A fizikai törvényszerűség az új kutatás fényében^*

Mit értünk fizikai törvényszerűségen? Fizikai törvény minden olyan tétel, amely szilárd, megtámadhatatlanul érvényes összefüggést mond ki mérhető fizikai mennyiségek között, amely lehetővé teszi, hogy egy ilyen fizikai mennyiséget kiszámítsunk, ha a többi mérés útján ismeretes. A fizikai törvényszerűség lehető legtökéletesebb ismerete minden fizikus legforróbban áhított célja, akár csupán hasznossági szempontból értékeli, amennyiben tulajdonképpeni értékét abban látja, hogy a törvény által megtakaríthatjuk a drága műszerekkel végzett méréseket, akár továbbmegy ennél, és mély tudásvágyának kielégítését, valamint természetszemléletének szilárd alapját találja meg a fizikai törvények ismeretében.

Hogyan jutunk most már az egyes fizikai törvények megállapításához és milyenek ezek? Legelőször is korántsem szabad eleve magától értetődőnek tekinteni, hogy valamely fizikai törvényszerűség egyáltalán létezik, vagy pedig, ha eddig létezett is, a jövőben is ugyanolyan módon létezni fog. Teljességgel elképzelhető lenne, és nem tehetnénk ellene semmit, ha a természet egy szép napon valamilyen teljesen váratlan esemény felléptével fittyet hányna nekünk és minden erőfeszítés ellenére sohasem sikerülne, hogy a keletkezett zűrzavarba valami törvényszerű rendet vigyünk. Ebben az esetben nem maradna hátra a tudomány számára egyéb, minthogy csődjét bejelentse. Ezért szükséges, hogy a tudomány egész fejlődésének élére posztulátumként egy általános természeti törvényszerűség létezését állítsuk, vagy Immanuel Kant nyelvén szólva az eleve adott kategóriához az okság fogalmát is hozzászámítsuk, mert enélkül egyáltalában nem szerezhetünk ismereteket.

Ebből szükségszerűen következik továbbá, hogy a fizikai törvényszerűség lényegét és a fizikai törvények tartalmát nem lehet pusztán gondolkodással meghatározni: erre nem kínálkozik más út, mint az, hogy a természethez forduljunk, s lehetőleg számos és sokféle tapasztalatot gyűjtsünk, ezeket egymással összehasonlítsuk és minél egyszerűbb és szélesebb körű tételekké általánosítsuk; egyszóval: az indukció módszerét alkalmazzuk.

Mivel valamely tapasztalat tartalma annál gazdagabb, minél pontosabbak az alapjául szolgáló mérések, magától értetődik, hogy minden fizikai megismerés fejlődése a legszorosabban kapcsolódik a fizikai eszközöknek és a mérés technikájának a finomodásához. A fizika legújabb története éppen találó példákat szolgáltat erre. A méréssel egyedül azonban még nincs minden rendben. Minden mérés egyedi, önmagában álló esemény, és mint ilyen egészen sajátos körülményekhez, elsősorban meghatározott helyhez, meghatározott időhöz, valamint meghatározott mérőeszközhöz és megfigyelőhöz kötött. És ha az óhajtott általánosítás sok esetben kézenfekvő is és, hogy úgy mondjam, magától kínálkozik, vannak más esetek, amikor rendkívül nehéz a különféle rendelkezésre álló mérésekhez a közös törvényt megtalálni; akár azért, mert erre semmiféle lehetőség nem nyílik, akár azért – s ez szintén nagyon kellemetlenül hathat –, mert túl sokféle lehetőség nyílik az általánosításra.

Ilyen esetekben az előrehaladás egyetlen módja az, hogy próbaképpen bevezetünk valamilyen föltevést, ún. munkahipotézist és megnézzük, mennyire jutunk vele. Az ilyen hipotézis használhatóságára mindig különösen jó jel, ha olyan területeken is érvényes, amelyekre eredetileg nem is szánták. Ilyenkor ugyanis arra következtetünk, hogy a törvényszerű összefüggésnek, amelyet a hipotézis kifejez, mélyebb jelentősége van és lényegében új megismeréshez vezet.

Ha ilyen módon a célszerű munkahipotézis az induktív kutatás nélkülözhetetlen segédeszközeként jelenik meg, akkor felmerül a fontos kérdés, hogyan kezdjünk hozzá egy valóban használható hipotézis felállításához. Erre azonban nincs általános előírás. Ez esetben ugyanis egyáltalában nem elegendő a logikus gondolkodás, még akkor sem, ha a leggazdagabb és legsokoldalúbb tapasztalatokkal rendelkezünk. Itt inkább a közvetlen megragadás segít, egy szerencsés ötlet, egy kezdetben gyakran túl merésznek látszó gondolati ugrás, amilyet csak az élénk és önálló, a rendelkezésre álló tények pontos ismerete által helyes útra terelt fantázia és az erős, teremtő alkotóerő képes kifejteni.

A legtöbb esetben bizonyos gondolati képek, analógiák bevezetéséről van szó, amelyek ismert törvényszerű összefüggéseket más területeken alkalmaznak, és ezáltal további lépéseket tesznek a fizikai világkép egységesítésének irányában.

De gyakran épp az ilyen sokat ígérő siker közelében leskelődik a komoly veszély is. Ha ugyanis a megkockáztatott lépés valóban sikerült, ha a bevezetett hipotézis teljesítőképessége bebizonyosodott, akkor arról van szó, hogy a hipotézist tovább építsük, valódi magját kihámozzuk és tárgyilagos fogalmazással helyes tartalmát világosan megadjuk; eközben minden lényegtelen járuléktól megtisztítjuk. Ez azonban nem olyan egyszerű dolog, amint talán első pillanatra látszik. A szerencsés gondolatmenet által alkotott híd ugyanis, amelyen keresztül új ismerethez jutottunk, közelebbi vizsgálat során gyakran csupán ideiglenesnek bizonyul, és utólag kell azt tartós, a kritikai logika nehézágyúit is elbíró híddal helyettesíteni. Meg kell ugyanis gondolnunk, hogy minden hipotézis a tapogatózó fantázia műve, és hogy a fantázia együttműködik a szemlélettel. A szemlélet azonban a fizikában igen kétes jellegű segédeszköz, bármennyire nélkülözhetetlen is a hipotézisalkotásban; valamely racionális elmélet kidolgozásában, logikai bizonyításnál félrevezető lehet. A több irányban termékenynek bizonyult szemléletes elképzelésekbe és gondolatmenetekbe vetett bizalom könnyen ezek jelentőségének túlbecsüléséhez és tarthatatlan általánosításokhoz vezethet. Rendszerint éppen egy új, hatékony elmélet megalkotója hajlamos legkevésbé arra, akár kényelemszeretetből, akár némi kegyeletérzettől vezetve, hogy az őt sikerre vezető gondolati kapcsolatokon lényeges változásokat eszközöljön, sőt sokszor egész megszerzett tekintélyét latbaveti, hogy eredetileg elfoglalt álláspontját fenntartsa. Ezeket egybevetve valóban érthető, hogy az elmélet egészséges továbbfejlesztése gyakran jelentékeny nehézségekkel találkozik. Ilyen viszonyokra lépten-nyomon találunk példákat a fizika történetében, egész a jelen időkig. Legyen szabad néhányat a legfontosabbak közül itt megemlíteni. A fizikai törvényekre vonatkozó legkorábbi ismeretek természetszerűleg arról a területről valók, ahol először voltak lehetségesek pontos mérések: a tér és az idő, tehát a mechanika területe volt ez. Könnyen érthető az is, hogy törvényszerű összefüggések felállítása elsősorban azoknál a mozgásoknál sikerült, amelyek törvényszerű lefolyása véletlen külső kísérő jelenségektől és behatásoktól mentesen következik be: ilyen az égitestek mozgása. Ismeretes, hogy a keleti népek már évezredekkel ezelőtt le tudtak vezetni megfigyeléseikből olyan képleteket, amelyek lehetővé tették a Nap és a bolygók mozgásának nagy biztonsággal évekkel előre való kiszámítását. A mérési pontosság növekedésével egyre jobb képleteket tudtak felállítani. Ezeket összeállítva és összehasonlítva jutott el a későbbi fejlődés Ptolemaiosz, Kopernikusz és Kepler elméleteihez, amelyek közül mindegyik későbbi az előbbinél egyszerűség és pontosság szempontjából jobb volt. Mindezekben az elméletekben közös a válasz arra a kérdésre, hogy milyen törvényszerű összefüggés áll fenn egy égitest, mondjuk egy bolygó helyzete és az időpont között, amelyben a bolygó ezt a helyet elfoglalja. Magától értetődik, hogy minden bolygóra másféle törvényszerűség áll fenn, bár a bolygómozgásokban sok közös vonás is van.

A kérdésfeltevés módjában az elhatározó lépést Newton tette meg, aki a különféle bolygókra vonatkozó képleteket egyetlen, minden bolygóra és általában minden égitestre egyformán érvényes mozgástörvénybe foglalta össze. Ez az eljárás azért járhatott sikerrel, mert a mozgástörvényt függetlenné tette attól a speciális időponttól, amelyben alkalmazta, mivel időpont helyett idődifferenciállal számolt. A bolygómozgás newtoni elmélete nem a bolygó helyzete és az idő között állít fel meghatározott törvényszerű összefüggést, hanem a planéta gyorsulása és a Naptól való távolsága között, és ez a törvény, amely egy vektoriális differenciálegyenlet, minden bolygóra pontosan ugyanúgy hangzik. Ha tehát a bolygó helyzete és sebessége bármely adott időpontban ismeretes, akkor teljesen egyértelműen kiszámítható a mozgása minden időre.

A mozgástörvények newtoni felfogása nemcsak új módja a természet leírásának, hanem valódi haladás a tárgyi összefüggések megismerése terén – ez kiderül alkalmazásának eredményeiből. A Kepler-féle képleteket ugyanis egyrészt pontosságban múlja felül, amennyiben például a mérésekkel teljesen összhangban megadja azokat a perturbációkat, amelyeket a Föld Nap körüli ellipszisen való mozgása a Jupiter közelléte miatt alkalomadtán szenved. Másrészt egyéb égitestek mozgására is lehet következtetni belőle, mint üstökösökére, kettős csillagokéra stb., amelyekre a Kepler-törvények egyáltalában nem voltak alkalmazhatók. Mégis a legközvetlenebb, legátütőbb sikerhez a newtoni elméletet az a körülmény segítette hozzá, hogy földi mozgásokra alkalmazva közvetlenül ugyanazok a számszerű törvények adódtak a szabadesésre és az ingamozgásra, amelyeket Galilei kapott. Azonkívül értelmezni tudott további feltűnő, teljesen érthetetlen jelenségeket, mint az apály és dagály, az inga lengési síkjának elfordulása, a pörgettyűmozgás precessziója stb.

Hogyan jutott el Newton a bolygómozgást leíró differenciálegyenlethez? Minket most főleg ez a kérdés érdekel. Nem egyszerűen úgy sikerült ez neki, hogy egy bolygó gyorsulását minden további nélkül összefüggésbe hozta a Naptól való távolságával és keresett közöttük valami meghatározott számszerű összefüggést, hanem úgy, hogy gondolatban először hidat épített magának, amely a bolygó helyzetének fogalmától átvezetett a gyorsulás fogalmához. Ezt a hidat erőnek hívják. Newton úgy képzelte el ugyanis, hogy egyrészt a bolygónak a Naphoz viszonyított helyzetéből származik egy a Nap felé irányuló vonzóerő, másrészt ugyanez a vonzóerő a bolygó mozgásmennyiségében változást hoz létre. Így jött létre egyrészt a gravitáció törvénye, másrészt a tehetetlenség törvénye. Az erőfogalom maga, mint ahogy azt az elnevezés is mutatja, kétségkívül a súly emelésével, vagy egy labda elhajításával kapcsolatos izom érzet képzetéből származik, és ezt a képzetet alkalmazták mindenféle mozgásváltozásra, még ha az olyan nagy is, hogy az emberi izomerő távolról sem lenne elegendő annak véghezvitelére.

Nem csoda, hogy Newton ennek az erőfogalomnak, amely olyan alapvető sikerekhez vezette, döntő jelentőséget tulajdonított, és az erőben kereste minden mozgásváltozás elsődleges okát. Jóllehet az erő, ha jól megfigyeljük, a tulajdonképpeni mozgástörvényben nem is jön elő. Így történt, hogy a Newton-féle erő fő- és alapfogalma lett a mechanikának, sőt nemcsak a mechanikának, hanem az egész fizikának: idővel megszoktuk, hogy minden fizikai folyamatnál elsőnek az erőt keressük, amely ezt okozza.

Némileg ellentétben áll ezzel a kép, melyet a fizika újabb fejlődése nyújt. Nyugodtan elmondhatjuk, hogy ma a newtoni erő az elméleti fizika számára elvesztette alapvető jelentőségét. A mechanika modern felépítésében csupán másodrendű mennyiség, egy magasabbrendű, átfogóbb fogalom, a munka vagy a potenciál került a helyére, miközben az erőt általában mint potenciálesést, vagy mint a potenciál negatív gradiensét definiálják.

De – kockáztathatnánk meg az ellenvetést – hogyan lehet a munkát elsődlegesnek tekinteni, amikor munka keletkezésekor mindig először erőnek kell jelen lennie, amely a munkát végzi? Aki így beszél, az nem fizikailag, hanem fiziológiailag gondolkodik. Bizonyos, hogy a munkánál, amelyet egy súly felemelésekor végzünk, a kísérő érzetek között az izom-összehúzódás az elsődleges. Ezt a fiziológiai folyamatot fogalmilag élesen el kell választani az itt szóban forgó vonzóerőtől, amelyet a Föld a teherre gyakorol, és amelyet a maga részéről egyedül az elsődlegesen jelenlevő gravitációs potenciál határoz meg.

A potenciálnak nemcsak azért van elsőbbsége az erővel szemben, mert bevezetésével a fizikai törvény egyszerűbb alakot ölt, hanem azért is, mert a potenciálfogalom jelentése sokkal átfogóbb, mint az erőfogalomé, túlmutat a mechanika területén, egészen a kémiai rokonság tanáig, ahol a newtoni erőről már nem lehet többé szó. El kell persze ismerni, hogy a potenciál fogalma nem rendelkezik a közvetlen szemléletesség megvilágító előnyével, amellyel az erő az izomérzethez való közvetlen kapcsolata következtében rendelkezik, és emiatt az erőfogalom kiküszöbölése következtében a fizikai törvények szemléletessége jelentékeny veszteséget szenved. Ez a fejlődés azonban a dolog természetében rejlik. A fizikai törvények ugyanis nem az emberi érzékszervek és az azoknak megfelelő szemléletesség szerint alakulnak, hanem maguknak a dolgoknak megfelelően.

Véleményem szerint ennek ellenére az oktatásban a mechanikába való bevezetésnél mindig szükséges marad, hogy elsőnek a newtoni erőből induljunk ki, éppúgy, ahogy az optikában először a színérzettel, a hőtanban elsőnek a hőérzettel kezdjük, bár ezeket az alapokat később precízebbekkel helyettesítjük. Nem szabad azt sem elfelejtenünk, hogy minden fizikai fogalom és tétel jelentése számunkra végső soron mégis az emberi érzékszervekhez való kapcsolatra épül. Éppen ez a jellemző sajátsága a fizikai kutató eljárásnak. Hogy egyáltalában használható fizikai fogalmakat és hipotéziseket alkothassunk, először sajátos érzeteinkhez kapcsolt szemléleti tartalmakhoz kell visszanyúlnunk. Ezekből merítjük minden gondolatunkat. Ha azonban azután el akarunk jutni a fizikai törvényekhez, a felhasznált szemléleti képektől lehetőleg ismét el kell vonatkoznunk, és a felállított definíciókat meg kell szabadítanunk minden járuléktól és képzettől – ezek nincsenek logikai összefüggésben a mérésekkel. Ha azután megfogalmaztuk a fizikai törvényeket és azok matematikai úton bizonyos következményekhez vezettek, a nyert eredményeket végül ismét vissza kell fordítanunk érzéki világunk nyelvére, hogy számunkra értékesíthetők legyenek. Ez bizonyos értelemben körben forgást jelent. De feltétlenül szükség van rá. A fizikai törvények egyszerűsége és általánossága először akkor nyilvánul meg, ha absztrakció útján megtisztítottuk minden antropomorf járuléktól.

Hasonló gondolati hidak, szemléletes segédfogalmak, mint amilyet a newtoni erő példáján megkíséreltem felvázolni, az elméleti fizikában igen nagy számban vannak. Ebben az összefüggésben most még a fizikai kémia szempontjából olyan fontos ozmózis nyomást akarom csupán megemlíteni, amelyet Van't Hoff a maga idejében azért vezetett be, hogy az oldatok fizikai törvényeit, mégpedig a fagyáspontra, a gőz nyomására stb. vonatkozó törvényeit szemléletesen megfogalmazhassa. Az ozmózisnyomás megvalósítása és mérése aránylag nehéz, mert bonyolult berendezések, ún. féligáteresztő falak szükségesek hozzá. Annál inkább csodálható az az intuitív éleslátás, amely a nagy kutatót a meglehetősen hiányos kísérleti anyag mellett a róla elnevezett törvény megfogalmazásához segítette. Ennek a törvénynek a mai megfogalmazásában éppoly kevéssé van szükség az ozmózisnyomásra, mint a mozgástörvényeknek a Newton-féle erőre.

Vannak egészen másfajta, nagy szemléletességgel bíró gondolati hidak is, amelyek termékeny munkahipotézisek alkotásához igen értékesnek bizonyultak, de a fejlődés további folyamán kimondottan a haladás akadályaivá váltak. Egy ilyent különösen érdemes itt még megemlíteni. Amint megszoktuk, hogy a természetben minden változás mögött egy okként működő erőt sejtsünk, ennek megfelelően könnyen hajlunk arra, hogy minden változatlan, állandó mennyiséget anyagnak (szubsztanciának) fogjunk fel. A szubsztanciafogalom a fizikában mindig jelentős, de, mint a közelebbi vizsgálat mutatja, nem mindig feltétlenül szükséges szerepet játszott. Először is könnyen belátható, hogy minden ún. megmaradási tételt szubsztanciálisan is lehet értelmezni, és az ilyen módon való elképzelés bizonyára kiválóan alkalmas a tétel tartalmának szemléltetésére és ezáltal használatának megkönnyítésére. Hiszen alig tudunk magunknak szemléletesebb képet alkotni egy fizikai fogalomról, amely minden változás mellett mennyiségét mindig megtartja, mint hogy ha egy mozgó anyagi testre gondolunk. Bizonyára ezzel függ össze az a törekvés is, hogy a természetben minden folyamatot anyagi tömegek mozgására, azaz a mechanikára vezessünk vissza. Így tették szemléletessé a fény keletkezését és terjedését a szubsztanciális fényéter hullámmozgásával, és valóban, ezen az úton sikerült a fénytan legfontosabb törvényeit a tapasztalattal egyezően levezetni, míg azután elérkezett az az idő, amikor a szubsztanciális mechanikai elmélet felmondja a szolgálatot és terméketlen spekulációkba vész.

A hő területén is kiváló eredményeket hozott egy ideig a szubsztanciafogalom. Az előző évszázad első felében gondosan kidolgozott kalorimetria fő szempontja lényegében az a feltevés volt, hogy a változatlanul maradó hőanyag átáramlik a melegebb testből a hidegebbe. Miután bebizonyítottuk, hogy a hő mennyiségét növelni is lehet, például súrlódási folyamatokkal, a szubsztanciaelmélet védekezésbe ment át, és kiegészítő hipotézisekben keresett gyógyulást. Ez rövid időn keresztül sikerült ugyan, de nem tarthatott sokáig.

Az elektromosságtanban már a felületes vizsgálat is megmutatja, milyen meggondolandó következményekkel járhat a szubsztanciális elképzelések túlfeszítése. Igaz, hogy itt is a finom, könnyen mozgó, bizonyos erőhatásokra képes elektromos szubsztancia elképzelésével kitűnően szemléltethető az elektromos áram fogalma és a töltött és árammal átfolyt vezetők kölcsönhatása. Az analógia azonban itt már csődöt mond, mert két ellentétes anyagot kell felvenni, pozitívat és negatívat, melyek egyesüléskor egymást teljesen közömbösítik. Ilyen folyamat a közönséges anyagoknál mindenesetre elképzelhetetlen, éppúgy, mint két ellentétes anyag létrehozása a semmiből.

Mint látjuk tehát, a különféle képzeleti képek és az azokból származó szemléletek, bár nélkülözhetetlenek a fizikai kutatásban és már számtalan esetben adták meg a kulcsot a megismerés új útjaihoz, mégis nagy elővigyázatossággal kezelendők, még ha egy ideig helyeseknek bizonyultak is. Az egyetlen biztos vezető a további fejlődés útján mindig a mérés marad, és az, ami a méréshez közvetlenül kapcsolódó fogalmakból logikailag következik. Minden további következtetést, különösen azokat, amelyek bizonyos közvetlen evidenciával tűnnek ki, mindig némi gyanakvással kell kezelni. Mert a bizonyítás kötelező ereje felett, amely jól definiált fogalmakat érint, nem a szemlélet, hanem az értelem dönt.

 

Hölgyeim és uraim! Eddig főképpen azt a kérdést vettük szemügyre, milyen úton jutunk a fizikai törvények megismeréséhez; most áttérünk arra, hogy a fizikai törvényszerűség tartalmát és tulajdonképpeni lényegét valamivel közelebbről megvizsgáljuk.

A fizikai törvény rendszerint matematikai képlettel fejezhető ki, amely lehetővé teszi, hogy bármely szóban forgó, meghatározott feltételeknek alávetett fizikai komplexumban végbemenő folyamat időbeli lefolyását kiszámítsuk. Ebből a szempontból nézve a fizikai törvények tartalmuk szerint minden további nélkül két nagy csoportra oszthatók.

Az első csoportba tartozó törvényekre az jellemző, hogy változatlanul érvényesek maradnak, ha bennük az idő előjelét megfordítjuk, vagy másképp kifejezve: minden idesorolható folyamat, amely a törvény követelményeinek eleget tesz, visszafelé is lefolyhat, anélkül, hogy azzal ellentmondásba kerülne. Példák erre a mechanika törvényei és az elektrodinamika törvényei, amennyiben a hő- és kémiai hatásoktól eltekintünk. Minden tiszta mechanikai vagy elektrodinamikai folyamat fordított irányban is lefolyhat. Egy súrlódásmentesen eső test ugyanazon törvény szerint gyorsul, mint ahogy egy súrlódásmentesen felfelé repülő test lassul; az inga azonos körülmények között ugyanúgy leng ki jobbra, mint balra; egy hullám éppúgy terjedhet az egyik mint a másik irányba, éppen úgy befelé, mint kifelé; egy bolygó éppen úgy mozoghat a Nap körül egyik értelemben, mint ellentétes értelemben. Egészen más kérdés, hogy a mozgás megfordítása egyáltalában sikerül-e és hogyan, erre most nem kell kitérnünk. Itt csak magáról a törvényről van szó, nem pedig a különleges adatokról, amelyekre alkalmazható.

A második csoportba tartozó törvényekre az jellemző, hogy bennük az idő előjele lényeges szerepet játszik. Az e törvényeket követő folyamatok egyirányúak, megfordíthatatlanok. Ezekhez a folyamatokhoz tartoznak mindazok, amelyekben a hő és a kémiai rokonság szerepet játszik. Súrlódásnál a relatív sebesség mindig csökken, sohasem nő; hővezetésnél a hidegebb test mindig felmelegszik, a melegebb test lehűl; a diffúziónál az egymással keveredő anyagok keveredése mindig az összevegyülés irányába, sohasem a szétválás irányába halad. Ezért a megfordíthatatlan folyamatok mindig valamilyen végcélhoz vezetnek: a súrlódás a relatív nyugalomhoz, a hővezetés a hőmérsékletek kiegyenlítődéséhez, a diffúzió a keverék teljesen egyenletes eloszlásához, míg ezekkel ellentétben a megfordítható folyamatoknak, ha külső behatások nincsenek, nincs kezdetük és végük, hanem állandó ide-oda mozgásból állnak.

Hogyan sikerül már most ezt a két teljesen ellentétes fajta törvényt egy kalap alá fogni, amint azt a fizikai világkép egységesítése érdekében feltétlenül meg kell követelnünk? Egy emberöltővel ezelőtt az elméleti fizikának erősen előtérbe nyomuló irányzata volt, az ún. energetika. Ez arra törekedett, hogy az ellentétet azáltal oldja fel, hogy például a hőátmenetet magasabbról alacsonyabb hőmérsékletre tökéletes analógiába hozta egy súlynak vagy egy ingának magasabb helyzetből alacsonyabbra való süllyedésévei. Itt azonban nem vették figyelembe azt, hogy a súly fel is emelkedhet, hogy az ingának akkor van a legnagyobb sebessége, ha elérte legmélyebb pontját, és tehetetlensége következtében áthalad egyensúlyi helyzetén az ellenkező irányba; ezzel ellentétben a hő átáramlása a melegebb testről a hidegebbre annál inkább csökken, minél kisebb lesz a hőmérsékletkülönbség és szó sem lehet arról, hogy a tehetetlenség következtében át lehetne lendülni a hőmérsékleti egyensúlyon.

Akárhogy forgatjuk is, a megfordítható és meg nem fordítható folyamatok közötti ellentét megmarad, és csak arról lehet szó, hogy olyan teljesen új nézőpontot találjunk, amelyből a különféle törvények egymástól való függése felismerhető, esetleg a módban, ahogy az egyik csoportba tartozó törvények valamiképpen visszavezethetők a másik csoportba tartozókra. De vajon melyiket tekintsük a kettő közül egyszerűbbnek és elemibbnek, a megfordítható, vagy a meg nem fordítható folyamat törvényeit?

Erre vonatkozólag már egy külső, formális tárgyalás alapján is bizonyos következtetéseket vonhatunk le. Minden fizikai formula a változó mennyiségek mellett, amelyeket az egyes esetekben mérésekkel határoznak meg, tartalmaz bizonyos állandókat, amelyeket egyszer s mindenkorra meghatározottnak gondolunk, és amelyek a formulának, a változó mennyiségek közt kifejezett funkcionális összefüggésnek a sajátos jellegét megadják. Ha ezeket a konstansokat közelebbről szemügyre vesszük, könnyen rájövünk, hogy ezek a megfordítható folyamatoknál mindig ugyanazok: a legkülönbözőbb külső körülmények között is mindig visszatérnek, mint például a tömeg, a gravitációs állandó, az elektromos töltés, a fénysebesség. Ezzel szemben a megfordíthatatlan folyamatok konstansai, mint a hővezető-képesség, a súrlódási együttható, a diffúziós állandó többé-kevésbé függnek a külső körülményektől, például a hőmérséklettől, nyomástól stb.

Ez a tényleges viselkedés természetszerűleg oda vezet, hogy az első csoport konstansait kell az egyszerűbbeknek, és a hozzájuk kapcsolódó törvényeket elemibbeknek, tovább fel nem bonthatóknak tekintenünk. Ezzel szemben a második csoport állandóinak és az azoknak megfelelő törvényeknek bonyolultabb jelleget kell tulajdonítanunk. Ha meg akarjuk vizsgálni, hogy ez a feltevés mennyire jogos, a tárgyalásmódot tovább kell finomítani, hogy úgy mondjuk az egyes folyamatokat nagyítón keresztül kell élesebben szemügyre vennünk. Ha a meg nem fordítható folyamatok valóban összetettebb jellegűek, akkor a rájuk vonatkozó törvények mintegy csak durván érvényesek, statisztikus jellegűek, mivel csak összegező makroszkopikus szemlélet esetén, azaz különböző egyedi folyamatok nagy számának középértékére van jelentésük. Minél jobban korlátozzuk a középértéket alkotó egyedi folyamatok számát, annál feltűnőbben kell a makroszkopikus törvényektől való véletlen eltéréseknek jelentkezniük. Más szóval: ha a vázolt szemlélet valóban találó, akkor a meg nem fordítható folyamatok (súrlódás, hővezetés, diffúzió) törvényei mikroszkopikusan szemlélve valamennyien pontatlanok lesznek, egyes esetekben kivételeknek kell helyt adniuk, olyan kivételeknek, amelyek annál erősebben lépnek fel, minél jobban finomítjuk a tárgyalást.

Éppen ez az a végkövetkeztetés, amelyet a tapasztalat az idők folyamán egyre nagyobb biztonsággal minden irányban megerősített. Ez természetesen csak a mérőmódszerek rendkívüli mértékben való finomodásával sikerülhetett. A közelítés, amellyel a megfordíthatatlan folyamatok törvényei érvényesek, a résztvevő egyes folyamatok rendkívül nagy számából származik. Vegyünk például egy folyadékot, amelynek mindenütt ugyanaz a hőmérséklete. A hővezetés makroszkópikus törvényéből következik, hogy a folyadék belsejében semmiféle hőáramlás nincs. Ez azonban, pontosan véve, egyáltalában nincs így. A hőt ugyanis a folyadékmolekulák finom, gyors mozgása határozza meg, a hővezetést pedig ennek következtében ezeknek a sebességeknek az ütközésénél történő kicserélődése. Az egyenletes hőmérséklet tehát nem az összes sebességek egyenlő voltát jelenti, csupán a sebességek középértékének egyenlőségét minden olyan folyadékmennyiségre, amely nagyszámú molekulát tartalmaz. Vegyünk azonban olyan folyadékmennyiséget, amely aránylag kevés molekulát tartalmaz. Ezek sebesség-középértéke az idő folyamán ingadozásokat fog mutatni, annál nagyobb ingadozásokat, minél kisebb a kiválasztott mennyiség. Ezt a tételt ma kísérletileg tökéletesen igazolt ténynek tekinthetjük. Legfeltűnőbb illusztrációja az ún. Brown-féle molekuláris mozgás, amelyet mikroszkóppal apró, folyadékban szuszpendált részecskéken lehet megfigyelni, amelyek a láthatatlan folyadékmolekulákkal való ütközések következtében ide-oda mozognak, annál hevesebben, minél magasabb a hőmérséklet. Ha feltesszük továbbá, és ennek elvileg semmi akadálya nincs, hogy minden egyes ütközés megfordítható folyamat, amelyre szigorúan érvényesek az elemi dinamika törvényei, akkor elmondhatjuk, hogy a bevezetett mikroszkopikus szemléletmóddal a megfordíthatatlan folyamat törvényeit (vagy: a statisztikus, durva és közelítő törvényszerűséget) visszavezettük a dinamikai, a finomabb és abszolút törvényekre.

A statisztikai törvények bevezetése a fizikai kutatás számos területén nagy sikereket aratott az utóbbi időben. Ez figyelemre méltó változást hozott a fizikusok szemléletmódjában. Ahelyett, hogy – mint régebben az energetikában – tagadnák a megfordíthatatlan folyamatok felléptét, vagy legalábbis kétesnek állítanák be, most sokszor megkísérlik, hogy a statisztikus törvényeket hozzák előtérbe és minden eddig dinamikainak tartott törvényt, még a gravitációt is, statisztikus jellegűre vezessék vissza. Más szóval: ki akarnak zárni a természetből minden abszolút törvényszerűséget. Ezt így lehetne kifejezni: amit a természetben megvizsgálhatunk és megmérhetünk, azt sohasem lehet teljesen határozott számokkal megadni, mert mindig tartalmaz bizonyos, a mérések elkerülhetetlen hibaforrásai által megszabott határozatlanságot. Ebből következik, hogy sohasem fog sikerülni mérésekkel eldöntenünk, vajon egy törvény a természetben abszolút érvényes-e vagy sem. És az általános ismeretelmélet oldaláról sem jutunk e kérdés vizsgálatában más eredményre. Ha – amint azzal mindjárt kezdetben szembekerültünk – még abban a helyzetben sem vagyunk, hogy bebizonyítsuk, a természetben létezik törvényszerűség, még kevésbé fog sikerülni annak bizonyítása, hogy ez a törvényszerűség abszolút.

A logika álláspontjáról tehát azt a hipotézist, hogy a természetben csak statisztikus törvényszerűségek vannak, eleve teljesen jogosnak kell elfogadnunk. Más kérdés, hogy ez a feltevés ajánlatos-e a kutatás számára. És ezt a kérdést határozottan tagadnom kell. Először is meg kell gondolni, hogy csak a szigorúan dinamikus törvényszerűség elégíti ki teljesen a megismerés iránti vágyunkat, míg viszont minden statisztikus törvény alapjában véve nem kielégítő, egyszerűen azért, mert pontosan nem érvényes, hanem egyes esetekben kivételeket enged meg, és mindig fel vetődik a kérdés: melyek tehát az esetek, amelyekben ilyen kivételek fellépnek?

Éppen ilyenféle kérdések adják azonban a legerősebb ösztönzést a kutatási módszerek kiszélesítéséhez és finomításához. Ha a statisztikai törvényszerűséget végsőnek és legmélyebbnek tekintjük, akkor elvileg semmi okunk sincs, hogy valamelyik szóban forgó statisztikai törvénynél az ingadozási jelenségek okai után kutassunk. Holott a valóságban éppen az a törekvés hozta meg számunkra az atomi folyamatok kutatásában a legfontosabb előrehaladást, hogy minden statisztikus törvény mögött megkeressük a szigorú, kauzális, dinamikai törvényt.

Ha viszont másrészről van olyan törvény, amely eddig a mérési hibán belül mindig pontosan érvényesnek bizonyult, akkor el kell ismernünk, hogy mérésekkel sohasem fogjuk tudni végérvényesen megállapítani, nem statisztikus jellegű-e mégis? Lényeges különbség azonban, hogy elméleti megfontolások késztetnek-e arra, hogy statisztikusnak vagy dinamikusnak tekintsük. Az első esetben ugyanis a mérési módszerek szüntelen finomításával fogjuk az érvényesség határát keresni; a másodikban az ilyenféle fáradozásokat terméketlennek fogjuk tartani, és ezáltal felesleges munkát takarítunk meg. A fizikában már túl sok erőfeszítést fordítottak látszatproblémák megoldására ahhoz, hogy az ilyen jellegű megfontolásokat jelentéktelennek tarthatnók.

Véleményem szerint ezért az egészséges fejlődésnek mindenképpen érdeke nemcsak az, hogy egyáltalán törvényszerűségek létezzenek, hanem a törvényszerűség szigorúan kauzális jellegét is a fizika posztulátumai közé kell számítani, mint ahogy ez alapjában véve eddig történt is. És a kutatás célját nem szabad elértnek tekinteni, mielőtt minden megfigyelt statisztikai törvényszerűség fel nem bomlik egy vagy több dinamikaira. Ezáltal a statisztikai törvényekkel való foglalkozás nagy gyakorlati jelentősége egyáltalában nem csökken. Mint a meteorológiának, a földrajznak, a szociológiának, a fizikának is sokszor kell statisztikus törvényekkel dolgoznia. Mint ahogy azonban senki sem kételkedik abban, hogy az ún. véletlen ingadozások a klimatológiai görbékben, a népességstatisztikában, a halandósági táblázatokban minden egyes esetben kauzálisan meghatározottak, a fizikusok számára is mindig jogosan lesz értelme a kérdésnek, hogy két szomszédos uránatom közül az egyik miért robban fel sok millió évvel előbb, mint a másik.

A szellemi élet sem lesz képes soha nélkülözni a szigorú kauzalitás feltételezését. Ennek a nézetnek az ellenzői gyakran hozzák elő az emberi akarat szabadságának a tényét. Hogy itt nincs szó ellentmondásról, sőt az emberi akarat szabadsága tökéletesen összefér a szigorú oksági törvény egyetemes érvényével, azt már korábban volt alkalmam részletesen és alaposan kifejteni. Mivel erre vonatkozó fejtegetéseimet részben erősen félreértették, és mivel a tárgy mégis különleges érdeklődésre tarthat igényt, engedélyt kérek, hogy néhány rövid szóval érintsem.

Az oksági törvény megköveteli, hogy az embernek mind tettei, mind lelki folyamatai, így az akarati indítékai is, bármely pillanatban tökéletesen meghatározottak legyenek, egész belső világának előző pillanatbeli állapota és a külvilág ehhez járuló befolyásai által. Nincs okunk rá, hogy e tétel helyességében kételkedjünk. Az akarat szabadságának a kérdésénél ugyanis egyáltalában nem arról van szó, hogy van-e ilyen meghatározott összefüggés, hanem arról, hogy ez az összefüggés ismeretes-e azelőtt, akit érint. Egyedül és kizárólag ez a pont az, amelytől a döntés függ, hogy az ember szabadnak érezheti-e magát, vagy sem. Csak ha valaki képes lenne kizárólag az oksági törvény alapján meglátni a jövőjét, lehetne tőle megtagadni az akarat szabadságának a tudatát. Ez az eset azonban azért lehetetlen, mert logikai ellentmondást tartalmaz. Minden teljes megismerés előfeltétele, hogy a megismerendő tárgy belső folyamatok által ne változzék át a megismerő alannyá; ez a követelmény pedig nem teljesül, ha a tárgy és az alany azonosakká válik. Vagy konkrétebben megfogalmazva: mivel valamilyen akarati motívum megismerése saját bensőnkben egy élményt jelent, amelytől újabb akarati indíték származhat, ezáltal az akarati motívumok száma a megismerés útján megsokszorozódik. Ez a megállapítás újabb megismeréshez vezet, amely újabb akarati motívumot hozhat létre, és így folytatódik tovább a következtetések lánca, anélkül, hogy valaha valamely saját jövő cselekvésünket véglegesen meghatározó motívumhoz elérnénk, vagyis egy olyan felismeréshez, amely már nem szabadít fel újabb akarati motívumot. Egész más, ha egy befejezett, kész cselekvésre pillantunk vissza. Itt az akaratot a megismerés nem befolyásolja többé, és ezért az akarati indíték szigorúan kauzális vizsgálata legalább elvben keresztülvihető.

Ha valaki kételkedik ennek a meggondolásnak az értelmében és nem akarja belátni, hogy egy eléggé értelmes szellem miért nem képes saját jelenlegi énjének kauzális feltételeit tökéletesen megérteni, az tulajdonképpen azt sem láthatja be, hogy egy óriás, aki olyan nagy, hogy mindenkire lenéz, miért nem képes önmagára lenézni. Nem, egyedül az oksági törvényből a legokosabb ember sem fogja soha saját tudatos cselekvésének az indítékait levezetni; ahhoz más zsinórmértékre van szüksége, egy etikai törvényre, amelyet nem pótolhat a legmagasabb értelem és a legfinomabb önelemzés sem.

 

De térjünk vissza a fizikához, ahol olyan bonyodalmak, amilyenekről az imént szó volt, általában nem játszanak szerepet. Szeretném még, mélyen tisztelt hölgyeim és uraim, felvázolni azokat a legjellegzetesebb ismertetőjeleket, amelyeket az a törekvés nyomott rá a jelenlegi fizikai világképre, hogy minden fizikai folyamatot a leírt módon szigorú oksági kapcsolatba hozzunk. Már futó pillantás mutatja az óriási változást a század eleji állapothoz képest. Nyugodtan elmondhatjuk, hogy ilyen viharos fejlődés Galilei és Newton ideje óta nem történt, és mi büszkék vagyunk rá, hogy ezúttal a német tudomány lényegesen kivette belőle a részét. Az indíttatást természetszerűleg a technika haladásával szoros kapcsolatban álló mérési módszerek rendkívüli kifinomodása adta, amely azután a maga részéről új tények megállapításához és ezáltal az elmélet revíziójához és kiszélesítéséhez vezetett. Különösen két új gondolat adja meg a mai fizika jellegzetes vonásait. Az egyik a relativitás elméletében, a másik a kvantumhipotézisben nyert megfogalmazást; mindegyik a maga módján felforgató jellegű és termékenyítő hatású, de egymástól teljesen idegen, sőt bizonyos szempontból egymással ellentétes. Ezekről szeretnék még önöknek beszélni, amennyire a rendelkezésre álló idő engedi.

A relativitás tana, egy ideig, azt lehet mondani, közszájon forgott. A viták mellette és ellene a legszélesebb körben zajlottak, egész a napi sajtóig, ahol a hivatásosak és még inkább a nem hivatásosak vitatkoztak felette. Ma bizonyos nyugalmi helyzet állt be, aminek senki sem örülhet jobban, mint az elmélet megalkotója. A nyilvános érdeklődés úgy látszik némiképp telítődött, és manapság más divatos témák felé fordult. Egyesek ebből most talán azt a következtetést vonhatják le, hogy a relativitás elmélete most már eljátszotta szerepét a tudományban. Amennyire én meg tudom ítélni, éppen az ellenkezője áll fenn. A relativitáselmélet ma olyan szilárd alkatrészévé vált a fizikai világképnek, hogy mint minden magától értetődő dolog, nem okoz különösebb izgalmat. És valóban: bármilyen újszerűen és forradalmasítóan hatott a speciális és általános relativitáselmélet fellépése első pillanataiban a fizikusok világára: állításai és támadásai alapjában véve nem a fizika nagy, biztosnak tartott törvényei ellen irányultak, hanem bizonyos, mindenesetre mélyen gyökerező, de mégis csupán szokásszerű szemléletekre, olyanokra, amelyek, mint fentebb megkíséreltem vázolni, a fizikai összefüggések első megértéséhez hasznosak ugyan, de azután eltaszítandók, mihelyt felmerül annak szükségessége, hogy az összefüggéseket elmélyítsük és finomítsuk.

Különösen tanulságos példaként itt csak az egyidejűséget ragadom ki. Az elfogulatlan észlelő számára a lehető legmagátólértetődőbb, meghatározott értelemmel bíró kijelentés, hogy két esemény, amely két egymástól távoleső helyen megy végbe, az egyik mondjuk a Földön, a másik a Marson, egyidejű. Mert mindenki számára igen egyszerű gondolatban tetszés szerinti nagy távolságokat időtlenül átrepülni, és a két eseményt a belső szemléletben közvetlenül egymás mellé tenni. Azt is mindig újra kell hangsúlyozni, hogy a relativitás elmélete ezen az igazságon semmit sem változtatott. Ebben bízva bárki, amennyiben megfelelő pontosságú mérőműszerekkel rendelkezik, kétségkívül megállapíthatja, hogy az események egyidejűek-e. Ha az időmérést különböző módokon, különböző és egymást kölcsönösen ellenőrző műszerekkel pontosan hajtja végre, mindig ugyanarra az eredményre fog jutni. Eddig tehát minden marad a régiben.

A relativitáselmélet értelmében azonban nem szabad mint magától értetődőt feltenni, hogy egy másik, hozzá képest mozgó megfigyelőnek a két eseményt ugyancsak egyidejűnek kell gondolnia. Mert az egyik ember gondolatai és képzetei nem mindig a másik ember gondolatai és képzetei. Ha most a két megfigyelő gondolataik és képzeteik tartalma felett vitatkozik, mindegyik a maga méréseire fog hivatkozni. Ekkor ki fog derülni, hogy méréseik értelmezésénél mindketten teljesen más előfeltevésekből indultak ki. Hogy melyik előfeltevés a helyes, az éppoly kevéssé dönthető el, mint a véleménykülönbség arra nézve, hogy a két megfigyelő közül melyik mozog és melyik van nyugalomban. Lényegében pedig erről van szó; mert az óra járása megváltozik, ha az órát a helyéről elmozdítjuk; ebből következik, hogy e két megfigyelő órái különbözően járnak. A végeredmény tehát: mindegyik teljes joggal állíthatja, hogy ő maga nyugalomban van és hogy az ő időmérése a helyes; így az egyik megfigyelő a két eseményt egyidejűnek tartja, a másik számára pedig a két esemény nem egyidejű. Az ilyenféle gondolatmenetek bizonyára erősen igénybeveszik képzelőerőnket, amit azonban a szemléletességben elveszítettünk, az elenyészően csekélynek látszik a fizikai világkép nagyszabású általánosításának és egyszerűsítésének megbecsülhetetlen előnyei mellett.

Ha valaki ennek ellenére nem tud attól a véleménytől szabadulni, hogy a relativitás elméletében mégis csak van ellentmondás, az gondolja meg, hogy ez az elmélet, amelynek teljes tartalma egyetlen matematikai képletbe foglalható, éppoly kevéssé mondhat ellent önmagának, mint két olyan következmény, amely ugyanabból a képletből folyik. Képzeteinket a képletek eredményeihez kell igazítanunk, és nem megfordítva.

A végső döntés a relativitáselmélet megbízhatóságára és jelentőségére nézve természetesen és magától értetődően, a tapasztalattól függ. És épp azt a körülményt kell az elmélet termékeny volta legfontosabb bizonyítékának tekinteni, hogy egyáltalában lehetséges a tapasztalati próba. Mind ez ideig nem lehetett ellentmondást találni a tapasztalattal szemben, ezt itt bizonyos, a széles nyilvánossághoz is eljutott híresztelésekkel szemben különösen szeretném hangsúlyozni. De még aki valamilyen okból lehetségesnek vagy valószínűnek tartja egy a tapasztalattal ellentmondásban álló tény felléptét, az sem tehet jobbat: saját álláspontját fenntartva együttműködik a relativitáselmélet kiépítésén és következtetéseit egyre tovább fejleszti. Ez ugyanis az egyetlen mód arra, hogy az elmélet ellenkezésbe kerüljön a tapasztalattal. Ez a munka azáltal válhat könnyebbé, hogy a relativitáselmélet kijelentései egyértelműek, aránylag könnyen áttekinthetőek, és kitűnően hozzákapcsolhatók a klasszikus fizikához.

Igen, ha történeti jellegű meggondolások nem állnák útját, a magam részéről egy pillanatig sem haboznék, hogy a relativitáselméletet a klasszikus fizikához számítsam. Mert bizonyos szempontból a relativitáselmélet tette fel a koronát erre a fizikára, amikor tér és idő egybeolvasztásával a tömeg és az energia fogalmát, valamint a gravitációét és a tehetetlenségét egy magasabb szempont alatt egyesítette. Ennek az új felfogásnak a gyümölcse az energia- és az impulzus-megmaradási tételek kifogástalanul szimmetrikus formája, ami végsősoron a legkisebb hatás elvéből, az egész fizika legátfogóbb, a mechanikát és az elektrodinamikát egyaránt uraló törvényekből következik.

Ezzel a csodálatos harmóniájú és szépségű impozáns épülettel áll most szemben a kvantumhipotézis, mint idegenszerűen fenyegető robbanóanyag, amely már ma tátongó rést vágott alulról-felfelé az egész épületen. A kvantumhipotézis nem úgy lépett a színre, mint a relativitáselmélet; nem egyszerű, önmagában zárt, átlátszó tartalmú gondolatként jelentkezett, hogy elvileg igen jelentős, de gyakorlatilag többnyire alig észrevehető támadással módosítsa a fizika addig ismert fogalmait és összefüggéseit. A kvantumhipotézis kezdetben csak egy speciális területen jelentkezett, a hősugárzás törvényeinek értelmezésénél, mentő kiútként a klasszikus elmélet súlyos zavarából. Amint azután kitűnt, hogy a kvantumhipotézis vagy azonnal játszva megoldott vagy legalábbis feltűnően előrevitt egészen más, a klasszikus elmélet számára bizonyos nehézséget jelentő problémákat is, mint a fényelektromos hatások, a specifikus hők, az ionizáció, a kémiai reakciók, hamarosan világos lett, hogy nemcsak munkahipotézisként, hanem új alapvető fizikai elvként kell értékelni, amelynek jelentősége mindenütt láthatóvá válik, ahol finom gyors folyamatokról van szó.

A meggondolandó most már az, hogy a kvantumhipotézis nemcsak eddigi szemléletünkkel áll ellentétben – ezt a fent mondottak után még aránylag könnyen el lehetne viselni –, hanem amint az idők folyamán egyre világosabban kitűnt: a klasszikus elmélet felépítéséhez feltétlenül szükséges néhány alapfeltevést is egyenesen tagad. A kvantumhipotézis bevezetése tehát nem a klasszikus elmélet módosítását jelenti, mint a relativitáselmélet, hanem annak áttörését.

Magától értetődik tehát, hogy semmi sem állna az útjában annak, sőt szükségszerűen úgy kellene dönteni, hogy a klasszikus elméletet áldozzuk fel, ha a kvantumhipotézis valóban minden ponton fölényben van vele szemben, vagy legalábbis azzal egyenértékű. Ismét nem erről van azonban szó. Vannak ugyanis a fizikának területei, így például az interferenciajelenségek nagy területe, ahol a klasszikus fizika a legfinomabb mérések esetén is a legapróbb részletekbe menően érintetlen marad, ugyanakkor a kvantumhipotézis, legalábbis jelenlegi formájában, teljesen csődöt mond, mégpedig nemcsak olyan értelemben, hogy nem alkalmazható, hanem úgy, hogy olyan eredményeket szolgáltat, amelyek nem egyeznek a tapasztalattal.

Így történt, hogy ma mindkét elméletnek mintegy megvan a speciális területe, ahol megtámadhatatlannak érezheti magát. A közbeeső területeken, mint például a diszperzió és a fényszórás jelenségeinél bizonyos ide-oda ingadozó versengés játszódik le, amelyben mindkét elmélet ugyanazt a teljesítményt nyújtja, úgy hogy a fizikusok, egyéni beállítottságuknak megfelelően majd az egyik, majd a másik elmélettel dolgoznak – ez persze minden olyan fizikus számára, aki komolyan fáradozik reális összefüggések megállapításán, rendkívül kényelmetlen és tartósan el sem viselhető állapot.

Ezeknek a sajátos viszonyoknak a szemléltetésére legyen szabad a rendelkezésre álló kísérleti és elméleti kutatási eredményekben igen gazdag anyagból itt csak egy egészen speciális példát kiragadnom, miközben két egyszerű tényhez kapcsolódom. Képzeljünk el két vékony ibolyaszínű sugárnyalábot, amelyek úgy keletkeznek, hogy pontszerű fényforrás elé átlátszatlan ernyőt helyezünk két kis lyukkal. Ha a két lyukból kiinduló sugárnyalábot megfelelő tükrökkel úgy irányítjuk, hogy egy távoli fehér falon összetalálkozzanak, az általuk a falon keltett közös fényfolt nem lesz egyenletesen világos, hanem sötét csíkok fognak áthaladni rajta. Ez az egyik tény. A másik, hogy valamilyen fényérzékeny fémlemez, amelyet az egyik sugárnyaláb útjába állítottunk, állandóan elektronokat bocsát ki, amelyeknek egészen meghatározott, a fény erőségétől független sebességük van.

Ha a fényforrás intenzitását egyre gyengítjük, akkor minden eddigi tapasztalat szerint a csíkozott kép teljesen változatlan marad, csupán a megvilágítás erőssége csökken megfelelően. A másik esetben a kibocsátott elektronok sebessége változatlan, csak a kibocsátás gyakorisága lesz kisebb.

Hogyan ad mármost az elmélet számot erről a két tényről? Az elsőt a klasszikus elmélettel tökéletesen lehet értelmezni úgy, hogy a fehér fal minden pontján, amelyet a két sugárnyaláb egyenletesen világít meg, a két ott találkozó sugár a két fényhullám közötti útkülönbségnek megfelelően vagy gyengíti, vagy erősíti egymást. A második tényt a kvantumelmélet ugyanilyen kitűnően értelmezi, oly módon, hogy a sugárzó energia nem folytonos áramlásban, hanem lökésszerűen, kisebb vagy nagyobb számú oszthatatlan adagokban (kvantumokban) esik a fényérzékeny fémlemezre, és a beeső kvantumok elektronokat szakítanak ki a fém kötelékéből. Ezzel szemben ez idáig minden kísérlet meghiúsult akár az interferenciajelenségeknek a kvantumelmélettel, akár a fényelektromos jelenségnek a klasszikus elmélettel való értelmezésére. Mert ha a sugárzási energia valóban oszthatatlan kvantumokban repül, akkor a fényforrásból kibocsátott kvantum az átlátszatlan ernyőnek vagy csak az egyik, vagy csak a másik nyílásán repülhet át, tehát elegendően csekély fényerősségnél lehetetlen, hogy két különböző sugár egyidejűleg összetalálkozzék a fehér fal egy pontján, akkor az interferencia lehetősége kizárt. A valóságban akkor tűnnek el teljesen a csíkok, ha a két sugár közül az egyiket eltakarjuk.

Ha viszont a pontszerű fényforrásból kibocsátott sugárzó energia minden irányban folytonosan, mindig nagyobb térbe terjed szét, megfelelően meg kell ritkulnia és nem lehet belátni, hogyan adhat a nagyon gyenge besugárzás az elektronnak ugyanolyan nagy kilépési sebességet, mint a nagyon erős. Természetesen a legkülönbözőbb kísérleteket végezték ezeknek a nehézségeknek a feloldására. A legkézenfekvőbb nyilván annak a feltételezése, hogy a kilökött elektronok energiájukat egyáltalában nem a beeső sugárzásból veszik, hanem az a fém belsejéből származik, úgy hogy a sugárzás csak mintegy kioldódó hatást gyakorol a fémre, mint a szikra a puskaporos hordóra. Ezt a hatékony energiaforrást azonban nem sikerült kimutatni, vagy akár csak valószínűsíteni. Másik feltevés szerint az elektronok mozgási energiája a beeső sugárzásból származik ugyan, de a hatás mindig csak akkor lép fel, amikor a sugárzás olyan soká tartott, míg egy meghatározott sebesség létrehozásához szükséges energia együtt van. Ez azonban az adott körülmények között perceket és órákat venne igénybe, míg a valóságban a hatás gyakran sokkal hamarabb fellép.

Az itt jelentkező nehézség súlyosságára fényt vet az a körülmény, hogy újabban, méghozzá a legelhivatottabb oldalról, azt ajánlják, hogy fel kell áldozni az energiamegmaradás elvének pontos érvényességét. Ezt a kiutat, joggal, kétségbeesettnek nevezhetjük, és különleges kísérletek hamarosan kimutatnák, hogy ez az út járhatatlan.

Míg tehát eddig minden kísérlet meghiúsult az elektron-emissziónak a klasszikus elmélet oldaláról való megértésére, ugyanezek a jelenségek (és még néhány további, a sugárzás és anyag kölcsönhatására vonatkozó törvényszerűség) menten érthetővé lesz, sőt szükségszerűnek mutatkozik, ha feltesszük, hogy a fénykvantumok apró egyedi képződményekként önállóan repülnek a térben, és ha anyagba ütköznek, úgy viselkednek, mint a valóságos szubsztanciális atomok.

Mivel azonban szükségképpen mégis döntenünk kell egyetlen felfogás mellett, az egész probléma nyilvánvalóan abban a kérdésben éleződik ki, hogy a fényforrásból kibocsátott energia, elhagyva a fényforrást, felhasad-e úgy, hogy egy része az átlátszatlan ernyő egyik résén, a másik része a másik résen haladt át, vagy pedig az energia oszthatatlan kvantumai felváltva repülnek az egyik és a másik résen át. Ezt a kérdést minden kvantumelmélettel szemben fel kell tenni és minden elmélet kénytelen valamilyen állást foglalni; mégis a kérdést mind ez ideig még egyetlen fizikusnak sem sikerült kielégítően megválaszolnia.

Lehet-e tehát egyáltalában a szabad sugárzás energiájáról, mint realitásról beszélni, amikor minden mérés csupán anyagi testeken végbemenő folyamatokra vonatkozik? Ha valóban ragaszkodni akarunk az energiaelv pontos érvényességéhez (ez pedig éppen az újabb tapasztalatok alapján kézenfekvő), akkor nincs kétség az iránt, hogy minden sugárzási térhez egy egészen meghatározott, több-kevesebb pontossággal kiszámítható energiamennyiség rendelhető, amely sugárzás elnyelése útján csökken, emisszió útján pedig növekszik. A kérdés csak az, hogyan viselkedik ez az energia. Nem lehet vitás, hogy a nehéz dilemmából kivezető út megtalálásához el kell határozni magunkat arra, hogy némiképp kiszélesítsük és általánosítsuk a legelső előfeltevéseket, amelyekből az elméleti fizikában ki szoktunk indulni és amelyeket mind ez ideig mindennek ellenére megőriztünk. Olyan eredmény ez, amelyben mindenesetre van valami nyugtalanító megismerésre való törekvésünk szempontjából. Mivel azonban mindennek ellenére némiképp megnyugtató, ha legalább a rejtély megoldásának lehetősége valahol nyitva látszik, engedjék meg, hogy ne álljak ellen a kísértésnek és néhány szóval foglalkozzam azzal a kérdéssel, hogy milyen irányban lehetne esetleg kiutat találni.

A radikális eszköz, amellyel minden nehézségtől megszabadulhatnánk, kétségkívül annak a szokásos feltevésnek a feladása lenne, hogy a sugárzó energia valamiképpen lokalizált, azaz, hogy egy meghatározott elektromágneses tér minden térrészében meghatározott időben meghatározott energiamennyiség van jelen. Ha ugyanis ezt az előfeltevést elejtjük, az egész probléma egyszerűen úgy intéződik el, hogy a kérdésnek, vajon egy fénykvantum az átlátszatlan ernyő egyik, vagy másik résén repül-e át, egyáltalában nincs meghatározott fizikai értelme. Ugyanakkor ez az utóbbi kiút, véleményem szerint legalább egyelőre mégiscsak túl sokról való lemondást jelentene. Mivel ugyanis az összes sugárzási energiának egészen meghatározott, megadható értéke van, továbbá mivel a sugár által létrehozott elektromágneses vektorteret egész téridőbeli viselkedésével együtt a klasszikus elektrodinamika minden optikai részletjelenségéig a valóságnak megfelelően írja le, és mivel végül az energia a térrel jön létre és tűnik el, nem lesz könnyen elutasítható a kérdés, hogy a tér hogyan határozza meg egyes pontjaiban az energiát.

Ha most arra határozzuk el magunkat, hogy ennek a kérdésnek a végére járjunk, amennyire csak lehet, úgy látszik, közelfekvő a gondolat, hogy az előttünk álló alternatíva kényszere elől úgy térhetünk ki, hogy megtartjuk ugyan a törvényszerű összefüggést a sugárzás, pontosabban az elektromágneses hullám és az általa szállított energia között, de azt nem tekintjük olyan egyszerűnek és szorosnak, mint a klasszikus elmélet. A klasszikus elmélet szerint ugyanis az elektromágneses hullám minden része, a legkisebb is, nagyságával arányos mennyiségű energiát tartalmaz, amely vele együtt szélesedik ki. Ha ezt a szoros összefüggést meglazítjuk, vagyis ha megengedjük, hogy az energia a hullámhoz nem ilyen közvetlenül, a legfinomabb részecskékig lemenően kapcsolódik, lehetőség nyílik arra, hogy a fényforrásból kibocsátott hullám tetszés szerinti számú részre hasadjon, a klasszikus elméletnek megfelelően, de ennek ellenére a hullám energiája egyes helyeken koncentrálódjék, a kvantumelméletnek megfelelően. Az első körülmény az interferencia jelenségek magyarázatát teszi lehetővé azáltal, hogy még a leggyengébb hullám is az átlátszatlan ernyőnek részben az egyik, részben a másik résén megy át; a másik körülmény a fényelektromos jelenség értelmezését teszi lehetővé azáltal, hogy a hullám energiáját mindig csak egész kvantumban engedi az elektronhoz ütközni. Hogyan lehet azonban a fényhullám egy részét a neki megfelelő energia nélkül elképzelni? Ez bizonyára kemény dió, de véleményem szerint alapjában véve nem nehezebb, mint a testnek egy részét a sűrűségének megfelelő anyag nélkül elképzelni. (Ez utóbbi feltevéssel pedig kénytelen-kelletlen élünk, mert az anyag folytatólagos térbeli osztás útján tulajdonságait elveszti, mivel tömege nem marad arányos az elfoglalt térrel, hanem több meghatározott nagyságú molekulára bomlik.) Egész hasonló lehetne a helyzet az elektromágneses energiával és a hozzátartozó impulzussal.

Mostanáig megszoktuk, hogy az elektrodinamikai folyamatok elemi törvényeit kizárólag a végtelen kicsiben keressük. Minden elektromágneses teret térben és időben végtelen kis részekben állítottuk elő, egész téridőbeli viselkedését differenciálegyenletekkel írtuk le. Ebben az összefüggésben nyilvánvaló, hogy ettől alapjában el kell térnünk. Kitűnt ugyanis, hogy ennek az egyszerű törvényszerűségnek a felosztás meghatározott határánál vége van, és hogy még finomabb folyamatoknál olyan jellegű bonyodalom lép fel, amely arra kényszerít, hogy a tér-idő hatásmennyiségeit atomizáljuk, azaz hatáselemeket, vagy hatásatomokat vezessünk be.

Sokat ígérő haladás a jelzett irányban az ún. kvantummechanika megalapozása, amely újabban a göttingeni fizikusok, Heisenberg, Born és Jordan kezében máris szép sikereket hozott. A további fejlődésnek kell azonban megmutatnia, hogy a kvantummechanika által megnyitott úton milyen messzire jutunk felvetett problémánk megoldásában. A legszebb matematikai spekulációk is a levegőben lógnak ugyanis, amíg meghatározott tapasztalati tényekkel szilárd tartást nem adunk nekik. Remélnünk és bíznunk kell abban, hogy a kísérletező fizikusok művészete, amely már olyan sok fogas kérdésben meghozta a kétségtelen döntést, ebben a nehéz esetben is meg fogja világítani a sötétséget. Akkor nem lesz kétség aziránt, hogy a kvantumhipotézis támadása révén a klasszikus fizika épületéről leszakított rész mint értéktelen törmelék a földre hullik, és helyére megfelelőbb és szilárdabb építmény kerül.

 

Tisztelt hölgyeim és uraim! Láttuk, hogy a fizika, amely még egy emberöltő előtt a természet legrégebbi és legkiforrottabb tudományai közé tartozott, jelenleg a Sturm und Drang korszakba lépett, amely minden eddigi korszaknál érdekesebbnek ígérkezik. Ha uraivá leszünk, nemcsak új természeti folyamatokat fogunk felfedezni, hanem egészen új bepillantást fogunk nyerni az ismeretelmélet titkaiba. Ez utóbbi területen talán még néhány meglepetés vár ránk, és megtörténhetik, hogy közben bizonyos régi, most feledésbe merült szemléletek újra felélednek és új értelmet nyernek. Ezért nagy filozófusaink elképzeléseinek és gondolatainak figyelmes tanulmányozása ebben az irányban igen eredményesen hathatna.

Voltak korszakok, amelyekben a filozófia és a természettudomány idegenül és barátságtalanul álltak szemben. Ezek az idők régen elmúltak. A filozófusok belátták, hogy nem lehet a természet kutatóit előírásokkal ellátni, arra vonatkozólag, hogy milyen módszerekkel és milyen célok után kutassanak, a természettudósok előtt pedig világos lett, hogy kutatásaik kiinduló pontja nemcsak egyedül az érzékelésben adott, és hogy a természettudomány sem boldogul egy adag metafizika nélkül. Éppen az újabb fizika hangsúlyozza legélesebben a régi igazságot: vannak realitások, amelyek érzékelésünktől függetlenek, és vannak problémák és konfliktusok, amelyekben ezeknek a realitásoknak magasabb az értéke, mint egész érzéki világunk leggazdagabb kincseinek.

 

M. Zemplén Jolán fordítása