A Hét 1992/2 (37. évfolyam, 27-52. szám)
1992-10-02 / 40. szám
MINERVA MAGYAROK AMERIKÁBAN Wigner Jenő Wigner Jenő az utolsó ólő képviselője annak a nagy fizikusgenerációnak, amely gyökeresen megváltoztatta az emberiség természettudományos világképét és természetfilozófiáját, s aki vezető szerepet játszott az atomenergia felhasználásának megalapozásában. Oly sok híres tudóstársához hasonlóan ő is a budapesti fasori Evangélikus Gimnázium diákja volt (amelyet a közelmúltban nyitottak meg újra), innen került a berlini Technische Hochschulera, ahol 1925-ben doktorált kémiából, egy évvel korábban, mint későbbi munkatársa, Neumann János. Ezt követően az egyetemen helyezkedett el tanársegédként. Ekkor kezdett el foglalkozni azokkal a kérdésekkel, amelyeket néhány évvel később mint az elemi részek szimmetriaelvét ismeri meg a világ. E forradalmi jelentőségű tevékenységéért egy bő emberöltővel később — 1963-ban — megkapta a fizikai Nobel-díjat. Kívülállók számára nehezen érthető, bonyolultnak tűnő elméletének ismertetése előtt érdemes néhány szót ejteni a modern természettudományos világkép kialakulásáról. Egészen századunkig a tudósok a megfigyelt jelenségek törvényszerűségeit igyekeztek felderíteni, matematikai formába önteni. Viszont azon a ponton, amikor az atommagokat kezdték tanulmányozni, kiderült, hogy a fizikai folyamatok minden részletükben egyszerűen követhetetlenek, hiszen teljes bizonyossággal nem állapítható meg, hogy mi és hogyan játszódik le a mikrokozmoszban. Első és legfontosabb megválaszolandó kérdésként az vetődött fel, hogy mely fizikai törvények érvényesek az atomok világában, egészen pontosan a kvantummechanikában. Mint kiderült, a három alapvető megmaradási törvény — az energiamegmaradás, az impulzusmegmaradás és a perdületmegmaradás — érvényes a fizika minden területén. Következő problémaként vetődött fel, hogy le lehet-e vezetni a megmaradási törvényeket matematikai eszközökkel anélkül, hogy az adott folyamat valamennyi részletét ismernénk? A pozitív válasz megtalálása után nyilvánvalóvá vált — miután a részfolyamatok az atomok szintjén amúgy sem érzékelhetők, követhetők —, először is elméleti úton kell tisztázni az adott jelenségeket. Ez nem kevesebbet jelent, mint hogy a tudós megvizsgál minden elképzelhető reakciót. Ezek közül kiszűri azokat, amelyek az érvényes megmaradási törvények értelmében egyszerűen nem mehetnek végbe. Ezzel eljutott a tudomány ahhoz a forradalmi gondolathoz, amely szerint nem az a kérdés (mint a klasszikus fizikában), hogy egy észlelt jelenség miért és hogyan megy végbe, hanem hogy egy nem észlelt jelenség miért nem mehet végbe. Ebből következően a lehetséges folyamatok közül miért nem történik meg az egyik és miért történik meg a másik. Tehát a tudósok végül is belenyugodtak, hogy a folyamatokat az atomok szintjén lehetetlen részletekbe menően követni. Erre jellemző példa Werner Heisenberg — a bizonytalansági tényező felfedezőjének — kifakadása egy újságírói kérdésre, miszerint meg tudja-e mondani, egy elektron az adott pillanatban éppen rószecske-e vagy hullám: "Azt még a Jóisten sem tudja". Épp ebből a bizonytalanságból fakad, hogy meg kell állapítani, hogy az egyes törvények a mikrovilágban is érvényesek-e, ha tetszőleges térben, irányban, időben játszódnak le. Vagyis nemcsak egy adott helyen és időben érzékelhetjük ugyanazt, de bárhol másutt és bármikor. A fizikában invarianciának hívják azt az állapotot, amikor a folyamatot nem befolyásolja a hely, irány, az idő vagy bármilyen más változó. E három jellemzőből kiindulva a tudósok úgy fogalmaznak, hogy a fizikai jelenségek invariánsak a tér párhuzamos eltolásával és izotrópiájával, valamint az idő eltolásával szemben. Mivel a világmindenségben minden hely és idő egyforma, nincs kitüntetett (különleges) tér, irány és idő, az egyes folyamatoknak mindenütt és mindenkor ugyanúgy kell lejátszódniuk. Ezt a fizikában a szimmetria fogalmával fejezik ki oly módon, hogy a szimmetria az objektum ama tulajdonsága, hogy az eredeti tulajdonság akkor is megmarad, ha valamilyen műveletet (operációt) hajtunk végre. A természetben minden szimmetriatulajdonságból egy:egy megmaradási törvény következik. így a tér párhuzamos eltolásának invarianciája az impulzusmegmaradás, a tér izotróp volta (hogy minden irány egyenrangú) az impulzusnyomaték, míg az idő hoinogenitása az energiamegmaradás törvényét adja. Emmy Noether 1918-ban fogalmazta meg azt az általános tételt, mely szerint minden szimmetriatulajdonság egy-egy megmaradási törvényhez vezet. Ebből következően amint egy újabb szimmetriatulajdonságot észlelnek a tudósok, azonnal keresni kell egy újabb megmaradási törvényt. A húszas évek végén, a harmincas évek elején az atommagvizsgálatok közben a fizikusok érdekes felfedezést tettek: a páros számú protont és neutront tartalmazó magok kötési energiája nagyobb, mint a környezetükben levő páratlan atommagoké. Wigner Jenő ebből a rövid távú periodikusságnak nevezett jelenség vizsgálatának eredményeként arra a következtetésre jutott, hogy ez az elektromágneses erők szimmetriájának a következménye, megvetve ezzel egy újabb megmaradási elv alapjait. Ugyancsak ő adott magyarázatot a hosszú távú periodikusságra is, mely szerint a kötési energia különösen erős, amikor a protonok vagy a neutronok száma 2, 8, 20, 28, 50, 82 vagy 126. Közben 1930-tól a princetoni egyetem tanára lesz, ahol néhány évvel később Albert Einstein közvetlen munkatársává válik. Itteni tevékenysége alatt, 1933-ban mutatja ki, hogy az atommagban a proton és a neutron közötti erőnek nagyon rövid hatótávolságúnak kell lennie, valamint, hogy a magerők függetlenek az elektromos töltéstől. Ezek a felismerései vezetnek el a Hideki Yukawa által felállított mezonelmélethez, a gyenge és erős kölcsönhatások törvényszerűségeinek meghatározásához, amely a modern fizika egy új ágának a megszületését eredményezi. Harmincéves sincs, amikor kiadja A csoportelmélet és alkalmazása az atomszínképek kvantummechanikájában című művét, amely a modern fizika tankönyveként szolgált, s napjainkig a kvantummechanika egyik alapművének számít. 1934-ben publikálja azt a tanulmányát, amely szerint bizonyos energiaszinteken a szabad elektronok a kristályrácsba ágyazódva szabályos elektronrácsot alkothatnak. Felismerésének forradalmi jellegét mi sem bizonyítja jobban, mint hogy csupán ötven évvel később (!), 1984-ben sikerült T.F. Rosenbaumnak és munkatársainak a chicagói egyetemen igazolni az ún. Wigner-rács létezését, amelyet higany-kadmium-tellur (Hg-Cd-Te) félvezetőben találtak egyszázad kelvin-fokos hőmérsékleten. (A sors kegyes játékaként ugyanott, ahol Wigner negyven évvel korábban korunk egyik legjelentősebb kísérletsorozatát végezte a szabályozott láncreakció megvalósítására...) A második világháború kitörését követően a fizikusok lázas igyekezettel dolgoztak az amerikai atombomba megalkotásán, hogy megelőzzék Hitlert e szörnyű fegyver birtoklásában. Wigner Jenő Albert Einstein unszolására vett részt a Plutonium Project munkálataiban, amelynek keretén belül Enrico Fermi olasz fizikus vezetésével a chicagói egyetem metallurgiai laboratóriumában kifejlesztették az első plutóniumtermelő atomreaktort. Ennek keretén belül Wigner a neutronsokszorozó rendszerek problémáit oldotta meg. Munkájuk eredményeképpen ötven évvel ezelőtt, 1942. december 2-án indították be a világ első atomreaktorát az egyetem stadionjának alagsorában, 200 watt teljesítménnyel. Természetesen funkciója nem az energiatermelés, hanem a plutónium előállítása volt, amelyet később az atombombában használhattak fel, de a szabályozott magreakció megvalósítása 20 A HÉT
