A Hét 1979/1 (24. évfolyam, 1-26. szám)
1979-03-10 / 10. szám
TUDOMÁNYTECHNIKA A XX. század - de mondhatnám talán így is: minden idők - egyik legnagyobb fizikusa, Albert Einstein (aki száz évvel ezelőtt, 1879. március 14-én született a németországi Ulmban) elsősorban a relativitáselmélet megteremtőjeként él a köztudatban. Valahogy úgy vagyunk vele, mint az „egykönyves" világhírű írókkal (pl. Hašekkal): főművükről széltében-hosszában beszélünk (néha még olyankor is, amikor nem is olvastuk), egyéb alkotásaikról viszont teljesen megfeledkezünk. Kétségtelen, hogy Einstein legnagyobb jelentőségű (és hatású) dolgozatai a speciális és az általános relativitás elméletének kérdéseivel foglalkoznak. E témakörban kifejtett tevékenységének értékét csak növeli, hogy alapjaiban tisztázott, egységes gondolatrendszert sikerült kiépítenie, melyhez más fizikusok (pl. Max von Laue) csak részleteket érintő kiegészítéseket tettek hozzá. A relativitáselméletnek kezdetben számos ellenzője is akadt (a leghangosabbak egyike a pozsonyi származású Nobel-díjas Lénárd Fülöp volt, aki kivált Hitler uralomra jutása után dühödt támadásokat intézett a „zsidó“ tanítás ellen), az elmélet helyességét bizonyító megfigyelések azonban a kételkedők túlnyomó többségét is meggyőzték. Az elmélet óriási jelentősége és sikeres térhódítása alapján az ember joggal várná, hogy a Svéd Tudományos Akadémia illetékesei Nobel-díjjal jutalmazzák a relativitáselmélet megteremtőjét, ami 1922-ben be is következett, csak éppen a díjat nem azért a munkájáért ítélték oda, amiért a leginkább megillette volna. A hivatalos indoklás szerint Einstein az úgynevezett fényelektromos jelenség magyarázatáért kapta meg a Nobel-díjot, tehát egy olyan alkotásáért, amely nem áll kapcsolatban a relativitáselmélettel. A jeles akadémikusokat természetesen nem illetheti vád: Einstein rászolgált „erre“ a Nobel-díjra is, s ha arra gondolunk, mennyire áttekinthetetlen és forrongó volt a fizika századunk tizes és húszas éveiben, talán igazat is adunk nekik, hogy egy megingathatatlannak látszó eredményt jutalmaztak és nem a relativitáselméletet, amely körül akkoriban még heves csatározások dúltak. Einstein munkásságának eredményeiről a szakma művelőin kívül csak kevesen tudnak, ők is elsősorban a speciális relativitás elméletének néhány furcsának tetsző megállapításáról (az idődilatációról, az ikerparadoxonról stb.) hallottak, Einsteinnek a kvantumelmélet területén végzett tevékenységét már nem ismerik. Úgy vélem tehát, hogy az alábbiakban nem lesz haszontalan dolog, ha erről a „másik“ Einsteinről is szó esik. * * * A XIX. század második felében élő fizikus joggal hihette azt, hogy a fizika egy olyan épület, amelyről egy-két apró dísztől eltekintve mór semmi sem hiányzik; minden lényegesnek számító kérdést tisztáztak, ami még magyarázatra vár, azt rövid időn belül megoldják. „Végérvényesen“ eldőlt az is - mindenekelőtt James Maxwell-nek köszönhetően —, hogy a fény hullámtermészetű, ahogy annak idején (1690 táján) Christian Huygens már leszögezte, és nem kis részecskék (korpuszkulák) sokasága, ahogy Isaac Newton tanította. Valóban, számtalan olyan fényjelenség volt (interferencia, fényelhajlás vagyis diffrakció, fénydiszperzió stb.), melyet csakis a fény hullámelméletével lehetett kézenfekvőén megmagyarázni. A XIX. századi fizikust ebben a már-már gőgös magabiztosságában azonban néhány „apróság" még zavarta. Nem sikerült elméletileg levezetni az úgynevezett hőmérsékleti sugárzás teljes energiáját kifejező és a mérések alapján már ismert képletét. John Rayleigh és James Jeans, két angol fizikus a múlt század végén megkísérelte az úgynevezett abszolút fekete test (minden ráeső fényt elnyelő — elméletileg elképzelt - test, melynek hőmérsékleti sugárzása független az anyagától) segítségével ezt a képletet levezetni. Bárhogy számoltak azonban, arra a megállapításra jutottak, hogy egy meghatározott méretekkel rendelkező abszolút fekete testben a rezgést végző részecskék száma véges, a lehetséges rezgések száma ellenben végtelen. Ha ez így volna, akkor furcsa dolgok játszódhatnának le a természetben. Képzeljük el, hogy ezt az abszolút fekete testet vörös fénnyel töltjük meg; mivel a lehetséges rezgések száma végtelen, ez a vörös sugárzás egyszeriben átváltozik sárgává, zölddé, ibolyává, majd ultraibolya sugárzássá, röntgensugarakká, gamma-sugarakká stb. Ha tehát helyes volna a XIX. századi fizikusok elképzelése a sugárzásokról, akkor a szénnel fűtött kályhának (mely bizonyos fokig abszolút fekete testnek is tekinthető) minden alkalommal radioaktív sugarak kibocsájtása közben fel kellene robbannia. Ez pedig nem következik be. A megoldás nyitjára Max Planck, német fizikus jött rá. Elvetette azt a gondolatot, hogy az energia folytonosan változik; szerinte léteznie kell egy minimális mennyiségnek, az úgynevezett energiakvantum-nak, amelynél kevesebb energia már nem „cserélődhet ki” két részecske között. Planck 1900-ban megjelent tanulmányát tekinthetjük a kvantumelmélet „nyitányának“. Planck feltételezte, hogy az elektromágneses hullám (ilyen a fény is) energiája egyenesen arányos a rezgésszámmal (frekvenciával). Ezt a következő képlettel fejezhetjük ki: E = h . f (1) ahol E a hullámzás energiája, f a frekvenciája, h pedig az úgynevezett Planck-állandó vagy hatáskvantum. Max Planck közleménye érthető okokból nagy vitát kavart. Sokáig merő fantóziólgatósnak tartották, mivel nem akadt egyetlen, a valóságban is lejátszódó folyamat, amelyet a „Planckhipotézis" segítségével magyarázni kellett volna. Ekkor jelent meg a színen a berni szabadalmi hivatal egyik alkalmazottja, Albert Einstein. Ő tudott egy olyan jelenségről, amelyet addig sehogyan sem sikerült elméletileg megvilágítani. Az úgynevezett fényelektromos jelenségről van szó, amelyet a múlt század nyolcvanas éveiben több kiváló fizikus - Hertz, Hallwachs, Sztoletov és Lénárd Fülöp - is tanulmányozott. Lénárd gyakorlatilag mindent tudott arról mi játszódik le a folyamat során. Megállapította, hogy a fém felületére beeső fény hatására elektronok hagyják el a fémet. Minél nagyobb a fény intenzitása, annál több a kirepülő elektronok száma, de energiájuk, illetve sebességük nem változik. Ha azonban a fémet megvilágító fény frekvenciáját megváltoztatjuk, akkor a kiszabaduló elektronok energiája is megváltozik. Ennél a pontnál azonban Lénárd nem jutott tovább, nem tudta megmagyarázni — a hagyományos módon — a jelenség okát. Einstein úgy találta, hogy Planck kvantum-hipotézise jól alkalmazható a folyamatra. Csak előbb fel kell adni azt az elképzelést, hogy a fény folytonos sugárzás. Einstein szerint a fény kis kvantumokkból, vagy ahogy elnevezte ezeket: fotonok seregéből áll. Egy foton energiája a már ismert módon (az (1) egyenlet alapján) határozható meg. Ha tehát a fényrészecske becsapódik a fémbe, onnan „kiüt" egy elektront, amely a fotontól kapott energiának megfelelő sebességgel hagyja el a fém felületét. A feltétel csupán az, hogy a foton elegendő energiával rendelkezzék, hogy az elektron leküzdhesse az őt fogvatartó erőket. Mivel a foton energiája egyenesen arányos a fény frekvenciájával, érthetővé válik, miért idéznek elő nagyobb fényelektromos hatást a nagyrezgésszómú sugarak, például az ultraibolya-sugárzás. Einstein matematikailag is leírta a folyamatot. E szerint a fémből kilépő elektron energiáját az alábbi összefüggés alapján határozhatjuk meg: -y- . m . = h . » — W (2) ahol m az elektron tömege, v a sebessége, f a beeső fény frekvenciája, W pedig az adott fémre jellemző állandó, és azt az akadályt jelképezi, melyet az elektronnak le kell győznie. Az itt szereplő h a már ismert Planckállandó. Einstein azt is felismerte, hogy magyarázata megtépázta azoknak a biztonságát, akik szentül meg voltak győződve a fény hullámtermészetéről. Ugyanakkor itt volt a rejtély: vannak jelenségek, amelyek csak a hullámelmélet alapján magyarázhatók, vannak viszont olyan folyamatok (mint az imént tárgyalt fényelektromos jelenség is), amelyeket csak a fény korpuszkuláris elmélete alapján lehet leírni. Hogyan lehetséges ez? Az igazat megválva a mai napig törik rajta a fizikusok o fejüket. Egyelőre úgy tetszik, jobb beletörődni a salamoni döntésbe (amelyet a kvantumelektrodinamika hozott), hogy a fény kettős természetű: egyszer hullámként, máskor részecskeként viselkedik. (Einstein az általa tűsugárzás-elméletnek nevezett elképzelés alapján megkísérelte „összebékiteni" a két ellentmondó „természetet”, de a magyar Setényi Pál 1911-ben kísérlettel cáfolta meg a tűsugárzáselmélet állításait.) Eisteinnek a fényelektromos jelenség magyarázatát tartalmazó dolgozata 1905-ben jelent meg. Ugyanekkor egy más témába is belekóstolt, s anélkül, hogy előzőleg hallott volna róla (ez ugyan nem ildomos tudós körökben, de azért gyakran előfordul) magyarázatot adott az úgynevezett Brown-mozgásra. Az történt, hogy elméletileg elképzelte: ha vannak atomok és molekulák, akkor bizonyára mozognak és rendszeresen ütköznek egymással. Az atomok és molekulák mikroszkóppal ugyan nem láthatók, de létezhetnek olyan kis részecskék, amelyeket ezek a mozgó-ütköző molekulák kibillentenek nyugalmi helyzetükből, s mivel mikroszkóp segítségével megfigyelhetők, közvetve tudomást szerezhetünk az atomok és molekulák mozgásáról. Einstein csak utólag tudta meg_, hogy ezt a mozgást egy Brown nevű angol botanikus már 1827-ben megfigyelte, amikor vízben úszó virágpor-szemeket vizsgált mikroszkópjával. Einstein magyarázata egyik fényes bizonyítéka volt az atomelmélet helyességének, amelyet addig még igen sok tudós, köztük olyan hírességek is, mint Wilhelm Ostwald, vagy az Einsteinre nagy hatással levő Ernst Mach osztrák fizikus és filozófus is kétségbe vontak. Einstein a kvantumelmélet területén több más eredményt is elért. így például a megfigyelésekkel jól egyező összefüggést állapított meg a szilárd anyagok fajhőjére vonatkozólag. A fajhő az a hőmennyiség, amely valomely kémiai anyag egy kilogrammjának hőmérsékletét egy C °-kal emeli. Magas hőmérsékleten a fajhő állandó, az alacsonyabb hőmérsékletek tartományában azonban értéke fokozatosan csökken és az abszolút nullafok közelében mór nullával lesz egyenlő. Einstein alapjában véve helyes magyarázatot adott erre a jelenségre, bár az általa levezetet képletet Max Born és Kármán Tódor magyar fizikus némiképp módosította, s ezáltal az elmélet szinte tökéletesen megegyezett a tapasztalattal. Albert Einstein 1917-ben (!) kidolgozta a lézerek elméletét. Természetesen akkor még nem gondolhatott arra, hogy az atomok elektronburkában lejátszódó gerjesztési folyamatok tanulmányozása negyven év múlva valamilyen gyakorlati haszonnal is járhat. Ö csak magyarázatot adott azokra a folyamatokra, amelyek révén lehetséges a mézerek és lézerek működése. Einstein utolsó tette a kvantumelmélet területén az úgynevezett kvantumstatisztika megalapozása volt. Ezt tőle függetlenül Bőse, indiai fizikus is elvégezte, ezért manapság a kvantumstatisztika egyik fejezetét (azt, amelyik az úgynevezett „egész-spinű" részecskék, mint pl. a fotonok, pi-mezonok stb., gyűjtőnevükön: bozonok viselkedését írja le) Bose-Einstein statisztikának nevezik. Az 1920-as évek közepétől azonban szemléletbeli változás állt be Einsteinnél. Arra a következtetésre jutott, hogy a kvantumelmélet, melynek sikeres térhódításához az ő tevékenysége is jelentős mértékben hozzájárult, tévútra került. Nem egyéb számmisztikánál, valószínűségszámítási hókuszpókusznál, s különösen a statisztikus módszerek ártanak a hitelének. Heves vitákat folytatott a kvantumelmélet olyan neves továbbfejlesztőivel, mint Max Born, Werner Heisenberg és Niels Bohr. Hova-tovább mind inkább elszigetelődött, magára maradt nézeteivel, ráadásul 1933-ban végérvényesen el kellett hagynia Európát, Amerikában telepedett le, ahol csak nehezen sikerült új barátokra és vitapartnerekre lelnie. Élete vége felé közreadta az egységes (a>-gravitációs teret és az elektromágneses teret egyaránt magábafoglaló) térelméletre vonatkozó elképzeléseit, amelyeket azonban a fizikusok nagy többsége értetlenül fogadott. 76 éves korában, 1955. április 18-án egy kórházi szobában hal meg. Hamvait, kívánságára a világ négy égtája felé szórták. LACZA TIHAMÉR Albert Einstein és a kvantumelmélet
