-
1. ábra
|1|
-
2. ábra
|2|
-
3. ábra
|3|
-
4. ábra
|4|
-
5. ábra
|5|
-
6. ábra
|6|
-
7. ábra
|7|
-
8. ábra
|8|
-
9. ábra
|9|
-
10. ábra
|10|
-
11. ábra
|11|
-
12. ábra
|12|
-
13. ábra
|13|
-
14. ábra
|14|
-
15. ábra
|15|
-
16. ábra
|16|
-
17. ábra
|17|
-
18. ábra
|18|
-
19. ábra
|19|
-
20. ábra
|20|
-
Animáció : A Michelson-féle interferométer működése
|1|
-
Animáció : Az egyidejűség relativitása
|2|
-
Animáció : Elektron-pozitron pár szétsugárzódása
|3|
-
Animáció : A Merkúr pályaellipszisének elfordulása
|4|
Nagy Károly
Einstein hatása a 20. század fizikájára
I. 2005: A fizika éve
- |1|
A fizikus előadók korábban tartott előadásain már elhangzott és a sajtóban is sokat hallhattunk róla, hogy az ENSZ a 2005. évet A fizika évének nyilvánította. Azért esett a választás erre az esztendőre, mert száz évvel ezelőtt, 1905-ben a berni Szabadalmi Hivatal akkor még ismeretlen tisztviselője (1. ábra), Albert Einstein öt olyan tudományos dolgozatot jelentetett meg egy német szakfolyóiratban, amelyek közül négy alapjaiban rengette meg a klasszikus fizika gránitalapon állónak tűnő csodálatos épületét. Ezek közül különösen a speciális relativitáselméletet tartalmazó dolgozat és az elektromágneses sugárzás energiájának kvantumos természetét feltételező munka hatott robbanásszerűen, szinte istenkáromlásként a szakmai körökben. Az öt évvel azelőtt, Planck kvantumhipotézisével elindult fejlődés a fizikában Einstein dolgozataival forradalmi változást hozott. Előadásomban megpróbálom érzékeltetni, hogy Albert Einsteinnek meghatározó szerepe volt a 20. század fizikájának teljes alakulásában. Nevét általában a relativitáselmélettel kapcsolja össze a közvélemény, de mint látni fogjuk, a kvantumelmélet kialakulásában és fejlődésében is jelentős szerepet játszott. Sőt, azt a fizikai képet, amit a kvantumelmélet a mikrorészecskékről kialakított, nevezetesen, hogy ún. kettős, részecske- és hullámtermészetük van, Einstein találta ki a fény részecskéjére, a fotonra. Csak húsz évvel később, a kvantummechanika megalkotásakor derült ki, hogy ez a kép a mikrorészecskékre általában jellemző.
Ahhoz, hogy Einstein munkásságának forradalmi voltát megértsük és megfelelően értékeljük, először röviden bemutatom a fizika helyzetét a 19. század végén.
II. A fizika helyzete a 19. század végén
A 19. század vége felé úgy tűnt, hogy a fizika nagy kérdéseire a tudomány megnyugtató választ adott. A testek mozgását a Newton által megalapozott, ún. klasszikus mechanika a megfigyelésekkel egybehangzóan írta le. Példaként meg lehet említeni, hogy az általános tömegvonzás ugyancsak tőle származó erőtörvényének alapján a mozgástörvények matematikai egyenleteiből bámulatos eleganciával lehetett a bolygók mozgását elméletileg tárgyalni. Két-három soros levezetéssel kiadódnak a csillagászati megfigyelésekből korábban már ismert Kepler-törvények, és az is, hogy ezek érvényességi határa meddig terjed. A harmadik Kepler-törvény ugyanis pontosításra szorul.
- |2|
Ezek az elméletek determinisztikusak voltak abban az értelemben, hogy ha a vizsgált fizikai rendszer kezdeti állapotát ismerjük, és azt is tudjuk, hogy a környezete milyen erőhatással van rá, akkor a mozgástörvényt kifejező matematikai egyenlet megoldásával az állapotot bármely későbbi időre kiszámíthatjuk. Ilyen tudományos teljesítményre ezt megelőzően nem volt példa az emberiség kultúrtörténetében. Ezzel függ össze, hogy a kor legkiválóbb matematikusai is elméleti mechanikai problémákkal kezdtek foglalkozni. Sőt, a mechanikának ez a nagyszerű teljesítménye a filozófiában is követőkre talált.
Visszatérve a század fizikájához, megemlítem, hogy ismerték már az energia megmaradásának általános tételét, valamint a hőtan első két fő tételét, amelyek a termodinamikai folyamatok fenomenológiai leírását tették lehetővé. A fizikai megismerésnek Galileivel és Newtonnal kezdődött csodálatos folyamata kiépítette az ún. klasszikus fizikát, amelyről úgy tűnt, hogy az élettelen természet jelenségeit nemcsak leírni tudja, de megmagyarázni is. A fizika gránit alapokon álló épülete a befejezett mű jellegét mutatta. Lord Kelvin ezt úgy jellemezte, hogy "csak néhány felhőcske árnyékolja be a fizika tiszta kék egét".
- |3|
A korral foglalkozó fizikai előadásokban gyakran emlegetjük Philipp von Jolly német fizika professzort, aki a hozzá tanácsért forduló fiatal Plancknak (3. ábra) azt mondta, hogy a fizikában már nem sok kutatni való akad, nem érdemes erre adni a fejét. Volt még ugyan néhány jelenség, amelynek értelmezése hiányzott a klasszikus fizika épületének a teljes befejezéséhez, de abban senki nem kételkedett, hogy ezek hamar megoldódnak és megerősítik az elmélet megingathatatlannak tűnő teljességét. Ilyen megoldatlan probléma volt például a gázatomok vonalas színképe, a fényelektromos jelenség, a szilárd anyagok fajhőjének csökkenése a hőmérsékleti zérusponthoz közeledve. (Fajhő alatt azt a hőmennyiséget értjük, amely valamely anyag egy grammjának a hőmérsékletét egy fokkal megemeli.) A legnagyobb tudományos érdeklődést azonban a hőmérsékleti sugárzás energiájának a rezgésszámtól (vagy másként kifejezve, a hullámhossztól) és a hőmérséklettől való függése váltotta ki. Ez a függés a mérések tanúsága szerint ellentétben állt a Maxwell-elmélet és a termodinamika alapján számított kifejezéssel.
Az említett problémák nem tűntek olyan súlyosaknak, hogy bárki is arra gondolt volna, hogy ezekkel a klasszikus fizika nem tud megbirkózni. Később azonban kiderült, hogy ezek a fizika 20. századi forradalmának a csíráit rejtik magukban.
III. Létezik-e abszolút vonatkoztatási rendszer?
- |4|
- |5|
- |6|
IV. A világéter-hipotézis
- |7|
Mivel az elméleti következtetések igazságtartalmát a tapasztalat dönti el, itt is ehhez fordultak. Maga Maxwell javasolta a Michelson által elvégzett optikai kísérletet, amely hivatott volt dönteni az éterhipotézis realitásáról. A Michelson-féle interferométerrel végzett kísérlet során azt várták, hogy az eszköz 90°-os elforgatásakor a fénysugarak éterbeli terjedési irányának megváltozása miatt az interferométerben keletkező interferenciakép is módosul. (animáció) Az interferenciakép azonban nem változott meg, vagyis a kísérlet negatív eredménnyel végződött: a fényterjedés az éterhez képest mozgó vonatkoztatási rendszerben is izotrópnak adódott. A negatív eredményt Lorentz azzal magyarázta, hogy az éterben mozgó interferométer karja a mozgás irányában megrövidül, és ezért lesz a mozgó rendszerben is izotróp a fényterjedés.
Animáció |1}| : A Michelson-féle interferométer működése
Jellemző a kor világszemléletére, hogy a fizikus generációk tudatában olyan mélyen gyökerezett az abszolút vonatkoztatási rendszerbe vetett hit, hogy amikor a tapasztalat ezt nem erősítette meg, ad hoc feltevésekkel próbálták kiküszöbölni az elmélet és a tapasztalat között mutatkozó ellentéteket.
V. A speciális relativitás elmélete
Einstein a Michelson-kísérlet negatív eredményében megmutatkozó kísérleti tapasztalatot fenntartás nélkül elfogadva arra a következtetésre jutott, hogy a fényterjedés sebessége a Földdel együtt mozgó rendszerben is akkora, mint az inerciarendszerben. A Föld keringése a Nap körül nem létesít észlelhető tehetetlenségi erőt, a fellépő centrifugális erő mérhetetlenül kicsi, és ezért a Földdel együtt mozgó vonatkoztatási rendszer gyakorlatilag inerciarendszernek tekinthető. Nem igaz tehát az a feltevés, miszerint a Maxwell-egyenletek a nyugvó éterben érvényesek, és csak ebben a kitüntetett vonatkoztatási rendszerben c a fénysebesség minden irányban. Éter nem létezik, következésképpen nincs kitüntetett vonatkoztatási rendszer sem. A fény terjedése minden inerciarendszerben izotróp, és ugyanakkora a sebessége. Az inerciarendszerek teljesen egyenértékűek a természeti jelenségek leírása szempontjából. Semmilyen jelenség - sem mechanikai, sem optikai - nem tüntet ki közülük egyet sem: nincs abszolút vonatkoztatási rendszer. Az inerciarendszerek egyenértékűségében egy általános természeti elv, az ún. speciális relativitás elve mutatkozik meg. Einstein elévülhetetlen érdeme, hogy a Michelson-kísérlet negatív eredményében az inerciarendszerek egyenértékűségét, a relativitás elvét ismerte fel.
Az éterhipotézist a mechanikai világképhez való görcsös ragaszkodás szülte. Einstein nagyságát mutatja, hogy tekintélyes elődeivel szemben bátran szakított a több évszázados felfogással, és nem újabb hipotézissel próbálta az éterhipotézist megmenteni, hanem elfogadta az objektív anyagi világot olyannak, amilyennek azt a tapasztalat mutatja. A tapasztalat pedig sohasem ismerte el az éter létjogosultságát.
Einstein azt is világosan látta, hogy a probléma mélyebb gyökerei a térre és az időre vonatkozó felfogásunkkal vannak kapcsolatban. A térnek és az időnek a fogalmát a klasszikus mechanikában külön-külön abszolútnak tekintették. Különösen áll ez az időre. A tér két különböző helyén egy időben lejátszódó két eseményt minden vonatkoztatási rendszerben egyidejűnek tekintettek. Az egyidejűség fogalmának abszolút jelentése volt. Az Einstein által elvégzett elemzésből kiderül, hogy ez a felfogás téves: ha két esemény egyik vonatkoztatási rendszerben egyidejű, másik inerciarendszerben már általában nem az. Sokat hivatkozott példa a vonatsínek mentén becsapó villámok esete, amikor az álló megfigyelő egyidejűnek látja a két eseményt, míg a vonaton ülő személy a menetirányba eső villámot hamarabb észleli, mint a menetiránnyal ellentétest (animáció).
- |8|
A relativitás elve és a fénysebesség állandósága szükségszerűen vezet a Lorentz-transzformációhoz, amely egy pontszerű esemény két inerciarendszerben mért helykoordinátái és időadatai között teremt egyértelmű kapcsolatot. Ebből már következik az egész relativisztikus kinematika. Két egymáshoz képest mozgó rúd közül mind a kettő rövidebb a társánál. A hasonlóképpen mozgó órák közül pedig mindegyik késik a másikhoz képest. A hosszúság és az időtartam tehát függ attól, hogy melyik vonatkoztatási rendszerben mérjük őket. A hosszúság és az idő nem önmagukban létező fogalmak, hanem csak akkor nyernek fizikai értelmet, ha megmondjuk azt is, hogy milyen mozgásállapotú rendszerre vonatkoztatjuk őket. A mérési eljárás is más, attól függően, hogy a testekhez képest nyugvó vagy mozgó rendszerben végezzük a mérést. A relativisztikus kinematikának még egy nagyon fontos következményét említem meg. A fény vákuumbeli sebessége határsebesség, ami azt jelenti, hogy az a test, amelynek nyugalmi állapotban van tömege, nem érheti el a fény vákuumbeli sebességét. Semmilyen hatás sem terjedhet ennél nagyobb sebességgel. Ez filozófiai szempontból is megnyugtató, mert így az ok-okozat normális sorrendje nem fordulhat meg.
Ezek a megállapítások nagy megütközést és igen élénk vitát váltottak ki. A viták nemcsak a fizikusok körében zajlottak, hanem átcsaptak a filozófia területére is. Ezen nem lehet csodálkozni, mert az egész anyagi világról alkotott korábbi képünk szétrombolását jelezték, és egy új világkép és fogalomrendszer kialakulását eredményezték. Tulajdonképpen ez is hozzájárult ahhoz, hogy Einstein nevét nemcsak a fizikusok, hanem az egész művelt világ megismerte. A tapasztalat ezeket a paradoxonnak tűnő megállapításokat teljesen Einstein szellemében igazolta.
Az inerciarendszerek egyenértékűségének a felismerése óriási heurisztikus erővel rendelkező vezérelvet ad az elméleti kutató kezébe. Csak azok a természettörvények lehetnek igazak, amelyek minden inerciarendszerben ugyanúgy hangzanak. Ez más szóval azt jelenti, hogy a Lorentz-transzformációval szemben változatlanoknak kell lenniük. Az elektromágnesség Maxwell-elmélete teljesíti ezt a követelményt, nem szorul kiigazításra. A klasszikus mechanikáról viszont ez nem mondható el. Kiderült, hogy az csak közelítő érvényű. Csak olyan mozgások leírására jó, amelyek sebessége kicsi a fény vákuumbeli sebességéhez képest. A relativisztikus dinamika a mozgások tanának olyan általánosítása, amely kis sebességek esetén a newtoni mechanikába megy át. Ezért a mindennapi életben előforduló esetekben jól írja le a mozgásokat, még a bolygók mozgását is. A nagy sebességek tartományában viszont a tapasztalat a relativisztikus mechanikát erősíti meg.
- |9|
- |10|
VI. A relativitáselmélet és a kvantummechanika
A mikrorészecskék (atomok, molekulák és még elemibb részek) fizikáját a 20. század másik nagy elmélete, a Heisenberg és Schrödinger által megalkotott kvantummechanika írja le. Ennek alapegyenletei nem tesznek eleget a relativitás elvének, annak ellenére, hogy az atomfizika jelenségeit általában jól leírják. Ennek az az oka, hogy az atomokban és molekulákban az elektronok sebessége viszonylag kicsi a fény sebességéhez képest. Paul Dirac angol elméleti fizikusnak sikerült összehangolnia a kvantumelméletet a relativitással. A róla elnevezett egyenlet a relativisztikus kvantummechanika mozgástörvényét fejezi ki. Ez az egyenlet Dirac eredeti célkitűzésén túl az elektronnak olyan fizikai sajátságait is tartalmazza, ami Diracot is meglepte. Például kiadódik belőle az elektron saját impulzus- és saját mágneses nyomatéka. De még ennél is fontosabb, hogy Dirac tisztán elméleti úton megjósolta, hogy kell létezni a természetben egy új részecskének, ami az elektrontól töltésének előjelében különbözik csupán. Ez az elektron antirészecskéje, amit néhány évvel később a kozmikus sugárzásban kísérletileg felfedeztek és pozitronnak nevezték el.
- |11|
-ed részének a fele.). A napjainkban folyó kísérleti részecskefizikai kutatásokban mindennapos szereplők az antirészecskék. Nemcsak az alapkutatásokban, hanem az orvosi gyakorlatban is alkalmaznak pozitronokat fontos diagnosztikai eljárásokban. Ilyen berendezés például a pozitron emissziós tomográf (PET) (11. ábra). Az antirészek igen jellegzetes sajátossága, hogy anti-társukkal találkozva megsemmisülnek, energiájuk átalakul gamma-sugárzássá (animáció).
Animáció |3}| : Elektron-pozitron pár szétsugárzódása
A PET-ben is ez történik: ennek alapján készítenek képet az emberi szervezet különböző részeiről. A Dirac-egyenletre és a pozitronra azért tértem ki egy kicsit részletesebben, mert érzékeltetni akartam, hogy a relativitáselméletből kiindulva, tisztán elméleti megfontolásokkal (úgy is mondhatnám, hogy spekulatív módon) hogyan jutott el Dirac egy olyan felfedezéshez, amely a 20. század fizikájában, különösen annak második felében meghatározó szerepet játszott.
VII. Az általános relativitás és a gravitáció
A relativitás szó előtti speciális jelző arra utal, hogy az egymáshoz képest egyenes vonalú, egyenletesen mozgó vonatkoztatási rendszerek egyenértékűségéről van szó. Einstein ezt a korlátozó megszorítást szerette volna megszüntetni, mert érezte, hogy kell lennie egy általánosabb elvnek, amely szerint az inerciarendszerek végtelen sokasága nem élvez kitüntetett szerepet a fizikai jelenségek leírásánál. Az igaz természettörvényeknek a Lorentz- transzformációval szembeni invariancia helyett egy általánosabb követelményt, az általános kovariancia elvét kell kielégíteniük. Ez azt jelenti, hogy bármely vonatkoztatási rendszerben ugyanúgy kell hangzaniuk.
Másrészt probléma volt a gravitáció Newton-féle elméletével, mert eszerint a gravitációs hatás időtartam nélkül, tehát végtelen sebességgel terjed. Ugyanis, ha megváltozik a tömegek eloszlása, a gravitációs tér erősségének is azonnal meg kell változnia a tömegeloszlástól bármilyen távoli pontban. Ez ellentétben van a speciális relativitással, mert semmilyen hatás nem terjedhet a fény vákuumbeli sebességénél nagyobb sebességgel. Tehát a gravitáció newtoni elmélete korrekcióra szorult.
Einstein zsenialitását mutatja, hogy e két, egymástól távolinak tűnő problémát, vagyis az általános kovariancia elvének érvényesítését és a gravitáció elméletének a speciális relativitással történő összhangba hozását egyszerre oldotta meg. Nem ment könnyen. Tíz évi megfeszített munkával dolgozott e nagyszerű program megvalósításán, míg végül 1915-ben az ún. általános relativitás elméletének megalkotásával a tökéletesség legmagasabb fokára emelte a relativitás elméletét.
- |12|
- |13|
- |14|
Einstein elévülhetetlen érdeme, hogy meghatározta azokat az egyenleteket, amelyek leírják, hogy a tömegek eloszlása milyen geometriát hoz létre ebben a négydimenziós tér-időben. Itt rá kell mutatni arra, hogy mivel a speciális relativitás szerint az energia és a tömeg egyenértékű, vagyis bármilyen energiának van tehetetlen tömege, a tér-idő geometriájának a kialakításában a tömegek mellett az energia ugyanolyan módon vesz részt.
Az általános relativitásból adódó eredmények nemcsak a szemlélet miatt különböznek a newtoni gravitációtól, hanem a döntő jellegű kísérletek számszerű adataiban is. Másrészt olyan jelenségekre vonatkozóan is adnak jóslatokat, előrejelzéseket, amelyek ezt megelőzően merész fantazmagóriaként sem merültek fel. (Ilyenek például a fekete lyukak, a csillagok gravitációs összeomlása vagy az Univerzum szerkezetére és fejlődésére vonatkozó következtetések.)
- |15|
Az általános relativitáselmélet első kísérleti igazolását és az elismerést hozó sikerét az 1919. évi napfogyatkozásnál megfigyelt fényelhajlással aratta. A távoli csillagok fénye a Nap közelében elhaladva a görbült tér-idő miatt nem egyenes pályán jut el a földi megfigyelőhöz, hanem egy kicsit elhajlik a Nap felé (15. ábra). Ezért a csillagot a megfigyelőhöz érkező fénysugár meghosszabbításának az irányában máshol látjuk, mint amikor a Nap nem fedi el. A hat hónappal későbbi felvételen jól megállapítható a fénysugár eltérülésének a szöge. A megfigyelések az általános relativitáselméletnek megfelelő értéket adták, ami kétszerese a newtoni gravitáció elméletéből számított értéknek. Tulajdonképpen ez a csillagászati megfigyelés járult hozzá döntő mértékben, hogy a fizikusok többsége komolyan vette Einstein elméletét. A megfigyeléseket igen sokszor - szinte minden napfogyatkozáskor - megismételték, és az eredmények az általános relativitást erősítették meg.
Az optikai megfigyeléseknél - amelyeket csak napfogyatkozáskor lehet végezni - sokkal pontosabbak a csillagok által kibocsátott rádióhullámokkal végzett megfigyelések adatai. Ezek a megfigyelések nem kötődnek a napfogyatkozáshoz. Természetesen ezek is kétséget kizáróan a relativitáselméletet igazolják. Itt csak utalok a másik két kísérlet típusra, amelyek mindjárt a kezdeti szakaszban az elmélet igazsága mellett szóltak. A Merkúr és a többi bolygó pályája napközeli pontjának, az ún. perihéliumnak az elfordulási szögéről (animáció), valamint a gravitációs vöröseltolódásról van szó.
Animáció |4}| : A Merkúr pályaellipszisének elfordulása
Az utóbbi azt jelenti, hogy az atomok által kibocsátott sugárzás színképvonalainak a hullámhossza a gravitáció hatására a nagyobb hullámhosszak, tehát a vörös felé tolódik el a gravitációmentes helyzethez viszonyítva. Az elmélet megjelenése óta eltelt kilencven év alatt a kísérleteket egyre pontosabb feltételek mellett ismételték meg, és ezek mind-mind az elmélet igazsága mellett szóltak.
VIII. Einstein Univerzuma
Az általános relativitás témakörét befejezve az Einstein-féle gravitációs téregyenleteknek az Univerzumra történő alkalmazásáról szólok még röviden. Az első lépést ebben a vonatkozásban maga Einstein tette meg. Az egyenleteknek olyan megoldását kapta, amely táguló Világegyetemet ír le. Ez nem fért össze Einsteinnek Istenről alkotott képével, mert szerinte Isten nem olyan világot teremtett, amely a teremtés pillanatától kezdve nem tökéletes, hanem az idő múlásával magától még alakul, illetve fejlődik. Ő tehát egy időtől független, ún. sztatikus megoldást várt. Ezért a gravitációs egyenleteket kiegészítette egy taggal, amelynek az lett a szerepe, hogy ezt a tágulást ellensúlyozza, hogy az időben változatlan megoldás jöjjön ki, vagyis időben állandó állapotú Univerzum. Ez a kiegészítő tag a kozmológiai állandónak nevezett tényezőt tartalmazza.
- |16|
Ha gondolatban az Univerzum tágulását az időben visszafelé követjük, akkor olyan kezdeti állapothoz jutunk, amelyben a Világegyetem összes tömege egymásra rakódva, egy pontban egyesül. Ez végtelen tömeg- és energiasűrűségnek felel meg ebben a pontban. Nem lehet tudni, hogy ilyen szinguláris viszonyok mellett alkalmazhatók-e a normális körülmények mellett megállapított fizikai törvények. Az is lehet, hogy a megszokottól eltérő törvények érvényesülnek itt. Van olyan nézet is, hogy nem is volt kezdet, hanem a világ öröktől fogva van. A nagyenergiájú gyorsító berendezésekben a közeljövőben várhatóan olyan nagy energiákat tudnak előállítani, ami megközelíti a Világegyetem keletkezése utáni másodpercekben uralkodó körülményeket. Ezek a kísérleti részecskefizikai kutatások a csillagászati megfigyeléseket kiegészítve egyre közelebb visznek az anyagi világ kezdeti állapotának, szerkezetének és fejlődésének a megismeréséhez.
Ez a körülmény a részecskefizikai és csillagászati kutatásokat rendkívül izgalmassá és vonzóvá teszi. A tudomány egyik legnagyobb kérdésére keresik a kutatók a választ: Keletkezett-e a világ? Ha igen a válasz, akkor rögtön adódik a kérdés, hogy miként? Biztos, hogy a kezdetben fennálló feltételek mellett a kvantummechanika törvényeit is figyelembe kell venni. Régóta folynak kutatások a gravitáció elméletének, az általános relativitáselméletnek és a kvantummechanikának az összehangolására. Stephen Hawking például ilyen jellegű kutatásainak eredményétől várja az anyagi világ kezdeti állapotának tudományosan megnyugtató megoldását. Az valószínűnek tűnik, hogy ezek a kutatások a tér-idő mikroszerkezetére vonatkozóan is hoznak új megállapításokat.
IX. A sugárzás kvantumelmélete
Láttuk, hogy a hőmérsékleti sugárzással kapcsolatos problémának a megoldása volt az első lépés az új fizika felé vezető úton. Ezt Max Planck német fizikus tette meg a kvantumhipotézis bevezetésével. Mi ennek a hipotézisnek a lényege? Planck egy teljesen tükröző falakkal ellátott üregben kialakult elektromágneses sugárzás egyensúlyi állapotát tanulmányozta. Az egyensúlyi állapothoz szükséges, hogy legyen az üregben egy test, amely a sugárzás forrása, és időegység alatt átlagosan annyi energiát sugároz ki az üregbe, mint amennyit elnyel. Azt már Kirchhoff bebizonyította, hogy az egyensúlyi állapot független attól, hogy milyen test bocsátja ki és nyeli el a sugárzást. Planck ezt felhasználva olyan testet választott, amelyre a számítás könnyen elvégezhető. Ilyennek találta a harmonikus rezgőmozgást végző tömegpontot, az ún. lineáris oszcillátort. A klasszikus fizika szerint ennek energiáját a rezgő tömegpont kitérése és sebessége határozza meg. Ezek az időben folytonosan változó mennyiségek. A tapasztalattal megegyező eredményre azonban csak akkor jutunk, ha elvetjük azt a több évszázados felfogást, hogy az energia folytonosan változó mennyiség. Plancknak az volt az ötlete, hogy feltételezte: az oszcillátor energiája nem folytonos, hanem egy elemi kvantumnak egész számú többszöröse. Ez a feltevés lett a kiindulópontja a 20. század egyik leghatásosabb fizikai elméletének, a kvantummechanikának.
- |17|
- |18|
Tudománytörténeti érdekességként megemlítem, hogy amikor 1913-ban Max Planck, Walter Nernst, Heinrich Rubens és Emil Warburg a Porosz Tudományos Akadémia tagjainak sorába ajánlotta Einsteint, az ajánlásban a munkásságát méltató sorok mellett az is szerepelt, hogy "spekulációiban néha szeret túllőni a célon, mint például a fénykvantum-hipotézisében, ezt azonban nem szabad a terhére felróni". Ez szépen mutatja, hogy az energia kvantumos voltát feltételező kvantumhipotézis nehezen nyert elfogadást a kor vezető fizikusai körében. Maga Planck is csak jó pár évvel később, Einstein munkájának nyomán ismerte fel feltevésének forradalmi jelentőségét, és hogy az nem csupán munkahipotézis, hanem abban a természet egyik igen jelentős fizikai sajátsága mutatkozik meg. Abraham Pais amerikai elméleti fizikus és tudománytörténész szerint 1905-1923 között talán csak Einstein volt egyedül, aki a fénykvantum-hipotézist komolyan vette.
Az elektromágneses sugárzással Einstein később is igen behatóan foglalkozott. Az a kérdés izgatta, hogy milyen e sugárzás valódi mechanizmusa. A sugárzásnak és a sugárforrásként szolgáló oszcillátoroknak az egyensúlyát tanulmányozva azt találta, hogy egyensúly csak akkor állhat be, ha feltételez egy újabb folyamatot az abszorpció és a spontán emisszió mellett. Nevezetesen: az indukált emissziót. E három együtt vezet az egyensúlyt jellemző Planck-törvényhez. Nem hagyhatom említés nélkül, hogy az Einstein által feltételezett indukált emisszió jelensége képezi a fizikai alapját a ma oly széles körben, igen hatásosan alkalmazott lézereknek.
Illik megemlíteni, hogy a levezetésben Einstein egy új, eddig nem használt fogalmat, a valószínűség fogalmát vezette be a sugárzás kvantumelméletébe. A kvantummechanika állapotfüggvényének Max Borntól származó értelmezése is a valószínűség fogalmán alapszik. Megfejtetlen rejtélye a fizikatörténetnek, hogy Einstein, aki először vezette be a valószínűség fogalmát a kvantumelméletbe, annak statisztikus értelmezésével élete végéig nem tudott egyetérteni. Elismerte a kvantummechanika nagyszerű eredményeit, a kor legeredményesebb fizikai elméletének tekintette, csodálattal vette tudomásul a rokon tudományokra kifejtett nagy hatását és az alkalmazások eredményességét, de az értelmezést illetően élete végéig kitartott ellenérzése mellett. Érdemes itt felidézni Einstein Max Bornnak 1926-ban írott leveléből az erre vonatkozó részt: "egy belső hang azt mondja nekem, hogy ez még nem az igazi, valójában nem jutunk vele közelebb az Öreg (mármint az Isten) titkaihoz... Nekem mindenesetre meggyőződésem, hogy Ő nem kockajátékos".
- |19|
X. A relativitáselmélet teljessége
Einstein legnagyobb alkotása a relativitáselmélet. A fizika fejlődésére és a tudományos gondolkodásra kifejtett hatását tekintve csak a kvantumelmélet mérhető össze vele. Az utóbbi azonban a 20. század nagy fizikusainak együttes munkájával nyerte el mai formáját, és így vált a mikrovilág fizikájának elméletévé - amiben egyébként Einsteinnek is fontos szerepe volt. A relativitáselmélet viszont egyedül Einstein alkotása. Különösen igaz ez az általános relativitásra. Ezt maga Einstein is így értékelte, amikor 1915-ben a következőképpen nyilatkozott róla: "Az én mágneses dolgozatomat bárki meg tudta volna csinálni, de az általános relativitás elmélete egészen más lapra tartozik. Hogy itt célt értem, életem legnagyobb beteljesedését jelenti, ha nincs is szaktárs, aki ennek az útnak szükségességét és mélységét mindmáig felismerte volna."
- |20|