A Hét 1983/1 (28. évfolyam, 1-26. szám)
1983-04-22 / 17. szám
Tudomány-technika A KVANTUMELMÉLET SZÜLETÉSE Szinte jelképesnek is mondható, hogy a 125 évvel ezelőtt született Max Planck (1858— 1947), a modem fizika egyik vezéralakja két héttel az új évszázad beköszöntése előtt, 1900, december 14-én számolt be a Német Fizikai Társulat ülésén forradalmi jelentőségű felfedezéséről, amely alapjaiban ingatta meg az évszázadok szorgos munkájával létrehozott klasszikus fizika „épületét" és addig még csak nem is sejtett új távlatokat nyitott meg a tudomány, s elsősorban is a fizika és a természettudományok előtt. A zseniális és korszakalkotó felfedezésekről azt tartja a közhiedelem, hogy azok rendszerint váratlanul és előzmények nélkül jelentkeznek, jóformán az egyik pillanatról a másikra születnek meg, ennek azonban a tudománytörténeti tények legtöbbször ellentmondanak, s nincs ez másképp a kvantumelmélet esetében sem. Amikor Max Planck azt a nevezetes előadását tartotta, már két évtizede működött a pályán és tekintélyes elméleti fizikusnak számított, annak ellenére, hogy valóban nagy horderejű felfedezés akkor még nem fűződött a nevéhez. Tanárai, munkatársai és tanítványai egyaránt tisztelettel és az elismerés hangján beszéltek róla, mindenki lelkiismeretes tudósnak, kiváló pedagógusnak és nagyszerű embernek tartotta. A sors iróniája mégis, hogy ilyen kedvező vélemények ellenére senki sem akadt, aki felismerte volna a fiatal Planck tudományos eredményeinek valódi jelentőségét, pedig már doktori értekezésében is — amelyben általános érvényű megfogalmazását adta az 1860-as években felállított entrópia-tételnek — volt valami, ami sejteni engedte a későbbi fejleményeket. (Az entrópia olyan, szemléletesen nem értelmezhető állapotfüggvény, amely megadja egy anyagi rendszerben lezajló energiafolyamatok és -átalakulások irreverzibilitásának — „visszafordíthatatlanságának" — a fokát, tehát kifejezi az anyagi rendszer molekuláris rendezetlenségének, illetve állapota termodinamikai valószínűségének a mértékét ; az entrópia alapvető tulajdonsága, hogy minden fizikai folyamat során növekszik, s így alkalmas arra, hogy a természeti folyamatok irányát jelezzék vele. — L T. megj.) A fiatal Planck doktori címe elnyerése után Münchenben kezdte meg egyetemi pályafutását; 1889-ben került Berlinbe, ahol a nagy tekintélyű Kirchhoff katedráját kapta meg. Berlinben lett valóban elismert fizikussá, s amikor Hermann Helmholtz, a kor vezető német fizikusa 1894-ben elhunyt, senki sem kételkedett abban, hogy Max Planck lép majd a helyére. Planck vérbeli elméleti fizikus volt, kísérleti megfigyelésekkel nem foglalkozott, de mindig is tisztában volt a kísérletezés és az empíria fontosságával, s nemcsak nagyra értékelte, hanem alkotó módon fel is használta kísérleti fizikus-kortársai eredményeit és megfigyeléseit. Kezdettől fogva a termodinamika, az energia, a hőtan és a sugárzás kérdései foglalkoztatták. Kiéli professzorkodása idején (1885—1889) könyvet írt Az energia megmaradásának elve címmel, később több dolgozatban is hírt adott a hőtannal kapcsolatos elképzeléseiről. Szemléletére és gondolkodásmódjára nagy hatást gyakorolt Ernst Mach osztrák fizikus és filozófus, akinek 1883-ban megjelent Mechanikáját a fiatalabb fizikus-nemzedékek szinte Bibliaként forgatták. Mach életműve — amint arra később Materializmus és empiriokriticizmus c. munkájában Lenin egyértelműen rámutatott — tele volt súlyos és alapvető ellentmondásokkal, kritikus szelleme és metafizika-ellenes szemlélete azonban határozottan pozitív szerepet játszott a XIX. század utolsó évtizedeinek fizikájában, s ezt még azok a fizikusok is elismerték — köztük Einstein és Planck is —, akik a későbbiekben szembefordultak Mach filozófiai elképzeléseivel. Az 1890-es években rohamosan gyarapodtak azok a kísérleti eredmények és megfigyelések, amelyeket a klasszikus fizika elméleti keretei között nehezen vagy egyáltalán nem lehetett értelmezni. Mindenekelőtt a különböző sugárzási jelenségek okoztak komoly gondokat a fizikusoknak. Robert Kirchhoff már 1860-ban rámutatott arra, hogy a testek sugárzáskibocsátóképességének és sugárzáselnyelőképességének az aránya — adott hőmérsékleten és meghatározott rezgésszám esetén — egy állandó érték, amely független a test anyagától. Egyszerűbben fogalmazva: amilyen intenzitással képes sugározni egy test, olyan nagy mértékben képes is elnyelni (abszorbeálni) a sugárzást. Ha nem így volna, akkor szerkeszthetnénk egy olyan berendezést, amely segítségével hidegebb helyről melegebb helyre hőenergiát tudnánk átvinni — ez viszont ellentmondana a termodinamika második főtételének. Elméletileg elképzelhető egy olyan test, amely minden ráeső sugárzást vagy energiát képes elnyelni, ezt nevezik abszolút fekete testnek. Ha az abszolút fekete test abszorbcióképességét egynek vesszük, akkor az előbb említett arányossági tényező értéke egyenlő lesz az abszolút fekete test emisszióképességével, tehát ha tanulmányozzuk az abszolút fekete test sugárzását, fontos törvényszerűségekhez juthatunk el. Josef Stefan osztrák fizikus már 1879-ben felfigyelt arra, hogy a fekete test által kisugárzott energia értéke a hőmérséklet negyedik hatványával arányos (E — a . T4 — ezt később Stefan— Boltzmann-törvénynek nevezték el). Ismert tény, hogy egy bizonyos hőmérsékletű test energiát sugároz ki, de amig például a 70 fokos radiátor csak „meleget áraszt”, de nem világít, addig egy tűzben hevített acélrúd nemcsak forró, hanem izzik is, tehát olyan elektromágneses hullámokat is kibocsát, amelyeket szemünkkel is érzékelhetünk. Minél nagyobb egy test hőmérséklete, annál nagyobb energiájú sugárzást bocsát ki, ami egyben azt is jelenti, hogy a „hullámnyalábban" nagyobb mértékben lesznek képviselve a magasabb rezgésszámú (vagyis a rövidebb hullámhosszú) elektromágneses hullámok. Arra vonatkozóan, hogy egy adott hőmérsékleten a kibocsátott sugárzásban hogyan oszlanak meg a hullámok a rezgésszám függvényében Wilhelm Wien adott meg egy összefüggést, ezt Wien-féle eltolódás! törvénynek nevezték el. Néhány kísérleti fizikus — Otto Lummer, Emst Pringsheim, Ferdinand Kuribaum és mások — megpróbálta igazolni a Wien-törvény helyességét, de ez csak a magasabb rezgésszámok tartományában sikerült. Ferdinand Kuribaum 1900. október 19-én számolt be megfigyeléseiről a Német Fizikai Társulat ülésén, amelyen Max Planck is részt vett. Planck látva a Wien-törvény korlátozott érvényességét egy módosított képletet javasolt, amely az alacsonyabb rezgésszámok tartományában is viszonylag kielégítő eredményeket ad, s magasabb rezgésszámok esetén — alacsony hőmérsékletekre vonatkoztatva — pedig átmegy a Wien-féle képletbe. Planck ezt az összefüggést tulajdonképpen ösztönösen találta meg, s két, kemény munkával eltöltött hónapot fordított rá, hogy a gombhoz megtalálja a kabátot, vagyis, hogy elméletileg is meg tudja magyarázni azt, amit az empirikus összefüggés kifejezett. Bárhogy is próbálkozott kezdetben, a hagyományos módon, a klasszikus fizika elképzelései alapján nem sikerült megoldania a feladatot. Végül felismerte, hogy a fekete test által kisugárzott energia nem folytonosan oszlik el, hanem kis adagokból, ún. energiakvantumokból áll, amelyek egyforma nagyságúak (pontosabb volna „kicsinységről" beszélni) és a számuk véges. Vajon milyen összefüggés áll fenn egy adott frekvenciájú elektromágneses hullámzás sugárzási energiája és rezgésszáma között? Planck szerint ez az energia egyenesen aránylik a rezgésszámhoz, tehát: E = hu ahol E az energiát, o a rezgésszámot, a h pedig az ún. hatáskvantumot vagy másképpen a Planck-állandót jelenti (h = 6,62.10-34 Js). A mai fizikusok számára mindez szinte magától értetődő, a századforduló idején azonban hosszú időbe tellett, amig a szakma megértette a plancki gondolat újszerűségét és jelentőségét. Maga Planck is sokáig kételkedett abban, hogy helyes úton jár, szerette volna „klasszikus" módon értelmezni a saját felfedezését: „Megpróbáltam, hogy a h hatáskvantumot valamiképpen beillesszem a klasszikus elmélet kereteibe — irta egy helyen —, de a hatáskvantum minden ilyen kísérletnek makacsul ellenszegült. Mindaddig, amig végtelen kicsinek lehetett tekinteni, tehát nagyobb energiáknál és nagyobb hullámhosszaknál, minden a legszebb rendben volt. Általános esetben azonban valahol rés támadt, amely annál feltűnőbb volt, minél nagyobb frekvenciákra tértem át. Miután minden kísérlet meghiúsult ennek a szakadéknak az áthidalására, nem volt kétség többé az iránt, hogy a hatáskvantum alapvető szerepet játszik az atomfizikában, és hogy fellépésével új korszak kezdődik a fizikában. A hatáskvantumban ugyanis valami eddig soha nem hallott jelentkezik, amely arra van hivatva, hogy alapjában átalakítsa egész fizikai gondolkodásunkat, amely azóta, hogy Leibniz és Newton megalapozta az infinitezimális számítást, minden kauzális összefüggés folytonosságának feltételezésén alapult (...) Most tehát pontosan tudtam, hogy a hatáskvantum a fizikában jelentősebb szerepet játszik, mint ahogy kezdetben hajlamos voltam feltételezni, és felfogtam, mennyire szükséges, hogy teljesen új szemléletet és számítási módszert vezessünk be atomisztikus problémák tárgyalásánál. Ilyen módszerek kialakítására szolgáltak Niels Bohr és Erwin Schrödinger munkái, amelyeknél azonban én már nem tudtam közreműködni." Planck felfedezése tehát új korszakot nyitott a modem fizikában. A század tizes éveiben végérvényesen győzelemre vitte az atomelméletet, amelynek helyességében Max Planck is kételkedett eleinte. Az atomok és molekulák szerkezetének és tulajdonságának leírásánál fontos szerephez jutott a Planck-állandó és a kvantumfeltevés. Seregnyi rejtélyesnek látszó jelenséget egyszeriben meg lehetett magyarázni a kvantumelmélet segítségével. A legfontosabb hozadéka azonban mégis az volt, hogy gyökeresen átalakította fizikai világképünket és természettudományos gondolkodásunkat. LACZA TIHAMÉR JÓTÉKONY VÍRUSOK « A vírusfertőzés általában súlyosan gátolja a növények fejlődését az indiai központi kutatóintézetben azonban most olyan vírusra bukkantak, amely serkentheti a növények fejlődését és elvileg felhasználható bizonyos növények hozamának növelésére. Az indiai kutatók megállapították, hogy a sejtek helyi pusztulását okozó rizs nekrózis mozaikvírus nemcsak a rizsnövényt támadhatja meg, hanem a tóalmát (Ludwigia perennis) is: a levelek töve halványsárgára színeződik. majd zöldes-sárgás mozaik borítja el az egész levélzetet. De furcsa módon a vírussal megfertőzött tóalma 70 nap alatt az egészséges növényeknél négyszer nagyobbra nőtt, és jóval több levelet virágot hajtott egészében véve a levelek nagysága, a sejtek mérete, a törzsátmérő jóval nagyobbra nőtt mint az egészséges növényeké. A kutatók megpróbálták a zsák- és kötélkészítésre használt jutát is megfertőzni a vírussal, és kiderült, hogy a vírus fertőzött juta is gyorsabban nőtt, több szálköteg fejlődött ki benne, mint az egészséges növényekben. Az indiai kutatók feltevése szerint a vírus valamilyen módon növeli a növekedési hormon gyártását a megfertőzött növényekben és ez okozza a gyorsabb növekedést Talán ez a vírus felhasználható más rostnövények hozamának növelésére is. Ezt a további kutatásokkal kell majd tisztázni. 18
