A MIKROKOZMOSZ FIZIKÁJA.
1. Az anyag szerkezete.
A 6. és 5. században Kr. e. a görög népnél az emberi szellemnek csodálatos teremtő ereje nyilatkozott meg. Mai világfelfogásunknak legáltalánosabb fogalmai akkor alakultak ki itt. Ugyanazok az elmék, amelyek a makrokozmoszra vonatkozó kezdő fogalmakat létrehozták, egyszersmind a mikrokozmosz alapgondolatait is megteremtették.
Két egymással merően ellentétes gondolatfolyamat vájt akkor itt az elmékben magának medret. Az egyik, a jón természetfilozófusok, Thalesz, Anaximenesz és Anaximandrosz gondolatfolyamata volt, amely szerint a létező dolgok valamilyen ősanyagból, a vízből, a levegőből, a tűzből vagy pedig a közelebbről meg nem határozott "apeiron"-ból folytonosan alakultak ki. E felfogással merő ellentétben állott az eleata filozófusok világszemlélete, amely szerint a létező dolgok változatlanok, nem keletkeztek és nem alakulnak át és nem múlnak el soha. Minden, ami van, mindig volt, mindig lesz és mindig egy, ugyanaz és osztatlan marad.
A két ellentétes világfelfogást Anaxagorasz próbálta egyesíteni. Felfogása szerint minden létező dolog az ősanyag részecskéinek keveredéséből állt elő. Keverék tehát a föld, a víz, a levegő és a tűz is. Az ősanyag részecskéi örök időktől fogva örök időkig változatlanok. A tapasztalásból ismeretes változás, a keletkezés, az elmúlás csak a keveredés és szétválás folytán előálló látszat. Ilyenkor a részecskék nem vesznek fel új tulajdonságokat, csak észrevételünk változik meg.
A mai mikrokozmikus világfelfogás alapfogalma, az atom tehát a természetfilozófusok átalakulási és az eleáták megmaradási gondolatainak sikeres összekapcsolódásából teremtődött meg.
A gondolatot Leukipposz és Demokritosz dolgozta ki részletesebben. Ámbár műveik nem maradtak ránk, mégis ismerjük tanításuk lényegét. Minden létező test az ősanyag atomjaiból van felépítve. Az atomok oszthatlanok, eltörhetlenek, áthatlanok. Alakra, nagyságra és súlyra különbözők. Örök időktől fogva örök időkig változatlanok, azonban az üres térben különböző sebességgel mozoghatnak. A hő és a hideg is atomokból áll. Sőt a lélek is igen fínom atomok szövevénye és annál magasabbrendű a lélek, minél finomabb atomokból van összetéve. Az érzékszervi észrevevés pedig úgy történik, hogy a testekről atomok leválnak, kilövellődnek és a lélek atomjai közé jutnak.
Arisztotelesz a tapasztalati anyagokat szintén egy ősanyagból létrejötteknek gondolta, de nem úgy, ahogyan azt Anaxagorasz, Leukipposz és Demokritosz az atomfogalom alapján képzelte, hanem egészen más módon, a közelebbről meg nem határozott formáló elvek szerint. A tűz hatásának szemléletéből, amikor azt látta, hogy a formátlan és értéktelen kövekből üveg, arany, ezüst, vas válik ki, továbbá a mesteremberek munkájának szemléletéből, amikor azt látta, hogy a formátlan anyagból szobor, ház, bútor alakul kí, arra a meggyőződésre jutott, hogy a világban tervszerűleg dolgozó alakító erő, az "entelecheia" működik. Ennek hatása alatt formálódnak ki a létező testek az eredetileg minőségnélküli ősanyagból. Felfogása szerint a föld, a víz, a levegő és a tűz sem bonthatatlan alapanyagok, hanem olyan termékek, amelyek az ősanyagból az alakító erőnek legvilágosabban látható elvei szerint alakultak ki. Felfogása magában foglalta a gondolatot, hogy bármely anyag átalakítható bármilyen más anyaggá, csak ismerni kell a formáló elveket. A középkorban és az ujkor hajnalán az alkémisták e tanra támaszkodtak, amikor nem nemes fémekből aranyat akartak előállítani. Látni fogjuk továbbá, hogy Arisztotelesz felfogása a 20. század anyagelméletében visszatért.
Az atomelmélet tisztán filozófikus úton, vagyis a
világra, észrevételünkre és a megismerésünkre vonatkozó általános fogalmakból keletkezett. Így érthető, hogy az atomnak kezdetbeli fogalma nem kapcsolódott meghatározott módon meghatározott jelenségekhez. Ez a jellege a fejlődés folyamán továbbra is megmaradt, akkor is, amikor a 17. században, a tudomány megújhodásának idejében Gassendi és Huygens újból a felszínre hozta. Newton égi mechanikájának sikere viszont azt a gondolatot keltette, hogy a mindenség tömegpontok óriási sokasága, amelyek a tétlenség tulajdonságával vannak felruházva és közöttük taszító és vonzo erők feszülnek. Demokritosz atomjainak alakjuk, nagyságuk volt és tért töltöttek be. A dinamikus világfelfogásban ezt a tulajdonságukat elvesztették és tömegpontokká zsugorodtak össze, viszont [másfelől] azonban erők kiinduló pontjaivá váltak. Boscovich az 1758-ban megjelent "Theoria Philosophiae naturalis redacta ad unam legem virium in Naturam existentium" [A fizika elmélete, visszavezetve a természetben létező erők egyetlen törvényére] című könyvében fejezte ki legvilágosabb módon a dinamikus világfelfogás egységes anyagelméletét. A mindenség végtelen sok pontszerű atomból áh, amelyeknek nincs kiterjedésük, se alakjuk, de van tömegük, vagyis tétlenségük. Ezek az atomok tulajdonképen semmi egyebek, mint erőcentrumok, amelyekből különböző erők indulnak ki. Az anyag lényege tehát az erőkben van, amelyek az atomokat egymástól meghatározott távolságban tartják és így a testek kiterjedését és alakját is meghatározzák. A kiterjedés, alak és áthatlanság nem abszolút tulajdonság, hanem az erők függvénye. Ha a teremtőnek úgy tetszenék, az erők törvényét úgy változtathatná meg, hogy a legkeményebb testek is egymásba tudnának hatolni. Vagy ha a teremtőnek úgy tetszenék, az erőtörvényeket olyan módon is megállapíthatná, hogy az atomok tetszésszerinti közelségbe juthatnának egymáshoz és az egész mindenség egyetlenegy pontba zsugorodhatnék össze.
A dinamikus anyagelmélet elbűvölő hatású szintetikus gondolati alkotás volt, egyszerűségével, áttekinthetőségével és egységességével a legjobb elméket elbájolta. A tudósok úgy érezték, hogy a testek szerkezetének végső elemeit találták meg és ennek alapján a tudomány célját az atomok helyzetének, sebességének és a közöttük működő erők hatási törvényének meghatározásában látták. A tudomány arra töreke-
dett, hogy Laplace "világszellemének" értelméhez emelkedjék fel, aki a létező erők ismerete alapján a mindenség multját, jelenét és jövőjét egyformán jól látja és aki képes mindent, ami volt, ami van és ami lesz, abszolút pontossággal és bizonyossággal kiszámítani, hacsak ismeri a világegyetemben meglévő valamennyi tömegpont pillanatnyi helyét és sebességét.
Világosan látható, hogy az atom fogalma ebben az elméletben sem kapcsolódott meghatározott módon meghatározott jelenségekhez és hogy általános filozófikus fogalmakon, meggyőződéseken és posztulátumokon alapult csak. Az emberi szellem ugyan óriási erőfeszítéseket tett, hogy az atomfogalmat a jelenségekkel szorosabb kapcsolatba hozza, de munkája sikerrel nem járt. Azonban ugyanabban az időben, amelyben a dinamikus anyagelmélet kialakult, az emberi szellem már kezdte megalkotni a kémiai jelenségeket és azok létrejöttéhez vezető alapfelfogásokat, amelyek a 19. században az atomfogalmat a jelenségek világával már határozottabb kapcsolatba hozták.
A 17. század vége felé ugyanis Boyle felismerte, hogy az alkémistáknak sok évszázadra terjedő munkássága a helytelen nézetek mellett sok értékelhető megállapítást is teremtett. Úgy érezte, hogy ezek rendszerbe foglalásának ideje elérkezett és hogy az sikerülni is fog, ha lelkét megszabadítja az Arisztotelesz-féle felfogás reálisan meg nem fogható fogalmaitól. Az ismeretlen ősanyagból ismeretlen elvek alapján való kialakulás bizonytalan gondolata helyett tehát Boyle szellemi világában az a gondolat alakult ki, hogy az anyagok egy része bármikor megismételhető műveletekkel más ismeretes alapanyagokra, "elemekre" bontható fel és azokból ismét felépíthető. Felvetette tehát a kérdést, melyek az "elemek" és melyek az összetett testek? Különbséget téve a keveredés és a tényleges egyesülés között, igyekezett megállapítani a felbontásokat és az egyesüléseket.
Ma ez a gondolat átment a köztudatba és így természetesnek látszik. Ha azonban néhány példára gondolunk, rögtön ki fog tűnni, milyen természetellenes, erőszakolt és a gondolkodással ellenkező tények elfogadására kényszerítette az akkori tudósok elméjét. A közönséges konyhasó például átlátszó kristályokból álló test, amellyel ételeinket ízesítjük
és amely feltétlenül szükséges életünk fenntartásához. Mégis ez a test az alaktalan és átlátszatlan nátrium-fémből és a barnás színű klórgázból keletkezik, amaz bőrünkre téve veszedelmes égési sebeket okoz, emez pedig erősen mérgező hatású. Hasonlóképen a víz tüzet oltó, nem égő folyékony test, és mégis a meggyujtható, elégethető hidrogéngázból és az égést tápláló oxigéngázból keletkezik.
Az a gondolat, amely szerint a mindenség minden teste bizonyos számú, tovább nem bontható elemből van felépítve, teremtő új gondolat volt, mert a kutatók hosszú sorozatát új kísérletek kieszelésére és végrehajtására ösztökélte. Általuk az emberi szellem az állandó és többszörös súlyviszonyok, továbbá az egyszerű gáztérfogatok törvényét ismerte meg. E tisztán tapasztalati alapon nyert törvények azt mondják ki, hogy valamely összetett test alkatrészeinek aránya teljesen függetlenül attól az úttól, amelyen nyeretett, mindig ugyanaz és hogy az a mennyiség, amellyel valamely elem a különböző vegyületekben szerepel, mindig egy és ugyanazzal a számmal, vagy pedig annak kétszeresével, háromszorosával, általában egészszámú többszörösével fejezhető ki.
E törvény, miként azt Dalton a 19. század elején felismerte, kényszerítő erővel mutat az anyag szakadásos, darabos, azaz atomos szerkezetére. Ha feltesszük, hogy egy-egy elem atomjai egyenlők, a különböző elemek atomjai pedig különböző mennyiségű tömeget tartalmaznak, akkor az egyszerű és többszörös súlyviszonyok törvénye magától érthetővé válik. A kémia tudománya ez időtől fogva az atomelmélet alapján kutatta ki a különböző testek összetételét. A legújabb eredményeket is tekintetbe véve azt találta, hogy a világegyetemben 92 különféle elem van. A legtöbb elem a fémek csoportjába tartozik, ide tartozik a rádium, a platina, az arany, az ezüst, a higany, az ólom, a réz, a cink, a vas, a natrium, a kalium, a magnézium, az aluminium stb. Van 14 nem fémes elem: hidrogén, oxigén, nitrogén, szén, fluor, klór, bróm, jód, kén, szelén, foszfor, arzén, bór, szilicium. Ezekhez a 19. század végén a nemes gázok: argon, hélium, neon, kripton, xenon, rádiumemanáció [radon] mint semmi mással nem vegyülő újfajta elemek fedeztettek fel. A gyakorlati életben azonban nem 92, hanem csak mintegy 30 különböző
elem szerepel. Közöttük legfontosabb a szén, a hidrogén, a nitrogén és az oxigén, amelyekből a szerves testek vannak legnagyobbrészt felépítve. A Föld szilárd kérge pedig főleg sziliciumot, aluminiumot, magnéziumot, kalciumot, vasat, nátriumot, káliumot, oxigént és szenet tartalmaz.
A 92 elemnek megfelelően a világegyetemben tehát 92 különféle atom van. Egy-egy elem atomjai egyenlők és meghatározott szám, az úgynevezett atomsúly mutatja, hogy az illető atomban lévő anyag hányszorosa a hidrogénatom anyagmennyiségének. A kémia tudománya egy évszázad óta a legkülönbözőbb módszereket találta fel az atomsúly meghatározására. Újabb időkben az atomsúly mérésénél összehasonlítási alapul azonban nem a hidrogénatom, hanem az oxigénatom szolgál úgy, hogy ennek relatív súlya önkényesen 16-nak van véve, ami által a hidrogén atomsúlya nem 1, hanem 1.0078-nak adódik. A különböző összetett anyagokban az atomok először molekulákba csoportosulnak és molekulákból épül fel a test. Egy-egy molekula összetételét kémiai képlete mutatja. A víz molekulájában például a H2O képletnek megfelelően két hidrogénatom és egy oxigénatom van egyesülve. Ennek alapján az a felfogásunk, hogy az anyag egy-egy molekulája az illető anyag összes tulajdonságait bírja és hogy egy-egy meghatározott anyag, pl. a víz összes molekulái egyenlők. A tiszta elemek, aminő például a kén, oly molekulákból vannak felépítve, amelyekben az illető elem két, vagy több atomja van összekapcsolva. E tétel alól azonban kivételek vannak. Így a nemes gázokban és a fémgőzökben az atomok nincsenek molekulává egyesülve, hanem mint kapcsolat nélküli külön egyedek "léteznek". A röntgensugárral végzett vizsgálatok azt is megmutatták, hogy a molekula-fogalom igen sok szilárd testnél is elveszti minden jelentését.
Az atom visszakapta térfogatát, nagyságát, súlyát, amelyektől a dinamizmus megfosztotta őt. A különböző atomok azonban már nemcsak térfogatban, nagyságban és súlyban különböztek egymástól, hanem az alapanyag természetében is, most már nem egyetlen ősanyagot tartalmaztak. Az új felfogás szerint a teremtő a mindenséget 92 különböző fajta ősanyag atomjaiból formálta ki. De már az új atomelmélet bölcsőjénél a 19. század elején Prout elméjében kialakult a
gondolat, hogy a különböző atomok lényegükben véve a hidrogén-atom különböző összetételeinek tekinthetők. E felfogás száz éven keresztül csak mint érdekes vélemény szerepelt, azonban amiként látni fogjuk, a legutóbbi időkben számbelileg is megalapozott elméletté tudott fejlődni.
A mikrokozmosz az atomon kívül egy új egységgel, a molekulával gyarapodott. Kétségtelen, hogy a kémiai jelenségek nagy többségénél mindkét mikrokozmikus egység igen jó szolgálatot tett, de az is kétségtelen, hogy sok szilárd és folyékony testnél, továbbá a nemes gázoknál és a fémgőzöknél a molekulának semmi szerepe nincs. Viszont a különböző diszperzoid és kolloid tünemények arra mutatnak, hogy a molekulánál nagyobb csoportozatok létezésével is kell számolni. Már azzal, hogy az elmélet egyetlen ősanyag helyett, az ősanyagok egész sorozatát tette fel, az anyag szerkezete bonyolódottá vált. Még jobban bonyolódott a molekula bevezetésével, különösen amikor kitűnt, hogy ez az egység sok esetben felesleges, sok esetben nem elegendő, mert még magasaabb csoportozatok bevezetése is szükséges. Mindezek folytán az anyag szerkezetének tana elvesztette egyszerűségét, egységét és könnyű áttekinthetőségét és elvesztette azt az elbűvölő hatást is, amellyel az anyag dinamikus elmélete bírt. A veszteséget azonban nem kell sajnálni, mert épen e veszteség folytán jutott a gondolati eredetű elmélet közelebb a jelenségek kísérletileg megfogható világához. Minden egységes világszemlélet elbűvölő hatású, de rendesen épen ez nem engedi meg, hogy a való világgal számbelileg megadható kapcsolatba jusson.
Végigtekintve e fejlődésmeneten megállapíthatjuk, hogy a kialakulást Boyle-nak a szétbonthatlan különböző elemekre vonatkozó teremtő uj gondolata indította meg. Ez az új gondolat azután kapcsolódott az atomokra vonatkozó régi filozófikus gondolattal. A kialakulást azonban a leghatalmasabb mértékben az a történeti tény siettette, hogy ugyanabban az időben, amikor e gondolatok az elméket foglalkoztatták, a kísérleti ügyesség feltalálta az elektrolitikus anyagfelbontás hatalmas hatásképességű új módszerét. A két gondolat és az új kísérleti eljárás hozta tulajdonképen létre az emberi szellem egyik leghatalmasabb alkotását, a kémia tudo-
mányát, amelynek az emberi értelemre, a kultúrára és a civilizációra való hatása vetekedik a tűzével, a gőzgépével és a fénytani eszközökével.
Kétségtelen, hogy a kémia tudománya az atom gondolati eredetű fogalmát közelebb hozta a jelenségek világához, azonban nem tette olyan valósággá, amely az érzékszervi kapcsolatok láncolatával van a jelenségek világába lehorgonyozva. Még mindig nagy űr tátongott az elmében kialakult fogalom és a kézzel fogható és mérhető jelenségek között. Az atomok mikrokozmosza a jelenségek mögött nagy távolságban lévő ködös homályos világ maradt. A hő mivoltára vonatkozó képzetek hozták e világot egy lépéssel közelebb az érzékelhető világhoz.
2. A hőmozgás.
Az emberi szellemben lefolyó absztraháló folyamat bizonyos tapasztalatok összefoglalására már a primitív kultúrák idejében a hidegségnek és a melegségnek, mint konkrét létezőknek fogalmait hozta létre. Egészen természetes jelenség, ha az eszmélni kezdő emberi értelem, amikor a belső lelki állapotokra és a külvilágra vonatkozó fogalmak benne két külön csoportra kezdtek szétválni, a naiv realizmus álláspontjára helyezkedve a hideget és a meleget külön létező dolgoknak tekintette. A hidegség és a melegség tehát olyasféle létező dolgoknak tűntek fel, amelyek köd és felhő módjára megjelenhetnek, összehúzódhatnak, felemelkedhetnek és eltűnhetnek. E felfogásnak megfelelően Demokritosz, amikor a létező dolgokat atomokból összetetteknek gondolta, a hidegség részére is és a melegség részére is külön-külön atomokat tételezett fel. Arisztotelesz világfelfogásában azonban a hidegség és melegség megszűnt külön létező dolog lenni, hanem formáló elvvé alakult át, amely szerint a mindenség négy alkotóeleme, a föld, a víz, a levegő és a tűz képződött. A későbbi kor, megfeledkezve Arisztotelesz formáló elveinek mély ismeretelméleti jelentőségéről mint tényt fogadta el a tant, hogy minden létező dolog a tovább nem bontható földből, vízből, levegőből és tűzből van összetéve. A hidegség is
megszűnt külön létező dolog lenni és egyszerűen mint a melegség hiánya értelmeztetett. A melegség viszont összeolvadt a tűzzel.
A tudomány megújhodásának idejében a 17. század elején kezdett elválni a hő fogalma a tűztől. Galilei elméjében kialakult a gondolat, hogy a hő különleges folyadék, amellyel a testek át vannak itatva. A gondolat tovább szövődött és az a felfogás keletkezett, hogy minden testben nagy és kicsiny nyílások vannak, azokba a levegő, ezekbe pedig a világban mindenütt meglevő hőfolyadék húzódik be. A különböző testek felmelegedésükhöz azért kívánnak különböző mennyiségű hőt, mert a hőfolyadék befogadására szolgáló nyílásaik különbözők.
Ugyanebben az időben Boylenak az elemekre vonatkozó új felfogása alapján a tűzről is új vélemény kezdett kialakulni. Stahl felállította a tant, hogy a tüzet különleges elem, a flogiszton hozza létre, amelyet minden elégethető test kisebb-nagyobb mennyiségben tartalmaz. Amikor a flogiszton a testekkel egyesülve van, akkor melegséget nem hoz létre és hőmérővel nem állapítható meg. Ha azonban az anyagból eltávozik, akkor hő keletkezik és létrejön a tűz vagy pedig a testek oxidációja (ez a szó természetesen még nem volt ismeretes). Amikor Priestley és Scheele sokat foglalkozva az égés tüneményével, először állította elő az oxigént, egy ideig az volt a meggyőződésük, hogy a tiszta flogisztont sikerült elkülöníteniök. A flogisztontant azután Lavoisier megdöntötte, az anyag megmaradásának elve alapján ugyanis mérlegeléssel megmutatta, hogy az elégésnél és az oxidációnál a testek súlya nem kisebbedik, hanem nagyobbodik és hogy így az égés nem szétválási, hanem egyesülési folyamat. A flogiszton létezésében vetett hit azonban olyan erős volt, hogy hívei e döntő kísérletre sem adták meg magukat, hanem inkább felállították a flogiszton negatív súlyáról szóló tant, semhogy kedves eszméjüktől megváljanak.
A hőfolyadékra és a flogisztonra vonatkozó felfogásokkal egyidőben keletkeztt a gondolat, hogy a hő a testek reszecskéinek belső mozgása. Úgy látszik, hogy Kepler fogta fel először ezt a gondolatot teljes értékében. Newton a hőt az éter rezgésének gondolta, amelyet az égitestekben lefolyó
folyamatok indítanak meg. Daniel Bernoulli 1738-ban megjelent hidrodinamikájában részletesebben is kifejtette azt a nézetet, amely szerint a hő a testet alkotó részecskék igen sebes mozgásának a folyománya. Euler is ugyanezt a felfogást vallotta. Azonban kétségtelen, hogy az egész 18. században a hőfolyadékra vonatkozó tan volt az uralkodó, sőt még a 19. század első felében is sok hívőt számlált. Még a nagy Laplace sem tudott tőle teljesen szabadulni és azt a véleményét fejezte ki, hogy bizonyos tekintetben mindkét felfogás igaz. A hőjelenségek egyrésze ugyanis úgy folyik le, mintha a hő különleges folyadék volna, másik része pedig azt a benyomást kelti, mintha a hő a részecskék mozgásából származnék. A tudomány a 18. század végén a hőjelenségek szempontjából olyan helyzetben volt, mint amilyenben jelenleg a fényjelenségek szempontjából van, amikor azoknak egy resze kétségtelenül a különálló fényrészecskék létezésére utal, másik része pedig épen olyan kétségtelenül mutatja, hogy a fény valamilyen folytonos közegnek rezgésszerű folyamata.
A megelőzőkből nyilvánvaló, hogy a hő mozgási elmélete mint filozófikus gondolat merült fel először, tehát nem is lehetett a jelenségekkel szorosabb kapcsolatban. Az egész 19. századnak munkája kellett ahhoz, hogy a hőmozgásra vonatkozó általános jellegű filozófikus gondolat fokozatosan közelebb jusson a jelenségekhez és részletesen kidolgozott fizikai elméletté alakulva át, a jelenségekbe számbeli kapcsolatokkal horgonyozódjék bele. A puszta filozófikus gondolat azonban önmagában véve is nagyon értékes volt, mert a 19. század elején Rumfordot hírneves kísérleteinek végrehajtására ösztönözte, amellyel megmutatta, hogy tisztán mechanikai munkával jelentékeny mennyiségű és fokozatú hőt lehet létrehozni. Ezekkel a kísérletekkel maguk a jelenségek közeledtek a filozófikus gondolathoz. Viszont az energia megmaradása elvének felismerésével a filozófikus gondolat ment közelebb a jelenségekhez. Annak a ténynek felismerése ugyanis, amely szerint meghatározott mechanikai munkából mindig meghatározott mennyiségű hő és meghatározott mennyiségű hőből mindig meghatározott mennyiségű mechanikai munka hozható létre, szinte kényszerítő erővel szülte a gondolatot, hogy mindkét folyamatnál egyértelmű átalakulás
folyik le. Az egyik folyamatnál a látható testek mozgási energiája a láthatatlan apró részecskék mozgási energiájává, a fordított folyamatnál a láthatatlan részecskék mozgási energiája a látható testek mozgási energiájává alakul át. Amannál a makro-energia mikro-energiává, emennél a mikro-energia makro-energiává válik. Amannál ugyanaz történik, mint amikor nagy pénz apró pénzzé váltatik fel, emennél pedig az, mint amikor aprópénz nagy pénzre cseréltetik be.
Az energia megmaradásának, illetőleg egyértékű átalakulásának elve indította meg azokat a gondolatfolyamatokat, amelyek a hőmozgás általános filozófikus jellegű gondolatából a tényekkel számbeli összefüggésben lévő fizikai elméletet alakítottak ki. Krönig és Clausius voltak e gondolat-folyamatnak megindítói a mult század 50-es éveiben. Alapgondolataik alapján azután az elmélet főleg Loschmidt, Maxwell, Van der Waals, Boltzmann, Smoluchowski és Einstein kezei között a tökéletesség magas fokára jutott.
A gondolatok a mikrokozmosz második egységéhez, a molekulához fűződtek. Eszerint a hőérzet semmi egyéb, mint bőrünknek a molekulák által való folytonos kalapácsolása egészen olyan módon, ahogyan a hangérzet sem egyéb, mint a hallószervnek a légsűrűsödések által történő folytonos kalapácsolása. Fel kellett tehát tenni, hogy a mindenségben lévő összes molekulák folytonos mozgásban vannak. Minél melegebb a test, annál nagyobb a molekulák átlagos sebessége és átlagos mozgási energiája. A hőmérséklet maga nem egyéb, mint a molekulák mozgási energiáinak középértéke. (*) Amikor a test hőmérséklete emelkedik, akkor a molekulák sebességének és mozgási energiájának középértéke növekszik. A hővezetés nem más, mint a nagyobb sebességű molekulák mozgási energiájának a szomszédos kisebb sebességű molekulákkal való közlődése. Valamely test hőmérséklete akkor állandó, vagyis akkor van thermodinamikus egyensúlyban, ha külső határoló felületén keresztül épannyi energia hatol befelé, mint amennyi megy kifelé.
A molekuláris mozgások részletesebb leírására általában az a felfogás alakult ki, hogy a szilárd testek molekulái egyensúlyi állapotuk körül rezgéseket végezhetnek csak, a gázok molekulái azonban minden irányban egyenesvonalban
(*) Ittt természetesen az abszolút, Kelvin-féle hőmérsékletről van szó. [NF]
szabadon mozoghatnak mindaddig, amíg valamely más molekulába nem ütköznek, a folyadékok molekulái bizonyos egyensúlyi helyzet körül rezegnek és ezenfelül haladó mozgást is végezhetnek. A szilárd testekre vonatkozó képzetek és tapasztalatok legyőzhetetlen akadályokat gördítettek azokkal a próbálkozásokkal szemben, amelyek az elméletnek számításra alkalmas formában való megjelentetését célozták úgy, hogy egészen a legújabb időkig az elmélet a szilárd testekkel alig tudott mit csinálni és a folyadékokat is csak nagyon korlátolt mértékben tudta számításainak körébe belevonni. A szilárd testeknél tehát a hőmozgás gondolata megmaradt egyszerű filozofikus elvnek, amely a tapasztalatra és a megismerésre vonatkozó általános gondolatokon alapszik csupán, de a jelenségekkel nem áll számbeli kapcsolatban. Annál nagyobb sikert ért el az elmélet a gázoknál, mert valamennyi tapasztalatilag megállapított tulajdonságukat sikerült a molekulák méreteivel, számával, mozgási állapotuknak jellemző adataival egyértelmű számbeli kapcsolatba hozni. Sőt sikerült olyan szabatos fogalmakat teremteni, amelyek a természet egyik legáltalánosabb törvényét, a hőelmélet második főtételét, mint az elmélet természetes következményét állították elő.
A kinetikus gázelmélet felteszi, hogy minden egyes gázmolekulának igen kicsiny, de határozott térfogata van és hogy valamely edényben foglalt gázmolekulák együttes térfogata kicsiny az egész edény térfogatához képest. Felteszi továbbá, hogy a molekulák a rendelkezésükre álló térben minden irányban általában nagy sebességgel mozognak, miközben igen sokszor összeütköznek. Az összeütközésre felteszi, hogy úgy folyik le, mint a tökéletesen rugalmas golyók ütközése, vagyis a súlypont és az energia megmaradásának elve érvényben marad. E feltevések alapján a gázok összes lényeges tulajdonságai levezethetők. Az edény falaira gyakorolt nyomás egyszerűen abból származik, hogy a molekulák az edény falaihoz való ütődésük alkalmával annak mozgásmennyiséget adnak át, a nyomás tehát arányos, a felületegységre másodpercenként érkező lökések számával. Ha a térfogatot kétszer, háromszor stb.-szer kisebbé tesszük, akkor a sűrűség, a területegységre eső lökések száma és a nyomás
ugyanannyiszor nagyobbá válik. A fentadott egyszerű feltételekból tehát következik a Boyle-Mariotte-féle törvény. Ugyanolyan egyszerűséggel az általános gáztörvény is levezethető, amely szerint a nyomásnak és a térfogatnak szorzata az abszolút hőmérséklettel arányos. Következik továbbá, hogy a különböző gázok ugyanazon hőmérsékletnél és nyomásnál egyenlő térfogatokban egyenlő számú molekulát tartalmaznak. A nyomás részére nyert egyszerű kifejezésből és a gázok ismeretes sűrűségéből a gázmolekulák átlagos sebessége ki is volt számítható. A hidrogén-molekula részére például 1844 m/sec., az oxigén-molekula részére 461 m/sec. adódott 0 fok Celsius hőmérséklet mellett. Amikor Clausius ezeket az adatokat először közölte, általános hitetlenséggel találkozott, mert az volt a felfogás, hogy e nagy sebességek ellentétben állanak a gázok diffuziójára vonatkozó tapasztalatokkal. Ha ugyanis valamely edényben lévő sűrű gázréteg fölé ritkább gázréteget helyezünk el, a két gáz csak igen lassan diffundál át egymásba. Az volt a felfogás, hogy ilyen nagy molekulasebességek mellett a két gáznak szinte pillanatok alatt kellene egymásba diffundálnia. Clausius azonban rámutatott arra, hogy a diffuzió sebessége egészen más, mint a molekula sebessége. A gázmolekulák ugyanis nem futhatják meg útjukat szabadon, mert folyton összeütköznek, tehát útjuktól eltéríttetnek és csak lassanként, sokszoros összeütközések után juthatnak át a másik gázba. A jelenség pontosabb leírása kedvéért Clausius bevezette a közép szabad úthossz fogalmát, vagyis azt a távolságot, amelyet a gázmolekulák átlagban befuthatnak anélkül, hogy egy másik molekuláha ütköznének. Megmutatta továbbá, hogy a szabad úthossz a legegyszerűbb összefüggésben van a gázmolekulák középsebességével és a másodpercenkénti ütközések számával. Ámbár Clausius a szabad úthossznak és a másodpercenkénti összeütközések számának a cm3-ben foglalt gázmolekulák számától a molekulanagyságtól való függését megtalálta, valóságos számértéküket mégsem tudta kiszámítani, mert hiányzott oly tapasztalati összefüggés, amelyre számítását alapíthatta volna. A kinetikus gázelmélet további kiépítése szempontjából alapvető fontosságú feladattá vált az ide-odarepülő gázmolekulák kaoszába valamilyen rendet hozni be. Mint-
hogy a molekulákat egyénenként nem láthatjuk, nyilvánvaló volt, hogy ezt csak önkényesen vagyis szintetikus úton lehetett megállapítani. E célra alakult ki Maxwell gondolatvilágában az egyenletes sebességeloszlás szintetikus törvénye, amely szerint a nyugvó gáz igen sok molekulából álló sokaságában minden irányú és minden nagyságú molekulasebességek fordulhatnak ugyan elő, azonban a legnagyobb valószínűsége azoknak a sebességértékeknek van, amelyek bizonyos, a hőmérséklettől függő átlagos sebességértékhez legközelebb állanak. A többi sebességértékek annál ritkábban fordulnak elő, minél messzebb esnek ettől az átlagos sebességtől. A molekulák összeütközései a sebességeloszlást egyáltalában nem változtatják meg, az állandó marad mindaddig, amíg a hőmérséklet nem változik.
A Maxwell-féle sebességeloszlási törvénnyel már lehetségessé vált a tapasztalható jelenségeket a molekulák kaoszával kapcsolatba hozni. Ilyenül mindenek előtt a gázok belső súrlódásának jelensége kínálkozott. Képzeljünk két egymással párhuzamos lapot és közébük valamilyen gázt. Ha az egyik lapot elmozgatjuk, akkor ellenállást tapasztalunk, amely tapasztalati úton megmérhető. Minthogy a tapasztalat azt mutatja, hogy a mozgó lappal közvetlenül érintkező gázréteg a lappal együtt mozog, viszont a nyugvó lappal közvetlenül érintkező gázréteg nyugvásban marad, továbbá, hogy a közbeeső rétegek sebessége annál közelebb esik a mozgó lap sebességéhez, minél közelebb van az illető réteg a mozgó laphoz, kétségtelen, hogy a mozgó lap mozgásmennyiségeket ad át a gázrétegeknek. Ezek a mozgásmennyiségek a folytonos összeütközések folytán a molekulák hőmozgásává alakulnak át. Az egyik lap mozgatásánál tehát munkavégzés révén molekuláris mozgási energiát hozunk létre. Tekintetbe véve az egyenletes sebességeloszlási törvényt, lehetséges volt a lap mozgatásához szükséges munka, illetőleg az azt meghatározó súrlódási együttható és a gázelmélet jellemző adatai között összefüggést találni, amelyből a közép szabad úthossz és a másodpercenkénti összeütközések száma ki volt számítható. Ha még Loschmidt gondolata alapján a gáz molekuláinak együttes térfogatát azzal a térfogattal tesszük egyenlővé, amelyet a gáz folyósítása után elfoglal, akkor a gázmolekulák
méretei is kiszámíthatók. Az első ilyen módon nyert számadatok nagy eltéréseket mutattak, azonban a nemes gázok felfedezése és egyéb itt szereplő viszonyok behatóbb megismerése után az eltérések lassanként eltüntek.
Az elmélet a diffúzió, a hővezetés és a szuszpenziók tapasztalati törvényszerűségeit is össze tudta kapcsolni a molekuláris mozgás alapfogalmaival, és ezek ugyanazokhoz a számadatokhoz vezettek, mint a gáz belső súrlódása. Eszerint 0 fok Celsius és 760 mm higanynyomás mellett minden gáz köbcentiméterenként mintegy 27 trillió molekulát tartalmaz. Az 1 cm2 felületre másodpercenként érkező molekulalökések száma pedig 2.2·1023. A közép szabad úthossz, a másodpercenkénti összeütközések száma és a molekulák nagysága gázfajtánként változik. A közép szabadúthossz és a molekulák átmérője általában milliomod milliméter rendű, a másodpercenkénti összeütközések száma pedig több ezermillió körül van.
A kinetikus gázelmélet ezeken kívül számos olyan általános igazság megállapításához vezetett, amelyeket a tapasztalat utólag igazolt, de amelyek a közvetlen tapasztalat útján vagy egyáltalában nem, vagy hosszas keresések és próbálgatások után lettek volna csak feltalálhatók. Ide tartozik mindenekelőtt Van der Waalsnak általános gáztörvénye, amely a gázállandón kívül még két, a molekulák méreteitől és a hozzájuk kapcsolódó erőtől függő állandót tartalmaz. Ez a törvény a gázok kritikus hőmérsékletére, továbbá a légnemű és a folyékony állapot közötti összefüggésre mélyreható bepillantásokat engedett meg. A belső súrlódásra, a hővezetésre, a diffúzióra, a gázok fajhőjére és az úgynevezett molekuláris hőre további összefüggések voltak megállapíthatók. A nyert képletek alkalmazása nem szorítkozott a gázokra, hanem a folyadékok tulajdonságaira is ki volt terjeszthető és így oly összefüggéseket tárt fel, amelyekhez a tudomány tisztán tapasztalati úton sohasem juthatott volna el. Csak a szilárd testek látszottak dacolni az új felfogással, noha a legújabb időkben a módosított felfogás alapján, amelyet a kvantumelmélet hozott be, itt is sikerült figyelemre méltó összefüggéseket találni.
Mindezeken felül a kinetikus gázelmélet meghozta a hőelmélet második főtételének mechanikai magyarázatát. Mi-
ként könyvünk első részében kimutattuk, ez a tétel az energia megmaradásásának elvével kapcsolatban mint az energiaátalakulási folyamatok lefolyására vonatkozó tapasztalatok általánosítása ismertetett fel. Mechanikai magyarázatát sokáig keresték a tudósok, de nem találták meg. Boltzmann ismerte fel először, hogy a kinetikus gázelmélet alapfogalmaiból logikusan levezethető ez az elv. Az ember érzékszerveivel térfogatokat, nyomásokat erőhatásokat, munkavégzéseket, hőmérsékleteket tapasztal. Ez tehát a közvetlen tapasztalat világa, amelynek törvényszerűségeit a tapasztalati törvények adják meg. Az elménkben kialakult fogalomvilág szerint ez csak látszat, amely mögött a molekulák örökké nyüzsgő mikrokozmoszának valósága rejtőzik. Mindent, amit tapasztalunk, a trillió számú, ide-oda száguldó molekula hoz létre. A természet észlelhető törvényei tehát azok, amelyek e nagyszámú molekulák összehatásából erednek. Nekünk nem kell ismernünk az egyes molekulák pályáját és sebességét, azt sem kell tudunk, milyen törvény hajtja őket pályájukon, csak azt kell tudnunk, hány molekula ütődik a falhoz, ezt pedig adott feltételek mellett a valószínűségszámítás szabályai szerint ki tudjuk számítani. A viszonyok hasonlók az ember társadalmi életéhez. Hogy valamely 14 éves fiatal ember meddig fog élni, azt senki sem tudja megmondani, azonban a biztosító társulatok a bizonyossággal határos valószínűséggel tudják, hogy százezer 14 éves ember közöl hány éri el az 50-ik évét. Ahogyan a biztosító társaságok e tudásukat statisztikai megszámlálások révén nyerték el, azonosképen a természeti jelenségek törvényei is molekulastatisztikai és valószínűségi vizsgálatokból nyerhetők.
A nyitott edényben lévő gázmolekulák teljesen szabadon mozoghatnak minden irányban, ebbeli szabadságukat csak az összeütközések korlátozzák. Nem volna tehát lehetetlen, hogy valamely pillanatban valamennyi gázmolekula az edény nyílása felé mozogna, aminek következtében az edényben önmagától minden külső erő nélkül légüres tér állana elő. Ez azonban annyira valószínűtlen eset, hogy nincs elegendő papiros annak a számnak a leírására, amely mutatná, hány évig kellene várni, amíg ez az eset egyszer bekövetkeznék. Hasonlóképen nem volna lehetetlen, hogy az edény-
ben lévő különböző sebességű molekulák úgy mozognának, hogy a nagy sebességűek valamennyien az edény balrésze, a kis sebességűek pedig annak jobbrésze felé mozognának, aminek következtében az edényben önmagától hőmérsékletkülönbségek állanának elő, azonban ez eset bekövetkezésének valószínűsége is roppant csekély. A hőelmélet második főtételének az a fogalmazása tehát, amely szerint valamely edényben önmagától hőmérsékletkülönbségek nem állhatnak elő, illetőleg, hogy a hő önmagától alacsonyabb hőmérsékletű helyről nem haladhat magasabb hőmérsékletű helyre, a kinetikus gázelmélet alapfogalmainak egyenes következménye. Ugyanúgy értelmezhető a hőelmélet második főtételének többi alakja is. Már a belső súrlódás értelmezésénél felhasználtuk ezt a gondolatot. Ha mi a levegőben lévő lapot vagy bármilyen testet egyirányban mozgatunk, akkor a vele érintkező gázmolekuláknak egyirányú sebességeket adunk, amelyek a molekulák folytonos összeütközései miatt csakhamar rendetlen, minden irányú mozgássá, azaz hővé alakulnak át. Az egyirányú molekuláris mozgások érzékszerveinkkel észrevehető makromozgások, a minden irányú molekuláris mozgások pedig érzékszerveinkkel közvetlenül észre nem vehető mikromozgások. A hőelmélet második főtételének az a fogalmazása tehát, amely szerint a természetben észlelhető minden mozgás előbb-utóbb hővé alakul át, szintén egyenes következménye a kinetikus gázelmélet alapfogalmainak. A természetben minden makro-mozgás és makro-energia előbb-utóbb mikro-mozgássá és mikro-energiává alakul át, mert a molekula-összeütközések nagy száma miatt az egyirányú mozgásoknak mindenféle irányú hőmozgássá kell átváltozniok. Az ellenkező irányú folyamat, vagyis mindenféle irányú molekuláris hőmozgásoknak egyirányú rendezett mozgássá való átalakulása elvileg nem lehetetlen ugyan, azonban annak bekövetkezése oly csekély valószínűséggel bír, hogy gyakorlati szempontból lehetetlenségnek minősíthető. A természetben lefolyó folyamatok tehát nem elvi szempontból, hanem a valószínűség törvénye szerint pusztán gyakorlati szempontból megfordíthatlanok. Minden történés a valószínűtlen molekulárisan rendezett állapottól a valószínűbb rendezetlen állapot felé folyik le.
Legnagyobb sikerét a kinetikus gázelmélet a Brown-féle mozgás megmagyarázásával érte el. Brown angol botanikus 1827-ben észrevette, hogy erősen nagyító mikroszkópon át nézve, a folyadékokban lebegő kis anyagi részecskék szünetnélküli cikkázó mozgást mutatnak. A jelenséggel a tudomány hosszú ideig nem sokat törődött, amíg Wiener a 19. század végén fel nem ismerte, hogy e mozgás tulajdonképen a molekuláris hőmozgásnak a következménye. Smoluchowski és Einstein kidolgozták a jelenség elméletét, Perrin, Svedberg, Seddig és mások annak eredményeit tapasztalatilag igazolták es a hőmozgást végző molekulák adatainak meghatározására felhasználták. A jelenség emulziókban, szuszpenziókban, kolloid oldatok kis részecskéin, a levegőben vagy más gázokban lebegő nagyon kicsiny arany-, ezüst-, ónszemecskéken mindig észlelhető. A cikkázó mozgások annál nagyobb méretűvé válnak, minél kisebb a részecske kiterjedése. A jelenség megmagyarázása tulajdonképen nagyon egyszerű és egyenesen adódik a kinetikus gázelmélet alapfogalmaiból. Miként láttuk, minden gáz normális állapotban köbcentiméterenként 27 trillió molekulát tartalmaz. E nagy szám miatt a molekuláris rendezetlenség tökéletes. Ha a köbcentiméter belsejében például egy négyzetmilliméter nagyságú lapot helyezünk el, azt másodpercenként igen nagyszámú molekula kalapácsolja, de minden irányból egyformán úgy, hogy a felület nem mozdul el. Ha azonban a felület jelentékenyen kisebb, a molekuláris rendezetlenség kisebb fokúvá válik és az átlagtól való eltérés kezd megnyilvánulni. Elegendő kicsi lapocska esetében már megtörténhetik, hogy valamely kis időközben például balról jobbfelé 18, jobbról balfelé csak 12 lökés éri a lapocskát, tehát kénytelen balról jobbfelé mozdulni el. Így jön létre a Brown-féle mozgás. Ez a jelenség tehát közvetlenül szemünk elé tárja a molekuláris hőmozgás durva képét. Nem látjuk ugyan magukat a kalapáló molekulákat, de látjuk kalapálásuknak egy nagyobb részecskén előálló következményeit.
A száz év előtt felfedezett igénytelen jelenségben tehát a kinetikus hőelmélet mikrokozmikus világfelfogásunknak alapvető dokumentumát látta meg. A jelenség tulajdonképen a legnagyobb világcsoda. Sokkal csodálatosabb, mint a radioaktív alapjelenség, mert amíg ez utóbbi a Földön eddig ösz-
szesen előállított 200 grammnál semmi esetre sem több anyagon észlelhető csak, addig a Brown-féle mozgás a gázokba vagy a folyadékokba beágyazott minden kis részecskén észlelhető. A mozgás szünet nélkül folyton tart. Ha a hőmérséklet emelkedik, élénkebbé, ha csökken, lassúbbá válik, de meg nem szűnik soha. Tehát valóságos örökmozgó. Nem ugyan az elsőfajta örökmozgó, amely amellett, hogy maga folyton mozog, még hasznos munkát is végezne, hanem a második fajta örökmozgó, amelynek mozgása örökké tart ugyan, de munkát nem végez. Az elsőfajta örökmozgó az energia megmaradásának elve szerint lehetetlen is volna, azonban a második fajta örökmozgó nincs ellentétben az energia megmaradásának elvével, sőt annak úgyszólván egyenes következménye.
Ahogyan a makrokozmikus világfelfogás, ugyanúgy a mikrokozmikus világfelfogás is tehát elvezetett az örökmozgás fogalmához. A makrokozmoszban a Föld és az égitestek tengelykörüli forgása, a bolygók nap körüli keringése, a naprendszernek a Tejút-rendszerben való keringése örökmozgás. Valamennyi fizikai alapelvünk szerint azonban ez nem valóságos örökmozgás, mert e mozgások közben makro-energia mikro-energiává is átalakul. A mikrokozmoszban a molekulák mozgása és ennek következménye, a Brown-féle mozgás igazi örökmozgás. A hőelmélet második főtételének egyik fogalmazása szerint a második fajta örökmozgó is lehetetlen. Ha a kinetikus hőelmélet alapfogalmaival ellentétbe jutni nem akarunk, akkor ezt a fogalmazást meg kell változtatnunk, mert azt szabad csak állítanunk, hogy lehetetlen olyan örökmozgót előállítani, amelyben igen sok molekula egyirányú rendezett örökmozgást végez. A molekuláris méretekben a minden irányú örökmozgás nemcsak lehetséges, hanem hőről való ismereteink csakis ezzel a feltevéssel magyarázhatók meg. A mindenségben lefolyó folyamatok épen abból származnak, hogy a molekuláris méretekben örökmozgás van.
A kinetikus hőelméletnek igen sebezhető pontjai is vannak. Ezek közé tartozik az a feltétel, hogy a molekuláknak tökéletesen rugalmas golyó alakú testeknek kell lenniök, mert csak ebben az esetben maradhat összeütközéskor a súly-
pont és az energia megmaradásának elve érvényben. Már Maxwell próbált ettől a feltételtől szabadulni és a tökéletesen rugalmas golyó alakú molekulák helyett olyan molekulákat próbált bevezetni, amelyekből a távolság ötödik hatványával fordítva arányos taszító erők indulnak ki. Az újabb elméletek is ugyanerre a felfogásra támaszkodnak, azonban igen nagy nehézséggel jár az atomszerkezeteknek a molekulák kémiai erőivel és az összeütközéseknél keletkező forgásokkal való harmóniába hozatala. A kinetikus hőelmélet a fentebb vázlatosan közölt eredményeivel kétségkívül az emberi szellemnek egyik legszebb szintetikus alkotása, de még nagy nehézségek állanak annak útjában, hogy megnyugtató rendszerré váljék.
3. A fénymozgás.
Az emberi agyban lefolyó absztraháló folyamatok a primitív kultúrák idejében a világosságnak és a sötétségnek mint külön létező dolgoknak fogalmát hozták létre. Az a képzet keletkezett, hogy a világosság és a sötétség, ép úgy miként a köd vagy a felhő, leszállhat, szétterülhet, összehúzódhatik, felszállhat és eltűnhet. A fejlődésnek e fokán tehát nem ismertetett még fel, hogy a világosság mindig valamilyen világító testről, a Napról, a Holdról, a csillagokról vagy a tűzről terjed szét, még kevésbé az, hogy a látás keletkezéséhez a tárgyakról kell valami külső dolognak a szembe jutni. Még a magas fejlettségű és az absztrahálás terén igen előrehaladt görög kultúrában is az volt a felfogás, hogy a látás szubjektív tünemény, amely úgy keletkezik, hogy az ember szeméből kiinduló sugarakkal, miként a bogár a csápjaival körültapogatja a külső tárgyakat, vagy hogy a szem a benne lévő pneuma révén jut érintkezésbe a külső tárgyakkal. Az atomistáknál és Arisztotelesznél kezdett először kialakulni a felfogás, hogy minden látható tárgy valamit küld a szembe. A tudósok a 17. század elején, a tudomány megújhodásának idejében ismerték fel végleg a látás létrejöttének teljes folyamatát. Ettől az időtől kezdve alakult ki a fénynek, mint a látást lehetővé tevő objektív valaminek a fogalma. A fejlődés ilyen módon való kialakulása érthetővé teszi, hogy a fizikusok
mindenek előtt a fény haladásáról igyekeztek fogalmat alkotni. Az a kérdés, hogy a fény hogyan keletkezik, abban az időben egyáltalában fel sem merült.
Römer dán csillagász volt az első, aki 1675-ben arra a felfogásra jutott, hogy a fény nem pillanat alatt, hanem meghatározható véges sebességgel terjed tovább a térben. Jupiter egyik holdjának keringési idejét akarta meghatározni és azt tapasztalta, hogy csak akkor kap állandó értéket, ha a meghatározást akkor végzi, amikor a Föld pályájának Jupiterhez legközelebb vagy attól legmesszebb eső részében van, ellenben ennél az értéknél mindig nagyobbat vagy kisebbet kap aszerint, amint a Föld távolodik Jupitertől vagy közeledik hozzá. Felismerte, hogy ez azért van így, mert a fény véges sebességgel terjed tovább és a lemért időkülönbségek módot adtak neki arra, hogy a fény sebességét kiszámítsa.
A nyert szám nem volt nagyon eltérő a ma általánosan elfogadott 3·1010 cm/sec. értéktől.
A fény sebességének kifogástalan módszerrel és logikával való meghatározása a kor fizikusaira igen nagy hatást tett és Huygensben felébresztette a gondolatot, hogy a fény olyasféle jelenség, mint a hang. Minthogy azonban a fény az üresnek képzelt világtérből hatol hozzánk és a Földön mesterségesen előállított üres tereken is áthatol, azt kellett képzelni, hogy a világteret, a testeket és a mesterségesen előállított üres tereket is valamilyen közeg tölti ki, amelyben a fényrezgések úgy terjedhetnek, ahogyan a hangrezgések a levegőben. Ennek a feltételezett közegnek Huygens az éter nevet adta. A hullámszerű tovaterjedés megmagyarázására Huygens elméjében a róla elnevezett elv alakult ki. Ez az elv az emberi elme legélesebb és legnagyobbszerű meglátásai közé tartozik, mert vele a fény tovaterjedésének összes különlegességei: a visszaverődés, a törés, a fényelhajlás és fénytalálkozás tüneményei megmagyarázhatók. Belőle következik az is, hogy a fénynek például a vízben kisebb sebességgel kell terjednie, mint a levegőben.
Newton, noha Huygens elméletét kellően értékelte, vele egyidőben a korpuszkuláris fényelméletet állította fel, amely szerint a világító testek apró, súlytalan fényrészecskéket lövelnek ki magukból, amelyek minden irányban egye-
nes vonalban repülnek tovább. A tovaterjedés különlegességeinek megmagyarázására azonban nem tudott Huygenséhez hasonló egységes elvet alkotni. Ellenkezőleg: a különleges feltevéseknek egész sorozatát kellett kieszelnie, hogy a megfelelő magyarázat lehetséges legyen. A különböző színek megmagyarázására feltette, hogy a részecskék a színek szerint különböző nagyok, legnagyobbak a vörös színű és legkisebbek az ibolya színű részecskék. A visszaverődés és az áthatolás megmagyarázására feltette, hogy minden nagyságú részecskéből kétféle van, olyan, amely az új közeg határán visszaverődik, és olyan, amelyik áthatol. Az áthatolásnál létrejövő irányváltozás megmagyarázására felette, hogy az új közeg részecskéi a fényrészecskéket vonzzák. Minthogy a vörös részecskék nagyobbak, tétlenségük is nagyobb és így kisebb mértékben térnek el az eredeti iránytól, mint a kisebb ibolyarészecskék. De épen e vonzás folytán a részecskék sebességnagyobbodást kapnak és így pl. vízben nagyobb [!] sebességgel terjednek, mint a levegőben. Ezenkívül a fénysarkítás tüneményeinek megmagyarázására a fényrészecskéket újabb sajátsággal kellett felruháznia. A Newton-féle elmélet nem volt egyszerűnek mondható.
A fényjelenségek megmagyarázására tehát az ember gondolatvilágában egyidejűleg két mikrokozmosz gondolata küzdött egymással. Az egyik gondolat szerint az önvilágító testek fényatomokat lövelnek ki magukból minden irányban egyenesvonalban. A repülő fényatomok más testekről részben visszapattannak, részben azokba behatolnak és így a mindenségben az egyenesvonalban röpködő fényatomoknak óriási káosza keletkezik. A másik gondolat szerint önvilágító testek a mindenséget betöltő éterben rezgő mozgást indítanak meg, amely a rezgési centrumból gömhhullámok alakjában terjed tovább, más testeken visszaverődik és áthalad és így a mindenségben a rezgő mozgásoknak óriási káosza keletkezik.
A két versenyző fényelmélet között mindjárt kezdetben könnyű lett volna dönteni, ha valaki arra szánta volna el magát, hogy a fény sebességét vízben kísérletileg meghatározza. Azonban egyrészt azért, mert a kísérleti módszerek még nem voltak kifejlődve, másrészt azért, mert az
égitestek mozgásának kérdése foglalta el a tudósok érdeklődését, a döntő kísérlet elvégzése senkinek sem jutott eszébe.
Szövevényes volta dacára a versengésből Newton elmélete került ki győztesen, részben azért, mert fogalmai szemléletesebbek voltak Huygensénél, részben azért, mert a kor a természetet általában atomosnak, nem folytonosnak tette fel, legfőképen pedig azért, mert a fénysarkítás tüneinényeit, nehézkesen bár, de mégis meg tudta magyarázni, holott a Huygens-féle elméletnek ez nem sikerült. A hangjelenségekkel való analógia ugyanis szinte kényszerítő erővel azt a képzetet keltette, hogy a fényrezgés a tovaterjedés irányában történik és hogy az éterben épen olyan sűrűsödési és ritkulási hullámok keletkeznek, mint amilyenek a hang tovaterjedésénél a levegőben. Az ilyen hullámokkal pedig a fénysarkítási jelenségeket nem lehet megmagyarázni. Ismeretes, hogy hangsarkítási jelenségek nincsenek.
A 19. század elején a fényelhajlás és a fénytalálkozás tüneményeinek zavaró hatása immár tűrhetetlenné vált. Kellett valamilyen elméletről gondoskodni, amely ezt a zavaró hatást megmagyarázza és a kiküszöbölésére vonatkozó próbálkozásoknak vezérfonalul szolgálhat. A korpuszkuláris fényelmélet erre nem volt alkalmas, azért Young újból visszatért a hullámelmélethez és Huygens elve alapján e jelenségeket valóban könnyen meg is magyarázta. Fresnel azután felismerte, hogy a hullámelmélet azért nem tudja a sarkítási jelenségeket megmagyarázni, mert a fényrezgés irányát a tovaterjedés irányába esőnek veszi fel. Felismerte, hogy a nehézségek önmaguktól megoldódnak, ha feltesszük, hogy a fényrezgések a tovaterjedés irányára merőlegesek. Ezen az alapon rövid idő alatt egymást követő dolgozatokkal a hullámelméletet részletesen kidolgozta. A fizikusok felfigyeltek e dolgozatokra, eleinte szembe helyezkedtek velük, de azután a legjobb elmék fokozatosan, az elképzelhető eseteknek hosszú sorát vették vizsgálat alá és a kísérlet valamennyi esetben a legutolsó részletig igazolta az elmélet alapján végzett számításokat. Új tudomány, a kristály-optika keletkezett, amely az ásványtannak, a kémiának, sőt a gyakorlati életnek is kiváló szolgálatot tett. A sarkított fénynek elméleti előrelátás segítségével megteremtett gyönyörű tüneményei pedig a fizi-
kai kísérleti bemutatások sorozatát nagyon vonzó új tárggyal gyarapították.
A 19. század a fényhullámelmélet diadalainak szakadatlan sorozata lett. Úgy látszott, hogy ez az elmélet méltán állítható egy sorba az emberi elme másik nagy alkotásával, a gravitációs mechanikával. Nem is csodálkozott azon senki, hogy Fizeau a század közepén aránylag igen egyszerű kísérleti berendezéssel megmérhette a fény sebességét vízben és azt a hullámelmélet követelményével egyezően a levegőbeli sebesség annyiad részének találta, amennyi a víz törésmutatója. Még erősebb támpontokat kapott a fényhullámelmélet 1895-ben, amikor Wiener fényképező lemez segítségével álló fényhullámokat állított elő és a hullámhosszat valóságos anyagi objektumok segítségével rögzítette. Úgy látszott tehát, hogy a korpuszkuláris fényelmélet végleg megbukott és hogy a mindenséget kitöltő hullámzó éter végérvényesen bevonult a fizikai reálitások közé.
Egy kis baj azonban mégis támadt, utóbb ugyan elhárult, azonban a 20. század fizikájában mégis az étér katasztrófájához vezetett. A 19. század újabban sokszor lenézett mechanisztikus világfelfogásának köszönhető, hogy a mélyebben néző fizikusok kezdettől fogva látták e bajt. Bárminő rezgéseket ugyanis csak erő tarthat fenn. Egészen természetszerűleg keletkezett tehát a kérdés: minő erő az, amely az éterben a tovaterjedés irányára merőleges rezgéseket fenntartja? A rugalmassági elmélet szerint ilyen rezgéseket csak nyíró rugalmassági erők létesíthetnek, ezek pedig csak szilárd testekben vannak meg azért, mert ezek határozott alakkal bírnak. A folyékony és gáznemű testekben, amelyeknek nincs határozott alakjuk, csak a tovaterjedés irányába eső rezgések, vagyis csak sűrűsödési és ritkulási hullámok jöhetnek létre. A tapasztalattal jól megalapozott rugalmassági elmélet szerint tehát a mindenséget kitöltő éter csak szilárd állapotú lehet, ami teljes ellentétben állott az összes fizikai tapasztalatokkal.
A 19. század fizikájának egyik legkiválóbb képviselője és legátfogóbb elméje, Lord Kelvin egész életén át azon fáradozott, hogy a fizika e nagy ellenmondását eltüntesse és a fényt vivő hullámzó étert a tudomány számára megmentse.
Mélyen járó elméleti megfontolások mellett a mechanikai képeknek egész sorozatát gondolta ki, hogy az étert szerepére alkalmassá tegye. A kocsonyaszerű étert a szappanhabszerű éterrel próbálta összekapcsolni, majd azt a képzetet alkotta, hogy az éter a mindenség falaihoz tapad, hogy a világűrben mint összenyomhatatlan, a testek belsejében pedig mint összehúzódó folyadék viselkedik. Okoskodásainak sorozatában belevonta az időt is és a kísérletek egész sorozatával akarta igazolni, hogy az, amit mi szilárd testnek nevezünk, hosszú időkig tartó hatások alatt úgy viselkedik, mint folyadék. Így pl. a szurokpálca hirtelen támadt alakváltozáskor úgy rezeg, mint az acélpálca. Ha azonban vízre szuroklapot és erre ólomgolyót teszünk, akkor az utóbbi bizonyos idő mulva áthatol a szuroklapon, beleesik a vízbe, a szuroklap pedig eredeti alakjára húzódik vissza. A szurok tehát gyors alakváltozásnál úgy viselkedik, mint szilárd test, lassú alakváltozásnál pedig mint folyadék. Lord Kelvin agyában utolsó, semmi másra , vissza nem vezethető tényként állott meggyőződése, hogy az éter a mindenség legegyszerűbb teste, amelynek viselkedése érthető és világos, hogy ellenben minden más test szövevényesebb és homályosabb szerkezetű. Felfogásának azzal is kifejezést igyekezett adni, hogy a közönséges testek legkisebb részecskéit, az atomokat mint a mindenséget betöltő éternek örvénymozgását fogta fel. Ha az étert összenyomhatatlannak és súrlódásmentesnek képzeljük, akkor az egyszer keltett örvénymozgás örökké tart, tehát megsemmisíthetlen, összetörhetetlen, miként az atom.
A rejtély – legalább ideiglenesen – magától megoldódott, amikor Faraday megalkotta az elektromos és mágneses mező fogalmát. Hogy fogalmainak alapot adjon, azt a képzetet alkotta, hogy a mindenséget egy újfajta éter, az elektromágneses éter tölti ki és hogy az elektromos és mágneses mezők ennek az éternek különleges feszültségi állapotai. Maxwell megalkotta az elektromágneses éter alapegyenleteit, amelyek az elektromosságra és a mágnességre vonatkozó összes törvényeket magukban foglalják. Ezeknek alapján felállította a fény elektromágneses elméletét. Amikor azután Hertz 1884-től kezdve a kísérletek hosszú sorozatával megteremtette az elektromágneses hullámokat, megmutatta azoknak a
fény törvényei szerint való visszaverődését, törését, elhajlását, találkozását, sarkítását és kísérleti úton is megállapította hogy tovaterjedési sebességük egyezik a fény sebességével: az elektromágneses fényelmélet teljes diadalt aratott, a mechanikus alapon álló hullámelméletre többé szükség nem volt. Minden fizikus előtt nyilvánvalóvá vált, hogy a fényrezgéseket nem rugalmas, hanem elektromágneses erők tartják fenn. Eltűnt a nyomasztó érzés, amelyet a szilárd éter fogalmának megoldhatatlan rejtélye támasztott. Az elektromágneses rezgéseket továbbító éternek nem kell szilárdnak lennie, lehet bármilyen fínom, gázszerű anyag, csak elektromágneses tulajdonságai feleljenek meg az elektromágnesség törvényeinek. Magától megoldódott a kérdés is, hogy a fényrezgések miért merőlegesek a tovaterjedés irányára, mert hiszen nyilvánvaló volt, hogy a mágneses és elektromos térerősségek merőlegesek a tovaterjedés irányára és egyszersmind merőlegesek egymásra. Ezzel egyúttal megoldódott a kérdés is, hogy a fényrezgések a sarkítás síkjában vagy arra merőleges síkban folynak-e le, mert nyilvánvalóvá lett, hogy a fénysugárban két periodikusan változó vektor halad tovább a térben, amelyek közül az egyik a sarkítás síkjában fekszik, a másik rá merőleges.
A rendetlenségbe rend költözött. A tények, amelyek minden összefüggés nélkül állottak egymás mellett úgy, ahogyan a kísérletező ügyesség egymás után napvilágra hozta őket, összekapcsolódtak és egységes törvénynek hódoltak. A fizika két szorosan határolt részre, a hőtant is magába foglaló mechanikára és a fénytant is felölelő elektromágnességre vált szét. Az emberi szellem hosszú nehéz hadjáratot látszott befejezni.
A győzedelmi öröm azonban korai volt. Az emberi szellem – ez a kínos szent örökség – arra hajtotta a fizikusokat, hogy az elektromágneses rezgések hordozóját, az étert kézzelfoghatóvá tegyék. Ebbeli törekvéseikben a régi makrokozmikus világfelfogás alapfogalmaiban ellenmondásokra bukkantak, amelyeket a relativitás-elmélet új alapfogalmaival véltek megszüntethetőknek. Az új gondolatok az éter katasztrófájához vezettek, mert kitűnt, hogy az ellenmondások csak úgy szüntethetők meg, ha a világteret nem gondoljuk éterrel
megtöltöttnek. Még súlyosabb ellenmondások voltak azok, amelyek a fény keletkezésére és eltűnésére vonatkozó kutatásokkal kapcsolatban keletkeztek. Mindezideig ugyanis a fizikusok a fény mivoltára vonatkozó kutatásaikban főleg a fény tovaterjedése közben megismert tényeket vették tekintetbe, azt a kérdést azonban, hogy a fény miképen keletkezik és miképen tűnik el és az anyaggal minő kapcsolatban van, nem vetették fel. A korpuszkuláris elmélet alapján az volt a felfogás, hogy a világító testek folyton szórják ki magukból a fényatomokat, a hullámelmélet alapján pedig az, hogy a világító testek az étert olyan módon hozzák rezgésbe, miként a rezgő húr a levegőt, az elektromágneses elmélet alapján végül az, hogy a világító testből elektromos és mágneses rezgések indulnak ki, de egyik elmélet sem próbált szabatosabb fogalmakat alkotni arról, hogy e folyamatok miképen folynak le. Talán azért nem történt ez, mert a fizikusok e folyamatok lefolyására vonatkozó mechanikai képzeteket annyira egyszerűknek, világosoknak látták, hogy azok őket problémák felállítására nem ösztönözték. Lehetséges, hogy a kutatók a fény mivoltának a lényegét a tovaterjedésben látták és azért nem keresték keletkezésének és eltűnésének mibenlétét. Amikor azonban a 19. század végén az emberi szellem az új sugárfajtákat megteremtette, ezeknél éppen a keletkezés és az eltűnés jelenségei voltak egészen szokatlanok és minden eddigi tapasztalattól elütők. Az elméleti fizikának tehát egészen általánosan fel kellett vetnie a sugárzások keletkezésének és eltűnésének problémáját és a fény mivoltára vonatkozó felfogásokat kapcsolatba kellett hoznia az elektromosságra és az anyagra vonatkozó felfogásokkal.
4. Az elektromosság és az atom szerkezete.
Az elektromosság magyarázatára a 18. század első felében teremtődtek meg az első fogalmak: a szigetelő, a vezető, a pozitív és a negatív elektromos fluidumok fogalmai. Az első kettő a kísérleti tapasztalatokból absztrahálás és általánosítás induktív útján keletkezett, a két utóbbi pedig a filozófiai eredetű dinamikus világfelfogásnak volt a következ-
ménye. A közvetlen tapasztalatnak és az általános meggyőződéseken alapuló filozófikus világfelfogásnak ez az összekapcsolása igen szerencsésnek bizonyult, mert az egynemű elektromos részecskék taszítása, a különneműek vonzása, a vezetőben való szabad mozgásuk, mozgási szabadságuknak a szigetelő által történő korlátozása egyszerű, világos, áttekinthető és mégis nagy változatosságot megengedő mechanikai képeket nyujtott, amelyek a kutató vágyat nagy mértékben élesztették. Faraday a 19. század első felében ezekhez az elektromos és mágneses térerősségek fogalmát csatolta hozzá, amely szintén a kísérleti tapasztalatokból absztrahálás útján keletkezett. A fogalomalkotás szerencsés voltát az is bizonyítja, hogy az említett hat fogalom mai felfogásunkban is szerepel.
A szerencsés kezdet szerencsésen is folytatódott. Az elektromosságról szóló ismereteink a 18. százai közepétől kezdve hatalmas mértékben kezdtek fejlődni, amiben a szerencsésen megválasztott fogalmak nagy szerepet játszottak. Kísérleti tapasztalatokon alapuló absztrahálások és általánosítások révén, tehát tisztán induktív úton újabb és újabb fogalmak keletkeztek. Ha ma visszatekintünk e fejlődésre, úgy tűnik fel, mintha az elektromosság atomjának behozatalára már a mult század harmincas éveiben, az elektrolitikus törvények megállapításának idejében meg lett volna az alkalom. Mert ahogyan az állandó és a többszörös súlyviszonyok tapasztalati törvényei az anyag, ugyanúgy Faraday elektrolitikus törvényei az elektromosság atomos összetételének fogalmához vezethettek volna el. Nem szabad azonban felednünk, hogy az atom ebben a korban a kémiai folyamat leírásához szükséges segédfogalom volt csupán, amelynek számbelileg a jelenségekhez más kapcsolata nem volt, mint az, amely az egyszeres és többszörös súlyviszonyokban rejlett. Az atom tehát inkább szimbólum volt, mint mérhető fizikai mennyiség. Ez a felfogás a 19. század egész folyama alatt sem változott meg lényegesen, csak a hőelmélet volt az, amely a 19. század második felében az anyag bonthatatlan legkisebb részét a jelenségekkel közvetlen számbeli kapcsolatba tudta hozni. A tapasztalati alapon álló Faraday-nek tehát nagyon alapos oka volt ahhoz, hogy az elektromos legkisebb egységekre vonatkozó spekulá-
cióktól magát távol tartsa. De ugyanezt a magatartást írta számára elő az elektromos erőmezőkre vonatkozó felfogása is, amely szerint az elektromos jelenségek lényeges része nem is a vezető, hanem a környező szigetelő testekben folyik le. Faraday tehát, noha felfogása a szabadon mozgó elektromos részecskék gondolatával nem ellenkezett, e hipotézis kiépítésére nem vállalkozhatott.
Felfogását leghatározottabban egy másik körülmény szabta meg. Az energia megmaradásának elve a 19. század első felében ugyan még nem volt tudatosan felállított igazság, de e korszak minden egyes kutató elméje tudat alatt ösztönösen érezte annak igazságát. Ez érzés alapján az elektrolitikus folyamatnál éppen az volt a legzavaróbb, hogy nem lehetett képzeteket alkotni arról, miképen lehetséges az, hogy az aránylag nagyon gyenge elektromos erők képesek anyagokat elemeikre szétszakítani. A kutatók szinte ösztönösen érezték, hogy ehhez nagy erők és nagy munkavégzések volnának szükségesek, azoknak forrását azonban hiába keresték. A kísérleteknek megszámlálhatatlan sokasága végeztetett oly célból, hogy az anyagfelbontás mikéntje kimutatható legyen. De csak a 19. század második felében, főleg Clausius, Arrhenius, Helmholtz és Van t'Hoff munkássága alapján alakult ki a disszociáció folyamatának fogalma, amely szerint nem az elektromos erő szakítja szét a vegyületeket, hanem a szétszakított állapot az elektrolítben kezdettől fogva készen van. A szétszakítás tulajdonképen akkor történik, amikor a vegyület az oldószerben (pl. a konyhasó a vízben) feloldódik, vagy amikor a vegyület megolvad. Az elektrolít tehát nem stabil alakzat, hanem olyasféle dinamikus jelenség, amilyen a zárt térben elhelyezett gáz, amelynek molekula-részei folytonosan ide-oda röpködnek és összeütköznek. Van t'Hoff számos elméleti és kísérleti vizsgálattal igazolta is, hogy az oldószerben lévő pozitív és negatív töltésű iónok tökéletesen olyan törvényszerűségeket mutatnak, mint a gázok. Az elektromótoros erőnek az elektródokra való rácsatolása tehát nem szétszakítási, hanem csak vándorlási folyamatot indít meg. A pozitív iónok a katód, a negatívok az anód felé vándorolnak, miközben természetesen ismételten molekulává egyesülnek és újból szétválnak. Az elektrolízisnél az elektromótoros erőknek
csupán csak a mozgást akadályozó, aránylag csekély súrlódást kell legyőzniök.
A fejlődés szempontjából következőképen áll tehát a kérdés: a 19. század elején Faraday elektrolitikus törvényeiben ugyan megvolt az elvi alap arra, hogy az elektromos töltések bonthatatlan elemi elektromos atomokból összetetteknek tekintessenek, azonban az akkori világfelfogás és ismeretek szerint ezt még csak mint általános filozófikus posztulátumot lehetett volna felállítani, de a jelenségekkel számbeli kapcsolatba hozni nem lehetett volna. A 19. század első felében az elektromosság atomisztikus elméletének kora még nem érkezett el. Csak az energia megmaradása elvének rögzítése, a kinetikus hőelmélet kiépítése, a tapasztalattal való egyezés tűzpróbájának megállása után, amikor a tudós fizikusok szellemi világában kialakult a felfogás, hogy az anyag bonthatatlan részeinek mikrokozmosza nem puszta szimbólum, hanem a jelenségekkel számbeli kapcsolatba hozható fogalmi világ: érkezett el a korszak, amelyben az elektromosság mikrokozmoszának kiépítésére lehetett gondolni. A helyzetet a széles látókörű Helmholtz ismerte fel először a 19. század 80-as éveiben. Szellemi világában tehát kialakult a gondolat, hogy az elektromos töltések bonthatatlan elemi részecskékből vannak összetéve és hogy az elektrolízisben szereplő ión-töltések ezeknek többszörösei. Minthogy az egy vegyértékű hidrogén a legkisebb sűrűségű gáz, nyilvánvaló volt, hogy az elemi elektromos részecske a hidrogén atommal van kapcsolva. Minthogy továbbá az elektrolízisben szereplő hidrogén töltésének és tömegének aránya, vagyis egy gramm hidrogéngáz elektromos töltésének mennyisége a mérések szerint 96.500 coulombot tesz ki, nyilvánvaló volt, hogy az elektromosság elemi részecskéjének töltését úgy lehet kiszámítani, ha a 96,500 coulombot annyi részre osztjuk, ahány atom van egy gramm hidrogénben. A kinetikus gázelmélet szerint 0 fok és 760 mm higanyoszlop nyomása mellett 1 gramm hidrogen 11.200 cm3 térfogatú és minden köbcentiméterében 27 trillió molekula van, vagyis egy gramm hidrogén mintegy 300.000 trillió molekulát tartalmaz. Minthogy továbbá minden egyes hidrogénmolekulában két külön hidrogénatom van egyesítve, a hidrogén minden grammjában 600.000 trillió
atomnak és ugyanannyi elemi elektromos részecskének kell jelen lennie. Az egyes elemi részecskék töltésmennyiségét tehát megkapjuk, ha a 96.500 coulombot 600.000 trillióval elosztjuk. Így jutunk a 0.16·10–18 coulombbal vagy a 4.77·10–10 elektrosztatikai egységgel (*) egyenlő elektromos mennyiséghez, amely az elemi elektromos részecskék töltésmenynyiségét fejezi ki.
Az elemi elektromos részecskéknek ez a meghatározása még mindig a filozófia körében mozgott, mert a nyers számadatot lehetett hinni és nem hinni egyaránt. Egyelőre semmiféle út sem volt látható, amelyen járva valóságáról meg lehetett volna győződni. Az új felfogásnak mégis az volt a hatása, hogy a kutatók figyelmét az elektromos kisülés és a gázokban való elektromos vezetés jelenségeire terelte. Az elektrotechnikának hatalmas fejlődése lehetővé tette ezeknek tág határok közötti megvizsgálását. Miként a sugárzásokról szóló fejezetben leírtuk, a 19. század utolsó évtizedében az emberi szellem közvetlen tapasztalat és kísérletezés útján feltalálta és megismerte a katód-, pozitív, röntgen- és radioaktív sugarakat. E sokféle sugár megismerésének természetes folyománya az volt, hogy a kutatók a sugárzás problemáját széles körű elméleti és kísérleti vizsgálat tárgyává tették. Az új kísérleti tények és az elméleti megfontolások a kutatókat újból és újból megerősítették abbeli felfogásukban, hogy ezekben a sugarakban az elektromosság oszthatatlan elemi részecskéinek nagy sebességű mozgása nyilvánul meg.
A katódsugaraknak az elektromos és mágneses terek által létrehozott kitéréséből a dinamika elvei szerint aránylag igen egyszerű módon meg lehetett határozni a részecskék sebességét, továbbá töltésüknek és tömegüknek arányát. A sebesség számára kapott számértékek nagyon különbözők voltak és attól függtek, mekkora volt az elektródokra csatolt elektromótoros erő. Ha ez elegendő nagy volt, a fény sebességéhez közel eső értéket is elérték. Azonban akármilyen nagy volt az elektromótoros erő, soha a fény sebességével egyenlő vagy annál nagyobb érték nem adódott. A nevezetes mar most az volt, hogy töltésüknek és tömegüknek aránya vagyis az egy grammnyi tömegegységre eső töltés mennyisége szamára mindig ugyanaz az érték, 178 millió coulomb adódott.
(*) Itt a töltés CGS-egységéről van szó, melynek neve franklin. [NF]
A katódsugarakat alkotó tömeg egy grammja tehát ennyi negatív töltést tartalmazna, ha belőle ekkora mennyiséget valami módon sikerülne elkülönítve előállítani. Hogy itt tényleg valami alapvetően új dolog jelentkezett, mutatta az, hogy ugyanez a szám adódott, akármi volt a ritkított térben lévő gáz, akármilyen fémből készültek az elektródok és akármekkora elektromótoros erő működött a két elektród között. Ez a szám 1845-ször nagyobb, mint 96.500 coulomb, amely töltésmennyiség, miként tudjuk, az egy gramm hidrogénhez kapcsolt elektromos töltés nagyságát mutatja. Kétféle értelmezés lehetősége állott fenn. Az egyik szerint a katódsugarakban szereplő elemi részecskéknek 1850-szer nagyobb a töltésük, mint amekkora az elektrolitikus hidrogéniónoké, ez esetben tömegük egyenlő a hidrogénatom tömegével. A másik szerint a katódsugarakat alkotó részecskék elektromos töltése ugyanaz, mint az elektrolitikus hidrogéniónoké, ez esetben azonban tömegük 1845-ször kisebb mint a hidrogénatom tömege. Nem csak általános filozófikus, hanem a jelenségek egész sorával kapcsolatos megfontolások az utóbbi választást ajánlották.
Ilyen úton jutott el a tudomány annak a megállapításához, hogy a katódsugarakban szereplő részecskék az elektrolízisben is szereplő negatív elemi töltésegységgel vagyis 4.77·10–10 elektrosztatikai egységgel vannak töltve, tömegük pedig 1845-ször kisebb mint a hidrogénatom tömege. A részecskék az elektron nevet kapták. A katódsugarakat tehát a mikrokozmosz egy újfajta egysége, az elektron hozza létre, amely a katódot alkotó fém alkatrésze. Minthogy a katód bármilyen fém lehet, tehát az elektron minden fémnek egyik alkatrésze, sőt miként a későbbi kísérletek és megfontolások mutatták, az elektront mindenfajta atom egyik alkatrészének kellett tekinteni. Rendes körülmények között az elektron az atomhoz van kötve, ha azonban ez utóbbi kivételes körülmények közé jut, amilyen például előáll, ha megfelelő nagyságú elektromótoros erő működésének hatása alatt nagy sebességű iónok kalapálják a fémet, vagy ha nagy energiájú fényforrások, különösen pedig ha röntgen-sugarak paskolják a fémet, vagy ha izzás alkalmával a fémmolekulák nagy sebességgel rezegnek, akkor az elektronok kiszakadnak a fémből és a je-
lenlevő elektromótoros erő hatása alatt nagy sebességgel repülnek tovább a térben.
A fizikusok úgy érezték, hogy az elektronban megtalálták a negatív elektromosságnak utolsó, tovább nem bontható egységét. A gondolat nagy ösztönző erővel bírt, amely a kísérletező ügyességgel rendelkező fizikusokat a legkülönbözőbb útakon hajtotta az elektron rejtekhelyei felé. Valóban sok helyen meg is találták azt. Mindenekelőtt a Zeemann-féle effektus révén az izzó gázokban, amelyek erős mágneses térben az egyszínű fény helyett két, három sőt több különböző fényt bocsátanak ki. Lorenz megmutatta, hogy a színfelbomlást csak úgy lehet megmagyarázni, ha föltesszük, hogy az izzó gázban elektronok keringenek, amelyeknek pályája a mágneses térben megváltozik. A változás nagyságából a töltés és a tömeg közötti arány számára ugyanaz a szám adódott, mint a katódsugaraknál. Megtalálták az elektront a fényelektromos jelenségnél is, amely akkor áll elő, ha frissen csiszolt fémlapra fény esik, amikor is a fémlap pozitív töltést, a szomszédságában lévő testek pedig negatív töltést kapnak.
Itt is kitűnt, hogy a fémlapról lepattanó elektronok töltésének és tömegének aránya ugyanaz mint a katódsugaraknál. Kitűnt továbbá, hogy az izzó testekről is pattannak le elektronok és hogy a szóban forgó arányszám itt is ugyanaz.
A pozitív töltésű elemi részecskét mint különálló egyedet azonban sokáig nem sikerült megtalálni. Igen sokan vizsgálták a pozitív sugarakat, amelyek ugyancsak ritkított gázt tartalmazó terekben keletkeznek és az anódról indul nak ki. A töltés és a tömeg aránya itt nem volt ugyanaz mint a katódsugaraknál, a hidrogéngáz esetében egyezett az elektrolízisben szereplő hidrogén arányszámával, más gázokban pedig olyan értékek adódtak, amelyek az illető gázoknak elektrolitikus számadataival egyeztek. Nyilvánvaló volt tehát, hogy a pozitív sugarak alkatrészei közönséges atomok, amelyek ugyanakkora pozitív elemi töltéssel vannak megtöltve, amekkora az elektronnak negatív elemi töltése. Ez az eredmény újból igazolta a felfogást, hogy az elektronoknak kivételes szerepük van az atom felépítésében és hogy az összes elektromos jelenségek lényege éppen abban van, hogy az elektron az anyagtól könnyen elválasztható, a pozitív elemi töltés azonban nem.
Az utóbbi keresésének, illetőleg az anyagtól való elválasztásának problémája azóta sem szűnt meg. Úgy látszik, hogy a legutóbbi esztendőben a megoldás sikerült. Egyes kutatók olyan sugarakat vettek észre, amelyeket az elektronnal egyenlő méretű, de pozitív elemi töltést hordó részecskék hoznak létre. Ezek a pozitív elektronok felfedezőiktől a "pozitron" nevet kapták.
A katódsugarakkal kapcsolatban felfedezett röntgen-sugarak és a radioaktív sugárzások a kísérletezők kezében hatalmas hatásképességű iónizátorokká váltak és így segítségükkel a gázok vezetése nagy számú vizsgálattal volt kikutatható. Felismertetett, hogy a gáziónok vízgőzös túlhűtött térben a cseppképződés magjaivá válnak. Minden egyes iónra és pedig a pozitív és a negatív iónokra más és más körülmények között vízcseppek rakódnak rá, tehát kellő megvilágítással láthatókká, fényképezhetőkké válnak, a cseppeket meg is lehet számlálni és a lecsapódott víz súlyából is lehet az iónok számát meghatározni. Ilyen úton sikerült igazolni, hogy az ióntöltések valóban az elemi töltés többszörösei. Ezek a vizsgálatok is ugyanazokhoz a számokhoz vezettek, mint a katódsugarak. Sőt sikerült mikroszkópban látható nagyobb kiterjedésű cseppeket is töltéssel látni el és az elektrosztatikai térben létrejövő mozgásukból a legnagyobb pontossággal lehetett az elemi töltéseket meghatározni.
Az új sugarakra vonatkozó nagy számú vizsgálatok alkalmával többen próbáltak az atomról képet alkotni. Rövid ideig általánosan ismeretes volt J. J. Thomson atommintája. E kiváló kutató az atomot gömbalakú ködtömegnek képzelte, amelybe elektronok vannak beágyazva. Maga a ködtömeg mindig annyi pozitív elemi töltéssel van ellátva, amennyi elektron van belsejében úgy, hogy kifelé mindig neutrális. De megtörténhetik, hogy az atom külső hatások következtében elektronokat veszít, amivel tömege lényegesen nem csökken, ebben az esetben az atom kifelé pozitív töltésű iónná válik. Egy, két vagy több elektronnal többet is tartalmazhat, mint amennyi a közömbösítéshez szükséges, amiáltal tömege szintén nem változik észrevehetően, ekkor kifelé negatív töltésű iónná válik. A pozitív és negatív iónok között működő elektromos vonzás azokat molekulává egyesítheti, a kémiai aktivitás te-
hát elektromos erők működésének az eredménye. Gázokban és elektrolítekben az elektromos áram a pozitív és negatív iónok ellenkező irányú, fémes vezetőkben az elektronok egyirányú vándorlásából áll.
A J. J. Thomson-féle szemléletes atomminta a jelenségek összefoglalásában és új kísérleti kutatások megtervezésében jó szolgálatot tett. De megváltozott a helyzet, amikor a radioaktív sugárzások lényege felismertetett. Nyilvánvalóvá lett, hogy az új megismeréseknek a Thomson-féle atomminta nem tud megfelelni. Amikor az alfasugarak héliumatomoknak bizonyultak és kitűnt, hogy a radioaktív sugarak kilökésénél az anyaelemből különböző tulajdonságú új elemek keletkeznek, szinte kényszerítő erővel kialakult az atombomlás gondolata. Ez pedig ugyancsak kényszerítő erővel felébresztette a felfogást, amely szerint a különböző elemek atomjai azonos részekből vannak felépítve. Az emberi szellemnek ez az ősrégi gondolata, amely görög természetfilozófusokon kezdve Arisztoteleszen, Descartes-on keresztül a 19. század elején élő Prout-ig folyton kísértett, a radioaktív sugárzásokban tapasztalati alapot látszott kapni.
Ugyanezt a gondolatot gyökereztette meg az elemek periodikus táblázata is, amelyet Lothar Meyer és Mendelejeff egymástól függetlenül 1869-ben állított fel. Feltűnt ugyanis nekik, hogy az egyes elemek különböző atomsúlyaik dacára hasonló fizikai és kémiai tulajdonságokat mutatnak. Amikor tehát az elemeket atomsúlyaik sorrendjében felsorolták, a tulajdonságok a kezdő helyen lévő hidrogéntől bizonyos távolságra periodikusan ismétlődtek, aminek következtében az elemeket oszlopokba lehetett sorolni úgy, hogy egy-egy oszlopba a hasonló tulajdonságú elemek kerültek. A gondolat nagyon termékenynek bizonyúlt, mert a táblázatokban egyes helyek üresek maradtak, amit csak úgy lehetett megmagyarázni, hogy az illető helynek megfelelő elemek még nincsenek felfedezve. Az üresen maradt helynek sorrendi elhelyezése azonban előre megjelölte a hiányzó elemek tulajdonságait és felfedezésükre megadta az útmutatást. Ezen az úton valóban sikerült is több hiányzó elemet felfedezni.
Amikor tehát Rutherford és Soddy az atombomlásnak megfelelő új atommintának megszerkesztésén gondolkod-
tak, mindenekelőtt az elemek periodikus táblázatával is megokolt az a régi gondolat lebegett a szemük előtt, hogy valamennyi atom ugyanazokból az alkatrészekből van felépítve. Az egyik alkatrész bizonyára az elektron, a másik alkatrész talán a hidrogén. A régi gondolatokhoz csatlakoztak az új megismerések. A fénykibocsátási, a vegyi és a radioaktív folyamatok egyformán arra mutattak, hogy az atomban belső és külső részeket kell megkülönböztetni. A fénykibocsátás és a vegyi folyamatok előidézése már a régi atommintában is az elektronnak volt a feladata. Minthogy e folyamatok gyakran, könnyen és kis energiaváltozásokkal jönnek létre, azért az elektronokat az új atommintában a külső részbe kellett elhelyezni. E megfontolások tehát azt mutatták, hogy az atomnak pozitív töltésű belső részből, az úgynevezett atommagból vagy nukleusból és külső elektronokból kell állnia.
A legfontosabb kérdés az volt, milyen fajta tömegekből legyen összetéve az atommag? A radioaktív sugárzások és a velük együtt járó atombomlások nagy energiaváltozásokkal vannak összekapcsolva, ezeket tehát az atommag feladatává kellett megtenni. Minthogy pedig e folyamatoknál pozitív töltésű alfasugarak és negatív töltésű elektronok lövelődnek ki, az atommagot pozitív töltésű tömegrészekből és elektronokból kellett összetettnek gondolni.
A Prout-féle gondolatot, amely szerint az elemek hidrogénből vannak felépítve, nemcsak az elemek periodikus táblázatának alapjául szolgáló tapasztalatok, hanem újabb kísérletek is megerősítették. A radioaktív átalakulásoknál nyert rádiumemanáció és thoriumemanáció a különböző atomsúlyok dacára azonos kémiai tulajdonságokat mutatott. Ugyanez volt az eset az uránólommal és a thóriumólommal. Az ilyen elemek az "izotóp" nevet kapták, mert azonos tulajdonságaik alapján a periodikus táblázatban Ugyanarra a helyre kerültek. Ha össze vannak keverve, közönségesen ismert fizikai és kémiai módszerekkel szét nem választhatók. J. J. Thomson azonban megmutatta, hogy izotóp gázok keveréke alkatrészeire válik szét, ha pozitív sugarak alakjában megfelelő elektromos és mágneses terekben mozog. Ez a módszer hatalmas hatásképességű tömegspektroszkóp megalkotását tette lehetővé, amellyel az atomsúlyokat a legnagyobb pontossággal lehet meghatá-
rozni. Segítségével főleg Dempster és Aston az összes elemeket végigvizsgálta és arra az eredményre jutott, hogy az elemek jelentékeny része izotóp elemek keveréke. A neon például a 20 és 22 atomsúlyú elemeknek olyan arányú keveréke, amely a közönséges neon 20.2 atomsúlyának megfelel. Az ilyen irányú vizsgálatok évről-évre nagyobb jelentőséget nyertek. A legutóbbi évben a hidrogénnek 2 atomsúlyú és az oxigénnek 18 atomsúlyú izotópjait sikerült felismerni. A 2 atomsúlyú hidrogén a deuteron nevet kapta. Belőlük olyan vizet sikerült előállítani, amelynek sűrűsége 10–12 százalékkal nagyobb, mint a közönséges vízé, tulajdonságai pedig a legnagyobb mértékben eltérnek a közönséges víz tulajdonságaitól.
A tömegspektroszkóp segítségével végzett kutatásoknak legnevezetesebb eredménye az, hogy valamennyi elem atomsúlya egész szám, ha a közönséges oxigén atomsúlya 16. Csupán csak a közönséges hidrogén tesz kivételt, mert atomsúlya 1.0078. Úgy látszott tehát, hogy a tömegspektroszkóppal végzett vizsgálatok a Prout-féle gondolatot megdöntötték, mert a különböző elemek atomjait nem lehet egészszámú hidrogénatomokból felépíteni. Rutherford azonban az elemek periodikus táblázatához fűződő általános tapasztalatokat és a tömegspektroszkóppal nyert kutatások eredményeit oly fontosaknak tartotta, hogy a Prout-féle gondolatot megtartotta és a hidrogén atomsúlyának tört részét külön hipotézissel magyarázta. Tehát minden anyag ősalkatrészének a hidrogénatom pozitív elemi töltéssel ellátott tömegrészét tette meg és ezt protonnak nevezte el. Föltette továbbá, hogy minden elem atommagjában annyi proton van, amennyit atomsúlya mutat és hogy ezenkívül bizonyos számú elektront is tartalmaz, amelyeknek számát más gondolatsorozatokkal állapította meg. Megalkotta továbbá a hipotézist, amely szerint a proton tömegének az a törtrésze, amely az 1-en túl a hidrogén atomsúlyában (0.0078) szerepel, sugárzássá alakult át akkor, amikor az atom protonokból és elektronokból képződött.
Az elektronok számának meghatározásában különböző tapasztalatok szolgáltak irányadóúl. Az a tény, hogy a bétasugarak kibocsátásánál olyan új elem keletkezik, amelynek atomsúlya egyezik az anyaelem atomsúlyával, fizikai és kémiai tulajdonságai mégis különbözők, azt mutatta, hogy
az elem tulajdonságait nem is atomsúlya, hanem az elektromos elemi töltések határozzák meg. Még erősebbé vált e meggyőződés Moseley kutatásai által, amelyekből kitűnt, hogy a különböző elemektől kibocsátott röntgen-sugarak rezgésszámát bizonyos állandók és az elem rendszáma határozza meg. Ez utóbbi egyszerűen azt a számot jelenti, amely az elemnek a periodikus táblázatban való helyét mutatja. Például a hidrogén rendszáma 1, a héliumé 2, széné 6, oxigéné 8, rézé 29, ezüsté 47, aranyé 79, higanyé 80, rádiumé 88, uráné 92. Minthogy pedig a tapasztalatok kezdettől fogva azzal a felfogással magyaráztattak, hogy a különböző fényfajtákat az elektron hozza létre, a legegyszerűbb volt feltenni, hogy az atom külső részében annyi elektron van, amennyi az illető elem rendszáma. A hidrogén atom részére tehát 1, a hélium részére 2, a szén részére 6 és így tovább külső elektront kellett feltenni. Minthogy továbbá az atommagban lévő protonok száma egyezik az atomsúllyal, amely szám körülbelül kétszer akkora, mint az elem rendszáma, azért az atommag annyi pozitív elemi töltést hordana, amennyit az atomsúly mutat. Hogy tehát az atom kifelé neutrális maradhasson, az atommagba annyi elektront kellett elhelyezni, amennyi az atomsúlynak és a rendszámnak a különbsége. Az új atommintában tehát a külső [atommagon kívüli] elektronok száma az elem rendszámával, az atommagban lévő protonok száma az atomsúllyal, az ugyanitt lévő belső elektronok száma az atomsúly és a rendszám különbségével tétetett egyenlővé.
Rutherford az atommag méreteire vonatkozólag is igyekezett támpontokat szerezni. Evégből gázokba alfasugarakat lövelt és útjukat a ködmódszerrel fényképezte. A nyert nagyszámú fényképben talált olyanokat, amelyek alfarészecskéknek gázrészecskékkel való ütközését mutatták. Ezekből arra következtetett, hogy az atommag mérete igen kicsiny, csak 10–12 cm rendű, úgy hogy az atomnak a kinetikus hőelmélet alapján meghatározott 10–8 cm rendű mérete tulajdonképen igen nagy a benne lévő atommag méreteihez képest. Vagyis, hogy az, amit atomnak nevezünk, tulajdonképen legnagyobbrészt üres tér. E kísérleteivel egyszersmind igazolni tudta, hogy az atommag és az alfasugárrészecskék közötti erő-
hatás valóban Coulomb törvénye szerint megy végbe és hogy az atommag töltése valóban a rendszámmal egyenlő.
Nyilvánvaló volt végül, hogy a külső elektronok nem lehetnek nyugvó állapotban, mert akkor az atommagba kellene hullaniok. Hogy ez meg ne történhessék, fel kellett tenni, hogy az elektronok az atommag körül keringenek. Így kapta meg végső alakját a Rutherford-féle atomminta. A Thomson-féle gömbalakú pozitív töltésű ködtömegből, amelybe elektronok vannak beágyazva, naprendszer lett, középen az atom-mag-Nappal és a körülötte keringő elektronbolygókkal.
Az új konstruktív alkotás azonban oly tulajdonságokkal volt felruházva, amelyek életét lehetetlenné tették. A külső elektronoknak keringeniök kellett, mert különben az atommagba hullanának. A keringés pedig a mechanika mindig bevált tapasztalati törvényei szerint gyorsulással van összekapcsolva, amelynek iránya periodikusan változik. Ennek folytán az atom elektromágneses erőterének is periodikusan változnia kell. Az erőtér periodikus változásainak viszont Maxwellnek ugyancsak a tapasztalat alapján álló és mindig bevált törvényei szerint a környező térben a fény sebességével kell tovább terjedniök és ott elektromágneses hullámokat vagyis fényt kell létrehozniok, amelynek rezgésszáma az elektron keringési számával egyezik. Az energia megmaradásának elve szerint a kibocsátott sugárzási energia fejében az elektron sebességének folyton csökkennie kell, aminek folytán az elektronnak bele kell esnie az atommagba. Az elektron keringése tehát ugyanahhoz az eredményhez vezetett, amelyet Rutherford a keringéssel el akart kerülni. Kitűnt tehát, hogy vagy az atomminta nem helyes, vagy a mechanika törvényei nem alkalmazhatók, vagy az energia megmaradásának elve nem érvényes.
A konstruktiv emberi észnek tehát új atomvilágok alkotására kellett áttérnie, amelyekben a sugárzás az atom összeomlása nélkül lehetséges. Olyan atommintát kellett keresni, amely amellett, hogy az anyag vegyi és elektromágneses jelenségeiről számot ád, a sugárzás keletkezésének és elnyelésének megmagyarázására is alkalmas.
292
5. A kvantumszerűleg sugárzó atom.
A fény keletkezésére és eltűnésére vonatkozó kérdéseket a világító technika gyakorlati problémái vetették fel. Már a 18. században ismeretes volt, hogy a gyakorlati életben előforduló anyagok közül a korom nyeli el a legnagyobb mértékben a fényt. A 19. század első felében az is ismeretessé vált, hogy ugyanez a test egyszersmind igen kedvezően sugároz. A 19. század második felének első évtizedében Kirchhoff gondolatvilágában alakult ki az abszolút fekete testnek mint olyan testnek a fogalma, amely minden reá eső fényt tökéletesen elnyel, vagyis tökéletesen hőmozgássá alakít át. A Kirchhoff-féle tétel értelmében ennek a testnek egyszersmind a legtökéletesebb sugárzó képességgel ís kell bírnia. A továbbhaladás lehetőségének szempontjából nagyon fontos volt e felismerés, mert a gyakorlati életben előforduló sok fajta sugárzó testeknek össze nem hasonlítható különböző állapotai nagyon zavarták a kutatásokat. Az abszolút fekete testnek, mint a legtökéletesebb sugárzó képességű testnek fogalma legalább elméletileg megadta azt az alapot, amelyhez minden sugárzást hasonlítani lehetett. Kirchhoff tudta, hogy sem a korom, sem más, a gyakorlatban előforduló test nem igazi fekete test, mert a rá eső fényt egyik sem nyeli el teljesen, ennélfogva legtökéletesebb sugárzó test sem lehet. Azonban már ő is felismerte, hogy a mindenfelől zárt üreg úgy tekinthető mint abszolút fekete test, mert a benne gerjesztett sugárzás sokszoros visszaverődés után az üregben marad, feltéve, hogy az üreg falai az energiát át nem eresztik. Az ilyen üregen vágott kis nyíláson át tehát az abszolút fekete testnek sugárzása kísérletileg megvizsgálható.
A 19. század második felében a világító technika szempontjából nagyon sürgőssé vált a következő kérdéseknek a megoldása: miképen kell a világító testeket megszerkeszteni, hogy lehetőleg sok látható és lehetőleg kevés láthatatlan fényt bocsássanak ki magukból? miképen függ a kisugárzott energia az izzó test hőmérsékletétől? adott hőmérsékletnél melyik sugárfaj jön ki a testből a legnagyobb energiával? A kérdésekre feleletet csak az abszolút fekete test sugárzásának megvizsgálásával lehetett nyerni.
Ezen az úton sokan végeztek vizsgálatokat. Közöttük Stefan 1879-ben megállapította, hogy az abszolút fekete test sugárzó képessége, vagyis a másodpercenként és cm2-ként kibocsátott összes sugárzó energia az abszolút hőmérséklet negyedik hatványával arányos. Ugyanezt a törvényt Boltzmann az elektromágneses fényelmélet alapján le is tudta vezetni és azert a tudományban Stefan–Boltzmann-féle törvény név alatt szerepel. Wien azután 1893-ban a kísérleti adatokból bizonyos megfontolások alapján a róla elnevezett eltolódási törvényt állapította meg, amely szerint a legnagyobb energiával kisugárzott sugárfaj rezgésszáma arányos (hullámhosszúsága fordítva arányos) az abszolút hőmérséklettel, ami azt jelenti, hogy a hőmérséklet emelkedésével a legnagyobb energiájú sugárfaj az ibolya felé tolódik el.
A Stefan–Boltzmann és a Wien-féle törvényeknek a tapasztalattal való megegyezését számos kutató igazolta. A berlini Reichsanstalt évek során át a kísérleti úton nyert sugárzási görbéknek nagy sokaságát gyüjtötte össze. Valamennyi igazolta az említett törvények érvényességét. A felvetett kérdések tehát gyakorlati szempontból megoldódtak, a gyakorlati életbe kikerült különböző világító testek e kísérleti eredmények alapján találtattak fel. De nem volt megoldva a kérdés elméleti szempontból, mert nem volt olyan sugárzási formula, amely a kísérleti kutatásoknak táblázatokba és sugárzási görbékbe foglalt eredményeit kiszámíthatóvá tette volna. A legjobb elmék fáradoztak a sugárzási formulának a levezetésévei, de próbálkozásaik kudarccal jártak.
A gázoktól kibocsátott vonalas színképeket is számos kutató vizsgálta. A kísérleti eredmények itt is táblázatokba foglaltattak össze, amelyek az egyes gázokból kibocsátott különböző sugárfajoknak rezgésszámait vagy hullámhosszúságait tartalmazták. Az eredmények nem elégítették ki a mélyebb kapcsolatok után vágyakozó fizikusokat. Szerették volna annak okát kitalálni, hogy az egyes gázok hogyan és miért bocsátják ki éppen azokat a sugárfajokat, amelyek a színképben mutatkoznak. Azt sejtették, hogy egy-egy gáz jellemző sugárfajai között összefüggések állanak fenn, amelyek az anyag többi tulajdonságaival is összefüggnek.
, A kutatók lelkében élő sejdítéseket Balmer, svájci kö-
zépiskolai tanár váltotta valóra 1885-ben. Azt találta, hogy a hidrogén látható színképében jelentkező sugárfajták rezgésszámai között a következő összefüggés áll fenn:
ν = R (
1
m2
–
1
n2
) Ebben a képletben ν a rezgésszámot, R a Rydberg-féle állandót jelenti, m helyébe 2, n helyébe pedig 3-tól kezdve az egymás után következő egész számokat kell helyettesíteni.
A Balmer-féle törvény ismeretelméleti szempontból rendkívül nevezetes. A tapasztalat összefoglalásából eredő fizikai törvények ugyanis mindig közelítő jellegűek szoktak lenni. A Balmer-féle törvény azonban szinte abszolút pontos törvénynek bizonyult, mert a tényleg végrehajtott spektroszkópikus mérések, amelyek a fizika legnagyobb pontossággal végezhető mérései közé tartoznak, mindezideig vele pontosan egyező eredményre vezettek. Feltünő továbbá, hogy az anyag által kibocsátott sugárfajták rezgésszámait az egymásután következő egész számok határozzák meg. Eleinte ez csak furcsaságnak, különösségnek, esetlegességnek tűnt fel, azonban a 19. század utolsó évtizedében kezdett kialakulni a felfogás, hogy a természet minden olyan esetben, amikor egész számok sorával beszél hozzánk, legmélyebben fekvő titkát árulja el. Kezdett kialakulni a felfogás, hogy a Balmer-féle képlet hátterében valami olyasféle rejtőzik, ami a fény eredetének őseredeti forrásánál fekszik.
Látni fogjuk, hogy Balmer képlete a mikrokozmosz számára ugyanazt jelentette, amit a makrokozmosz számára Kepler törvényei jelentettek. Ahogyan ez utóbbiak ahhoz a gondolathoz vezettek, hogy a bolygókat a Nappal valami őseredeti elemi kapocs fűzi egybe, ugyanúgy az előbbi azt a gondolatot szülte, hogy a különböző atomok egységes terv szerint vannak felépítve. Ahogyan az előbbi a dinamikus világfelfogás kialakulásának lett a megindítójává, Ugyanúgy az utóbbiból a kvantumos világfelfogás sarjadt ki. A két törvényszerűség keletkezésének körülményei is azonosak voltak. Kepler épúgy mint Balmer mélyen meg volt győződve arról, hogy a mindenségben számbelileg kifejezhető harmónia uralkodik. E meggyőződés alapján mindketten a tapasztalatok
számadataiból a legkülönfélébb módokon végzett kombinálgatásokkal és próbálgatásokkal találták meg a harmóniát kifejező törvényszerűséget.
A Balmer-féle képlet újból ráterelte a figyelmet a fekete test sugárzásának megoldatlan kérdésére. Miért van az, hogy a gázállapotú atomok sugárzása kifejezhető egységes törvényszerűséggel, a szilárd állapotú atomoké pedig nem. A sok balsikerű próbálgatás eredetét kutatva Planck 1900-ban – saját bevallása szerint több heti igen megerőltető szellemi munka után – arra a meggyőződésre jutott, hogy a balsiker oka a sugárzás folyamatának folytonos felfogásában fekszik. Valamennyi kutató ugyanis abból a felfogásból indult ki, hogy az atom folytonosan sugároz és hogy elegendően kicsiny időközben bármilyen csekély energia mennyiséget is kisugározhat. Planck arra gondolt, hogy atomisztikus felfogásunk szerint az anyag nem folytonosan tölti ki a teret, hanem elkülönített, tovább nem bontható egységekből van felépítve, hogy az elektromosság is ilyenekből van összetéve, hogy a hőjelenségeket molekulalökésekkel maradék nélkül meg lehetett magyarázni és hogy a radioaktív testek csodálatos sugárzása is csak az atombomlás robbanásszerű felfogásával vált megérthetővé. Felmerült tehát lelkében a gondolat, hogy a természet talán még sokszorta atomosabb, mint ahogyan ez ideig a fizikusok képzelték és hogy talán maga az energia is atomos szerkezetű. E gondolata alapján a sugárzó energia fogalmába próbálta belevinni az atomos felfogást és a sugárzás folyamatát olyan módon próbálta elképzelni, hogy az anyag nem folytonosan, hanem robbanásszerűleg, egymást követő lökések alakjában löveli ki magából a sugárzó energiát. Azt gondolta, hogy az emberi észrevevésben azért nem látszik meg ez a robbanásszerűség, mert rendes körülmények között az atomok billiói sugároznak és a különböző atomokból jövő elkülönített energia-adagok az észrevevésben egymásba olvadva folytonosságot tüntetnek fel teljesen úgy, ahogyan a gyorsan egymást követő álló moziképek a folytonos mozgás benyomását keltik.
Planck próbálgatásai sikert látszottak igérni, azért a feltételezett sugárzási atomszerűség pontosabb mathematikai meghatározásához fogott. Tág látókörű, nagy általánosításokra ránevelődött mathematikai szövődésű szelleme igyeke-
zett megszabadulni a sugárzási jelenség szűk korlátaitól és szélesebb alapra helyezkedve, olyan ugrásszerű folyamatot igyekezett alkotni, amely a természetben lefolyó összes folyamatokra, minden fizikai történésre alkalmazható legyen. E megerőltető gondolati munka után alakult ki lelkében az a felfogás, hogy a természet folyamataiban megnyilatkozó ugrásszerűség csak hatás jellegű lehet, amelyet az energiának és az időnek szorzata határoz meg. Így jutott ahhoz a végleges hipotéziséhez, amely szerint a természetben megnyilatkozó minden hatás részekre fel nem bontható végső elemekből, atomszerű adagokból, az úgynevezett hatáskvantumokból van összetéve, amelyet h betűvel jelölt, az anyagi atom által ν rezgésszámmal kilökött sugárzó energiának legkisebb adagját pedig h·ν nagyságúnak tette meg. Az atom csak olyan nagyságú sugárzó energia-mennyiségeket lökhet ki magából vagy nyelhet el, amelyek h·ν-vel vagy annak egész számú többszöröseivel egyenlők.
E felfogás alapján Planck az atomisztikában szokásos számítással aránylag igen egyszerű módon levezette a fekete test sugárzásának formuláját. Ez a kilökött vagy elnyelt sugárzási energia, a rezgésszám, a hőmérséklet, a fénysebesség, a gázállandó és a molekulák száma között állapít meg összefüggést. A meglepő már most az volt, hogy a formula pontosan adta ugyanazokat az adatokat, amelyeket a kísérletek és az azok alapján megrajzolt sugárzási görbék mutattak. A Stefan–Boltzmann-féle és a Wien-féle törvény pedig egyszerű számtani eljárással következett belőle. A formulának a tapasztalati adatokkal való összekapcsolásából következett továbbá, hogy az egyelőre határozatlannak felvett hatáskvantum, a h értéke számára 6.55·10–27 erg·sec. adódott. A további meglepetés az volt, hogy e számérték alapján a köbcentiméterben foglalt molekulák száma ugyanannyinak adódott, mint amennyit a kinetikus gázelmélet egészen más úton levezetett. Az új képlet alapján továbbá meg lehetett mutatni, hogy a szilárd testek fajhője arányos az abszolút hőmérséklet harmadik hatványával, ami a tapasztalattal szintén jól egyezett, holott a régebbi felfogás kikerülhetetlenül ahhoz az eredményhez vezetett, hogy a szilárd testek fajhője a hőmérséklettől független állandó.
Planck merész felfogása csakhamar az összes atomos folyamatok számára alapvetővé vált. Mindenek előtt ráterelte a figyelmet a gázatomok sugárzási problémájára, a rejtélyes Balmer-féle összefüggésnek megmagyarázására.
Miként a megelőző fejezet végén láttuk, a Rutherford-féle atomminta nem volt alkalmas a sugárzás kibocsátásának a megmagyarázására. Ebben a kudarcban tulajdonképen a 19. és a 20. század világnézeteinek nagy ellentéte nyilvánult meg.
A 19. század pozitív világnézete a Rutherford-féle atommintát nem képzelménynek, nem szintetikus alkotásnak, hanem reális dolognak tekintette, tehát minden további megfontolás nélkül alkalmazta reá a tapasztalati eredetű törvényeket. 1912-ben azután a 26 éves, fiatal, éles eszű Bohr vette kezébe a problémát. Ő már a 20. század mathematikai-metafizikai szellemében növekedett, e szerint gondolkodott és így felismerte, hogy az atom a konstruktív mathematikai képzelő erőnek az alkotása s mint ilyen nem tartozik a megfigyelhető dolgok közé és a tapasztalati törvények uralma alá, hanem képzeletünk olyan törvényeket gondolhat ki számára, amelyek legjobban megfelelnek a kitűzött célnak. Minthogy pedig Planck új felfogása fényes sikereket ért el, közel fekvő volt a gondolat, hogy ezt az új felfogást a gázatomok sugárzási törvényszerúségének, a Balmer-féle formulának levezetésére is felhasználja.
Bohr mathematikai képzettségű éles konstruktív szelleme félretolva az elektromágnesség és a mechanika alaptörvényeit pusztán csak a hatáskvantum új felfogására támaszkodva megtalálta azokat a módosításokat, amelyeket a Rutherford-féle atomnaprendszer szerkezetén tenni kellett, hogy az a Balmer-féle formula szerinti sugárzásra alkalmas legyen. Így született meg a 20. század mathematikai-metafizikai konstruktív szellemének legcsodálatosabb alkotása, a Bohr-féle atomminta. Tulajdonképen négy gondolatban különbözik a Rutherford-félétől. Először abban, hogy az elektron az atommag körül nem tetszés szerinti, hanem csak egyes, az első kvantum-követelmény által meghatározott pályákon keringhet, másodszor abban, hogy keringés közben nem sugározhat ki energiát, harmadszor abban, hogy csak akkor sugároz vagy nyel el energiát, amikor valamely külső pályáról belsőre ille-
tőleg belsőről külsőre ugrik át és negyedszer abban, hogy az átugrás alkalmával kisugárzott vagy elnyelt energia a második kvantum-követelménynek tartozik eleget tenni. Az első kvantum-követelmény kimondja, hogy az elektron csak olyan pályákon keringhet, amelyeknek kerülete szorozva az elektron mozgásmennyiségével (impulzusávaí) a hatáskvantumnak, a h-nak valamely egész számú többszörösével egyenlő. E feltétel az atommag körül a lehetséges pályáknak egész sorozatát határozza meg. Legbelül van az egykvantumú pálya, azután következnek a 2, a 3, a 4, stb. kvantumú pályák. A lehetséges pályákat tehát az egymásután következő egész számok, a kvantum-számok jellemzik, amelyekből kiszámítható a pálya sugara, az elektron sebessége és energiája. Minél kívülebb fekszik a pálya, annál nagyobb egész szám jellemzi azt és annál nagyobb az elektron energiája, ha rajta mozog. Rendes körülmények között az elektron a legbelső pályán kering sugárzás nélkül. Ha azonban kívülről sugárzó energia érkezik, azt az elektron elnyeli, aminek következtében nem maradhat meg többé a belső pályán, hanem át kell ugornia arra a külső pályára, amelynek energia-értéke megfelel az elnyelt energiának. E pályán azonban nem maradhat meg állandóan, hanem önmagától át kell ugornia valamely belső pályára, miközben a két pálya energia értéke közötti különbséget kisugározza. A kisugárzott és elnyelt energiamennyiséget Bohr második kvantum-követelménye határozza meg. Eszerint a kisugárzott vagy elnyelt energia csak a hatáskvantumnak és a rezgésszámnak szorzatával, h·ν -vel lehet egyenlő. Ha az elnyelt sugárzó energia rezgésszáma nagy, akkor az elnyelt energia mennyisége is nagy és akkor az elektron megfelelő külső pályára ugrik át. Hasonlóképen, ha valamely messze kívül fekvő pályáról ugrik át a belső pályák valamelyikére, akkor a kisugárzott energia nagy és ennek megfelelően a kibocsátott fény rezgésszáma is nagy. Így a külső pályákról a legbelső pályára való átugrásnál az ibolyántúli, a második pályára való átugrásnál a látható, a harmadik és negyedik pályára való átugrásnál a vörösön inneni sugarak keletkeznek.
Az első kvantum-követelménnyel tehát Bohr az atom részére a különböző stacionárius állapotoknak egész sorát határozta meg, amelyeket az egymás után következő egész szá-
mok jellemeznek. Második kvantum-követelményével az egyik stacionárius állapotból a másikba való átmenetelt tette meg a sugárzás forrásává. A kibocsátott fény rezgésszáma tehát tulajdonképen ettől, a közelebbről meg nem határozott átmeneteltől van függőve téve.
A nagyon mesterkéltnek látszó atomminta káprázatos sikerrel járt. A rejtélyes Balmer-féle formula egyszerű számtani műveletekkel következett belőle, sőt az elektronnak más kísérletekből ismeretes állandói alapján a Rydberg-féle állandó számértéke is ki volt számítható. Kitűnt továbbá, hogy a hidrogén vörösöninneni és ibolyántúli sugaraira is érvényes Balmer formulája, csupán az m helyébe kellett 1-et, illetőleg
3-at és 4-et helyettesíteni. Kitűnt továbbá, hogy más elemek által kibocsátott sugarakra is érvényes a formula, csupán csak az R helyébe kell más számot írni, amely az illető elem periodikus rendszerbeli rendszámával van egyszerű összefüggésben. Franck és Hertz pedig 1913-ban közvetlen kísérlettel megmutatta, hogy az atom a kívülről jövő energia elnyelése alkalmával valóban ugrásszerűleg növeli meg energiáját, sőt e ksérleti adatokból a hatáskvantum állandójának számértéke minden más ismerettől függetlenül ki is volt számíthazó. Bohrnak az atom különböző energiaszintjeire vonatkozó felfogása tehát kísérleti igazolást nyert.
A röntgen-sugarakra vonatkozó bővebb vizsgálatok továbbá megmutatták, hogy az antikatód anyagából kétféle sugárzás indul ki, olyan, amely folytonos színképhe szövődik dssze és olyan, amely éles vonalak csoportjába sorakozik. Az első fajta az elektronoknak az antikatódba való ütközésénél
keletkező elektromágneses hullámokból áll. Nyilvánvaló, hagy a katódsugarakban az elektronok a folytonos összeütközések miatt különböző sebességekkel repülnek és különböző energiával ütődnek az antikatódba, tehát Bohr második kvantumkövetelményének megfelelően különböző rezgésszámű röntgensugarakat is keltenek, amelyek folytonos színképet adhatnak. A tapasztalat azt mutatta, hogy ennek felső határa mindig igen éles és hogy a szélső sugár rezgésszáma annál nagyobb, minél nagyobb az antikatód és a katód között működő elektromótoros erő. Kitűnt, hogy ez az éles határ is teljes megegyezésben van Bohr második kvantumkövetelményével és
hogy a hatáskvantumnak ez úton meghatározott számértéke is egyezik a más úton kapott számértékekkel.
Az antikatódból kilövelt második fajta röntgen-sugarak az illető elem jellemző saját sugárzását adják. Kristályrácsokon való visszaverődés után ezek nem szövődnek össze folytonos színképbe, hanem épúgy miként a gázállapotú atomok sugarai éles vonalcsoportokba sorakoznak, amelyeket a fizikusok, K, L, M, N, O, P betűkkel jelölnek. A sugarak az antikatód anyagának rendszáma szerint eltolódnak ugyan, de egyébként valamennyi elemnél azonos szerkezetet mutatnak, tehát az antikatódot alkotó anyag jellemző saját sugárzását állítják elibénk éppen olyan módon, ahogyan azt a gázatomok vonalas színképei teszik. A Balmer-féle formulának megfelelő Moseley-féle törvény pedig, amely szerint
ν =
3c
4
·R(Z–1)2, ahol c a fénysebesség, R a Rydberg-féle állandó, Z az elem rendszáma, egyszerű kapcsolatot állapít meg az illető atomot jellemző sugárfaj rezgésszáma és az elem rendszáma között.
Mindezek a kísérleti eredmények igazolták Bohr felfogásának helyességét és kikerülhetetlenné tették a meggyőződést, hogy a sugárzás szempontjából a különböző elemek atomjai csak azonos elvek szerint lehetnek felépítve. A hidrogénatomé a legegyszerűbb, ezt tehát egy protonból és egy elektronból kellett felépíteni. A többi elemnél Rutherford eredeti elgondolása szerint több protonból és több elektronból kellett az atommintát megalkotni egészen az urán-atomig, amelybcn az atommag körül 92 elektron kering és mindegyiknek a lehetséges kvantum-pályák egész sorozata kell hogy rendelkezésre álljon. Nyilvánvaló, hogy ez olyan feladat volt, amellyel sem Bohr, sem a többi mathematikus-fizikus konstruktív kombináló képessége nem tudott megbirkózni. A hidrogén-atomon kívül még az ionizált hélium atomjának szerkezetét sikerült ténylegesen átszámítani, a többi atom részére is sikerült bizonyos általános elveket felállítani, de mintájuknak szabatos átszámítása nem sikerült.
De sikerült a sávos színkép keletkezésének olyan magyarázatát adni, amelyből számbeli összefüggések is folytak.
Az elmélet a molekulát úgy képzeli, mint az alkotó atomok magjainak meghatározott geometriai elrendeződését. Ezekben a belső elektronok csak saját atommagjuk, a külsők pedig valamennyi atommag körül írnak le zárt pályákat. És az atommagok az összekötő egyenesek irányában rezgéseket is végezhetnek. E szerkezetekre is alkalmazhatók voltak a kvantumszabályok és olyan új rezgésekről is lehetett számot adni, amelyek a sávos színképben mutatkoztak.
Bohr sikerei felvetették a periodikus táblázat megmagyarázásának problémáját. Megoldásához 1917-ben Lewis és Kossel egymástól függetlenül ugyanarra a gondolatra jutott. Abból indultak ki, ami az atomszerkezetek megszerkesztésének kezdettől fogva alapelve volt, hogy az elemek kémiai sajátságait az atommag körül keringő elektronok száma és elrendeződése határozza meg. Minthogy a periodikus táblázat VIII. oszlopában a tétlen nemes gázok vannak felsorolva, az volt a felfogásuk, hogy ezek atomjaiban az elektronok olyan stabilis elrendeződésben vannak, amelynél fogva rendes körülmények között onnét el nem szabadulhatnak, idegen elektronok közéjük le nem telepedhetnek, kémiai passzivitásuk tehát e stabilis elektronelrendeződésnek a következménye. Viszont a többi elem atomjaiban az elektronoknak olyan elrendeződésben kell lenniök, hogy közülük egyesek könnyen elszabadulhatnak vagy közéjük idegen elektronok könnyen beférkőzhetnek, ami által az egész rendszer dinamikus stabilitása magasabb fokúvá válik. A többi elem atomjai tehát pozitív vagy negatív iónokká válhatnak és ennélfogva vegyülési képességet nyernek.
A többi elemet három csoportba osztották. Az első csoportba a periodikus táblázat VII., VI. és V. oszlopjának elemei kerültek. Föltették, hogy ezeknek atomjaiban az elektronok olyan elrendeződésben vannak, hogy új elektronoknak beszívása után a rendszer stabilitása megnövekszik. Ezek az elemek tehát – hogy úgy mondjuk – vágyakoznak új elektronokra és ha ilyenekre szert tehetnek, akkor elektromos neutralitásuk feláldozásával be is szívják az esetleg közelükben lévő elektronokat és ezáltal megnövelik dinamikus stabilitásukat. Nevezetesen a VII. oszlop elemei egy, a VI. oszlop elemei két, az V. oszlop elemei három elektronnal érik el ez
állapotukat. Így természetesen elektro-negatívokká válnak és pedig a VII. oszlop elemei egy vegyértékkel, a VI. oszlop elemei két vegyértékkel, az V. oszlop elemei három vegyértékkel. Az elektronegatív vegyérték tehát semmi egyéb, mint azoknak az elektronoknak a száma, amelyek az atom dinamikus stabilitásához szükségesek.
A második csoportba a táblázat I., II., III. oszlopában lévő elemeket sorolták. Föltették, hogy ezek atomjaiban az elektronoknak olyan az elrendeződésük, hogy egy, két, három elektron elvesztése által dinamikus stabilitásuk megnövekszik. Ezek az atomok tehát, ha a körülmények kedvezők, vagyis ha szomszédságukban elektronokra éhes atomok vannak, könnyen veszítenek el egy, két vagy három elektront és elektromos neutralitásuk feláldozásával elektropozitívokká válnak, amivel dinamikus stabilitásukat megnövelik. Nevezetesen az első oszlop elemei egy, a második oszlop elemei két, a harmadik oszlop elemei három vegyértéket vesznek fel. Az elektropozitív vegyérték tehát semmi egyéb, mint azoknak az elektronoknak a száma, amelyeknek elvesztésével az atom dinamikus stabilitását eléri.
A harmadik csoportba a táblázat IV. oszlopának elemeit sorolták. Föltették, hogy ezek dinamikus stabilitásukat úgy is elérhetik, hogy több páros számú elektront elveszítenek, de úgy is hogy ugyanannyi idegen elektront felvesznek.
A felosztás alapjáúl szolgáló gondolat megértése végett gondoljunk például az I. oszlopban lévő nátriumra és a VII. oszlopban lévő klórra. Az első egy vegyértékű pozitív elem, atomsúlya 23, rendszáma 11, a második egy vegyértékű negatív elem, atomsúlya 35, rendszáma 17. A nátriumnak tehát 11, a klórnak 17 külső elektronja van. Ha ezek egymás közelébe kerülnek, akkor a nátrium egy elektront leád és 10 elektronjával pozitív iónná válik, a klór pedig magába szívja a leadott elektront és 18 elektronnal rendelkező negatív iónná alakul át. A különböző előjelű iónok egymást vonzzák és NaCl-á, azaz konyhasóvá egyesülnek.
Az atomkép teljessége kedvéért azt kell még képzelnük, hogy az elektronok az atommagot körülvevő gömbhéjakon vagy gyűrűkben vannak elhelyezve és hogy a passzív elemeknél az elektrongyűrűk az atommaggal együtt teljes stabi-
litásban vannak, a többi elemeknél azonban csak a belső elektrongyűrűk stabilisek, a kívül fekvő nem.
Lewis és Kossel elmélete az emberi elmének pompás szintetikus alkotása. Ha azonban meggondoljuk, hogy minden egyes elektron számára a lehetséges kvantumpályáknak egész sorozata kell hogy rendelkezésre álljon, és hogy molekuláris kapcsolatban újabb bonyodalmak keletkeznek, érthetővé válik, hogy az alapgondolatnak teljes, számbelileg is meghatározott kiépítése a lehetetlenségek közé tartozik.
6. A kvantummechanika.
Bohr szemléletes atomszerkezete ugyan bámulatos egyszerűséggel magyarázta meg, miért kell a hidrogénatomnak a Balmer-féle formula szerint sugároznia, azonban a tulajdonképeni alapproblémának, vagyis annak a kérdésnek a megoldására, minő szerkezetű az anyagból adagokban kijövő fény, semmi feleletet nem adott és kiinduló gondolatait sem okolta meg. A régi kérdésekhez tehát újabb megoldatlan kérdések járultak hozzá. Miért van az, hogy az elektron csak meghatározott pályákon keringhet? Mi hozza létre a lehetséges pályák kvantumos adagolását? Hogyan jut az atom ahhoz, hogy pontosan h·ν nagyságú energia-értékeket sugározzon ki? Miért kell az atomhoz éppen ugyanekkora energiának érkeznie, hogy rajta változás álljon elő?
Bohr fellépésétől kezdve egészen a mai napig a felsorolt kérdésekre való felelet-adások határozták meg a fizika fejlődésének irányát. Kitűnt, hogy feleletet csak úgy sikerül adni, ha az anyag és a fény szerkezetéről való felfogásainkat módosítjuk, a mechanika alaptörvényeit pedig kiszélesítjük és általánosítjuk.
Arra a kérdésre, hogy minő szerkezetű az anyagból adagokban kijövő fény, a feleletet Einstein már 1907-ben megadta. Amíg azonban Einstein felfogása Bohr-ig csak különleges vélemény volt, a Bohr-féle atomszerkezettel kapcsolatos kérdések tárgyalása közben a tudomány általánosan elfogadott felfogásává alakult át. Einstein szerint a sugárzás nemcsak az anyagból jön ki adagokban, hanem a térben is ilyen alakban,
mint irányított fénykvantum halad tovább nagyjából úgy, ahogyan a Newton-féle korpuszkuláris elmélet felfogta. Különösen a fényelektromos jelenségek követelték e felfogást majdnem olyan határozottsággal, amilyennel az esőt cseppekből állónak tekintjük. A fény tehát az anyag összes lényeges tulajdonságait mutatja. Különálló részecskékből van összetéve, amelyeknek tétlenségük és nehézségük van épúgy, miként az anyagnak. A különálló fényrészecskék a fénykvantum nevet kapták, később a "foton" elnevezés vált szokásossá. A foton azért még sem anyag, inkább csak a mozgásmennyiségnek és az energiának a foglalatja. Energiáját h·ν, vagyis a változatlan hatáskvantumnak és a rezgésszámnak szorzata méri, tömege h·ν/c2, ahol c a fény sebessége, mozgásmennyisége pedig h·ν/c-vel egyenlő.
Az új mérőszámok elhárították azokat az ellenmondásokat, amelyek annak idején a korpuszkuláris fényelméletet megbuktatták. Abban az esetben ugyanis, amikor a fény példáúl levegőből vízbe megy át, a határerők működése következtében a fényrészecskék mozgásmennyiségének növekednie kell. A régi korpuszkuláris fényelmélet szerint ebből az következett, hogy a fénynek a vízben nagyobb sebességgel kell továbbterjednie, mint a levegőben, ami a tapasztalattal ellenkezett. Az új korpuszkuláris fényelmélet szerint a foton mozgásmennyisége h·ν/c minthogy h és ν állandó, a határerők működése következtében a mozgásmennyiség csak úgy növekedhetik, ha a c, vagyis a foton sebessége a vízben csökken. Az új korpuszkuláris elmélet tehát egyenesen követeli azt, amit a tapasztalat mutat.
A régi korpuszkuláris fényelméletet azonban nem is az optikailag sűrűbb közegekben való fénysebesség kérdése buktatta meg, hanem a fénytalálkozás és fényelhajlás nagyon gyakran előforduló tüneményei. Lényegük a következő: ha a fénysugár, vagyis az egy forrásból eredő és közelítőleg egy irányban haladó fotonok útjába kisméretű akadályt, keskeny rést, vagy vékony drótot állítunk, akkor az utána következő térben a fényes és a sötét sávoknak rendszere keletkezik. A jelenséget a hullámelmélet Huygens-elve alapján másodrendű
rezgési középpontok feltételezésével könnyen tudja megmagyarázni. A másodrendű rezgési középpontokból kiinduló fényhullámok ugyanis az akadály után következő tér egyes helyeire egyenlő fázisban, más helyeire ellenkező fázisban érkeznek; a fénymozgások tehát az egyik helyen egymást erősítik és így fényes sávokat, a másik helyen egymást gyengítik és így sötét sávokat hoznak létre. Ezt a jelenséget a részecske-elmélet képtelen megmagyarázni, mert két anyagi foton nem semmisítheti meg egymást úgy, ahogyan azt két ellenkező irányú mozgás megteheti.
Viszont a hullámelmélet teljes ellentétben áll a fényelektromos jelenséggel. Ennek a lényege a következő. Ha a fénysugár vagyis az egyirányban haladó fotonok útjába fémlapot teszünk, arról elektronok repülnek le, amelyeknek sebessége a rezgésszámtól függ. Ha a fény erősségét növeljük vagy csökkentjük, akkor több vagy kevesebb elektron pattan ki a fémlapból, de sebességük mindaddig ugyanaz marad, amíg a fény rezgésszáma nem változik. A hullámelmélet ezt a jelenséget képtelen megmagyarázni. A fizikusok minden útat megpróbáltak, hogy az annyi téren jól bevált hullámelmélet segítségével e jelenséget is érthetővé tegyék, de minden próbálkozásuk kudarccal járt. A fényelektromos jelenség teljes ellentétben áll a hullámelmélettel és kikerülhetetlenül követeli, hogy a sugárzó energia ne folytonos jellegű folyamatból, hanem elkülönített részecskékből, lökésszerű kvantumokból álljon, úgy hogy minden egyes kvantumnak egy-egy kilökött elektron feleljen meg.
Két tipikus fényjelenség tehát teljesen ellenkező fény-elméletet követel. A fényelektromos tünemény követeli a fénynek részecskeszerűségét, a fénytalálkozási tünemény pedig követeli a hullámszerűséget. A kettő azonban egymást kizárja, mert a részecskeszerű fény nem tud számot adni a fénytalálkozási tüneményekről, a hullámszerű fény pedig nem tudja megmagyarázni a fényelektromos jelenségeket.
A foton részecskeszerűségének felfogását újabb kísérletek is megerősítették. Compton 1922-ben azt találta, hogy a szabad elektronokon szétszóródott röntgen-fény hullámhossza nagyobbszik, rezgésszáma kisebbszik. A hullámelmélet szerint a fényszóródás tüneménye a rezonancián alápszik. Az anyagi
részecske a ráeső hullámenergiára rezonál, aminek következtében a részecskéből minden irányban ugyanolyan rezgésszámú hullámok indulnak ki, amilyen volt a beeső fényhullámoké. A szétszóródásnál tehát a beeső fény rezgésszámának meg kell maradnia. Nyilvánvaló, hogy a Compton-tünemény ellentétben áll a hullámelmélettel. Ellenben a részecske-elmélet a jelenséget mennyiségileg is pontosan meg tudja magyarázni. A beeső részecskeszerű foton összeütközik az anyagi részecskével, aminek folytán az anyagi részecske bizonyos irányú, a foton pedig más irányú sebességet kap teljesen olyan módon, ahogyan az a billiárdgolyók nem centrális ütközésénél történni szokott. Minthogy pedig az összeütközésnél a foton energiájának egy részét az anyagi részecskének adja át, tehát saját energiájának csökkennie kell. A foton energiája az alapfelfogás szerint arányos a rezgésszámmal, tehát a foton rezgésszámának csökkennie kell.
A korpuszkuláris és a hullámelmélet tehát igaz is, nem is. Igaz a korpuszkuláris elmélet, mert a fotonnak szétoszthatatlan különálló egységnek kell lennie, de igaz a hullám-elmélet is, mert a fotonnak hullámmozgást is kell tartalmaznia jellemző hullámhosszal és rezgésszámmal. A fotonnak egyszer úgy kell viselkednie mint különálló részecskének, máskor pedig úgy mint hullámnak. A tudomány akárhogyan is kereste, nem tudott semmiféle általános ismertető jelet találni, amelynek alapján meg lehetett volna állapítani, hogy mikor kell a fotonnak úgy viselkednie mint részecskének és mikor mint hullámnak. A kétféle követelmény lehetetlenné tette azt, hogy a fotonról határozott képzetek alakuljanak ki.
A mikrokozmoszba a proton és az elektron mellé mint harmadik, semmi másra vissza nem vezethető ősegység bevonult a foton, a kétféle ábrázatú hullámrészecske. Ezzel a mikrokozmosz forgó, keringő, ugráló, kavargó, összeütköző, ide-oda röpködő, egymást szétszaggató és ismét kiegészülő világa teljessé lett.
A kép, amelyet a tudomány a mikrokozmosz számára alkotott, nagyon is szemléletes volt, azonban inkább mutatta a kaosz képét, mint a rendét. A következő lépés azonban, amelyet Broglie 1924-ben tett, már az egyszerűsítés és egységesítés felé haladt. Broglie tulajdonképen azt a kérdést
akarta megoldani, miért írhatnak le az elektronok az atommag körül csak meghatározott pályát? Miként annak idején Hamilton, ő is azon lepődött meg, hogy egyes fénytani jelenségeket miért lehet a korpuszkuláris elmélettel épen olyan jól leírni, mint a hullámelmélettel. A fénymozgás és az anyag mozgása közti analógiából kiindulva tehát arra a meggyőződésre jutott, hogy ha a fotonnak megvannak az anyag leglényegesebb tulajdonságai és azon kívül hullámszerűséggel is bír, akkor az anyag legkisebb részecskéit is el lehetne látni a hullámmozgás leglényegesebb tulajdonságával a hullámhosszal. A foton energiájának kifejezése azt mutatta, hogy az anyag legkisebb részeihez tartozó hullámhosszúságnak, λ-nak egyenlőnek kell lennie h/mv-vel, vagyis a hatáskvantum és a részecske mozgásmennyiségének hányadosával. E fölfogás szerint az anyag legkisebb részecskéi úgy tűnnek fel mint a hullámmozgás bizonyos fajai, amelyeknek hullámhossza a részecskék közönséges értelemben vett tömegétől és sebességétől függ. Minél nehezebb a részecske és minél nagyobb a sebessége, annál rövidebb a hozzá tartozó hullámhosszúság. Broglie tehát az anyagot úgy fogta fel, mint ahogyan közönségesen a hangot gondoljuk. Érzékszerveink számára ugyanis a hang épolyan valami, mint az anyag, pedig a hang semmi egyéb, mint hullámenergia.
Ezzel az új felfogással az elektron körpályájának kvantumszerűsége magától adódott, mert az elektront úgy lehetett tekinteni, mint az atommagot körülövező álló hullámot és így magától értetődővé vált, hogy csak olyan körpályák lehetségesek, amelyekben az elektron részecske hullámhossza 2-szer, 3-szor, 4-szer, stb-szer foglaltatik, tökéletesen úgy, ahogyan a húr is csak olyan alakokban rezeghet, amelyeknél a húr hossza 2, 3, 4, stb. félhullámra osztódik fel. A Bohr-féle körpályák kvantumszáma egyszerűen az álló hullámok csomóinak számával egyenlő. Ebből és a hullámhosszúság definiciójából következett, hogy a körpályák Bohr első követelményeinek megfelelnek.
A tudomány fejlődésének sajátságos rejtelmessége nyilatkozott meg abban, hogy ugyanakkor, amikor Broglie Franciaországban ezt az elméletét kigondolta, Davisson Észak-amerikában – Broglie elméletéről mit sem tudva, tisztán a tudós természetében rejlő kísérletező hajlamtól ösztönözve –
elektronsugarakkal kristályfelületeken visszaverődési kísérleteket végzett és a fényelhajlási jelenségekhez hasonló világos és sötét sávokat kapott. Amikor azután később Broglie elméletéről tudomást szerzett és kísérleteinek dokumentumaiból kiszámította a hullámhosszúságot, azt Broglie kiinduló feltevésével egyezőnek találta. Azóta különböző fizikusok e kísérleteket nemcsak elektronsugarakkal, hanem protonsugarakkal és atomsugarakkal is sokszor megismételték és pedig nem csak kristályrácsok, hanem közönséges optikai rácsok segítségével is. Valamennyi esetben a röntgen-sugarakéhoz hasonló difrakció képeket kaptak és a kísérleti adatokból kiszámított hullámhosszúságok egyeztek az elmélet definiciójával. Kétségtelen tehát, hogy ezek az anyagi sugarak is képesek difrakcióra és így kísérleti ténynek vehetjük, hogy az anyag legkisebb részecskéi bizonyos körülmények között hullámszerű tulajdonságokat vesznek fel.
E felfogás alapján tehát nemcsak a fény, hanem az anyag oszthatlan legkisebb részecskéi is kettős természetűek. Nagyméretű jelenségeknél úgy viselkednek mint részecskék, kisméretű jelenségeknél pedig hullámszerű tulajdonságokat vesznek fel. Broglienek egységes új felfogás felé feszülő gondolatvilága tehát új kísérleti eredményeket is szűlt, amelyek fizikai és filozófiai szempontból igen nevezetesek s nem csoda, ha a tudományt arra kényszerítették, hogy a dolgok legkisebb részeire és általában a mikrokozmoszra vonatkozó felfogását revíziónak vesse alá. Az eredmény az lett, hogy egészen új fizikai világfelfogás keletkezett, amelyet általában kvantum-mechanikának szokás nevezni.
Broglienek gondolatát különösen mathematikai szempontból Schrödinger fejlesztette tovább. Minden törekvése odairányúlt, hogy a 19. század elméleti fizikusainak és mathematikusainak jól ismert mathematikai segédeszközeit, amelyeket az akusztika bizonyos problémáinak, például a különböző alakú lemezek, hártyák, légtömegek lehetséges rezgéseinek kikutatására használtak, a legújabb mathematika rokon formáival együtt alkalmazhassa az atom lehetséges stacionárius állapotainak előtüntetésére. Schrödinger lényegben véve mathematikai természetű gondolataihoz képet is használt. A mindenséget folytonos hullámzásban lévő éterrel kitöltöttnek gon-
dolta, amelynek alaprezgései sok milliószor gyorsabban folynak le, mint a fényé. Az anyag legkisebb részei, az elektronok és protonok nem volnának egyebek, mint a hullámzó éterben elkülönülten létező hullámcsomagok, olyasfélék, mint a sima víztükrön széllökések folytán keletkező apró fodrozó hullám-foltok. Minden hullámcsomag tulajdonképen kétféle energiát képviselne: helyzeti és mozgási energiát. Mindegyik energiafajnak külön rezgésszám felelne meg és ha egy-egy hullámcsomagban lévő két rezgésszám nem nagyon különbözik, lüktetések jönnének létre, amelyeknek másodpercenkénti száma mar olyanrendű volna, mint a fényrezgéseké. A fény tehát nem volna egyéb, mint az anyagot képviselő magasabb rendű rezgéseknek együttes fennállásából származó lüktetés. Minthogy legkisebb részeiben az anyag is, a fény is hullámmozgás volna, a mechanika alapját a Huygens-féle elvben és a hullámok tovaterjedését meghatározó hullámegyenletben kellene keresnünk, amely az akusztikából régóta ismeretes. Az egyenletben bizonyos állandók szerepelnek és az egyenletnek csak akkor van megoldása, ha ezek az állandók meghatározott számértéket vesznek fel. Schrödinger megmutatta, hogy az atom stacionárius állapotainak keresése ugyanaz a probléma, mint az újkori mathematikában nagy szerepet játszó sajátérték probléma. A megoldások álló hullámot képviselnek és megfelelnek Bohr elektronpályáinak. Kitűnt, hogy az elméleti fizikán ak régóta ismert segédeszközei a kvantummechanikában is jól felhasználhatók.
Schrödinger – legalább mathematikai szempontból – megoldotta a Bohr szemléletes atomszerkezetéből kisarjadt kérdéseket és egyszersmind a klasszikus törvényeket is általánosította. Az egységes világfelfogás felé való törekvés számára alapot teremtett és így nem csoda, ha elmélete azt a reményt keltette, hogy a klasszikus mechanika és elektrodinamika minden fogalma úgy lesz átalakítható, hogy a hatáskvantum változatlanságának jól bevált elve is érvényben marad. Ez a gondolat tulajdonképen már Bohr-nál is jelentkezett, mert korrespondencia-elvével igyekezett megmutatni, hogy a magas kvantumszámok által jellemzett folyamatoknál a kvantumtörvények ugyanazokhoz az összefüggésekhez vezetnek, mint a klasszikus fizika törvényei. A felgerjesztett
remények azonban nem teljesedtek. Magasabb problémák tárgyalásánál maga Schrödinger is félre tolta a hullámmozgás képét. Az éter többé nem létezett és helyette a hullámmozgás elméletét a tértől és az időtől független, sokdimenziójú "konfigurációs térbe" helyezte át.
Az absztraháló képességgel szemben még nagyobb igényeket támasztott Heisenberg kvantummechanikája, amely Schrödingerével egy időben keletkezett. Heisenberg megmaradt az ugrásszerű felfogás mellett, amelynek alapján valóságos új kvantummechanikát akart teremteni és ebben a makrokozmosz és a mikrokozmosz alapfelfogásait akarta harmonikusan összekapcsolni. Amabban a tömegpont és annak pályája, a kinematika és a dinamika alapegyenletei, emebben pedig a kvantum és valtozatlanságának elve volnának az alapelemek. Ezeket akarta összeegyeztetni. Amíg azonban a makrokozmosz tömegpontja mindig látható, pályája tér és idő szerint megfigyelhető, addig a mikrokozmosz elektronja, protonja és fotonja nem látható, mozgása tér és idő szerint meg nem figyelhető: nincs tehát értelme annak, hogy a mozgási egyenletekbe ezek az adatok belekerüljenek. Ellenben a rezgésszám, az energia, a mozgásmennyiség, a fényerősség észlelhető menynyiségek és így van értelme annak, hogy ezek között állíttassanak fel a számbeli vonatkozások.
A hangtan azon eljárásából, amely szerint minden hullámot mint egyszerű sinus-formájú részhullámok összességét lehet felfogni, Heisenberg azt a meggyőződést merítette, hogy az elektron keringései is úgy tekinthetők, mint bizonyos rész-rezgések összetételei. Ezeknek együttes fenaállását azonban nagyon absztrakt módon, kvadratikus mathematikai sémával, az úgynevezett matrix-szal és nem kommutatív algebrával állította elő, a sugárzási energia kibocsátását és elnyelését ilyen formákkal tette kiszámíthatóvá. Fogalmai nélkülözve a szemlélhetőséget, pusztán formális és idegenszerű mathematikai alakban jelentkeztek, amelyek a szavakkal kifejezett gondolat világtól még messzebb esnek, mint Einstein formulái. Minthogy azonban Heisenberg e mathematikai tárgyalásával kapcsolatban a fizikai folyamatok végső mivoltára vonatkozólag nevezetes és szavakkal is kifejezhető új gondolatokat vetett
fel, módot kell keresnünk arra, hogy e teljesen elvont gondolati világba legalább némileg belehatolhassunk.
Első pillanatra nagyon meglepőnek látszott, hogy Heisenberg más felfogásból kiindulva ugyanazokhoz a mathematikai vonatkozásokhoz jutott, mint amelyekhez Schrödinger a hullámmechanika révén. Ezen azonban nem kell csodálkoznunk, mert Heisenberg is és Schrödinger is fizikai jelentést adott azoknak az új mathematikai fogalmaknak, amelyeket a 19. század második felének mathematikusai megteremtettek, a mathematikusok számítási eljárásait mindketten alkalmazták a maguk problémáinak megoldására. Minthogy tehát mindketten ugyanabból a forrásból merítettek, semmi különös nincs abban, ha ugyanazokhoz a mathematikai alakzatokhoz is jutottak. E mathematikai formáknak egyezése viszont ahhoz a felfogáshoz vezetett, hogy Heisenberg kvantummechanikája és Schrödinger hullámmechanikája két különleges megjelenési formája az általános kvantummechanikának. Az egyikben a hullámszerűség segítségével van kifejezve ugyanaz, amit a másikban a részecskeszerűség mutat. A két különleges elmélet képei tehát kölcsönösen segítették és kiegészítették egymást. Mindkét úton a fizikusok nagy serege próbálta az általános kvantummechanikát megalkotni. Born, Jordan, Dirac, London, Landé, Pauli, Fermi, Eucken, Gamow és mások is újabb és újabb mathematikai fogásokat és újabb hipotéziseket alkalmaztak, hogy a célt elérjék.
Kitűnt, hogy valamennyi próbálkozásnak hátterében a következő alapgondolat húzódik meg: a makrokozmosz tömegpontjához fűződő hely, idő, sebesség, energia és mozgás-mennyiség fogalmak meghatározott, félreérthetetlen bezárt fogalmak, ellenben a mikrokozmosz utolsó egységeihez nem lehet a hely, az idő, a sebesség, az energia és a mozgásmenynyiség fogalmát határozottan és félreértetlenül hozzákapcsolni. Ha e fogalmakat a mikrokozmoszban is használni akarjuk, akkor azoknak ködszerű bizonytalanságával és határozatlanságával kell megelégednünk. Ha az anyag utolsó egyedét hullámcsomagnak fogjuk fel, akkor bizonytalanság van annak helyében is és sebességében is. A hullámmechanika tételei szerint ugyanis a nagy kiterjedésű hullámcsomagok lassan, a kis kiterjedésűek gyorsan mozognak. Az első esetben tehát a hul-
lámcsomag helye csak nagy hibával, ellenben sebessége nagy pontossággal határozható meg. A kis kiterjedésű hullámcsomagok esetében a hely nagy pontossággal, ellenben a sebesség a gyors mozgás folytán csak nagy hibával határozható meg. Minél nagyobb pontosságot érünk el a helyben, annál kisebbet a sebességben és fordítva. A hullámcsomagnak lehet meghatározott helye, de csak akkor, ha sebességét nem akarjuk pontosan ismerni, lehet meghatározott sebessége, de csak akkor, ha pontos helyére nincs szükségünk. A helynek és a sebességnek együttes pontos ismeretét nem lehet elérni. Ha azonban szerények vagyunk és egyiket sem akarjuk pontosan ismerni, akkor mindkettő megismerhető, de csak bizonyos bizonytalansággal. Heisenberg bizonytalansági elvében kimondta, hogy a hely és a sebesség vagy más hasonló összetartozó mechanikai értékpárokra vonatkozó bizonytalanságok szorzata sohasem lehet kisebb a hatáskvantumnál.
De ha az anyag utolsó egyedének hullámszerűségére nem is gondolunk, akkor is be kell látnunk, hogy a fizikai meghatározások bizonytalanságokkal kapcsolatosak. Mert az anyag utolsó egyedeinek helyét és sebességét csak úgy határozhatjuk meg, ha azokat megvilágítjuk, ami mindig megzavarja a folyamatot, mert a megvilágítástól a részecske lökést kap, helye és sebessége tehát megváltozik. A megismeréshez szükséges megvilágítás mindig elérhetetlenné teszi azt az állapotot, amelyet meg akarunk ismerni. Minden megfigyelés megváltoztatja a megismerendő rendszernek fizikai állapotát. A bizonytalansági elv érvényessége tehát nem emberi gyarlóságon múlik, hanem elvi akadályokba ütközik.
A kvantummechanika a mikrokozmoszhoz fűződő gondolatfolyamatok révén a természet megismerésében ugyanahhoz a zárőkőhöz érkezett el, amelyhez a relativitás elmélete a makrokozmoszra vonatkozó gondolatsorokkal jutott. Ez a zárókő a fény, amely számunkra a megismerést szolgáltatja és így minden megismerésbe mint tovább bonthatatlan végső zárókő belejátszik.
A makrokozmosz fizikája azon a soha kétségbe nem vont alapmeggyőződésen épült fel, hogy a tömegpont helye és sebessége mindig meghatározható. A mikrokozmosz fizikájának pedig arra a meggyőződésre kellett jutnia, hogy az atom-
folyamatok téridő szerinti leírása elvi lehetetlenség. A hely és idő fogalmai az anyag utolsó részeinek meghatározásában felmondják a szolgálatot. Ebből következett a felfogás, hogy az atomfolyamatoknál az oksági törvény is megszűnik. Minthogy pedig természetfelfogásunk szerint a mindenség minden történése atomfolyamatoknak az eredménye, következik, hogy a mindenség történései nem az ok és okozat kapcsolatának törvényei szerint folynak le. Mert ha az ok és okozat meghatározása lehetetlenség, hogyan akarjuk akkor a kettő között a kapcsolatot felismerni? Ha a jelent nem ismerjük, hogyan akarunk akkor a létező állapotból a multba és a jövőbe látni? Minden megfigyelés belenyúlás a jelenségbe, amely az okszerű leírás lehetőségét megszünteti. Bohr szerint ez nem sajnálatos körülmény, hanem haladás, mert a régi fizikai felfogás határát jelöli ki és a fizikát új helyzetbe hozza, amelyről a jelenségek objektív létének kérdését magasabb szempontból lehet megítélni.
Megszűnvén a tér és időszerinti okszerű leírás lehetősége, az atomfizika számára nem maradt más megismerési alap, mint a statisztikaszeruseg és a valószínűség. Az anyag és a fény végső egyedeinek hullámszerűségét és részecskeszerűségét csak statisztikai és valószínűségi felfogással sikerül összeegyeztetni. A fényerősség azt a valószínűséget méri, amellyel a foton bizonyos időközben bizonyos helyre juthat. A folytonos felfogás alapján alkotott Schrödinger-féle hullámegyenletben szereplő alapmennyiség is a valószínűséget jelentheti csak, nem a rezgési állapotot. Minél nagyobb ez a valószínűség, annál nagyobb az illető hely fényerőssége. A valószínűségszámítás tételeinek alkalmazásával sikerült megmutatni, hogy a fényforrás közelében is lehetnek olyan helyek, amelyekbe csak nagyon csekély valószínűséggel juthat a foton. Ezek tehát sötétek maradnak annak dacára, hogy a fényforrás közelében vannak. A fénytalálkozás és fényelhajlás fényes és sötét sávjait tehát a valószínűségszámítás alapján meg lehetett magyarázni.
314
7. A mai kozmológiák.
Ahogyan a makrokozmikus fizika arra törekedett, hogy a makrokozmoszban bevált fogalmait és tételeit a mikrokozmoszra is kiterjessze, ugyanúgy a mikrokozmikus fizika is arra törekszik, hogy az anyag szerkezetének és a sugárzásnak megmagyarázásában sikerrel járt fogalmait és tételeit átvigye a makrokozmoszba. Különösen a mindenség keletkezésének és csillagok szerkezetének a megmagyarázására látszottak ezek alkalmasaknak.
A görög természetfilozófusok a mindenség keletkezésére vonatkozó kozmológiáikkal annak idején roppant élénk gondolkodási folyamatokat indítottak meg, aminek következtében az emberi szellemben bizonyos absztrakt fogalmak formálódtak ki és rögzítődtek meg. Ez utóbbiaknak értékelése az idők haladtával folyton nagyobbodott és kialakult a meggyőződés, hogy az emberi megismerés végső tárgya és célja a fogalmakban fekszik. A következmény az lett, hogy a kozmológiák az emberi érdeklődés gyujtópontjáből kitolódtak, elfelejtődtek, vagy meghatározott világfelfogásokba olvadtak bele. Arisztotelesznek a nyugvó lét alapján álló világfelfogásában már kicsiny volt a szerepük. A diadalmas keresztyén világnézet pedig a babilóniai eredetű biblikus teremtési aktusban megkapóan egyszerű, átlátszó, szemléletes és harmónikus fogalomkört kapott, amellyel semmiféle tudományos színezetű kozmológia sem tudott volna versenyezni. De a tudomány akkori állapota szerint ilyen nem is keletkezhetett. A 16. és 17. században elkövetkezett tudományos megújhodás a mindenség szerkezetének, tehát a nyugvó létnek a problémáját helyezte a tudományos érdeklődés gyujtópontjába, a világ teremtésére és jövőjére vonatkozó kérdéseket pedig meghagyta a vallásos hit érdekszférájában. Newton a világegyetem keletkezését a kaoszból ugyan megmagyarázhatónak vélte, de hogy miért keletkeztek belőle sötét és fényes égitestek, azt természetes okokkal megmagyarázhatónak nem tartotta, hasonlóképen a világegyetem stabilitását sem látta a mechanika törvényei által biztosítottnak. Meggyőződése tehát az volt, hogy a világ keletkezése és a benne lévő rend fenntartása magasabb értelmiség feltételezése nélkül meg nem érthető. A 18. század
mathematikus-fizikusai már nem voltak olyan szerények, mint Newton. Mechanisztikus és determinisztikus világnézetüknek megfelelően hivatottnak érezték magukat arra, hogy a világ egyetem keletkezését mechanikus okokkal magyarázzák meg. Így keletkezett Buffon, Kant és Laplace kozmogóniája. Azonban e spekulációk értékelése a 19. század folyamán alacsony fokra szállt alá. Ebben a korban az emberi szellemnek módja volt arra, hogy az új dolgoknak és jelenségeknek sokaságát teremtse bele a természetbe és így a világegyetem keletkezésére vonatkozó spekulációk érdeklődést nem kelthettek.
A 20. században megváltozott a helyzet. A felébredt metafizikus konstruktív szellem új makrokozmikus és mikrokozmikus világfelfogást teremtett és megalkotásukra olyan fogalmakat használt, amelyek kozmologikus gondolatfolyamatokra ingereltek. Az energia és a tomeg azonosságáról, a világegyetem véges voltáról és folytonos tágulásáról, az atombomlásokról és az új sugárzásokról szóló tanok a mindenség evolúciójának gondolatát nagy erővel dobták bele a tudományos köztudatba. Kialakult a felfogás, hogy földi fizikánk csak jelentéktelen kis része a mindenségben uralkodó sokkal általánosabb fizikának, hogy az, amit itt a Földön tapasztalunk, csak halványan pislogó mécses az óriási tüzekhez képest, amelyek a világegyetemben lobognak. A csillagok a ma is folytatódó teremtés műhelyeinek tekinttettek, ahol ismeretlen energiaforrásokból ismeretlen anyagok és ismeretlen anyagokból ismert energiák keletkezhetnek. A fizikusokat a csillagokra vonatkozó gondolatfolyamataikban nem korlátozták a közvetlen tapasztalat törvényei: képzeletük korlát nélkül szabadon csaponghatott. Hőmérsékleteket, nyomásokat, anyagsűrűségeket és sebességeket képzelhettek, amelyek sok ezerszer nagyobbak, mint a földiek. Millió fényévekkel mérendő távolságok és sok billió évvel mérendő idők állottak rendelkezésükre. A szabad száguldásnak csak az emberi gondolkodás természete szabott határt, mert a képzelő erő nem tud a semmiből teremteni, csak a gondolatvilágnak meglévő elemeiből szerkeszthet össze új világot, de eközben szabadon kombinálgathat, általánosíthat, interpolálhat és extrapolálhat. E szabadságukkal a kozmologusok bőven éltek is.
A tér és idő új felfogása alapján a relativitás-elmélet
ama kérdés megoldásához is hozzá mert nyúlni, amelyre vonatkozó ködös-homályos képzetek a térre és időre vonatkozó új gondolatfolyamatokat megindították és folytonosan élesztgették. A 19. század folyamán ugyanis nagyon sokan érezték, hogy a tér végtelenségének fogalma sem logikailag, sem fizikailag, sem mathematikailag meg nem okolható. Valójában a két Bolyait, Lovacsevszkyt, Riemannt a tér végtelenségének fogalmában rejtőző határozatlanságok ösztökélték arra, hogy új térfogalmakat teremtsenek. A Newton-féle mechanikában felismert ellenmondások is részben a végtelen tér fogalmához fűződő ellenmondásokban találják kiinduló pontjukat. Einstein azzal, hogy az általános relativitási elmélet számára a pozitív görbületű Riemann-féle geometriát fogadta el, a teret már is végesnek fogta fel. Valóban nincs is semmiféle tapasztalati tény, vagy ismeretelméleti megfontolás, amely szemben állana a felfogással, hogy a tér véges és hogy csekély pozitív görbülete van. Einstein a téridő görbületét a világegyetemben levő anyagmennyiségtől tette függővé, ezzel meg is alkotta azt az összefüggést, amelyből a világegyetem méretei számszerűleg nyerhetők voltak. Feltette, hogy a naprendszer és a közelében lévő csillagok a világegyetem rendes tipikus képét mutatják és hogy mindenütt és minden időben ugyanilyenek a viszonyok és ugyanazok a természettörvények. E feltevések alapján a világegyetem anyagának középsűrűsége nagyjából meg volt határozható és ezzel az adattal a nehézségi erőre vonatkozó mezőtörvényből a világegyetem sugara ki volt számítható. A nyert szám mintegy 600-szorosa volt annak a számnak, amelyet a csillagászok bizonyos feltevések mellett a legmesszebb lévő csillagködök távolsága számára megállapíthatónak véltek.
Ez a méret a relativitási elmélet alapvető egyenleteiből azzal a feltevéssel adódott, hogy a világegyetem egyensúlyban van. Minthogy a kérdés nagy érdeklődést keltett, mások is foglalkoztak vele, közöttük De Sitter arra a meggyőződésre jutott, hogy más egyensúlyi megoldás is nyerhető, ha Einstein felfogásától eltérőleg a téridőt olyan sokaságnak tekinti, amelynek minden anyagtól függetlenül már önmagában véve is csekély görbülete van, amelyhez az anyagtól származó görbület hozzáadódik. Így alakult ki De Sitter gondolatvilágában
a róla elnevezett "üres világ", amelyben a tér gömbszerűleg, az idő pedig hiperbolaszerűleg görbül. E felfogás alapján De Sitter arra a következtetésre jutott, hogy a csillagködöknek egymástól távozniok kell.
Lemaître eszrevette, hogy a relativitási elmélet egyenleteinek egyensúlyi megoldása, amely szerint a világegyetem testei egyensúlyban és egymástól egyenlő távolságban vannak, nem maradhat meg állandóan, mert ezt az egyensúlyt a legkisebb zavar megbonthatja. Az Einstein-féle sztatikus és a De Sitter-féle üres világgal szemben tehát felállította a "kiterjedő világ"-ra vonatkozó elméletét. Megmutatta, hogy az általános relativitási elmélettel megegyezésben van a felfogás, amely szerint a világegyetem egyes testei folyton távolodnak egymástól vagy folyton közelednek egymáshoz, ami lényegében véve semmi más, mint a tétlenségnek megnyilvánulása. A csillagködök színképi vonalainak a vörös felé való eltolódásai Doppler elve alapján azt mutatták, hogy jelenleg a világegyetem táguló állapotában van, azonban lehetséges, hogy bizonyos maximum elérése után az összehúzódás állapotába megy át. Az Einstein-féle világ e táguló folyamatnak kezdő állapotát, a De Sitter-féle világ pedig annak végső állapotát mutatná. Lemaître megoldása nemcsak teljes megoldása volt a felmerülő nehézségeknek, hanem feleletet adott a régi kérdésre is, mi történik az energiával, amely a sugárzó csillagokból folyton folyvást ömlik bele a térbe? Az új elmélet nyilvánvalóvá tette a megállapítást, hogy a térbe ömlő energia a világegyetem adiabatikus tágulásához szükséges munkára fordíttatik.
Az észlelések az elméleti következtetéseket igazolták, mert azt mutatták, hogy a csillagködök annál nagyobb sebességgel távoznak tőlünk, minél nagyobb a távolságuk. Milne szerint a csillagködök nagy sebességgel mozgó testeknek képzelendők és így egészen természetes, hogy a világtérnek olyan helyein, ahol a gravitácionális vonzás elhanyagolható, tétlenségüknél fogva tőlünk távoznak.
A mindenség folytonos tágulásának tana is megerősítette a mindenség folytonos evolúciójának gondolatát. De a csillagászati észlelések és számítások is nyujtottak adatokat az evolúciós folyamatok gyanítására. A teleszkóp nagysága és a
vele látható csillagok száma között elméletileg jól megalapozott összefüggés van. Az erősen nagyító teleszkópon keresztül ugyanis két okból látunk több csillagot, mint szabad szemmel, vagy gyengébb messzelátóval, egyrészt, mert mélyebben hatol a térbe, másrészt mert gyengébb fényű csillagokat is észrevehetővé tesz. Tehát térnagyobbítólag és látáserősítőleg hat.
Ha a teleszkóp térnagyobbítása akkora, hogy a csillagvilág határán lévő csillagokat is láthatóvá teszi, akkor térnagyobbító ereje ki van merítve: újabb csillagokat nem térnagyobbítása, hanem csupán látáserősítése folytán mutathat. Az ismertetőjel arra, hogy csillagrendszerünk határát elértük, az lesz, ha a teleszkóp nagyságának fokozásával a látható csillagok száma nem növekszik oly mértékben, mint a kisebb teleszkópoknál. A csillagászok valóban azt tapasztalták, hogy a teleszkóppal látható csillagok száma bizonyos nagyságon túl sohasem éri el az említett összefüggés alapján kiszámított határt, hanem mindig azon alul marad, sőt a számított és tényleg meghatározott számok közötti különbség annál nagyobb, minél nagyobb a teleszkóp. Ebből arra következtettek, hogy a Tejútrendszer, amelyhez a naprendszer is tartozik, véges kiterjedésű. A csillagászok igen sok okot találtak annak megállapítására, hogy a csillagködök a világtérnek a Tejútrendszeren kívül fekvő részében vannak és hogy a Tejútrendszerhez hasonló, üres terekkel egymástól elválasztott csillaghalmazokat alkotnak. Minthogy a csillagködök rendesen gömb, ellipszoid, lapos korong alakot mutatnak, a csillagászok arra következtettek, hogy ezek a csillagevolúciós folyamatnak különböző fázisait tárják elibénk.
A Tejútrendszer csillagai a rendelkezésükre álló térben nagyjából egyenletesen vannak eloszolva és mozgási energiáik is nagyjából egyenlők. Ebből a tényből Jeans arra következtetett, hogy az egyenletes elosztódás evolúciós folyamat folytán jött létre, olyan módon, ahogyan a gázmolekulák is egyenletesen elosztódnak, ha bizonyos mennyiségű gázt üres térbe öntünk. Az idő, amely alatt e folyamat a gázmolekuláknál végbemegy, a kinetikus gázelmélet alapfogalmai alapján kiszámítva igen kicsinynek, a másodperc csekély törtrészével egyenlőnek adódik. Jeans a számítást analógia alapján a Tejútrendszer csillagaira is elvégezte és billió (*) esztendővel
(*) A "billió" az angolszász matematikai szóhasználatban ezermilliót jelent. [NF]
mérendő számot kapott. A Tejútrendszer evolúciója tehát ilyen óriási ideig tartana.
A geológia tapasztalatilag jól megalapozott felfogása szerint a Föld maga is külön evolúciós folyamatban vesz részt, amelynek eddigi tartama számára a geológusok saját adataik alapján jól egyező számadatokat nyertek. A fizikusok is többféle módon próbálták ezt az időt meghatározni. Halley a 18. század elején abból a felfogásból kiindulva, hogy a tengervíznek sótartalma a folyóvizek révén került oda, számította ki ezt az időt. W. Thomson ugyane célra a Föld középpontja felé való hőmérséklet-emelkedésnek mértékét vette alapul, mások ismét más adatokból indultak ki. A fizikusok általában mindig kisebb evolúciós időt kaptak, mint a geológusok. Végre a radioaktív jelenségek a fizikusoknak olyan számítási alapot adtak, amely a geológusok adatához vezetett el. A számítás abból a felfogásból indul ki, hogy a Föld valamikor izzóan folyós állapotban volt és hogy a felszínen lévő anyagok a folytonos hűlés folytán lassanként szilárdultak. A képződött sziklák sok helyen urán-elemet zártak be magukba, ez pedig az idők folyamán ólommá és más radioaktív termékekké alakult át. Az urán-elem mennyiségéből és ismeretes féléletidejéből, továbbá a mellette talált ólom mennyiségéből a Föld evolúciós ideje számára mintegy 1400 millió év adódott. Ez a szám természetesen az izzó folyós állapottól számított időt jelenti és így a Föld korának az alsó határát szabja meg. A naprendszer és az egész világegyetem korának ennél sokszorta nagyobbnak kell lennie. A Föld kora számára kapott szám tehát jól egyezett Jeansnek egészen más alapon nyert billió évével.
A csillagok maguk is az evolúciónak számos jelét mutatják. A több ezermillióra becsült csillagoknak közel egyharmada kettős csillag. Egy-egy ilyen csillagnak két része a gravitációs törvény szerint kering a közös súlypont körül és azt a gondolatot kelti, hogy valamikor egyetlen testben voltak egyesítve és hogy a mindenségben lefolyó közös evolúciós folyamat választotta őket szét.
A kibocsátott fény összetétele és az átmérő nagysága szerint a csillagok a normális csillagok, a vörös óriások és a fehér törpék csoportjába sorolhatók. A legtöbb csillag az első
csoportba tartozik; ezeknek fénye nagyjából ugyanolyan összetételű és átmérője ugyanolyan rendű, mint a Napé. Az aránylag kevés számú vörös óriások átmérője sok százszor nagyobb, a fehér törpéké pedig sok százszor kisebb, mint a Napé. E három csillagféleséghez negyedikül a "nova"-k, az új csillagok csatlakoznak. Időről időre ugyanis a csillagos égboltozaton a következő jelenség észlelhető: valamely gyönge fényű normális csillag fényerőssége néhány órára vagy néhány napra hirtelen sok ezerszer megnövekszik, hogy azután néhány év leforgása alatt eredeti gyönge fényerősségére sülyedjen vissza. Ez nem szórványos jelenség, hanem olyan, amely az egész csillagtérben mindenfelé előfordul, de nem volt megállapítható olyan szabály, amely mutatná, hol és mikor fog egy-egy "nova" képződni. Gyakorisága alapján azonban meg lehetett állapítani, hogy a csillagevolúció billió esztendős ideje elég hosszú arra, hogy minden normális csillag ezt az állapotot egyszer felvegye. A csillagászok a "nova"-képződésben csillagrendszerünknek jellemző evolúciós folyamatát látták, nem csoda tehát, ha igen gondos megfigyelő és gondolati munkával arra igyekeztek, hogy mibenlétét közelebbről megismerjék. Spektroszkópikus észlelésekből meg volt állapítható, hogy a nova-képződés alkalmával gázáramok dobatnak ki a térbe és hogy a kitörés után a nova nagy mértékben összehúzódik, anyagának mennyisége azonban nagyjából ugyanaz marad. A csillagászok abban a felfogásban vannak, hogy a novának kitörés utáni állapota egyezik a fehér törpék állapotával.
Sokáig kétséges volt, hogy ez a nagy érdekességű csillagevolúciós folyamat miben áll. Igen közel fekvő volt a gondolat, hogy két csillag összeütközésének a következménye, azonban az a körülmény, hogy az összehúzódás után a csillag tömege nagyjából ugyanakkora marad, mint volt az összehúzódás előtt, a feltevésnek ellenmondott. A novaképződés ugyanis a kettős csillagok között is előfordul és így az egyes részek tömege Newton gravitációs törvénye alapján a keringési időből meghatározható. A csillagászok a nova végső állapotának és a fehér törpéknek nagy anyagsűrűségét, amely a Földön ismeretes anyagok sűrűségét sok ezerszer felülmúlja, sokáig nem tudták megmagyarázni. A 20. században keletkezett új anyagelmélet azután megadta azokat az új gondolati
elemeket, amelyekkel nemcsak az óriási anyagsűrűség, hanem a novaképződés folyamata is meg volt magyarázható. A csillagászok szerint a normális csillagokban az anyag igen magas hőmérsékletú atomos állapotban van. Ebben az állapotában évmilliókon keresztül löveli ki magából a sugárzó energiát mindaddig, amíg valamely ismeretlen ok folytán el nem következik a nova-képződés ideje, amikor az anyagot alkotó atomok hirtelen szétesnek protonokra és elektronokra. Valamilyen, mindezideig ismeretlen kataklizmatikus eseménynek kell ezt gondolnunk, amelynek folytán minden atom és a csillag egész anyaga összeesik, a protonok és elektronok egyatomos gázokhoz hasonlóan óriási sebességekkel rohannak összevissza, nagy sebességük megakadályozza őket abban, hogy a lényegüket alkotó és elektromos vonzásnak engedve atomokká alakuljanak át. Azt kell tehát gondolnunk, hogy az anyag háromféle állapotban lehetséges: nagyon ritka atomos állapotban, sűrű atomos állapotban és egymástól független protonok és elektronok állapotában. Az első a vörös óriások őseredeti állapota, amelyből az anyag az evolúciós folyamat folytán folytonos összehúzódással megy át második állapotába, amelyben az atomok sűrűn, de nagy hőmérsékleten vannak egymás mellett. Ebben az állapotban vannak a normális csillagok, köztük a Nap is. De nem maradnak meg állandóan benne, az evolúciós folyamat ismeretlen okokból arra kényszeríti az anyagot, hogy bizonyos időben kataklizmatikus módon protonokra és elektronokra hulljon szét, ami a fehér törpék állapota.
A leghatalmasabb égi jelenség, amely szintén követelte az evolúciós folyamatokat, a csillagok sugárzása volt. Honnét származik az a roppant mennyiségű energia, amely a Napból és a csillagokból másodpercenként a térbe kisugárzódik? Robert Mayer az energia felismerése után mindjárt ki is tért e kérdésre s a feleletet a csillagokba hulló meteorok mozgási energiájában találta. Helmholtz a csillagok összehúzódásánál végzett gravitácionális munkát jelölte meg olyannak, amelyből a sugárzási energia származhatik. Mindezek az energiák azonban igen csekély tört részét adhatják csak a folytonosan kisugárzott energiának. Pedig abban az időben, amikor a csillagok felületi hőmérséklete még ismeretlen volt,
ez az energiamennyiség nem is becsültetett olyan magasra, mint ma.
A sugárzási törvények, különösen pedig Planck sugárzási formulájának megismerése után a felületi hőmérséklet néhány vörös fényű csillagnál 3.000, a normális csillagoknál pedig 5.000–7.000, a fehér törpéknél egyes esetekben 30.000 körüli értéknek adódott az abszolút 0 foktól számított hőmérsékleti skálán. A kinetikus gázelmélet törvényeinek alkalmazása továbbá ahhoz az eredményhez vezetett, hogy a hőmérsékletnek a csillag belseje felé fokozatosan növekednie kell és hogy a legtöbb csillag közepe táján 50 millió fok körüli hőmérsékletnek kell uralkodnia. A kvantumelmélet alapösszefüggései szerint ennél a hőmérsékletnél az atomoknak szét kell hullaniok protonokra és elektronokra, vagyis az anyagnak minden csillag középpontjában olyan állapotban kell lennie, amilyenben a fehér törpék egész tömege van. A számítás szerint a csillagok közepének minden térrészében az elektronok olyan óriási sebességgel rohannának és ütköznének, amilyennel rohannak és ütköznek a röntgen-csőben és így a csillag középpontja körül igen kis hullámhosszúságú és nagy rezgésszámú röntgen-sugarak keletkeznének, amelyek a csillag felszíne felé tartó útjukban folyton kisebb rezgésszámúvá válnának és amire felvergődnének a felszínre, rezgésszámuk a látható fény rezgésszámára kisebbednék le és ezzel menne ki a világűrbe.
De még ezek a magas hőmérsékletek sem adtak elég kiadós energia-tárházat ahhoz, hogy belőle a csillagok billió esztendőkön át sugározhassanak. Kitűnt továbbá, hogy a probléma akkor sem oldódik meg, ha a csillagokat csupa rádiummal töltenők meg. Ebben az esetben ugyanis a csillagok tömegének másfélezer év alatt felére kellene csökkennie, vagy pedig természetfölötti fűtőt kellene képzelni, aki valamilyen természetfölötti energiatárházból folyton újabb és újabb rádiummennyiségeket töltene a csillagok belsejébe.
Kitűnt tehát, hogy a Földön ismeretes leghatalmasabb folyamatok sem elegendő kiadósak ahhoz, hogy a Nap és a csillagok kisugárzott energiáját pótolhassák. Egyetlen lehetőség maradt még hátra, az, amelyet Einsteinnak alapfeltevése állapít meg, amely szerint a tömeg maga is óriási energiaforrás, amelynek mértéke a tömegnek és a fénysebesség négyzetének
szorzata (E=m×c2). Ez pedig azt jelenti, hogy a csillagok belsejében a tömegnek fokozatosan át kell alakulnia sugárzó energiává. A gondolatot Jeans dolgozta ki részletesebben.
Minő folyamattal semmisülhet meg az anyag? Az elméletek két lehetőséget mutattak. Az egyik lehetőség szerint a folyamat önmagától, a másik szerint igen magas hőmérséklet következtében jön létre. Az utóbbi lehetőség kvantumelmélet szerinti átszámítása azt az eredményt adta, hogy legalább 7 billió fok hőmérséklet volna hozzá szükséges. Ez a magas hőmérséklet azonban olyan hatalmas sugárnyomást szülne, amely a csillag anyagát a nehézségi erővel szemben szétszórná a világűrben. Maradt tehát az első lehetőség, amely szerint az anyagnak sugárzássá való átalakulása a hőmérséklettől függetlenül menne végbe. A csillagok belsejében az uránnál nagyobb atomsúlyú, bonyolódott atomszerkezetű, a Földön ismeretlen radioaktív anyagok volnának felraktározva, amelyek folytonosan kisebb atomokra esnének szét. A szétesésnek utolsó töredékei, a protonok és az elektronok sem maradnának meg, hanem egy-egy proton és egy-egy elektron a kölcsönös vonzásnak engedve fokozódó sebességgel egymásnak rohanna, elektromos töltésük megsemmisülne, egy villanás és egy pukkanás keletkeznék és a keletkező sugárzási energia igen nagy rezgésszámú fotonok alakjában rohanna tovább a térben. A hidrogén-atom tömege, amely egy elektronból és egy protonból áll, 1.66·10–24 gramm, ennek 0.0015 erg felel meg, amiből a kvantumelmélet szerint 1.3·10–13 cm hullámhosszúságú fotonnak kell keletkeznie. A megfelelő rezgésszám 29 oktávával magasabb, mint a vörös fényé, tehát a röntgen-fénynél, amely csak 9 oktávával magasabb a vörös fénynél, sokszorta nagyobb áthatoló képességű volna és így képes volna a csillag belsejéből fokozódó hullámhossznövekedéssel és rezgésszám-kisebbedéssel a csillag felszínére felvergődni és onnet mint közönséges látható fény szóródni szét a világűrben.
Jeans felfogása szerint a Földön tapasztalható kozmikus sugár is a hidrogénatom megsemmisüléséből keletkeznék. Felfogása mellett szól a tény, hogy a kozmikus sugár elnevezés alatt szereplő sugárösszeség legáthatolóbb része szintén 1.3·10–13 cm hullámhosszúságú fotonokból áll. Jeans úgy képzeli, hogy a kisebb sűrűségű csillagok belsejéből a foton
eredeti hullámhosszúsággal vergődnék fel a felszínre és haladna tovább a világűrben. Millikan ugyan igen erős érveket hozott fel az Eddingtontól és Harkinstól származó azon gondolat mellett, hogy a kozmikus sugár nem a hidrogénatom megsemmisülésénél, hanem olyan folyamatoknál keletkezik, amelyeknél a hidrogénatomokból héliumatomok és ezekből más nagyobb atomsúlyú atomok keletkeznek. Millikan a tapasztalatra hivatkozik, amely szerint a kozmikus sugár 10-szer áthatolóbb képességű, mint a gammasugár és a számadatok szerint a héliumnak hidrogénből való keletkezése alkalmából is ilyen áthatoló képességű sugárnak kellene keletkeznie. Hivatkozik továbbá arra, hogy a kozmikus sugárnál semmiféle irányt nem lehetett észlelni, minden égtáj felől egyforma mennyiségben jön, ami lehetetlen volna, ha az anyag megsemmisülése volna a forrása, mert akkor a kisebb sűrűségű csillagokból nagyobb mennyiségekben kellene jönnie. Arra is hivatkozik, hogy a kozmikus sugár társaságában nincsenek bétasugarak, már pedig ilyeneknek kellene lenniök, ha anyagban keletkeznék. Millikan felfogása szerint tehát a kozmikus sugár a csillagok közötti térben mindenütt keletkezik, ahol a csillagokból kiszóródott hidrogénatomok héliumatomokká és más súlyosabb atomokká alakulnak át. Az a vélemény is felmerült, hogy a világ a relativitás-elmélet által követelt tágulását valamikor robbanásszerűleg kezdte meg, amikor óriási energiamennyiségek váltak volna szabaddá és ennek maradványa volna a kozmikus sugár, amely a tér messze fekvő mélységeiből csak most érkezik el hozzánk. (*)
Az a kérdés is sokszor felmerült, mi történik a sugárzó energiával, amely folytonosan ömlik a térbe? Vannak tudósok, akik azt hiszik, hogy a sugárzó energia a tér bizonyos részeiben újból anyaggá sűrűsödnék, a fotonokból megint protonok, elektronok és atomok kristályosodnának ki, új csillagok támadnának. A mindenségben körfolyamatok folynának le, csillagok keletkeznének, élnének, sugároznának, eltűnnének, de sugárzási maradványaik újból tömörülnének, új fizikai folyamatok alakulnának ki bennük és így körforgásszerűleg folynának le az evolúciós folyamatok. A fizikusok és kozmológusok azonban általában más véleményen vannak.
A mindenség evolúcióján gondolkodó tudósok szelle-
(*) Ezek a gondolatok csekély módosítással mostanra már annyira elfogadottá váltak, hogy bármely tankönyvben megtalálhatók. [NF]
mében tehát a Földön ismeretlen lehetőségeknek igen nagy sorozata alakult ki. Kialakult a felfogás, hogy a világűr egyes csillagaiban rettenetesen nagy súlyú atomok lehetnek, sőt, hogy valamely csillag összes jelenlegi anyaga, tehát összes protonjai és elektronjai valamikor egyetlen szabályosan működő atomba is lehettek egyesítve, hogy ez valamikor nagy súlyú atomokra bomlott volna szét, hogy ezek is tovább bomolnának, hogy a földi atomok is ilyen magasabbrendű atombomlási folyamatoknak volnának a maradványai, hogy az atom széthullhatna egymástól független protonokra és elektronokra, ami az anyagnak legsűrűbb állapota volna, hogy a protonok és elektronok meg is semmisülhetnének és sugárzási energiává alakulhatnának át, hogy viszont a hidrogénből a tér bizonyos részeiben magasabb rendű atomok is képződhetnének, viszont más részeiben a sugárzási energia anyaggá sűrűsödhetnék és hogy a világűrben valamikor robbanásszerűleg tágulási folyamat kezdődhetett. Valamennyi folyamat a Földön ismeretlen.
Mindezeknek a lehetőségeknek a tekintetbevételével Jeans a világ keletkezésének folyamatát következőleg képzeli el. Kezdetben a mai világot alkotó összes anyag Riemann-féle csekély pozitív görbületű, határtalan, de nem végtelen térben egyenletesen volt eloszolva, valamennyi proton és elektron igen nagy atomsúlyú atomokban volt egyesítve és minden egyes atomban óriási mennyiségű energia volt felraktározva. Ez instabil alakzat volt, mert maximális potenciális energiával bírt, tehát benne meg nem maradhatott. A mechanika törvényei szerint ugyanis minden alakzat olyan állapot felé törekszik, amelyben a potenciális energia minimum [minimális]. A világban valami módon osztódások kezdtek fellépni, az egyenletes elosztódású anyag egyes sűrűsödési középpontok körül kezdett tömörülni, aminek folytán a világ anyaga abba a mintegy 2 millióra tehető csillagködbe vált szét, amelyek mai ismereteink szerint a mindenséget alkotják, hozzájuk számítva a Tejútrendszert is, amelybe mi tartozunk.
A gömbalakú csillagködök azután valami módon forgásba is jöttek, miközben anyaguk a nehézségi erő működése következtében összehúzódott. A csillagködök mindig kisebb és
kisebb méretre húzódtak össze, forgási sebességük folyton növekedett, a forgás következtében fokozatosan laposabbakká váltak, végre lencseszerű alakot vettek fel. Ez nem stabilis alakzat, tehát az egyenlítő tájáról, vagyis arról a helyről, ahol a két gömbsüveg érintkezik, az anyag kezdett a térben szétfreccsenni olyan módon, ahogyan a gyorsan forgó kerékről szétfreccsen a sár. A kifreccsent óriási anyagcseppek bizonyos középpontok körül. kezdtek összesűrűsödni. A csillagködök kezdetbeli egy tömeget alkotó anyagából így születtek meg a különálló csillagok és így született meg a Nap is.
A megszületett csillaggömb tengelye körül tovább forgott és a nehézségi erő működése következtében összehúzódott. A folyamat megismétlődött. Az összehúzódás miatt folyton nagyobbá vált a forgási sebesség és a centrifugális erő. A gömb lapossá, ellipszoid alakúvá kezdett válni. Minthogy azonban az anyag immár sokkal sűrűbb volt, mint a kezdetbeli csillagködben, sőt talán már folyékonnyá is vált, a további lehetséges alak nem a lencse-alak volt, hanem a háromtengelyű ellipszoid, majd a hosszúkás szivaralak, amely a középpontján átmenő hosszirányára merőleges tengely körül forgott. Ebben az alakban a növekedő forgási sebességnél begyüremlések támadtak, amelyek folyton nagyobbakká váltak, végre az egész anyag két részre vált szét, amelyek a közös súlypont körül keringtek tovább. A fellépő dagálysúrlódás a két csillagot folyton távolította egymástól. Így születtek meg a kettős csillagok.
A naprendszer nem úgy keletkezett, mint a kettős csillagok. Jeans az okok egész sorozatát sorakoztatja fel, amelyekkel bizonyítani akarja, hogy a naprendszer csak egészen kivételes módon keletkezhetett. Felfogása szerint kivételesen előfordulhatott az az eset, hogy két csillag egymáshoz igen közel, körülbelül három átmérő távolságnyira jutott. A Newton-féle tömegvonzási törvény alapján végzett mathematikai analízis ugyanis azt mutatja, hogy minden tömeg körül ebben a távolságban veszedelmes zóna van, amelyben a dagályt képző erők igen nagy értékeket vehetnek fel. Jeans tehát felteszi, hogy valamely ismeretlen zavaró csillagnak ebbe a távolságba való jutásakor a Nap eredeti tömegében ilyen dagályhullám keletkezett, amely óriási heggyé növekedett és
végül szétfreccsent a térben és anyagából kialakultak a bolygók, a zavaró csillag pedig eltávozott és a Tejútrendszer többi csillaga közé keveredett. Ezzel a felfogással Jeans a naprendszer egyes különlegességeit meg tudja magyarázni, például azt, hogy naprendszerünkben miért legnagyobbak a középső és legkisebbek a szélső bolygók, miért legsűrűbbek a belső és legritkábbak a külső bolygók, miért van a külső bolygóknak sok kicsiny holdjuk és a Földnek egy, aránylag igen nagy Holdja.
Holdunk a Föld tömegéből valószínűleg akkor vált le, amikor ez már folyós állapotban volt és pedig úgy, hogy a Nap vonzása következtében óriási dagályhullám keletkezett a Földön, és leszakadva róla a Hold tömegébe tömörült össze. Saturnus gyűrűje valamikor szintén egyetlen hold volt, amelyet a dagályt alkotó erők a veszedelmes zónába való jutásakor darabokra téptek szét és ezeket egykori pályája mentén szétszórták. A Mars és a Jupiter között lévő sok száz apró bolygó valamikor szintén egyetlen bolygótestet alkotott, de ez a Jupiter veszedelmes zónájába kerülvén, kisebb-nagyobb darabokra tört szét. Az augusztus és november hónapokban megjelenő meteorok valamikor szintén egységes bolygót alkottak, amelyet Jupiter és a Nap közös vonzása tört szét.
A legnagyobb gondot annak a kérdésnek eldöntése okozta, hogy a világ mikor kezdett el tágulni. A kozmológusok többsége abban a véleményben van, hogy kezdetben a csillagködök csillagai össze voltak keveredve. Ilyenkor egyes csillagok sokszor juthattak egymás közelébe és így a naprendszer még ebben az összekevert állapotban keletkezhetett. Azután ismeretlen okból megkezdődött az egyes csillagködöknek rakétaszerű szétválása. Ez idő óta a csillagködök folyton távoznak egymástól és egészen természetes, hogy a legnagyobb sebességű csillagköd van tőlünk legmesszebb.
A jövőre vonatkozólag a kozmologikus elméletek következő jóslásokat adják. Az bizonyosnak látszik, hogy a dagálysúrlódás miatt a Föld folyton távozni fog a Naptól, billió esztendő mulva már 10%-kal lesz nagyobb távolságra, mint most. Ebben az időben a nagyobb távolság és a Nap sugárzásának csökkenése miatt mintegy 30°-kal alacsonyabb lesz az átlagos földi hőmérséklet, a tengerek befagynak, az élet lehetetlenné válik és Vénus lesz a földi élethez hasonló életre leg-
alkalmasabb hely. Megtörténhetik azonban az is, hogy a Nap a nova-khoz hasonló állapotba fog jutni, amikor össze fog esni, sugárzása sok ezerszer megnövekszik, ami az életet a Földön megsemmisíti, utána pedig sugárzása olyan kicsinnyé válik, hogy a levegő is folyósodik és megfagy.
Jeans szerint mindezektől függetlenül az egész világűrben folytatódik az anyagnak sugárzássá való átalakulása.
Minden atom a maga energiatartalmát lassanként kiüríti a térbe és megszűnik. A csillagok folyton kisebbekké lesznek, a tér pedig folyton növekszik. Az anyag is és a sugárzó energia is szétszóródik a térben és elértéktelenedik. A végső állapotban lesz egyetlen óriási üres világtér, benne egyenletesen elosztott sugárzási energiával.
Arisztotelesz világfelfogásában az égitestek örökké változatlanok voltak. Ez a felfogás a 18. század közepéig maradt meg, amikor az emberi ész apróbb-nagyobb folyamatokat kezdett bennük észrevenni, azonban az atomok ebben a korban is és később is egészen a 19. század végéig a mindenségnek utolsó változatlan kövei maradtak. A 20. század felfogása szerint az égitestek is, az atomok is valamikor születtek, élik evolúciós életüket, végül meg fognak halni. A világ-gépezet, amelyet valamikor ismeretlen valaki felhúzott, végül le fog járni, a teremtés elfogja érni célját és fel fog oldódni a nirvánában.
Ha már most ezeket a gondolatokat értékelni akarjuk, mindenekelőtt apróbb-nagyobb logikai és fizikai hiányokat és ellentmondásokat fedezhetünk fel bennük. Nincs kielégítő magyarázat arra, hogyan kezdődött a forgás. Nem tudjuk megérteni, miért kell a naprendszert a csillagos ég kivételes esetének tekinteni, hiszen nyilvánvaló, hogy eddigi megfigyelő eszközeinkkel a sötét égitesteket nem láthatjuk és így arról, hogy az önvilágító csillagok mellett nincsenek-e a Földhöz hasonló sötét égitestek, ítéletet nem mondhatunk. Gondolatvilágunkba sehogysem illik bele a megállapítás, hogy bolygórendszerünk kivételes és esetleges tünemény, hogy mi magunk is a kozmosznak véletlen szülöttei vagyunk. Amikor azokból az elemekből, amelyeket a körülöttünk lévő világ nekünk ád,
mi magunk alkotjuk meg a világképet: nagy ellenmondás az, hogy ebből önmagunkat kizárjuk. Ilyent csak akkor volna szabad tenni, ha a tapasztalatoknak és a kényszerítő erejű következtetéseknek egész sora tenné ezt elkerülhetetlenné. De még ebben az esetben is kirívó és a legnagyobb mértékben nyugtalanító volna.
A részletkifogásoktól azonban tekintsünk el és tegyük az alapgondolatokat egészen általános vizsgálat tárgyává. Rögtön szemünkbe tűnik, hogy e kozmológiák a legszélsőségesebb spekulációknak az eredményei és hogy nemcsak, hogy ingatag az alap, amelyen nyugosznak, hanem sokszor nincs is semmi alapjuk. Jeans kiindulási pontja és legtöbb bizonyításában végső argumentuma az a megállapítása, hogy a csillagevolúciónak sok billió esztendeig kellett tartania. Ezt a megállapítását abból a feltevésből nyerte, amely szerint a mindenség csillagai a gravitációs erő hatása alatt a világtérben ugyanolyan módon rendeződtek el, ahogyan a gázmolekulák a folytonos összeütközések folytán, ha bizonyos mennyiségű gázt üres térbe öntünk. Eltekintve attól, hogy a molekulák és összeütközéseik nem észlelhető dolgok, a csillagok pedig észlelhetők: kérdeznünk kell, hogyan lehetséges a gázmolekulák másodpercnél jóval kisebb elrendeződési idejéből a csillagok sok billió esztendőt kitevő elrendeződési idejére következtetni? És ha erre a kérdésünkre feleletet nem ss várunk, kérdeznünk kell: ki, hogyan és miként öntötte a csillagok anyagát bele a világtérbe?
Nyilvánvaló, hogy az itt használt fogalmak és tételek rettenetesen nagy extrapolációknak az eredményei. Tudjuk, hogy a hőmérséklet fogalma már a közönséges tapasztalat körében is emberi önkényeken és semmivel nem bizonyított extrapolációkon alapszik. Ebben a körben azonban ezeket számításba tudjuk venni, de az 50 millió vagy 7 billió foknyi hőmérséklet olyas valami, aminek semmiféle fizikai jelentést adni nem lehet. (*) A csillagok távolsága és átmérője is csak óriási extrapolációval határozható meg. A Naphoz közel fekvő csillagok távolságának meghatározása is már nagyon körülményes és sok korrekció tekintetbevételét teszi szükségessé. A távolabb fekvő csillagok távolságának meghatározása az észlelhetőség határa körül mozog és csak bizonyos feltevések
(*) Az ilyen magas hőmérsékleteket az anyag részecskéinek átlagos sebességéből (és mozgási energiájából) számolják ki. [NF]
alapján lehetséges. Még körülményesebb a csillagok átmérőjének a meghatározása. A látszólagos fényerősségből és az ismeretes távolságból először a kisugárzott energiát kell kiszámítani, ami már bizonyos extrapolációval jár. Azután spektroszkopikus észlelések alapján Planck sugárzási törvénye szerint a felületi hőmérsékletet kell kiszámítani, ez a lépés is csak nagy mértékű extrapolációval lehetséges. A kibocsátott energia és a felületi hőmérséklet ismeretéből azután meghatározható az átmérő. Ha tekintetbe sem vesszük azokat az ismeretelméleti kétségeket, amelyek Euklidesz geometriájának a makrokozmoszra való alkalmazhatósága tekintetében fennállanak, még akkor is nyilvánvaló, hogy a Tejútrendszer távolabb fekvő csillagaira és a csillagködökre vonatkozó számadatok nagyon kétséges eredetűek. Az extrapoláció még merészebb szökdeléseket tesz, amikor a csillagokban lévő anyagokról van szó. A rádium sugárzása tapasztalati jelenség ugyan, de már e folyamatok leírásában is messze menő extrapolációk csúsztak be. A földi laboratóriumokban meglévő mintegy 200 grammnyi rádiumra vonatkozó imbolygó tapasztalatokból a kozmológusok képzelete anyagokat teremtett, amelyeknek atomsúlya sok ezerszer nagyobb, mint a földi elemeké, vagy amelyekben az atomok protonokra és elektronokra vannak szétesve, további folyamatokat gondolt ki, amelyekben az anyag megsemmisül, hogy belőle sugárzás keletkezhessék. Mind olyan képzetek, amelyek a megfogható reálitástól rettenetesen messze esnek.
A világegyetem folytonos tágulásának gondolata az általános relativitási elmélet egyik legegyszerűbb, de kétségkívül legmerészebb következménye, amely szintén rettenetes nagy extrapolációkon alapszik. Tudnunk kell, hogy a csillagködök tőlünk való távozásának megállapítása az észlelés határa körül mozog. A csillagködök legnagyobb része ugyanis oly messze van tőlünk és fényerősségük olyan csekély, hogy a színképi vonalaknak a vörös felé való eltolódását a teleszkópra erősített spektroszkóp fényérzékeny lemezének több napig tartó expoziciójával lehet csak megállapítani. Még nagyobb nehézséget okoz a csillagködök távolságának meghatározása, amit csak bizonyos feltevések alapján lehet elvégezni. A további kérdés az, vajjon a színképi vonalaknak a vörös felé
való eltolódása, amiből Doppler elve alapján a távozásra következtetünk, csakugyan a távozásnak tulajdonítandó-e és nem lehetne-e azt más, természetesebb és közelebb fekvő módon is megmagyarázni? Kétségtelen azonban, hogy az a gondolat, hogy mi oly világegyetemben élünk, amelynek határai végesek ugyan, de folytonosan és igen nagy sebességgel növekszenek, a 20. század makrokozmikus fizikájának egyik legérdekesebb gondolata.
De ha mindezektől a logikai és ismeretelméleti kifogásoktól teljesen el is tekintünk és a kozmológiák számára kigondolt fizikai folyamatokat reális alapúaknak is fogadjuk el: akkor is észre kell vennünk, hogy a kitűzött cél nincs elérve. A kozmológusok a világ keletkezését akarják megmagyarázni és ebből a célból felteszik, hogy az anyag részecskéi a világ kezdetén a maximális energia-felhalmozódás állapotában voltak. Ez más szóval azt jelenti, hogy a világ valamikor energetikai szempontból tökéletes állapotban volt. A kozmológiák tehát fizikai nyelvre fordítják át a régi aranykorról és a paradicsomról szóló legendát. Azt a képzetet keltik, hogy valamikor valaki, aki ismerte azokat az anyagkonfigurációkat, amelyekben a legnagyobb energiamennyiség felraktározható, az anyagot ebbe az állapotba hozta, tehát a mindenséget, mint valami órát felhúzta. E megoldással egy megoldatlan kérdés helyett más, még nehezebben megoldható kérdés teremtődött: mely okból és milyen módon jutott a világmindenség valamikor a maximális energia-felhalmozódás állapotába? (Így tűnik fel, mintha a kozmológusok nagyon nekigyűrkőzve meg akarták volna mutatni, hogy a létező világ keletkezését teremtő aktus nélkül is meg tudják értetni, de aztán e nekigyűrkőzésnek siralmas vége lett, mert az, amit alkottak, még jobban kiabál a teremtő után, mint a valóban létező világ.
Nekünk, akik a fizika gondolatvilágának semmi másra vissza nem vezethető végső elemeit keressük, e kritikával sem szabad megelégednünk, hanem még mélyebbre kell ásnunk, analízisünket még mélyebbre kell süllyesztenünk, ha meg akarjuk érteni, mely alapokon szerkesztődtek meg e koz
mológiák. Senki kétségbe nem vonhatja, hogy Jeans és a többi kozmologusok tudós fizikusok, akik a fizikai tényeket, elveket, törvényeket, gondolatfolyamatokat jól ismerik és következtetéseiket azok szerint végzik el. Lehetetlen tehát, hogy eljárásuk alaptalan és céltalan lenne. Lehetetlen, hogy e kozmologikus törekvések mögött, tudat alatt mély meggyőződések ne lappanganának, amelyek nemcsak a kozmologiáknak, hanem általában a fizika-gondolatvilágnak is alapját alkotják.
Nem nehéz észrevenni, hogy a háttérben az az ősrégi axioma húzódik meg, amely szerint a mindenség összefüggő zárt egységet alkot, és hogy ez mint valami élőlény éli a maga életét, minden rész a maga külön folyamatait az egész céljának, rendeltetésének és törvényeinek rendeli alá. Már az ős hindú kultúrában kialakult e gondolat s majd vallásos, majd filozófikus, majd költői alakot vett fel. Innét átszármazott Görögországba, ahol a természetfilozófusok gondolkodásának lett az alapjává. Az arisztoteleszi világnézet azonban az Ég és a Föld külön fizikáinak megalkotásával épen az ellenkező álláspontra helyezkedett, az örök igazságok tanának megalkotásával pedig egy új világnézet termékeny talaját készítette elő. Ezen az új talajon nőtt nagyra a keresztény vallás és filozófia, amely egyszerű teremtési aktusával a mindenség egységének gondolatát megsemmisítette. Az arisztoteleszi és a skolasztikus világnézetek rombadőltével azonban a megsemmisült gondolat újból életre kelt. Kepler, Galilei, Huygens, Newton szellemi világában kialakult az egységes, mindenütt egyforma világtér fogalma, amelynek méreteit Euklidesz geometriája határozza meg, kialakult az egységes kozmikus világ-idő folyamatának fogalma, amelyre minden változást vetíteni kell és ezek alapján kialakult az alapaxioma, amely szerint a mindenségben csak egységes törvények uralkodhatnak. Ez időtől fogva mostanáig minden fizikai megismerés ez axioma alapján sorozódott be szellemi világunkba, az égi és földi mozgások számára egységes törvények kerestettek, a nehézségi erő és a tétlenség törvényei a mindenség minden részében alkalmaztattak, minden fizikai jelenség e gondolatnak rendeltetett alá és agyunkban a fogalmaknak egész sora alakult ki, hogy az alárendelődés lehetséges legyen. Nem csoda tehát, ha a 18. század folyamán determinisztikus világnézet fejlődött
ki és ha kiváló elmék újból kozmologiák alkotására tértek át. A 19. század folyamán keletkezett kísérleti kutatások ugyan folyton újabb és újabb természetű tényeket tártak fel, amelyek a mindenség egységének gondolatával ellenkezni látszottak, azonban az energia megmaradásának és szétszóródásának elve, a kinetikus hő- és elektromosságelmélet az egységet újból helyreállította. A diadal a relativitási elméletben vált teljessé, mert ez az elmélet dacára annak, hogy a mindenütt egyforma világtér és világidő fogalmát kiküszöbölte, a mindenségből mégis egységes mathematikai törvény szerint működő merev gépezetet csinált. A kvantummechanikában is uralkodik a mindenség egységességének a gondolata, itt a mindenség minden részében a véletlen szerint létrejövő ugrások képezik azt a gépezetet, amely a világ minden történését egységes elvek alapján előállítja.
A sok siker után a fizikusok elbizakodottakká váltak és a mindenséget teljesen önmaguknak foglalták le. Gondolatvilágukban a mindenség nem az összes tapasztalható, hanem csupán csak a fizikai dolgoknak az egysége lett. Ki van zárva belőle a szerves, a növényi, az állati és a szellemi élet. Ahogyan a magas hegycsúcsokon élő ember csak hómezőket és kősziklákat lát, azonosképen a fizikusok, akik folytonosan csak a maguk absztrakt fogalmi világával foglalkoznak és a csillagászok, akik folytonosan a világűrbe meresztik szemüket, csak a fizikai világot látják. Ennél fogva kialakult és mélyen meggyökerezett lelkükben a hit, hogy a mindenség sorsát kizárólag a fizikai törvények határozzák meg. Ez a hit vitte őket arra, hogy a naprendszer születése számára véletlenül bekövetkező, esetleges és kivételes folyamatot eszeljenek ki. Ugyanez okból tartják a szerves életet a mindenség ritka, esetleg csak a Földön lehetséges és egyedülálló tüneményének. Ezért lett a szellemi élet csupán csak a szénvegyületek sokféle módon létrejöhető molekula-képződéseinek véletlen eredménye, aminek a mindenség életéhez semmi köze nincs. A fizikusok nagyon jól tudják, hogy a szerves élet és a szellemi élet feltételezésével a fizikai hatók uralmát a mindenségben nem lehetett volna fenntartani és a mindenség jövőjét fizikai törvények alapján nem lehetett volna megállapítani. Az élet áthúzta volna a fizikusok következtetéseinek alapját.
Ha analízisünket még mélyebbre süllyesztjük és lelkünket megszabadítjuk a mindenség fizikai voltának hitétől, akkor megtaláljuk a második alapaxiomát is, amely a kozmologikus elméletek hátterében meghúzódik. Ez semmi egyéb, mint a hőelmélet második főtételének, vagyis az energia folytonos szétszóródásának általános érvényességében vetett hit. Az elv a fizikai jelenségek általános szemléletéből absztrahálás útján alakult ki. Az entropiafogalommal az elv csak célszerű mathematikai fogalmazást kapott, de új megismerési alapra nem tett szert. A kinetikus hőelmélet azzal, hogy a rendezetlen molekuláris mozgásoknak nagyobb valószínűséget tulajdonít, mint az egyirányú molekuláris mozgásoknak, ugyan újabb elméleti alapot igyekezett szerezni, de ennek sincs nagyobb bizonyító ereje, mint magának a tapasztalatnak. Az kétségtelen, hogy a tétel a közvetlen tapasztalat alá eső fizikai jelenségek körében általánosan érvényes. A fizikusok azonban nem elégedtek meg ezzel, hanem érvényességét kiterjesztették az egész mindenségre, tehát a szerves életre is. Ezzel olyan gondolati ugrás történt, amelynek helytelensége nyilvánvaló. A növények a légkörben lévő széndioxidot alkatrészeire választják szét és a szenet felraktározzák. Ugyancsak a növények révén az anyag a talajból felemelkedik és helyzeti energiát nyer. A korallok a tenger vizében feloldott kalcium-vegyületekből hegyeket építenek. Nyilvánvaló tehát, hogy itt az energia szétszóródásának elve nem érvényes. A szerves életet ugyan mindig a halál váltja fel, de a halálból mindig új élet fakad. Az energia tehát ez esetben ciklikus átalakulási folyamatokon megy keresztül. Az élet jelenségei ezen kívül az egyszerű organizációból a magasabb, a bonyolódottabb organizáció felé való haladást mutatják. A mindenségben két egymással ellentétes világfolyamat folyik le: a fizikai folyamat, amely a bonyolódottabb organizációtól az egyszerűbb felé és a szerves folyamat, amely az egyszerűbb organizációtól a magasabb organizáció felé halad. A fizikai folyamatok lefelé, a szerves folyamatok felfelé irányulnak. A fizikai világban szétszóródó energia az élet világában megint magasabb hatásképességet nyer. Az elértéktelenedő fizikai energia az élet világában értékessé válik. Az élet, miként a főnixmadár, a széteső fizikai világ poraiból támad fel.
Nyilvánvaló, hogy az energia szétszóródásának tétele a szerves világban nem érvényes, sőt itt épen az ellenkezője igaz. Ezt a tételt tehát csak úgy lehet a mindenség legfőbb törvényének tenni meg, ha feltesszük, hogy a mindenségben a szerves és a szellemi élet kivételes, ritka és az egész mindenséghez képest elenyésző tünemény. A mai kozmologiáknak és a mai fizikai világfelfogásnak legmélyebben fekvő alapját ez a feltevés alkotja. De ha ezt a feltevést elfogadjuk, akkor azt a feltevést is el kell fogadnunk, hogy valamikor valamely magasabb fokú értelmiség a mindenség anyagát a legnagyobb energia-felhalmozódás állapotába hozta és ezzel a mindenséget mint valamely gépezetet felhúzta. Csak e feltételek mellett szóródhatik szét az energia az idők folyamán folytonosan mindaddig, amíg a világgépezet le nem jár, hacsak a feltételezett magasabb értelmiség a gépezetet időközben megint fel nem húzza. Nyilvánvaló, hogy ez a világfelfogás igen nagy ellenmondást rejt magában, mert amikor felteszi, hogy a mindenségben csak fizikai törvények uralkodnak, felfogásának következetes és logikus kiépítése céljából azt is fel kell tennie, hogy a mindenséget valamikor nem fizikai törvények, hanem ismeretlen szellemi erő hozta kezdő állapotába és erről is fel kell tennie, hogy eredeti szerepével ellentétben a mindenség egy részében olyan viszonyokat hozott létre, amelyek a fizikai törvényeket nem követik.
Ha következetesen és logikusan akarjuk a mindenségről való felfogásunkat kiépíteni, azt a hipotézist, hogy a mindenségben csak fizikai törvények uralkodnak, el kell vetnünk és tiszta tapasztalati alapra kell helyezkednünk, amely világosan mutatja, hogy a mindenségnek hozzánk legközelebb eső részében a szerves és szellemi életnek igen nagy szerepe van. E felfogás elfogadásával az energia folytonos szétszóródásának tétele puszta bálvánnyá válik, amelynek megdőltével a mai kozmologikus elméletek is megdőlnek és szabaddá lesz a tér új kozmologikus gondolatok szamara.