöltött égboltnak térben végtelennek kell lennie. Nem lehet véges, mert akkor létezne valamilyen középpont és a gravitációs vonzás odafelé vonzaná az összes csillagot. Véges világegyetemben először a peremen lévők kezdenének befelé gyorsulva mozogni, majd az összes csillag a közös tömegközéppontba zuhanna. Newton magyarázata, a végtelen és mindenhol egyforma világmindenség feltételezése a csillagászati tudás alapjává vált.

A térben végtelen, időben öröktől fogva létező, sztatikus világegyetem ellen a filozófusok sem tiltakoztak különösen. Ez a kép számukra kényelmes volt, megszabadultak olyan nehéz kérdésektől, amelyek a kezdetekre, a világ keletkezésére vonatkoztak.

Inerciarendszer:

A fizikai jelenségek térben és időben való leírásához valamilyen vonatkoztatási rendszer szükséges. A különböző vonatkoztatási rendszerekben a fizika törvényeinek alakja általában más és más. Ha a körhintán űlők mozgását a talajról szemlélem, akkor onnan körmozgást végeznek. Ha viszont a vonatkoztatási rendszer a körhinta egy széke, ebben a rendszerben a körhintán ülőket mozdulatlannak látom. A mozgások leírásához a számtalan sok lehetséges vonatkoztatási rendszer közül olyat érdemes választani, amelyben a fizika törvényei a lehető legegyszerűbb alakban írhatók fel. Emiatt a mozgás leírása itt a legkönnyebb.

Az inerciarendszert használó tárgyalás valóban nagyon könnyű. Vegyünk egy magára hagyott testet, azaz egy olyat, amelyre semmilyen más test nem hat. Inerciarendszerben ez a szabad, azaz magára hagyott test vagy nyugszik, vagy egyenes vonalú egyenletes mozgást végez. Ha inerciarendszerben egy test nem ilyen mozgást végez, akkor valamelyik más test biztosan hatással van rá.

A Galilei-féle relativitási elv:

Ha egy inerciarendszerben egy test szabad testként viselkedik, akkor valamennyi más inerciarendszerből is szabadnak látjuk. A tapasztalat szerint az inerciarendszerek nemcsak a szabad, hanem bármilyen más mozgást végző test leírása számára is egyenértékűek. Például ha egy zárt helyiségben a fonálinga lengését vizsgálom, az inga mozgástörvényét ugyanaz lesz, ha a helység egy ház szobája, egy sima vízű tavon egyenletesen sikló hajó kabinja vagy egy egyenletesen mozgó vonat fülkéje. Az inerciarendszerek a fizikai törvények alakja szempontjából egyenértékűek, azaz valamennyi fizikai törvény minden inerciarendszerben ugyanolyan alakú. Ezt az elvet nevezik Galilei-féle relativitási elvnek.

Tehetetlenség:

Az egyenesvonalú egyenletes mozgás a Galilei-féle relativitási elv szerint viszonylagos. Ez azt jelenti, hogy a mozgás sebessége attól függ, éppen melyik inerciarendszerben vagyunk. Newton felismerte, hogy a test gyorsulásának leírásnál ez a fajta viszonylagosság nem létezik. Ha gyorsulunk, ezt világosan érezzük, nem kell látnunk, mihez képest gyorsulunk. Ha a körhintában vagy a hullámvasúton ülünk, a centrifugális erő hat ránk. Míg az egyenesvonalú egyenletes mozgás viszonylagos, a sebesség irány és nagyság szerinti változása már nem az. A test tehetetlenségének mértéke, a tömeg mutatja, mekkora a testek 'ellenállása' a mozgásukat változtató hatással szemben. Miközben az egyenesvonalú egyenletes mozgást mindig valamihez képest viszonyítjuk, Newton arra a következtetésre jutott, hogy a gyorsuló mozgás a térhez képest gyorsuló. Ezt a teret nevezte Newton abszolút térnek.

Abszolút tér:

Az abszolút tér fogalma nem idegen tőlünk, a hétköznapi gondolkodásunkban a teret és az időt abszolútnak vesszük. Valaminek az abszolút mivolta azt jelenti, hogy az nem függ semmitől, semmi sem gyakorolhat rá befolyást, nem változtathatja meg. Az abszolút tér tehát azt jelenti, hogy a tér mint olyan, a tér jellemzői, tulajdonságai nem függhetnek semmitől. Például a tér két pontja között mérhető távolság mindentől függetlenül mindig ugyanakkora. Ez a távolság így nem függhet attól, hogyan, milyen körülmények között, melyik módszerrel mérjük meg. A távolság értéke így nem függhet attól sem, vannak-e a térben tárgyak, nagyobb tömegek és hogy mik ezek, miből vannak, mozgunk-e a megfigyelt térrészhez képest vagy sem.

Mach-elv:

Newton szerint az abszolút tér az, ami gyorsuláskor visszahat a testre, így a test tehetetlensége, a forgáskor fellépő centrifugális erő léte az abszolút térnek a testre való hatásával magyarázható. Newton feltételezte, hogy az abszolút tér az állócsillagokhoz rögzített térnek feleltethető meg. Az abszolút tér létét sokan vitatták. Mach is elvetette ezt a szerinte megfigyelhetetlen fogalmat, a Mach-elv szerint a test tehetetlen tömege az Univerzum összes tömegének egymással való kölcsönhatásából ered. Azaz az állócsillagokhoz rögzített rendszerben mért gyorsulás oka az állócsillagok és más tömegek által erők eredménye. Azt, hogy ezt miként kell pontosan érteni, Mach sem tudta pontosabban kifejteni. A Mach-elv Einsteinre is nagy hatást gyakorolt és befolyásolta az általános relativitáselmélet megszületését.

Hasonlóan, az abszolút idő feltételezése azt jelenti, hogy az idő is mindentől független létező. Az idő mindentől függetlenül, mindenhol azonosan telik. Az adott időtartam nem függhet attól, ki, milyen körülmények között, hogyan méri azt meg.

Sebességösszeadás:

Ha a tér és idő abszolút, akkor a távolságok és az időtartamok abszolút mennyiségek. Emiatt a távolság és időtartam hányadosaként kapott sebesség is abszolút. Ezért a sebességek egyszerű módon összeadhatók és kivonhatók. Emiatt, ha V sebességgel közeledik egy gépkocsi és abból a mozgás irányába v' sebességgel kidobnak egy dobozt, akkor a doboz az úthoz képest v=V+v'sebességgel mozog. Ha ellentétes irányba dobják ki a dobozt, annak az úthoz viszonyított sebessége v=V-v'. Ha Newton nem is tudott módszert adni az abszolút tér kimutatására, feltételezték, hogy van olyan eljárás, amellyel az abszolút tér kiválasztható. A XIX. század második felében úgy látszott, erre az elektromágneses hullámok vizsgálata ad majd lehetőséget. Természetesnek tartották, hogy a hullámok terjedéséhez kell valamilyen hordozó közeg. Feltételezték, van olyan közeg is, amelyben az elektromágneses hullámok, így a fény is terjed. Ezt éternek nevezték el. Az abszolút teret az éterrel azonosították és feltételezték, hogy az éterben való mozgás egyben az abszolút térhez viszonyított mozgás is.

A speciális relativitás elméletéről

A közegben terjedő hullám sebessége, mint a hanghullámé is, független attól, milyen sebességgel mozog a hullámforrás. A mért hullámterjedés sebessége attól azonban függ, milyen sebességgel mozog a megfigyelő a hullámot hordozó közeghez képest. Nagy megdöbbenést okozott az, hogy a fénysugár üres térben mérhető sebességét, bármilyen, egyenenesvonalú haladómozgást végezzenek is egymáshoz képest a megfigyelők, mindegyikük ugyanúgy c=300000 km/sec-nak észleli.

Gondoljuk el, egy autóból megmérjük az útszéli lámpából kibocsátott fény sebességét. Azt várnánk, hogyha a kocsi v sebességgel közelít a lámpához, akkor a mért fénysebesség c+v, ha távolodik tőle, akkor c-v lesz. A mérés azonban mindegyik esetben nagy pontossággal a c értékét szolgáltatná, akár áll az autó, akár közeledik, akár távolodik a lámpától.

A kisérletek szemléletünknek nyilvánvalóan ellentmondó eredményét Einsteinnek csak a hagyományos tér és időfogalom feladásával sikerült értelmeznie. A sebesség a távolság és az időtartam hányadosaként adódik. A fény sebességét Einstein szerint úgy állandó, hogy közben a különböző sebességű rendszerekben mérve a távolság és időtartam más és más lesz. Ezért a távolságot és időtartamot és így a teret és időt sem tekinthetjük abszolútaknak, a tér és az idő viszonylagossá, idegen szóval relatívvá válik.

A müonok életideje és az általuk befutott út: Az időtartam viszonylagos voltára nézzük a müonok viselkedését. Ezeket a magasban a kozmikus sugárzás hozza létre és itt a Föld felszínén észleljük őket. A kozmikus sugárzás nagyon nagy energiájú, a világűr távoli tartományaiból felénk érkező protonjai átlag kb. 20 kilométer magasságban találnak el egy atommagot, és a müonok ilyen ütközésben képződnek. A müonok bomlékony részecskék, átlagosan $2,2*10^{-6$, azaz 2,2 milliomod másodpercig létezhetnek. Ha a 20 kilométeres utat csaknem fénysebességhez közeli sebességgel tennék is meg (sebességük a fénysebességet nem érheti el), akkor a fenti élettartam alatt legfeljebb 660 métert tehetnének meg. Ennek ellenére, befutva a 20 km körüli távolságot, lejutnak hozzánk a talaj szintjére. Ez az eredmény nem függ attól, hogy ezt az utat függőlegesen teszik meg. Ha hasonló sebességű müont itt gyorsítóban állítanánk elő, ugyanilyen eredményt kapnánk, itt talajszinten is be tudja futni a 20 kilométeres távolságot. Ha a müon lassú, élettartamára a fenti $2,2*10^{-6$ másodperces értéket mérjük.

A kozmikus sugárzásban keletkezett müonokat azért észlelhetjük, mert mialatt a mi óránkon kb. 60 milliomod másodperc telt el, a $v=0.999c$ sebességgel mozgó müon "saját" óráján (amely vele együtt mozogna, tehát ami hozzá képest mozdulatlan) eltelt idő ennek csupán 1/30-ad része, 2 milliomod másodperc. Ez annak a megnyilvánulása, hogy egy esemény időtartama viszonylagos, függ attól, mekkora sebességgel mozgó rendszerből mérik.

Négydimenziós tér:

Einstein relativitáselmélete szakított a newtoni fizika szemléletével, ahol is a tér és az idő abszolútak és így egymástól is függetlenek. A tér és idő Einstein szerint nem abszolút, mindkettő viszonylagos, mégpedig úgy, hogy kapcsolat van a kettő között. A kapcsolat matematikai megfogalmazásához célszerű bevezetni az ún. négydimenziós téridő fogalmát. Ezt Minkowski tér néven is emlegetik.

A tér háromdimenziós, egy pontja három koordinátával, az x, y, z értékeivel jellemezhető. A téridő egy pontjának megadásához négy értéket kell ismernünk. Az x, y, z koordináta mellett szükség van a t idő ismeretére is. Azért, hogy a négydimenziós tér koordinátái azonos mértékegységgel rendelkezzenek, a t idő helyett a ct koordinátát használják (c a fénysebesség). Ebben a térben a négy koordináta, a ct, x, y, z egyenrangúan kezelhető. A félreértések elkerüléséhez hangsúlyozzuk, hogy a ct nem a tér negyedik dimenziója, hanem a téridő egy dimenziója. A tér és az idő számunkra nyilvánvalóan különböző fogalmak, csak a fizikai leírást tekintve összekapcsoltak. Azért érdemes így, négydimenziós térben dolgoznunk, mert az itteni geometriai mennyiségek, négydimenziós vektorok, azoknak hosszai, stb. jól használhatóak a fizikai leíráshoz.

A négydimenziós téridőben a fénysebesség állandóságának követelménye könnyen tárgyalható. Megmutatható, hogy a négydimenziós térben értelmezhető távolság, amely egyébként a megfelelő időtartam és térbeli távolság segítségével állítható elő, már abszolút mennyiség, nem függ a megfigyelőhöz képest mérhető sebességtől. A négydimenziós tárgyalás haszna nem csupán az, hogy megfogalmazza a fénysebesség állandóságát. Valamennyi fizikai mennyiséget négydimenziós vektor összetevőjeként kezel. A lendület vektor 3 dimenziója mellé rendelhető negyedik dimenzió az energia. Ebből a kapcsolatból következik a tömeg és az energia egyenértékűségét kifejező összefüggés, az $E=mc^2$ képlet is.

Míg korábban az energia és a tüömeg megmaradása egymástól függetlenül, külön-külön érvényes törvényszerűségek voltak, a négydimenziós tárgyalás megmutatta, hogy csak egyetlen megmaradási törvényről beszélhetünk. Mivel az energiát alapvetőbb mennyiségnek tartható, az energia megmaradásának törvényéről beszélünk. Az energiák számbavételénél azonban figyelembe kell venni a tömegeknek megfelelő $E=mc^2$ energiákat is.

A relativitás elvének fogadtatásáról:

A speciális relativitáselmélet rámutatott arra, hogy a mechanisztikus világszemlélet tarthatatlan. A tér, amiben a fény vákuumban terjed, az üres tér, nem pedig az éter. A fény, bár hullámként terjed, nincs szüksége közvetítő közegre. A mechanisztikus szemlélet szerint, mint már tárgyaltuk, minden hatás közvetítő részek érintkezése, rezgése által terjed. Mivel a fény terjedéséhez nincs szükség ilyen rezgést továbbadó közegre, a mindent gépies működésként értelmező mechanisztikus szemlélet tarthatatlanná vált.

A relativitás elvének volt egy másfajta hatása is és a nagyközönség gondolkodását ez határozta meg. Az elméletek igazi értői tudták és tudják, hogy Einstein valójában azt fogalmazta meg, létezik mindenféle vonatkoztatási rendszertől független, alapvető igazság. Ez elméletében a fénysebesség állandóságát jelenti. Igaz, ezzel együtt abba is bele kellett törődni, hogy az idő és a tér fogalma is relatív. A kivülállók azonban, igazából nem is értve, mit jelent a relativitás Einstein elméleteiben, lassan mindennek az értékét viszonylagosként fogták fel. A minden relatív, semmiben sem lehetünk biztosak, mindenben kételkedni kell felfogás általánossá vált.

Általános relativitáselmélet

Einstein általános relativitáselmélete még erőteljesebb módon változtatta meg a térről, időről alkotott fogalmainkat. Korábban feltételezték, hogy a tér és az idő szerkezete nem függhet a bennük lejátszódó fizikai jelenségektől, mennyiségektől. A speciális relativitás elmélete rámutatott arra, hogy a tér és idő relatív fogalmak, merthogy a távolság és az időtartam függ attól, milyen sebességgel mozog hozzánk képest a megfigyelt esemény, a négydimenziós térben mért hosszúságok azonban már abszolút mennyiségek. Az általános relativitáselmélet a gravitáció általános elmélete, a négydimenziós téridő és a tömegek kapcsolatát tárgyalja. Az általános relativitáselmélet alapja az ekvivalencia elv.

Az ekvivalencia elv:

Az álatalános relativitás elméletének ekvivalencia elve két vonatkoztatási rendszer egyenértékűségére vonatkozik. Az egyik rendszer egy inerciarendszer, a másik egy nagy tömeg felé szabadon eső rendszer, mondjuk egy zuhanó lift. A magára hagyott testre egyikben sem hat erő, a szabadeséssel zuhanó liftben a tárgyak súlytalanná válnak. Ezért a magára maradt test mind az inerciarendszerben, mind a szabadon eső rendszerben vagy áll, vagy egyenesvonalú, egyenletes mozgást végez. Einstein ennek nyomán kimondta: egy kisméretű, szabadon eső rendszerben a fizika törvényei ugyanazok lesznek, mint egy inerciarendszerben. A szabadon eső rendszer lehet valahol a Földön, akár a galaxisunk középpontjában, vagy egy fekete lyuk közelében, bárhol a Világmindenségben.

A fény a gravitációs térben:

Az ekvivalencia elvből rögtön következik az általános relativitáselmélet egyik legfontosabb eredménye, miszerint a fény a gravitációs térben elhajlik. Képzeljünk el egy szabadon eső kamrát, melyben valaki a kamra falánál felvillant egy zseblámpát. A liftben lévő számára, mivel az ekvivalencia elv szerint minden olyan, mint egy inerciarendszerben, a fény egyenes vonal mentén terjed. A földi megfigyelő viszont ezt úgy látja, hogy a fény a kamrával együtt esik, mintha a fénynek is lenne tömege. A fény ezek szerint a gravitációs térben elgörbül, ezt a mérések is igazolták. Teljes napfogyatkozáskor ellenőrizhető, hogy a Nap mellett elhaladó fénysugár elhajlik, minthogy a Nap mögött lévő csillagot máshol látjuk, mint általában.

Az általános relativitáselmélet megfogalmazása szerint a fény nem azért esik felénk, mert tömege lenne. A fény a legrövidebb idő alatt befutható út mentén halad. Ha elgörbülni látjuk, az azt jelenti, hogy ott a tér geometriája más, mint a megszokott euklidészi geometria. Ilyen másféle geometria az ún. gömbi geometria, például a gömb felületére rajzolt háromszög szögeinek összege nagyobb, mint 180 fok. A Nap gravitációs tere is ilyenfélévé alakítja maga körül a tér geometriáját, ezért látjuk a fénysugár útját görbültnek. A tömegek által létrehozta gravitációs tér erőssége ráadásul változó, a nagysága és iránya is változik. Például a Földön a magasabb helyeken kisebb a gravitáció, tőlünk távolabb a Föld gömbalakja miatt a mi függőlegesünkkel szöget bezáró irányú a gravitációs tér. Ezzel mindenütt egy kicsit máshogy görbül el a fény, mint itt, azaz mindenütt egy kicsit más az eltérés az euklidészi geometriától. Einstein általános relativitáselmélete ezt úgy fogalmazza meg, hogy a tömegek elgörbítik a négydimenziós téridőt, a tömegek határozzák meg maguk körül a téridő milyenségét. Azaz a térben mérhető távolságok nagyságát, az időtartamok hosszúságát, a négydimenziós téridő geometriáját a térben lévő anyag szabja meg. A fény és a tömegek a görbült téridő 'egyenesei' mentén mozognak, amelyeket geodetikus vonalaknak neveznek.

A téridő görbülete és a gravitáció:

Az általános relativitáselméletben nemcsak a fény, hanem a tömegek mozgását is téridő görbülete adja meg. Azaz a gravitáció is a téridő görbületével függ össze. Hangsúlyozni kell, a tömegek a téridő szerkezetét befolyásolják. Tévedés azt gondolni, hogy a tömeg csak a teret görbíti. Például a Föld nem azért mozog a Nap körül ellipszis pályán, mert a Nap így görbítette maga körül a teret. A Nap tömege a téridőt görbíti. A Nap a térben a koordinátarendszer kezdőpontjában marad ugyan, de az időben a ct tengely mentén mozog, egy év alatt fényévnyit. Ezalatt a Föld a térben a kb. 8,5 fényperc sugarú pályán kering, miközben a ct tengely mentén szintén fényévnyi utat tesz meg. Könnyen elképzelhető, hogy a Föld így egy csavarmenethez hasonló pályán mozog a téridőben, ez a Nap által elgörbített téridő geodetikus vonala.

Látható, a Nap által létrehozott téridőgörbület, mely mentén a Föld mozog, igen kicsiny, 8,5 fénypercnyi görbület fényévnyi távolságon. A kicsiny téridőgörbületek számításakor az általános relativitáselmélet nagyon jól közelíthető úgy, hogy elhagyjuk a négydimenziós téridőt, csak a szokásos háromdimenziós térben és az időben számolunk és a térben lévő tömegek között a newtoni tömegvonzási erőt vezetjük be. Innen látható, hogy a tömegvonzási erő a téridő tömegektől való függésének közelítő leírásából ered. Ezzel a gravitációt mint geometriához köthető hatást értelmezzük. A Naprendszer bolygóinak pályájáit a newtoni tömegvonzással való közelítés nagyon jól leírja, csak a Merkur pályamozgásának leírásához van szükség az általános relativitáselmélet pontosabb közelítéseire.

A idő a gravitációs térben:

Az általános relativitáselmélet szerint ha a gravitációs tér nagyobb, a rezgések is lelassulnak. Például az óra a Föld felszínén lassabban jár, mint a világűrben. Ez nem függ az óra fajtájától, nemcsak az órák tulajdonsága, nem ezek szerkezetének, működési elvének következménye. Egyszerűen az idő telik máshogyan. Minél közelebb kerülünk egy tömeghez, annál jobban lelassulnak a mozgások, rezgések, lassabban telik az idő.

Az általános relativitáselmélet eredményei jól egyeznek a tapasztalattal, előrejelzéseit a mérések eredményei kielégítő módon igazolják. Például sikerült kimutatni, hogy itt a Földön felfelé menve az órák gyorsabban járnak. Egy igen érzékeny magfizikai jelenséget, a Mössbauer effektust kihasználva sikerült megmérni, hogy a 10 méterrel magasabban lévő helyen az általános relativitáselmélet által megjósolt módon telik gyorsabban az idő. Megjegyezzük, bár az idő nagyobb magasságokban gyorsabban telik, ez a különbség az ember, mint biológiai lény számára elhanyagolhatóan kicsiny. Azt sem mondhatjuk, ha nagyobb magasságokba megyünk, már észrevehetőbb lesz az idők telése közötti különbség. A csillagoktól, nagy tömegektől távol az idő milyenségét a világegyetemben nagyjából egyenletesen eloszló csillagok, galaxisok tömegeloszlása határozza meg. Ezt az időt nevezhetjük "világidőnek", ha tömegekhez közelebb megyünk, ehhez képest lassabban fog telni az idő.

A fenti jelenségnek fontos gyakorlati következményei is vannak. Ha a világűrben működő műholdak jeleit vizsgáljuk, azokat értékeljük, figyelembe kell venni azt, hogy itt és fenn az órák máshogy járnak. Ha erről megfeledkeznénk, komoly hibákat követnénk el a műholdas azonosítások pontosságát, a földi tárgyak, például az ellopott autók helyzetének meghatározását illetően.

A téridő egyenletes anyagsűrűség esetén:

Einstein általános relativitáselméletének alapegyenletei természetüknek megfelelően alkalmasak arra, hogy a világegyetem egészének viselkedését is leírják. Mivel a világegyetemet a csillagok, így az anyag nagyjából egyenletesen töltik ki, a világegyetem jó közelítésben durván egy végtelen, anyaggal egyenletesen kitöltött tér. Az Einstein-egyenletek megoldása erre az esetre azt adja, hogy állandó állapotú univerzum nem létezhet. Az univerzum vagy tágul, vagy összefelé húzódik, köztes, sztatikus állapot nem lehetséges.

Einstein ez a felismerés, hogy elmélete a newtoni sztatikus univerzumot lehetetlennek tartja, mélyen megdöbbentette. Mindenki, így Einstein is annyira hitt az univerzum sztatikus voltában, hogy Einstein, elrontva egyenleteinek szépségét, harmóniáját, bevezetett egy ún. kozmológiai állandót, amely a tömegek közötti taszítást ír le. Hamarosan kiderült azonban, hogy a kozmológiai állandóval kibővített általános relativitáselmélet sem képes igazából sztatikus világegyetem leírására. A legkisebb ingadozás is képes a finoman kiegyensúlyozott univerzum állandóságát megszüntetni, az univerzum elkezd tágulni, vagy összefelé húzódni.

Törvények és szimmetriák

A jelenség leírása és a törvény:

Ha a világ valamennyi dolga, történése le lenne írva egy nagy könyvbe, vagy CD lemezekre, akkor igazából nem volna szükségünk a természet törvényeinek ismeretére. Bármi érdekelne bennünket, ki tudnánk keresni, meg tudnánk nézni, mi hogyan történik. Ez persze csak elvileg volna így, hiszen a felmérhetetlenül sok ismeret olyan óriási adathalmazt alkotna, amit nagyon nehezen tudnánk kezelni. Például a Hold pályájának a részletes leírása is könyveket tölthetne meg.

A természet törvényeinek ismerete tehát azért is szükséges, mert az adathalmaz túl nagy lenne. A newtoni mechanika szerint elég, ha a Hold helyzetét és sebességét csak egy adott pillanatban ismerjük, a Hold pályája ebből kiindulva bármely jövőbeni vagy múltbeli időpontra meghatározható. Ezért egy adott jelenség leírását megadó adathalmaz felesleges, ha ismerjük a megfelelő törvényt, melynek segítségével bármit ki tudunk számítani, ami szükséges.

Sokszor azonban nem ismerjük a törvényeket. Ezért hasznosak az olyan elvek, amelyeknek segítségével csökkenthetjük az adathalmaz méretét. Ilyen elvek a szimmetriaelvek. A szimmetrián azt értjük, amit a mindennapi életben is. Arcunk szimmetrikus mert jobbról vagy balról nézve a profilunkat ugyanaz látható. Egy kocka már magasabb rendű szimmetriát mutat, mert a lapok középpontja felől nézve is ugyanazt láthatjuk. A legerősebb ilyen jellegű szimmetriát a gömb mutatja. Bármely, a középpontján átmenő tengely irányából nézzük a gömböt, ugyanazt észleljük. Ha egy tökéletes kristályt belülről szemlélünk, akkor ugyanolyannak látjuk, ha egy adott helyről nézzük, vagy ha onnan megfelelő irányban bizonyos lépésekben elmozdulunk. Látható, hogy a szimmetriák csökkentik a jelenség jellemzéséhez szükséges adatok számát.

A törvények alakja, szimmetriák és egyszerűség:

A szimmetria fogalmát a fenti egyszerű geometriai értelmezésen túlra is kiterjesztették. Egy egyenlet szimmetriáján azt értjük, hogy bizonyos matematikai átalakításokat, transzformációkat elvégezve az egyenletek alakja változatlan marad. Például az y=x^2 egyenlet alakja ugyanaz marad az x –> -x, tükrözésnek nevezett átalakítás után. Szakkifejezést használva azt mondjuk, hogy az egyenlet invariáns a tükrözési transzformációkkal szemben.

Az invariancia megszorítást jelent az egyenlet alakjára. A tükrözéssel szembeni invariancia például az y=x^2+x egyenletre nem igaz, mivel ez a tükrözés után az y=x^2-x egyenletbe megy át. Minél több transzformációval szemben invariáns az egyenlet, az alakja annál inkább rögzített.

A szimmetriák léte segít a törvények alakjának meghatározásában is. A szimmetria a törvényt megadó egyenlet alakjára jelent megszorításokat. A szimmetria léte az egyenletet áttekinthetőbbé, harmónikusabb alakúvá, mondhatni szebbé teszi. Miközben a törvények alakját keressük, a szépség, a szimmetriák léte egyfajta útmutatás, amely megkönnyíti a feltevések közötti választásokat, amely akár még a kisérleti ellenőrzés előtt elveti az esélytelenebb modelleket. Az elméleti fizikus egy új modellt sokkal inkább hajlamosak elfogadni, ha az szép és egyszerű, még akkor is, ha kisérleti megerősítés még várat magára vagy egyelőre nem lehetséges. Kívánatos, hogy az elmélet minél szebb formájú, szimmetrikusabb legyen. Ne legyenek benne olyan tényezők, amelyek eredete homályos, amelyeket csak azért kell odavenni, mert épp a kísérleti eredmények értelmezése megkövetelik jelenlétét. Az elmélet lehetőleg első elvekből induljon ki és ne a szükség alapján toldozzuk-foldozzuk.

A törvények megfogalmazásában másik fontos szempont az egyszerűség. Ha arról van szó, hogy ugyanazokat az eredményeket két különböző módon is meg lehet magyarázni, a fizikusok automatikusan azt a leírást fogadják el, amelyik egyszerűbb, kevesebb feltevést tartalmaz. A másik leírást elvetik és csak akkor kerülhet újra tárgyalásra, ha az egyszerűbb valamilyen új ismeret értelmezésére alkalmatlannak bizonyult. Ezt az eljárást, vagyis a bonyolultabb elvetését a középkori angol filozófus után Occam elv néven emlegeti a szakirodalom.

A fizika alapegyenleteinek alakja és a szimmetriák:

Ha egy fizikai egyenlet invariáns a transzformációkkal szemben, azt jelenti, hogy az egyenlet alakja ugyanaz marad, ezáltal ugyanazokat a fizikai jelenségeket írja le az átalakítás előtt és után is. A fizikai alapegyenletek alakjára vonatkozólag a térbeli és időbeli szimmetriákkal szembeni invariancia megkövetelése komoly megszorítást jelent. Gondoljuk el például, változhat-e a leírt jelenség attól, hogy hol játszódik le. Ha nem, akkor a térben való eltolhatóság érvényes szimmetria, a fizikai egyenletnek invariánsnak kell lennie a térbeli eltolással szemben. Az egyenletben az eltolás matematikailag azt jelenti, hogy arrébb toljuk a koordinátarendszer kezdőpontját. Ekkor az egyenlet alakja változatlan kell, hogy maradjon. Ez a követelmény rögzíti azt, hogy a részecskék helyzetét megadó vektorok milyen alakban, függvénykapcsolatban jelenhetnek meg az egyenletekben.

Az egyszerű tér- és időbeli szimmetriákon kivül más szimmetriákat is megkövetelhetünk. Megköveteljük még a relativitáselméletnek megfelelő viselkedést is, ami, mint később látni fogjuk, azt jelenti, hogy az előforduló tér és idő változók a négydimenziós tér változóinak megfelelő módon forduljanak elő. Ha a fenti szimmetriákkal szembeni invarianciákon kivül még azt is kikötjük, hogy az egyenletek emellett legyenek a lehető legegyszerűbbek, máris megkapjuk a szabad részecskék mozgását leíró mechanikai és kvantummechanikai mozgásegyenleteket! Köztük a kvantummechanika egyik alapegyenletét, a Dirac egyenletet is. Azaz olyan sok megszorítást adtunk, hogy azok már rögzíthették az egyenletek teljes alakját.

Szimmetriák és megmaradó mennyiségek:

A fizika alapvetően fontos törvényei az energia, a lendület, a perdület, az elektromos töltés és még más kevésbé ismert mennyiségek megmaradását megfogalmazó törvények. Kiderült, hogy a szimmetriák léte és a megmaradó mennyiségek között nagyon mély kapcsolat létezik. A térben nincs kitüntetett pont, a természet mindenhol azonos törvények szerint működik. A koordinátarendszer kezdőpontjának eltolása ezért nem befolyásolhatja a természet törvényeinek alakját. A térben való eltolhatóság következménye a lendület megmaradása. Más szavakkal azt mondhatjuk, hogy a lendület megmaradása a tér homogenitásának folyománya, ahol a tér homogenitása azt jelenti, hogy a tér pontjai egyenértékűek. A természetben nincs kitüntetett időpillanat, a jelenség leírása nem függhet az időszámítás kezdőpillanatának megválasztásától, attól, hogy mondjuk magyarországi, vagy romániai idő szerint mérjük-e az időt, a jelenséget leíró egyenlet ezzel a választással szemben invariáns. Más szavakkal azt mondhatjuk, hogy az időpontok egyenértékűek, azaz az idő homogén. Az energiamegmaradás tétele az időbeni eltolhatósággal szembeni invariancából származik, az idő homogenitásának következménye. Ha a jelenség leírása nem függ attól, hogy a térben elforgatást végzünk, azaz más irányba mutatnak a koordinátarendszer tengelyei, akkor a tér izotrópiájól beszélünk. A forgatással szembeni invariancia, a tér izotrópiájának következménye a perdület megmaradása.

A szimmetriák fontossága:

A szimmetriák és a megmaradási tételek kapcsolatának felismerése erős hatást gyakorolt a tudósok gondolkodására. Igazából azt mondhatjuk, hogy a természet nem az erőkkel, részecskékkel, hanem a szimmetriákkal takarékoskodik. Úgy tűnik, az igazán alapvető tudás a szimmetriákhoz köthető. Ez az eredetilg Platón által megfogalmazott gondolat a modern részecskefizika egy talán meghökkentő, de gondolkodásunkat meghatározó eredménye. Természetesen felmerülhet a kérdés, ha a mélyenfekvő szimmetriák ennyire egyszerűek és tökéletesek, honnan a világ sokszínűsége, változatossága. Ezt részben a szimmetriákat sértő mechanizmusok milyenségével magyarázhatjuk.

Szimmetriasértések

Spontán szimmetriasértés:

A spontán szimmetrisértés mechanizmusának felismerése a modern fizika kiemelkedő fegyverténye. A jelenség, amiről látni fogjuk, alapjait tekintve egyszerű, a fizika számos területén vezetett új felfedezésekre. A szimmetria, amely megsérül, lehet a geometriai térhez és az időhöz kötődő szimmetria vagy valamilyen absztrakt, belsőnek is nevezett szimmetria is.

Lehetséges, hogy az egyenletek szimmetrikusak, de az általuk leírt jelenségek már nem mutatják ezt a szimmetriát. Az egyenleteknek ilyen esetekben több megoldása is van és az eredeti szimmetriát egyetlen megoldás sem mutatja, a szimmetria csak valamennyi megoldás együttesében mutatkozik meg. Ez azonban nem azt jelenti, hogy a természetben minden egyes megoldásra láthatjuk a példát, általában csak egyetlen megoldásnak megfelelő jelenséget tanulmányozhatunk. Ilyen esetben sértett szimmetriáról beszélünk, a leírt jelenséget spontán szimmetriasértésnek nevezik. Igazából a szimmetria létezik, az egyenlet szimmetriája megjelenik a megoldások teljes rendszerében, ezért talán jobb lenne rejtőző szimmetria kifejezést használni. A spontán szimmetrisértés kifejezés arra utal, hogy az egyenlet szimmetriáját semmi sem sérti meg, a szimmetria sérülése úgymond magától, spontánul a megoldásokban jelentkezik. Lássunk erre néhány példát.

Gondoljunk el egy vacsorát, ahol a társaság egy kerekasztal körül foglal helyet. Teljesen körbeülik az asztalt. Mindenki előtt van teríték és a terítés rendje szerint a terítékek között ott a pohár. A kerekasztalnál ülők előtt kezdetben a jobb és bal irány egyenértékű, mivel mindenki számára egyformán lehetséges jobbra vagy balra nyúlni a pohárért. Ha azonban valaki már választott, a szimmetria megsérül, mivel ezután mindenki már csak egy felől, mondjuk jobbról veheti el a poharat. Nyilvánvaló, a kezdeti szimmetriának meg kell sérülnie, valamelyik, vagy a jobb, vagy a bal irányt ki kell választani. Másik egyszerű példának vegyünk egy függőleges helyzetű, tökéletesen egyenletes szerkezetű acélszálat. Hasson reá felülről egy lefelé irányuló nyomóerő. A rendszer a rúd függőleges tengelye körül tekintve hengerszimmetriát mutat. Ha a nyomóerő fokozódik, egy idő után a szál elgörbül, valamerre kitér. Hogy merre, véletlen. A rendszer hengerszimmetriája elveszett, a sérülés itt is spontán módon jelentkezett.

Nemcsak az acélpálca görbülésében és más egyszerű jelenségekben sikerült szimmetria spontán sérülését észlelni. A spontán szimmetriasértés fontos szerepet játszik az alapvető kölcsönhatások alakjának milyenségében is. Ezzel majd később foglalkozunk.

Dinamikai szimmetria:

A szimmetriák sérülésével kapcsolatos másik fontos jelenség a dinamikai szimmetriák fellépte. A dinamikai szimmetria létére utalhat az, ha valahol sok, egymással rokon részecskével, objektumokkal találkozunk. Amelyek ugyan megkülönböztethetőek, de mégis nagyon hasonlítanak egymáshoz. Annyira, hogy akár egyetlenegy objektum különféle változatainak is tekinthetők.

Erre a szimmetriára tárgyalt példáink inkább az absztrakt, azaz nem a geometriai térben megfogalmazható szimmetriákra vonatkoznak. Az absztrakt szimmetriák mibenlétét sem túl nehéz elképzelni. Gondoljunk a férfi és nő közötti különbségtételre. Igaz rájuk az 'emberi' szimmetria, mert mindkettő ember, a felcserélésük ezen nem változtat. Hasonló módon gondolhatunk a proton és neutron közötti eltérésre is. A két részecske nagyon hasonló egymáshoz, tömegük csaknem azonos, csupán elektromos töltésükben különböznek. A magfolyamatokban a neutron és proton, töltésüktől eltekintve, azonos módon viselkednek, a töltés is általában csak cimkeként szolgál, nem tényleges különbség jelölője. Ezért a fizikusok a protont és a neutront csupán mint egyetlen részecske kétféle változataként kezelik, amelyet nukleonnak neveznek.

Kiderült, ha nem is annyira nagy a hasonlóság, de van még 6 másik részecske, amelyek a protonhoz és neutronhoz valamint egymáshoz hasonló módon viselkednek. Ezeket a részecskéket kozmikus sugarakban lehet megfigyelni és nagyenergiájú gyorsítókban lehet előállítani. A gyorsítókban előállítható nagyszámú részcskét dinamikai szimmetriáik felismerésével sikerült rendszerezni.

A mikrovilág

Newton törvényei a mindennapi méretekben történtek leírását adják. A newtoni fizika nagyon jól alkalmazható, ha a tárgyak sebessége jóval kisebb, mint a fénysebesség és ha a tömegek nem túl nagyok és ha a méretek nem túl kicsik. Ha a sebességek a fénysebességgel összemérhetők, akkor a négydimenziós téridővel dolgozó speciális relativitáselméleti leírással kell dolgoznunk, ha a tömegek túl nagyok, figeylembe kell venni a tömegek téridőt görbítő hatását. Ezekkel az előzőekben foglalkoztunk. Most azt tárgyaljuk, hogy Newton törvényei érvényüket vesztik, ha a méretek eléggé kicsik, egyszerűen azért, mert a világ kicsiben nem pont olyan, mint nagyban. Viselkedését másféle törvények szabályozzák, például nem beszélhetünk pálya mentén mozgó részecskéről. A mikrovilág törvényeit a kvantummechanika fogalmazza meg. A továbbiakban a kvantummechanikai leírás néhány jellegzetességével ismerkedhetünk meg.

Hullámtermészet - a részecskék 'lefényképezése':

Nézzük, miként határozhatjuk meg, hogy az egyes nagyon kicsiny részecskéknek mekkora a mérete. Az alakot, a méreteket a részecskék 'lefényképezésével' vizsgálhatjuk. Egy tárgyról akkor tudunk éles képet készíteni, ha a megvilágításhoz használt fény hullámhossza jóval kisebb, mint a tárgy jellemző méretei. Minél kisebb a felvételhez használt fény hullámhossza, annál pontosabb, részletesebb képet kapunk a tárgyról. Ha a fény hullámhossza körülbelül akkora, vagy nagyobb, mint a vizsgált tárgy mérete, akkor is kapunk valamilyen képet. Ez az úgynevezett elhajlási, vagy idegen szóval diffrakciós kép alkalmas arra, hogy a részleteket nem is, de a legalább a tárgy méreteit, geometriai alakját meg tudjuk határozni.

A mikrovilág tárgyainak, mint a molekulák, atomok, atommagok 'fényképezéséhez' nem csupán fényt, hanem tömeggel rendelkező részecskéket is használhatunk, ugyanis a kvantummechanika szerint részecskék is rendelkeznek hullámtulajdonságokkal. Az m tömegű részecske hullámhossza, az ún. deBroglie hullámhossz \lambda =h/p=h/mv, ahol h a kvantummechanika alapvető állandója, a Planck állandó és v a részecske sebessége. A bombázó részecske hullámtulajdonsága azt jelenti, hogy a nagyszámú részecskével való bombázás után a vizsgált tárgy mögött az ernyőn becsapódó részecskék száma által kirajzolt ábra ugyanolyan elhajlási képet alkot, mint amilyet az adott tárgyra eső, a bombázó részecske hullámhosszával azonos hullámhosszú fénnyel kaphatnánk. A képlet szerint a nagyobb tömegű részecskék hullámhossza kisebb, ezért minél nagyobb tömegű valami, a hullámtulajdonságai annál kevésbé jelentkeznek. Hullámszerű viselkedést csak a legkisebb tömegű részecskéktől, például az elektronoktól várhatunk.

A nagyon kis, atommagot és annál kisebb méreteket lefényképezni képes fény előállítása nagyon kis hullámhosszú, azaz nagyon nagy energiájú eletromágneses sugárzás létrehozását jelentene, ami igen nehéz feladat. Ennél könnyebb a megfelelő hullámhosszú, azaz a hullámhossz képlete szerint nagy sebességű, azaz nagy energiájú részecskék előállítása. Ezeket a részecskenyalábokat gyorsítókban hozzák létre. Az egyre nagyobb energiájú gyorsítókkal egyre kisebb hullámhosszú részecskéket kaphatunk, így a vizsgálandó objektumokról egyre jobb felbontású felvételeket tudunk készíteni. Az, hogy egy részecske pontszerűnek tekinthető, azt jelenti, hogy a világ legnagyobb energiájú gyorsítójának nyalábját használva is azt kapjuk, hogy a részecskének nem látszik a mérete, azaz biztosan jóval kisebb, mint amekkorát a gyorsítóval még észlelni lehet, 'meg lehet látni'.

Interferencia - a kétréses kísérlet:

Az elektron vagy más részecske hullámszerű viselkedését nemcsak az akadályon való elhajlás jelensége mutatja, hanem az interferenciára való képesség is. Képzeljük el, hogy egy elektronnyalábot lövünk egy ernyőre, melyen két vékony párhuzamos kis rés található. Tegyünk az ernyő mögé egy lemezt, melyen a becsapódó elektron egy foltot hagy. Ha egy idő után megnézzük, milyen kép keletkezett a lemezen az elektronnyalábbal való bombázás után, a következőt látjuk. A két résen átjutó elektronnyaláb a lemezen pontosan olyan képet hoz létre, mintha egy fényforrással világítottuk volna meg a két rést tartalmazó ernyőt. Akár az áthaladó fény, az elektronnyaláb is interferenciaképet hoz létre. Tehát az elektronok tényleg hullámként viselkednek, a lemezen megjelenő kép a két résen áthaladó hullám interferenciájaként jelenik meg, akárcsak a fénysugárral végzett kísérlet esetén. Ez alátámasztja deBroglie elképzelését, miszerint egy részecske is viselkedhet hullámként.

Ha fényérzékeny lemez helyett elektronokat számláló apróbb csövek sokaságát helyezünk oda érzékelőként, akkor is ugyanezt a képet kapjuk, csak a feketedések helyett a becsapódások sűrűsödései rajzolják ki a hullámszerű viselkedést mutató interferenciaképet.

Tegyük fel, hogy csökkentjük az elektronnyaláb erősségét. Ugyanannyi elektront lövünk rá a két rést tartalmazó ernyőre, de mivel az elektronnyalábban másodpercenként kevesebb elektron repül, hosszabb ideig tart a kísérlet. Az ernyő mögötti elektroneloszlás képe ezzel nem változik meg. Az interferenciakép akkor is ugyanaz marad, ha annyira lecsökkentjük az elektronnyaláb erősségét, hogy egyszerre csak egy elektron haladhat át az ernyő résein keresztül.

Tehát a megfigyelt jelenség csak azzal magyarázható, hogy az elektron úgy kerül az ernyő mögé, mintha hullámként jutna át a két résen. Ez felfoghatatlan, mivel az elektron pontszerű, ezért vagy az egyik, vagy a másik résen kell átmennie. Ha viszont bármilyen módon meghatározzuk, melyik résen ment át az elektron, az ernyő mögött észlelt kép más lesz. Akkor olyan eredményt kapunk, mintha az elektron részecskeként, golyóként ment volna át. Az ernyő mögötti eloszlás ekkor nem mutatja a hullámokat jellemző interferenciaképet, a két résen átjövő két eloszlás egyszerű összege lesz.

A tankönyvekben eddig erre az a magyarázat szerepelt, hogyha meghatározzuk, melyik résen halad át az elektron, feltétlen befolyásoljuk az elektron viselkedését, mert a mérés közben valamennyi lendületet adunk neki. Az interferenciakép eltűnését így a mérés okozta zavarnak tulajdonították és a mérés által okozott lendületváltozás nagyságrendjét a helyre és lendületre felírt határozatlansági összefüggésből származtatták. Ez a magyarázat hamis. Egy nemrég végzett mérésben olyan finom módszert alkalmaztak a résen áthaladó elektronok áthaladási helyének meghatározására, hogy az áthaladó elektronok lendületét alig befolyásolták. Az interferencia kép most is eltűnt, de nem azért, mert nagy volt a közölt lendület, hanem egyedül csak azért, mert meghatározták, hol mentek át az egyes elektronok.

Hullámcsomag:

Ha hullámként viselkedik valami, akkor joggal merül fel a kérdés, milyen is a mérete. A hullámcsomag kifejezésben a "csomag" éppen arra utal, hogy a méretek végesek.

A hullámok összegzésének matematikai tulajdonságait vizsgálva a következő derül ki. Egy adott frekvenciájú hullám végtelen kiterjedésű, azaz a térben mindenütt jelen van, úgy, mint a szinuszhullám. Lehetséges azonban véges méretű hullámvonulatot előállítani, ha különböző frenvenciájú hullámokat megfelelő módon keverünk össze. Ekkor a hullámok, kivéve egy adott térrészt, mindenütt másutt a térben kioltják egymást. Minél jobban kiszélesedik a keveréshez felhasznált frekvenciasáv, annál kisebb méretű lehet a hullámcsomag. Fordítva, minél élesebb frekvenciájú a hullámvonulat, a hullámcsomag annál kiterjedtebb.

Egy gerjesztett atom által kibocsátott fényhullám is véges méretű, mert a kisugárzott hullámvonulat véges hosszúságú, azaz egy, a térben mozgó "csomagként" terjed. Ez azzal jár együtt, hogy a kisugárzott fény frekvenciája nem pontosan meghatározott értékű, hanem sávvá szélesedett. Ha a foton kisugárzása egy t időtartamon belül történt, akkor kb. ekkora a kisugárzási idejének a bizonytalansága is. Ezalatt a foton kb. ct utat tehet meg, ahol c a fény sebessége, ez a hullámcsomag hozzávetőleges hossza. A t ideig tartó kisugárzás, megmutatható, azt jelenti, hogy a kisugárzott fény f frekvenciájának bizonytalansága \delta f = 1/t. A frekvencia bizonytalansága egyúttal megadja azt is, mekkora a foton p=hf/c lendületének a bizonytalansága, ahol h a Planck állandó. A hullámcsomag hosszát és lendületének bizonytalanságát ha összeszorozzuk, eredményként épp a Planck állandót kapjuk.

Határozatlansági összefüggés:

A kvantummechanikai leírás fontos jellemzője a határozatlansági összefüggések léte. A hullámcsomag hosszára és frekvenciájának bizonytalanságára most levezetett összefüggés a fotonra felírt határozatlansági összefüggésnek felel meg. Mivel a részecskéknek is van hullámtermészete, határozatlansági összefüggések rájuk is érvényesek. Például az atomban lévő elektronnak nem ismerhető meg egyszerre pontosan a helye és a lendülete, ezért nem lehet az elektronnak az atomban pályája sem. Az elektron helyét ugyan tetszőleges pontossággal megismerhetjük, de akkor nem tudhatjuk, mekkora az elektron lendülete. Hasonlóan, az elektron lendületét ugyan tetszőleges pontossággal megismerhetjük, de akkor nem tudhatjuk, hol van az elektron. Ha egyszerre határozzuk meg a helyet és a lendületet, akkor a két mennyiség pontatlanságának szorzata meg kell hogy haladja a h Planck állandó nagyságát.

Nem csak a helyre és a lendületre, hanem más fizikai mennyiségek párjaira is léteznek határozatlansági összefüggések. A számunkra a későbbiekre tekintettel a legfontosabb a folyamat időtartamára és energiabizonytalanságára vonatkozó határozatlansági összefüggés. A fotonra a fenti összefüggéseket felhasználva megmutatható, hogy a foton kibocsátási idejének és a foton energiabizonytalanságának a szorzata éppen a h Planck állandó. Hasonlóan kapható, hogy bármely folyamat élettartamának és energiabizonytalanságának a szorzata nem lehet kisebb, mint a h Planck állandó.

Virtuális részecskék:

Az állapot energiabizonytalanságára és élettartamára vonatkozó kapcsolat szokatlan jelenségeket is megenged. Eszerint a határozatlansági összefüggés szerint még az energiamegmaradás is megsérülhet, igaz, csak nagyon kis időre. Minél nagyobb mértékű a sérülés, annál rövidebb ideig tarthat.

Egészen megdöbbentő az, hogy az energiamegmaradás sérülése úgy is megtörténhet, hogy a teljesen üresnek vélt térből részecskék is előbukkanhatnak. Ez egyrészt azzal sérti az energiamegmaradás tételét, hogy a részecskéknek tömege is lehet, és az E=mc^2 összefüggés értelmében az energiatétel legalább ekkora mértékben sérül. Továbbá a semmiből kipattant részecskének még lehet mozgási energiája is, ennek mértéke is növeli az energiamegmaradási tétel sérülését. A fenti határozatlansági összefüggés értelmében minél nagyobb a kipattanó részecske tömege, annál rövidebb ideig létezhet.

Ezeket a térből spontánul kipattanó részecskéket virtuális részecskéknek nevzik. Azért hívják őket virtuálisnak, mert a létük közvetlen méréssel nem mutatható ki. A virtuális részecske elnevezésében a virtuális szó megtévesztő lehet. Ezek a virtuális részecskék a megengedett rendkívül rövid időn belül tényleg léteznek, ha a virtuális részecske maga nem is észlelhető, hatásuk kimutatható. Virtuális részecskék mindenütt, mindenhol állandóan keletkeznek és aztán eltűnnek. Létezésük, állandó keletkezésük és eltűnésük miatt az üres teret, a vákuumot nem tekinthetjük többé igazán üres térnek.

Schrödinger egyenlet:

A kvantummechanika alapegyenlete a Schrödinger egyenlet. Az egyenlet a rendszer hullámszerű viselkedését jellemző ún. hullámfüggvény időbeli fejlődését szabja meg. Például a hidrogénatomban lévő elektront az elektron hullámfüggvényének segítségével írjuk le. A hullámfüggvény a rendszer állapotának jellemzője, segítségével a rendszer tulajdonságai közül mindent ki tudunk számolni, amit csak lehetséges. Maga a hullámfüggvény azonban nem feleltethető meg fizikai mennyiségnek, nem köthető közvetlenül mérhető adatokhoz. Ha egy adott fizikai mennyiség értékére vagyunk kiváncsiak, a hullámfüggvény segítségével csak azt tudjuk megmondani, hogy mik lesznek a lehetséges értékek, és melyik értékre milyen valószínűséggel számíthatunk. Méréskor tehát az adott fizikai mennyiségre akár különböző értékeket is kaphatunk. Nem tudhatjuk előre, mikor éppen melyiket, csak az egyes értékek mérésének valószínűségét határozhatjuk meg.

Ha egy molekula vagy atom állapotáról az adott pillanatban mindent tudok, amit tudhatok, akkor sem tudom megmondani, pontosan milyen mennyiségekkel jellemzett állapotban lesz a következő pillanatban. Ha a molekula például gerjesztett állapotban van, nem tudom bizonnyal megmondani, mikor fog elbomlani, melyik állapotba került a bomlás után. A Schrödinger egyenletből csak a gerjesztett állapot élettartamát vagy az ennek megfelelő, a határoztalansági összefüggés által megszabott energiabizonytalanságát számolhatjuk ki.

Alagúthatás - áthaladás a falon:

Képzeljük el a következő esetet. Egy vulkanikus csúcson, a kráterben van egy golyó. A hegy lábához képest hatalmas nagy helyzeti energiája van. Ha valahogy kijutna a kráterből, a hegy lábáig gurulva igen nagy sebességre gyorsulhatna fel. A klasszikus mechanika szerint a golyó a kráterből magától semmiképpen sem juthat ki. A mikrovilágban azonban van esély arra, hogy a részecske kiszabaduljon.

Vizsgáljuk meg a radioaktív alfa bomlás esetét. Ekkor az atommag egy alfa részecske bomlásával alakul másik atommaggá, az alfa részecske egy hélium atommagnak felel meg. Az alfa részecske helyzete a bomlás előtt a kráterbe záródott golyó állapotához hasonló, az atommag belsejéből a perem felé tartó alfa részecskét taszító erő űzi vissza az atommag belsejébe. Az atommagban lévő alfa részecske, bár volna elég pozitív energiája, csak akkor juthat ki az atommagból, ha átjut a gáton.

Az alfa bomlást az alfa részecske hullámtermészete teszi lehetővé. Ha az alfa részecske csak egy golyó lenne, akkor belülről a falhoz jutva lepattanna a falról és állandóan ide-oda pattogva maradna a bezárt helyen. De az alfa részecskének van hullámtermészete is. A hullám, egy felülethez érve, nemcsak egyszerűen visszaverődik, hanem egy része behatol a közegbe. Így viselkedik a fény is, egyrészt visszaverődik a felületről, kisebb része viszont behatol a felület anyagába. Ha ez a közeg vékony, a fény egy része áthatolhat rajta.

A vékony tükrön átjutó fényhullámhoz hasonlóan, az alfa részecske is átjuthat a gát falán, az alfa bomlás megtörténhet. Minél magasabb, szélesebb ez a gát, a bomlás valószínűsége annál kisebb. Az ilyen bomlást a kvantummechanikában alagúthatásnak nevezik. Az 238U atommagjának bomlásának felezési ideje 4,51 milliárd év, átlagosan ennyi időbe kerül, míg egy alfa részecskének sikerül átjutni a gát falán.

Mérés - a Schrödinger macskája paradoxon:

A kvantummechanika az alfa bomlás leírását is, mint mindent, a hullámfüggvény segítségével végzi el. Az alfa részecske helyét a hullámfüggvény nem tudja pontosan megadni. A részecske helye a hullámfüggvény adott helyen felvett értékének a négyzetével arányos. Tehát az alfa részecske nagy valószínűséggel ott van, ahol a hullámfüggvény értéke a legnagyobb.

Ahogy tárgyaltuk, a Schrödinger egyenlet a hullámfüggvény időbeli változását írja le. Az alagúteffektus leírása a következőt jelenti. Az alfa részecske állapotát leíró hullámfüggvény az idő során egyre jobban 'belefúródik' az atommag felületébe, így a hullámfüggvény egyre nagyobb hányada 'lóg ki' az atommagból. A hullámfüggvény az atommagba zárt részből és a távozó alfa részecskét leíró hullámcsomag együtteséből áll. Ahogy telik az idő, az atommagba zárt rész hányada csökken, a távozó hullámcsomag részaránya egyre nő. Ezért az idővel egyre nagyobb annak a valószínűsége, hogy az alfa részecske átjutott a gát alatt. A hullámfüggvény azonban nem mondhatja meg, pont mikor történik a bomlás.

Einsteint ez a leírás kifejezetten zavarta. Azt állította, a kvantummechanikai leírás nem teljes, mert nem tudja megmondani, hogy ténylegesen mikor bomlik el az atommag, azaz mikor repül ki az alfa részecske. Ha az alfa részecske egyszer átjutott a gát alatt, akkor az őt leíró hullámcsomag gyorsan el is hagyja a mag környezetét. A hullámfüggvényes jellemzés szerint - mivel a bomlás pontos idejét nem tudhatom - viszont az alfa részecske egyszerre lehet 'bent és kint', azaz a kvantummechanikai állapot a 'bent és kint' egyszerre létezése, idegen kifejezéssel szuperpoziciója. Csak a tényleges megfigyelés, a mérés során tudjuk eldönteni, hogy kint van-e az alfa részecske, vagy még nem történt meg a bomlás.

Schrödinger, akit a hullámfüggvény fenti értelmezése szintén zavart, a kérdést a végsőkig élezte. Felismerve azt, hogy az alfa részecske kijutása a magból magát a makroszkopikus világot is erősen befolyásolhatja, a következő gondolatkísérletet fogalmazta meg. Legyen a kvantummechanikai rendszer egy, a külvilágtól elzárt dobozba rakva. Legyen ott az alfa bomló atommag, a kirepülő alfa részecskét észlelni képes számlálócső, egy kalapács, egy fiolányi mérgesgáz meg egy macska. Ha az atommag elbomlik, az alfa részecske megszólaltatja a számlálót, a számláló jelének hatására a kalapács a fiolára zuhan, széttöri azt és a kiáramló mérgesgáz elpusztítja a macskát. Legyen az alfa bomlás bomlás felezési ideje egy óra, ennyi idő után nyithatjuk ki rendszert, nézhetjük meg, megtörtént-e a bomlás. Mit mond az egészről a hullámfüggvény? Amíg meg nem néztük a macskát, ez felel meg az állapoton végzett megfigyelésnek, mérésnek, a kvantummechanikai állapot az élő macska és elpusztult macska egyszerre létezése, szuperpoziciója. Csak akkor tudhatjuk meg, hogy mi van, ha megnézzük, él-e még a macska, ekkor nyilván csak az egyik lehetőség észlelhető. Amíg azonban meg nem nézzük, nem végzünk mérést, addig a szuperpozició, a 'kombinált lét' létezik, számtalan más kísérlet, persze nem a macskával, mind ezt igazolta, igazolja.

Ez az értelmezés paradoxonra vezet, a macska léte nem lehet egy élő és elpusztult macska szuperpoziciója. Az, hogy pontosan hol sántít a gondolatmenet, a mai napig nem világos.

Nemlokalitás - az Einstein-Rosen-Podolsky paradoxon:

Einstein talán leghíresebb gondolatkísérlete a kvantummechanika tökéletlenségének bizonyítására a határozatlansági összefüggések paradox voltát igyekezett beláttatni. Mint tárgyaltuk, egy részecskének nem lehet egyszerre pontosan meghatározott helye és lendülete.

A részecske helyét vagy lendületét nem csak úgy mérhetjük meg, hogy magának a részecskének mérjük a helyét és a lendületét. Gondoljuk el, a két részecske együtt, nyugalomban van. Belső kölcsönhatás eredményeként a két részecske szétrepül. Kezdetben az összes lendület nulla és a tömegközéppont is nyugszik, a lendületre és a tömegközéppontra vonatkozó megmaradási tételek természetesen a kvantummechanikában is érvényesek. Ha mérjük az egyik kirepülő részecske lendületét, akkor a lendületmegmaradási tétel értelmében tudjuk a másik részecske lendületét is. Ha mérjük az egyik kirepülő részecske helyzetét, meghatározhatjuk ebből a másik részecske helyzetét is.

Einstein, Rosen és Podolsky a következő gondolatkísérletet írták le. Végezzünk mérést egymástól függetlenül mind a két részecskén, akkor, amikor már jó nagy távolságra repültek el egymástól, ebben az esetben semmiféle kölcsönhatás ne lehet közöttük. Az egyiknek mérjük meg nagy pontossággal a lendületét, a másiknak ugyanakkor nagy pontossággal a helyzetét, ezt a lehetőséget a kvantummechanika megengedi. A két mérést együtt kiértékelve pontosan meg tudjuk határozni az egyes részecskék helyét és lendületét, ami a kvantummechanika szerint lehetetlen. Ez paradoxon, ami arra utal, a kvantummechanika tökéletlen. Ha mégis a kvantummechanika bizonyul igaznak, akkor az azt jelenti, hogy a két részecske között létezik valamiféle helyhez nem kötött távolbahatás, bármilyen távolságot átfogó végtelen gyorsan megjelenő kapcsolat, ún. nemlokális hatás.

Akkoriban, a harmincas években még nem tudták a megfelelő méréseket elvégezni. Később, hasonló jellegű, fotonokkal végzett kísérletekre Bell írt fel összefüggéseket. Ha a Bell-egyenlőtlenségek teljesülnek, Einsteinnek van igaza, ha nem teljesülnek, akkor a kvantummechanika ad helyes leírást. Az azóta végzett kísérletek mind a kvantummechanikát igazolják. Ez azt jelenti, kvantummechanikai hatások nemcsak atomi méretekben, a mikrovilágban, hanem nagy, akár méteres távolságokon is érvényesülhetnek. Ha két részecske valamikor egymástól mikroszkopikus távolságra volt, hiába távolodtak el egymástól, a kvantummechanikai hatás valamilyen része megmarad. A nemlokalitás szerint így valami, ha változik, akkor ez a változás azonnal, időtlenül, másutt is, akár kilométeres távolságokban is megnyilvánul. A manapság kifejlesztett kvantum kriptográfiai, magyarul titkosítási módszerek ezen az elven alapulnak.

Elvileg a teljes megfigyelhető világegyetem egy oszthatatlan rendszert képez, mert valaha az egész együtt egy mikroszkopikus, kvantummechanikai rendszert alkotott, ezzel később foglalkozni fogunk. Azt, hogy ez az 'összekötözöttség' ténylegesen mit jelent, nem sokat tudunk, egyelőre csak próbálkozások vannak arra, milyen módon lehetne ezt a jelenséget gyakorlati célokra is felhasználni. Továbbá fontos kérdés, van-e a nemlokalitásnak kimutatható hatása az univerzumra vagy annak egyes részeire. Az elemi részecskék és az alapvető kölcsönhatások

A fizikai világot sok-sok egymástól különböző tárgy népesíti be. A sokféleség azonban néhány alapvető részecske különböző módokon való összekapcsolódásával magyarázható. A modern fizika egyik kulcskérdése az, hogy miket is tarthatunk elemi részeknek. Elemi részen a tovább már nem osztható részecskéket értjük. Az elemi részeknek nincs belső szerkezetük, bármilyen, eddig elvégzett kísérletben pontszerűen viselkednek.

Bár az elemi részeket kiterjedés nélkülinek tekintjük, mégis lehet saját perdületük, amit spinnek neveznek. Egy részecske spinje a kvantummechanika szabályai szerint a megfelelő egységben feles vagy egész értékű lehet. A feles spinű részecskéket fermionoknak, az egész spinűeket bozonoknak nevezik. A Pauli-elv, miszerint egy adott pályán egyszerre csak egy elektron lehet, a fermionok alapvető sajátságát fogalmazza meg. A Pauli-elv valamennyi fermionra igaz, tehát egy adott kvantummechanikai állapotban egyszerrre csak egy fermion lehet. Vannak olyan részecskék, amelyek spinje egész, ezeket bozonoknak nevezik. A bozonokra nem igaz a Pauli-elv, egy adott állapotban egyszerre akárhány is lehet.

Az elemi részecskék csoportjai

Az anyag építőkövei:

Az atom egyik alkotórésze, az elektron elemi részecskének tekinthető, szerkezet nélküli, pontszerű. Az atommagokat más atommagokkal bombázva felfedezték, hogy az atommag pozitív töltésű protonokból és a körülbelül ugyanolyan tömegű, elektromosan semleges neutronokból áll. A protonokról és neutronokról azonban kiderült, hogy nem tekinthetők elemi részecskéknek. A kísérleti eredmények elemzéséből az adódott, hogy véges térbeli kiterjedéssel rendelkeznek és más olyan tulajdonságaik is vannak, amik összetettségre, szerkezetre utalnak.

A protonok és neutronok belsejét, akárcsak az atom szerkezetét, ütköztetésekkel sikerült feltárni. Amikor protonokat nagyon nagy energiájú, azaz nagyon kis hullámhosszú elektronokkal 'fényképezték', az elhajlási képet csak úgy lehetett értelmezni, ha feltételezték, hogy a proton pontszerűnek vehető, elektromosan töltött részecskékből áll. Ezeket kvarkoknak nevezik, a proton és neutron egyaránt három darab kvarkból áll. A kvark töltésének nagysága tört számmal adható meg, az u kvark töltése a proton töltésének 2/3 része a d kvark töltése -1/3 proton töltés. A protont két u és egy d, a neutront két d és egy u kvark alkotja. Meg kell jegyeznünk, hogy a kvarkok szabadon nem fordulhatnak elő. Ezt a tapasztalati tényt a kvarkok egymás közötti kölcsönhatását vizsgálva lehet megérteni.

A hetvenes évekre elfogadottá vált, hogy csak kétféle, az anyag építőkövének vehető elemi részecske létezik, a lepton és a kvark. A leptonok közé az elektron mellett még a neutrinó tartozik, de vannak nehezebb leptonok is. A neutrinót az atommag béta bomlásában fedezték fel. Emlékeztetőül annyit, hogy a béta bomlás során az atommag töltése eggyel változik, miközben a tömegszám változatlan marad. Azaz az atommag egy protonja neutronná, vagy egy neutronja protonná alakul át. Az ilyen folyamatokban keletkező neutrinó tömeg és töltés nélküli, fénysebességgel mozgó részecske. Rendkívül nehéz észrevenni, mert az anyaggal csak nagyon ritkán hat kölcsön. Egy köbcentiméterben minden pillanatban többszáz neutrinó van jelen, de túlnyomó többségük észrevétlenül megy át az anyagon. A legújabb mérések szerint a neutrinónak is van tömege, igaz az nagyon kicsi, az elektron tömegének milliomod része.

A világegyetem anyagának túlnyomó része elektronból, az ún. elektron-neutrinókból, u és d kvarkokból, illetve a belőlük felépülő protonok és neutronok alkotta atommagokból áll. A fenti négy részecske egy részecskecsaládhoz sorolható és ehhez hasonló két további részecskecsalád is létezik. Hogy miért nem csak egy, hanem három ilyen család létezik, nem ismert. A második családhoz a teljesen elektronszerűen viselkedő, de annál több mint kétszázszor nehezebb és bomlékony müon, a müon-neutrinó, az s kvark és c kvark tartoznak. A harmadik család tagjai az elektronhoz és müonhoz hasonló de azoknál jóval nehezebb és bomlékony tauon, a tau-neutrinó valamint a b és t kvarkok. A t-vel jelölt, úgynevezett top kvark felfedezését 1994-ben jelentették be.

A kölcsönhatások hordozói:

Az anyagot felépítő kvarkokon és leptonokon kívül elemi rész még a foton és néhány, hozzá hasonló, ám tömeggel is rendelkező részecske, amelyek a kölcsönhatások létesítésében játszanak alapvető szerepet. A foton és társai bozonok, a spinjük egységnyi. A fotont az alapvető részek között ható elektromágneses erőtér közvetítőjeként, az elektromágneses erőtér alapegységeként, kvantumaként értelmezzük.

Skalár részecskék:

Az elemi részek harmadik csoportjába az ún. skalár részecskék tartoznak, ezeknek a spinje nulla, tehát bozonok. Ilyen részecskéket még nem figyeltek meg, de feltételezik, hogy létezniük kell. Jelentőségükkel később foglalkozunk.

Antirészecskék:

A legtöbb részecskének, például azoknak is, amelyeknek van elektromos töltése, létezhet antirészecskéje is. Az antirészecske tömege megegyezik a megfelelő részecske tömegével, más tulajdonságai is ugyanolyanok, mint a részecskének, csak éppen az elektromos töltése és más, hasonló jellemzője ellentétes előjelű. Az elektron antirészecskéje a pozitron, a kvark antirészecskéje az antikvark, a protoné az antiproton, a neutroné az antineutron. Bár a neutron és antineutron elektromos töltése egyaránt nulla, mégis különböznek, mert a neutron kvarkokból, az antineutron antikvarkokból áll.

A részecske és a neki megfelelő antirészecske ha egymással találkoznak, megsemmisülnek. A tömegüknek megfelelő energia sugárzás formájában távozik. Például ha egy elektron és egy pozitron összetalálkozik, mindketten eltűnnek és a tömegüknek megfelelő energiát két akkor keletkező foton viszi magával.

Az, hogy a részecskék és az antirészecskék megsemmisülhetnek, azt jelenti, hogy nem lehet őket örökéletűnek tartani. Továbbá nem lehet anyagmegmaradásról sem beszélni, hiszen például az elektron és pozitron megsemmisülésekor tömegek vesznek el. Mielőtt Einstein az E=mc^2 összefüggést felfedezte, úgy gondolták, létezik az egymástól független energiamegmaradási és anyagmegmaradási törvény. A speciális relativitás elmélete kimondja, hogy csak egyetlen megmaradási törvény létezik. Az energia jóval alapvetőbb mennyiségnek tűnik, mint a tömeg, ezért csak az energiamegmaradásról beszélhetünk. Ez viszont magába foglalja az E=mc^2 összefüggésnek megfelelően a tömegeket is.

Barionok és mezonok:

Mint már említettük, a kvarkok szabadon nem fordulhatnak elő, csak részecskék belsejében. Erre két lehetőségük van. Egyrészt hármassával bezárva, a protonok, a neutronok és más, hozzájuk hasonló, náluk nehezebb részecskék, az ún. barionok alkotórészeiként fordulnak elő. A másik lehetőség a két összetevőből, a kvarkból és antikvarkból álló mezonokba való bezáródás. A protonnál nehezebb barionok és a mezonok bomlékonyak. Csak nagyon nagy energiájú ütközésekben keletkezhetnek és a keletkezés után gyorsan elbomlanak. Maga a neutron is bomlékony, átlagos életideje kb. 15 perc. Az s, c, t és b betűkkel jelzett kvarkok csak a barionok és mezonok alkotórészeiként észlelhetők. Amint a müon és tauon is, a mezonok és a nehezebb barionok is csak nagyenergiájú kozmikus sugarakban vagy a nagyon nagy energiájú gyorsítókban keltve figyelhetők meg.

Az alapvető kölcsönhatások

Az elemi részek tulajdonságait csak kölcsönhatásaik ismeretében tárgyalhatjuk. A természetben előforduló bonyolult, sokszínű folyamatok igencsak kifinomult kölcsönhatási módokról árulkodnak. Kiderült, hogy a világ jelenségeinek elképesztő gazdagsága végül is csupán néhány, valóban alapvetőnek tekinthető erő működésére vezethető vissza.

Eddigi ismereteink szerint négy alapvető kölcsönhatás létezik: gravitációs kölcsönhatás, elektromágneses kölcsönhatás, gyenge kölcsönhatás és erős kölcsönhatás. A gravitációs kölcsönhatást Newton fedezte fel, az általános tömegvonzás törvényének felel meg. Az elektromágneses kölcsönhatás legismertebb formái a két elektromosan töltött test között fellépő Coulomb erő és a mágnesek között ható erők. Mind a gravitációs, mind az elektromágneses erők nagyobb távolságokon hatnak. Ez a tömegvonzás esetén nyilvánvaló, minden tömeg vonz minden más tömeget. A gravitáció a kozmikus méreteket uraló kölcsönhatás.

A gravitációs és Coulomb erőknek a kölcsönható részecskék távolságától való függése ugyanaz, az r távolságtól az 1/r^2 törvény szerint függ. Ha összehasonlítjuk a két proton között fellépő Coulomb és tömegvonzási erők nagyságát, azt kapjuk, hogy a Coulomb erő 37 nagyságrenddel erősebb. A természetben az anyagok általában elektromosan semlegesek, mert azonos mennyiségű pozitív és negatív töltést tartalmaznak. A Coulomb erő gyakorlatilag az atomok és molekulák belsejébe van zárva, mert az atommagok pozitív és az elektronok negatív töltése leárnyékolják egymást. Ezért nagyobb távolságokat tekintve csak a tömegvonzás játszik meghatározó szerepet.

A gyenge és erős kölcsönhatások csak az atommagok illetve annál kisebb méretű rendszerek viselkedését határozzák meg. Az erős kölcsönhatás a kvarkok között ható erőnek felel meg. A nukleonok, azaz a protonok és neutronok között ható erők is az erős kölcsönhatás megnyilvánulásai, ezek az erők tartják össze az atommagot. Az atommagban uralkodó erők hatótávolsága nagyon kicsiny, nem haladja meg az atommag sugarát. A gyenge kölcsönhatás működésére szintén az atommagban zajló folyamatok utalnak. A gyenge kölcsönhatás, melynek hatótávolsága szintén nagyon rövid, felelős az atommag béta bomlási folyamataiért.

Van der Waals erők:

A köznapi életben észlelt kölcsönhatások szinte valamennyien az alapvetőnek vett gravitációs és elektromágneses kölcsönhatásokra vezethetők vissza. A bonyolultabb, atomok és molekulák közötti kölcsönhatásokat az alapvető erőnek tekinthető Coulomb erő segítségével származtathatjuk. Nézzük meg két egymástól távolabb eső semleges atom, mondjuk hidrogénatom viselkedését. Mivel mindketten elektromosan semlegesek, a proton és elektron össztöltése nulla, a két atom között ható erők nagyobb távolságokon elhanyagolhatóak, mivel a taszítások és vonzások leárnyékolják egymást. Ha a két atom egymás közelében van, az egyik atom elektronja már érezhetően más távolságra kerülhet a másik atom elektronjától, mint annak protonjától. A közelség eredményeképpen, minthogy a két atom alkotórészei kölcsönösen érzékelik a másik szerkezetét, egy gyenge, vonzó erő lép fel, ami a két atomot molekulává forrasztja össze.

Az ilyen típusú, úgynevezett Van der Waals erők szerepet játszanak az atomi és molekuláris kötések, kölcsönhatások alakításában. Rövid hatótávú, vonzó erők, amelyeket az eredeti Coulomb kölcsönhatásokból származtathatunk le. Ilyen, másodlagosnak nevezhető, származtatott erőket más alapvető erőből is származtathatunk.

Az erők eredete és a belső szimmetriák:

A korábban tárgyalt egyszerű, tér-időbeli szimmetriákon kívül bonyolultabb, úgynevezett belső szimmetriák is léteznek. Ezeknek eredete nem világos. Továbbá azt sem tudjuk, mi annak az oka, hogy az alapegyenletek éppen azokkal a belső szimmetriákkal szemben invariánsak.

Vegyük példának a szabad elektronok viselkedését leíró Dirac egyenletet, amely a kvantummechanika Schrödinger egyenletének relativisztikus változata. Követeljük meg, hogy a Dirac-egyenlet alakja maradjon ugyanaz, más szóval a Dirac-egyenlet legyen invariáns, ha egy bizonyos belső szimmetriának megfelelő átalakítást végzünk a Dirac-egyenletben szereplő hullámfüggvényen. Kiderül, hogy ez az invariancia csak akkor állhat fenn, ha léteznek a fotonok, amelyeknek viselkedését pontosan a Maxwell egyenletek írják le. Tehát a teljes elektrodinamika, a Coulomb kölcsönhatás alakja azzal kapcsolatos, hogy a Dirac-egyenlet invariáns marad, ha egy bizonyos szimmetriaműveletet végzünk rajta!

Érezhetjük, a szimmetriák léte mennyire hatékony módszert ad a kezünkbe, mikre tehet képessé bennünket. A gyenge és erős kölcsönhatás eredetét, és az ún. a nagy egyesített elmélet megfogalmazását is szimmetriaelvekre vezethetjük vissza. Hangsúlyozni kell azért, nem tudjuk, miért pont ezek a belső szimmetriák a fontosak. Nem a legegyszerűbbek, még vannak hozzájuk hasonló szimmetriák bőséggel, amelyek közömbösek a természet leírása szempontjából. Továbbá meg kell mondani azt is, hogy a szimmetriák, bár rögzítik az egyenletek, erőtörvények alakját, nem mondanak semmit arról, miért éppen akkorák az elemi részek tömegei, a kölcsönhatások erősségei, mint amilyenek. Távol vagyunk attól, hogy tökéletes, befejezett, végső elméletről beszéljünk.

Kvantumtérelméletek:

A kölcsönhatásokat a nagyobb méretek világában erők, erőterek létével magyarázzuk. Az elektromosan töltött részecskék közötti erőket például az elektromos erőtérrel írjuk le. Hasonlóképpen beszélhetünk például mágneses, gravitációs erőtér létezéséről. Ha a kölcsönható részecskék csak nagyon rövid ideig vannak egymás közelében, azaz nagyon gyorsan mozognak egymáshoz képest, akkor az erőtérrel való leírás nem kielégítő. A kölcsönhatási folyamatokat csak a kvantumtérelmélet tudja pontosan megfogalmazni.

Ha két részecske, mondjuk két elektron rugalmasan összeütközik, mindkét elektronnak megváltozik a sebessége. Ezt a folyamatot a kvantumtérelmélet úgy írja le, hogy a két elektron közvetítő részecske segítségével kerül kölcsönhatásba egymással. Az egyik elektron energiát ad át egy közvetítő részecskének és az az energiát a másik elektronhoz továbbítja. Ha a két elektron mozgása egymáshoz képest nagyon gyors, akkor elég, ha csak egyetlen közvetítő részecske cseréjét vesszük tekintetbe. Ha a mozgás lassabb, számításba kell vennünk a két közvetítő részecskés folyamatokat is. Még lassabb ütközéseknél még több közvetítő részecske létét kell figyelembe venni. Az ilyen számítások az elektromágneses tér kvantumtérelméletének tárgyai, az elektromágneses jelenségek kvantumtérelmélete a kvantumelektrodinamika.

Ha az ütközés nem túl gyors, akkor a kvantumtérelméleti leírás nagyon jól közelíthető úgy, hogy a közvetítő részecskés leírás helyett az erőtér fogalmát használjuk. Ezzel a közvetítő részecskés leírást megadó kvantumtérelméletet a klasszikus fizikából jól ismert erőteres leírás váltja fel. Az atomok viselkedését is erőtérrel, az atommag és az elektronok között ható Coulomb erőkkel magyarázhatjuk meg. A kvantumelektrodinamikai hatások csak nagyon kis járulékot adnak a hidrogénatom energiaszintjeihez. Ezek a számolt járulékok tíz értékes jegyig egyeznek a kísérleti értékekkel, ez az egyezés az elméleti fizika egyik csúcsteljesítménye.

Az elektromágneses kölcsönhatást közvetítő részecskék természetüket tekintve virtuális részecskék. Ilyenek létéről az állapot élettartamának és energiabizonytalanságának kapcsolatát tárgyaló határozatlansági összefüggést ismertetve már beszéltünk. A két elektron közötti kölcsönhatás közvetítője a virtuális foton. Az általunk jól ismert foton, amit fény formájában látunk, valódi részecske, valódi foton. A virtuális részecske, így a virtuális foton energiája és sebessége között nem teljesül az energia és lendület megmaradási tételek által megkövetelt összefüggés. Amint a virtuális részecske elnyelődik, a megmaradási tételek sérülése megszűnik.

A megmaradási tételek ilyen korlátozott időtartamon belüli megsérülését a kvantummechanika már említett határozatlansági összefüggése, a folyamat időtartama és energiabizonytalansága közötti kapcsolat szabályozza. Ezt tanulmányozva látható, minél kisebb a virtuális részecske tömege, annál nagyobb az általa közvetített erő hatótávja. Ugyanis a nagy tömegű virtuális részecske felbukkanásához nagyobb energia kell, ezért az ilyen virtuális részecskék csak rövidebb ideig létezhetnek. Ezalatt a kis idő alatt rövidebb utat futhatnak be, ezért az általuk közvetített erő is rövid hatótávú.

Ha a közvetítő részecske tömege nulla, az erő végtelen hatótávú. Ekkor a nagyon kis energiájú részecske hosszabb ideig is létezhet. Ezalatt fénysebességgel futva messze is eljuthat. Mivel a foton tömege nulla, az elektromágneses kölcsönhatás hatótávja végtelen.

Virtuális részecske-antirészecske párok:

Töltött részecske, például virtuális elektron önmagában nem keletkezhet. Ekkor ugyanis megsérülne a töltésmegmaradás törvénye, amely semmilyen körülmények között, rövid időre sem sérülhet meg. De antirészecskéjével párban bármilyen virtuális részecske kipattanhat a térből. Az energiamegmaradás tételén kívül ugyanis más tétel ekkor nem sérül meg. Például a virtuális elektron - pozitron, proton - antiproton, stb. párok ezért mindig, mindenütt létezhetnek és befolyásolják az egyébként üresnek tekinthető tér tulajdonságait. A virtuális fotonok tényleges létezését a Casimir effektus meggyőzően bizonyítja.

Casimir effektus:

Képzeljünk el két párhuzamos fémlemezt. Az elektromosságtanból ismert, hogy csak olyan elektromágneses tér létezhet a két fémlemez között, amely eltűnik a lemezeken. A teret előállító hullámoknak ezért nem lehet akármilyen hullámhossza, a lemezeken a hullám amplitudójának nullának kell lennie. Ezért a legnagyobb előforduló hullámhossz a lemezek közötti távolság kétszerese, ekkor éppen egy félhullámhossz van a lemezek között. A többi megengedett hullámhossz ennek a fele, harmada, negyede, stb.

A lemezekre eső fotonok a lemezről visszaverődnek és eközben a lendület megmaradásának értelmében lendületet adnak át a lemeznek, azaz erőt gyakorolnak rá. Az ilyen jelenség jól ismert, a szabadon lebegő tükör az általa visszavert fény hatására elmozdul.

A virtuális fotonok hullámként ugyanúgy viselkednek, mint a tényleges fotonok. A teljesen üres térbe tett két párhuzamos lemez megváltoztatja a térben kipattanó és eltűnő virtuális fotonok viselkedését, ugyanis a két lemez között csak a fent megadott hullámhosszú fotonok szerepelhetnek. A lemezeken kívül lévő térben a virtuális fotonok hullámhosszára nincs hasonló kikötés, ezért a lemezeknek kívülről több virtuális foton ütközik, mint belülről. Az eredmény a lemezeket összefelé nyomó erő fellépte. Ezt az erőt kísérletileg is kimutatták, az értéke pont akkora, amekkorát Casimir, a jelenség felismerője kvantumelektrodinamikai modelljével előre megjósolt.

Az erős kölcsönhatás:

Az erős kölcsönhatás kvantumtérelméletének modelljéül a kvantumelektrodinamika szolgált. Az eredeti, alapvető erők a kvarkok között hatnak. Ennek az erőnek a nagyságát a kvarkoknak az 'erős' töltése, határozza meg. Az erős töltést színtöltésnek szokás nevezni, a kvarkok kölcsönhatásait leíró kvantumtérelmélet a kvantumszíndinamika. A szín kifejezés itt természetesen nem igazi színekre vonatkozik, ennek a jelzőnek a használata csak jelképes.

Hasonlóan a Coulomb erőhöz, a két színtöltés között ható erő a színtöltések szorzatával arányos. A leptonok színtöltése nulla, ilyen erők közöttük nem hatnak. A kvarkok között ható, színesnek nevezett erők sokkal erősebbek, mint az ugyanazon kvarkok között fellépő, elektromos töltésüknek köszönhető Coulomb erő.

Az egyfajta elektromos töltéssel szemben, amin a pozitív töltést és ellentétét, a negatív töltést értjük, háromféle színesnek nevezett töltés létezik. Ezt eredetileg azért tételezték fel, mert fedeztek fel olyan barionokat, amelyek három azonos kvarkkból állnak és mindhárom kvark azonos pályán helyezkedik el. Mivel a kvarkok fermionok, ez tiltott. Ezért tételezték fel, hogy a kvarkoknak kell még valamilyen addig ismeretlen tulajdonságának lenni, amelyben aztán különbözhetnek. Ez a tulajdonság a szín, ezeknek a háromféle értékét önkényesen pirosnak (P), kéknek (K) és zöldnek (Z) nevezték el. Az elnevezés eredete az, hogy a barionokban, így a protonban illetve neutronban három, egymástól különböző színtöltésű kvark fordul elő, úgy, hogy a barion ill. a proton és a neutron teljes színes töltése nulla. Utalva arra, hogy a fénytanban is a három alapszín adja ki a színtelen fényt, nevezték el a színes töltéseket a fentiek szerint.

A kvarkok közötti kölcsönhatás eredete a tömeg nélküli gluonok cseréjével értelmezhető. A gluonok maguk is lehetnek színesek, azaz a kölcsönhatás közben megváltozhat a kvarkok színe is. A két színes kvark között a vonzóerő a távolságuk növekedésével növekszik. A kvark-kvark közötti erő ilyenfajta távolságfüggése durván úgy írható le, mintha a két kvarkot egy rugó tartaná össze. Mennél jobban feszítjük a rugót, annál erősebb a visszahúzó erő. Így a kvark nem szakadhat ki a protonból vagy neutronból, ezért nem láthatjuk szabadon.

Az atommag protonjaira és neutronjaira ható erők, amelyeket magerőknek neveznek, nem tekinthetők alapvető erőknek. A magerők viselkedésükben a semleges atomok között ható Van der Waals erőkhöz hasonlítanak. Csak akkor lépnek működésbe, ha a protonok, neutronok annyira közel van egymáshoz, hogy az összetevő kvarkok jelentősebben érezhetik a másik nukleon kvarkjainak térbeli eloszlását. Ezért a magerők csak származtatott erők, az igazi erős kölcsönhatás a kvarkok között ható, gluonok közvetítette erő.

A gyenge és elektrogyenge kölcsönhatás:

A legismertebb gyenge kölcsönhatás vezérelte folyamat az atommmagok béta bomlása. Ennek során az atommag egy neutronja protonná bomlik, miközben egy elektron és a neutrinónak az antirészecskéje, antineutrinó keletkezik. Hasonlóképpen, az atommag belsejében a proton neutronná alakulhat át, miközben pozitron és neutrinó keletkezik. A béta bomlás során a proton vagy neutron egy kvarkjának egy másik kvarkká alakul át, hiszen a proton és a neutron csak egyetlen kvarkban különböznek. A gyenge kölcsönhatás közvetítő részecskék a W és Z részecskék. A W és Z tömegei igen nagyok, csaknem százszorosai a proton tömegének. Ezért a gyenge kölcsönhatás hatótávja nagyon kicsi.

Alaposabb tanulmányozás után kiderült, hogy az elektromágneses és gyenge folyamatok mechanizmusa igencsak hasonló. Ugyan az erőhatást közvetítő részecskék tömege között nagyon nagy a különbség, de ha a két kölcsönható részecske elég közel van egymáshoz, a kölcsönhatási folyamat milyenségét a közvetítő részecske tömege nem befolyásolja lényegesen. Ha a két kölcsönható részecske kb. 10^-16 centiméternél kisebb távolságra van egymástól, az elektromágneses és gyenge kölcsönhatási folyamatok ugyanúgy módon viselkednek. A foton valamint a gyenge kölcsönhatást közvetítő nagy tömegű részecskék egyforma könnyedséggel keletkeznek és cserélődnek. Ekkor az elektromágneses és gyenge kölcsönhatás helyett elég egyetlen, az ún. elektrogyenge kölcsönhatást tárgyalni. Ez volt akkor a helyzet, amikor az Univerzum mérete még nem haladta meg a fent említett igen kicsiny, 10^-16 centiméteres skálát.

Az elektromágneses és gyenge kölcsönhatás egyesítéséhez az elméleti fizikusok a már említett elemi részeket, a skalár részecskéket használják fel. A skalár részecskéknek, mint ahogy a fotonoknak az elektromágneses tér, terek feleltethetők meg. Ezekhez a terekhez hasonló a mindennapi életben is létezik. Nézzük az elektrosztatikus tereket, a terek potenciálját. Az elektromos tér a potenciákülönbségekből adódik. Ha az egész világegyetem 220 voltos potenciálon lenne, senki sem venné észre a létezését, ez a potenciál egyszerűen az üres teret, a vákuumot jellemezné. Hasonló módon nem vesszük észre a skalár tereket sem.

A skalár terek betöltik a mindenséget és befolyásolják az elemi részek tulajdonságait. Az elektrogyenge kölcsönhatás elméletének skalár részecskéi a Higgs részecskék. Háromféle is kell hogy legyen belőlük, pozitív, negatív és semleges elektromos töltésű változatai vannak. A Higgs részecskék felfedezése hamarosan várható, az már bizonyos, hogy a tömege W és Z részecskék tömegénél is nagyobb. A W és a Z részecskéknek pedig pont azért nagy a tömege, mert kölcsönhatnak a Higgs részecskéknek megfelelő terekkel, a foton azért tömeg nélküli, mert nincs ilyen kölcsönhatásban. A világegyetem fejlődésének legelején valamennyi részecske tömeg nélküli volt és a részecskék, mint az elektron is, a világegyetem tágulásának egy igen kezdeti szakaszában, a skalár terekkel való kölcsönhatásban nyertek tömeget.

A nagy egyesített elméletekről:

A nagy egyesített elméletek kiindulópontja az, hogy az elektrogyenge valamint a kvantumszíndinamikai elméletek szerkezete nagyon hasonló. Lehetséges olyan modellt készíteni, amelyben az elektromágneses, gyenge és erős kölcsönhatási folyamatok egyetlen alapvető kölcsönhatásként tárgyalhatók. Az ilyen elméletek a kvarkokat és a leptonokat is egyetlen részecske különböző változataként fogja fel és egy új jelenséget, a kvark-lepton átmenetek létezését is megjósolja. Két kvark kölcsönhatásának eredményeképpen belőlük egy lepton és egy antikvark keletkezhet. A kölcsönhatás közvetítője az ún. X-részecske, amelynek tömege a proton tömegének kb 10^16-szorosa. A keletkezett antikvark a megmaradt kvarkkal mezonná egyesül, így a folyamat eredményeképpen a proton egy leptonra és egy mezonra bomlik. Ha ez a fajta kölcsönhatás létezik, akkor a proton sem stabil, elbomolhat. Az egyesített elmélet az elektrogyenge egyesítéshez szükséges skalár tér mellett feltételezi két újabb skalár tér létezését is.

Egy ilyen leírás csak rendkívül kicsiny, körülbelül 10^-29 centiméteres méreteken belül érvényes. Azaz akkor alkalmazható, ha a kölcsönható részecskék ilyen vagy ennél kisebb távolságra vannak egymástól. A proton bomlása akkor következhet be, ha a protonon belül két kvark ennyire közel kerül egymáshoz. Ennek a valószínűsége rendkívül kicsiny, úgyhogy a proton elbomlásának lehetősége csaknem kizárható. Ilyen eseményt eddig nem sikerült megfigyelni, habár hatalmas kísérleti berendezéseket építettek és működtettek a proton bomlásának kimutatatására.

Az, hogy a proton bomlását mindeddig nem sikerült megfigyelni, nem jelenti, hogy a nagy egyesített elmélet alapfeltevése hibás. Lehetséges az is, hogy a proton ugyan elbomolhat, de annyira kicsiny a bomlás valószínűsége, hogy a jelenlegi mérőberendezések alkalmatlanok kimutatására. A proton bomlásán kívül más, az egyesített elmélet által jósolt eredmény a jelen körülmények között nem ellenőrizhető. Az ilyen vizsgálatokhoz a korai, az ősrobbanást követő 10^-40 - 10^-35 másodpercben létező, 10^-30 - 10^-25 cm átmérőjű világegyetem az egyetlen alkalmas laboratórium. Ezért az egyesített elméletek igazi próbáját a világegyetem kezdeti fejlődését leíró modellekből kapott eredmények és a kísérleti adatok összevetések adhatják.

A nagy egyesített elméletek a négy kölcsönhatás közül háromnak, az elektromágneses, erős és gyenge kölcsönhatások egyesített leírását adják meg, a negyedik, a gravitációs kölcsönhatás kívülmarad a kereten. A kölcsönhatások geometriai eredetéről

Az általános relativitás elmélete szerint a gravitáció eredetét azzal magyarázhatjuk, hogy a tömegek elgörbítik a téridőt. A gravitáció mint a téridő görbületének megnyilvánulása az jelenti, hogy a gravitációs erőt a téridő geometriájának viselkedésére vezethetjük vissza. Ezt úgy szokás megfogalmazni, hogy a tömegvonzási erő geometriai eredetű. Felmerül az a kérdés, mi az eredete a másik három alapvető kölcsönhatásnak, az elektromágneses, az erős és a gyenge kölcsönhatásnak.

Rejtőző dimenziók, Kaluza-Klein modell:

A gondolat, hogy esetleg háromnál több térdimenzió létezhet, nem új. Amikor Einstein megalkotta az általános relativitáselméletet, még csak két kölcsönhatást, a tömegvonzási és az elektromágnesest kölcsönhatást ismerték. Nemsokkal azután, hogy Einstein elmélete megszületett, Kaluza megmutatta, hogy az elektromágnesesség is leírható a geometria segítségével, ez a térgörbület azonban egy feltételezett negyedik térdimenzióban jelentkezik. Ha Einstein általános relativitáselméletét a 3 tér és 1 idődimenzió helyett 4 tér és 1 idődimenzióban fogalmazzuk meg, megkapjuk a rendes gravitáció és a Maxwell-egyenletek leírta elektromágnesesség egységes elméletét.

Kaluza elméletével az a baj, hogy nincs negyedik térdimenzió, azaz nem érzékeljük. Klein úgy módosította Kaluza modelljét, hogy a negyedik dimenzió létezik, de 'fel van csavarodva'. Ahogy egy drót messziről egy vonal, de közelről látjuk, van vastagsága, a negyedik dimenziót Klein úgy szemlélteti, hogy ami távolról nézve a vonal egy A pontja, közelről az egy egy kör kerülete, mely a nagyon vékony csövet kerüli meg. Vagy ami a háromdimenziós térben egy pont, közelről egy apró kör a negyedik dimenzióban. A kör kerülete annyira kicsiny, hogy az észrevehetetlenségén nem csodálkozhatunk.

Kaluza és Klein elmélete évtizedekig csak mint érdekesség létezett. Az erős és gyenge kölcsönhatás felfedezése után nem volt különösebben érdekes, hogy a két régen ismert kölcsönhatás geometriai eredetű lehet. A nyolcvanas években viszont felmerült az ötlet, hogy mind a négy kölcsönhatás geometriai eredetű. Kiderült, hogy Kaluza módszerét követve a négy alapvető kölcsönhatás geometriai eredetének levezetéséhez az 1 idő mellé még legalább 10 térdimenzió szükséges. Ez a legegyszerűbb, leginkább szimmetrikus megfogalmazás. Itt is rögtön felmerül a kérdés, hová lett, hogyan csavarodott fel a hét nem mutatkozó térdimenzió.

A fenti tizenegy dimenziós modell egyik nehézsége az, hogy a részecske spinjét nem kezeli a megfelelő módon. Nyilván egy egységes elméletben a spinek megfelelő tárgyalására is szükség van, valamilyen alapvető szimmetria még szükséges, amely a spinek leírását megfelelő keretbe foglalja. Ezt a szimmetriát a szuperhúr elméletek megalkotói fedezték fel.

Húrok, szuperhúrok:

A kvantumelektrodinamika és más kvantumtérelméletek matematikai megfogalmazása egyaránt tartalmaznak matematikailag bizonytalan elemeket. Végtelenül nagy kifejezések jelennek meg a megfogalmazásokban, amelyek kételyt ébresztenek a modellek tökéletességét illetően. Igaz, hogy a renormálásnak nevezett eljárás segítségével a végtelen kifejezések leválaszthatók a többiektől és a kvantumelektrodinamika és más elméletek nagyon pontos, kísérletekkel jól egyező eredményeket adnak, de a végtelen kifejezések kérdése arra utal, hogy a modellek valamilyen alapvető dolgot tökéletlenül tartalmaznak.

Ezek a bizonytalanságok végül is az elemi részecskék pontszerűként való kezelésére vezethetők vissza. A hetvenes években sikerült kimutatni, ha a részecskék nem pontok, hanem végtelenül vékony szálacskák, húrok, a kvantumtérelméletek fenti matematikai nehézségei eltűnnek. Az elektromágneses, gyenge és erős kölcsönhatási folyamatok egyaránt jól leírhatók. Ugyanakkor a húrok többféle bonyolultabb mozgást is végezhetnek és ezek tárgyalása újabb nehézségekre vezetett.

Kiderült azonban, ha a részecskék spinjét megfelelő módon építjük be az elméletbe, úgy, hogy fellépjen a fermion és bozon állapotok szimmetrikus volta, az ún. szuperszimmetria, akkor az ilyen húrok leírása már nem jár semmiféle nehézséggel, a húrok 'rosszul viselkedő mozgásai' kezelhetőekké válnak. A szuperszimmetriát tartalmazó elméletek természetes módon magukba foglalják a gravitáció létezését is. A szuperszimmetrikus húrelméletet szuperhúr elméletnek nevezik.

A szuperhúr elméletek megfogalmazása, akár a Kaluza-Klein elmélet szintén tartalmaz nem észlelhető térdimenziókat. A tízdimenziós téridőt feltételező szuperhúrelmélet mellett van 26 dimenziós változat is. A szuperhúrelméletek számos olyan jóslatot tartalmaznak, amelyek egyelőre nem ellenőrizhetők. Éppen ezért, akármennyire szép a megfogalmazásuk, egyelőre nem fogadhatók el kvantumgravitációs modellként, a kölcsönhatásokat egyesítő végső elméletként.

Rend és szabadság a világban

Az előzőekből láthattuk, hogy a világ csupán néhány eleminek tekinthető részecskéből épül fel és a részecskék között fellépő kölcsönhatások is nagyon egyszerűek. Ha ennyire egyszerűek az építőkövek és 'vakok' a kölcsönhatások, hogyan jöhetett létre az a kifinomult rend és összetettség, amely a világunkat jellemzi? Honnan ered a szervezettség, miért éppen ilyen rend alakult ki, amilyet láthatunk, volt-e ebben a világnak szabadsága?

A tudomány azért lehetséges, mert a természet rendezett egységet alkot és megfogalmazhatók a természet jelenségeit leíró törvények. Ezek a törvények írják le a bolygók mozgását, a Föld forgását, így az évszakok és a napszakok változását, melyekben a törvények pontosságát, szigorát, kérlelhetetlenségét tapasztalhatjuk. Ugyanakkor észleljük azt is, hogy a törvényes szabályozottság sok jelenségre mintha nem vonatkozna. Az időjárás szeszélyei, a földrengések kirobbanásai stb. a véletlen megnyilvánulásaira utalnak. Hogyan fér meg egymás mellett a szükségszerűség és a véletlen?

A kérdés tisztázásához meg kell vizsgálnunk, hogy a szigorú törvények vajon mindenre vonatkoznak-e vagy vannak-e olyan területei a természetnek, ahol a törvények szabta ok-okozati lánc nem teljesen kötött. Először a makrovilágot leíró törvényekkel foglalkozunk. A makrovilág meghatározottsága: A makrovilág az érzékszerveinkkel észlelhető világot foglalja magába, beleértve az érzékszerveink kiterjesztéséül szolgáló műszereket, például a fénymikroszkópot és a távcsöveket is. A méreteket tekintve felülről nincs korlát, alsó határa a mikron lehet. Ezt a tartomány a klasszikus fizika írja le, melynek gerince a newtoni mechanika.

A klasszikus fizikai probléma megoldásának első állomása a rendszer viselkedését megadó egyenlet felírása, amely Newton II. törvényének a rendszerre való alkalmazását jelenti. Ehhez ismernünk kell a rendszert alkotó részecskék számát, tömegeit és a részecskék között ható erőket. Például a Naprendszer bolygóinak Nap körüli mozgásának leírásához ismernünk kell a Nap és a bolygók tömegét és a tömegvonzási erőt. Továbbá meg kell oldanunk a felírt mozgásegyenletet is.

A mozgásegyenlet változást ír le, megadja, hogy időről- időre hogyan változik a rendszer. Ha tudni akarom, hogy egy adott időpontban ténylegesen milyen állapotban van a rendszer, valamilyen kezdeti időpillanatban ismernem kell a rendszer állapotát. Ismerve ezt a kezdőállapotot, az egyenletet megoldva kiszámítjuk a változás mértékét, így meg tudjuk mondani, milyen állapotban lesz a rendszer a következő időpillanatban. Ennek ismeretében kiszámoljuk, milyen lesz a rendszer állapota a rákövetkező időpillanatban, és így tovább. Így másodpercnyi pontossággal ki tudjuk számolni, mikor lesz Magyarországon a legközelebbi teljes napfogyatkozás, mely vonal mentén lesz majd a leghosszabb a teljes fedés, hol, mettől meddig fog majd tartani. Ez azért van így, mert a klasszikus mechanika egyenleteinek a megoldása egyértelmű, a jelen állapotból kifejlődő jövő csak egyféle lehet. Ahogy a a jelen egyértelműen meghatározza a jövőt, ugyanúgy a múlt sem enged másféle jelent, mint amely a rendszert leírja. A rendszer időbeli viselkedése rögzített, a meghatározottság teljes, a kötöttséget semmi sem oldhatja. Nem beszélhetünk semmiféle szabadságról, a rendszer sorsa meg van 'írva'. Az ilyen rendszer viselkedését idegen szóval determináltnak, magát a rendszert determinisztikusnak nevezzük.

A felvilágosodás korának gondolkodására a determináltság felismerése rendkívüli hatást gyakorolt. Laplace az egyes rendszerek determinált viselkedéséből a teljes világmindenség determináltságára következtetett. A világ szerinte determinált, azért is, mert a jövőjét akár ki is lehetne számolni. Laplace feltételezte, hogy egy képzeletbeli lény - ezt Laplace-féle démonnak is nevezik - aki csak abban áll az ember felett, hogy amit az ember tud, azt ő sokkal gyorsabban, teljesebben tudja, előre, teljes pontossággal ki tudná számolni a világ sorsát. Ugyanis ha ismeri a világ valamennyi részecskéjét, a közöttük ható erőket, akkor fel tudja írni a világ fejlődését megadó egyenletet. Ha még ismeri a világ állapotát egy adott pillanatban, - ez valamennyi részecske helyének és sebességének az ismeretét jelenti -, ebből a kezdeti állapotból kiindulva az egymást követő pillanatokon át 'lépegetve' ki tudja számolni a világ jövőjét. Ez azt mutatja, hogy a világ jövője előre le van rögzítve.

A múlt század fizikájának meghatározó jelentőségű felfedezése az elektromosság és mágnesesség természetének leírása és értelmezése, az elektrodinamika tudományának a megalkotása. Az elektrodinamika törvényei a mechanika törvényeihez hasonlóan szintén determinisztikusak. Felismerésük tovább erősítette a világot determináltnak felfogó szemléletet.

Káosz, determinisztikus káosz:

A determinizmus által meghatározott világban nincs véletlen. A mindennapi élet dolgaiban, ez a fizika szóhasználatát tekintve a makrovilághoz tartozik, mégis nagyon sok mindent véletlennek nevezünk. Véletlenek a kockadobás eredményei, ezek a valószínűségszámítás szigorú matematika törvényeinek iskolapéldai. Mivel a kockavetés a makrovilág folyamata, mint ilyen kifejezetten determinisztikus, hogyan férnek össze ebben az esetben a szükségszerűség és a véletlen?

A kockavetés valóban determinisztikus folyamat. Ha teljes pontossággal ismernénk az eldobás körülményeit, milyen sebességel, merre, mekkora perdületet adva dobtuk el, milyen a légellenállás, milyen a padló állapota ahová a kocka zuhant, akkor pontosan ki tudnánk számítani, hányast dobunk. A véletlenszerűség a következőkre vezethető vissza. Egyrészt a kockavetés kimenetelét nagyon sok tényező befolyásolja. Ez még nem lenne önmagában gond, ha az egyes tényezőktől való függés sima lenne, a végeredmény nem látszana véletlennek. A folyamat kimenetele azonban nagyon erősen függhet az egyes tényezőktől. A kezdeti feltételek igen apró változása már arra vezethet, hogy más lesz a végeredmény. Nagyon kis változásokat már nem tudunk beállítani, hétköznapi eszközeinkkel ellenőrizni, ennek az az eredménye, hogy a kockadobás hat eredménye egyforma valószínűségű.

Ha a rendszer viselkedése nagyon érzékeny lehet a kezdeti feltételekre, akkor azt mondjuk, hogy a rendszer viselkedése kaotikus. Ez a kifejezés fedi a szó hétköznapi értelmezést, ugyanis az ilyen rendszer nem tartható kézben, nem számítható ki, követhetetlen módon viselkedik. A kockavetés, amellett, hogy determinisztikus, egyúttal kaotikus folyamat is. Az ilyen viselkedést determinisztikus káosznak nevezzük. A makrovilág véletlen folyamatai a determinisztikus káosz jelentkezései. Az érzékszerveinkkel felfogható világban nincs igazi véletlen, csak a determinisztikus káosz jeleit tapasztaljuk.

Kiszámíthatatlanság:

A káosz a kezdeti feltételek bizonyos tartományában, tartományaiban meghatározó jelentőségű. Ezekben a tartományokban a rendszer jövőjének kiszámítása rendkívül nehéz, bizonyos kezdőértékeknél a rendszer már teljesen véletlen módon viselkedhet. A káoszt jellemző tartomány kiterjedése az egyenletektől függően változik.

A kaotikusan viselkedő rendszer jövőjének leírásához a kezdőértéket teljes pontossággal ismernünk kell. Ha a kezdeti értéket nem ismerjük teljesen pontosan, akkor a kezdeti bizonytalanság egy idő után arra vezet, hogy a jövő ismerete kétségessé válik. Bármilyen kis bizonytalanság egy idő után pontatlanná teszi a jövő ismeretét. A bizonytalanság hatása exponenciális mértékben nagyítódik fel. A teljes pontosság általános esetben egy szám végtelen sok jegyének ismeretét követeli meg. A kezdeti érték nyugodtan lehet irracionális szám, ekkor a megkövetelt teljesen pontos számoláshoz valamennyi számjeggyel számolnunk kellene, semennyit sem hanyagolhatnánk el. Egy irracionális számot teljes pontossággal csak végtelen sok számjegyének ismeretében lehet megadni. A végtelen sok számjeggyel való, kerekítések nélküli, teljesen pontos számolás képtelenség. Ezért a világ kiszámíthatatlan, mert emiatt elméletileg sem végezhetünk teljesen pontos számításokat. Bármilyen nagy a számítógép teljesítménye, a digitális elven működő berendezések nem szolgáltathatnak teljesen pontos eredményeket. Ennélfogva Laplace démona már a klasszikus mechanika kormányozta világ jövőjét sem számíthatja ki. A világ jövője emiatt megismerhetetlen, a jövőt lejátszani képes módszerek mind tökéletlenek. Azt is mondhatjuk, a világ jövőjét megfelelő módon lejátszani képes rendszer csak egyetlen egy van, ez pedig a világ maga.

A klasszikus fizika szemléletét követve, bár a jövő megismerhetetlen, kiszámíthatatlan, és a lejátszására sincs megfelelő módszer, attól még egyértelműen létezik, a jelen magában hordozza. A világ még mindig determinisztikus. Amint látni fogjuk, a mikrofizika törvényei ezt, a meghatározott jövő létezését is kérdőjelessé teszik.

A kvantummechanikai határozatlanságok és a jövő nyitottsága:

Mint már tárgyaltuk, a mikrofizika világát szabályozó törvények jóval gazdagabb jelenségkört írnak le, mint a klasszikus fizika törvényei, számos olyan jelenséget is megengednek, amelyeknek a klasszikus fizikában nincs megfelelőjük. A mikrovilág törvényei az atomoknál nagyobb rendszerekre, molekulákra, sőt még az óriásmolekulákra, így a DNS-re is érvényesek. A kvantummechanikában a makrovilágot jellemző szigorú ok-okozati kapcsolat nem létezik. Csak valószínűségeket számíthatunk, az, hogy a molekulával végül is miért pontosan az történik, az igazi véletlen, nem vezethető vissza valamilyen előzményre. Például a radioaktív atommagról csak azt tudjuk, hogy mekkora a felezési idő, de azt, hogy egy adott radioaktiv atommag pontosan mikor bomlik el, nem rögzített. A kvantummechanika értelmezése szerint nem léteznek ún. rejtett paraméterek, amiket még nem ismerünk, s amik meghatározzák a ténylegesen történteket. Azaz a mikrovilág viselkedése indeterminisztikus. Makroszkopikus rendszerek, nanoelektronika: Ha egyszerre azonban nagyon sok atomot, molekulát tekintek, a viselkedésük statisztikusan már determinisztikus, azaz ok-okozati kapcsolattal értelmezhető. A rendszer ekkor így viselkedik, mintha klasszikus rendszer lenne, amelyben az elemek nagyon nagy száma miatt csak statisztikus módszereket alkalmazhatunk. Ekkor az az egyéni esetekre vonatkozó bizonytalanságok kiátlagolódnak, nagyszámú radioaktiv atommagra vagy elektronra már a kvantummechanikai viselkedés statisztikusan determinisztikussá válik. Ha pl. egymillió radioaktiv atommagunk van, azt ugyan nem mondhatjuk meg, hogy az egyes atommagmagok éppen mikor bomlanak el, de abban biztosak lehetünk, hogy a felezési időt elérve kb. félmillió atommag már elbomlott. Ezért működik például megbízhatóan a CD, mert ugyan az egyes elektronok mozgása nem jósolható meg, de a nagyon sok elektron összessége már determisztikusan viselkedik.

A tranzisztor is makroszkópikusan viselkedő rendszer, mert elég nagyméretű és a folyamatokban nagyon sok elektron vesz részt, úgyhogy a kvantumos hatások kiátlagolódnak. A tranzisztorok mérete azonban nem csökkenthető a végtelenségig. Ezért a mikroelektronika ma még szédületes ütemű fejlődése rövidesen, pár éven belül kifullad, mert elérjük a tíz nanométer jellemezte elvi korlátot, ahol a kvantumos hatások már nem átlagolódnak ki. A még gyorsabb működést lehetővé tevő nanoelektronika eszközei már közvetlenül a kvantummechanika szabályozta új működési elvekre épülnek majd fel, hogy pont hogyan, egyelőre még nem világos.

Az egyes rendszerek szabadságáról:

A nagy számú részecskére való kiátlagolódás nem feltétlen adott valamennyi rendszerre. A kaotikusan viselkedő rendszerekben előfordulhat, hogy az atomi, molekuláris méretekben véletlen jelenségek makroszkopikus méretű változásokká nagyítódhatnak. Ezen kierősődések lehetősége nem zárható ki. A köznapi életből gondoljunk az úgynevezett 'egy hajszálon múlott az egész' jellegű történésekre. Kérdés az, hogy a természet rendszereit vizsgálva mely rendszerekben mutatkozhat meg az igazi, a mikrovilágból feljövő véletlen hatása. Az ilyen rendszerek nem tekinthetők teljesen kötötteknek, a jövőjük nem teljesen meghatározott. A véletlen elemek megjelenése a szabadság lehetőségét hordozza a rendszer számára.

Azok a rendszerek, amelyek nagyobb méretűek, mert nagyon sok részecskéből, molekulából épülnek fel és a rendszer viselkedését meghatározó vezérlő elemek durva felépítésűek, determinisztikusnak minősíthetők. A newtoni mechanika írja le őket, a vezérlő elemek durvasága, érzéketlensége pedig kizárja, hogy a mikrovilág véletlenjei érdemben befolyásolhassák a rendszert. A szikla, az időjárás jelenségei, a porszem sodródása, a víz áramlása, a bolygók keringése stb. mind nagyon jó közelítésben determinisztikus jelenségek, ha véletlen mutatkozik mozgásukban, általában az csak a determinisztikus káosz miatt van úgy.

A természet makroszkópikus méretű rendszerei közül az élők sorsa az, amelyek az élő kifinomult szerkezete miatt nem teljesen kötött. Valamennyi élő genetikai állományának kialakulásakor megjelenik az igazi, mikrovilágra jellemző véletlen elem. Példának nézzük az ivarsejtek génállományának kialakulását. A férfi és női ivarsejtekbe véletlenszerűen kerülnek be a szülőktől örökölt gének, hogy éppen melyik, abba a molekuláris szintű, kvantummechanikai véletlenek is beleszólhatnak. A magzat jövőbeni sorsában a DNS-állományának kialakulásakor történtek meghatározó fontosságúak, azaz a kezdeti véletlen folyamatok eredménye makroszkopikus méretűvé erősödik fel. Ez azt jelenti, hogy az élővilágban benne van a szabadság lehetősége, nem szükségszerűen lett minden olyan, amilyenné alakult.

Az élő rendszer élete során is jelentkezhetnek a sorsukat meghatározó véletlen elemek. Az állat egyes cselekedeteit idegrendszere vezérli. Az állatok viselkedésében az idegrendszeri szabályozottság miatt nagyobb lehet a szabadság, mint a növényekben. Mennél összetettebb, érzékenyebb az állat idegrendszere, annál nagyobb esély lehet arra, hogy a neuronok működését meghatározó molekuláris folyamatok véletlenjei szerephez juthassanak. Minél kifinomultabb az agyműködés, annál kevésbé kötött az állat viselkedése, annál nagyobb az állat szabadsága.

A legnagyobb szabadsággal ezért az ember rendelkezik. Az ember a földi természet legszabadabb lénye. Nyilván ez az egészséges emberre vonatkozik, akinek viselkedése nehezen jósolható meg. Az idős ember viselkedése, ha az agyának képességei lecsökkentek, egyre inkább meghatározott. A rokonság nagyon sokszor jól ismeri, mire mit fog az öreg mondani, mikor mit fog csinálni.

Tehát a világmindenség bonyolult rendszereinek kialakulásában, elsősorban az élő rendszerek keletkezésésében és működésében a véletlen elemek megjelenésétől nem tekinthetünk el. Ezért állíthatjuk, a világ nem szükségképpen vált olyanná, amilyennek ismerjük, sorsa másként is alakulhatott volna. Ugyanúgy, jövője sem lehet előre meghatározott, a jövő nemhogy megismerhetetlen, ráadásul határozatlan is. A jelen nem rögzítheti a jövőt, a mikroméretű bizonytalanságok minden pillanatban magukban hordozzák a különböző jövőbeni forgatókönyvek megvalósulásának lehetőségét.

A redukcionista gondolkodás sikerei és korlátai:

A determinizmus a világ egészére vonatkozik, egyébként pedig csak elméletileg fontos fogalom. A világ egyes rendszereinek működését azonban ténylegesen is vizsgálhatjuk. Most azt elemezzük, miként érthető meg egy rendszer viselkedése, hogyan írhatjuk le keletkezését, működését. Egészen mostanáig a redukcionista módszer szolgált alapvető eljárásként. Ennek lényegét, sikereinek titkát illetve korlátait az alábbik szerint foglalhatjuk össze.

A redukcionista módszer szerint a rendszerek tulajdonságai az összetevő elemibb részecskék és az azok között ható, végsősoron az alapvető erőkből leszármaztatható kölcsönhatások segítségével írhatók le. Például a proton és neutron tulajdonságait az őket alkotó kvarkok és a közöttük működő erős kölcsönhatás határozzák meg. Az atommagokat protonok és neutronok építik fel. Az atommag tulajdonságai a protonok és a neutronok, valamint a közöttük ható magerők segítségével értelmezhetők. A magerők a kvarkok között ható, alapvető erőnek tekintett erős kölcsönhatás segítségével származtathatók. Az atomok tulajdonságait az azt alkotó atommag és az elektronok kölcsönhatásai szabják meg. A kölcsöhatás itt a Coulomb erő. A molekulák tulajdonságait azután az alkotó atomtörzsekre és a kötésben résztvevő elektronokra vezethetjük vissza, az összetartó erők a Coulomb kölcsönhatásból származtathatók.

Az egyszerűbb alakzatok leírására igen jól bevált redukciós eljárást azután összetettebb rendszerekre is érvényesnek tételezik fel. Ennek alapján az élőlény leírható az azt felépítő szerves molekulák és kölcsönhatásaik segítségével. Azaz a biológia a szerves kémiára vezethető vissza. Az embert pedig biológiai lényként érthetjük meg, minthogy a lélektan végsősoron a biológiára, az idegrendszer, az agykéreg neuronjainak hálózatainak működésére redukálható. Végül pedig a társadalomtudományok a lélektanra alapozhatók.

Most rátérhetünk arra az alapvető kérdésre, miért annyira sikeres a természet jelenségeinek redukcionista magyarázati módszere, amelynek lényege az, hogy az egész rendszert az alkotórészek viselkedésének vizsgálatára vezethetjük vissza. Belátható, hogy a redukcionista felfogás sikere végül is egy matematikai közelítő módszer, a lineáris közelítés sikerein nyugszik, amit hamarosan vázolni is fogunk.

Összetett rendszerek

Most az összetett rendszerek leírásával foglalkozunk. A nagyon sok részecskéből álló rendszerek jellemzésének alapvető fogalma a rendszer rendezetlenségét megadó entrópia.

Entrópia:

Alapvető tapasztalatunk, hogy a rend létrehozásához és fenntartásához munka szükséges. Ha például a házat elhagyják, az hamarosan tönkremegy. A világnak ezt a jól ismert sajátosságát a fizika az entrópia fogalmával írja le.

Az entrópia a nagyon sok részecskéből álló rendszerek viselkedését jellemző fizikai mennyiség, a rendszer rendezetlenségének mértéke. Minél rendezetlenebb a rendszer, az entrópiája annál nagyobb. Egy rendszer rendezettsége annál magasabb fokú, minél nagyobb zavart okoz az, ha a különböző helyeken lévő részeit felcseréljük. Ilyen felcserélés a tartályba zárt gáz viselkedését nem változtatja meg, ezért ez a rendszer rendezetlen, az entrópiája magas. Az entrópia akkor a legnagyobb, ha a rendszer teljesen homogénná válik, mert ekkor a felcserélődések semmit sem változtatnak a rendszert jellemző tulajdonságokon. A kifinomultabb összetételű rendszer kis entrópiájú, mert a felcserélések tulajdonságok módosulását hozhatja magával. Például az élő sejt működését nagyon befolyásolhatná az, ha a sejten belül két kis tartományt felcserélnénk.

A termodinamika II. főtétele szerint a magára hagyott rendszer entrópiája nőni fog, egészen a teljes kiegyenlítődésig. Egy rendszer entrópiája akkor maradhat alacsony, ha a rendszer nyitott, azaz kölcsönhat a környezetével. A kölcsönhatás során zajló energiacsere, munkavégzés tartja fenn a rendszer rendezettségét. Az, hogy a sokelemű rendszer lehet-e szervezettebb állapotokban, a rendszer energiájától függ. A következőkben áttekintjük, hogy a sok részecskéből álló rendszer miképpen viselkedhet attól függően, mekkora az energiája.

Lineáris rendszerek:

Egy rendszer akkor lineáris, ha a feltételek egy kisebb változása a rendszer viselkedését a feltételek változásával arányosan változtatja meg. Kétszer akkora változtatás kétszeres hatást, fele akkora változtatás fele akkora hatást kelt. Az ilyen rendszereket lineáris egyenletek, egyenletrendszerek írják le, ezek csak elsőfokú tagokat tartalmaznak. Ezek matematikailag könnyen kezelhetők, a rendszer jövője könnyen kiszámítható. Az egyenes arányosságok miatt a lineáris rendszerekben kaotikus viselkedés nem fordul elő. Lineárisan viselkedik a rugó és más egyszerűbb fizikai objektum, de lineárisan közelítésben írhatók le egyes összetettebb rendszerek is.

A lineáris rendszereknek vizsgálatát még a következő tulajdonságuk teszi különösen egyszerűvé. Képzeljük el, hogy elvégezve a rendszeren a feltételek egyik fajta változtatását, ennek megjelenik a hatása. Ha egy egy másfajta változtatást végzünk, annak is megvan a megfelelő hatása. Ha a rendszeren a két változtatást egyszerre végezzük el, akkor az eredményként kapott hatás a két egyenkénti hatás egyszerű összege lesz. Ezért lineáris rendszerekre a rendszer egészének vizsgálatát a rendszer elemeinek egyenkénti vizsgálatára vezethetjük vissza. A lineáris rendszer egésze ezért nem más, mint a részeinek egyszerű összege. A rendszert szabadon szétszedhetjük, összerakhatjuk, semmi sem változik.

A lineáris modellekre nagyon jó példák a kis amplitudójú hullámjelenségeket leíró elméletek. Például az elektromágneses hullámokat leíró Maxwell egyenletek is lineáris egyenletek, ennek köszönhető például az, hogy a rádióhullámokat modulálhatjuk, szétszedhetjük, összerakhatjuk.

Alapállapotban, amikor a sok részecskéből álló rendszer energiája a lehető legkisebb, akkor az alkotó részecskékre ható erők arányosak lesznek a részecske egyensúlyi helyzettől való elmozdulásának nagyságával. Emiatt az alapállapotú rendszerek lineáris rendszerként közelíthetők. Az egyes azonos részecskékre ugyanaz az átlagos erő hat, ami nem függ a részecskék egymáshoz képesti helyzetétől. Emiatt a rendszert alkotó részecskék egymástól függetlenül mozognak.

Az alapállapoti atommag, atom, molekula, kristályrács

tulajdonságai mind nagyon jól értelmezhetők a lineáris közelítéssel. Az ilyen rendszereket tényleg úgy kezelhetjük, foghatjuk fel, mint részeik összegét. Vizsgálatukhoz tehát valóban az a leginkább célravezető módszer, ha alkotórészeikre bontjuk őket, azok mozgását vizsgáljuk és a rendszer egészének állapotát az alkotórészek állapotainak összegeként kapjuk meg.

A lineáris közelítés nagyon sikeres, hosszú ideig szinte kizárólag csak ezt alkalmazták. Nem csoda, ha mindeddig a tudományos kutatás fő célja a lineáris rendszerek vizsgálatára összpontosult. Mondhatni, a redukcionizmus, amely azon alapul, hogy az egész nem más, mint a részek egyszerű összege, a tudományos módszer rangjára emelkedett. Aki mással próbálkozott, számíthatott kollégái elnéző mosolyára. Ennélfogva a módszer olyan területekre is átterjedt, ahol a lineáris közelítés nem alkalmazható.

A lineáris viselkedés csak kevés rendszer sajátja. Nagyon sok rendszer, melyekkel mindennapjainkban találkozunk, az alapállapotnál magasabb energiájú, ezeket az arányos viselkedés már nem jellemzi. A bonyolultabb viselkedéseket a nemlineáris jelenségek fizikája tárgyalja.

Nemlineáris rendszerek:

A természeti jelenségek túlnyomó részét az jellemzi, hogy a rendszeren való változtatás hatása nem arányos a változtatás nagyságával. Kétszeres változtatás vezethet háromszoros vagy akár feleakkorra hatásra is. A változtatások aránytalanul nagyobb hatásokat is kelthetnek, mint amekkorákat a kezdeti kis eltérésekre gondolva várhatók lennének. Az ilyen rendszerek, amelyek a kezdeti feltételektől ennyire áttekinthetetlenül, kaotikus módon függhetnek, nemlineáris rendszerek. A nemlineáris rendszereket nemlineáris egyenletek írják le, ezek megoldásai valóban kaotikus módon viselkednek. Ezek nem csak elsőfokú, hanem magasabb hatványokat, gyökös, stb. kifejezéseket is tartalmaznak.

A lineáris és nemlineáris rendszerek közötti különbségre nézzük a követekező egyszerű példát. Szivacsra vizet csöpögtetünk és mérjük a szivacs tömegét. Eleinte a szivacs tömege a cseppek számával arányosan növekszik, ekkor a cseppek száma és a szivacs tömegének növekedése között egyenes arányosság, lineáris függés van. Egy idő után a szivacs kezd telítődni, csepegni kezd belőle a víz, ekkor a tömegének növekedése már kisebb lesz, mint amit az arányosság jelentene, a vizcseppek száma és a szivacs tömegének növekedése között a kapcsolat nemlineárissá válik.

A nemlineáris egyenleteket nem könnyű megoldani. Természetesen a lineáris közelítést nemlineáris rendszerre használva is kaphatunk eredményeket, de azok érthető módon korlátozott érvényűek. Mondjuk a kört nagyon kis szakaszán jól közelíthetjük egyenessel. Gondoljunk arra, hogy a nemlineáris rendszert egy adott időpontban lineárisan közelítünk. Ha csak rövid ideig tekintjük a rendszert, egy kicsiny időszakra a lineáris számolás jól közelítheti a nemlineáris leírás eredményeit. Hosszabb idő elteltével az eredmények már megbízhatatlanná válnak.

Valamennyi kaotikus rendszer nemlineáris, de a fordított állítás nem igaz, vannak olyan nemlineáris redszerek, amelyek nem mutatnak kaotikus viselkedést. A káosz akkor lép fel, ha a rendszer egy eleme átlagosan elég sok más elemmel kölcsönhat, ekkor ugyanis kis változások is megváltoztathatják az egész rendszer viselkedését. Ezért egyes nemlineáris rendszerek szabályosan, szervezetten is viselkedhetnek.

Szolitonok:

Még a XIX. század első felében figyelték meg egy csatorna mentén a következő nagyon érdekes jelenséget. A csatornában egy hajó hirtelen megállt és ennek eredményeképpen egy egyetlen taréjból álló hullám keletkezett. A hullám kilométereken át haladt anélkül, hogy akár az alakja, akár a sebessége változott volna. A hullámot lóháton követő megfigyelő a furcsa képződményt a csatorna egy kanyarulatánál vesztette szem elől.

A meghökkentő jelenséget értelmező egyenletet a XIX. század végén írták fel. A közönséges vízhullámok esetén ilyen nagy hullámok ha ki is alakulnak, hamar fel is bomlanak. Egy nagy hullám sok különböző hullámhosszú kisebb hullámból adódhat össze. A nagyobb hullámhosszú vízhullámok azonban nagyobb sebességűek, ezért egy ilyen hullámcsomag hamar szétesik, ez a diszperzió jelensége.

Bizonyos feltételek mellett fellép egy másik jelenség, amely a diszperzióval ellentétes hatást fejt ki. Ha a víz mély, akkor a felszíni hullámok lineárisan viselkednek, ekkor a hullámok sebessége nem függ az amplitudó nagyságától, a hullámok egyszerűen összeadódnak. Ha a víz sekély, akkor a hullám sebessége nem csak a hullámhossztól, hanem a hullám magasságától, a hullám amplitudójától is függ. Két ilyen sekélyvízi hullám nemlineárisan tevődik össze. Lehetséges az, hogy a különböző sebességű és hullámhosszú amplitudók úgy adódnak össze, hogy pont együtt haladhatnak és a keletkezett eredő hullám egyáltalán nem esik szét. Ezt figyelték meg a csatornában haladó hullámnál is.

A kapott nemlineáris egyenlet, mint a nemlineáris egyenletek általában nehezen megoldható egyenletek, csak a számítógépek megjelenése után, kb. harminc évvel ezelőtt kezdhettek el a megoldásaival komolyan foglalkozni. Megvizsgálták azt is, mi történik, ha két ilyen magányos hullám találkozik. Azt a meglepő eredményt kapták, hogy az ütközés és összekeveredés után a két hullám megőrzi alakját és sebességét, úgy folytatja a terjedését. Ezek az alakzatok megőrzik azonosságukat, ezért nevezik az ilyen hullámot szolitonnak, a szoliton magányost jelent. Szolitonok bármely közegben fellépnek, ahol nemlineáris viselkedés mutatkozik, függetlenül attól, hogy mi az a közeg. Szolitonok létezhetnek folyadékban, szilárd közegben, gázban, elektromos áramban, elektromágneses térben. Szolitonokat olyan egész különböző területeken is tanulmányozhatunk, mint az atmoszféra, kristályok, plazmák, optikai szálak, idegszálak, elektromos berendezések.

Önszerveződés:

Az önszerveződés akkor lép fel, ha a rendszer egyes elemei a rendszer egyre több más elemével léphetnek kapcsolatba. Ekkor egyre összetettebb viselkedési módokat tapasztalhatunk. Helyi változások a rendszer távolabbi tartományait is befolyásolhatják, de ezek a helyi változások még nem okoznak az egész rendszert gyökeresen átalakító változásokat. Az önszerveződő rendszerek kis entrópiájú, magas szervezettségű rendszerek, amelyeknek nagyon sok energiájuk van, és a szomszédos elemek közötti kölcsönhatások erős visszacsatolási hatásokat hoznak létre. Az ilyen rendszer viselkedését csodálatosan gazdag, kifinomult mintázatok jellemezhetik. Az önszerveződő rendszer folyamatait tanulmányozva láthatjuk, hogy a gazdag mintázatokat körfolyamatok, körfolyamatok összekapcsolódása, összjátéka hozza létre. Az önszerveződő rendszer, bár működését igen sokféle folyamat és változásra való képesség jellemzi, bizonyos mennyiségek értékét igyekszik állandónak vagy közel állandónak tartani.

Az önszerveződő rendszer az egyes alkotóelemek egyedi viselkedéseinek összegeként nem érthetők meg. Inkább az összműködés törvényszerűségei szabják meg az alkotóelemek rendszeren belüli szerepét is.

Az önszerveződés sokat idézett példája a lézer működése. Ha a forró gáz vagy szilárd anyag közel van a termikus egyensúly állapotához, úgy világít, mint egy közönséges lámpa. Ekkor az egyes atomok egymástól függetlenül, véletlenszerű módon sugároznak. Megtehetjük azonban, hogy a rendszert olyan módon pumpáljuk fel energiával, hogy az messze eltávolodik az egyensúlyinak állapottól. Egy kritikus pontot átlépve a rendszer lézer üzemmódba kerül. Atomok százmilliárdjai egymással összhangban, azonos fázissal, egyszerre, együtemben sugároznak.

Önszerveződő rendszert alkot az áramló víz is, ha az áramlás sebessége egy bizonyos határt átlép. Alacsony sebességeknél a víz simán, egyenletesen folyik. Egy kritikus határt átlépve a folyadék mozgását az örvények keletkezésének és elmúlásának végtelen sora jellemzi. Az örvények elsősorban az akadályok környékén, például a hídlábnál keletkeznek, a szükséges energia a gyorsan áramló folyadék mozgási energiájából származik. Az egyes örvények szerkezete szabályos, jellegzetes mintázatot mutat.

Az önszerveződésre valamennyi tudományterület szolgáltat példákat. Az egyensúlyi állapottól távol egyes kémiai reakciók periódikusan megjelenő mintázatokat jelenítenek meg. Ezek spontán módon bukkanak elő a egyenletes eloszlású folyadékból. Az önszerveződés leginkább szembetűnő példáit a biológia szolgáltatja. Gondoljunk arra, miként keletkezik a DNS szálból az embrió. Önszerveződő rendszerként foghatók fel az élő szervezetek, életközösségek, önszerveződő rendszer a bioszféra egésze is. Vagy gondoljunk a sáskajárásra. Olyan kollektív jelenségekre, együttműködési formákra vezethető vissza, amelyek semmiképp sem érthetők meg úgymond sáskánként. Ha a populáció sűrűsége egy bizonyos érték alatt van, akkor a mezőn legelésző sáskák valóban az ott lévők egyszerű összegének tekinthetők. Ha azonban a sáskák területegységre vett száma egy bizonyos értéket átlép, beindulhat a sáskajárás. A rovarok nagyobb területről egyszerre emelkednek a levegőbe és hosszabb távolságot együtt repülve szállnak le ismét.

Az önszerveződő rendszerek kialakulásának és fennmaradásának két általános feltétele van. Egyik, hogy létezzen a rendszer elemei között kölcsönhatás. Elég lehet az is, hogy az elemek csak saját közvetlen szomszédaikkal hatnak kölcsön. Például a vízmolekulák csak a közvetlen szomszédaikkal hathatnak kölcsön, a hatóerők sugara kb. 10^{-8cm, míg a létrejött szerveződés, az örvény mérete ennek durván a milliárdszorosa. A másik általános feltétel az, hogy a rendszer legyen nyitott, azaz álljon kölcsönhatásban a környezetével, mert a rendszer entrópiája csak így maradhat alacsony. A rendezettségét megőrző önszerveződő rendszer a kölcsönhatás során a környezetét teszi rendezetlenebbé, ezzel az önszerveződő rendszerből és a környezetéből álló nagyobb rendszerre már teljesülni fog az entrópia növekedésének törvénye. Az önszerveződő rendszerek igen érzékeny válaszokat adhatnak a környezet változásaira és annyira rá vannak utalva a környezettel való állandó kölcsönhatásra, hogy igazából nem is választhatók el attól. A önszerveződő rendszerek nem sztatikus szerkezetek, hanem inkább folyamatok, amelyek képesek alkalmazkodni a környezet változásaihoz, akár azon az áron is, hogy maguk is átalakulnak. Igyekeznek magukat minden áron fenntartani, ha arra kényszerülnek, komolyabb változásra is képesek. Ugyanakkor maguk is változtathatják környezetüket, mennél összetettebb az önszerveződő rendszer, annál erősebben tudja alakítani környezetét, azért, hogy a maga számára kedvezőbb feltételeket teremtsen. Például a bioszféra, amely maga is önszerveződő rendszer, olyanná változtatta a Föld felszíni viszonyait, hogy az az élet számára minél kedvezőbb legyen. Vagy gondoljunk a közlekedésre, a vasút vagy az autók elterjedésére, amelyek úgy alakították át az őket hordozó társadalmi környezetet, hogy az minél jobban rá legyen utalva a vasútra vagy az autókra.

A viselkedésük sokszor kaotikus jellegű és ezért a jövőjük jósolhatlan. Ugyanakkor, a külső behatásokra való rendkívüli érzékenységük azt is lehetővé teszi, hogy igen kicsiny külső hatásokkal ellenőrzés alatt lehet tartani viselkedésüket.

Kérdés, hogyan fogalmazhatók meg az önszerveződés törvényei. Mindeddig nem született meg az összetett rendszerek általános elmélete. A vizsgált esetekben felismerhetők közös sajátosságok, de még nem sikerült az önszerveződést mutató jelenségeket néhány egyszerű törvény működésére visszavezetni. Remélhető, hogy legalább ezeket a jelenségeket bizonyos osztályokba sorolhatjuk. Ezeknek az osztályoknak az egyike lehet az az állapot, amit önszervező kritikusságnak neveznek.

Önszervező kritikusság:

Gondoljuk el, felülről egy tölcsérből egyenletesen csorog az asztalra a homok. Eleinte a dombocska egyre meredekebb lesz, de egy bizonyos nagyság elérte után a domb meredeksége állandó marad, értékét egy ún. kritikus szög adja meg. A homokdomb mérete növekszik, de közben az állapota bizonyos értelemben egyensúlyinak tekinthető, mert a lavinák a meredekséget állandó értéken tartják. A homokdomb viselkedését az önszervező kritikusság kifejezéssel jellemzik. Ebben az állapotban a rendszer nagyon érzékenyen válaszol a környezet hatására, jelen esetben a homok csorgására, kisebb, vagy akár nagyon nagy, az egész domboldalt érintő lavinák indulhatnak meg rajta. A kisebb lavinák gyakrabban fordulnak elő, a nagyobbak ritkábban. A lavinák nagysága és a gyakorisága jól meghatározott egyszerű matematikai összefüggésben vannak egymással.

Az önszervező kritikus állapotot a káosz és a rend összhangja jellemzi. A káosz miatt megjósolhatatlan, hogy az egyes pillantokban pontosan mi fog történni, ugyanakkor az egész rendszer viselkedése mégis áttekinthető, kiszámítható.

A homokdombon kívül számos más, egészen különböző rendszer is leírható az önszervező kritikusság segítségével. Ilyen a vízesés, ahol az egyes helyeken lezúduló sugarak viselkedése egyenként kaotikus, ám a zuhatag egésze kiszámítható módon juttatja le a víztömeget az alacsonyabb szintre. A zsúfolt országúton kialakuló közlekedési viszonyok is ilyen tipusú rendet mutatnak. Különböző hosszúságú forgalmi dugók alakulnak ki és ezek léte biztosítja, hogy az országút áteresztőképessége a lehető legnagyobb legyen. Ha a forgalom áramlásában kevesebb torlódás van, akkor vagy nagyon kevés kocsi van az úton, vagy az egész egy hatalmas dugó, ahol a zsúfoltság mindenkit azonos sebességre kényszerít.

A táguló világegyetem

A végtelen univerzum és Olbers paradoxona:

Bár Newton óta, egészen századunk közepéig, a térben és időben végtelen világmindenség eszméje általánosan elfogadott volt, léteztek jelek, amelyek arra utaltak, hogy a sztatikus, örök és végtelen univerzum képzete ellentmondásokra vezet. Olbers paradoxona arra vonatkozik, hogy az égbolt éjszaka nem lehetne sötét. Ha ugyanis az univerzum térben és időben végtelen, és a világmindenségben a csillagok eloszlása egyenletes, a végtelen sok csillag miatt nem lehetne az égen fekete folt. Bármilyen irányba néznénk is, mindenfelé volnának csillagok, ezért az égbolt minden egyes pontja éjjel is világítana, azaz éjjel is nappali fény árasztana el minket.

Olbers paradoxona úgy oldható fel, ha feltételezzük, a világegyetem térben véges, ezért az égboltot csak részben "fedik" le a csillagok. Továbbá az univerzum nem sztatikus, a csillagok sem élnek örökké, keletkeznek és elmúlnak. Csak azokat látjuk, amelyek éppen olyan életszakaszban vannak, hogy fényük eljuthat hozzánk. Ma már tudjuk, hogy a fenti két indok, a világegyetem végessége és a csillagok véges élettartama, egyaránt helytálló. Ez jó példa arra a nagyon általános elvre, hogy az örök világegyetem és a benne folyamatosan létező, megfordíthatalan fizikai folyamatok nem férnek össze. Az örök világegyetemben a csillagok már végtelen idővel ezelőtt kialakultak és kiégtek volna. A világegyetemünk viszont bővelkedik megfordíthatalan folyamatokban. Inkább egy egyszer felhúzott, lassan lejáró órára hasonlít. Ez határozottan arra utal, hogy volt kezdet.

A rohamosan fejlődő megfigyelési módszereknek köszonhetően ma már nagyon sokat tudunk az univerzumról. A század elején még csak a látható fény tartományában vizsgálhatták a világmindenséget, tudtak a fotolemezekre felvételeket készíteni. Ma a nagy távcsövekkel és a modern technikával a látható fény tartományában négy nagyságrenddel pontosabb megfigyeléseket végezhetünk. Mivel a Föld légköre a világűrből érkező sugárzások túlnyomórészét elnyeli, esély sem volt ezek észlelésére. Manapság a méréstechnika rohamos fejlődése és a műholdakra telepített mérőberendezések segítségével nagyon sok mindent meg tudunk mérni. Az égbolt nagyon pontosan meghatározható irányaiból tudunk például ultraibolya, Röntgen vagy infravörös sugárzási színképeket észlelni. Szinte a teljes elektromágneses spektrumban, a méteres rádióhullámoktól a billió elektronvolt energiájú gamma sugarak tartományáig tudunk méréseket végezni. A mérések pontossága jelenleg 10% körül mozog, de hamarosan elérhetik a százalékos pontosságot is. Eljutottunk oda, hogy a különböző jellegű mérésekből kiértékelhető ismeretek nagyon jól kiegészítik egymást. A következőkben áttekintjük, hogyan alakult ki a világegyetemről való mai tudásunk.

Távolodó galaxisok:

A XX. század első két évtizedében még azt hitték, hogy a Tejútrendszer a világmindenség egészét magában foglalja és a Nap a Tejútrendszer középpontjában van. Csak 1918-ban mutatták ki, hogy a Nap nem a Tejútrendszer központja és 1924-ben, Edwin Hubble [ejtsd hábl] megfigyelései alapján ismerték fel, hogy a Tejútrendszeren kívül vannak más galaxisok is. 1929-ben Hubble azt is felfedezte, hogy a galaxisok távolodnak tőlünk. A távolodás sebessége a galaxisok fényének vöröseltolódásával mérhető, minél gyorsabban távololodik a galaxis, annál vörösebbnek látjuk a fényét. Hubble mérései szerint minél távolabb van egy galaxis, annál nagyobb sebességgel távolodik tőlünk. Hubble felfedezése azt jelenti, hogy az univerzum tágul.

A galaxisok megfigyelt viselkedésének és a tágulásnak a kapcsolatát a szemléletesség kedvéért a következő képpel írhatjuk le. Képzeljük magunkat egy felfúvódó léggömb felszínére. Azt észleljük, hogy minden, ami a gömb felszínén van, távolodik tőlünk. A távolodás sebessége annál nagyobb, minél messzebb van tőlünk a megfigyelt tárgy. A szomszédságunkban lévő pontok is egyre messzebb kerülnek, de legjobban, legnagyobb sebességgel a léggömb legtávolabbi, átellenes pontja távolodik tőlünk.

Nem mondhatjuk azt, hogy vannak olyan galaxisok, amelyek a táguló világegyetem közepén, más galaxisokról, hogy a világegyetem peremén vannak. A léggömb felszínén sem mondhatja senki, hogy ő van középen. Világegyetemünk természetesen nem olyan, mint a háromdimenziós térben lévő gömb kétdimenziós felszíne. Inkább úgy kellene elgondolnunk, mint a négydimenziós térben lévő gömb háromdimenziós felszínét. Ilyet persze szemléletünk korlátai miatt nem tudunk elképzelni.

Ha világegyetem tágul, akkor a galaxisok régebben nyilván közelebb voltak egymáshoz. Megmérve a tágulás mértékét, azt találták, hogy jelenleg a világtér egymillió fényéves szakaszára kb. 10 kilométer/másodperc tágulást kapunk, ebből számolható, hogy a világegyetem életkora körülbelül 12-13 milliárd év. Az általános relativitás elméletéből megmutatták, hogy az ilyen táguló világegyetemhez szükségszerűen egy rendkívül kicsiny, csaknem pontszerűnek vehető kezdeti állapot tartozik. Ennyiből lett a világ, azóta is tágul. Ez a kép a nagy ősrobbanás modelljének alapja.

Látható, a világegyetem tágulása összhangban van Einstein általános relativitáselméletének jóslatával, miszerint a világegyetem csak kétféle módon létezhet, vagy tágul, vagy összefelé húzódik. Világegyetemünk tágul. Einstein ezek után élete legnagyobb tévedésének nevezte, hogy, egyenleteinek szimmetriáit is elrontva, bevezette a sztatikus megoldást adó ún. kozmológiai állandót.

Érdemes megjegyezni, hogy az általános relativitás elmélete szerint nem arról van szó, hogy kezdetben robbanás történt, és emiatt távolodnak a galaxisok egymástól. Maga a tér az, ami tágul, a galaxisokat a táguló tér sodorja magával. Ezért világegyetemünk hasonlítható a kelésben lévő tésztához is, amelybe mazsolát szórtak. Ahogy a tészta dagad, a mazsolaszemek is távolodnak egymástól és annál nagyobb a távolodásuk sebessége, minél messzebb vannak egymástól.

A kezdetek kezdetén a világegyetem terének valamennyi pontja itt volt a közvetlen közelünkben, és egyik sem vehető a világegyetem középpontjának. Már csak azért sem, mert ahogy később tárgyaljuk, a kezdeti állapot nem tekinthető teljesen pontszerűnek.

A tágulás hatása a többi erő hatásához képest nagyon gyenge. Hasonlatként gondoljuk el, hogy a Balaton vizén két csónak áll egymás mellett. Ha nincsenek egymáshoz erősítve, akkor a lassú hullámzás szétsodorja őket. Ha azonban csak egy vékonyka kis zsineggel is össze vannak kötve, a hullámzás nem tudja őket elsodorni egymástól. Hasonlóképpen a tér tágulásának hatása sem a Földön, sem a Naprendszeren, sem Tejútrendszeren belül még nem észlelhető. Sőt még a szomszédos galaxisok vonzása is erősebb hatást jelent, ezért a szomszédos galaxisokról érkező fény a kék felé való eltolódást mutatja. Csak a távolabbi galaxisok esetén érvényesül a tér tágulásának hatása, azokra érvényes a Hubble törvény. Ezt az általános relativitás elmélet segítségével úgy érthetjük meg, hogy az egymáshoz közeli, nagy tömegek téridőt görbítő hatása, azaz a köztük fellépő tömegvonzási erő helyileg erősebb, mint az a hatás, amely a világegyetem nagyjából egyenletes tömegeloszlása miatt a világegyetem egészének terét tágítja.

Az ősrobbanás hagyatékai:

Az ősrobbanás elmélete nem csupán a galaxisok mérhető távolodásán alapul. Az univerzum hajdani kicsiny voltára más bizonyítékok is vannak. A csillagok és a csillagközi anyag fő összetevői a hidrogén és a hélium. Más, nehezebb atomok elvétve vannak csak jelen, ezek csak a csillagok belsejében alakulhatnak ki. Bármerre nézünk is a világmindenségben, a csillagok, a csillagközi gázok anyagát tanulmányozva, azt észleljük, hogy az anyag tömegének kb. negyede hélium. A hélium keletkezését lehetővé tévő magreakciók csak nagyon magas hőmérsékleten indulhatnak be. Ez a hőmérséklet annyira magas, hogy ezek a magreakciók ma csak a csillagok belsejében mehetnek végbe. A mindenfelé azonosnak mérhető tömegarány a legegyszerűbben úgy magyarázható, hogy valaha a teljes univerzum a maga egészében igen magas hőmérsékletű volt és ez a forró világegyetem annyira kis térfogaton belül helyezkedett el, hogy a gázok szabadon keveredhettek egymással.

Penzias és Wilson 1964-ben felfedezte, hogy Földünkre a világűrből centiméteres, milliméteres hullámhosszakon sugárzás érkezik. Ezt kozmikus háttérsugárzásnak is nevezik, a sugárzás erőssége minden irányból ugyanakkora. A mért sugárzás spektruma hőmérsékleti sugárzás spektrumának felel meg. A spektrum alakja a kibocsájtó forrás hőmérsékletétől függ, a háttérsugárzást egy 2,726 + - 0,001 Kelvin hőmérsékletű test bocsátja ki. Maga a teljes univerzum az, ami egy 2,726 Kelvinen sugárzó testként viselkedik.

A fizika alapvető törvényeiből következik, hogy a táguló univerzumnak egyúttal folyamatosan csökken a hőmérséklete. Régebben az univerzum a mainál sokkal magasabb hőmérsékletű volt. Visszafelé menve az időben eljuthatunk addig a korszakig, amikor az Univerzum még egészen forró volt, a világegyetemben lévő nagymennyiségű hélium ekkor keletkezett. Azóta, az idő múltával univerzumunk úgy viselkedik, mint egy hűlő kályha.

Az anyagok életkora elég jó pontossággal meghatározható a bennük előforduló rádioaktív elemek segítségével. A legöregebb csillagok életkora 11-12 milliárd esztendő, ami arra utal, hogy univerzumunk kora legalább ennyi. Az univerzum életkorát a nem eléggé pontos adatok miatt nem tudjuk pontosan megállapítani. A tágulás mértéke is csak bizonyos pontossággal ismert, csak nagyon nagy tömegű adat pontos kiértékelése adhat megbízhatóbb életkort.

Az ősrobbanás elmélete a mai asztrofizika, asztronómia alapmodellje, sőt paradigmája. A kutatók túlnyomó többsége ebben a modellben teszi fel kérdéseit, ezen a modellen belül értelmezi a kísérletek eredményeit. Manapság az egyre pontosabb adatok, a folyamatosan érkező eredmények egyre jobban megerősítik az ősrobbanás elméletének hitelét. Az egyéb magyarázatok jelenleg nem jelentenek versenytársat az ősrobbanás elmélete számára, amely egyre inkább alapvető tudásunk részévé válik.

A "semmiből" kipattanó világmindenségről:

Az eredet, nevezetesen hogy a világmindenség miért, és pontosan hogyan jött létre, a tudomány számára talán a legnagyobb kihívást jelentheti. Ha a miértre talán soha nem is kaphatunk választ, a hogyanról, a folyamat leírásáról egyre pontosabb képet alkothatunk. Az egy icipici térfogatban keletkezett univerzum nem az üres térben, valamikor pattant ki. Az univerzumunk születése előtt nem lehet távolságokról és időtartamokról sem beszélni. Amikor az univerzum még nem létezett, tér és idő sem volt.

Valamennyi megmaradási tétel, beleértve az energiamegmaradás, az elektromos és töltések megmaradásainak stb. törvényeit is, úgy teljesül, hogy az unverzum össztöltése, összenergiája stb. nulla. Olyan módon, hogy a mérlegben szereplő + és - előjelű mennyiségek kiejtik egymást. Mint már tárgyaltuk, a fizikában a relativitáselmélet kidolgozása óta nincs külön tömeg és energiamegmaradási törvény, a tömegeknek megfelelő energiát is beszámítva csak az energiamegmaradás törvénye érvényes. Ha az energiamérleget nézzük, megmutatható, hogy univerzumunk pozitív előjelű energiái, például a mozgási energiák stb. és a tömegeknek megfelelő E=mc^2 energiák összege pontosan kiegyenlítik a negatív, elsősorban gravitációs energiákat. A világegyetem elektromos össztöltése szintén nulla. A világmindenségben lévő protonok száma, ezek a pozitív elektromos töltés hordozói, pontosan megegyezik a negatív töltést hordozó elektronok számával.

A világegyetem kezdőállapotának a tér, az idő és az anyag nélküli, nulla energiájú állapotot tekinthetjük, amelyet a fizikai semmi állapotának nevezhetünk. Ezt az állapotot pontosan leírni, meghatározni egyelőre nem tudjuk. Az univerzum fejlődését leíró elmélet a tér és az idő tulajdonságait a benne lévő tömegekkel magyarázó általános relativitáselmélet. Ennek az elméletnek is vannak azonban korlátai, és ezek, amelyek éppen a nagyon kis tér és időtartamok világára vonatkoznak, nem engedik, hogy az elméletet a kezdetek legkorábbi szakaszára is alkalmazhassuk.

A kvantumgravitációról:

Amint az elemi részek világával foglalkozó részben tárgyaltuk, a fizikai térből nagyon kis időtartamra részecske-antirészecske párok pattanhatnak ki, amelyek nagyon gyorsan el is nyelődnek. Ezeknek a virtuálisnak nevezett részecskepárok létrejöttét a kvantummechanika törvényei szabályozzák. A kvantummechanika időben változatlan téridőben van megfogalmazva. Ha a kipattanó részecskék létezésének időtartama nagyon kicsiny, a kipattanó részecskék tömege igen nagy lehet. Igen nagy tömegek viszont megváltoztathatják maguk körül a tér és az idő szerkezetét. Annyira, hogy a Planck hossznak és a Planck időnek a tartományán belül mind a kvantummechanika, mind az általános relativitáselmélet, fogalmai, törvényei érvénytelenekké válnak. A Planck idő értéke 5,31*10^{-44 másodperc, a Planck hossz 1,62*10^{-33 centiméter, számunkra felfoghatatlanul kis mennyiségek.

A Planck hossz és idő tartományán belül új fogalmak, törvényszerűségek alkotására van szükség, amelyekkel egyesíteni lehet a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet nyújtotta leírásokat. Ezt a kvantumgravitációnak nevezett elméletet még nem dolgozták ki, a korábban említett szuperhúrelméletek még nem eléggé bizonyítottak. A kvantumgravitációs elmélet hiányában csak a Planck időn túl van szilárdabb alapokon nyugvó modellünk arra, mi történhetett kezdetben. Később a kvantumkozmológiával foglalkozó részben röviden vázoljuk, milyen módszerekkel kísérleteznek.

A világegyetem fejlődése az atomok megjelenéséig

Most a világmindenség történetének főbb állomásait ismertetjük, egészen az atomok megjelenéséig. A Planck idő tájt a világmindenség mérete Planck hossznyi, azaz 10^{-33 centiméternyi. Életkor, méretek, hőmérséklet: Az univerzum tágul és hűl, a kétszer akkora univerzum felényi hőmérsékletű. Az univerzum ma mérhető tágulásából és 2,726 Kelvin hőmérsékletéből pontosan ki tudjuk számolni, mikor mekkora volt korábban az univerzum és pontosan mekkora volt a hőmérséklete. A hőmérsékletből megadható a közeg részecskéinek átlagos mozgási energiája. Minél magasabb a hőmérséklet, annál gyorsabban mozognak a részecskék. Az, hogy milyen gyorsak a részecskék, meghatározza, milyen rendszerek jöhetnek létre, maradhatnak fenn.

Az első másodperc:

Körülbelül 10^{-43 másodperc eltelte után már létezik a tér és idő, fogalmaik egyértelműek, az általános relativitáselmélet egyenletei alkalmazhatóak. Ekkor a gravitációs erő elválik a természet egyéb erőitől, a korábban említett gravitációs kvantumeffektusok most már elhanyagolhatóak. Az univerzum hőmérséklete ekkor még elképzelhetetlenül magas, kb. 10^{32 Kelvin. A gravitációs erő ekkor még annyira hatalmas, hogy az energiájának rovására a spontánul keletkező részecske - antirészecske párok valóságossá válnak. Mint korábban már írtuk, a világegyetem összenergiája így is változatlanul nulla marad, kétszer annyi új tömeg keletkezését kétszer annyi negatív potenciális energia ellentételezi.

Arról, hogy mi történt a 10^{-43-10^{-35 másodperc közötti korai időszakban többféle modell létezik. A nagy egyesített elmélet szerint a korszakot meghatározó részecske az X részecske. A nagyon nagy tömegű X részecske és antirészecskéje a kvarkokat leptonokba és viszont alakító kölcsönhatás közvetítője. Ekkor még, ahogy korábban írtuk, valamennyi kölcsönhatás, az erős, gyenge és elektromágneses kölcsönhatások egyforma erősséggel, gyakorisággal zajlottak, egymástól nem különböztek. Mondhatjuk, csak egyféle kölcsönhatás működött. Mivel a kvarkok leptonokba és viszont is alakulhattak, gyakorlatilag csak egyetlen részecske létezett. Ez az egyszerű állapot, egyetlen fajta részecske, egyetlen kölcsönhatás, rendkívüli módon különbözik a mai differenciálódott világunktól, melyben az X részecske már nem gyakorolhat befolyást.

Az X részecskék és antirészecskéik a korszak végén kvarkokra, leptonokra, antikvarkokra és antileptonokra bomlottak el. Az anyagra és antianyagra való bomlások arányai azonban nem teljesen azonosak. Ennek oka egy szimmetria nagyon apró, ám következményeiben igen fontos sérülése. Végeredményben tízmilliárdegy keletkezett kvarkra csak tízmilliárd antikvark jutott. Ezzel az univerzum anyag-antianyag szimmetriája megbomlott.

10^-35 másodperc eltelte után az erős és eletrogyenge kölcsönhatás már megkülönböztethetővé vált. Az elektromágneses és gyenge kölcsönhatás azonban még kb. a 10^-9 másodpercig megkülönböztethetlen volt. Ebben az időszakban a táguló és hűlő világegyetem hőmérséklete még elég magas volt ahhoz, hogy a kvarkok, antikvarkok valamint az erős kölcsönhatást közvetítő gluonok plazma állapotban lehessenek jelen.

10^-9 másodperc tájt az elektromágneses és gyenge kölcsönhatás megkülönböztethetővé vált. Az antianyag, amelyből az X részecskék 10^-35 másodpercben bekövetkező bomlásainak következtében picivel kevesebb van, az anyaggal ütközve szétsugárzódik. Például az elektron-pozitron megsemmisülésekben fotonok keletkeznek. Ez magyarázza, hogy az univerzumban egy protonra sokmilliárdnyi foton jut. Nem sokkal ezután, 10^-6 másodperc tájt a táguló univerzum hőmérséklete annyira lecsökkent, hogy a kvarkok protonokká és neutronokká álltak össze.

A további hűlés során, az első másodpercig a meghatározó folyamat a protonok és neutronok egymásba alakulása. A folyamatot a gyenge kölcsönhatás jellemzi, elektronok, pozitronok, neutrinók és antineutrinók keletkeznek. Az első másodperc tájt az átalakulási folyamatok megszűnnek, a neutrinók ettől fogva nem, vagy alig hatnak kölcsön más részecskékkel.

Végeredményben a születés első másodpercében már kialakult az univerzum teljes anyagkészlete, a mindenség ekkor protonokból, neutronokból, elektronokból, neutrinókból és antineutrinókból állt. Jegyezzük meg, hogy már ez időn belül is megfigyelhető az egyre összetettebb rendszerek kialakulása. Míg a legkezdetben semmiféle differenciálódás nem létezett, az első másodperc végére, a világegyetem tágulásának és hűlésének eredményeképpen a négy alapvető kölcsönhatás már elkülönült egymástól és megjelentek az olyan összetett részecskék mint a proton és a neutron. Az első három perc - a hélium keletkezése: Az univerzum létének első másodperce után, az első három perc végéig alakultak ki a legkönnyebb kémiai elemek atommagjai. A hőmérséklet ekkor már csak néhány milliárd fok. Ez az állapot igencsak kedvez a bonyolultabb atommagok képződésének. Az atommagreakciókat az igen erős, vonzó magerők szabályozzák, amelyek igen rövid hatótávolságúak. Csak akkor hatnak, ha a proton vagy neutronok egymás közvetlen közelében tartózkodnak, szinte érintkeznek egymással. A világegyetem történetének első perceiben az ütköző atommagok még elég gyorsan mozognak ahhoz, hogy az eletromosan töltött atommagok közötti taszító erőt legyőzzék. A taszító Coulomb erő ugyanis lassítja a másik töltött atommaghoz közeledő töltött részecskét. Ha a sebességek, azaz a hőmérséklet nem elég nagyok, a két atommag nem juthat egymás közvetlen közelébe, ahol már a vonzó magerők hatása is érződik.

Magasabb hőmérsékleten ugyan végbemehetnek a magreakciók, de akkor a keletkezett atommagok gyakran és hevesen más atommagokkal is ütköznek és ezért könnyen szét is eshetnek. Az univerzumban az első másodperctől a harmadik perc végéig voltak a feltételek olyanok, hogy összetettebb atommagok képződhettek. A legfontosabb magfolyamatok a következők voltak. Először a neutronok protonokkal való ütközésében deuteronok keletkeznek, majd a deuteronok egymással ütközve a két protont és két neutront tartalmazó hélium atommagokká alakulnak. Ezen az úton az univerzum neutronjainak túlnyomó része a hélium atommagok alkotórészévé vált. A világegyetem anyagának nagyobb része protonok, azaz hidrogén atommagok formájában maradt vissza. Az ősrobbanás modellje által számolt kb. 25%-os hélium arány jól egyezik a hélium kozmikusan mért gyakoriságával. Az egyéb, kevésbé gyakori könnyebb atommag kozmikus előfordulási valószínűsége is jól megfelel az ősrobbanás modelljével számoltaknak. Arra a három perc alatt nem volt idő és mód, hogy a hélium atommagok összeolvadásaiból magasabb rendszámú atommagok is keletkezhessenek.

Három perc elmúltával a világegyetem hőmérséklete annyira lecsökken, hogy az új atommagok képződése valószínűtlenné válik. Az erős magkölcsönhatás korszakos szerepe megszűnik. A táguló és hűlő világegyetem további fejlődését az elektromágneses kölcsönhatások határozzák meg.

Az első 300000 év:

Az első három perc utáni körülbelül 300000 évet a fotonok alkotta sugárzási tér és az anyag kölcsönhatása alakította. Az univerzum anyagát a csupasz atommagok, a protonok és a hélium atomok magjai valamint az elektronok plazmája alkotja. A neutrinók és antineutrinók is jelen vannak, de kölcsönhatásaik elhanyagolhatóak.

Az alapvető folyamatok a töltött részecskék ütközéseivel kapcsolatosak. Az elektron, a proton és a hélium szóródhatnak egymáson. Közben az ütköző partnerek energiát cserélnek és fotonokat sugározhatnak ki, illetve nyelhetnek el. Lehetséges azonban az a folyamat is, amikor a protonnal ütköző elektron befogódik a proton köré. Ezzel egy hidrogénatom keletkezett. Ez a hidrogénatom általában gerjeszett, magasabb energiájú állapotban van, az elektron ugyanis nem feltétlen a legalsó pályára fogódik be. A gerjesztett állapot foton leadásával bomlik le az alapállapotba, azaz az ütközési folyamatokat általában fény kibocsátása kíséri.

A hőmérséklet ebben az korszakban még túl magas ahhoz, hogy a protonból és elektronból álló hidrogén vagy a hélium atommagból és két elektronból összetevődő hélium atomok meg is maradhassanak. Bár ezek létrejöhetnek, de magas hőmérsékleten a részecskék még nagyon sebesen mozognak. Annyira, hogy ütközéseikben a keletkezett atomok gyorsan szét is eshetnek. A nagy energiájú fotonokkal való ütközések is gerjeszthetik és rombolhatják a keletkezett atomokat.

A fotonok által közvetített elektromágneses kölcsönhatás elég erős ahhoz, hogy megakadályozhassa bármilyen egyéb képződmény kialakulását. Például a plazmában a gravitációs kölcsönhatás sem alakíthat ki csillagokhoz vagy galaxisokhoz hasonló objektumokat. A plazmában uralkodó nagy nyomás, a töltött részecskék közötti, Coulomb erők vezérelte ütközések hamar szétzilálják az ilyen alakzatokat.

A hőmérséklet 300000 év után annyira lecsökkent, hogy az ütközések a kialakuló atomok létét már nem veszélyeztették tovább. A keletkezett hidrogén atomok jó része hidrogén molekulákká állt össze, a nemesgáz hélium atomos állapotban található. A világegyetem anyaga így elektromosan semlegessé vált. Az ütközésekben nem képződnek és nyelődnek el újabb fotonok. Az elektromágneses kölcsönhatás irányította sugárzásos korszak 300000 év elmúltával lezárult. A sugárzás és az anyag kölcsönhatása ezután már jelentéktelen.

A viláegyetem hőmérséklete a háromszázezredik év táján durván 3000 fok. A mindenség tágulásával a sugárzási tér azóta is egyre hűlt, az akkori 3000 Kelvin durván ezredrészére, 2,726 Kelvinre süllyedt. A kozmikus háttérsugárzás ma mérhető apróbb egyenetlenségei a háromszázezredik év környékén mutatkozó kis egyenetlenségekre utalnak.

Galaxisok:

Az univerzum fejlődésének meghatározó tényezőjévé 300000 év után a gravitációs kölcsönhatás válik. Amint láttuk, a gyenge, erős és elektromágneses kölcsönhatások jellemezte korszakoknak vége, a fenti három erő már nem kezdeményez jelentősebb változásokat. Hatásaik csak kisebb távolságokon érvényesültek. A tömegvonzási erő univerzális, valamennyi tömeggel rendelkező test között fellép és hatása nagyobb távolságokra sem elhanyagolható. Minden tömeg vonz minden tömeget, ez a mindenhol ható erő alakította ki a mindenség rendszereit.

A világegyetem mai arculatának fő szervezője, rendjének forrása a gravitáció. A szervezés alapformája a következő. Ha az ősi gáztömegben valahol kisebb egyenetlenség van jelen, mondjuk kicsit sűrűbb a gáz, ez a sűrűbb tartomány a gravitációs vonzás fókuszává válik. Környezetéből kezdi magához vonzani az anyagot. Az eredetileg csaknem jelentéktelen különbségek az önmagát erősítő folyamat eredményeképpen egyre kifejezettebbekké válnak. A gravitáció szervező erejének hatására az eredetileg csaknem egyenletesen eloszló anyag csomókba tömörült.

A graavitáció vezérelte csomósodási folyamatban keletkeztek a galaxisok, ennek során alakulnak ki a csillagok is. Az első galaxisok és csillagok kb. kilencszázmillió év eltelte után alakultak ki. Ma a világmindenségben lévő galaxisok száma körülbelül százmilliárd. Az egyes galaxisokban körülbelül százmilliárd csillag található. A mi Napunk csak egyike a Tejútrendszer sokmilliárd csillagának és a Tejútrendszer is csak egyike a mindenség százmilliárd galaxisának.

A galaxisok kiterjedésének nagyságrendje százezer fényév. A mi Tejútrendszerünk mérete tipikus galaxisméretnek mondható. A galaxisok közötti átlagos távolság néhány millió fényév. Maguk a galaxisok is vonzzák egymást, csoportokba tömörülnek. A kisebb csoportok még nagyobb csoportokat alkotnak.

A táguló világegyetem jövőjéről:

Felmerül az a kérdés, meddig folytatódik a tágulás. Ugyanis a szétrepülő galaxisok között gravitációs erő hat. Ez, mint minden vonzó kölcsönhatás, fékezi a tágulást, csökkenti annak sebességét. A legújabb mérések szerint a világegyetem tágulásának sebessége gyorsul.

Mivel a világegyetem anyagi összetevői egymást vonzva mind lassítják a tágulás sebességét, a gyorsulva tágulást az Einstein egyenletek csak a kozmológiai állandó nemnulla, nevezetesen pozitív értékével írhatják le. Kérdés, milyen jelenség szolgáltathat gyorsuló tágulást. Ilyenek lehetnek a Casimir effektushoz hasonló kvantumtérelméleti hatások. Ezek azonban óriási nagy járulékokat adnak a kozmológiai állandóhoz, és a mérvadó elméletek szerint, ilyenek az említett szuperhúr elméletek, a hatalmas nagy járulékok ellentétes előjelűek, kiejtik egymást és végeredményben a kozmológiai állandóhoz nem adnak járulékot. Vannak olyan feltevések, hogy létezhet egy olyan skalár tér, amelynek részecskéi a gravitációs vonzás helyett taszító hatást fejtenek ki és ezek felelősek a kozmológiai állandó pozitív értékéért.

A világegyetem szerkezeteit, jövőjét végül is a kozmológiai állandón kívül az határozza meg, mekkora a világegyetem össztömege. A világegyetem kritikus tömegének azt a tömeget nevezik, - a kozmológiai állandó nulla értéke mellett -, amely össztömegnél a világegyetem sem összeroppani, sem szétszóródni nem tud, mert a világegyetem tágulási sebessége fokozatosan lassulva a nulla értékhez tartana.

A világegyetem geometriáját a világegyetem össztömege és a kozmológiai állandó együttesen határozzák meg. Nyílt univerzum esetén a tér geometriáját az ún. Bolyai-Lobacsevszkij féle geometria írja le. Az ilyen térben a háromszögek szögeinek összege kisebb, mint 180 fok. A zárt univerzum geometriája az ún. gömbi geometria. Ekkor a háromszög szögeinek összege nagyobb, mint 180 fok. A sík univerzum geometriája a mindenki által ismert euklideszi geometria, amelyben a háromszög szögeinek összege 180 fok. A legújabb mérések szerint a világegyetem geometriája egyértelműen az euklidészi geometria.

A sötét anyag kérdése:

Az adatok szerint a világegyetem össztömege a kritikus tömeg kb. 35 százaléka. Az univerzum látható, műszereinkkel kimutatható, az atommagokban és más könnyen észlelhető formákban található tömege csupán egy töredéke, alig 5 százaléka a kritikus tömegnek. Viszont mutatkoznak annak jelei, hogy a világegyetem tömegének nagyobb része valamilyen más, általunk még nem ismert formában létezik. A Tejútrendszer és a galaxisok viselkedésének vizsgálatából az adódik, hogy mozgásukat, forgásukat még ismeretlen állapotú anyagtömegek befolyásolják. Például az a pálya, amely mentén a Naprendszer kering a Tejútrendszer középpontja körül, csak akkor írható le, ha feltesszük, hogy a galaxisunk belsejében jóval több anyag van, mint amennyit látunk. Hasonlóképpen a galaxisok alakja is csak valamiféle láthatatlan anyagfelhők feltételezésével magyarázható, a látható csillagok tömegvonzása ugyanis nem tudná összetartani a galaxisokat.

Az ismeretlen állapotban lévő anyagmennyiséget, mivel az fényt nem bocsát ki, sötét anyagnak nevezik. Ez a kritikus tömegnek durván 30%-át teszi ki, tehát sokszorosa, kb. hatszorosa a látható anyagnak. A sötét anyag mibenléte napjaink kozmológiájának talán legizgalmasabb kérdése. A sötét anyag mibenlétéről, hatásáról szinte havonta jelennek meg elképzelések, újabb mérési adatok. A legújabb röntgensugaras mérésekben észleltek egy galaxist, amelyet forró, röntgensugárzást kibocsátó gáz vesz körül. Ennek a forró gázfelhőnek az alakja eltér a attól az alaktól, amilyennek a galaxist látjuk, azaz ahogy a galaxis csillagai eloszlanak. A forró gázfelhő alakja csak azzal magyarázható, hogy azt a galaxis csillagainak eloszlástól eltérő sűrűségeloszlású sötét anyag formálta. A felfúvódó világegyetem és a kaotikus felfúvódás

A világegyetem horizontja:

A horizont kifejezést az égbolttal kapcsolatban jól ismerjük, csak a horizontig láthatunk, ami azon túl van, láthatatlan számunkra. A táguló világegyetemnek is van horizontja, azon túl nem láthatunk semmit.

Hubble törvényét értelmezve oda jutottunk, hogy a világmindenség tere tágul. Minél messzebbre nézünk, a vizsgált térrész annál gyorsabban távolodik tőlünk. Az elég távoli részek távolodási sebessége már csaknem fénysebességnyi, még nagyobb távolságokban a távolodás sebessége meghaladja a fény sebességét. Fénysebességnél gyorsabban semmilyen tárgy, sugárzás sem mozoghat, de a relativitáselmélet azt nem tiltja, hogy a térnek az elég távoli tartományai ne távolodhassanak fénysebességnél nagyobb sebességgel. Azaz a tér tágulása miatt fellépő sebességek akármekkorák lehetnek. Mi csak odáig láthatunk, ahonnan a fény még elér bennünket, a horizontot tehát az a távolság jelenti, amely éppen fénysebességgel távolodik tőlünk. A vöröseltolódásnak nevezett jelenség miatt miatt a távolodó fényforrás fényének rezgésszáma a távolodás sebességével egyre csökken. A horizontról érkező fény a vvöröseltolódás miatt már nulla rezgésszámú, azaz a fény már nem észlelhető. A horizonton túli galaxisok, ha vannak ilyenek, tőlünk fénysebességnél gyorsabban távolodnak.

A horizont létezése behatárolja, mit tudhatunk a világegyetemünkről. A mérésekkel csak a horizonton belüli, az ún. megfigyelhető világegyetemet tanulmányozhatjuk, a horizonton túli részekről megfigyeléssel eleve nem tudhatunk semmit, csak közvetett úton szerezhetünk róluk ismereteket.

Ha a világegyetem történetét az ősrobbanás fenti hagyományos modellje szerint értelmezzük, súlyos nehézségekkel kerülünk szembe. Az egyik legnagyobb nehézség a kozmikus háttérsugárzás csaknem teljes egyenletes volta. A háttérsugárzás arról a korszakról ad látleletet, amikor a világegyetem hűlésével megszünt a plazmaállapot, kialakultak a hidrogén molekulák és a hélium atomok, ez nagyjából az ősrobbanást követő 300000 év tájt történt. A kozmikus háttérsugárzás fotonjai ekkor keletkeztek és mostanra értek ide hozzánk. Az, hogy a sugárzás minden irányból csaknem teljesen egyenletes, azt jelenti, hogy a megfigyelhető világegyetem egészének anyaga még a plazmaállapotban kölcsönhathatott egymással.

Az ősrobbanás modellje szerint a világegyetem annyira gyorsan tágul, hogy a háttérsugárzás egyenletességét nem lehet a szokásos, kiegyenlítődést beállító fizikai folyamatokkal megmagyarázni. Nézzük az égbolt két ellentétes irányából érkező háttérsugárzást. Amikor az ősrobbanás után 300000 évvel a sugárzásokat forrásaik kibocsátották, a források egymástól 90-szer akkora távolságra voltak, mint az akkori horizont nagysága. Az ilyen távolságban lévő anyagfelhők soha sem lehettek oksági kapcsolatban egymással. Mégis olyan állapotban voltak, mintha valamikor egymással egyensúlyra vezető kölcsönhatásban álltak volna.

A felfúvódó világegyetem:

A felfúvódó modell kiindulópontja az, hogy bizonyos fajta elemi részek, a már korábban említett skalár tereknek megfelelő részecskék között a gravitáció taszító lehet. Ha a skalár terek energiája a világegyetem energiájának nagyobb részét teszik ki, akkor az ilyen összetételű világegyetem tágulása nem lassuló, hanem gyorsuló lesz. Amíg a skalár terek részecskéi nem bomlottak el az ismert közönséges anyag elemi részeivé, addig a világegyetem rohamos mértékben tágult.

Ezek a skalár terek a nagy egyesített elméletek szerint az X-részecskék bomlásakor, 10^-35 másodperccel az ősrobbanás után váltak a világegyetem fő alkotórészeivé és körülbelül 10^-32 másodperccel az ősrobbanás után bomlottak el közönséges anyaggá. Amíg az univerzum fő alkotórészei voltak, és a taszító hatások eredményeképpen a világegyetem fergeteges ütemben tágult, a mérete minden 10^-35 másodpercen belül megkétszereződött. Az adott időszakban a világegyetem térfogata a 10^80-szorosára, a sugara kb 10^-26 centiméterről kb. 10 centiméterre nőtt.

Ez a hatalmas méretű felfúvódás meg tudja magyarázni, miért ennyire egyenletes a világegyetem. A felfúvódó világegyetem modellje szerint a megfigyelhető világegyetem egésze egy olyan kis tartományból fejlődött ki, amelyik az ősrobbanás hagyományos modellje által adott tartománynál sokkal kisebb. Ebben a jóval kisebb tartományban a viszonyok kiegyenlítettek, a benne lévő anyag egyensúlyi állapotban van. Vagyis a kozmikus háttérsugárzás forrásai még a felfúvódó szakasz előtt szorosan érintkeztek egymással.

A háttérsugárzás nem teljesen egyenletes, ezt a COBE műhold 1992-es méréseiből tudjuk, mert a 300000 év tájt a világegyetemben sűrűségingadozások mutatkoztak. Ezek a sűrűségingadozások felelősek a galaxisokból, galaxishalmazokból stb. álló világegyetem nagyléptékű szerkezetéért. A kozmikus háttérsugárzás apró egyenetlenségeit kimutató COBE műhold adatai összhangban vannak a felfúvódó világegyetem modellje által jósolt ingadozások mértékével. A COBE értékei nem elég pontosak. A mostanában más eszközökkel végzett újabb mérések alátámasztották a Cobe által mért értékeket. A felfúvódó világegyetem modelljének jóslatait azonban még további pontosabb megfigyelésekkel kell igazolni. Két új műholdtól várunk jóval részletesebb, finomabb felbontású méréseket. A MAP műholdat nemrég bocsátották fel, hamarosan megérkeznek az általa mért pontosabb adatok is. A Planck Surveyor 2005-ben kerül Föld körüli pályára, tehát néhány éven belül tudni fogjuk, véglegesen elfogadható-e a felfúvódó világegyetem modellje, vagy inkább más kvantumkozmológiai modellek felé kell fordulnunk.

A felfúvódó világegyetem modellje és más kvantumkozmológiai modellek az ősrobbanás után 10^-32 másodperccel az ősrobbanás hagyományos modelljébe mennek át.

Kvantumkozmológia:

A kvantumkozmológiai modellek a korai világegyetem egészét egyetlen kvantummechanikai hullámfüggvénnyel jellemzik és a világegyetem fejlődését a hullámfüggvény időbeni változásaival írják le. A világegyetem hullámfüggvénye a Wheeler-DeWitt egyenlet megoldásaként kapható meg, ez az egyenlet a Schrödinger egyenlet kozmológiai megfelelője. Mivel a gravitáció kvantumelmélete, a kvantumgravitáció még nem létezik és a kvantummechanika korábban már tárgyalt értelmezési paradoxonai, mint a Schrödinger macskája paradoxon sem megoldott, a kvantumkozmológia hatalmas nehézségekkel küzd. Mindenesetre a Wheeler-DeWitt egyenletnek már számos megoldását tanulmányozták. A felfúvódó világegyetem is egy lehetséges kvantumkozmológiai megoldás.

Van másik, jól megalapozott kvantumkozmológiai megoldás is. Ezek szerint 10^-35 másodperc körül történő részecske átalakulások felelősek azokért a kezdeti egyenetlenségekért, melyek meghatározzák a világegyetem nagyléptékű szerkezetét. Ezeknek az egyenetlenségeknek a szerkezete egészen más, mint amiket a felfúvódó világegyetem 10^-32 másodperc körüli kvantummechanikai ingadozásai jósolnak. A COBE műhold adatai még nem tudnak a két modell jóslatai között különbséget tenni, a MAP és a Planck Surveyor mérőberendezéseit arra a célra tervezték, hogy megtudjuk, melyik modell az igazi.

Kaotikus felfúvódás:

Ha a felfúvódó világegyetem modellje igaznak bizonyul, akkor a világegyetemről alkotott képünk jelentősen módosul. Ebben az esetben tudomásul kell vennünk, hogy a világegyetem jóval több, mint a mi észlelhető világegyetemünk. Ugyanakkor azt is el kell majd fogadnunk, hogy a világegyetem többi részéről nem szerezhetünk közvetlen módon ismereteket, semmi érdemit nem tudhatunk róla és korlátaink vannak arra nézve is, mit tudhatunk meg az észlelhető, megfigyelhető világegyetemről.

Ha volt felfúvódás, akkor a kvantumkozmológiai alapozású, felfúvódást leíró modellek szerint előfordulhat, hogy a felfúvódás az ősrobbanás után 10^-35 másodperccel csak a világegyetem egy kisebb térrészére terjedt ki, illetve az is lehetséges, hogy különböző térrészek különböző mértékben fúvódnak fel. A világegyetem ezek szerint különböző mértékben felfújt buborékokból áll, a megfigyelhető világegyetemünk is egy ilyen buborékban van. A különböző buborékokban a legalapvetőbb mozgásegyenletek és a négy alapvető kölcsönhatás alakja ugyan azonos, a fizikai állandók azonban különbözőek lehetnek, azaz egymástól különböző törvények kormányozta világegyetemek léteznek egymás mellett és nem lehetnek oksági kapcsolatokban egymással, mert különböző téridő rendszerekbe ágyazódnak be.

Meg lehet mutatni, hogy ha létezik felfúvódás, akkor a már felfúvódott részben újabb tartományok fúvódhatnak fel. Azaz újabb és újabb 'ősrobbanások' indulhatnak be, és ez a folyamat a végtelenségig folytatódhatnak. Az, hogy hol, milyen területeken indulhat be újabb felfúvódás, véletlennek tekinthető, innen ered a kaotikus felfúvódás elnevezés. Minden lehetséges világegyetem megvalósulhat, a kedvezőbb világegyetemek tökéletesebbnek nevezhető alakokban újjászülhetik magukat. A kaotikus felfúvódás modelljének valóságtartalmáról néhány éven belül sokat többet fogunk tudni.

A gravitáció és a csillagok

Bár a négyféle kölcsönhatás közül a gravitáció a leggyengébb, mégis a gravitáció fejtheti ki a legerősebb hatásokat. Mint tárgyaltuk, a gyenge és az erős magerők hatása az atommagra korlátozódik. A gravitációnál sok nagyságrendben erősebb elektromágneses erők pedig vonzók és taszítók egyaránt lehetnek és az ellentétes hatású erők kioltják egymást. A tömegvonzási erő hosszú hatótávú, valamennyi tömeg vonzza az összes többi tömeget, ezért a gravitáció mértéke korlátlanul nőhet.

A gravitáció és a méretek:

Ha egy tárgyat nézünk, a felületén lévő testre ható tömegvonzási erő nem csak attól függ, mekkora a tárgy tömege, hanem attól is, mekkora a tömegvonzást gyakorló tárgy mérete. Például ha a Föld anyaga feleekkora sugarú gömbbe lenne tömörülve, akkor ennek a bolygónak felszínén a tömegvonzási erő négyszer akkora lenne, mint a földi gravitáció. Az oka ennek az, hogy a tömegvonzási erő a távolság négyzetével fordítottan arányos, ha tehát ugyanahhoz a tömeghez feleeakkora távolságra kerülök, négyszerakkora erő hat rám. Ha az égitest felületén tartózkodom, minél kisebb az ugyanolyan tömegű égitest sugara, annál nagyobb sebességre kell ahhoz felgyorsulni, hogy az égitesttől el lehessen szakadni. A végleges elszakadáshoz szükséges sebességet szökési sebességnek nevezik. Negyedakkora sugarú, ám ugyanolyan tömegű égitest esetén a szökési sebesség kétszeres.

Ha egy égitest annyira összeroppan, hogy a szökési sebesség eléri a fény sebességét, kritikus mérethez jutottunk. Ezt a tömeghez tartozó méretet az általános relativitáselmélet Schwarzschild-sugárként ismeri. Ha a tömeg a saját Schwarzschild-sugarán belül kerül, akkor már a fénysugár sem hagyhatja el, tehát láthatatlanná válik. A Föld Schwarzschild-sugara csupán néhány centiméternyi.

Kérdés az, hogyan alakítja a gravitáció a tárgyakat, mennyire roppanhat össze egy égitest, bezuhanhat-e egy csillag a saját Schwarzschild-sugarán belülre. Először a nagyobb tárgyak alakjával foglalkozunk.

A gravitáció és a tárgyak alakja:

Az egymással gravitációs kölcsönhatásban álló tömegek gömb alakba igyekeznek formálódni, mert energetikailag ez a legkedvezőbb. Ezért az égitestek csaknem gömb alakúak, a gömbtől való eltérés a égitestek forgásával értelmezhető. Nyilván annál könnyebben felveszi az égitest a gömb alakot, minél könnyebben el tudnak mozdulni az azt alkotó közeg részecskéi.

Ha egy test tökéletesen szilárd lenne, a részecskéi egyáltalán nem tudnának elmozdulni. Tökéletesen szilárd anyag azonban nincsen. Az üveg például túlhütött folyadéknak tekinthető, melynek részecskéi igyekeznek a lehető legmegfelelőbb alakot felvenni, igaz ehhez nagyon sok időre van szükség. A sziklák anyagának is van bizonyos fokú folyékonysága, a földkéreg alakváltozásai is ennek tulajdoníthatók. Ezért az égitestek, ha elég nagyok, hosszabb idő után gömbalakot vesznek fel. Ezt a megfigyelések igazolják, a néhány száz kilométeres méret felett a kisbolygók egyre inkább gömb alakúak.

Az, hogy egy testet a gravitáció össze tud-e roppantani, végsősoron a test szilárdságától és tömegétől függ. A Föld anyaga elég szilárd és a tömege elég kicsiny ahhoz, hogy a gravitáció ne roppanthassa össze. Ha az égitest gáz halmazállapotú, akkor a gáz belső nyomása állhat ellen a gravitáció összehúzó hatásának. A gáz nyomása a sűrűség és a hőmérséklet függvénye, a gravitáció összehúzó hatása pedig a gázfelhő tömegétől és sűrűségétől függ. Ha a gázfelhő elég nagy tömegű és az adódó anyageloszlási egyenetlenség miatt megkezdte az összehúzódást, a tömegétől függ, mi lesz a sorsa.

Csillagok, szupernova, neutroncsillag:

A gravitációs összehúzódás önmagát erősítő folyamat, erre nagyon jó példa a csillagok kialakulása. A csillag fejlődésének kezdeti szakaszában egy gravitációsan összehúzódó gáztömeg. A 3/4 rész hidrogén molekulából és 1/4 rész hélium atomból álló gázfelhő összehúzódása során minél közelebb kerülnek egymáshoz a gáz atomjai és molekulái, annál nagyobb erővel vonzzák egymást, annál jobban tömörödik a felhő, és így tovább. A sötéten kavargó, összefelé tömörülő gáz hőmérséklete az összehúzódás folyamán emelkedik. A helyi hőmérséklet attól függ, mekkora ott a gáz sűrűsége. Ezért a gáz hőmérséklete legbelül a legmagasabb, mert ott a legnagyobb a sűrűség. A hőmérséklet emelkedése az jelenti, hogy a gáz atomjai és molekulái egyre hevesebben ütköznek egymással és a jelenlévő fotonok is egyre nagyobb energiájúak. Egy idő után, a hőmérséklet további növekedésével beindul az atomok és molekulák szerkezetének felbomlása.

A szétvert atomok ütközései közben keletkező fény valamint a szétrepülő elektronok és atommagok kifejtette nyomás nem tudja megakadályozni a gravitációs összehúzódást. Ha a gázfelhő tömege eléri a Nap tömegének kb. 8%-át, az összehúzódás folytatódik, egészen addig, amíg a hőmérséklet emelkedése során a protonok annyira fel nem gyorsulnak, hogy beindulhatnak a magreakciók. A protonok fúziójával járó magreakciók energiatermelő folyamatok. A reakciókban keletkező, szétrepülő részecskék nagy energiával rendelkezve repülhetnek kifelé. Ezek nyomása megállítja a gravitáció okozta összehuzódást. A csillag egy hosszabb időtartamra egyensúlyi állapotba kerül. A csillag mindaddig ebben az állapotban marad, amíg a belsejében lévő hidrogén héliummá el nem ég.

A csillag sorsa végsősoron elsősorban attól függ, mekkora a tömege. A Nap összes hidrogénje héliummá alakul, majd a gravitáció egy ún. fehér törpévé nyomja össze a Napot. A fehér törpe egy kb földnyi méretű fehéren izzó csillag, amely összepréselődött atomokból áll. Ha a csillag tömege a Nap tömegénél nagyobb, akkor a fehér törpe nem héliumból, hanem valamelyik nehezebb elemből, például szénből vagy sziliciumból is állhat. A fehér törpe esetén a gravitáció nem elég erős ahhoz, hogy az atomokat összeroppantsa, a kvantummechanika törvényei egy bizonyos határig meg tudják ezt akadályozni. Az összeroppanó és így egyre kisebbé váló csillagban egyre kevesebb az elektronok rendelkezésére álló állapot és a Pauli elv alapján egy pályán csak egy elektron lehet. Az elektronok emiatt nem húzódhatnak tetszés szerinti térfogatba össze és a nyomásuk meg tudja akadályozni a csillag további összeroppanását. A fehér törpe lehűlve fekete törpévé alakul.

Ha a csillag tömege nagyobb, mint a Nap tömegének 1,4-szerese, akkor nem lehet belőle fehér törpe. A gravitáció akkor már annyira erős lesz, hogy a kvantummechanikai hatások sem tudják megakadályozni a csillag összeomlását. Az összeroppanás akkor gyorsul fel, ha a csillag belsejében már nincs energiatermelő atommagreakció. Ilyenek a vas keletkezéséig játszódhatnak le, a vasnál nagyobb rendszámú atommagok képződéséhez már energia szükséges. Ha a csillag magja már vassá alakult, többé már semmi sem állhat ellen a gravitáció nyomásának. A csillag összeroppanásának forgatókönyvét az határozza meg, mennyire nagy a csillag tömege.

A naptömeg 1,4 részénél nagyobb tömegű csillagok összeomlása egyúttal robbanáshoz is vezet. Miközben a csillag anyaga összeroppan, hatalmas mennyiségű energia szabadul fel, ezeknek köszönhetően ilyenkor vasnál nehezebb elemek is képződhetnek, a periódusos rendszer vasnál nehezebb elemei ekkor alakulnak ki. Az energia jelentős része az összeomló csillag belsejében keletkezik és neutrinók energiájaként szabadul fel. A neutrinók az anyaggal igen gyengén hatnak kölcsön, ezért kijuthatnak a csillag belsejéből. A csillag összeomlásakor a kifelé tartó sok-sok neutrinó a befelé zuhanó nagysűrűségű anyagra kifelé irányuló nyomást gyakorol. Ennek eredményeképpen az összeroppanó csillag külső rétegei leválnak és szétrepülnek. Ez a folyamat a szupernovarobbanás.

A szupernova fénye a robbanás környéki pár napban olyan hatalmas, hogy akár a szupernovát tartalmazó galaxis ragyogását is elnyomhatja. Egy átlagos galaxisban évszázadonként 2-3 szupernovarobbanás történik. A távcsövek felfedezése óta a Tejútrendszerben közeli szupernovarobbanás nem történt, viszont 1987-ben galaxisunk egyik kisebb kísérő galaxisában, a Nagy Magellán-felhőben volt szupernovarobbanás. Ezt részletesen megfigyelhettük. Az eredmények igazolták, hogy a szupernovákról alkotott modelljeink alapvetően helyesek.

A felrobbant szupernova megmaradt belső tartománya az összeroppanás során egyre jobban sűrűsödik. Olyan nagy lesz a belső hőmérséklet, hogy az atomok elektronjai befogódnak az atommagokba és az atommagok protonjait neutronokká alakítják. A hatalmas nyomás a már csak neutronokból álló csillagot atommag sűrűségre roppantja össze, az egész csillag egyetlen hatalmas atommagnak tekinthető. Az ilyen csillagot neutroncsillagnak nevezzük. A neutroncsillagoknak hatalmas mágneses terük van és a forgó neutroncsillagokkal a mágneses terük is együtt forog. Ezért a forgó neutroncsillagok, a pulzárok igen erős, szabályos sugárzást bocsátanak ki. A Rák-ködben is, amely a kínai csillagászok által megfigyelt szupernovarobbanás maradványa, van egy pulzár, melynek a sugárzási periódusideje kb. 1 másodperc. Eddig már neutroncsillagok százait figyelték meg.

Lehet, hogy a szupernova maradványából képződött neutroncsillag állapot csak egy átmeneti állomás a csillag életében. A neutroncsillag tömege olyan hatalmas, és a csillag annyira kicsiny, hogy a neutroncsillagról való szökési sebesség megközelítheti a fénysebességet. Vannak ilyen megfigyeléseink, úgyhogy nyugodtan feltételezhetjük, léteznek olyan nagy tömegű neutroncsillagok is, ahol a szökési sebesség eléri illetve meghaladja a fénysebességet. Ezek a neutroncsillagok fekete lyukakká alakulnak. A nem látható fekete lyuk sugara az összeomlott csillag tömegének megfelelő Schwarzschild sugarának felel meg. Háromszoros naptömegű fekete lyuk Schwarzschild sugara kb. 9 kilométer.

Fekete lyukak:

Nem tudjuk pontosan, hogyan roppan össze a neutroncsillag, melyek az összeomlás állomásai. A neutroncsillag belső szilárdsága sem lehet végtelen. A szilárdság oka erők létezése és az erőhatások terjedésének sebessége a relativitáselmélet szerint nem haladhatja meg a fénysebességet. Az erőhatások anyagban való terjedési sebessége az anyagbeli hangsebességnek felel meg. Minél szilárdabb az anyag, annál nagyobb a közegben a hangsebesség. A közegbeli hangsebesség sem haladhatja meg a fénysebességet, ez lenne a helyzet a Napnál kb. háromszor akkora tömegű neutroncsillagok esetén. Ilyen szilárdságú neutroncsillagok ezért nem létezhetnek, egyedüli lehetőség a neutroncsillag teljes összeomlása.

A fekete lyukká összezuhant csillag gravitációs tere annyira erős, hogy azt még a fénysugár sem hagyhatja el. Ezért a csillag a szó szoros értelmében láthatatlanná válik. Csak gravitációs erőterének hatásait észlelhetjük. Ha a fekete lyuk egy kettős csillag egyik tagja, akkor a másik, amit mi a fényét látva észlelünk, pályamozgást végez a fekete lyuk körül. Továbbá a dagály jelenségéhez hasonlóan a fekete lyuk izzó gázt ragadhat magához a társcsillag felszínéről. A gáztömegnek a fekete lyukba való zuhanása közben hatalmas energiák szabadulnak fel, amelyeket sugárzásként észlelünk.

Fekete lyuk nem csupán egy csillag összeomlása végén alakulhat ki. Hatalmas tömegű fekete lyukak keletkezhettek a galaxisok közepén. A Tejútrendszer középpontjában is lehet egy milliós naptömegű fekete lyuk. Az ilyen fekete lyukak hatalmas kitörések és nagyon erős sugárzások forrásai. A kvazároknak nevezett égitestek is valószínű óriási fekete lyukak, amelyek galaxisok közepén helyezkednek el.

Nem tudhatjuk, mi lehet egy fekete lyukon belül. A fekete lyuk gravitációs tere, ahogy közeledünk hozzá, nagyon erősen nő, s mivel a fejünkre és a lábunkra erősen különböző erő hatna, a fekete lyukhoz való közeledés egyszerűen szétszaggatna bennünket. Továbbá a fekete lyukhoz közeledve nemcsak a tér változik nagyon erősen, hanem az idő is lelassul. Tételezzük fel, nem szakadunk szét és bejutunk a fekete lyukba. A fekete lyuk horizontján áthaladva, ez a Schwarzschild sugárnyi távolság átlépését jelenti, ezen már a fény sem tud kijutni, elvesznénk a külvilág számára. Az idő lelassulása miatt a külső megfigyelő azt látná, hogy közeledünk a fekete lyukhoz, de azt sohasem érjük el. Számunkra a saját időnk szerint telnének az események, a horizont átlépése nem jelentené valamely különleges határ átlépését.

Időutazás:

A fekete lyuk határának átlépése azzal járna, hogy onnan nem térhetünk vissza, mert abból a fény sem jöhet ki. Mint előbb említettük, végtelen ideig tart a bejutás, tehát onnan nem lehet visszajönni. Ha mégis bemennénk és kijönnénk, akkor a külső megfigyelő azt látná, hogy kijöttünk, mielőtt bementünk volna, azaz időutazást téve a jövőből kerülünk vissza.

Ki lehet-e jönni a fekete lyukból? Ha a fekete lyuk nem forog, akkor minden anyag bezuhan a közepébe, ahol végtelen nagy a sűrűség, úgy mondják, szingulárissá válik az állapot. Ilyen fekete lyukból ezért nem lehet visszajönni. Forgó fekete lyukak esetén már nem ennyire rosszak a kilátások. A beeső anyag útját követve egyes modellek szerint az anyag egy másik téridőbe, másik világegyetembe jut át, ahonnan ide, a mi téridőnkbe nem térhet vissza. A másik világegyetem megfigyelője vajon minek látná az odavezető fekete lyukat? A modellek szerint kifelé törő anyagfelhőnek, ún. fehér lyuknak. Van olyan feltevés, hogy a kvazárok is ilyen fehér lyukaknak felelnek meg. Ezeket a feltevéseket kevés kozmológus veszi túl komolyan. Mint tárgyaltuk, az általános relativitás elmélete nagyon kis méretekre nem érvényes, a szingularitások közelében a kvantumgravitációs hatások meghatározókká válnak és ezért az ilyen modellek erősen spekulatívak.

Megmutatható, hogy a skalár terekhez hasonló taszító gravitációs tulajdonságot felmutató egzotikusnak nevezhető anyag jelenlétében elképzelhető az időutazás. Ekkor a görbült téridő áthidalható, az áthidalók az ún. féreglyukak. A féreglyukak a sík geometriájú téridő tartományait is összeköthetik, segítségükkel időutazás tehető.

A Naprendszer és a Föld

Eddigi ismereteink szerint a Földön kivül máshol a Naprendszerben, a Tejútrendszerben, más galaxisokban nincs az égitestek felszínén élet, nem találjuk a Földön kivüli élet nyomait. Ez felveti azt a kérdést, hogy miért éppen itt a Földön jött létre az élet, mennyiben lehet a Naprendszer, a Föld kivételesen kedvező hely az élet keletkezése és fennmaradása számára. Ennek a kérdésnek a vizsgálatához röviden áttekintjük, mit tudunk a Naprendszer és a Föld keletkezéséről.

A Naprendszer keletkezése:

A Tejútrendszerben az évmilliárdok során sokmillió szupernovarobbanás történt. A robbanások pora belekeveredett a galaxis gázfelhőibe. Az ilyen gázfelhők egyensúlyban vannak és hacsak valamilyen külső hatás nem befolyásolja őket, egyensúlyban is maradnak. A későbbi Naprendszer anyagát szolgáltató hatalmas gázfelhő közelében kb. 4,57 milliárd éve szupernovarobbanás történt. A Naprendszer gázfelhői ütköztek a robbanás során keletkezett hatalmas gáz és porfelhővel. Az ütközés eredményeképpen az addig nyugvó gázfelhő egy része összesűrűsödött és magához vonzotta a felhő többi részét is. Megindult a Nap kialakulása, a Nap tömege a Naprendszer tömegének 99,85%-a.

A szupernovarobbanásból származó lökéshullám és anyagfelhő a Naprendszer gázfelhőjével úgy ütközött, hogy az eggyéolvadt és összehúzódó felhő forogni is kezdett. A gázfelhő perdülete miatt a Nap nem tudta a teljes anyagmennyiséget magába vonzani, annak több mint egy ezreléke kivül maradt. Ez az anyag a bolygók és a bolygóközi anyag alkotórészévé vált. A Nap, a bolygók, a Naprendszerben lévő kisbolygók, metoritok tehát együtt alakultak ki, nyersanyaguk közös. Nézve a különböző kémiai elemek izotópjainak földi arányait azt találjuk, hogy ezek megegyeznek a Nap, a Hold, a meteoritok kémiai elemeinek izotóparányaival, ami azt bizonyítja, hogy az egész Naprendszer egyszerre, egyetlen anyagfelhőből jött létre.

Miközben a Nap anyagát alkotó gázfelhők a központ felé húzódtak, a bolygók övezetében lévő por és kőzetdarabkák is vonzották egymást. Az ütközések hatására összetömörödtek, egyre nagyobb darabokká álltak össze. Egy almányi kőzetdarab összetömörűléséhez kb. száz év szükséges, egy földnyi nagyságú bolygó százmillió év alatt alakulhatott ki. A Föld teljes kialakulásához kb. száztíz millió év kellett.

A Nap maga már jóval hamarabb működni kezdett. Az izzó Napból kiáramló nagyenergiájú protonok és hélium atommagok, ezek alkotják a napszelet, ütköztek a Naphoz közelebbi övezetekben lévő gázatomokkal és molekulákkal és kiütötték őket a Naprendszer külső tartományaiba. A könnyebb gázok a hőmozgás miatt egyébként is illékonyabbak, ez a hatás is hozzájárult ahhoz, hogy a belső bolygók légkörében nincs hidrogén molekula és hélium. A meleg Naphoz közel kristályosodott fém-oxidokból és fém-szilikátokból épültek ki a belső égitestek: Merkur, Vénusz, Föld, Hold, Mars. A Naptól távoli bolygók, a Jupiter, Szaturnusz, Uránusz, Neptunusz hatalmas gázfelhőkből, hidrogénből, héliumból, metánból formálódtak.

A Föld születéséről:

A Földet alkotó szemcsék a gravitációs összehúzódás, az ütközések valamint az alkotó elemek radioaktivitásának hatására részben megolvadtak. A radioaktív bomlás során energia szabadul fel és ez hővé alakul. A Föld belsejében még ma is létező sokezer fokos hőmérsékletet is a radioaktivitás tartja fenn. 4,5 milliárd évvel ezelőtt a radioaktivitás szintje még sokkal magasabb volt. A legmagasabb hőmérsékletek a Föld belsejében alakultak ki. Ide süllyedt le a megolvadt vas és nikkel.

A összetömörödött por és kőzetdarabkák még bőven tartalmaztak gőzöket, gázokat és rájuk fagyott vizet. Eredetileg a Nap heve a csak a szemcsékhez kevésbé kötött illó anyagokat tudta eltávolítani. A megolvadt kőzetek gáz és gőztartalma a vulkáni működés során a felszínre tört. A Föld ősi légköre tehát másodlagos folyamatok eredménye, a szemcsék által megkötött gázokból és gőzökből származik. A légkör anyagának egy további része a Naprendszer belsejét rendszeresen látogató üstökösök anyagából került ide, az üstökösök nagy mennyiségű vízgőzzel, széndioxiddal és kisebb szerves molekulákkal terítették be a Földet. A vékony, megszilárdult földkérgen lecsapódott a vízgőz, kialakult az ősóceán. A kontinensek még nem alakultak ki, csak a vulkánok létrehozta szigetek emelkedtek a vízszint fölé. A Föld légkörét elsősorban széndioxid, kevés nitrogén és vízgőz alkották, nyomokban volt benne még ammónia, metán, kénsav és sósav is. A Földdel ütköző kisbolygók, meteoritok óriási krátereket ütöttek a földkérgen. Az ütközések energiája akár az óceán vizét is felforralhatta és törmelékei szigeteket építhettek.

A légkörben lévő széndioxid hatására működésbe lépett az üvegházhatásként ismert jelenség is, amely növelte a felszín hőmérsékletét. Ugyanakkor a víz és a savak hatására beindult a kémiai mállás. A savas víz oldja a kőzetek egyes elemeit. Ezen oldott elemek közül legfontosabbb a kálcium. A kálcium megköti a légkör széndioxidját miközben mészkő keletkezik. Ha a légkörben kevesebb a széndioxid, alacsonyabb lesz a hőmérséklete. Ekkor vízpára csapódik ki a légkörből és még kedvezőbbé válik a széndioxid légkörből való kivonásának feltételei. Az öngerjesztő folyamat eredményeként a Föld felszíni hőmérséklete egyre csökken, az óceánban lévő víztömeg egyre nő.

A kozmikus katasztrófák kb. négymilliárd évvel ezelőtt kezdtek ritkulni, az utolsó nagy katasztrófa 3,8 milliárd éve volt. A kontinensek keletkezésének korát innen számítjuk, a legidősebb kőzetek körülbelül ilyen idősek lehetnek. A Föld légkörét, felszínének jellemzőit ezek után az élet kialakulása is erősen befolyásolta. A Föld lakhatóságának feltételeiről:

Ha a szupernovarobbanás felhőjének tömege vagy a felhő sebessége, mozgásiránya egy kicsit is más lett volna, a Naprendszer felépítése, a Nap tömege, a bolygórendszer szerkezete, az egyes bolygók nagysága, helye is más lenne. A Naprendszer keletkezése is kaotikus folyamat, nagyon sok függ a kezdeti feltételektől. Ha a Naprendszer anyagául szolgáló felhő lassabban forog, nagyobb lesz a Nap tömege, így kisebbek lesznek a bolygók és másutt helyezkedhetnek el. Máshogy oszlott volna el az anyag a Naprendszerben, a Földnek nem lenne holdja, más lenne a Föld anyagának kémiai összetétele, forgási sebessége. Mindezek a feltételek mássá tették volna a bioszférát vagy egyáltalán, itt a Földön lehetetlenné vált volna az élet kialakulása. Minél részletesebben tanulmányozzuk az élet feltételeit, annál inkább meggyőződhetünk arról, hogy a felszíni élet földi létezése számos tényező szerencsés egybeesésének köszönhető.

Az élet létezésének alapvető feltétele a víz folyékony halmazállapotban való létezése. Ha a víz gőz vagy jég állapotban van jelen, nincs esély a bonyolultabb összetételű szerves vegyületek kialakulásához. A víz létezése az égitest nagyságától, a csillagtól való távolságától, pályának alakjától, légkörének összetételétől, és még sok más tényező összjátékától függ. Az egyes égitestek felszínén egy időre megjelenhet a víz, de el is tűnhet, példa erre a Mars, ahol 3,5 milliárd éve még volt víz. A Föld annyira távol van a Naptól és olyan nagy a tömege, hogy meg tudta őrizni illó gázfelhőinek egy részét. Ennek köszönhetően víz halmozódhatott fel rajta. Ha a Naphoz közelebb lenne, a napszél lefújta volna róla a vizet.

Példának nézzük meg röviden néhány tényező hatását. Az élőlények csak olyan bolygón jelenhetnek meg, amelyek egy, a Naphoz hasonló csillag körüli ún. 'lakható zónán' belül helyezkednek el. A bolygó pályja nem nagyon térhet el a körtől, mert az elnyúltabb ellipszis pályán keringő bolygó néha túl közel, máskor túl messzire kerül az energiát sugárzó csillagtól. Az ilyen bolygón kialakuló időjárási szélsőségek lehetetlenné tehetik a nagyon összetett élő rendszerek fejlődését. Hasonló módon a bolygó forgási ideje, a nap hossza sem lehet akármekkora. Ha a nap túl hosszú, akkor a hosszú éjszaka miatt a sötét oldalon nagy lesz a lehűlés és az időjárás ismét túlságosan szélsőséges lesz.

A nagy tömegű kísérő bolygó, a Hold, az árapály jelenségeken keresztül meghatározó módon befolyásolta a földi élet kialakulását. Továbbá ha nincs a Föld mellett egy ilyen nagy tömegű bolygó, akkor a forgástengelye erősebben ingadozhatna. Ekkor a viszonyok annyira szélsőségesek lennének, hogy a felszíni élet kifejlődése nem lett volna lehetséges. A körülmények szerencsés összejátszásának tulajdonítható, hogy a Föld felszínén nincsen globális köd, nincsenek hatalmas porviharok, az üvegházhatás évmilliárdok óta nagyjából egyenletesen működik. Ha a Naprendszer egyéb égitestjeit, a és a Jupiter nagyméretű holdjait nézzük, jobban megérthetjük, mennyire sok tényező játszik szerepet abban, hogy a Földön évmilliárdok óta hullámozhatnak az óceánok, és évmillárdok óta nagyjából azonos a Föld felszínének átlaghőmérséklete. A Jupiternek újabb felismerések szerint nagy szerepe van abban, hogy a Földet viszonylag ritkán sújtják a kozmikus katasztrófák, ugyanis az óriási bolygó magához vonzza a kozmikus törmelékek túlnyomó részét, amik így elkerülik bolygónkat.

A Föld felszíni viszonyainak évmilliárdokon át létező viszonylagos kiegyensúlyozottsága örökös változásokon keresztül munkálódik ki. A Föld légköri viszonyainak állandósága kapcsolódik ahhoz, hogy a földkéreg állapotváltozásai is hasonlóan viselkednek, az állandó változás az egész rendszer kiegyensúlyozottságára vezet.

A Föld felszínének 71%-án óceánok terülnek el, 29% a szárazföldek aránya. Ez a viszony a földkéreg aktivitására vezethető vissza. Ha a kéreg merev lenne, akkor a víz, a szelek puszító hatása, az erózió egyenletesre koptatná a szilárd anyagot és a szárazföldeket szerte a bolygón mindenütt azonos mélységű vízréteg borítaná. A földkéreg azonban állandó változásban van, kb. tucatnyi nagyobb és jónéhány kisebb lemezre van szabdalva, amelyek lassú mozgásban vannak. Ez a kontinensvándorlások magyarázata. Amerika és Európa évente pár centit távolodnak egymástól. A kéreglemezek mozgásának oka az, hogy a Föld belseje meleg, de a nehezebb elemek nem süllyedtek le mind a Föld belsejébe, a kéreg megdermedése hamarabb következett be. Emiatt a belső rétegek átalakulása folyamatban van, a rajtuk lévő lemezek pedig csúsznak, mozognak. A lemezek találkozása hegységek keletkezéséhez vezet, mindezt vulkánikus tevékenység, földrengések kísérik. A hegységek magasságának az szab határt, hogy a hegyek súlya akkora erőt gyakorol a hegység alatti kőzetekre, hogy azokban az atomi és molekuláris kötések széttöredeznek. Emiatt a kőzet olvadáspontja nyomásfüggő, a nyomás növelkedésével a kőzet szilárdsága csökken, a hegység szépen belesüllyed a földkéregbe, addig, amíg az alapjára ható nyomás annyira le nem esik, hogy az alapban lévő anyag megszilárdulhat. A Himalája magassága kb. a lehetséges magasság közelében van, a Mount Everestnél sokkal magasabb hegycsúcs nem létezhet.

Az erózió viszont egyenletessé igyekszik koptatni a felszínt, az eső, a szél és a folyók a magasabban fekvő anyagot az alacsonyabban lévő helyekre hordják. Az így keletkezett anyag, a tengeri állatok maradványai által képzett üledék a lemezek összetorlódásakor a forró köpenybe kerül, ott megolvad, keveredik a köpeny anyagával, majd az így átdolgozott anyagot a vulkánok a felszínre vetik. A Földön ez a lemeztektonikának nevezett folyamat már többször is lejátszódott, összehordva majd széttörve a szárazföldeket.

Azt mondhatjuk, hogy a Föld felszíne az önszerveződő kritikusság állapotában van, a kisebb-nagyobb katasztrófák ennek természetes velejárói. A Föld felszíne mint önszerveződő kritikus rendszer természetesen összehasonlíthatatlanul bonyolultabb viselkedést mutat, mint a önszerveződő kritikusság példájaként tárgyalt homokdomb. A felszíni viszonyok alakulásában igen fontos szereplője maga a bioszféra, a Föld élővilága is.

Az élet és a DNS

Nehéz pontosan meghatározni, mit nevezünk élőnek. A szaporodási és növekedési képességgel az élettelen is rendelkezhet. A tűz terjed, a kristályok is növekednek. Igazából nehéz az élő és az élettelen közötti határt megvonni. Például a vírus csak a gazda szervezetének segítségével tud szaporodni. Ha a virust azonban elszigetelt állapotában vizsgáljuk, száraz porként jelenik meg előttünk.

A DNS mint információhordozó

A magas fokú szervezettség mindenképp az élő sajátja. Az élő meghatározásához hatalmas mennyiségű információ szükséges, ennek hordozója a DNS(dezoxiribonukleinsav). Az élő szervezetek közös jellemzője, hogy valamennyi szervezettsége a DNS molekulára épül. A DNS az élőlény minden egyes sejtmagjában teljes egészében jelen van. Az élőlény egy adott sejtjében a DNS-nek csak az a része aktív, amely a sejt működéséhez szükséges.

A DNS információtartalmának tárolását a nyelv szabályaihoz hasonlíthatjuk. Rendszeres, ritmikus ismétlődés, ami a kristályokat jellemzi, nincsen. Egy verssor 'Hazádnak rendületlenül..' nem tartalmaz egyszerű ismétlődő sorozatokat. Hasonlóan a DNS láncon lévő bázisok sorozata sem jellemezhető valamiféle szabállyal. A kódolás mikéntjét nem az egyszerű fizikai vagy kémiai törvények, hanem a biológiai folyamatok milyensége határozza meg.

Fehérjék:

A sejt életét fehérjék termelődése, működése szabályozza, az enzimek és hormonok is fehérjemolekulák. A DNS az életfolyamatok vezérléséhez szükséges fehérjék készítéséhez adja a receptet. A fehérjéket 20 alapvető aminosav építi fel, egy fehérje általában ötventől tízezerig terjedő számú aminosavból áll. A DNS a fehérjét felépítő aminosvakat kódolja, meghatározva a fehérjetermelés folyamatát, azt, hogy mikor, melyik aminosav épüljön be a fehérjét alkotó láncba. A fehérje alakja, elektromos és egyéb tulajdonsága érzékenyen függnek attól, milyen a fehérjét felépítő aminosavak sorrendje. Az egyes aminosavak meghatározott módon kötődhetnek egymáshoz, ezért akár egyetlen aminosavnak egy másikra való cseréje is komoly változást idézhet elő. Ha ugyanis az adott helyen egy másik aminosav szerepel, akkor ott másféle módon csavarodhat a fehérjelánc, és emiatt más lehet a fehérje egészének alakja és változhatnak tulajdonságai is.

Genetikai kód:

Míg a számítástechnika bináris kódolással dolgozik, a DNS kódja négyes alapú, merthogy négyféle bázis létezik, a jelöléseik T, C, A, G. A másik kémiai nyelvet a 20 alapvető aminosav ábécéje adja meg. A két kémiai nyelv közötti kapcsolat megtalálása, miszerint a DNS bázisai hogyan kódolják a fehérjék felépítéséhez szükséges aminosavakat, jelentette a genetikai kód megfejtését. Egy aminosavat a DNS 3 egymás melleti bázisa jelöl ki, tekintve, hogy négyféle bázis létezik, 3 bázis 4^3=64 aminosavat tudna kódolni. A fehérjék gyártása közben a DNS a sejtmagban marad. A sejt többi részével való kapcsolattartás és a fordítás egy másik nukleinsav, az RNS (ribonukleinsav) feladata. A genetikai kódban a T betű az U betű szerepel, mivel a DNS-ről leolvasott információt közvetítő RNS molekulában a T jelű bázisnak az U jelű bázis felel meg. Mivel csak 20 aminosav játszik szerepet, ugyanazt az aminosavat többféle bázishármas is jelölheti, például a GUU, GUC, GUA, GUG bázishármasok ugyanazt az aminosavat, a valint, a GAA és GAG bázishármasok pedig a glutaminsavat kódolják. Az aminosavak jelölésére a 64 közül csak 61 szolgál, három bázishármas a gén kezdetét illetve végét jelöli ki. A genetikai kód univerzális, minden élőre azonos. Ez is az élővilág közös eredetét bizonyítja.

Az egyetlen fehérjét kódoló DNS-szakaszt génnek nevezzük. A teljes DNS-lánc nagyon hosszú, embernél méteres nagyságrendű. A DNS ezért nem egyetlen hosszú láncba, hanem kromoszómákba rendeződik. A kromoszómák a DNS láncot megfelelően felcsavarodott alakzatokban tartalmazzák. Az embernek 46 kromoszómája van. A géneket a kromoszómák megkettőződve tartalmazzák, az egyik gén az apától, a másik az anyától származik. Hogy a kettő közül éppen melyik határozza meg a kódolt tulajdonságot, azt a genetika törvényei szabják meg.

Az információ védelme:

A DNS kettős spirálja az információt két egymás felé forduló szálban megkettőződve tartalmazza. Ezért ha az egyik szálat valamilyen külső hatás elszakítja, megrongálja, a javító enzimek a másik szálon lévő információt felhasználva gyorsan helyreállítják az eredeti állapotot. A szál szakadását általában valamilyen agresszív vegyület idézi elő, ezeket mint mérgeket ismerjük. A radioaktív sugárzás elsősorban így, agresszív vegyületeket állítva elő, rongálja meg a DNS-t, ritkább az, hogy a közvetlenül a sugárzás szakítja el a szálat.

Míg az egyszeres szálszakadást a javító enzimek szinte azonnal eredményesen kezelik, a kétszeres szálszakadást okozó támadás már nem javítható ki. A kétszeres szálszakadások a sejt működési zavaraihoz, pusztulásához vezethetnek, rákos folyamatok kiinduló állapotát képezhetik.

A legegyszerűbb baktérium génjeiről:

A legegyszerűbb ismert baktérium 517 génnel rendelkezik, ezeket pontosan feltérképezték. Ismert, hogy az élettevékenységekhez a DNS lánc nem minden egyes génje egyformán fontos, vannak olyan gének is, amelyek ugyan ott vannak a DNS-ben, de eddig szükségtelennek vélték őket. Feltételezik, hogy ezek ténylegesen sem valók semmire, már ami a fennmaradáshoz és szaporodáshoz kapcsolódna. Találomra megrongálva géneket, meg lehet mérni, hány gén játszik tényleges szerepet a baktérium életében. A vizsgálatok szerint a valóban szükséges gének száma 265-350 között van, ezek közül kb. száz génnek a szerepét még nem ismerik. A hemoglobint kódoló információ:

A gének működésének szemléltetésére nézzük meg, milyen a hemoglobin készzítésének eljárását megadó gén szerkezete. A hemoglobin molekula többek között négy fehérjeláncot is tartalmaz, két ún. alfa és két béta láncot, mind a 4 lánc 146 aminosavból áll. A következő sorokban a béta lánc aminosavsorrendjét adjuk meg. A felső sor az emberre, az alsó sor a nyúlra vonatkozik. Az aminosavakat az irodalomban szokásos módon nagybetűvel jelöljük, például V a valint, H a hisztidint, L a leucint, E a glutaminsavat kódolják.

VHLTPEEKSAVTALWGKVNVDEVGGEALGRLLVVYPWTQRFFESFGDLSTPDAVMGNPKVKAHGKKVLGAFSD emberben; 1-78 VHLSSEEKSAVTALWGKVNVEEVGGEALGRLLVVYPWTQRFFESFGDLSSANAVMNNPKVKAHGKKVLAAFSE nyúlban; 1-78

GLAHLDNLKGTFATLSELHCDKLHVDPENFRLLGNVLVCVLAHHFGKEFTPPVQAAYQKVVAGVANALAHKYH emberben; 79-146 GLSHLDNLKGTFAKLSELHCDKLHVDPENFRLLGNVLVIVLSHHFGKEFTPQVQAAYQKVVAGVANALAHKYH nyúlban; 79-146

Látható, hogy az ember és a nyúl hemoglobinjának a béta lánca 91%-ban azonos. Az ember és a szarvasmarha hemoglobinjának béta lánca 85%-ban azonos, a tyúkra ez az érték 69%, a pontyra 53%. Az ember és a gorilla hemoglobinjának a béta lánca csak egyetlen aminosavban tér el, azaz a hasonlóság 99%-os. A hasonlóságok értelmezésével később foglalkozunk.

Most azt vizsgáljuk meg, mi történhet, ha az ember megfelelő génszakasza, amely a hemoglobin béta lánca esetén 3*146=438 bázisból áll, csupán egyetlen bázisban is eltér a fenti aminosavsorrendet meghatározó génszaksztól. Erre a jól ismert példa a sarlós vérszegénység kórképe, amely az afrikai fekete népességben meglehetősen gyakori. Ekkor a fenti 146 aminosav közül a hatodik helyen nem E, azaz glutaminsav, hanem V, valin áll. A két aminosavat kódoló bázishármasok E-re GAG, V-re GUG, azaz a két aminosavat kódoló rész a bázishármas második tagjában tér el egymástól. Az egyetlen aminosavban való eltérés ahhoz vezet, hogy míg a fenti 148 aminosav lánca gömbbé csavarodik fel, addig a hatodik aminosavban eltérő lánc ugyan gömb lesz, de a gömbből kinyúlik egy kis farkinca. Emiatt a hemoglobin molekulák egymáshoz tudnak tapadni, más lesz a vér vörösvértestjeinek az alakja is, ez a mikroszkópon látható sarló alak a gömb helyett, ami vérkeringési zavarokat, súlyos betegséget okoz. A különböző élőlények genomjainak összevetése: A genom a genetikai állomány, a DNS-ben lévő gének összességét jelöli. Az ember életműködéséhez szükséges fehérjék termelését kb. 35000 gén vezérli. Az ember génjeinek feltérképezését mostanában fejezték be, az eredményeket 2001 februárjában közölték.

Korábban azt tételezték fel, hogy az ember és általában a fejlettebb élőlények összetettebb életműködései egyszerűen több gén, azaz többféle fehérje működésének tulajdonítható. Kiderült azonban, hogy az embernek nincs sokkal több génje, mint a nála jóval egyszerűbb szervezetű férgeknek. Az egyik nagyon alaposan tanulmányozott, száznál kevesebb sejtből felépülő fonálféregnek 19000 génje van, ami nem sokkal kevesebb, mint az ember 35000 génje. Ez arra utal, hogy a genom nem egyszerűen a gének egymásmellettiségét jelenti. Miközben a gének hasonlók, ugyanolyan típusúak, az egyik állomány a fonálférget, a másik az embert építi fel, működteti. Sok gén szinte minden élőben megtalálható. A gének csak egyszerű építőköveknek tűnnek. Mint ahogyan ugyanolyan építőkövekből lehet disznóólat és palotát is építeni, a géneket működtető rendszer a meghatározó, az hogy a szervezet miként használja őket. Szó sincs tehát arról, hogy az élőlények egyszerűen a gének túlélőgépei lennének, ahogyan azt a genetika szélsősőgesen redukcionista értelmezői még egy évvel ezelőtt is képzelték.

A genom tehát nem a gének egyszerű összessége. Például a DNS-nek ugyanaz a szakasza a szervezet fejlődésének különböző szakaszaiban különböző géneket kódolhat. A magasabban fejlett lényeknek nincs sokkal több génjük, hanem a génjeik bekapcsolása, müködésének összehangolása a különböző. Korábban a DNS-nek azokat a részeit, amelyek nem pont valamilyen génnek feleltek meg, egyszerűen feleslegesnek tekintették, amit csak történeti okoknál fogva hurcol magával a DNS. Mostanára kezdik felismerni, hogy a DNS-nek ezek a részei - az emberi DNS-nek csupán 5%-a feleltethető meg génnek, a többit régebben szükségtelennek tartották -, a géneket vezérlő tartományt alkothatják.

Az élővilágban a szervezet összetteségét azzal jellemzhetjük, hogy milyen módon aránylik a DNS állomány hossza a benne lévő gének számához. A baktériumok és egyszerű szervezetek, mint a fonálféreg tényleg elsősorban a génjei egyszerű összességének tekinthetők, mert a DNS állományuk nagyrésze működő gén. Minél fentebb jutunk a törzsfán, annál nagyobb lesz az egyetlen génre jutó vezérlő egységek hossza. Az ember esetén a vezérlő egységekben lévő bázisok száma akár hússzor akkora is lehet, mint a ténylegesen működő géneket alkotó bázisok száma.

A géneket vezérlő különböző bekapcsoló, összehangoló rendszerek erősen függhetnek a környezeti hatásoktól. Korábban azt hitték, hogy az egyes betegségek egyszerűen az egyes gének mutációnak tulajdonítható, lásd a fenti példát a sarlós vérszegénységre. Mára már máshogyan vélekednek. A sejt működése nem az egyes gének működésének az egyszerű összege. A különböző gének által termelt fehérjék kölcsönhatnak egymással és ezek a kölcsönhatások, visszahatások döntik el, hogyan működik a sejt. Mivel a sejtbe kívülről is bejutnak molekulák, a szervezet egésze is hat arra, miként viselkedik a sejt. A betegség a szervezet egészének a zavara. Egyre több megbetegedésről mutatják ki, hogy számos gén egyidejű hibás működése a baj okozója. Ha mondjuk a féltucatnyi rosszul működő génből csak egy is megfelelően teljesítené a feladatát, az adott rákbetegség egyszerűen nem fejlődhetne ki.

Transzkripciós faktorok:

Az, hogy a DNS egy génje mikor lép működésbe, azaz mikor épül fel, készül el az általa kódolt fehérje, kulcsfontosságú kérdés. Ha a fehérje nem a megfelelő időben készül el, az a sejt működési zavaraihoz, a szervezet megbetegedéséhez vezet. A DNS génjei és a sejtben éppen működő fehérjék kölcsönhatása

szabja meg, hogy éppen milyen géneknek kell működésbe lépni ahhoz, hogy az életműködés megfelelő állomásaként újabb fehérjék termelődjenek.

A sejt életfolyamatainak vezérlését, a fehérjék és a gének együttműködésének összehangolását az ún. transzkripciós faktorok hálózata végzi. Egy transzkripciós faktor több génhez és egy gén több transzkripciós faktorhoz is kötődhet. Van egy olyan eljárás, amely lehetővé teszi, lássuk, éppen melyik gén került bekapcsolt állapotba, azaz a DNS melyik génjéről történik átírás RNS molekulára. Ez a módszer még nem mutatja meg, miért kapcsolódott be az adott gén, de egy másik eljárással társítva, megfelelő informatikai eszköztárat felhasználva sikerült egy módszert találni ;s a transzkripciós faktorok működését tanulmányozhatóvá tenni. Míg korábban háromszáz kutató egyévi munkával tudta egyetlen transzkripciós faktor működését feltérképezni, az új módszerrel egyetlen kutató egy hét alatt végzi el ezt a munkát. 2002 októberének végén közölték, hogy a sütőélesztő 141 ismert transzkripciós faktorából 106-ot sikerült így meghatározni. Az élesztő genomját kb. 6000 gén alkotja, a 106 tanulmányozott transzkripciós faktor az élesztő genomjának 2300 génjének a bekapcsolását vezérli.

Az élesztő genomjának tanulmányozása eddig is sokat segített az emberi genom feltárásában. Sok közel azonos génünk van és a genomot érintő folyamatok is azonosnak vagy rokonok. A kb. 35000 génből álló emberi genomot kb. 1700 transzkripciós faktorból álló hálózat szabályozza. Ezeknek a feltárása is folyamatban van. Ha sikerülne például megtalálni, hogy a sejtek szaporodását milyen transzkripciós faktorok irányítják és ezeknek mely működési zavarai vezetnek a sejtek burjánzásához, azaz a rákos daganat képződéséhez, eljárásokat találhatunk a rák megelőzéséhez és gyógyításához.

Az élőt jellemző információ származásáról

Végül is honnan származik az élőlények hordozta információ? Az információ magától nem jön létre, keletkezéséhez munka szükséges. A kozmikus háttérsugárzás mért spektruma arról tanúskodik, hogy 300000 évvel a keletkezése után az Univerzum pontosan a termodinamikai egyensúly állapotában volt, ez pedig az entrópia maximális értékének felelne meg. Hőmérsékleti egyensúly esetén az Univerzum információtartalmát egyetlen szám, a hőmérséklet értéke adja meg, ha pedig ez így van, a Mindenség kezdetben szinte egyáltalán nem tartalmazott információt. A mai világegyetem leírásához nagyon sok információt kell, mivel az igencsak messze van a termodinamikai egyensúly állapotától.

Honnan a munka, ami az információt termelte? A szükséges energia az egyensúlyi állapotot megszüntető gravitációs folyamatok során szabadult fel. Az anyag összecsomósodásakor a negatív gravitációs energia abszolút értékben egyre nagyobb lesz, azaz az összehúzódó rendszer gravitációs energiája egyre csökken. Az energia megmaradása miatt a mozgási energiáknak meg kell nőni, azaz az összehúzódó gravitációs rendszer felmelegszik. A felmelegedő rendszer energiát sugároz ki, a csillagok is a gravitációs összehúzódás és a belsejükben lezajló fúziós folyamatok energiatermelése miatt sugároznak. A csillagok kisugározta energia szolgál az információ forrásául. Ezért azt mondhatjuk, hogy bár a kozmikus háttérsugárzás spektruma termodinamikai egyensúlyra utal, a gravitáció miatt nem beszélhetünk igazi egyensúlyról, a korai Univerzum nem a maximális, hanem egy alacsony entrópiájú állapotban volt. Azaz az egyenletesen eloszló, szerkezet nélküli gáztömeg valahogy hatalmas mennyiségű információt hordoz. Ahogy a rendszer a gravitációs csomósodás közepette fejlődik és távolodunk az egyensúly állapotától, úgy a gravitációs mező rejtette információ átkerül az anyagba és egy része mint biológiai információ rögződik.

Bár az élet kémiai jelenség, vannak olyan vélemények, hogy az élet lényegét nem a kémiában, a kémiai folyamatok tanulmányozásában, hanem az informatikai jellemzőkben kellene keresni, mivel az élőlény egy nagyon összetett, információt feldolgozó rendszer. Központi kérdés, hogyan keletkezik a DNS örökítő anyagában hordozott információ. A választ a véletlen mutáció és a természetes kiválasztódás folyamatának tanulmányozása adja meg. A DNS csak azon mutációi maradhatnak meg, amelyeket a természetes kiválasztás úgymond visszaigazol, utalván arra, hogy a keletkezett változat életképes. Így az információt a környezet a természetes kiválasztódás közvetítésével írja be a DNS-be.

Az információ rögzítésében oly fontos mutációk, mint zajszerű képződmények, azonban zavarják az információk átvitelét, azok elvesztését is eredményezhetik. Minél összetettebb a DNS, az információtartalma annál védettebb, vagyis a biztos információátvitel nagyobb fokú összetettséget, azaz minél több információ átvitelét követeli meg. Emiatt nem világos, hogyan jöhettek létre az első élőlények, amelyek örökítő állománya nyilván jóval kevesebb információt tartalmazott, ezért örökítő anyaguk továbbadását a mutációk okozta zaj igen erősen zavarhatta. Ez az ellentmondás egyike annak a számos paradoxonnak, amelyek az első élőlény kialakulásának modelljeit jellemzik.

Az élet keletkezéséről:

Az élet keletkezése mindmáig megoldatlan tudományos rejtély. Ha a természet történetét az ősrobbanástól máig tekintjük, talán a legnagyobb. Számos elképzelés, modell létezik, amelyek a kialakulás fizikai körülményeiben, természeti feltételeiben is eltérnek egymástól.

Darwin az élet keletkezésének helyéül szerves vegyületekben gazdag, meleg vizű tavacskát tételezett fel. A korszakok során a vegyületek egyre bonyolultabbakká váltak, összekapcsolódtak, a kémiai folyamatok egyre összetettebbé váltak és primitív, de már élőnek tekinthető szervezetként kezdtek viselkedni. Darwin fenti elképzelése majdnem száz éven át meghatározta az élet keletkezéséről alkotott elképzeléseket. A tó helyett az élet születésének helyéül az óceánt tételezték fel és megpróbálták megérteni, milyen lépések során jöhettek létre az élet építőkövei.

1953-ban sikerült olyan kísérletet elvégezni, melynek eredményét sokáig perdöntőnek fogadták el. Miller egy lombikban olyan körülményeket hozott létre, amely az akkori modellek szerint leírt ősi földi környezetet jellemezte. A lombikban lévő víz az óceánnak, a metán, ammónia és hidrogén az ősi légkörnek felelt meg. A lombiknak szikrakisűléséket keltett, amely a villámlások hatását utánozta. Egy hét után Miller a lombikban szerves vegyületek sokaságát, közöttük nagy mennyiségű aminosavat talált. Mivel ez utóbbiak a sejt fehérjéinek építőkövei, az élet rejtélyét sokan megoldottnak kezelték.

Mostanára a fenti elképzelés támadások kereszttüzébe került. Mostanára a Föld fejlődésnek korai időszakát tárgyaló modellek elvetik azt, hogy a korai légkörben jelentősebb mennyiségű metán, ammónia és hidrogén fordulhatott volna elő. Továbbá, bár Millernek sikerült a fehérjék építőköveit előállítani, sok kutató azt tételezi fel, hogy a fehérjegyártást vezénylő RNS molekula a fehérjék keletkezése előtt jött létre.

Az egyre régebbi kövületek vizsgálata azt bizonyítja, hogy az élet nem valamely kellemes, langyos vizű tengerben, hanem inkább egy nagynyomású kuktafazékhoz hasonló környezetben jöhetett létre. A keletkezést jellemző kémiai folyamatok meglehetősen gyorsak lehettek. Ilyen helyeken ugyanis bőséggel rendelkezésre állhatnak a megfelelő szerves vegyületek, és a termodinamikai feltételek is jóval kedvezőbbek. Ahogy fent is említettük, az utolsó nagyobb meteorbombázást követően gyorsan megjelent az élet. Ezt a képet a mélyen a kőzetekben élő szervezetek felfedezése egyre jobban elfogadottá teszi.

Geomikrobiológia:

A geomikrobiológia, a mélyen a felszín alatt élő szervezeteket kutató tudományág gyakorlatilag az utóbbi évtizedben született meg. Egészen máig azt hittük, hogy a felszín gazdag élővilága alatt ott vannak a talajban élő szervezetek, de a talajban bizonyos mélységektől kezdve, vagy főleg ha a kőzetekre gondolunk, már nem élhet meg semmi. Ez nem így van, több kilométer mélyen a kőzetekben is találtak élő szervezeteket. Az élet számára az egyetlen igazi korlátnak a lefelé növekvő hőmérséklet tűnik. Az eddigi rekordot a kb. 5 km mélyen, 113 C^0-on élő szervezetek adják, van viszont már bizonyíték 169 C^0 hőmérsékleten élő mikróbákra is.

A mélyben létező, más élőktől évmilliók óta elzárt szervezetek életmódját az anyagcsere különleges változatai és a nagyon lassú szaporodás jellemzi. Az anyagcseréhez szervetlen kémiai folyamatok energiáját használják fel. A mélyben élő mikróbák általában a belső vulkánosság során felszabaduló vegyületeket is átalakíthatják és így geokémiai változásokat okoznak. Egyes becslések szerint a mélységi élet által termelt biomassza, azaz élő anyag mennyisége 0,1%-a a felszíni élővilág által termelt biomasszának, de az is lehet, hogy összemérhető vele.

A mélyben élő szervezetek nagyon egyszerűeknek, ősieknek tűnnek. Az eddig ismert élőtől, a baktériumoktól és eukariótáktól függetlenek, archaeák néven az élővilág törzsfájának harmadik ágát alkotják. Míg a felszínen a baktériumok és az eukarióták gyors genetikai változásokon mentek át, addig a tőlük kb 3,8 milliárd éve elszakadt archaeák jobban megőrízhették az ősi élővilág jellegzetességeit.

Az élet terjedése a világűrben:

A kőzetekben élő szervezetek bármely bolygón, ahol van vulkanikus tevékenység, megélhetnek. Mivel ilyen bolygók szerte az Univerzumban gyakran előfordulhatnak, az Univerzum akár hemzseghet az ilyen mikróbaszintű élettől. A felszínen kialakuló, fotoszintézisre épülő élet már jóval ritkább lehet, mivel ennek megjelenéséhez és megmaradásához számos feltétel teljesülése szükséges. Értelmes élet pedig csak hosszabb evolúciós fejlődés során alakulhat ki, ami megköveteli, hogy a kedvező feltételek egész hosszú időn keresztül fennálljanak. Ezért az értelmes élet megjelenésének esélye csekély.

A kőzetekben élő mikroorganizmusok átkerülhettek, át is kerülhetnek egyik bolygóról a másikra. A felszínre becsapódó meteorit kőzetdarabokat robbanthat ki és ezek a bolygó vonzásából kiszabadulva más bolygók felszínére juthatnak. Ilyen módon a bolygók folyamatos kölcsönhatásban állnak egymással és a viszonylag védett környezetben, a nagyobb meteoritkövek belsejében utazó betokozódott mikroorganizmusok a teljes Naprendszerben elterjedhettek. A bolygónkra becsapódó marsi meteorit átlagosan kb. tízmillió évet repül a világűrben, de nagyon kedvező pályaadatok mellett akár száz éven belül is átjuthat a Földre. A belső bolygók kőzeteiben lévő mikróbák hasonló módon eljuthatnak a Naprendszer külső tartományaiban lévő égitestek, például a Jupiter holdjainak a felszínére is.

Az üstökösök közvetítésével akár naprendszerek között is közlekedhetnek életet hordozó kőzetdarabkák. 3,8 milliárd éve, amikor a Föld és a Mars felszíni viszonyai hasonlóak voltak, a mikrorganizmusok átkerülhettek egyik bolygóról a másikra és ott elterjedhettek. Így ha a Marson Föld-tipusú élet maradványait fedeznék fel, egyesek szerint nem okozna különösebb meglepetést, mivel ilyen életformának a Marson valaha léteznie kellett. Ezért csak az ismerttől eltérőnek mondható életforma utalhatna biztonsággal a földitől független élet létezésére.

Létezik-e, vagy létezhet-e egyáltalán a Föld-tipusú élettől különböző élet, vagy az ismert életforma egy helyen, vagy különböző helyeken alakult-e ki, alapvetően fontos, tisztázásra váló kérdés. Ha a megfigyelésekből kiderül, hogy az élet az Univerzumot jellemző általános jelenség, és az egyes bolygókon akár egymástól függetlenül is kialakulhat, akkor az élet felé fejlődését előíró eddig ismeretlen törvényszerűségek létére találunk bizonyítékot. Biológiai determinizmus: Amikor a NASA egyes terveiről, mint a marsi élet, általában a Naprendszerben való élet utáni kutatásáról olvasunk, nem is nagyon tudatosul bennünk, mennyire izgalmas és ellentmondásos kérdéssel találkozunk. A NASA kutatói, amikor abból indulnak ki, hogy a Marson is vagy a Naprendszer más tartományaiban is lehetséges az élet és annyira közönséges jelenség, hogy az életmüködések jelei vagy maradványai akár a mai eszközeinkkel is felfedezhető lehet, akkor az élet mibenlétéről, eredetéről olyan feltételezést tesznek, amely egyáltalán nem nyilvánvaló. Amikor a Galileo űrszonda képeit értékelve a Jupiter holdján, az Európán 1997 áprilisában felfedezték az első Földön kívüli óceánt, a hírmagyarázók számára magától értetődőnek tűnt, hogy mivel ott van víz, az élet is jelen lehet. Mintha a földihez hasonló körülmények, a víz, a szerves vegyületek jelenlétéből következne az, hogy ott is kifejlődhet az élet. Ez a szemlélet, amely biológiai determinizmusként fogható fel, hallgatólagosan azt foglalja magában, hogy a fizika matematikai alakban megfogalmazható törvényei valamilyen módon kedvezőek az élet kialakulásához, annak ellenére, hogy a puszta valószínűségek mérlegelése ez ellen szól.

A földönkívüli értelmes lények után kutató SETI program még ennél is tovább megy, mert feltételezi, hogy a természet törvényei nemhogy az élet, hanem egyenesen az értelmes élet megjelenésének is kedveznek. Drámaibb kifejezést használva, mintha az értelem lehetősége bele lenne foglalva a természet törvényeibe, azaz a törvények egyelőre ismeretlen módon ugyan, de előírják az őket felfogni, megérteni képes rendszerek kialakulását is.

A biológiai determinizmus képviselői elsősorban fizikusok, vegyészek, csillagászok, a biológusok nagy többsége hallani sem akar erről. Valóban, ha kiderülne, hogy vannak bizonyos, eddig még nem eléggé értett vagy ismert törvényszerűségek, amelyek az élet és az értelem felé mutató fejlődést írják elő, az alapjaiban kérdőjelezné meg azt a nézetet, miszerint az evolúcióban nincs semmi elrendeltség, minden csupán a céltalan véletlenek és a természetes kiválasztódás összjátékának az eredménye.

A biológusok meghatározó többsége azt tételezi fel, hogy az a fizikai-kémiai folyamat, amely az első élő kialakulásához vezetett, nagyon kicsiny valószínűségű és nem sok remény van arra, hogy ezt a rendkívül ritka folyamatot egyáltalán valaha is azonosítani tudjuk és részleteiben tanulmányozhassuk. Ezt gondolva az élet kivételesen ritka jelenség, talán egyedül csak a Földön létezik, minthogy a keletkezéséhez vezető események sora nem valószínű, hogy bárhol másutt a világegyetemben lejátszódhatott volna. A földönkívüli értelmes lények kutatásáról 1996-ban folytatott vitában a biológus Ernst Mayr így érvelt a SETI-párti Carl Sagan ellenében: A Földön milliószámra létező fajok, leágazások, a talán 50 milliárd fajképződési esemény közül eddig egyetlen egy vezetett értelmes lényhez. Ennélfogva az értelem keresése máshol reménytelennek látszik. Stephen Jay Gould szerint ha egy kozmikus katasztrófa a mikróbák szintjéig megsemmisítené a földi élővilágot, az újrainduló evolúciós folyamatban semmi sem garantálná azt, hogy az újra az ismert módon zajljék le, azaz a halakon, kétéltűeken, hüllőkön, emlősökön keresztül elvezessen az értelmes emberig.

A most formálódó új természetkép, végül is a fizikusok, csillagászok, asztrofizikusok erre hivatkoznak, erről másként vélekedik. Eszerint a természet történetét áttekintve megfigyelhetjük, hogy van fejlődés, az idő múlásával egyre összetettebb rendszerek jelennek meg. Azaz a fizikai folyamatok során bizonyos teremtő képesség nyilvánul meg. Nem is beszélünk igazán arról, hogy az élő és élettelen között nagyon nagy lenne a különbség. Az élet kialakulása eszerint csak egy, bár igen fontos állomás abban a folyamatban, amelynek fő jellemzője az anyag egyre magasabb szintű szerveződése. Ha az anyag rendelkezik ezzel az önszerveződést mozgató tulajdonsággal, akkor az élet bárhol megjelenhet, ahol megfelelőek a feltételek. Ott akár értelmes lények is kifejlődhetnek. Ezért a Földön kívüli, az ittenitől független élet felfedezése döntő bizonyíték lenne az élet keletkezését

puszta véletlennek tekintő mechanisztikus felfogással szemben.

Az élet megjelenése és fejlődése:

A Föld létezésének első ötszáz millió évét jellemző kozmikus katasztrófák minden korábbi fejlődés eredményét semmissé tették. Rögtön a 3,8 milliárd évvel bekövetkezett nagy katasztrófa után a kontinensek és az óceán érintkezési pontjain, a partvidékeken már megjelent az élet. Van olyan feltételezés, hogy a korábban a Földből kiszakadt és az ide később visszatérő meteoritokban betokosodott mikrobák honosították meg újra az életet.

Az első életre utaló jelek Grönlandról származnak, koruk 3,8 milliárd év. Nyugat-Ausztráliában 3,5 milliárd éves kövületekben már tucatnyi mikroorganizmust találtak, amelyek a világon ma is mindenütt megtalálható kék-zöld algák közeli rokonainak tekinthetők, azok maradványainak feleltethetők meg.

A felszíni bioszféra első képviselői, a főleg kénnel táplákozó és máig fennmaradt bíbor baktériumok még oxigén nélküli légkörben éltek. Ahogy azonban az ilyen tipusú baktériumok a táplálékforrások közelében felszaporodtak, az efféle táplálékok ritkábbá váltak. Ez behatárolta a vegyületek kémiai energiáit felhasználó baktériumok életlehetőségeit. Azok a felszíni szervezetek válhattak inkább sikeresekké, amelyek, a Napból merítve az ehhez szükséges energiát, maguk készítettek maguknak táplálékot. A fentebb már említett kék-zöld algák, másnéven kékmoszatok ilyen szervezetek. A napfényt felhasználva, más szóval fotoszintézissel a vízből kivonják a hidrogént, miközben oxigén szabadul fel. A kékmoszatok mindenütt megjelentek ahol volt víz. Ezek voltak a legfejlettebb élőlények, uralták a Földet. Az általuk termelt oxigént egy ideig a földkéreg kőzetképződési folyamataiból és a vulkánokból felszabaduló gázok azonnal megkötötték. A bioszféra fejlődésének és légkört kialakító szerepének kritikus pontja mintegy kétmilliárd éve következett be. Ekkorára annyira felszaporodott az oxigén, hogy azt a kékmoszatok nem tudták elviselni, oxigénmérgezést szenvedtek. Elvesztették életterüket, kénytelenek voltak oxigénmentes helyekre, a tavak, mocsarak, tengerek iszapjába húzódni, ahol máig is élnek.

A légköri oxigén felszaporodásának további következménye a felsőbb légkörben kialakult ózonréteg megjelenése volt. Az ózonréteg kiszűri a Nap ibolyántúli sugárzását, kialakult az ózonpajzs. Ez lehetővé tette az addigiaktól különböző, összetettebb szerveződésű lények kialakulását. A bioszféra további fejlődését a fotoszintézis egy újabb formájának a megjelenése jelentette. A első egysejtű, sejtmaggal rendelkező lények 1,8 milliárd éve jelentek meg. Ezeket már a sejten belüli sokkal magasabb fokú munkamegosztás jellemzi.

Az egysejtűek egyre szerveződöttebbekké váltak, lassan elérték a maiakhoz hasonló fejlettségi szintet. Az egysejtű lények együttélése, munkamegosztása odáig fejlődött, hogy 900 millió évvel ezelőtt megjelentek a soksejtűek legegyszerűbb típusai. Ilyen lények például a szivacsok. Ezután a fejlődés ugrásszerűen felgyorsult. Az első állatok 600 millió éve jelentek meg.

Kb. 570 millió éve, a kambriumban egyszerre nagyon sokféle állat jelent meg, mert az akkortól megjelenő mészpáncél, a csontok nagyszerű lehetőségeket biztosítottak a fejlődésre. Az 570 millió évtől 245 millió ezelőtti korban, a paleotikumban jelentek meg a halak, kétéltűek, a szárazföldi növények és rovarok valamint a hüllők kezdetleges változatai. A dinoszauruszokat 225 millió éve alakultak ki, 160 millió éven át uralták a Földet és 64 millió éve pusztultak ki. A dinoszauruszok eltűnése lehetőséget adott arra, hogy a náluk jóval magasabb szervezettségi fok elérésére képes emlősök élettérhez jussanak.

Az élővilág törzsfája és a molekuláris filogenetika:

Pár évtizeddel ezelőttig a biológia rendszertan alapja az élővilág kétágú törzsfája volt. Az élőlények két nagy ágra, a sejtmag nélküli baktériumok és a sejtmaggal rendelkező eukarioták ágára oszlottak, és a törzs azt jelképezte, hogy a baktériumok és az eukarioták közös őstől származnak. Az eukariotákhoz tartoznak az egysejtűek és a bonyolultabb szervezetek, a növények és az állatok is. A törzsfejlődést, a törzsfán belüli kapcsolatokat kutató tudomány a filogenetika, ez korábban elsősorban az alaki sajátságok alapján állapította meg a rokonsági fokokat, rajzolta fel a törzsfát.

A DNS felfedezése és főleg a gének szerkezetének tanulmányozása forradalmasította a filogenetikai kutatásokat. Az ilyen, molekuláris filogenetikának nevezett módszer alapja a következő. Az evolúció során a mutációk a gének szerkezetét változtathatják. Ha olyan változás következik be, amely a gének működését rontja, gondoljunk például a sarlós vérszegénység kórképére, az súlyosabb esetben nem maradhat fent, mert a hordozója elpusztul. Ha azonban lényegtelenebb változás következik be, akkor a gén általa gyártott fehérje változatlanul működőképes marad. Ugyanis lehetséges, hogy egymástól bázisokban eltérő gének ugyanazt az aminosavsorrendet, így ugyanazt a fehérjét kódolják. Ez azért fordulhat elő, mert ugyanazt az aminosavat többféle bázishármas is kódolhatja, lásd például a valin esetét.

Minél hosszabb idő telik el, az azonos feladatot ellátó gének közötti eltérés nő, mivel a feladatot komolyabban nem befolyásoló változások felhalmozódnak a génekben. Ezt úgy mondják, hogy a genetikai távolság nő. Ezért minél korábban váltak el a közös őssel rendelkező élőlények, a megfelelő fehérjét kódoló génjeik annál jobban eltérnek egymástól, lásd a hemoglobin béta láncának eltéréseit az ember, a gorilla, a nyúl, a szarvasmarha, a tyúk és a ponty estére. Ilyen módon, megfelelő számú gén evolúciós változásait tanulmányozva pontosan fel lehet térképezni a fejlődés szakaszait, a rokonsági fokozatokat. Nemcsak a rokonság fokait, hanem az elválások időszakát is meg lehet adni, ugyanis a mutációk gyakorisága megbecsülhető. Ilyenmódon meg lehet mondani, hogy milyen ágak körülbelül mikor váltak el egymástól. Az elválás oka az egyedek hosszan tartó fizikai távolléte lehet. A földrajzi, éghajlati változások miatt elvált csoportok génjei egyre jobban különböznek egymástól. Esetleg annyira, hogy egymás között már nem képesek a szaporodásra, ekkor új fajok kialakulásáról beszélhetünk.

A molekuláris filogenetikai módszer eredménye volt az archaeák felfedezése, a baktériumoktól való elkülönítése. Miután így megszületett a három ágból álló törzsfa, kezdték kutatni, melyik ág miként kapcsolódik egymáshoz, melyek az ősibb, a közös őshöz közelebb álló. Most kezd kiderülni, hogy valószínű nem volt közös ős, ugyanis nincs olyan jellegzetes génkészlet, amely mindhárom főágra közös volna. Páronként a főágak génkészleteiben van komolyabb közös rész, de a háromra együtt nincs. Ez azt jelenti, hogy a törzsfának nincs törzse. A törzsfa eukariótákat tartalmazó része tényleg faszerű szerkezetet mutat, a baktériumok, archaeák és eukarióták azonban nem egy közös őstől, hanem nagyon ősi primitív, egyedenként talán életképtelen képződmények csoportjától szerezték génjeiket. Ha ez igaz, a darwini közös ős fogalmától el kell búcsúznunk.

Az ember megjelenése:

A főemlősök törzsfája még nem teljesen ismert. A genetikai távolságok vizsgálatából az adódott, hogy az emberhez vezető ágtól a gorilla kb. 7-9, a csimpánz kb. 6-7 millió éve vált el. Legközelebbi élő állati rokonunk a csimpánz, a génjeink különbsége, a bázisokban való különbséget nézve kb 5%, azaz génjeink 95%-ban azonos alakúak. Az, hogy a csimpánzoktól való elválás után milyen események történtek, még csak részben ismert. Az emberhez vezető fajok közül 9, maradványaiból ismert fajról tudunk és a becslések szerint még 6 további ilyen faj létezhetett. Az embert kivéve valamennyi eltűnt. A neandervölgyi ember, amelynek agymérete a mi agyméreteinket is meghaladta, kb. 150000 éve jelent meg és 30000 éve tűnt el. A genetikai távolságok vizsgálata és az alaktani összevetések szerint vizsgálata szerint tőlünk külön fajt képeztek, nem olvadhattak velünk össze. A mai emberhez vezető ágtól legalább félmillió évvel ezelőtt leválhattak. Meglehet, hogy a mi őseink pusztították ki őket, ugyanis Európában a mai ember és a neandervölgyi ember azonos területeken, egyidőben élt, egészen addig, amíg a neandervölgyi ember el nem tűnt. Egy másik hasonló emberszerű lény, a Homo Erectus egy változata szintén együtt élt a mai emberrel és kb. ötvenezer évvel ezelőtt pusztult ki.

Bioarcheológia:

Az emberi genom megismerése pontos és hatékony módszereket szolgáltathat a régészet és a történelemtudomány számára. Az ember keletkezésének és vándorlásának története a csontmaradványokban található DNS láncokból felderíthető. Ez a munka már elkezdődött és a genetikai távolságok vizsgálatából nagyon sok minden kielemzhető. Az ún. mitochondriális DNS csak a női ágon, az Y-kromoszóma csak a férfi ágon öröklődik. Ez lehetővé teszi az egyes népek, embercsoprotok rokonsági fokának, sőt ez egyes egyének származásának a kutatását is. A genetikai vizsgálatok által vázolt, az emberiséget jellemző rokonsági kapcsolatok és a nyelvészek által készített, nyelvek rokonságán alapuló származási táblázatok jól fedik egymást. Az európai kivételek közé tartozik a magyar nép genetikai eredete és a nyelvi rokonsága, amelyek nem fedik egymást. Azaz az európai nyelvrokonainkkal genetikailag nem vagyunk szorosabb kapcsolatban, akikkel pedig génjeinket tekintve rokonok volnánk, másfajta nyelveket beszélnek.

A tömeges kihalások és a kozmikus katasztrófák:

Az őslénytani leletek kiértékelése komoly katasztrófákról árulkodnak. A fajok kihalása természetes jelenség, az élettér megváltozása, az alkalmazkodásra való képtelenség a faj pusztulására vezet. Általában 5-6 millió éven belül a fajok 10-20%-a kihal. Vannak azonban olyan korszakok, amikor nem csupán a normálisnak tekinthető kihalásról van szó, hanem fajok nagy száma tűnik el egy rövid időn belül. Ha a fajok 30-90%-a pusztul ki egyszerre, tömeges kihalásról beszélünk. Igaz, hogy mennyire gyors a tömeges kihalás, az őslénytan eszközeivel nem dönthető el pontosan. Lehet, hogy a folyamat néhány tízezer évig tartott, de lehet, hogy napok, hetek alatt lezajlott. A tömeges kihalások a tengeri és szárazföldi fajokra egyformán vonatkoznak, jelezve, hogy bolygóméretű katasztrófa sújtotta az élővilágot.

A legjobban ismert tömeges kihalás a dinoszauruszok eltűnése 64 millió évvel ezelőtt, a kréta kor végén. Ekkor a fajok 47%-a kipusztult. A fajok tömeges eltűnését valószínű kozmikus katasztrófa, egy kisbolygó Földdel való ütközése okozta. A becsapódó kisbolygó hatalmas, 250 km méretű krátert ütött a felszínen, ezt a krátert a Mexikói öbölben a Yucatán félszigetnél találták meg. A katasztrófára egy további bizonyíték a robbanás során szétszóródott irridiumszemcsék nagy arányú előfordulása a korabeli rétegben, amely határozottan kisbolygó becsapódásának a jele. A kisbolygó becsapósával hatalmas kőzetdarabok robbantak ki a felszínről. Ezek mint egy kilőtt rakéta, nagyon magasra is feljuthattak és a becsapódás helyétől nagy távolságra, hatalmas robbanást okozva csapódtak be a felszínre. Ezért a kisbolygó becsapodását hatalmas robbanások, tűzvészek követték, szerte a Földön. Ezek következményeképpen óriási mennyiségű füst, por és korom jutott a levegőbe, amely hetekre elhomályosította a napot. A hirtelen lehűlést és időjárási viszontagságokat a nagytestű állatok nem tudták elviselni, kipusztultak.

A Hold felszínén látható kráterek mind becsapodások eredményei. Nyilvánvaló, hogy a Földre is hasonló sűrűségben csapódtak be kisbolygók, de az erózió elmosta nyomaikat. A megfigyelések szerint 1000 olyan, legalább 1 km átmérőjű kisbolygó létezik, melynek jelenlegi pályája lehetővé teszi a Földdel való összeütközést. Megkezdték az ilyen égitestek rendszeres figyelését, nyilvántartását, ugyanis az űrtechnika fejlődése idővel lehetőséget adhat arra, hogy időben közbeavatkozva, a közeledő kisbolygó pályáját kissé módosítva elkerülhető a bolygónkkal való ütközés.

A 64 millió évvel ezelőtt törént tömeges kihalás nem az egyedüli, mégcsak nem is a legnagyobb az élővilág történetében. 439, 357, 250 és 198 millió évvel ezelőtt ennél több fajt eltüntető pusztulás sújtotta az élővilágot. A nemrég közölt eredmények szerint a 250 millió évvel ezelőtt, a perm-triász határán történt tömeges kipusztulást, melyben a fajok kb. 80-95%-a tűnt el, egy közeli szupernóvarobbanás okozhatta.

A szupernóvarobbanás a Naprendszer közelében, innen kb. 30 fényévnyire történhetett. A szupernóvarobbanás pusztítását több tényező együttese okozza. A szupernóva pár hétre csaknem olyan fényessé válik, mint a galaxis összes többi csillaga együttvéve. A Föld légköre, az ózonréteg az ide érkező sugárzást nem tudja eléggé megszűrni, sőt maga az ózonréteg is leépül, a pusztítás első fokozata a sugárkárosodás okozta halálos betegségek soraként jelentkezik. A halálos sugárzást kb. egy évvel követi majd a legnagyobb energiájú, fénysebességnél azért kisebb sebeséggel érkező részecskesugárzás, amely nagyon nagy energiájú elektronokból, protonokból és egyéb nehezebb atommagokból áll. Ezek az ózonréteget teljesen elpusztítják és szinte akadálytalanul jutnak le a Föld felszínére. Ezer vagy néhány ezer év múlva megérkezik a szupernóva szétszóródott plazma és porfelhője. Ezek belepve a Föld felszínét, bejutnak a táplálékláncokba és a radioaktivitásuk az élőlény belső szerveit károsítja.

A szupernóvarobbanás hatásának legfőbb bizonyítékai a korabeli kőzetekben talált kb. tizedmiliméteres méretű gömböcskék, az ún. szferulák. Ezeknek a szferuláknak az elemösszetétele szupernóva eredetre utal. Az azonos összetételű szemcsék kb. ugyanolyan sűrűségben fordulnak elő Eurázsia különböző helyein található perm-triász kőzetekben.

Egy most megjelent munka szerint a tömeges kihalások egy lehetséges oka lehet a neutroncsillagok összeomlásakor felszabaduló hatalmas energiájú és sűrűségű kozmikus sugárzás. Ez a sugárzás az atmoszféra felső rétegeiben az ottlévő atommagokkal ütközve nagyenergiájú müonokat kelt. A nagysebességű müonok áthatolóképessége nagyon nagy, a víz és a föld alá akár százméterekre is behatolhatnak. A keletkezett müonok száma akkora, hogy mind a felszíni, mind a tengerben található élőlényeket elpusztíthatja.

A radioaktivitás által pusztító kozmikus katasztrófák a túlélő egyedekben számtalan mutációt kelthetnek. A nagy számú mutáció közül a természetes kiválasztódás válogatja ki az életképes fejlődési vonalakat. A pusztítások után újjászülető bioszféra számos új fajjal gazdagodik, amelyek néhány tízmillió éven belül elfoglalják a kipusztított fajok életterét.

A tömeges kipusztulást okozó kozmikus katasztrófák eszerint az evolúció természetes velejárói, a fejlődés hajtóerői. Az élőlények egymásrautaltsága, amivel a következő fejezetben foglalkozunk, a bioszféra egyensúlyi viselkedésére vezet. Kisebb helyi változás egyes fajok eltűnését okozhatja, amelyeknek életterét más fajok töltik be. A tömeges kihalások, amelyek akár a fajok 90-95 százalékát eltűntetik és a mutációk óriási számát hozzák létre, a legnagyobb méretű katasztrófának feleltehető meg. Eszerint maga az evolúció is önszervező kritikus állapotnak felel meg, ahol a helyi szintű állandó változások biztosítják a bolygónyi méretű egyensúlyi állapotot.

Ökorendszerek

Egy ökorendszer a növényeket, állatokat és a környezetüket foglalja magába. Az ökorendszer lehet egy bokor, a rajta élő valamennyi élőlénnyel együtt, vagy egy tó a benne lévő növényekkel és állatokkal. Ökorendszert képez a Hortobágy, vagy a Kárpát-medence, és maga a bioszféra egésze is. Akkor beszélünk ökorendszerről, ha nem az egymástól független dolgok összességét látjuk, hanem az egészet mint egységet tekintjük.

Korábban a tudósok, köztük a biológusok is, a redukcionista módszert követve csak az egyes dolgokra, azok tulajdonságaira figyeltek. Kevés figyelmet fordítottak arra, hogy az élő hogyan befolyásolja a környezetét és más élőket. Csak az utóbbi 30-35 évben honosodott meg az közelítés, hogy a dolgokat a környezetükkel összefüggésben, rendszerben vizsgáljuk.

Az ökorendszer nem vizsgálható a fizika régi, jól megszokott módszereivel, miszerint a kísérlet során a vizsgált dolgot a környezettől elkülönítjük és a megfelelő modellt alkalmazva próbáljuk megérteni az egyes jelenségeket. Az ökorendszerben lehetetlenség, hogy a kísérlet során egy-két dolgot engedjünk csak változni, miközben az összes többit állandónak tartsuk, ahogy ezt a fizikában szokásos.

Az ökorendszerekben érvényesül az ún. nem kívánt következmények elve. Ez azt mondja ki, ha valahogy beavatkozunk a rendszerbe, olyan történik, amit nem láttunk előre. Két példa erre két tó tragédiája.

Az Aral-tó és környezetének pusztulása:

Az Aral-tót tápláló folyók, a Szír-darja és Amu-darja vizét öntözésre használták fel, Közép-Ázsia mezőgazdaságát gyapottermesztésre szakosította a szovjet rendszer. Túl sok vizet használtak fel az öntözésre, egyre kevesebb jutott az Aral-tóba, amely sós vizű állóvíz. A tó területe egyre csökken, mert kiszáradóban van. Mivel a tó felületének egyre nagyobb részéről tűnik el a víz, a fenekéről egyre több só kerül szárazra. A vad sivatagi szelek a sót felkavarják majd széthordják. A sós por hatalmas területeket tett és tesz terméketlenné, lakhatatlanná. A virágzó, gyapottermelésre szakosított mezőgazdaság álma szertefoszlott, a területeket világszerte példátlan méretű ökológiai katasztrófa sújtja.

A Viktória-tó tragédiája:

A Viktória-tó Afrika legnagyobb édesvizű tava, mellékén emberek milliói élnek, kiknek életét a halászat, a tó határozza meg. A valaha halban gazdag tó halállománya tönkrement, mert egy új fajt telepítettek bele, a nílusi sügért. Ezt kb. 40 éve egy sporthorgász tette, arra gondolva, hogy a nagyméretű nemes halra való horgászat majd megnöveli a tó turisztikai vonzerejét.

A falánk ragadozó hamar megtizedelte a tavat benépesítő halak állományát. Ezek kisméretű algákon és élősködőket is hordozó csigákkal táplálkoztak. A környék lakói korábban ezeket a halakat fogyasztották. A halak számának csökkenése miatt az algák elszaporodtak és az elpusztult algák a tó fenekére süllyednek. Az algák bomlástermékei lecsökkentették a tó oxigéntartalmát, elpusztítva ezzel a tó mélyvizi halállományát. Elszaporodtak a csigák is, súlyos betegségeket terjesztenek.

A helyi halászok most a nilusi sügért fogják ki és ezeket a hatalmas halakat tűzön főzik meg. Korábban a kisebb halakat szárítva fogyasztották. A főzéshez fa kell, ezért a környék erdei vészesen pusztulnak. Ennek következtében növekszik az erózió, tovább rombolva a tó egyedülálló ökorendszerét. Egyetlen ember saját szempontjából józan cselekedete egy teljes ökorendszert tett tönkre.

Az ökorendszerek energiaháztartása:

Az ökorendszerek energiaháztartásának alapja a napenergia. A fényenergiát a növények a fotoszintézis során növények szerves vegyületek kémiai energiájává alakítják. Ez az energia rövidebb-hosszabb ideig az ökorendszerben marad, de a rendszeren belül alakja változik. A növények az őket érő napsugárzás energiájának csak egy kis részét, néhány százalékát használják fel. Nincs olyan növény, amely a napenergiát 10%-nál magasabb hatásfokkal hasznosítaná.

Ha az ökorendszerben az energiahasznosítás módját nézzük, és az egyes csoportokba az energiát azonos forrásból szerző szervezeteket rakjuk, akkor az első csoportba a fotoszintetizáló növényeket sorolhatjuk. A következő csoportba a növényevő állatok tartoznak. A növényekkel táplálkozó állatok az elfogyasztott energiát szintén rossz hatásfokkal használják fel, a megevett kémiai energia kb. 10%-a hasznosul a nyúl, tehén és más állatok szervzetében. Ahogy egyik csoportról a következőre átmegyünk, a hasznosított energia aránya kb. ekkora marad. A 10%-os energiafelhasználási arány végeredményben a termodinamika II. főtételének a következménye.

A tápláléklánc következő csoportját a növényevő állatokat vadászó ragadozók tartoznak. Vannak még más csoportok is, mint a dögevők és a lebomló szervezetek kémiai energiáját felhasználó lények. Vannak olyan lények is, mint az ember, amely növényi és állati táplálékot egyaránt fogyasztanak.

Ami az ökorendszer anyagforgalmát illeti, körfolyamatok sokasága alkotja, és ezek a körfolyamatok egymásba is kapcsolódnak.

Lemming a tundrán:

Az ökorendszerek működését jól szemlélteti a kopár, évenként hónapokig sötét, fagyos északi tundrák élővilágának viselkedése. Itt az örök fagy birodalmában nagyon rövid a vegetáció időtartama. Az egybeolvadó két-három hónapos tavaszi-nyári időszakra a fagy csak a talaj felső rétegében enged ki. Csupán pár növény, sások, füvek, egy-két törpe cserje él itt meg. Az egyedüli fő növényevő a prémes bundájú sarki egér, a lemming. A lemming négyévenként nagyon elszaporodik, annyira, hogy a közhit szerint elindulnak a partra és a sziklákról a tengerbe vetik magukat. A négyévenkénti nagy változás oka a növényzet és az lemmingek közötti élelmi körforgás. Amikor a lemmingek nagyon elszaporodnak, mindent felennének. A számukra fontos tápanyagokat, foszfort és kálciumot tartalmazó növényi részeket mind lerágják. Emiatt az agyonlegelt növényzet elsattyul, nem tudja magát helyrehozni, mert a sovány, már kisebb mélységben is fagyott talajban kevés a tápanyag. A lemmingek élelmet keresve bolyonganak a tundrán. Tömegesen pusztulnak éhen, kevesebb mint egy százalékuk éli túl a növényzet tönkremenetelét.

Amint a lemmingek elpusztulnak, a sarki fagyok miatt a tetemeikben tárolt anyagok csak lassan oszlik fel a növények számára is felvehető tápanyagokká. Ahogy a lemmingek testéből a tápanyag lassan visszatér a talajba, úgy kezd a növényzet magához térni. Négy év elteltével a növényzet megújul, új hajtásokat, leveleket hoznak, a tundra csodálatosan szépen kivirul. Ekkor a lemmingek újra elszaporodhatnak, lelegelnek mindent, az összeomlás megint bekövetkezik.

A lemmingek négyéves ciklusa befolyásolja a belőlük élő sarki róka táplálkozását is. Ahogyan a lemmingek száma változik, annak megfelelően ingadozik a sarki rókák népessége is. Ez hat a vidéken élő madarak életére is. Ha a rókák nem tudnak lemmingeket fogni, rákapnak a madarak tojására és a fiatal madarak vadászatára. Emiatt a madarak népessége is négyéves ingadozásokat mutat.

A Gaia modell:

A Gaia modell - Gaia a görög mitológiában a Föld istennője -szerint a teljes bioszférát egyetlen élő organizmusként értelmezhetjük. A földi élőlények önmagukban, a többi élő nélkül nem létezhetnének és természetesen nem létezhetnek az élettelen környezet nélkül sem. A bioszféra lényei egymásra vannak utalva, akárcsak egy élő szervezet különböző testrészei. Az élőt bonyolult önszabályzó mechanizmusok, visszacsatolások tartják a megfelelő állapotban, biztosítják az élethez szükség feltételek viszonylagos állandóságát, mint a testnedvek összetétele, vagy akár az emlősöknél a test hőmérséklete.

Az élő szervezetek a környezetüket is alakítják, szabályozzák, a környezet pedig feltételeket szab a szervezetek létezésére. A természetes kiválasztódás meghatározza, milyen szervezetek maradhatnak fent. Az élet és a környezet között visszacsatolási hatások léteznek. Ennek eredményeképpen az élő szervezethez hasonlóan a bioszféra, a Gaia jellemzői, az élet jelenlegi formáit biztosító feltételek is állandóak. Említettük, hogy a légkör összetételét a földi élővilág alakította ki. Vagy gondoljunk arra, hogy a tengerek, óceánok sótartalma is állandó, ennek okát, a szabályzó mechanizmus mibenlétét igazából még nem is értjük. Az idők folyamán, itt évmilliárdokban is gondolkodhatunk, a Föld felszínének átlagos hőmérséklete is közel állandó, habár a Nap egyre fényesebben süt. Ha emelkedik a bolygó hőmérséklete, elszaporodnak a növények. A fotoszintézishez szükséges széndioxidot kivonják a légkörből. Ezzel a légkör nyújtotta üvegházhatás gyengül, a Föld több hőt képes kisugározni. Ha csökken a hőmérséklet, a növenyzet pusztulása megnöveli a levegőbe jutó széndioxid mennyiséget, erősebb lesz az üvegházhatás, a hőmérséklet emelkedik.

A bioszféra folyamatait, akárcsak az élő életműködését, körfolyamatokként ragadhatjuk meg. Gondoljunk például a víz, a szén, a nitrogén körforgására a természetben. Sorolhatnánk sok egyéb körfolyamatot is, hosszabb, rövidebb időtartamok jellemzik az egyes ciklusok időbeni lefolyását. Ezek a körfolyamatok egymásba is kapcsolódhatnak, kapcsolódnak. A körfolyamatok összjátéka biztosítja a bioszféra életképességét, állandóságát. Ha a bioszféra valamely eleme sérül, ez nem jelenti az egyensúly végleges elvesztését. Működésbe jönnek a visszacsatoló, helyreállító folyamatok és a bioszféra megváltozva ugyan, de fennmarad.

A bioszféra és az élő szevezet közötti hasonlóság alapja végül is az, hogy mind a bioszféra, mind az élő önszerveződő rendszert alkotnak. A bennük közös elemek, az alkotórészek egymással való szoros kapcsolata, a körfolyamatok, a körfolyamatok feltételeit biztosító állandó mennyiségek beszabályozottsága, mind az önszerveződő rendszerek általános jellemzői.

Az emberről

Korábban a fejlődés jelei a termet, a csontozat és az izomzat méreteiben, a táplálkozás, a mozgás a szaporodás folyamatainak hatékonyságában jelentkeztek. Az emberré válás folyamatának legfontosabb anatómiai jellemzője az agy térfogatának és szerveződöttségének igen gyors növekedése. 3-4 millió évvel ezelőtt élt elődeink agymérete kb. 400 cm^3 volt. A 100 ezer - 200 ezer éve elért és azóta állandósult emberi agytérfogat 1350 cm^3 körüli értéknek felel meg.

Az ember földi megjelenése nehezen tekinthető csupán a földi evolúció egy állomásának. Az Univerzum fejlődését tekintve az ember a világmindenség értelmessé váló elemének tekinthető. Az emberben a világmindenség önmaga tudatára ébred, tanulmányozza, mi van a látható dolgok mögött. Megismeri a világot leíró, kormányzó elveket, törvényeket, feltárja saját múltját és elgondolkodik létezésének jelentőségén, értelmén.

Az emberi agy és a tudat:

Valamennyi szervünk közül az agyunk specializálódott a legnagyobb mértékben. Tudatos viselkedésünk agyunk különleges mivoltával hozható kapcsolatba. Agyunknak nem is annyira a tömege, hanem felépítése bír megkülönböztető sajátságokkal. A majmok és az emberszabású majmok csupán egyetlen szerv, az agykéreg fejlettségében különböznek az többi emlőstől. Az agykéreg további rohamos fejlődése az a tényező, ami az embert kiválasztottá tette. Az agyunk a majmokéhoz képest jelentős szerkezeti különbségeket is mutat. Ezért az ember nem nevezhető egyszerűen egy okosabb majomnak. Az emberi agy és a gerincvelő mintegy egybillió idegsejtből épül fel, az agykéreg százmilliárd idegsejtből vagy más néven neuronból áll. Az agykérgünkben kb. ezerszer annyi neuron van, mint a macska hasonló szervében.

Az agykéreg felépítéséről:

Az agykéreg a nagyagy féltekéit borítva helyezkedik el. Szürkeállomány néven is ismerjük, vastagsága 2-3 mm. Az agykéreg sejtsűrűsége nagyjából egyenletes, minden egyes négyzetmilliméter felületéhez 148000 neuron tartozik. Az agykéreg különböző helyen lévő részei nagyjából mind ugyanúgy néznek ki, függetlenül attól, hogy érzékelések feldolgozásával vagy a beszéddel foglalkoznak. Az egyes neuronoknak több ezer vagy tízezer kapcsolódása lehet más neuronokhoz. A fehérállomány anyaga a neuronok közötti összeköttetést adó huzalozódásnak felel meg. Az agykéreg felülete kiterítve 2200 cm^2, kb. négy A4-es lapot tehetne ki.

Az agykéreg neuronjai vízszintesen rétegekbe rendeződnek, általában hat réteget különböztethetünk meg. A mélyebb rétegekből indulnak a kimeneti huzalok, a kérget elhagyva a kéreg alatti központokba vagy a gerincvelőbe tartanak. A középső rétegek neuronjai a kívülről érkezett huzalokat fogadják, a felszíni rétegek neuronjai a szomszédos vagy más kéregterületekkel tartják a kapcsolatot. Az agykéreg függőleges szerveződésének alapegysége a minikolumna, ezek kb. 100 neuront tartalmazó 0,03mm átmérőjű hengerecskék, amelyek a kéreg felszínétől lefelé a fehérállományig huzódnak. A minikolumnák neuronjainak a bemeneti huzalozódásuk közös, azonos feladattal foglalkoznak. A látókéreg egy minikolumnája pl. bizonyos szögben álló tárgyak körvonalaira érzékeny. A minikolumnák nagyobb egységekbe szerveződnek, azok azután még nagyobbakba. Az agykéreg szerveződése így hierarchikus rendszert képez.

Az emberi agy fejlődése:

Az emberi agysejtek a magzati kor nyolcadik hetétől a tizennyolcadik hétig alakulnak ki, ebben az időszakban percenként kb. 200000 új neuron keletkezik. A neuronok kapcsolódásait nem a genetikai program, hanem az ismétlődő ingerek vezérlik. A neuronok ilyen módon való huzalozódása már a magzati lét harmadik hónapjában elkezdődik, a magzat ugyanis nagyon szoros kapcsolatban áll az anya szervezetével, érzékeli az anya érzelmeit, életének folyását. A születéskor még létező százmilliárd idegsejtből egyéves korra már csak harmincmilliárd marad, mivel azok a neuronok, amelyek nem kaptak elég sok ingert, természetes módon felszívódnak.

Az ember és az állat közötti különbség egyik meghatározó eleme az emberi agy fejlődésének folyamata. A legtöbb állat idegrendszerének kialakulása a születéssel lezárul. Ugyan az állatok is képesek tanulni, de csak annyira, amennyire agyuk születéskor rögzült állapota megengedi. Az emberi agy, bár alapvető sejtjeinek, a neuronoknak a száma a születés után már nem növekszik, mégis képes a fejlődésre, biológiai értelemben is. Azon agyterületek körzetében, amelyeket erősebben dolgoztatunk, a hajszálerek kiterjedtebb, sűrűbb hálózattá szerveződnek. Ez a folyamat, az agy, az idegrendszer végleges kialakulása a testi növekedés lezárulásával fejeződik be, tehát kb. 18 éves korig tart. A neuronok közötti huzalozódási rendszer azonban átlagosan 48 éves korig finomodhat, fejlődhet. Ez arra utal, hogy a szellemi képességeink eddig a korig még fokozhatók.

Mivel az emberi gondolkodást az átvett minták és nem a rögzült genetikai program határozza meg, az emberi társadalom nagyon gyorsan, egy-két nemzedéken belül képes lehet arra, hogy alkalmazkodik a környezete változásaihoz.

A tudat és az idegrendszer:

A tudatunk létezése, bár legalapvetőbb tapasztalatunk, egyúttal azonban talán létezésünk legrejtélyesebb vonása. A tudatos viselkedésünkről igen sokat tudunk. Csupán az a gond, hogy mindezt nagyon nehezen tudjuk összegyeztetni egyéb ismereteinkkel. Egyáltalán miért létezik a tudatunk, hogyan teszi azt, amit tesz, hogyan válik tudatossá mindaz, amit az agyunk idegrendszeri folyamataiként tanulmányozhatunk, nem világos. Az agy működése, ha a folyamatot fizikai, kémiai folyamatként írjuk le, viszonylag érthető. Olvasva egy szöveget, fotonok ütköznek a szem retinájának érzékelő sejtjeire. Idegszálak közlik a jelet a megfelelő agyterülettel. Az feldolgozza, azonosítja a lapra írt betűket, szavakat. Valahogy el is raktározza mindazt, amit olvasok. Mindez azonban személyként, tudatos módon is megélem. A leírt szöveg érzelmeket kelt, gondolatok ébrednek bennem. A felfogott gondolat tudatom részévé válik, mint egyén egy kicsit meg is változom általa. Lehet, hogy elégedettséget érzek, jobb lesz a kedvem, az is lehet, hogy bosszússá válok. Mindezeket a tudatra utaló jelenségeket fizikai folyamatok hordozzák. Nem tudjuk, pontosan hogyan, azt sem, hogy miért van mindez. A tudatosságunk központja az agyon belül nem azonosított. Mintha az agykéreg együtt hordozná azt, amit öntudatnak nevezünk.

Intelligencia és mesterséges intelligencia:

Az agyhoz kötött, röviden természetes intelligencia röviden a rögtönzésre, a találgatásra való képesség, addig próbálgatunk, míg rá nem hibázunk a megfelelő megoldásra. Számos kísérlet történt a mesterséges, gépi intelligencia kifejlesztésére is, azonban az agyéhoz hasonló jellegű intelligenciájú számítógépet nem sikerült kifejleszteni. Ennek végül is az az oka, hogy az idegrendszer valójában nem, illetve nem közvetlenül programozott rendszer. A számítógépnél előírjuk, programozzuk, hogy mit várunk el tőle, és ennek megfelelő szerkezettel készítjük el.

Az agyi neuronhálózatok működése közben nemcsak a neuronok közötti kapcsolatok, hanem maguk a neuronok is fokozatosan és állandóan változnak. A kapcsolatok és a neuronok számos, úgymond feleslegesnek nevezhető változáson is átesnek, és ezek elő nem írható működési, viselkedési módokat tesznek lehetővé. Az agy hierachikus felépítettségű, az információ feldolgozásában, kezelésében különböző szintű szerveződések működnek közre. Ez a rendszer képes a próbálkozáson, tévedésen és sikeren alapuló tanulásra. Az emberi agyban az információ feldolgozás tehát olyan, hogy a szerkezet és működés között nincs jól meghatározott viszony. Mivel a számítógépek szerkezete és működése között meghatározott, programozott viszony létezik emiatt az agy és a programmal vezérelt számítógép működése között elvi ellentét áll fenn. Emiatt, legalább is egyelőre, nehezen képzelhetők el emberi módon viselkedő számítógépek előállítása. Egyesek szerint az emberi gondolkodás sohasem foglalható képletekbe, algoritmusokba, merev szabályokba. Mások szerint mindez elképzelhető.

Az emberi természet és a nevelhetőség:

ősréginek mondható kérdés, hogy az öröklött adottságok és a nevelés hatása közül melyik a meghatározó. Az angol kifejezés szójátéka szerint: nature or nurture? A válasz nem egyszerű. A kutatások azt igazolják, hogy a szülők és a gyermekek viselkedése között szoros kapcsolat van. A kedvesen, szeretettel nevelő szülők gyermekei öntudatosak, bíznak magukban, a határozottan viselkedő szülők gyermekei jó magaviseletűek és ha a szülők sokat beszélnek a gyermekeiknek, azoknak jobbak lesznek a nyelvi készségei. Ebből sokan azt a következtetést vonják le, hogy a szülőknek kedvesen, határozottan, sokat beszélve kell a gyermeket nevelni és ha a gyermek mégsem a megfelelő módon viselkedik, az a szülő hibája. A szülő gyermekeinek azonban nemcsak a nevelést adja, hanem a génjeit is. A gyermek és a szülő viselkedését elemezve azt is mondhatjuk, hogy a szülőtől örökölt gének tehetik a gyermeket kedvessé, határozottá, jó nyelvkészségűvé.

A kérdésben két végletes vélemény küzd egymással. Az egyik, a beletörődő, fásult felfogás szerint az emberi természetet olyannak kell elfogadni, amilyen, nem lehet az embert bölcsebbé, kedvesebbé, jobbá tenni és a társadalmat eszerint kell berendezni. A másik, az utópisztikus felfogás szerint az ember a társadalom miatt annyira korlátolt és ha egy jobb társadalmat hozunk létre, az emberek is sokkal jobbak lesznek. A jobb- és baloldaliságnak ezek a gyökerei. A jobboldali ragaszkodik a hagyományokhoz (mivel az emberi természet olyan, amilyen), a gyengébb állam hívei (a kormányzók nem elég bölcsek ahhoz, hogy jól irányítsanak), erős rendőrséget és katonaságot akarnak (mivel a bűn és a hódítás vágya állandóan kísérti az embert) és a szabad piac hívei, (mivel az az egyéni önzőséget a közösség boldogításának eszközévé teszi). A balodaliak a fenti álláspontokat kishitűeknek és érzéketleneknek minősíti. A baloldali szerint ha a nevelési, művelődési, oktatási, sajtó és médiapolitikánkon valamint egyéb társadalmi célkitűzéseinken megfelelően változtatunk akkor az emberek értelmesebbek, kedvesebbek, békésebbek és jobblekűek lesznek. Megjegyezzük, hogy a jobb- és balodaliság fenti jellemzői az Amerikai Egyesült Államok és más fejlett nyugati ország gondolkodását jellemzik, a térségünk átmeneti társadalmaiban a két felfogás erősen keveredik. A mai agykutatás választ adhat a fenti kérdésre. Az agy nem csupán a gének működésének az eredménye és nem is csak az egyén tapasztalatainak összessége. Az egyén agya igen összetett neurális hálózatok összessége, amelyek már a születés előtt alakulni kezdenek és az élet során a gének és környezet kölcsönhatásának eredményeképpen folyamatosan növekednek és változnak. Azaz az emberi agy a gének és a környezet kölcsönhatásának eredményeképpen fejlődik. Az emberi kultúra, amely neveli a gyermeket, miként éljen, hogyan gondolkodjon, az agy alakítását a sejtbiológiával és a molekuláris genetikával kölcsönhatásban végzi. Miközben az agy vezérli az emberi cselekvést, az élet visszajelzései folyamatosan alakítják az agyat. Azaz az emberi agy nem egy állapot, hanem egy folyamat, amely állandóan változik, alakul.

A megismerés határai és a matematika korlátai

A matematika a természet nyelve. A világmindenség tökéletes megértéséhez az is szükséges, hogy ez a nyelv tökéletes legyen. Mindent lehessen vele tárgyalni és ne fordulhasson az elő, hogy valamilyen állítás igazságát vagy hamisságát ne tudjuk eldönteni. Ha a nyelv nem teljes és tökéletes, nem várhatjuk el azt sem, hogy segítségével mindenre választ kaphassunk.

A matematika egyes területeinek felépítése az adott terület axiómáin nyugszik. Például a geometriát is axiómák rendszerével fogalmazzák meg. Az axiómák olyan állítások, amelyek igazságát eleve feltételezik. Az axiómarendszer állításai nem mondhatnak ellent egymásnak, továbbá az axiómák segítségével bármely állítás igazsága vagy hamissága eldönthető. Ez utóbbi állítás azt jelenti, hogy az axiómák rendszere teljes.

Kiderült, a matematika, amit a lehető legtisztább, logikus, értelmes kifejezési módnak, nyelvnek tarthatnánk, sem mentes ellentmondásoktól, korlátoktól. A már az elemi módon megfogalmazható eldönthetetlen logikai állítások problémája a matematika alapjait képező axiómarendszereket is jellemzi. Megmutatható, hogy ugyan a geometria axiómarendszere teljes, de Gödel tétele szerint egy axiómarendszer, ha eléggé összetett ahhoz, hogy az arimetikát is magába tudja foglalni, sohasem lehet teljes. Azaz az arimetika valami olyat képez, aminek az igazságát szabályok formális rendszere nem tudja teljességgel megfogalmazni. Gödel szerint bármely ilyen axiómarendszer esetén lehet egy olyan állítást találni, amelynek igazsága vagy hamissága az adott axiómarendszeren belül nem dönthető el. Ahhoz, hogy ennek az állításnak az igazságát eldöntsük, az axiómarendszert ki kell bővítenünk. Azonban ebben az axiómarendszerben is megfogalmazható egy eldönthetetlen állítás. Erre példa a következő rövid állítás: "Nem mondok igazat." Ha hazudtam, az állításom igaz, de akkor nem vagyok hazug. Ha igazat mondtam, az állításom hamis, merthogy nem hazudtam. Gödel tétele hasonló logika szerint építkezik.

Gödel tételén kívül egy másik példa a matematika határaira az ún. Turing gép működése. Korábban feltételezték, hogy a matematika gépiesíthető. Minden matematikai művelet jól meghatározott elemi lépések segítségével előállítható és így bármely matematikai művelet elvégezhető. A Turing gép ezt a gépesítést oldja meg, persze csak elméletileg. Amire a Turing gép nem képes, azt más eszközökkel sem lehet megoldani. Kiderült, hogy a Turing gép sem tudhat mindent elvégezni. Létezik a kiszámíthatalan számok problémája. Azaz léteznek olyan számok, amelyet a Turing gép nem képes kiszámolni. Ezek a számok ráadásul nem választhatók el a kiszámítható számok halmazától.

Gödel tétele és Turing kiszámíthatalan számainak problémája arra utal, hogy a matematika sem tekinthető teljes értékű megfogalmazási eszköznek. Azaz a lehetséges természeti problémák nem biztos, hogy egyértelműen megfogalmazhatók és megválaszolhatók. Ezzel elvileg sincs meg az a lehetőség, hogy a világ valamennyi problémájára valaha is teljesértékű választ kaphassunk. Azaz a világ teljes megismerhetősége már csak a matematikai nyelvezeti korlátai miatt is kétséges.

Gödel tételének értelmezése ma is nagy vitákat vált ki. Egyesek szerint ez a tétel arra utal, hogy az emberi agy felette áll a formális szabályok alapján működő számítógépek lehetőségein, azaz az ember az intuíciója és más gondolkodási képességei által olyanokra képes, mint a számítógép soha. Az idegen civilizációk létezéséről

Az ember földi léte felveti azt a kérdést, léteznek-e rajtunk kívül tudatos lények a mindenségben. Mivel legjobb tudásunk szerint a fizika törvényei a világmindenségben mindenütt érvényesek, mondhatjuk, miért ne. Viszont az élet kialakulásának törvényeit még körvonalaiban sem ismerjük. Ezért azt sem tudhatjuk, az ősi Földet jellemző körülmények mennyire lehettek kedvezőek az első élőnek nevezhető szervezet megjelenéséhez. Ennélfogva annak a becslése, hogy mennyi az esélye annak, hogy másutt a Tejútrendszerben, vagy a Világmindenségben van értelmes élet, erősen bizonytalan.

A biológiai determinizmus elve, - mint tárgyaltuk maguk a biológusok erről hallani sem akarnak - az sugallja, hogy nem csak bolygónkon fejlődött ki az élet, hanem sok más helyen is. Egyes becslések szerint csupán galaxisunkban tíz-, akár százmillió bolygón is megindulhatott az értelmes élet felé mutató fejlődés.

A földi életformák közös jellemzője az is, hogy az élet, legyen az akármilyen fajta, igyekszik terjeszkedni, kihasználni a rendelkezésre álló életteret. Az emberiség történelme is igazolja ezt. A mai ember alig száz, kétszázezer éve jelent meg. Hamar uralma alá hajtotta a Földet és alig negyven évvel az első űrhajó felbocsájtása után a világűr bolygónkat körbevévő szakaszát is felderítette, használatba vette. Józan becslések szerint néhány száz éven belül sor kerülhet arra, hogy nagyobb űrállomásokat útjukra bocsájtva megindulhat a Naprendszeren kívüli térségek felderítése, esetleg gyarmatosítása. Néhányszor tízmillió év elteltével akár a teljes Tejútrendszert is felderíthetjük, birtokba vehetjük. Feltételezhetjük, a máshol esetleg kialakuló civilizációk is hasonló fejlődési pályát követhetnek, mivel a terjeszkedés az élet egyik legáltalánosabb tulajdonsága.

Ha ez így van, jogos a kérdés, hol vannak a Tejútrendszerben létrejött értelmes civilizációk. Akár tízmillió ilyen is létezhetne és mindegyik akár külön-külön is képes benépesíteni a galaxist, azaz Naprendszerünkben is szinte hemzsegniük kellene a különböző műszaki civilizációt kialakított értelmes lényeknek.

Amennyire Naprendszerünket már felderítettük, a földönkívüli élet nyomaira mindeddig nem találtunk. Nincs arra utaló jel, hogy itt lennének, vagy akár korábban jártak volna errefelé értelmes lények. Nem találjuk műszaki alkotásaikat és a világűrt betöltő elektromágneses sugárzási térben sem figyeltünk meg eddig olyan jeleket, amelyek értelemre utaló információt hordoznának. A több évtizede tartó adatgyűjtés eddigi eredménye egyelőre arra utal, hogy a galaxisban mi vagyunk az egyedüli értelmes lények és meglehet, a teljes Mindenségben is egyedül vagyunk.

A fenti eredmény zavaró, mert nem mondhatjuk azt, hogy az értelmes civilizációk közül az elsők egyike lehetünk, hiszen a galaxisban Naprendszerünk nem tartozik az elsők közé. Hozzánk hasonló naprendszerekben már milliárd évekkel ezelőtt megjelenhettek volna értelmes lények. Ha egy hatalmas réten csak egyetlen pipacs virít, akkor igen kicsiny annak a valószínűsége, hogy az a pipacs a sokezer közül a legelső. Inkább annak van sokkal nagyobb esélye, hogy az a pipacs az egyedüli pipacs a réten. Ezért abból, hogy nem észleljük más civilizációk létezést, joggal gondolhatunk arra, hogy az értelmes élet rendkívül ritka, kivételes jelenség.

Mindenesetre hamis az az érvelés, hogy a kutatók előítéleteik, maradiságuk miatt tagadnák a földönkívüliek létezését. Inkább az a helyzet, hogy nagyon jelentős befektetéssel kutatják az idegen civilizációkra utaló jeleket, de eddig még nem találtak ilyeneket. Az, hogy a sajtóban, televízióban mégis olyan sok ilyen jellegű cikkekkel, műsorokkal találkozunk abban elsősorban az üzleti megfontolások a meghatározók. Kevesen járhattak olyan UFO előadáson, ahol ne szedtek volna többszáz forintos belépőt és az UFO folyóiratok számára is biztosítani kell az anyagot. Ezért az általuk szolgáltatott leírások kétes értékűek. Meg kell jegyezni, az emberi psziché jelenségei elképzelhetetlenül gazdagok. Bizonyos vegyületek, alkohol, kábítószerek, hallucinogén szerek hatására bárkinek lehetnek látomásai, szemei előtt olyan dolgok jelenhetnek meg, amelyeket korábban sohasem látott és el sem tudott volna képzelni. Bizonyos helyi elektromágneses zavarok hatására is lehetnek egyes, egyébként teljesen egészséges embernek hallucinációi. Ezért az ilyen beszámolók nem fogadhatók el a földönkivűliek létezése cáfolhatatlan bizonyítékaként.

Azok az építmények, alkotások pedig, melyek Földünk egymástól távoleső pontjain a történelemtudomány számára egyelőre megmagyarázhatatlan rejtélyt jelenthetek, nem foghatók fel az idegenek létezésének bizonyítékaként. Sokkal kézenfekvőbb lehet például egy olyan magyarázat, hogy a történelem előtti időkben már létezett a Földön olyan magas fejlettségű civilizáció, amely képes volt az óceánokon való hajózásra, gyarmatosításra. Ez sokkal egyszerűbb, és ezért elfogadhatóbb magyarázat lehet, mint az, hogy ezek a művek a földönkívüliekkre utaló alkotások.

A kozmológia antropikus elve

Most azt a kérdést érintjük, mennyire lehet véletlennek, avagy szükségszerűnek tekinteni azt, hogy a világegyetemben megjelent az értelmes élet. Ennek a problémának a tárgyalása hosszú ideig csak a filozófia és teológia illetékességi körébe tartozott.

Korábban tárgyaltuk, hogy a térhez és időhöz köthető valamint az belső szimmetriák létezése meghatározza az elemi részek mozgástörvényeinek és az alapvető erőknek az alakját. Ami azonban az egyenletekben szereplő fizikai állandók értékét illeti, azokat sem szimmetriák, sem másféle fizikai elvek sem rögzítik. Ezek az állandók a négy alapvető kölcsönhatás erősségei és a világunkat felépítő elemi részek tömegei. Ezek az értékek szabják meg végül is, milyen rendszerek alakulhatnak ki a világegyetem fejlődése során.

Felmerült a kérdés, mennyire függ az élet kialakulásának, az értelmes ember kifejlődésének lehetősége a fenti állandók értékétől. Bármely élő nagyon sok információt tároló, környezetéből energiát felvevő rendszer. Az energiát rendezettebb formában veszi fel és rendezetlenebb alakban adja le. Az élet kialakulásának feltételéül csupán az alapvető kémiai elemek, mint a szén, hidrogén, oxigén, nitrogén, kén, foszfor stb. valamint a kellően hosszú ideig, kellő erőséggel sugárzó csillagok létezését szabták ki. Valóban, a különböző féle elemek léte biztosíthatja csak, hogy az élethez szükséges információt tároló rendszerek kiépülhessenek. A megfelelő csillagokra mint a hosszú evolúciós időszak energiaforrásaira van szükség.

Az egységes természettudományos világkép áttekintést ad arról, miként jutott el a világegyetem az élet megjelenéséig. A fejlődés különböző szakaszait, az akkor keletkezett rendszereket befolyásolja az, milyenek a fenti fizikai állandók értékei. Főleg az első három percen belül és a csillagok belsejében zajló folyamatok függenek erősen az állandók értékeitől. Az elméleti kutatók eljátszottak azzal a feltételezéssel, mi történt volna, milyen lenne ma a világegyetem, ha a fizika fenti alapvető állandóinak nagysága más lenne. Az eredmény eléggé meglepő. Ha az állandók kis mértékben, akár százalékosan is különböznének a mostanitól, élet egyáltalán nem alakulhatna ki és a világegyetem, ha egyáltalán létezhetne, teljesen máshogy nézne ki, mint a mai. Ezek a világegyetemek a mostanihoz képest rendkívül sivárak és egyhangúak lennének, a változatosságra való képtelenség zárná ki bármiféle élet kialakulásának lehetőségét. Mondhatjuk, hogy a fizika alapvető állandói finomhangolódottak, a világegyetem az élet hordozására hangolódott. Ez a finomhangoltság a kozmológia antropikus elvének tartalma.

Nézzük például mivel járna, ha az erős magkölcsönhatás erőssége más lenne, amit amekkorának most mérjük. Ha az erős magkölcsönhatás egy kicsit gyengébb lenne, a magerők nem lennének elég erősek ahhoz, hogy a hidrogénnél nehezebb atommagot hozhassanak létre. Ha a magerők csak egy kicsit is erősebbek lennének, nem maradna a világmindenségben hidrogén és nem létezhetnének csillagok sem. A magerők életre hangoltsága a legújabb eredmények szerint 0.5%-os.

Ha a gyenge magkölcsönhatás erőssége nagyobb lenne, az első három perc során túl sok hélium keletkezene. Túl sok nehéz elem keletkezne a csillagok belsejében, azonban a szupernova robbanások nem következnének be, az elemek a csillagok belsejében rekednének. Ha a gyenge magkölcsönhatás gyengébb lenne, túl kevés nehéz elem keletkezne, a szupernova robbanások ebben az esetben sem jöhetnének létre.

Ha például az gravitációs kölcsönhatás erőssége nagyobb lenne, a csillagok forróbbak lennének, a csillagfejlődés felgyorsulna, a csillagok nem sugároznának elég hosszú ideig. Ha a gravitáció gyengébb lenne, a csillagok nem hevülhetnének fel a magfúzióhoz szükséges hőmérsékletre.

Ha az elektromágneses kölcsönhatás a mostaninál gyengébb vagy erősebb lenne, nem alakulhatnának ki a megfelelő kémiai kötések. Hasonló lenne az eset, ha az elektron és a proton tömegének aránya más lenne, mint a mostani. Sok más, ezekhez és a fentiekhez hasonló antropikus megszorítás fogalmazható még meg.

Az élet és a világegyetem:

Az antropikus elv szoros kapcsolatot teremt az élet és a fizika alaptörvényei, a világegyetem egésze között. Az antropikus megszorítások túl erősek ahhoz, semhogy véletlennek tekinthetnénk azokat.

Az élet és az őt kialakító, hordozó világmindenség összetartoznak. Az értelmes ember nem is láthatja másnak a világmindenséget, mint amilyennek azt észleli. Ha a világegyetem egy kicsit is más lenne, mint amilyen, élő azt nem figyelhetné meg, merthogy élet akkor nem is létezhetne.

Világegyetemünk finomhangoltságának értelmezése rendkívüli kihívást jelenthet a tudomány számára. Lehetséges-e egyáltalán másfajta világmindenség, mint amelyet megfigyelünk, megfigyelhetünk. Egyesek számtalan sok egyéb, számunkra megfigyelhetetlen, a mienktől különböző világegyetem létezését tételezik fel ahhoz, hogy ennek az egynek a finomhangoltságát, életet hordozó képességét magyarázni tudják. Vannak, akik tartózkodnak attól, hogy egy létezőnek a magyarázatára ezt tegyék, gondolván, ez túl bonyolult, csak az adott magyarázatra kiötlött megoldás lenne.

Feltételezhető az is, hogy a fizika alapvető állandói nem is lehetnek mások, mint amilyennek mérjük őket. Idővel talán megszületik valamilyen új elv alapján felismert nagy egyesített elmélet, amely rögzíti az állandók értékét, megmutatva, miért szükségszerűen veszik fel az általunk mért értékeket. Ekkor viszont majd arra a kérdésre kell a választ keresnünk, miért éppen ezek azok az értékek, amelyek az élet kialakulásának is kedveznek.

Mindenesetre elmondhatjuk, az értelmes, tudattal rendelkező lény megjelenése, amely jelen tudásunk szerint a galaxisban, sőt talán a teljes világmindenségben is rendkívül ritka, talán egyedülálló fejlemény, a világmindenség fejlődésének megkülönböztetett eseménye. A mindenség fejlődését jellemző általános tendencia, az egyre bonyolultabb rendszerek kialakulásának betetőzéseként megjelent benne egy olyan lény, amelyik képes magát a világegyetemet leírni, értelmezni. Az anyagából formálódott, értelmes lény kutatja a mindenség törvényeit, kialakulásának körülményeit, elgondolkozik a mindenség eredetén, az ember személyében a világegyetem visszatekint saját magára. Ezt a jelenséget, az értelmes ember létezését, úgy tűnik, egyre nehezebb lesz puszta véletlennek tulajdonítani. Ami talán a tudomány számára még nehezebb lehet, annak megértése, miért volna az élet kialakulása, értelmessé fejlődése szükségszerűség a világmindenség számára. Az önmagát újjászűlő világegyetem:

A kaotikus felfúvódó világegyetem korábban tárgyalt modellje szerint a világegyetem fenti állandói véletlenszerűen adódnak ki. Más buborékokban más tulajdonságú világegyetemek keletkeznek, ahol a fizika állandói mások és azokban ezért élet sem alakulhat ki.

Van egy másik elképzelés is, amely az antropikus elv értelmezésére született. Ezek szerint a világegyetemben a csillagfejlődés során keletkezett fekete lyukak újabb világegyetem forrásaiként szolgálnak. A keletkezett újabb világegyetem, a csecsemő világegyetemnek nevezett univerzum fizikai állandói csak kissé mások, mint a szülő világegyetem alapvető állandói. Ezért az így keletkezett világegyetemben is megjelennek a galaxisok, csillagok, fekete lyukak, amelyek azután újabb csecsemő világegyetemek születéséhez vezethetnek.

A fizikai állandók változása a fenti modell szerint azt a folyamatot részesíti előnyben, amelynek során a csecsemő világegyetemekben minél több fekete lyuk keletkezik, azaz ahol a csillagfejlődés feltételei egyre jobbak. Ahogy az antropikus elvet tárgyaltuk, a csillagfejlődés egyben az önszervező rendszerek képződésének, az élet kialakulásának az alapfeltétele is.

A világegyetem végzetéről

Mint láttuk, a világegyetem fejlődésben lévő, állandóan változó rendszer. Eddigi létezését az jellemezte, hogy az idő múlásával egyre összetettebb, kifinomultabb rendszerek jelentek meg benne. Kérdés az, meddig tarthat mindez, mi történik később. A válasz természetesen nem az emberi idő léptékére van tekintettel. A Nap egyre melegebben süt, lassan a Föld kikerül a lakhatóság zónájából. Az átlaghőmérsékletet évmilliárdokig állandó értéken tartó folyamatok egyes modellek szerint már csak hatszázmilliótól egymilliárd évig terjedő ideig képesek megakadályozni a Föld felszínének felforrósodását. A Nap vörös óriás csillaggá válása kb. 5 milliárd év múlva egészen biztosan izzó sivataggá változtatja a Föld felszínét. Az értelmes ember addig máshova költözhetne. A létünk azonban így sem lehet örök.

Az örökké táguló világegyetemben a befejezés forgatókönyve a következő. Egy idő után a csillagok üzemanyaga, a hidrogén elfogy. Ezért a csillagok is kihunynak és bekövetkezik az, amit a fizika hőhalálnak nevez. A kifejezés félrevezető lehet. A hőhalál, nem a magas hőmérséklet miatti megsemmisülést, hanem a hőmérséklet teljes kiegyenlítődését jelenti. Ha a csillagok üzemanyaga elfogy, a hőhalál ténylegesen bekövetkezik. A múlt században a hőhalál okozta világvégét három-négyezer esztendőn belülre várták, gondoljunk Madách Imre Ember Tragédiájára. Ezért a hőhalál elmélete akkor nagyon nagy visszhangot váltott ki. A hőhalál mai ismereteink szerint csak tízmilliárd évek múlva esedékes, ami számunkra felfoghatatlanul nagy idő.