A Hét 1979/2 (24. évfolyam, 27-52. szám)
1979-12-15 / 50. szám
A XIX. szózodi Anglia — közismert tények ezek — a világ legfejlettebb iparával és legkiterjedtebb gyarmatbirodalmával rendelkezett a maga korában. Az előbbi kétségtelenül összefügg oz utóbbival, de elhamarkodotton ítélnénk meg a dolgokat, ha eme nagymérvű föllendülést kizárólag az imperialista törekvésekkel magyaráznánk. A gazdasági fejlődés egy másik fontos feltétele ugyanis a széleskörű szellemi háttér, olyan emberek serege, akik nemcsak jól kérdeznek, hanem az adott körülmények között a felvetett kérdésekre a legjobb válaszokat is adják. Nos, ilyen emberekben Angliában — különösen a Royal Society alapítása, 1660 után — sosem volt hiány; mindamellett az angoloknak még az a szerencse is megadatott - nem kis mértékben Isaac Newton jóvoltából -, hogy 250 éven át vezető szerepet játszottak Európa tudományos életében. Ez a megállapítás mindenekelőtt a természettudományokra vonatkozik, kivált a fizikára, kémiára, biológiára és a geológiára, valamint a műszaki tudományokra, amelyek természetesen akkoriban még korántsem különültek el olyan mértékben, mint manapság. A matematikát csak azért nem említettem - jóllehet Newton volt a differenciál- és integrálszámítás egyik megalapozója -, mert ezen a területen a német és francia tudósak megelőzték a szigetországbeli kollégákat. Angliában már Roger Bacon (1214-1294) óta beszélhetünk „kísérletező tudományos kutatásról" - mégha ez a tapasztalati megfigyeléseknek fontos szerepet biztosító módszer csak néhány évszázaddal később válik általánosabban elterjedte egy másik Bacon, Francis Bacon (1561-1626) jóvoltából. A XVII. századi Angliában fokozatosan természetessé válik az — ami Európa más tájain még száz esztendő múlva is újdonságként hat -, hogy a tudós csak azután fog bele az elméleti eszmefuttatásokba, amikor már elvégzett egy csomó megfigyelést és kísérletet, és úgy érzi; tiszta lelkiismerettel értékelheti a látottakat. Ez azért még nem zárja ki a tévedés lehetőségét, de mindenesetre csökkenti annak valószínűségét. Az angol természettudomány több évszázados sikereit véleményem szerint mindenekelőtt ennek a korszerű szemléletmódnak, továbbá a tudományos élet viszonylag fejlett liberalizmusának köszönheti, és annak a „latens materializmusnak”, amelyet még a legrikitóbb idealista köpeny sem tudott maradéktalanul eltakarni. (Gondoljunk csak olyan tudósokra, mint Robert Boyle (1627-1691), John Dalton (1766-1844), Humphrey Davy (1778-1829), Michael Faraday (1791- 1867), Charles Darwin (1809-1882) vagy James Clerk Maxwell). Nem véletlen, hogy a korszerű atomelmélet éppen Angliából indult el hódító útjára, vagy hogy a biológiát forradalmi módon átalakító Darwin >is angol volt: mindez csupán logikus következménye egy évszázadok óta zajló fejlődési folyamatnak. S ha azt is tudatosítjuk, hogy a fizikában Anglia monopol helyzetet teremtett a maga számára, akkor talán mór magától értődő dologként könyveljük el a tényt, hogy az újkor egyik legnagyobb fizikusa szintén Angliában (egész pontosan a skóciai Edinburghban) látta meg a napvilágot. James Clerk Maxwell neve a laikusok körében korántsem annyira közismert mint például Newtoné vagy Einsteiné. Newton iskolai tananyag, Einstein századunk szimbóluma — ilyenformán mindenki összetalálkozhat ve(1831-1879) lük valahogy. Maxwell helyzete kevésbé szerencsés. Munkásságának lényegét nem könnyű néhány mondatban összefoglalni, s bár eredményei alapvető fontosságúak, megismerkedni velük csak a fizikaszakos egyetemistáknak és a villamosmérnök-jelölt hallgatóknak adatik meg. Ez a tény nemcsak azt jelzi, hogy a fizika-oktatás (kivált alap- és középfokon) ugyancsak „hézagos", hanem azt is, hogy hetven évvel a kvantumelmélet és a relativitáselmélet megszületése utón is még mindig a newtoni mechanika szellemében tárgyalja a jelenségeket. Newton nevének ilyenfajta emlegetése nem deheroizálós akar fenni: nagysága, érdemei vitathatatlanok; tulajdonképpen ő volt oz, aki szinte a semmiből megteremtette a korszerű fizikát; de szemlélete idővel kevésnek bizonyult az újonnan megismert jelenségek magyarázatához, a testek mozgását leíró egyenletei pedig századunk hajnalán végérvényesen elveszítették univerzális jellegüket. Már halála után nyilvánvalóvá vált, hogy életművének legtámadhatóbb fejezete a fénytannal kapcsolatos megállapításokat összefoglaló rész. A fény korpuszkuláris jellegéről kialakított tanítását nemcsak kortársai (pl. Christian Huygens) (1629-1695) és a később élt kutatók, hanem a tapasztalati tények és a megfigyelések is cáfolták. A XIX. században egyértelműen bizonyítottá vált, hogy a fény hullámtermészetű - s ezt még akkor is pozitívumként kell elkönyvelni, ha közben — mintegy ballasztként — a tudósok 'kialakították az úgynevezett világéter fogalmát. Már Püthagorász is gondolt olyan láthatatlan anyagra, amely kitölti az űrt, de neki inkább a harmónia kedvéért volt ró- szüksége, míg a XVIII. és XIX. századi fizikusok e végtelenül finom szerkezetű, ugyanakkor ideálisan szilárd anyagot tekintették annak a közegnek, amelyben a fényhullámok tovaterjedhettek, akárcsak a hanghullámok a levegő atomjainak rezgése és mozgása folytán. A világéternek ózonban — ahogy a tudomány egyre mélyebb összefüggéseket tárt fel - mindinkább ellentmondásosabb feltételeknek kellett eleget tennie abhoz, hogy továbbra is realitásként számoljanak vele. Tulajdonképpen már Michael Faraday, a nagy angol kísérleti fizikus kételkedett létezésében, de hogy mennyire mélyen gyökerezett ez az elképzelés, szemléltetően bizonyítja az a kétértelmű magatartás, amellyel Faraday munkásságának elméleti betetőzője, J. C. Maxwell viszonyult a világéterhez: az elektromos és mágneses jelenségeket egységesítő, róla elnevezett egyenleteinek megfogalmazásakor realitásként fogta föl az étert, később azonban kiderült, hogy ezek az egyenletek jól megvannak az éter nélkül is. A Maxwellegyenletek (négy szemet gyönyörködtető parciális differenciálegyenletről van szó) nem kevesebbet bizonyítanak, mint azt, hogy az elektromos és a mágneses jelenségek elválaszthatatlanok egymásól, továbbá, hogy léteznek olyan anyagi struktúrák, melyek tulajdonságainak leírásához nem elegendő a newtoni „pontmechanika". A Maxwel-egyenletek az úgynevezett elektromágneses hullámok viselkedését írják le. Már Maxwell megállapította, hogy a fény is elektromágneses hullám, de egyenleteiből ennél sokkal több is kiolvasható. A dolognak csupán az volt a szépséghibája, hogy hiányoztak a kézzelfogható bizonyítékok. S jóllehet Maxwell kiváló kísérletező hírében állott (s ezt nem árt kihangsúlyozni, mivel általánosan elterjedt tévhit, hogy az elméleti fizikusok nem szeretnek kísérletezni), csak halála utón, 1886-ban sikerült először Heinrich Hertznek (1857-1894) mesterségesen is elektromágneses hullámokat gerjesztenie. Több más. már Maxwell által megjósolt jelenséget (pl. a fény „nyomását") is sikerült később kísérletileg kimutatni. Az elektrodinamika maxwelli betetőzése tulajdonképpen az úgynevezett klasszikus fizika utolsó nagy tette volt. Maxwelltől mór egyenes út vezetett Planckhoz és Einsteinhez, az elektromágneses tér elméletétől o kvantumelméletig és a relativitáselméletig. Maxwell nagyságát az jellemzi a legszebben, hogy egyenletei változatlanul érvényesek mind a kvantumelméletben, mind a relativitáselméletben. A Maxwell-egyenleteket Mozart Re'quiem-jéhez hasonlítanám a legszívesebben. Nemcsak tökéletességük és szépségük kínálja ezt a párhuzamot, hanem az a tény is, hogy mint Maxwell alkotása, mind Mozart remeke nem készült el teljesen. Mozartot korai halála megakadályozta abban, hogy az utolsó részt hangszerelje, de az egész ismeretében ez a munka már nem okozhatott különösebb gondot a derék Franz Süssmayernak. Maxwell munkáját nem a halál akasztotta meg, hanem a kellő bizonyítékok hiánya, Gyakorlatilag 35 éves koráig mindent megfcgalmazott, amit lényegesnek érzett ebben a tárgyban, s ami kimondatlan maradt, valójában az is benne volt az egyenletekben, csupán egy fizikus „Süssmayer", egy Fitzgerald, Hertz, Lorentz kellett a felismerésükhöz. Az elektromágneses tér elméletének kidolgozása elképzelhetetlen lett volna a távolbaható erők newtoni koncepciója alapján. Mint tudjuk. Newton ismerte föl a tömegvonzás jelentőségét, s ő tette meg a gravitációt egyfajta univerzális mozgatóerővé. A newtoni szemlélet annyira áthatotta még a későbbi korok fizikáját is, hogy a gravitációtól különböző kölcsönhatásokat (mindenekelőtt az elektromos vonzó- és taszítóerőket) is a gravitációval analóg módon értelmezték. Faraday és Maxwell ismerték föl egyértelműen, hogy az elektromágneses kölcsönhatás nemcsak kvalitatíve, hanem kvantitatíve is különbözik a gravitációtól, ugyanakkor az elektromágneses hullámok esetében szó sincs távolhatásról, ez a hatás véges sebességgel terjed, tehát időbe telik, amíg az egyik részecske a másikra hatni tud. (A terjedés sebessége azonos a fénysebességgel, s az a tény nagy mértékben befolyásolta Maxwéllt, hogy a fényt is elektromágneses hullámzásnak tekintse. Mint utólag kiderült, a gravitáció is véges sebességgel terjed, s valószínűleg léteznek gravitációs hullámok is, nemcsak elektromágnesesek.) Századunkban még további két kölcsönhatástipust ismertek föl a fizikusok; ezek a atommagokban játszanak fontos szerepet. Az úgynevezett erős kölcsönhatások jóvoltából kapcsolódnak egymáshoz az atommagban található elemi részecskék, pl. a protonok, neutronok stb. Az úgynevezett gyenge kölcsönhatások elsősorban a radioaktív bomlásokért „felelősek". Térjünk inkább vissza hősünkhöz, akiről még sok mindent él kell mondanunk, ha csak távirati stílusban is. Már iskolás korában kitűnt társai közül matematikai képességeivel. Első dolgozatát - az oválisok újszerű szerkesztéséről - 15 évesen publikálta. Szülővárosában, Edinburghban majd Cambrigde-ben járt egyetemre. Több egyetemen is tanított, először Aberdeenben, majd a londoni Királyi Kollégiumban (King's College) - itt töltötte legtermékenyebb éveit, 1860-tól 1865-ig. Londoni professzorkodása idején dolgozta ki az elektromágneses tér elméletét is. Hírnevét azonban egy csillagászati vonatkozású dolgozatával alapozta meg: a Szaturnusz-gyűrűk elméletét tartalmazó pólyaművével első díjat nyert. Van a fizikának egy további jelentős fejezete, amelynek kidolgozásában szintén komoly feladat jutott James Clerk Maxwellnek, s ez az úgynevezett kinetikus gázelmélet. Ebben a témakörben legfontosabb dolgozatait az 1870-es években Cambrigde-i profeszszorsóga (1871-1879) idején írta. Jóllehet számtalan kísérletet végzett, eredményeit a górmolekulák sebességeloszlására, a gázok hővezetésé é, diffúziójára és, belső súrlódására vonatkozóan mégiscsak fenomenologikusnak kell tekintenünk. Maxwell tudományos dolgozatai aligha lehettek könnyű olvasmányok. Tömör stílusa, s különösen gondolatainak újszerűsége sok gondot okozhatott a kortársáknok. Jellemzőnek érzem például Faraday következő sorait, melyeket egy Maxwellhez írt levélből idézek: „Egy dolog van amit szívesen megkérdeznék öntől. Ha egy matematikus a fizikai hatások és eredmények vizsgálatában végre eljut a végkövetkeztetéseihez, vajon nem fejezhetők-e ki ezek közönséges nyelven is éppoly teljesen tisztán és határozottan, mint ahogy a matematikai formulákban?" Meg kell azonban jegyeznem, hogy érdekes módon nem a magasabb matematikában képzetlen Faraday-nek okozott gondot Maxwell matematikai formalizmusa, hanem azoknak a kollégáknak, akik bár követni tudták a levezetést, de nem fogták fel a lényeget, mivel másképp gondolkodtak mint Faraday vagy Maxwell. Faraday ugyanis a továbbiakban ezt írja: „én mindig úgy találtam, hogy ön következtetéseiről teljesen tiszta fogalmakat tud számomra teremteni, amelyek - jóllehet, nem teszik érthetővé az ön gondolatmenetének minden egyes lépését, mégis - számomra oly világos eredményeket szolgáltattak - sem felette, sem alatta az igazságnak, hogy elmélkedhetem rajtuk, és dolgozhatom a segítségükkel." A száz esztendeje elhunyt James Clerk Maxwell munkásságának igazi jelentőségét tulajdonképpen csak századunkban ismerték föl maradéktalanul. Einstein szerint a maxwelli szemlélet a valóság fogalmának olyan mélyreható átértelmezése, amelyet a fizika Newton óta még nem tapasztalt. De Maxwell egyenletei a szó valódi értelmében is átformálták világunkat. Nélkülük nem létezhetne rádiózás és televíziózás, tizedannyit sem tudnánk a világegyetemről és számtalan műszaki jellegű kérdésre is hasztalan kutatnánk a választ. LACZA TIHAMÉR JAMES CLERK MAXWELL 18
