Végtelen Tudomány

M - elmélet:

A tudósok sokat és sokáig gondolkoztak azon, vajon hogyan is keletkezett világunk. Jobb híján az az elképzelés lett általánosan elfogadott, hogy hol volt, hol nem volt, volt egyszer egy Nagy Bumm. Az elmélet szép is volt, meg jó is, egész addig, míg valaki meg nem kérdezte, hogy na igen, de mi robbant fel? Fizikai berkekben a legújabb felfedezés az ősrobbanás kérdésére vonatkozóan a címben is említett M-elmélet. Ám ahhoz, hogy ezt megértsük, előbb két másik tézissel kell tisztában lennünk. Egyik a húr-elmélet, a másik pedig a 11. dimenzói léte és milyensége. Lássuk először a húr-elméletet! Már Dalton óta tudni véljük, hogy környezetünk minden egyes kisebb-nagyobb eleme atomokból áll. Ez a megállapítás igaz is, mégha az oszthatatlanságára vonatkozó kitétel az idők folyamán már megdőlt, hiszen ma már ismeretes, hogy az atomot apró elemi részecskék alkotják. A húr-elmélet odáig ment ebben az egyre kisebb részekre való osztásban, hogy azt állítja, ezeket az elemi részecskéket bizonyos energiahúrok, röviden húrok építik fel. Ezek, akárcsak a gitár húrjai, állandó, de különböző mértékű (ha úgy tetszik, frekvenciájú) rezgésben vannak, így alakítva ki a különböző tulajdonságokat. Általában kis, rezgő gyűrűkként ábrázolják őket. Egy húr mérete kb. a proton méretének 10-20szorosa, azaz egy proton kb. 1020db. húrból tevődik össze. Ám minél többet gondolkoztak ezen az elméleten a tudósok, annál bonyolultabbá vált, mígnem egyszer csak azon kapták magukat, hogy öt, egymástól teljesen eltérő húr-elméletet hoztak létre. Az egyik változatban nyitott húrok, a többiben hurokká összezáródó húrok szerepelnek. Ráadásul a húr-elmélet a teret 10 dimenzióban képzeli, holott Einstein relativitás elmélete szerint a téridő 11 dimenzióra osztható. A 11. dimenzió elmélete megoldani látszott a problémákat, mert rájöttek arra, hogy ha a húr elméletet átültetik a dimenzió elméletbe, akkor az öt különböző tézis eggyé válik: a különbségek csupán a párhuzamos világok különbözőségeiből adódnak. Így hát az elméleti részecskefizikusok, akik addig tűzzel-vassal ellenezték a párhuzamos világok gondolatát, beolvasztották azt a sajátjukba, hogy így újra egységessé tegyék a húr-elméletet. A 11. dimenziót ezenfelül úgy képzelték el, mint a párhuzamos világok gyűjtőhelyét. Benne az univerzumok egy-egy membránnal (hártyával) körülvéve lebegnek, alakjuk változatos, és néha összeérnek, egymásba folynak. A párhuzamos világokat határoló membránokat nem szabad egyenes felületként elképzelni, azok a húrok rezgéséből adódóan hullámzanak. És így jutunk el a Nagy Bummhoz: világunk idejének kezdetén két párhuzamos univerzum membránjai összeértek, összeütköztek, és a hullámok nem egyszerre történő összeütközéséből felszabaduló energia robbanásban nyílvánult meg, ami a membránokból kiszakított anyagokból létrehozta a mi világunkat. Ez tehát az M-elmélet lényege, melyben az M jelentése nem tisztázott: membrán, misztikum vagy mágia? S ím tehát a nagy kérdésre a válasz. Univerzumunk létét sikerült megmagyarázni két, már létező világgal. Tehát nem kerültünk közelebb ahhoz, hogy hogy jött létre az anyag, és mi késztette arra, hogy épp úgy. Újabb kérdések merültek fel, a 11. dimenzió pontos meghatározásáról és az időről, hogy utóbbi mikor keletkezett, honnantól lehet mérni? De a tudomány örök, és épp az teszi ilyenné, hogy minden egyes válasz újabb és újabb megoldásra váró kérdést vet fel.

Az általános relativitáselmélet: 

Einstein 1916-ban publikálta (1915. november 25-én előadássorozatban adta elő a Porosz Tudományos Akadémián). Megemlítendő, hogy a kovariáns egyenleteket Einstein előtt már David Hilbert felírta és publikálta, mégsem vádolhatjuk Einsteint utánzással. Inkább arról van szó, hogy ők ketten együtt alkották meg az általános relativitáselméletet. Az elmélet bevezet egy egyenletet, amely helyettesíti a Newtoni gravitációt. Ez felhasználja a matematikából a differenciálgeometriát és a tenzorokat, hogy leírja a gravitációt. Ez az elmélet minden megfigyelőt egyenértékűnek tekint, nem csak azokat, akik egyenletes sebességgel mozognak. Az általános relativitás érvényes azokra is, akik egymáshoz képest gyorsulva mozognak. Ebben az elméletben a gravitáció nem egy erő többé (amilyen Newton gravitációelméletében volt), hanem a tér-idő görbületének következménye. Az általános relativitáselmélet egy geometriai elmélet, mely szerint a tömeg és az energia (pontosabban az energia-impulzus tenzor) „meggörbíti" a téridőt, és a görbület hatással van a szabad részecskék mozgására, sőt még a fényére is. Az elmélet felhasználható a Világegyetem fejlődésével kapcsolatos modellek felállítására, és így a kozmológia alapvető eszköze. Ez az elmélet jelenti az alapját a kozmológia standard modelljének, és ez ad eszközt ahhoz, hogy megértsük a Világegyetem tulajdonságait, azokat a tulajdonságokat, amelyeket csak jóval Einstein halála után fedeztek fel.

Speciális relativitáselmélet:

Az 1905-ben kifejlesztett speciális relativitáselmélet csak azokkal a megfigyelőkkel foglalkozik, akik egymáshoz képest egyenletesen mozgó speciális rendszerben, úgynevezett inerciarendszerben helyezkednek el. Einstein írása, amely akkor megjelent: „A mozgó testek elektrodinamikájáról" címet viselte. A relativitást ez az írás az idő, a tér, a tömeg és az energia elméleteként vezeti be. Az elmélet felteszi, hogy a fénysebesség vákuumban ugyanaz minden megfigyelő számára. A speciális relativitáselmélet megoldja a problémát, mely a Michelson-Morley kísérlet óta áll fenn, mivel nem sikerült kimutatni, hogy a fény valamilyen közegben (éterben) mozogna (minden egyéb hullám közegben mozog, például vízben vagy levegőben). Megoldja a klasszikus mechanika és a Maxwell-elmélet közötti ellentmondást is: az első szerint a fénnyel szemben haladva nagyobbnak kell mérnem a sebességét, a második szerint ugyanakkora minden rendszerben. Az elmélet rögzítette, hogy nincs ilyen közeg: a fénysebesség minden megfigyelő számára állandó, nem függ a megfigyelő mozgásától. A newtoni mechanikában ez nem lehetséges, így Einsteinnek egy új rendszert kellett kidolgoznia. Egyik következménye a hosszúság-kontrakció, melynek értelmében egy nyugvó rendszerben l hosszúságú test egy mozgó koordináta-rendszerben megrövidül, hosszúsága az eredeti hosszúság (gyök alatt) 1 - v^2-c^2 - szorosa lesz. Ez a jelenség hosszúságmérő eszközökkel nem bizonyítható, mivel azok is hosszúság-kontrakciót szenvednek.</p><p>Egy másik következmény az idődilatáció, mely szerint egy nyugvó rendszerben Δt idő alatt lejátszódó esemény egy mozgó koordináta-rendszerben hosszabb ideig tart. Az idődilatáció és a hosszúság-kontrakció egymásból következő fogalom, a kísérleti bizonyítékok csak a kettő együttes feltevése esetén állják meg a helyüket. A legismertebb bizonyíték a kozmikus müonok bomlása. E szerint a természetben nyugalmi rendszerben 2·10-6 másodperc bomlásidejű müonok, amelyek a sztratoszférában keletkeznek, megfigyelhetőek a földfelszínen, mivel azok koordináta-rendszerében „lassabban telik az idő", illetve „rövidebb távolságot kell megtenni", így képes a mintegy 30 km-es útján végigmenni, és leérkezni a Föld felszínére.

Konkurens elmélet: a Lorentz-elv

A relativitás-elmélettel lényegében egy időben jelent meg a Lorentz-elv, amely az Einstein-féle relativitás-elmélettel matematikailag teljesen ekvivalens, filozófiai szempontból ugyanazon formalizmus más interpretációját adja. A fő különbség, hogy Lorentz szerint minden test gyorsítás következményeképp valódi, fizikai deformációt szenved, így méterrúdjaink is. A fény sebessége csak egyetlen kitüntetett vonatkoztatási rendszerben izotróp, de minden más rendszerben is annak tűnik a kontrakció és idődilatáció kompenzáló hatásai miatt. Empirikusan nem lehet különbséget tenni a két elmélet között, bizonyos szempontból, a newtoni fizikán nevelkedett agy számára természetesebb a Lorentz-elv, például nem kell feladni az egyidejűség elvét, a fény sebessége valóban változik a vonatkoztatási rendszertől függően. A Lorentz-elvvel szemben az Einstein-féle felfogás terjedt el és vált elfogadottá, mivel a tudomány két ekvivalens elmélet közül a kevesebb és egyszerűbb alapfeltevésből kiindulót preferálja (Occam borotvája). Einstein elméletének nincs szüksége az éter fogalmára, és a Lorentz-transzformáció képleteit általánosabb elvekből levezeti, és nem posztulálja. Az elméletet Jánossy Lajos fejlesztette tovább, aki filozófiai, világnézeti alapból preferálta a Lorentz-féle nézetet az einsteini szemlélettel szemben.

Kvantummechanika:

A természet, a fizikai rendszerek jelenleg érvényesnek gondolt elmélete, amelyik túllépett a klasszikus fizika fogalmain. Jóslatai a klasszikus fizikáétól főleg kis méretek, energiák és hőmérsékletek esetén különböznek. Így a kvantummechanika főleg az elemi részecskék fizikájának elmélete vagy például az olyan alacsony hőmérsékletű makrojelenségeké, mint a szuperfolyékonyság és a szupravezetés. A kvantummechanika néhány alapelvből származtatott matematikai apparátusa kísérletileg ellenőrizhető jóslatokat szolgáltat olyan jelenségekre, amikre a klasszikus mechanika és a klasszikus elektrodinamika nem képes. Ilyenek a kvantálás, a hullám-részecske kettősség, a határozatlansági elv és a kvantum-összefonódás. A kvantumfizika és kvantumelmélet kifejezéseket gyakran a kvantummechanika szinonimájaként használjuk, máskor viszont bővebben beleértjük a kvantummechanika előtti régebbi kvantumelméleteket is (ld. a történeti összefoglalót), vagy amikor a kvantummechanikát egy sokkal szűkebb értelemben használjuk (a klasszikus mechanika mintájára), akkor beleértjük az olyan elméleteket például mint a kvantumtérelmélet vagy annak első kidolgozott változata a kvantum-elektrodinamika. Ebben a szócikkben mi a szó legáltalánosabb értelmében használjuk.

Kvantumtérelmélet:

A relativisztikus kvantummechanika Dirac első értelmezésében állandóan jelenlevő végtelen sok részecskét (Dirac-tenger) követelt meg az antirészecskék leírására, amelyek betöltötték az összes lehetséges alsó energiájú állapotot. Ez az értelmezés még fermionok esetén is kicsit kényelmetlen, bozonok esetén viszont, ahol egy állapotban akárhány részecske lehet, értelmetlen. Olyan elméletre volt szükség, ami le tudja írni a részecskék számának változását. A megoldást a második kvantálás, az eddig függvény vagy matematikai vektor hullámfüggvény operátorosítása jelentette. A hullámfüggvény részecskekeltő és eltüntető operátorok lineáris kombinációjává vált, s ezek az operátorok a részecskeszám-téren (Fok-tér) hatottak. Az így megszületett kvantumtérelmélet ezen leírási módszerét Fok-reprezentációnak nevezzük a kezdeményező Vlagyimir Alexandrovics Fok orosz fizikus, matematikus után.

A Heisenberg-féle határozatlansági reláció:

A kvantummechanika egyik alapelve, amely azt állítja, hogy nem tudjuk egy részecske bizonyos megfigyelhető változóit egyszerre tetszőleges pontossággal megmérni azonos pillanatban, még elvileg sem; például nem mérhető meg egyszerre pontosan egy részecske térbeli helye és impulzusa. Továbbá, alsó korlátot ad a mérések szórásának szorzatára. A határozatlansági relációt, a kvantummechanika egyik sarokkövét, Werner Heisenberg fedezte fel 1927-ben.

A hullám-részecske kettősség és kapcsolata a határozatlansági elvvel:

A határozatlansági reláció alapvető következménye, hogy semmilyen fizikai jelenség sem ábrázolható tetszőleges pontossággal, mint "klasszikus pontszerű részecske" vagy hullám, a mikroszkopikus helyzet leginkább a hullám-részecske kettősség képe alapján írható le. A határozatlansági elv, ahogy Heisenberg eredetileg megközelítette, olyan esetekkel foglalkozik, amikor sem a részecske, sem a hullámkép nem teljesen alkalmas megközelítési mód. Ilyen például a részecske egy dobozban, valamilyen energiával. Az ilyen helyzetek nem írhatók le sem egy konkrét helykoordinátával (valamilyen távolságérték egy potenciálfaltól), sem egy konkrét impulzusértékkel (beleértve az irányát is). Bármilyen mérés, ami meghatározza egy ilyen részecske helyzetét vagy impulzusát tetszőleges pontossággal - amit a hullámfüggvény összeomlásaként ismerünk a kvantumfizikában - kielégíti azt a feltételt, hogy a hullámfüggvény szélessége a helyzetbeli összeomlás után szorozva az impulzusbeli összeomlás utáni szélességgel nagyobb vagy egyenlő a redukált Planck-állandó felénél. A kvantummechanika minden mért részecskéje mutat hullámtulajdonságokat, tehát egzakt, kvantitatív analógiát találunk a határozatlansági reláció és a hullámok vagy jelek tulajdonságai között. Például egy időben változó jel, mint a hanghullám esetén értelmetlen megkérdezni a frekvenciaspektrumot egy adott időpillanatban, mivel a frekvencia mérése az ismétlődések mérése egy bizonyos időtartam alatt. Egy pontos frekvenciaméréshez a jelből elég hosszú (nem nulla) ideig kell mintákat vennünk. Ez mutatja, hogy az időpontosság elveszik a jel frekvenciaspektrumának mérése során. Ez analóg az impulzus és a hely közötti kapcsolattal, és van egy ekvivalens megfogalmazása is a határozatlansági elvnek, miszerint egy hullám energiamérésének bizonytalansága (az energia arányos a frekvenciával) fordítva arányos az ehhez szükséges idővel, ahol az arányossági tényező ugyanaz, mint a hely-impulzus határozatlansági reláció esetén.

A honlap magyarul nem csak a weblap első oldalát jelenti, minden oldal együtt a honlap.

ÁSZF | Adatvédelmi Nyilatkozat