A Hét 1983/1 (28. évfolyam, 1-26. szám)
1983-05-27 / 22. szám
Tudomány-technika A MEGTALÁLT SZILÁRD PONT „Mutassatok egy szilárd pontot és én sarkaiból fordítom ki a világot!" — mondta Arkhimédész a legenda szerint az általa szerkesztett csigasor korlátlan lehetőségeire célozva. Kétezer év távlatából igazán nem érdemes azon rágódni, hogy valóban ilyen messzire vetette volna el a sulykot az ókor legnagyobb fizikusa, hiszen jól tudhatta, hogy a szilárd anyagok fizikai tulajdonságainak következtében az ilyen terv műszakilag kivitelezhetetlen, de nagyon frappánsan rámutat azokra a rendkívüli lehetőségekre, amelyek egy műszaki találmányban rejlenek. Olykor nem is a legképzettebb tudósoké, hanem a rendkívüli érzékekkel megáldott, ámde félig analfabéta konstruktőrzseniké az érdem, akik korszakos jelentőségű találmányokkal gazdagítják az emberiséget. Elég csak James Wattra, a gőzgép feltalálójára vagy George Stephensonra, a gőzmozdony megalkotójára utalni. Ritka eset, amikor a rendkívüli gyakorlati érzék hasonló elméleti felkészültséggel párosulva egyetlen emberben ölt testet. Az ilyen szerencsés kombinációból születnek a világot sarkaiból kifordító felfedezések megalkotói. Ezen kevesek közé tartozik a hetvenöt éves John Bardeen, akinek születésnapját 1983. május 23-án ünnepli a fizikustársadalom. Kivételes képességeit az a két (I) Nobel-díj bizonyítja a legjobban, amelyet a fizikában elért korszakos jelentőségű felfedezéseiért kapott. Ezek a felfedezések már mai életünket is nagy mértékben befolyásolják, jövőbeni alkalmazásuk határait ellenben még csak fel sem tudjuk mérni. Szerencséje volt: kiváló egyetemek világhírű professzoraitól tanulhatta a modem fizikát. Madisonban, majd a Wisconsin Egyetemen fizikát, matematikát és elektrotechnikát tanult. Mérnöki diplomájának megszerzése után Peters professzorral kőolajmezők bemérésére szolgáló eszközöket dolgoznak ki. Kutatásaik gyakorlati jelentőségét csak később kezdik igazán értékelni. Mivel érdeklődése egyre inkább a szilárdtestfizika felé fordul, ismét tanulásra adja a fejét. A harmincas években egy addig ismeretlen, álmos amerikai kisváros egyetemén sorban jelennek meg a fasizmus elől menekülő vagy az önkéntes száműzetést választó európai tudósok. Princeton egyik napról a másikra a szellem egyik jelentős metropolisává válik. Ekkor mér itt tanít Albert Einstein és Wigner Jenő is. Bardeen a magyar származású fizikus előadásain szerzi meg az elméleti fizikában való'jártasságát. Hogy milyen jó tanítványnak bizonyult, az is jelzi, hogy hat évvel korábban veheti át a Nobel-díjat éppen hat évvel idősebb „mesterénél". 1935-ben Bridgman asszisztense lesz a Harvard Egyetemen, azé a tudósé, aki a nagy nyomások fizikájának legelismertebb szaktekintélye (egy évtized múltán ő is feliratkozik a fizikai Nobel-díjasok listájára). A nagyközönség számára talán legismertebb alkotása a mesterséges gyémánt előállítása, kísérletei közben azonban ennél sokkal értékesebb ismeretekkel gazdagította a fizikát. Bardeen rendkívüli elméleti tudását elsősorban az elektronika területén kamatoztatta. A negyvenes években kezdett foglalkozni a félvezetők elméletével. Noha a trióda feltalálása lehetővé tette századunk három csodálatos műszaki találmányának: a rádiónak, a televíziónak és a számítógépnek a kidolgozását, megteremtve ezzel az elektronikus tömegkommunikációt és a gépi adatfeldolgozást, az elektroncsövek nagy méretei azonban a fejlődés akadályainak bizonyultak. Az már a húszas évek folyamán kiderült, hogy az elektroncsövek méretei csak bizonyos határig csökkenthetők, mivel a vákuumban lejátszódó folyamatoknál az egyes elektródok csak meghatározott távolságban lehetnek egymástól. A szilárdtestfizika, a villamosságtan és a kvantummechanika jelentős eredményeit felhasználva három tudós: John Bardeen, Walter Houser Brattain és William Bradford Shockley arra a következtetésre jutott, hogy a triódéban centiméteres távon lejátszódó folyamatok a félvezetőben milliomod millimétemyi távolságokon reprodukálhatók azzal a lényeges különbséggel, hogy tízszer kisebb tápfeszültség mellett tízszer kisebb áramfelhasználással. Hármójuk közül kétségkívül Shockley volt a legképzettebb: ő és Fenmi már a harmincas években a félvezetés csaknem minden jelenségére magyarázatot talált. Elméleti felkészültségét a későbbiek folyamán is kamatoztatta, ő lett a róla elnevezett dióda (alagút- vagy Shockley dióda) megalkotója és az alagútelmélet egyik vezéralakja. Brattain elsősorban a félvezető és a fémelektródák közötti felületi potenciál kialakulásának folyamatát vizsgálta. A műre végül is Bardeen tette fel a koronát: a félvezetőtechnika gyakorlati alkalmazásában ő jutott a legmesszebbre, ő javasolta azt a geometriai elrendezést is, amellyel kisfrekvenciájú villamos jeleket lehet erősíteni. Ezzel megszületett a tranzisztor. A műszakiak a felfedezést kitörő örömmel fogadták, mivel ez idő tájt már nagy gondban voltak: a számítógépek kapacitását, tehát „intelligenciáját" már nem nagyon tudták tovább növelni, mivel a legnagyobb elektroncsöves gépek egységei több termet töltöttek meg, egyre nehezebbé vált az egyes áramkörök hűtése, ami gyakori meghibásodáshoz vezetett. Másrészt ebben az időben született meg az űrtechnika, amely lehetőleg miniatürizált számítógépeket igényelt, hiszen felesleges hangsúlyozni, hogy minden kilogrammnyi tömeg világűrbe juttatása mekkora energiát igényel. A tranzisztortechnika ezt a problémát hamarosan megoldotta: megjelent a piacon a számítógépek második (tranzisztorizált) generációja. A nagyközönség számára ennél sokkal attraktívabb volt természetesen a tranzisztoros rádió megalkotása. Ezután már a tudományos elismerés sem maradt el: 1956-ban a három tudós megosztva kapta a fizikai Nobeldíjat. A tranzisztor gyártása új technológia bevezetését igényelte, amelynek édes gyermekeként egy évtized múltán megszületett az integrált áramkör. Azt meg kell mondani, hogy ugyan technológiai szempontból az integrált áramkör gyártása nem jelent különösebb előrelépést a tranzisztorgyártáshoz képest, hatása azonban társadalmi szempontból rendkívül jelentős. Ez tette lehetővé, hogy ma már asztali számítógépek képesek olyan bonyolult programok megoldására, amelyekkel három évtizede több termet megtöltő társaik tudtak csupán megbirkózni. Már kialakulóban van a házi információs központ, amely nagyobb számítógépekre kapcsolható, ezzel akár interkontinentális információtovábbítás is lehetővé válik, otthonunk tévé-képernyőjére a rendszerbe kapcsolt adatbankokból bármilyen információ lehívható. A műsorszóró műholdak fellövése után pedig az elektronikus tömegkommunikáció válik teljessé, minden előnyével és hátrányával együtt. Időközben a legmodernebb számítógépek adatfeldolgozása olyan gyorssá vált, hogy a további fejlesztésnek akadálya a fény véges sebessége — az információ „csupán" fénysebességgel terjed a vezetőben, így a gépnek várakoznia kel! egy-egy adat végigfutására a rendszerben. Ezért olyan miniatűr számítógépek konstruálásába kezdtek a szakemberek, amelyekben az egyes főegységek mindössze néhány centiméterre vannak egymástól. Az egyes áramkörök ilyen fokú miniatürizálása újra felveti a klasszikus problémát: szinte megoldhatatlanná válik az áramkör hűtése. Ma már a nagyon magas integráltsági fokú áramkörök (VLSI) korában a néhány négyzetmilliméteres szilícium „forgácsra" (chip) csaknem egymillió áramköri elem zsúfolható össze. Bardeen figyelme a tranzisztor felfedezése után, 1951 -ben a szupravezetés elmélete felé fordult. Kämmerling Onnes már 1911-ben felfedezte, hogy egyes fémek nagyon kis hőmérsékleten — folyékony héliumban —, néhány Kelvin fokon, teljesen elvesztik villamos ellenállásukat, szupravezetővé válnak (ezért 1913-ban megkapta a Nobel-díjat). Több mint negyven évig nem sikerült erre a különös jelenségre magyarázatot találni, mivel tudvalevő, hogy az azonos töltésű részecskék méretükhöz képest iszonyatos erővel taszítják egymást (Coulomb-törvény). Csakhogy szupravezető állapotban az azonos töltésű elektronoknak szükségszerűen kölcsönhatásba kell lépniük, és pedig nem taszítva, sőt némileg még vonzva is egymást! Végül is 1957-ben L N. Cooperrel és J. R. Schriefferrel közösen kidolgozták a szupravezetés jelenségének egységes értelmezését, amelyet a három tudós nevének kezdőbetűit összeolvasztva BCS-elméletnek neveztek el a fizikusok. Gondolataik termékeny talajra találtak: Brian D. Josephson angol, Leo Esaki japán és Inar Giaever norvég fizikus öt évvel később megjelentetik tudományos értekezésük a szupravezetőkben a külső mágneses tér hatására megjelenő ún. Josephson-effektusról. Ennek lényege, hogy a szupravezető állapot mágneses tér hatására megszüntethető, így az újonnan megkonstruált áramköri elem, a Josephson-kapcsoló, számítógépekben a kapcsoló-tranzisztorok helyettesítésére alkalmas. Óriási előnye, hogy ezerszer nagyobb kapcsolási sebességgel működik mint a tranzisztor. Tömeges alkalmazásával talán már a közeljövőben lehetővé válik a rendkívüli kis méretű „szuperintelligens" gépek elkészítése. Bardeen alapvető jelentőségű kutatásaiért a szupravezetés területén 1972-ben újra átvehette a fizikai Nobel-díjat, természetesen Cooperral és Schriefferrel együtt. A siker hamarosan a „fiatalokat" is utolérte: A Josephson-effektus felfedezéséért egy évvel később az angol—norvég—japán „trió”-nak is átadták Alfred Nobel színarany képmását. OZOGÁNY ERNŐ A tengeri teknőcök mindig pontosan „tudják", mikor köszönt rájuk a nap, amikor feltétlenül vissza kell térniük a köKöhelyükre, hogy ott lerakják tojásaikat. Miből érzékelik, hogy eljött a hazatérés napja? Eddig általánosan elfogadott volt a feltevés, hogy az élettér, a víz hőmérsékletéből következtetnek a „kötelesség napjának" közeledtére. Vannak azonban kutatók, akik elismerik ugyan, hogy a vlzhőmérsékletnek lehet bizonyos szerepe, ám felteszik a kérdést; miért nem tévesztik meg a tengeri teknőcöket az időjárás-viszonyok változásai, továbbá a tengeri áramlatok hőmérséklet-ingadozásai. David Owens amerikai zoológus (texasi állami egyetem) feltételezi, hogy a tengeri teknőcök nem a környezet hőmérsékletének alakulásához, hanem a nappalok hosszúságához igazftják életvitelüket nagyjából ugyanúgy, ahogyan számos madárfaj, halfaj és emlősfaj is. Laboratóriumi kísérleteiben Owens az éjszakai órákban is nappali fénybe borította teknőceinek terrénumát. Mérve a rendellenes megvilágítás hatását. kiderült, hogy az „éjszakai nappal" jelentékenyen csökkentette a melatonin hormon koncentrációjának értékét a vizsgált Thalassohelis caretta teknőcök szervezetében. (A teknőcök tobozmirigye, amely ezt a hormont termeli, sokkal nagyobb, mint bármely más gerinces fajé.) Nagyon valószínű tehát, hogy a tobozmirigy „termelékenységének" megváltozása, a benne létrejövő melatonin hormon képződésének csökkenése szabályozza a tengeri teknőcök viselkedésének alakulását, készteti őket arra, hogy kalandozásaikból hazatérjenek megszokott szaporodási körzetükbe. A nappal hosszúsága az évszakok függvényében változik, s éppen a világosság időtartamának alakulása az a hatás, amely „bekapcsolja ” és „kikapcsolja" az óceán páncélosainak endokrin rendszerét. így az ugyancsak belső elválasztást! tobozmirigyet is, amely a melatonin-szintézis módosításával adja tudtára a teknőcöknek, hogy „mit mutat a naptár". 18
