A kvantummechanika esetében cserbenhagy a fantázia

Az első atomfogalom Démokritoszé, aztán jött Dalton, majd a Thomson-féle pudingmodell, Rutherford a naprendszerre hajazó elmélettel és Niels Bohr az elektronhéjakkal. Sokat változott az atomokról alkotott képünk, és viszonylag gyorsan. Mi történt közben?

Az első atommodellt kémiai mérések alapján alkották meg. Kiderült, hogy valóban léteznek atomok, ahogy arra is rájöttek, hogy valamilyen értelemben oszthatatlan, de változni képes, például ahogy ma már tudjuk, kémiai kötéseket hozhat létre. Azt viszont nem tudtuk, hogy ez az atom hogyan néz ki. Óriási előrelépést jelentett Rutherford, aki kíváncsi volt, hogy mekkora méretű az atomban lévő kis pozitív töltés. Nagy energiájú radioaktív sugárzással besugárzott egy aranyfóliát, és azt tapasztalta, hogy néha visszapattan az atomokról. Azt a fontos következtetést vonta le, hogy az atomnak van atommagja, amelyben az összes pozitív töltés megtalálható, itt sűrűsödik össze az atom szinte teljes tömege, és sokkal kisebb, mint az egész atom. Az összes tudományág jellemzője, hogy az ember a válaszok megtalálása után még több kérdést tesz fel. Miután Rutherford be tudta bizonyítani, hogy létezik atommag, újabb kérdések maradtak: miért van ott körülötte az elektron?

Tehát az atommag csak az atom kis részét foglalja el: azon kívül a semmiben keringenek az elektronok? Tehát mi magunk is nagyrészt semmiből állunk?

A válasz az, hogy igen. De máris itt az újabb kérdés: miért látszik ez nyilvánvalóan másnak? Lépjünk egyet hátra. A tudomány kérdésekre próbál felelni, amelyeket a világról való tudásunk mellett saját elképzeléseink és világképünk is befolyásolnak. A kultúra és a tudomány nagyon szorosan összekapcsolódik, az atomok felfedezése egy olyan kulturális időszak elején történt, amikor az emberek meg akarták érteni a természetet. Kialakultak a tudományos alapelvek, fel lehetett tenni a kérdéseket. Az egyik alapelv, hogy nem kell mindig a szemünknek hinnünk, nem szabad, hogy a képzelet korlátozzon bennünket. Amikor a Föld-központú világkép kialakult, fel sem merült, hogy más lehet a valóság. Eltartott egy ideig, míg rájöttek, a természet furcsán tud megjelenni. Az elektromosság felfedezése elvezetett bennünket egy olyan tapasztalati törvényhez, amely szerint az idő nem egy egyenletesen telő folyamat.

Mostani elképzeléseink szerint rettenetesen üresek vagyunk, hihetetlenül kevés anyag van bennünk. Az atommagok rendkívül picik, méretarányosan mintha egy gombostűtől több száz méterre lenne a következő. A közöttük található elektronok tartják egymástól távol az atommagokat, és stabilan az egész rendszert. Például ebben a pillanatban is a világűrből származó kozmikus részecskék mennek keresztül rajtunk, legtöbbjük mindenféle akadály nélkül. A tömörnek gondolt anyag valójában rettenetesen üres. Azért érezzük sűrűnek, mert az elektronok nem engedik, hogy az egyik tárgy keresztülmenjen a másikon.

A kutatók olyan emberek, akik az átlagosnál véletlenül kíváncsibbak és az átlagosnál véletlenül képzettebbek. Valaki jókor van jó helyen, eszébe jut valami, és hirtelen kinyit egy kaput, megértünk valamit. Mikor kiderült, hogyan néz ki az atom, elindult egy gondolkodási folyamat: Rutherford elmélete után aránylag gyorsan kialakult az atomról alkotott helyes kép, kiderült, hogy az atommag a pozitív töltések egészét tartalmazza, ahogy az is, hogy az elektrontöltés mínusz hányszorosa a pozitív töltésű atommag: ez pedig a rendszám, amely alapján felépül a periódusos rendszer. 

A periódusos rendszer elemeinek számához képest többszörös az atommagok fajtáinak száma. Hogyan lehetséges ez?

Az atommag pozitív töltése, azaz rendszáma határozza meg, milyen kémiai folyamatokban fog részt venni. Még jó ideig tartott, míg a kutatók észrevették, hogy az atommagban a proton mellett nulla töltésű neutronok is vannak, ráadásul ezek kapcsolatban vannak egymással. Olyasmi, mint a kémiai kötés, csak az atommag alkotórészei között zajlik. Az alkimisták abban reménykedtek, hogy aranyat tudnak csinálni, de gyorsan kiderült, hogy kémiai módszerekkel lehetetlen. Mit lehet tenni?

Vannak olyan anyagok a Földön, amelyeknél az atommag elég gyengén kötött állapotban van, ezért hajlandó szétesni. A Napban is hasonló folyamatok zajlanak le a másik irányban: annak köszönhetjük a fényét, hogy az atommagok egymásba alakulnak. A hidrogén négy atommagja – protonok – héliumatommagot alkot, amelyben két darab proton és két darab neutron van. A folyamat során keletkezik még pluszban két elektron, hogy a töltés ki legyen egyenlítve, és az egész tipikusan milliárd évekig tart. Ez a nagyon finom kiegyensúlyozott folyamat rengeteg energiát termel. Elég arra, hogy a Nap mostani teljesítménnyel évmilliárdokig világítson. Ha egy atommag viszont túl nagy, akkor széteshet, és szintén energia nyerhető belőle.

Ha jól tudom, a Napban lejátszódó folyamat a fúzió. Ha már bölcsek köve, egy ideje hasonló kontextusban emlegetik a fúziós reaktorokat.

Amikor gyerek voltam, nagyon érdekelt a téma, és mindenki abban reménykedett, hogy húsz-harminc év múlva fúziós reaktorok fogják hajtani a világot. Hihetőnek hangzik, mert atomreaktorokat is sikerült építeni, és működnek is, de kizárólag a nagy atommagok széthasadására alapozva. Azt tudjuk, hogyan lehetne megismételni a Napban zajló folyamatokat – pici atommagokat összerakni egy nagyobb méretű atommaggá úgy, hogy energiát termeljen –, viszont technikailag egyelőre képtelenek vagyunk megcsinálni. Nagyon magas hőmérsékleten kell egyben tartanunk atommagokat, és ha ez elég sokáig fennáll, akkor beindul a folyamat. A Napban erre idő is van – milliárd évek –, és akkora a mérete, hogy a saját súlya összehúzza a közepét, ahol rettenetesen nagy nyomás és hőmérséklet uralkodik. A Földön problémás mindezt előidézni. De ha egyszer sikerül, akkor vélhetően megoldást jelent az emberiség számára. Érdekes kérdés, hogy a fúziós reaktorok be tudnak-e majd indulni, és hogyan.

Létezik alfa-, béta- és gamma-sugárzás, valamint kozmikus háttérsugárzás is. Mi a különbség köztük?

A radioaktivitás egy összetett jelenségkör többféle megjelenési formája. Annak köszönhető, hogy bizonyos atommagok nem stabilak, időnként szeretnének alacsonyabb energiaállapotba kerülni. Léteznek olyan atommagok, amelyek nagyon rövid életűek – a Földünkön természetes állapotban nem is találhatók meg, mert már elbomlottak. Gyakran ez több lépésből áll, aminek a vége egy stabil mag: például az ólom, amiből ezért aránylag sok van a Földön.

Van néhány hosszú életű instabil mag is, például az urán: kétféle neutrontartalommal, 235 és 238-as tömegszámmal. Utóbbiból ugyan több van, de nem alkalmas reaktorok üzemeltetésére. Uránbányászat után ketté kell választani az izotópokat, ami nem egyszerű feladat, mert kémiailag nem különböznek, ehhez kellenek a hírekben időnként emlegetett uráncentrifugák. A 235-ös urán bomlási felezési ideje hétszázmillió év. Ha egymilliárd helyett kétmilliárd év alatt fejlődtek volna ki az első sejtes életformák, akkor szinte képtelenek lennénk atomreaktorokat üzemeltetni, annyira kevés lenne az urán. Ha az evolúció kicsit belehúzott volna, akkor pedig annyi lenne belőle, hogy középkori módszerekkel atombombát lehetne építeni. Sőt léteztek kétmilliárd éve természetes atomreaktorok, ahol az uránérc talajvízzel találkozott: az ilyen területeken mostanra kevesebb a 235-ös urán.

Az alkimisták aranyat szerettek volna csinálni. Elérhetjük, hogy módosítunk egy atommagot azzal, hogy mondjuk protonok hozzáadásával arannyá változtatjuk?

Elvileg igen. Nem tudhatjuk, mire lesznek képesek a következő generációk, de valószínűleg nem lesz érdemes megcsinálni. Hatalmas energiabefektetést igényelne egy ilyen művelet. Sokkal valószínűbb megoldás, ha a Föld környékére hozunk nemesfémekből álló meteoritokat, és kibányásszuk.

Mit mond a jelenlegi fizika az atomról?

Az atommagot körülveszik az elektronok. De miért nem zuhan össze az egész icipicire? A pozitív atommag körül azért kering az elektron, mert vonzza, mint egy bolygót a csillag. A baj, hogy ha a valóságban így működne, az elektron elkezdene fénysugárzást kibocsátani, és szépen lassan belepottyanna az atommagba. A Bohr-modell szerint az elektronok csak bizonyos pályákon keringhetnek, a tudósok azzal érveltek, hogy valamiért ilyen a természet.

Kiderült, hogy másképp kell gondolnunk egy elektronra. Nem egy kis bogyóka, ami az atommag körül kering, nem pontszerű test.

Hasonló módon az elektron több helyen is előfordulhat egyszerre. Ezt azért nehéz megemészteni, mert a tó felszínén terjedő vízgyűrű sok vízmolekulából áll, esetünkben viszont egyetlen elektron viselkedik ugyanígy.

El kell engednünk, hogy mindennapi tapasztalatok alapján akarjuk megérteni a dolgokat. A newtoni törvényeket – az eldobott kő parabolapályán repül – el tudjuk képzelni. A kvantummechanika esetében cserbenhagy a fantázia. A fényt vagy a rádióhullámokat el tudjuk képzelni hullámnak, és az elektron is ilyen. Ha van valamilyen modellünk a világról, matematikai formában kell leírnunk, nem szabad ráerőltetnünk semmilyen elképzelést. Az eredményt pedig össze kell hasonlítani a valósággal, és kiderül: valóban így viselkedik az anyag. Ha eldobunk egy elektront egy fal irányába, amelyen van két lyuk, akkor mindkettőn átmegy, és megjelenik a túloldalon egy darab elektronként.

Ez a kétrés-kísérlet?

Igen. A kvantummechanikának van egy elegáns matematikai leírása, ami ellen az ember szívvel-lélekkel tiltakozik, mert nem erősíti meg semmilyen látható tapasztalat. Az egyik legismertebb, ezzel kapcsolatos paradoxon Schrödinger macskája. A kétrés-kísérlet mellé építünk egy berendezést, amely megállapítja, hogy az elektron melyik lyukon megy át: ha az egyiken, akkor él a macska, ha a másikon, akkor elpusztul. A kvantummechanika azt mondja, hogy addig, amíg ki nem derül a mérés eredménye, azaz ki nem nyitjuk a dobozt, a macska egyszerre lesz mindkét állapotban, ahogy az elektron is egyszerre megy át a két lyukon. A kvantummechanikának ez egy nehezen értelmezhető lépése: ha egy kvantumos részecskén mérést végzünk, abbahagyja a kvantumos viselkedést, és valamilyen valószínűséggel beáll egyik vagy másik állapotba.

Miért?

Nem tudni. Mindenki, akinek köze volt a kvantummechanikához, próbálta megérteni, de a kvantumos világ nagyon máshogy viselkedik, mint képzeljük. A kvantumrészecskék kvantumosan, hullámként viselkednek, erősítik, kioltják egymást, interferenciajelenségek keletkeznek, akárcsak a fénynél. De amint szeretnénk elvégezni egy mérést, hogy hol az elektron, akkor az elektron dönti el, hogy éppen hol van a sok-sok lehetőség közül. Véletlenszerűen kiválaszt egyet. Albert Einstein ezt kerek perec nem hitte el, azt mondta, hogy a Jóisten nem játszik kockajátékot. Hogyan találhatunk ki olyan fizikai törvényt, amelybe bele van építve a valószínűség? Azóta rengetegen próbálják feloldani a problémát.

Mit mond a kvantumelmélet az atommagokról?

Már a múlt század elején tisztázták, hogy az atommagok protonokból és neutronokból állnak. Az első mérésekkor még nem láttak olyan folyamatot, amelyben egy proton darabokra esett volna. Először a kozmikus részecskéket vizsgálták, a magas légkörbe küldtek fotópapírokat, és azokon fedezték fel az elemi részecskék nyomait. A protont és a neutront is ilyen elemi részecskének tekintették. Kidolgozták a részecskegyorsítókat, és azóta se találtak ki jobb módszert a vizsgálatukra: itt a részecskéket nagyon nagy energiára gyorsítják fel és ütköztetik, így kezdték kideríteni, mi az a proton. A természet pedig nagyon érdekes dolgokat kezdett produkálni. Azzal indult, hogy több száz dologra esett szét, és rettenetesen sokféle részecskét találtak. Kiderült, hogy az elektron oszthatatlan. A proton és a neutron három-három részecskéből, vagyis kvarkból áll, ráadásul előbbi bonyolultabb, mint egy atom, nem úgy kell elképzelni a három kvarkot, hogy keringenek egymás körül. Az atommagot összetartó kölcsönhatás tartja egyben őket is, van egy speciális részecskéje, amit gluonnak neveznek.

Az elektront úgy kell elképzelni, hogy az elektron-állóhullám rácsücsül az atommagra, és stabil lesz. A protonban viszont csaknem fénysebességgel mozognak a kvarkok, és ellentétben az atommaggal, nem tudjuk darabokra szedni. Ha megpróbálunk leválasztani egy kvarkot, akkor nem esik szét a részecske, hanem rengeteg kvark keletkezik, amelyek újabb részecskékké állnak össze. Amikor két protont nagy energiával összelőnek, több tucat kvarktartalmú részecske keletkezik.

A nagy energia miatt a hagyományos kvantummechanika használhatatlan lesz. Ha dobozba zárok egy elektront, és elkezdem összenyomni, akkor nagy lesz az impulzusa, a lendülete – ezt jósolja a kvantummechanika. A nagy lendülethez nagy mozgási energia tartozik, ami idővel akkora lesz, mint az elektron nyugalmi tömege. Ilyenkor az elektron elkezd elektron-antielektron párokat kelteni, egyre több és több részecske jelenik meg a dobozban: ehhez ki kell terjeszteni a kvantummechanikát, és ötvözni a relativitáselmélettel. Ez a baj a proton leírásával is: nagyon gyorsan mozognak benne a kvarkok, hatalmas a mozgási energiájuk a tömegükhöz képest. Nagyon bonyolult mindezt leírni.

A tudósok egy idő után rájöttek, hogy mindössze hatféle kvark létezik, de a protonokat és neutronokat kettő fajta építi fel. Amikor találtak valamilyen furcsa szabályszerűséget, rájöttek, hogy ez egy harmadik kvark lesz, és elnevezték furcsa kvarknak. A negyediket pedig bájosnak. Az alig néhány kvarkból rettenetesen sokféle kombinációt lehet felépíteni, és ez adja a sokféle részecskét.

Mi az antianyag?

Többször előfordult a tudomány fejlődése során, hogy egy korábbi elképzelésből létrejött egy matematikai formalizmus, amiből olyan dolgok derültek ki, amelyek nemcsak meglepők, de néha összeegyeztethetetlenek az elképzeléseinkkel. Ilyen például az első, relativitáselmélettel összeegyeztethető kvantummechanikai formalizmus, a fent említett pici dobozba zárt elektron kapcsán. Ebből matematikailag adódott, hogy léteznie kell az elektron ugyanolyan tömegű, pozitív töltésű ellenpárjának. Dirac dolgozta ki elméletet, de a harmincas években eleinte nem tudtak vele mit kezdeni. Aztán megtalálták az ellenpárt, egy olyan részecskét, amely mindenben hasonlít az elektronra, de a töltésjellegű mennyiségei ellentétesek.

A protonét antiprotonnak nevezik, amit ha az antielektron, vagyis a pozitron mellé rakunk, akkor az pályára áll körülötte, és antihidrogént kapunk, ami pontosan ugyanolyan, mint a hidrogén, csak minden ellentétes. A CERN egyik gyorsítója csak antiprotonok előállításával foglalkozik. Egészen elképesztő kísérleteket végeznek: egy héliumatommag köré az elektron helyére pályára állíthatunk egy negatív töltésű antiprotont. Ha egy részecske találkozik az ellenpárjával, kölcsönhatásba, annihilációba lépnek. A szó megsemmisülést jelent, de általában ennél többről van szó: rövid ideig esetleg együtt maradnak, aztán pedig szétsugároznak más részecskékké.

Ha cukormolekulákban kicserélünk egy-egy hidrogént olyan radioaktív fluorra, amely pozitronokat bocsát ki, és ezt valakinek a testébe juttatjuk, akkor az illető azon sejtjeiben jelenik majd meg, ahol erős a cukorfeldolgozás: ilyenek a tumoros sejtek. Ez mára bevett módszer, pozitronemissziós tomográfiának nevezik.

Az utóbbi időszak egyik nagy felfedezése a Higgs-bozon megtalálása volt, amely tömeget ad vagy kölcsönöz, és meghatározza a világegyetem struktúráját. Mit tud ez a gyakran csak isteni részecskének nevezett bozon?

Nagyon fontos, hiányzó láncszem volt. Amikor elkezdték összerakni a természetet és a részecskéket leíró matematikai modelleket, mindenhol problémákba ütköztek. Például hogy az atommagokat bontó kölcsönhatás miért olyan gyenge? Vagy miért van tömege bizonyos részecskéknek, amelyeknek nem lenne szabad, hogy legyen. A kutatók gondolkodni kezdtek, hogy vajon a matematikai leírással van gond, vagy valami hiányzik. 

A nagy ötlet abban a kérdésben rejlik, hogy mit nevezünk vákuumnak. A legegyszerűbb válasz az üresség. De ez nem jó leírás, mert a vákuum olyasmi, ahol folyamatosan keletkeznek és eltűnnek részecskék. A vákuum a legalacsonyabb energiaállapota ennek a fajta rendszernek, amelyből már nem lehet elvenni semmit, csak energiaközléssel. A Higgs-részecskének van egy nagyon furcsa tulajdonsága: az ő legalacsonyabb energiaállapota nem az üresség. Egy rendszer teljes energiájának értéke a Higgs-részecskék számától függ, ami egy olyan matematikai képlet szerint viselkedik, amiben a legalacsonyabb energiaállapot nem a nulla részecskeszámhoz tartozik. Tehát van egy adott optimális részecskeszám, aminél kevesebb és több részecske csak magasabb energiaállapotot eredményez.

Ezt nehéz elképzelni.

Ez egy matematikai lehetőség. Nem mindig úgy gondolunk a kvantummechanikai jelenségekre, hogy ismert módon léteznek, és megpróbáljuk leírni a matematikájukat. Van, hogy leírjuk a matematikájukat, és megnézzük, hogy léteznek-e. Ha igen, akkor megpróbálunk kézzel-lábbal beleképzelni valamit, de valójában a matematika találta ki, ahogy a pozitronokat. A Higgs-részecske is keresztbe tesz az intuícióinknak azzal, hogy a legalacsonyabb energiaállapota az, amikor meghatározott mennyiségű Higgs-bozon úszik mindenhol, és nem az, amikor egy sincs. Az univerzum úgy működik, hogy az egyenletesen elosztott Higgs-részecskék levesében csücsülünk, valamennyi van belőlük, annyi, amennyi a legalacsonyabb energiaállapotnak felel meg. Bármi, ami bekerül ebbe a rendszerbe – legyen az elektron vagy kvark –, kölcsönhatásba lép az egyenletesen elosztott Higgs-részecskékkel, és felszed belőlük valamennyit. Az elektronnak önmagában nincs tömege: kizárólag annyi belőle a mérhető tömeg, amennyit a Higgs-részecskékből magára gyűjtött.

Hasonlóan, minden részecskének annyi a tömege, amennyire szeret kölcsönhatni a Higgs-mezővel. A béta-bomlás gyenge kölcsönhatással azért zajlik olyan rettenetesen lassan, mert az, ami közvetíti, rettenetesen sok tömeget vesz fel a Higgs-részecskétől. A Higgs-részecske ráadásul saját magától is fel tud venni tömeget, így jön létre a berendezésekben is megfigyelhető formája.

Az elmélet mindent megjósolt róla, ezért volt hatalmas tétje, hogy amikor felfedezik, valóban úgy viselkedik-e, ahogy vártuk. Kiderült: pontosan úgy. Hatalmas kő esett le a kutatók szívéről, hiszen ha nem létezik Higgs-bozon – ami mindennel összefügg –, akkor butaság lenne az egész, általunk addig ismert szabályrendszer.

A HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpontnak fontos szerepe van a CERN működésében: detektorokat gyárt. Mennyire fontos részei ezek egy hadronütköztetőnek?

A részecskegyorsítók hatalmasak lettek mostanra, a CERN-ben van a világ legnagyobbja. Kontinensek fognak össze, hogy megépítsenek egy ilyen létesítményt. Hatalmas összefogás, tízezernyi ember szükséges a megépítéshez és a működtetéshez is. A CERN-ben az a csodálatos, hogy tényleg működik. A helyben dolgozók feladata működtetni a létesítményt, de a munkák jó része nem is a CERN-ben, hanem Európában, az Egyesült Államokban, Ázsiában zajlik. Ebben vesznek részt és játszanak fontos szerepet a hazai kutatóintézeteink.

Honnan ered a személyes vonzalma a fizika ezen része iránt?

Érdekes megpróbálnom erre visszaemlékezni. A kilencvenes években jártam középiskolába, rengeteg nagy felfedezés történt ekkoriban: elindult a CERN-ben az egyik nagy gyorsító, komolyan foglalkoztak a fúziós reaktorokkal. Az is kiderült, hogy jó érzékem van a fizikához. Az egyetemen igyekeztem több területet kipróbálni, érintőlegesen kvantummechanikával, részecskefizikával és szilárdtest-fizikával is foglalkoztam. De a CERN varázsa és a kísérleti technológiák ragadtak meg. Ha az ember elvégez egy számolást, akkor tulajdonképpen vagy igaz, vagy nem, a papír sok mindent elbír. De amikor egy kísérleti technológiát használunk, akkor hosszas készülődés után nagyon gyorsan és egyértelműen kiderül, hogy valami működik vagy sem. Valahogy ez vonz engem, a kikerülhetetlen igazság (siker vagy sikertelenség) megnyugtató tudata.

A tudomány megpróbál elvonatkoztatni attól, ahogyan a világot látjuk. Az a csodálatos a kísérleti tudományokban, hogy ha mérést végzünk el, mindig megkapjuk a természettől a választ. Ha jól végeztük a kísérletet, jól építettük meg a műszert, akkor egy értelmes, használható választ ad, amelyet aztán kedvünk és lehetőségeink szerint használhatunk fel.

Fotók: Kurucz Árpád / Magyar Kultúra