Magyar oldal English site

Oldaltérkép
2017-08-21 15:24:37 (Eredeti megjelenés dátuma: ~2016-05-01)

2. Fizika manapság

Ebben a részben átnézzük majd, hogy melyek a fizika legalapvetőbb ötletei, amelyről később majd szó lesz.

Először is a természet tele van fizikai jelenségekkel, olyanokkal, amelyekről általában tudomást sem veszünk, mert annyira természetesnek gondoljuk. Hogyha kíváncsiak vagyunk, akkor már gyerekkorunkban kérdéseket teszünk fel: Mitől kék az ég, mi az oka annak a sokféle színnek, ami körülvesz bennünket? Mi az oka a hangoknak? Ha felmelegítünk valamit, az miért hűl le? Mi a szél? Mik a felhők? Mitől hullámzik a víz a tengerparton? Én még sorolhatnám.

Nagyon sokféle jelenség van a világunkban, nyilván mindet külön-külön leírni nagyon sok törvényt jelentene. Felmerül a kérdés, hogy lehet-e egyszerűsíteni. Vajon a világ változatossága csupán néhány egyszerű törvény megnyilvánulása-e? Ha megfigyeljük a világot, számos hasonlóságot vehetünk észre a jelenségek és a dolgok között. Például azt, hogy minden dolog esik lefelé a Föld felé, a Nap 24 óránként delel, stb. A fizikai és természettudományos kutatások célja, hogy megismerjük a természet törvényeit, és valamilyen modellt alkossunk, ez a megfigyelések és a kísérletezések lényege. De ez nem minden, még az eddig megismert törvényszerűségekben is keresni kell a hasonlóságokat, és keresni kell a lehetőségét, hogy ezt a tudást egy sokkal alapvetőbb törvényszerűség megnyilvánulásaként írjuk le, ezzel is csökkentve a lehetséges szabályok számát, erről szól az elméleti fizika.

Mi egy isteni sakkjáték kellős közepében élünk, amely játék folyamatosan megy, és mi csak belülről megfigyeljük és megpróbáljuk kitalálni, hogy milyen szabályok szerint megy. Kicsit olyan, mintha mi magunk is sakkfigurák lennénk egy óriási sakktáblán, és megpróbáljuk megérteni, hogy mi figuránk és a többi figura milyen szabályok szerint mozog. Először is mit jelent az, hogy megértettünk valamit? Hát azt jelenti, hogy annak a valaminek a szabályait sikerült leírnunk, és minden következtetése kísérletileg igazolt. Jelen pillanatban még nem értjük egészen a világ szabályait. Ez kicsit olyan, mintha látnánk másokat sakkot játszani. Viszonylag hamar rájövünk, hogy egyes figurák hogyan léphetnek, tehát a paraszt mehet egyet előre, és átlósan üthet, a csikó lóugrásban lépeget, a futó meg átlósan. Aztán mikor már majdnem tutira biztosak vagyunk benne, hogy mik a szabályok, akkor hirtelen az egyik játékos berosál, a másik en passant üti a parasztot, majd később, miután bevitt egy parasztot a tábla túloldalára, királynővé koronázza azt, és ilyesmi új dolgok jöhetnek menet közben.

A fizika és egyéb alapkutatásokat tudományos módszerek szerint végezzük. Ennek a dolognak a lényege az, hogy megfigyelünk, modellt alkotunk; ezután a modellből következtetéseket vonunk le; végül ezeket a következtetéseket ellenőrizzük.

Ellenőrizni a felállított szabályainkat sokféleképpen lehet, az egyik legnyilvánvalóbb az, hogy kísérletezünk: előállítunk egy olyan helyzetet, ahol a szabály könnyen tesztelhető, és ellenőrizzük, hogy a kapott adat egyet ért-e szabály által várt adattal, ezt végzik a kísérleti fizikusok. A második lehetőség az, amikor leellenőrizzük, hogy az adott szabály egyet ért-e valamely más már jól ismert szabállyal vagy annak következtetéseivel, vagy ellent mond-e neki. Ezt végzik az elméleti fizikusok.

És nem az az izgalmas, amikor azt találjuk, hogy az ellenőrzés olyan eredményt hoz, amely egyetért a modellekkel, hanem az, amikor olyat hoz, amikor nem. Ilyen esetben megtudtunk valami újat a világunkról. És elsőnek lenni, aki ezt megtudja nagyon izgalmas dolog lehet. De legalább ilyen izgalmas tud lenni az is, amikor végre valahára egy elmélet régóta előrejelzett következtetésére megtaláljuk a bizonyítékot. Ilyen nagy felfedezés volt a Higgs-bozon felfedezése, és újabban a gravitációs hullámok megfigyelése is. És ez a fajta kíváncsiság egyébként rengeteg pénzt és erőforrást képes megmozgatni. Drága műholdakat lövünk fel, óriási részecskegyorsítókat építünk, csak azért, hogy létrehozhassuk azt a kísérleti környezetet, amelyben a korábban megalkotott elmélet tesztelhető. De mindez szükséges ahhoz, hogy jobban megértsük, hogy hogyan működik a világegyetemünk, hogy aztán esetleg később a természet ezen új felfedezett törvényeit is igába hajtsuk és rávegyük, hogy nekünk dolgozzon...

A fizikának számos nagy témája van: hőtan, elektromosság, mechanika, mágnesesség, anyagtudomány, kémia, fény, optika, részecske fizika, gravitáció, stb. Az idők során ezeknek a témáknak a nagy részét sikerült egyesíteni. Egy tipikus példa a hőtan és a mechanika egyesítése: ahogy az előző részben írtam, a hőmérsékletet az adott anyagban mozgó részecskék okozzák. A nyomást az edény falával ütköző részecskék. Egy másik egyesítés pedig akkor történt, amikor rájöttünk, hogy az elektromosság, a mágnesesség, a fény és az optika ugyanazon elektromágneses tér különböző megnyilvánulásai.

A nagy kérdés egyébként, hogy lehetséges-e az összes létező elméletet, egyetlen egy nagy univerzális elméletben egyesíteni, tehát rájönni arra, hogy minden, amit tudunk, egyetlen egy dolog különféle megnyilvánulása csupán. Ezt egyébként senki sem tudja, jelenleg továbbra sincs olyan elmélet, amely mindent megmagyarázna.

Fizika a 20. század elején

A 20. század eleje az a pont, ahol a középiskolai fizika számára nagyjából megáll a tudomány. Ekkor még viszonylag egyszerűen mentek a dolgok, mert nem ismertük a világot eléggé. Volt 3 dimenziós tér, aztán meg volt az idő, amely szerint a világ változott. Ebben a térben voltak a részecskék, a 92-féle atom és a kémiai kötések, amelyek köztük vannak. Ezek a részecskék egyenes vonalban és egyenletesen mozognak, amíg valamilyen erő meg nem változtatja a mozgásállapotukat. A század elején kétféle erőt ismertünk: az egyik a gravitációs erő, amely miatt a tömeggel rendelkező tárgyak vonzzák egymást. A másik pedig az elektromos erő, amely az elektromos töltéssel rendelkező részecskék között ébred.

Bármely két test között ébred egy gravitációs vonzerő, pusztán azért, mert minden testnek van tömege. Az elektromos töltéssel rendelkező testek között elektromos vonzerő és taszító is ébredhet attól függően pozitív vagy negatív extra töltése van-e. A tömeg mindig pozitív, és az azonos előjelű tömegek vonzzák egymást. Az elektromosságban vannak pozitív és negatív töltések is, és az erő fordított, ott az azonos előjelű töltések taszítják, és a különbözők vonzzák egymást.

És ez az elektromos erő felelős azért, hogy az atomok vonzzák, taszítják, és azért is, hogy kémiai kötésbe lépnek egymással. A gravitáció felelős azért, hogy a bolygók keringenek a Nap körül, azért is, hogy a Hold kering a Föld körül. További érdekesség, hogy a gravitáció sokkal gyengébb, mint az elektromos erő. Egy teljes bolygó vonz minket, mégis egy talpalatnyi terület képes minket a Földön tartani.

Viszont ez a nagy erő úgy tűnik, mintha teljesen megszűnne, amint a tárgyak kicsit is távol kerülnek egymástól. Ennek is megvan az oka. Az atomok pozitív és negatív töltésű részekből állnak, amelyek nagyon közel vannak egymáshoz (kb. 100 pikométerre vannak, pikométer: $10^{-12}$), és a pozitív és negatív töltések kiegyenlítik egymást. Így messziről a két töltés ereje teljesen kiegyenlíti egymást. Azonban ha az atomhoz közel viszünk egy töltött részecskét, az eltaszítja az atom azonos előjelű töltésű részeit, míg vonzza az ellenkezőket. Ennek az eredménye az lesz, hogy ellentétes töltések vonzereje nagyobb lesz, mint az azonosak taszítása, így az atom vonzani fogja a teszt töltést. Tehát egy atomnak közelről már van érezhető elektromos hatása, és ez okozza azt, hogy nem esünk át a padlón, a kémiai kötéseket és a többit, persze ezek egy picit bonyolultabb hatások, mint egy egyszerű vonzás vagy taszítás.

Bizonyos körülmények között az atomokról leszedhetők a negatív részecskék, és az egyensúly felborítható. Tömegben elhanyagolható mennyiségű töltött részecskéről van szó, amelynek a gravitációs ereje közel $10^{40}$-szer gyengébb, mint az elektromos ereje. De ez a kevés különbség már elég ahhoz, hogy felálljon tőle a hajunk, amikor feltöltődünk, elektromos áramot hajtson, motorokat és gépeket működtessen. Tulajdonképpen, amikor a hajunkhoz dörzsölünk egy vonalzót, és papírgalacsinokat szedünk fel vele, akkor ilyen statikus elektromossággal van dolgunk.

Mivel a negatív részeket tudjuk ledörzsölni az atomokról már ez is sugallja, hogy ez azért van, mert a negatív rész van kívül. Míg a pozitív belül. És tényleg az atomok közepén van az atommag, amelyben a protonok és neutronok vannak. A protonok a pozitív töltésűek, a neutronok pedig semlegesek, és ekörül helyezkednek el az elektronok, amelyek negatív töltésűek. A proton kb. 2000-szer nehezebb, mint egy elektron. A protonok és elektronok száma dönti el, hogy az adott atom milyen kémiai elem. Például ha 8 proton és 8 elektron van az atomban, akkor az egy oxigén atom, ha 7, akkor egy nitrogén atom. És a kémiai elemek között tényleg csak ennyi a különbség, a protonok és az elektronok száma.

Az elektromos töltések erőt gyakorolnak egymásra. A taszító erő két töltött részecske között egyenesen arányos a töltések nagyságával, tehát 2-szer, 3-szor nagyobb töltés ereje kétszer, háromszor nagyobb. Valamint az erő két töltött részecske között a távolság négyzetével fordítottan arányos, tehát 2-szer, 3-szor nagyobb távolságon az erő negyede, illetve kilencede.

Ha adott egy elektromos töltésünk, akkor a körülötte lévő térben meghatározhatjuk minden pontban, hogy az a töltés mekkora erővel, és milyen irányban taszít egy egységnyi töltést. Ez az elektromos mező az adott töltés körül. Ez az elektromos mező hat erővel a töltésre és hozza azt mozgásba.

A mozgó elektromos töltések mágneses mezőt keltenek. Ezt viszonylag könnyű belátni, hogyha egy iránytűt rakunk egy olyan vezeték alá, amelyben áram folyik. Így működik az elektromágnes. Tehát ez már azt sugallja, hogy az elektromosság és a mágnesesség között kapcsolat áll fent. De ez a dolog fordítva is igaz: ha egy mágnes mozog egy vezeték mellett, akkor abban áram indukálóik, így működik az összes erőmű: egy drót tekercsben forog egy mágnes és óda-vissza jár ebben a tekercsben az áram. Ezen két dolgot együttesen használják a transzformátorokban: az elektromos áram mágneses mezőt kelt, majd ezt a mágneses mezőt használják arra, hogy áramot indukáljanak egy másik tekercsben, ezzel megváltoztatva az elektromos áram feszültségét. Ez az oka annak, hogy a váltakozó áramot használunk egyenáram helyett, mert a váltakozó áram transzformálható, az egyenáram nem. Ezeknek a jelenségeknek a magyarázatát Maxwell írta fel a híres 4 egyenletében, és így az elektromos és a mágneses mező egyesítve lett az elektromágneses mezőben.

Indukált mágneses mező

Az elektromos áram mágneses mezőt kelt. (forrás, szerző: Stannered, CC-BY-SA, átméretezve)

Mi történik, hogyha egy elektromos töltés mozgásállapota megváltozik (pl megmozgatjuk a töltést)? Azt figyelték meg, hogy az elektromos mező nem változik azonnal a tér minden pontjában, hanem némi késéssel történik ez. Ha kétszer, háromszor messzebb van egy töltés, akkor kétszer, háromszor nagyobb a késés. Ez a késés egyébként elég rövid idő alatt történik, mivel az elektromágneses tér változása fénysebességgel terjed tova. Másodpercenként kb. 300 ezer kilométert tesz meg. Ha a töltést oda-vissza mozgatjuk, akkor az elektromos mező is az egyes pontokban folyamatosan mozogni fog oda és vissza. Ez az oda-vissza mozgás az elektromos térben fénysebességgel fog terjedni: ez az elektromágneses hullám. Ez a hullámzó elektromos mező pedig képes arra, hogy egy fém antennában megmozgassa az elektromos töltéseket, így működik a rádió.

Elektromágnáses hullámok

A rádióadótoronyban fel-le járó áram oda-vissza változó mágneses mezőt kelt, az oda-vissza változó mágneses mező pedig oda-vissza változó elektromosat. Az elektromos és a mágneses mező ezen ritmikus változásai fénysebességgel terjednek tova, ez az elektromágneses hullám. (forrás)

Az elektromágneses hullámok természete nagyban függ attól, hogy milyen gyorsan rángatjuk a töltést, tehát hogy mekkora a frekvenciája az elektromágneses hullámnak. Mivel az elektromágneses sugárzás 300 000 km-t tesz meg másodpercenként, ezért a rezgésszámból könnyen kiszámolható, hogy mekkora a sugárzás hullámhossza. A különféle hullámhosszú elektromágneses hullámok más és más tulajdonságokkal rendelkeznek. Ebből adódóan használat módja és a viselkedése is más és más lehet.

A hosszú hullámú rádiósugárzás, például mélyen behatol a vízbe és a sziklákba. A néhány száz méteres (középhullámú) hullámok a föld felületén jól terjednek, ezért nagy terület besugározható egy ilyen rádióadóval. Ezzel szemben a rövid, tehát néhány méteres hullámhossznál már csak akkor fogható jól a rádióadás, hogyha jó a rálátás magára az adótoronyra, habár a falak még általában nem blokkolják ezt a fajta rádióhullámot, a horizonton túl lévő adótornyokat általában már nem lehet fogni. Viszont a föld légkörének a felső rétege is jól visszaveri ezeket a rádióhullámokat, ezért a rövidhullámú rádiósok is használhatják azt, hogy a horizonton túlra is tudjanak jelet küldeni, ezt a visszaverő réteget kihasználva. A 300 kHz (3 megahertz = 3000000 rezgés másodpercenként) és a 3000 MHz közötti rádiófrekvenciák azok, amelyek leginkább használatosak manapság. Ezeken a frekvenciákon sugároz a legtöbb rádió és tévéadó, ezeken a frekvenciákon működnek a mobiltelefontornyok és a vezeték nélküli hálózatok is. Az ultra rövid és mikrohullámok (gigahertz felett) már nagyon hasonlóan viselkednek mint a fény: csak akkor lehet őket észlelni, hogyha közvetlen rálátás van az adóra, már egy kis vasbeton fal vagy vaskerítés képes blokkolni vagy visszaverni. Ezeket a hullámhosszakat használják a rádiócsillagászok is. Az ilyen rádióadás jól irányítható, így meg lehet oldani, hogy csak egy szűk sávban sugározzon, és a sávon kívül ne lehessen venni. A terahertzes rádióhullám egy átmenet az infravörös hőhullámok és a rádióhullámok között, és sok alkalmazása van, tipikusan a reptéri testszkenner, és orvosi képalkotásban használatos.

A még nagyobb frekvenciájú hullámok az infravörös hullámok, amelyeket leginkább arról ismerünk, hogy melegítenek. Ez az a sugárzás, amelyet a legtöbb tárgy csupán azért sugároz, mert meleg. A távoli infravörös hullámok azok a hullámok, amelyeket az emberi test és a nála hidegebb tárgyak kibocsátanak. A közeli infravörös hullámok pedig már teljesen olyanok, mint a fény, csak éppen nem látjuk őket, és csak az igazán forró (tipikusan már vörösen izzó) dolgok bocsátanak ki ilyet leginkább. Mi még nem látjuk őket, viszont a kamerás mobiltelefonok már látják őket, így például a tévétávirányító infra LED-jének a fényét is.

Ha még gyorsabban rángatjuk a töltést, akkor eljutunk a fény hullámokhoz, amit már látunk. A vörös fénynek a legkisebb a rezgésszáma, a kéknek a legnagyobb. A sorrend pedig a szivárvány színei szerint: piros, narancssárga, sárga, sárgászöld, zöld, zöldeskék, kék, ibolya. A fény már képes arra, hogy az atomokban és a molekulákban lévő elektronokat egy magasabb energiaszintre emelje (gerjessze), vagy az arra érzékeny molekulákban kémiai reakciót okozzon. Ezért vagyunk képesek látni. Az infravörös és a rádiófrekvenciás hullámok nem elég erősek, hogy kémiai reakciókat okozzanak, ezért azokat nem lehet kémiai úton érzékelni. Inkább a hőhatásuk alapján érzékelhetőek.

Ezután következik az UV, amit ugyan nem látunk, de használhatjuk arra, hogy fluoreszkálásra bírjunk köveket vagy arra hajlamos dolgokat. A fluoreszkálás az, amikor egy tárgy az őt érő UV fény hatására elkezd világítani, vagy úgy általában az, amikor egy rövidebb hullámhosszú elektromágneses sugárzás hatására egy hosszabb hullámút bocsát ki. A legalacsonyabb frekvenciájú UV-A sugárzást nem blokkolja a légkör, ettől is barnulunk. Az erősebb UV-B-t részben blokkolja, ettől égünk le. A még erősebb UV-C-t teljes egészében blokkolja az ózon réteg. A még erősebb vákuum UV-t pedig az egész légkör blokkolja már. Az UV-nál erősebb a röntgen sugárzás, amelynek az alacsony frekvenciás változatát, a puha röntgen sugárzást, gyorsan elnyeli a légkör és a víz; míg a kemény röntgen sugárzásnak nagy az áthatolóképessége, és azt használják orvosi röntgenre. A vákuum UV sugárzás és a röntgen sugárzás már ionizáló sugárzás, amely képes leszedni az elektronokat az atomokról, és képes kémiai kötéseket kettétörni, ezért nagyon veszélyes és rákot okozhat az ilyen típusú sugárzás. Még erősebb a gamma sugárzás, amely elsősorban a nukleáris reakciók, például radioaktív bomlás során magából az atommagból jön ki, habár lehetséges előállítani azzal is, hogy több millió voltot kapcsolunk egy vákuumcsőre. A gamma sugárzásnak nagyon erős az áthatolóképessége, csak vastag ólomfal képes blokkolni.

Az alábbi táblázatban foglaltam össze az egyes sugárzásokat hullámhossz és frekvenciák szerint, illetve a használatuk módja szerint.

Súgárzás típusaFrekvencia (Hz)Hullámhossz (km, m)Használat módja
ELF (extrém alacsony frekvencia)3-30Hz 10000km-100000kmTengeralattjáró kommunikáció
SLF (szuper alacsony frekvencia)30-300Hz1000km-10000kmTengeralattjáró kommunikáció
ULF (ultra alacsony frekvencia)300-3000Hz100km-1000kmTengeralattjáró kommunikáció, kommunikáció a bányákban
VLF (nagyon alacsony frekvencia)3-30 kHz10km-100kmNavigáció, időjelek, tengeralattjáró kommunikáció, vezeték nélküli szívmonitor, geofizikai mérések
LF (alacsony frekvencia)30-300 kHz1km-10kmNavigáció, rádióórák időzítő jele, hosszúhullámú rádióadók, állatok nyomkövetése, hosszú hullámú amatőr rádió
MF (közép frekvencia)300-3000 kHz100m-1000mközéphullámú rádió és amatőr rádió, Lavina jeladók (457kHz)
HF (magas frekvencia)3-30 MHz10m-100m Rövidhullámú rádió, CB rádió, amatőr rádió, horizonton túli kommunikáció, RFID (13,56MHz), horizonton túli radar, tengerészeti és mobil rádió
VHF (nagyon magas frekvencia)30-300 MHz1m-10mFM rádió, TV adás, légvonalbeli kommunikáció repülőgépekkel, szárazföldi és tengeri mobil kommunikáció, amatőr rádió, időjárási rádió
UHF (ultra magas frekvencia)300-3000 MHz100mm-1000mm TV adás, mikrohullámú sütők, mikrohullámú kommunikáció, rádió csillagászat, mobiltelefon, WiFi, Bluetooth, ZigBee, FRS and GMRS rádió, amatőr rádió
SHF (szuper magas frekvencia)3 GHz-30 GHz10mm-100mm Rádiócsillagászat, mikrohullámú kommunikáció, WiFi, radar, kommunikációs műholdak, kábel és műholdas tévé, amatőr rádió
EHF (extrém magas frekvencia)30 GHz-300 GHz1mm-10mm Rádiócsillagászat, nagyfrekvenciájú mikrohullámú irányított antennás összeköttetés, mikrohullámú távérzékelés, amatőr rádió, célzott energiafegyverek, reptéri testszkenner
THF (terahertzes frekvencia)300 GHz-3000 GHz100 μm - 1000 μm terahertzes orvosi képalkotás, anyagfizika, terahertz kommunikáció, amatőr rádió
FIR (távoli infravörös)300 GHz - 20THz15 μm - 1000 μm Infravörös csillagászat (űrteleszkópok), infra lámpák
LWIR (Hosszú hullámú infravörös)20 THz - 37THz8 μm - 15 μm Infravörös csillagászat (űrteleszkópok), infra lámpák, mozgásérzékelők, az emberi test sugárzása
MWIR (Közép hullámú infravörös)37 THz - 100THz3 μm - 8 μm Hőkövetős rakéták hőérzékelője, forró tárgyak sugárzása
SWIR (Rövid hullámú infravörös)100 THz - 214THz1,4 μm - 3 μm Füstön való átlátás, forró tárgyak hőmérséklet mérése (600 °C felett).
NIR (Közeli infravörös)214 THz - 400THz750nm - 1,4 μm Tévé távirányító, éjjellátó készülékek
VL (látható fény)400 THz - 770THz390nm - 750nm Fotózás, videofelvétel, látás, ...
UV-A (ibolyántúli-A)750THz - 952THz315nm - 400nm Fekete fény, Ettől barnulunk. Egész évben nagyjából állandó sugárzás.
UV-B (ibolyántúli-B)952THz - 1071THz280nm - 315nm Jobban barnít, mint az UV-A, napégést okoz, a mértéke évszakfüggő.
UV-C (ibolyántúli-C)1,071PHz - 3PHz100nm - 280nm Fertőtlenítésre használatos.
VUV (vákuum ibolyántúli)1,5PHz - 30PHz10nm - 200nm Félvezetőgyártásban fotolitográfiához használják. Ezen a hullámhosszon szokták vizsgálni a napkoronát is az űrteleszkópok.
Puha röntgen sugárzás30PHz - 1500PHz0,2nm - 10nm A víz és levegő rövid távon elnyeli, emiatt nem használatos semmire.
Kemény röntgen sugárzás1,5EHz - 30EHz10pm - 200pm orvosi röntgen, kristályok szerkezetének megállapítására.
Gamma sugárzás30EHz felett10pm alatt Sugárkezelés, kamionok átvilágítása.

Kvantumfizika és általános relativitáselmélet

Előző részben a mindennapi életben megfigyelhető dolgokról volt szó: a lassú sebességekről, és az elektromágneses sugárzásról. Ám az alapkutatások itt nem érnek véget. Kiderült ugyanis, hogy a jól bevált Newtoni mechanika nem működik nagy sebességeknél, és erős gravitációnál. Ezeken a területeken az elmélet csődöt mond. Úgy szintén a részecskék, az egyenes vonalú egyenletes mozgás, és az erő is csak az általunk megszokott nagy dolgoknál működik. Kicsiben egész más a helyzet. Emiatt ott is új modell kellett. Ezeknek az új modelleknek képeseknek kell lenniük leírni azt, amit megfigyelünk ezek között az extrém körülmények között, miközben elő kell állítaniuk a klasszikus fizikai törvényeket is, hogyha a klasszikus körülményekre alkalmazzuk. Ez az elsődleges tesztje minden elméletnek, mielőtt egyáltalán publikálásra kerül: egyet ért-e a meglévő elméletek előrejelzéseivel, azon körülmények között, amelyben azok pontosak.

A 20. század elején a 3 dimenziós tér és az idő 2 különböző dolog volt. Aztán kiderült, hogy ez nem egészen így van. Ugyanazon dolognak a részei, így jött létre a 4 dimenziós téridő modellje, amely segítségével pontosan leírható, hogy mi történik nagy sebességeknél. Ez a speciális relativitás. Azután még bonyolultabb matematikával jött a görbült téridő, amely már a gravitációt is leírja, ez az általános relativitás. És ezen elméletek összes előrejelzésére sikerült kísérleti bizonyítékot találni, tehát jó eséllyel helyesek.

A másik nagy törés pedig akkor következett be, amikor kiderült, hogy a fény nagy energiáknál már inkább úgy viselkedik, mintha részecskékből állna. Nem folytonos hullámokban, hanem darabokban érkezik. Tehát a fény tud részecskeként és hullámként is viselkedni. A kvantummechanika az a modell, amely összevonja a részecskék és a hullámok természetét. Mind a relativitás, mind a kvantummechanika megértéséhez jó matematikai érzék és képzelőerő kell, mert annyira nem természetes. Sok esetben csak azért tudjuk az elmélet egy-egy előrejelzését leírni, mert az jön ki az egyenletekből. Sokszor még a felfedezője sem tudja elképzelni képekben, hogy miről is van szó, csak a számokban és a betűkben jelenik meg a dolog.

A hullámok és a részecskék természete oly módon egyesül, hogy összefüggést találtak egyes hullámokra és részecskékre jellemző tulajdonságok között. A részecske lendülete fordítottan arányos a hullámhosszával. Kétszer, háromszor nagyobb lendület kétszer, háromszor rövidebb hullámokat jelent. A részecske energiája egyenesen arányos a frekvenciájával. Kétszer, háromszor több energia, kétszer, háromszor nagyobb frekvenciát jelent. A részecske pedig azokon a helyeken van, ahol a hozzátartozó hullám rezeg, minél jobban rezeg a részecskéhez tartozó hullám, annál inkább ott van azon a helyen. Tehát nem csak egy sima pont vagy golyószerű valamik, ahogy ábrázolni szokták, hanem egy kiterjedtebb dolog, mint egy felhő. Hogy jobban megértsük, hogy mivel jár az, hogy hullámokként tekintünk a részecskékre vegyük példaként a hangot. A hanghullámok több hullámhosszból tevődnek össze egyszerre, egyszerre lehet benne jelen mély és magas hang is. Tulajdonképpen egy adott hangszer vagy ember hangszíne attól függ, hogy milyen hullámhosszú hangok, milyen hangerővel vannak jelen benne. Hasonlóképpen ez a dolog megvan a részecskéknél is, többféle hullámhosszú hullám keverékéből állhat, ez azt jelenti, hogy nincs egy konkrét sebessége vagy lendülete neki. Hanem a hullámhosszaktól függően van neki egy lendület összetétele. Tehát a részecske nem pontszerű, hanem inkább egy felhő, és a lendülete sem egy konkrét lendület érték, hanem az is valamennyire elmosódott dolog.

Ha hallunk egy nagyon rövid (ezred másodpercig tartó) pukkanást, akkor nem tudjuk megállapítani, hogy az egy mély vagy magas pukkanás volt-e, az csak egy pukkanás volt. Hogyha megmérjük egy pukkanás hang összetételét, azt találjuk, hogy nagyon sokféle hullámhosszú hang van benne, mélytől a magas hangokig egyaránt. Hogyha hosszabb a pukkanás, akkor már jóval kevesebb hullámból összerakható a hang és egy avatott fül már talán meg tudja állapítani, hogy melyik oktávból való a hang, de pontosabbat nem. Hogyha néhány másodperces hangról van szó, és menet közben nem változik a hang összetétele, akkor már gyakorlatilag lehetséges, hogy a hang csupán egyetlen egyféle hangból álljon. Vagy mégsem, mert hiába akartunk pontosan 440 Hz-es szabványos A hangot kiadni, ott lesz azért még 440,0001 Hz-es összetevő meg 439,9999 Hz-es is. Felmerülhet a kérdés, hogyha szeretnénk egy rövid időtartamú hangot, mondjuk egy századmásodpercig tartót, a lehető legkevesebb hullámhossz sávból összerakni a hangszín menet közbeni megváltozása nélkül, akkor mekkora sávra lesz szükség? Létezik egy összefüggés, amely kimondja, hogy kétszer, háromszor rövidebb időtartamú hanghoz kétszer, háromszor szélesebb hullámhossztartomány kell. Így ha egy nagyon rövid pukkanást akarunk összehozni, akkor nagyon sokféle hullámhosszra lesz szükségünk. De a fordítottja is igaz. Ha azt szeretnénk elérni, hogy a hangban minél kevesebb fajta hullámú hang szóljon, akkor nagyon hosszan el kell nyújtani azt. Részecskék szintjén ez azt jelenti, hogyha kis helyre akarjuk összezsúfolni a részecskét, akkor annak szélesebb lesz a lendület-összetétele, egyszerre van neki kevés és nagyon sok lendülete is. Így ha megkíséreljük nagyon kis helyre kényszeríteni a részecskénket, akkor részecskénk megszökik, mert van neki nagy lendülete is. Ha megpróbáljuk a lendületet leszűkíteni egy nagyon kicsi értéktartományra, akkor a részecskénk térben szétterül, és egyszer csak a kísérleti eszközön kívül találja magát, vagy a falába ütközik. Fura dolgok ezek na, de így működnek a dolgok kicsiben.

Ez, amiről előbb írtam az ún. határozatlansági elv melynek egyenlete $\Delta x \Delta p \ge \hbar / 2$. Ahol a $\Delta x$ a részecskefelhő mérete (szórása), a $\Delta p$ pedig a lendület szórása. A $\hbar$ pedig a Planck konstans, ami egy nagyon pici szám.

De akkor miért nem tapasztaljuk a mindennapi életben, hogy a dolgoknak sokféle sebessége és helye van? Azért, mert a $\hbar$, a Planck-konstans, nagyon kicsi ($6,6 \cdot 10^{-34}$ Js). Olyan kicsi, hogy még mindig lehetséges megmérni egy dolog pozícióját és lendületét egyszerre $10^{-17}$ m illetve $10^{-17}$ N/m pontossággal. A $10^{-17}$ m, százszor kisebb mint egy atommag. A $10^{-17}$ N/m pedig olyan pici lendület, ami egy tizedmilliméteres vízcseppnek van akkor, amikor olyan sebességgel mozog, mint a tektonikai lemezek. Tehát még így is nagyon pontos mérések lehetségesek, de nem tűpontosak.

Az atomok nagyon picik. Belül van egy atommag és kívül az elektronok. Jogos lehet a kérdés, hogy miért nem ülnek ezek a negatív elektronok egyszerűen az atommag tetején? Nyilván nem azért, mert az atommag nagy. Az atommag nagyon is kicsi, százezerszer kisebb, mint maga az atom. Hogyha 10 méter nagyra nagyítjuk fel az atomot az atommag olyan pici lenne, hogy alig látnánk szemmel, alig 1 tizedmilliméter lenne. Ez annak a következménye, hogy a körülötte lévő elektronok nem ülnek az atommag tetején, nem is ülhetnek ott. Mert ha ott lennének, akkor túl kis helyre lenne összesűrítve, ezért a lendületük lenne túl nagy és eltávolodnának az atommagtól. A határozatlansági reláció miatt az elektronok eléggé szétterültek ahhoz, hogy a lendületük ne legyen túl bizonytalan ahhoz, hogy emiatt el is hagyja az atomot.

A kvantummechanikában egyesítettük a részecskéket és a hullámokat egy közös elméletben. Így minden olyan dolognak, amelyet eddig hullámként ismertünk most már van részecskéje is, és fordítva is. Az elektromágneses hullámok részecskéje lett a foton. A 60-as évek végére sikerült, ismét egy újabb nagy egyesítést véghezvinni: sikerült a most már kvantumos elektromágnesesség és részecskék kölcsönhatásainak az elméletét egyesíteni. Ez a kvantum elektrodinamika elmélete. Ez már majdnem a mindenség elmélete. Ugyanis minden fizikai folyamat tökéletesen leírható belőle kiindulva, az atommagon belüli dolgok és a gravitáció kivételével.

A standard modell

A tudomány jelenlegi állása szerint 2 nagy elmélet van, amely egyesítésre vár, és ezután az alapkutatással majdnem készen is vagyunk. Az egyik elmélet az általános relativitás, amely leírja, hogy hogyan történnek a dolgok nagyban. A másik pedig a kvantumtérelmélet, amely a részecskefizika alapja, és azt írja le, hogy hogyan történnek a dolgok kicsiben.

A részecskefizikában ma már eljutottuk oda, hogy mindent fel lehet építeni néhányféle részecskéből:

Standard modell

Ezekből van minden. (forrás, szerző: Harp, CC-BY-SA)

Ezen részecskéknek a jelentős része nem figyelhető meg mindennapi életben, mert nagyon gyorsan átalakulnak egy alacsonyabb energiájú változattá. Amivel a mindennapi életben dolgunk lehet az u-kvark és a d-kvark. A proton 2 u-kvarkból és 1 d-kvarkból áll, a neutron pedig 1 u-kvarkból és 2 d-kvarkból. Akkor még ott van az elektron, ami az egész körül kering. Illetve ők csinálnak képet a régi katódsugaras tévére. Akkor még ott vannak a neutrínók, amelyek piciny semleges részecskék, mint valami töltés nélküli elektron, csak még kisebb energiával. Ezekkel az embernek mondjuk semmi dolga nincs, mert nem igazán lépnek kölcsönhatásba az anyaggal. Csak nagyon ritkán. Jó mélyre a föld alá eldugott detektorok kellenek, hogy kimutassanak néha napján egyet kettőt. Azért kell ezeket ilyen mélyre tenni, hogy a felszínről érkező egyéb sugárzás ne zavarjon be. A neutrínók nagy része így is minden további nélkül átrepül az egész földön, de a sok milliárdból pár óránként 1-et kettőt azért el tud nyelni a detektor. Na ennek a négy részecskének vannak nagyobb energiájú változatai, amelyek a II. illetve a III. oszlopban láthatók. Ugyanaz minden, csak nagyobb a tömeg. Ezek a részecskék viszont nagyon gyorsan átalakulnak és végül az első oszlopban kötnek majd ki.

Akkor még ott vannak a bozonok, amelyeket közvetítő részecskéknek is neveznek. Az egyik (nem bozon) részecske kibocsátja őket a másik pedig elnyeli, és így cserélgetnek a részecskék lendületet és energiát. A mindennapi életben egyféle bozonnal van dolgunk, ez pedig a foton. Leginkább a szemünkkel érzékeljük őket. De minden más elektromágneses kölcsönhatást is fotonok közvetítenek. Ott van még a többi bozon is. A gluonokat a kvarkok cserélgetik egymás közt, ez tartja össze a protonokat és a neutronokat és közvetetten az atommagokat is. A W és Z bozonok pedig ezen részecskék átalakítását végzik.

További kategóriák lehetségesek, a 3 vagy több kvarkból álló dolgokat úgy hívjuk, hogy barionok (a nehéz dolgok). A 2 kvarkból álló dolgok pedig a mezonok (a közepesen nehéz dolgok). A kvarkokból álló dolgokat együttesen úgy nevezzük, hogy hadron, tehát a mezon és a barion is egy hadron. És ott vannak a leptonok, amelyek a könnyű dolgok, mint például az elektron és a neutrínó.

Ezeknek a részecskéknek vagy egy pár tulajdonsága, először is a tömeg, ezt elektronvoltban, a kis energiák mértékegységében, mérik. Ennyi energiának kell egy helyen lennie, hogy a részecske létrejöjjön. Ha nincs elég energia, akkor csak a matematikai egyenletekben részeredményként jelenthet meg, de a valóságban mindig csak a teljes folyamat eredményét látjuk, olyan dolgokat, amelyekre volt elég energia. Sok részecskének van elektromos töltése is. Ezek fixek, és nem változhatnak meg.

Van a részecskéknek spinjük, amit azért neveztek így, mert azt hitték, hogy a részecske forog (angolul spin), később kiderült, hogy másról van szó, de a név az megmaradt. A spin az lényegében egy szám, amelynek a lépésköze 1. Amikor úgy általában egy részecske típus spinjéről beszélünk, akkor ennek a spinnek a maximális abszolút értékéről beszélünk. Ha pedig egy részecske konkrét spinjéről beszélünk, akkor pedig a tényleges számról van szó. Ez gyakorlatban azt jelenti, hogy a spin-1/2-es részecskéknek, mint amilyen az összes kvark és lepton, a konkrét spinje lehet: -1/2 és 1/2. Ezt a két állapotot történelmi okokból szokták spin-fel illetve spin-le állapotnak is nevezni, mint egy kapcsoló 2 állapota. Vannak a spin-1-es részecskék, ezeknek 3 lehetséges spinjük lehet: -1, 0 és 1. A spin-2-es részecskéknek már 5-féle spinje lehet: -2, -1, 0, 1, 2. A spin-0-ás részecskéknek az ún. spin nélküli részecskék, melynek a spinje 0. Az egész spinű részecskéket hívják úgy, hogy bozonok (Satyendra Nath Bose tiszteletére), a nem egész spinűeket pedig fermionnak (Enrico Fermi tiszteletére). Ez a spin a töltéssel ellentétben nem fix, menet közben változhat, a megengedett értékek között váltogathat. Vannak még egyéb kvantumszámok is, mint például az izospin, gyenge izospin, illetve a hipertöltés. De ezekkel most nem foglalkozunk.

Vannak részecskék, amelyek tömegre, spinre, ugyanolyanok, mint az eredeti párjuk, azonban a töltésük ellentétes. Ezek az antirészecskék. Például az elektron anti részecskéje a pozitron, amely olyan, mint az elektron csak pozitív töltésű. És így minden részecskének megvan az anti-párja. Az antirészecskék általában megsemmisülnek, amint találkoznak a rendes párjukkal, ilyenkor a töltésük kinullázódik, a spinjük is összeadódik, és átalakulnak valamelyik bozonná.

A részecskék különféle megmaradási törvényeknek engedelmeskednek. Igaz rájuk a lendületmegmaradás és az energiamegmaradás. Az elektromos töltések és a spinek összege is állandó. További szigorúan megmaradó dolog még a barionszám, amely szerint a rendszerben a kvarkok és az antikvarkok számának a különbsége állandó. Ennek is történelmi oka van, hogy miért barionszámnak és nem kvark-számnak nevezik ezt: amikor kitalálták még nem fedeztük fel a kvarkokat.

Szintén egy megmaradási törvény a lepton-szám, amely szerint a leptonok és az anti-leptonok számának a különbsége állandó. Tehát nem lehet elektront létrehozni, anélkül, hogy ne hoznánk létre mellé egy pozitront is. Viszont ez a pozitron az első elektronnal való találkozáskor megsemmisül és általában 2 nagy energiájú foton lesz belőle. Így végső soron nem igazán lehet új anyagot gyártani, mert akárhogy is próbálkozunk, a végén ugyanannyi részecskénk lesz, mint amennyiből kiindultunk.

A tudomány jelenlegi állása szerint négyféle alapvető erőhatás van. A következőkben ismertetem őket:

Elektromágneses erő

Ez az az erő, amely kicsiben összetart mindent. Az összes szilárd tárgyat, folyadékot és molekulát. Ez az erő mozgatja az áramot a vezetékekben, ez felelős a rádió, infra, fény és az összes többi elektromágneses sugárzásért. És ez felelős a mechanikai erőkért is, mert az atomok között ébredő taszítás is elektromágneses eredetű. Tulajdonképpen emiatt van majdnem minden, amit a mindennapi életben tapasztalunk.

Az elektromágneses erő közvetítő részecskéje a foton. Az elektromágneses kölcsönhatások pedig úgy történnek, hogy az elektromos töltéssel rendelkező részecskék egymás közt lövöldözik a fotonokat. Kicsit olyan ez, mintha két ember görkorcsolyán állna és egymásnak dobálná a labdát. Ha a másik felé dobod a labdát, akkor ellököd magadtól a labdát, tehát távolodsz a játszótársadtól. Nyilván klasszikus mechanikában ilyen labdapasszolgatással csak taszítást lehet elérni, de kvantummechanikában a vonzás is lehetséges ily módon. A dolog matematikája sokkal bonyolultabb ennél, de egy hasonlatnak jó ez.

Gravitáció

Ez az az erő, amely összetartja a nagy dolgokat. Ez tartja össze a földet, a Napot, a Holdat Föld körüli pályán, a bolygókat Nap körüli pályán, a Napot a Tejút központja körüli pályán, a Tejutat pedig a Lokális halmaz tömegközéppontja körüli pályán. Ez az erő bármely két tömeggel (vagy úgy általában energiával) rendelkező dolog között ébredő vonzerő. És ez az egyetlen erő, amint még nem sikerült részecske fizika standard még modelljébe beépíteni.

A feltételezett közvetítő részecskéje a graviton a spinje pedig elvileg 2-es.

Gyenge kölcsönhatás és erő

Ez a kölcsönhatás felelős azért, hogy az alapvető részecskék képesek átalakulni, illetve lebomlani. És ez az elsődleges oka annak is, hogy radioaktív bomlás létezik.

Közvetítő részecskéi a W és Z bozonok. Ezeknek a bozonoknak az adogatása is okoz egy gyenge erőt kvarkok között, mely tízezerszer gyengébb, mint az elektromos erő, ezért nevezik gyenge erőhatásnak is.

Az erős kölcsönhatás

Ez az erő, ami összetartja az atommagot. Kis hatótávolságú, viszont sokkal erősebb, mint az elektromos erő. Ezért lehetséges az, hogy a sok pozitív proton az atom közepében egymás hegyén hátán van, és még sem taszítják szét egymást – legalább is a kevés protont tartalmazó atomokban. Ha egy atomban túl sok a proton, akkor már túl nagy lehet ez a taszítás, és széteshet az atommag. Ez az oka annak, hogy bizonyos rendszámon túl (92-es feletti transzurán elemek), már nem lehetséges stabil kémiai elemeket létrehozni, mert szinte azonnal elbomlik.

Hogy ne legyen ilyen egyszerű a dolog az erős kölcsönhatásból is van kétféle. Az erős kölcsönhatás egyik összetevője az, amely a protonokat és a neutronokat (a nukleonokat) tartja össze. Ennek az erőnek a közvetítői a pionok, amelyek egy kvark-antikvark párból állnak, ezeknek az adogatása az elektromos erőnél kb. 20-szor erősebb vonzerőt jelent a nukleonok (proton és neutron) között, mint az elektromos taszítás. Ez a vonzerő a távolsággal gyorsan csökken.

Az erős kölcsönhatás másik összetevője az az erős kölcsönhatás, amely a kvarkok között van. A kvarkoknak nemcsak elektromos töltése van, hanem van színtöltésük is. Egy kvark lehet kék, zöld vagy piros. Egy antikvark pedig lehet antikék, antizöld vagy antipiros. Ezeknek a színeknek semmi köze a valódi színekhez, csak egy hasznos hasonlat. Ha a kéket, zöldet, pirosat összeadjuk, akkor fehéret kapunk. Ha az antikéket, antizöldet és antipirosat összeadjuk, akkor antifehéret kapunk. Ha a pirosat összeadjuk az antipirossal, akkor ők kiütik egymást és semleges szintöltést kapunk. Na most azok a kvarkok össze vannak drótozva úgy, hogy egy füzéren a kvarkok színeinek az összege fehér, semleges vagy antifehér legyen.

Ez azt jelenti, hogyha egy kék kvark össze van fűzve egy antikék antikvarkkal, akkor kapunk egy kvarkból és antikvarkból részecskét ún. mezont. Illetve olyan is lehetséges, hogy egy piros, zöld, kék kvark van összefűzve, létrehozva egy 3 kvarkból álló részecskét ún. bariont, mint amilyen proton vagy a neutron. Vagy az antikvarkokból is összerakhatunk egy antibariont, mint például az antiproton vagy antineutron.

És ezek kvarkok annyira össze vannak drótozva, hogy nem lehet őket szétszedni. Szavad kvark nincs. Ha mégis megpróbáljuk szétszedni őket, akkor a drót „elszakad” és a két végén megjelenik egy kvark-antikvark pár a megfelelő színnel, és azonnal visszacsattan a helyére. A folyamat során pedig keletkezhetnek mezonok, barionok és antibarionok, antimezonok.

A drót a kvarkok között az ún. glounmező. Mivelhogy a kvarkok is úgy vonzzák egymást, hogy részecskéket csereberélnek egymás közt, a gluonokat. A gluon egy elektromos töltés nélküli, 1 spinű, tömeg nélküli részecske. Viszont a gluon is visz magával színtöltést, ezért ő maga is részt vesz az erős kölcsönhatásban. Ennek a következménye az, hogyha 2 kvarkot megpróbálunk eltalálni, akkor a gluonmező köztük egyre nagyobb lesz, és egyre több gluont fog tartalmazni. Emiatt minél inkább széthúzzuk őket annál erősebb lesz köztük a vonzerő. Ez kicsit olyan, mint gumiszalag vagy rúgó: minél jobban feszíted annál erősebben húz vissza. Ha a két kvark között húzódó gluonmezőben annyi energia gyűlik fel (mert ugye a széthúzás energiabefektetést igényel), mint 2 kvark energiája, akkor a gluonmezőben létrejön egy kvark-antikvark pár, és így „szakad el a drót”, és a két új kvark így csapódik vissza ahhoz a két kvarkhoz, amit megpróbáltunk szétválasztani.

Erős kölcsönhatás nukleonok és kvarkok között

Gluonok és pionok csereberéje kvarkok és nukleonok között. A színtöltések összege is megmarad. A gluonok így általában egy normál és egy antiszínt visznek magukkal, ily módon színezik át a kvarkokat. Ha 2 kvark között a gluontér energiája megnő, akkor a megfelelő színű kvark-antikvark pár létrejöhet, és ez oda-vissza megtörténik. (forrás, szerző: Manishearth, CC-BY-SA)


Szóval nagyjából ez a tudomány állása napjainkban. Bár amit itt leírtam ebben az utolsó részben, az is már 30-50 éves felfedezés. A napjainkban történő felfedezések túlságosan bonyolultak ahhoz, hogy könnyen el lehessen őket magyarázni, legalább is most még.

Nemrég frissült:

A tartalom elérhető az IPFS-en! Ha tetszik töltsd le és seedeld! Az oldal elérhető a http://gateway.ipfs.io/ipns/calmarius.net/index.htm helyen is.

comments powered by Disqus
Logo