"A frissen indult Tudomány rovat különféle ismeretterjesztő cikkek publikálására létrehozott tér az Éteren belül, mely a terveink szerint a világegyetem legnagyobb szerkezeteitől a földi élet legparányibb eleméig próbálja majd az olvasók kíváncsiságát felerősíteni és tudását bővíteni. Létrehoztuk az Éter blogot, de mit is jelent az az éter? A fizikában az éter problémája rengeteg kérdést vetett fel a tudósok körében, mely végül a tudományterület egyik legnagyobb forradalmához vezetett."
Puskás Dávid
A frissen indult Tudomány rovat különféle ismeretterjesztő cikkek publikálására létrehozott tér az Éteren belül, mely a terveink szerint a világegyetem legnagyobb szerkezeteitől a földi élet legparányibb eleméig próbálja majd az olvasók kíváncsiságát felerősíteni és tudását bővíteni. Ezen kívül szeretnénk beszámolni a modern kor legújabb tudományos és technológiai vívmányairól, de a múltbéli hatalmas fejlődést hozó felfedezésekről és találmányokról is, valamint az ezeket megvalósító híres külföldi és magyar tudósok érdekes életrajzát is bemutatni kívánjuk.
Létrehoztuk az Éter blogot, de mit is jelent az az éter? És itt most nem a kémiában használatos étereknek nevezett szerves vegyületekre gondolok. A fizikában az éter problémája rengeteg kérdést vetett fel a tudósok körében, mely végül a tudományterület egyik legnagyobb forradalmához vezetett. Albert Einstein, akit a fizika „popsztárjaként” is emlegetnek, az éter gondolatát elvetve, megalkotta a speciális, majd az általános relativitáselméletet, amely a newtoni fizikához képest forradalmi változást jelentett.
A geocentrikus világkép sematikus rajza, melyen az égi szférák az éter nevű ötödik
elemből épülnek fel (Forrás: Wikipédia)
Az éter gyökerei már a mitológiában fellelhetők, ahol görög jelentésében az istenek által belélegzett tiszta levegőt jelenti. A földi levegőhöz hasonlóan, az istenek lakóhelyét, az eget ez az anyag töltötte ki. Arisztotelész ötödik elemként említi a Földön található négy elem mellett, amely az égbolton a bolygók tartásául szolgáló kristálygömbök anyaga, melyek forgásukkal eredményezik az égbolt és a bolygók forgását a geocentrikus világképben (lásd a fenti képet). A középkori alkimisták kvintesszenciaként említették ezt az ötödik elemet. A fogalom átöröklődött egészen a XIX. század végi fizikába is. Miután felfedezték a fény hullámtermészetét, szükséges volt egy közeg definiálása is, melyben a fény, mint hullám terjed, hasonló módon a hanghullámokhoz, melyek a mi esetünkben a levegőben terjednek. A fény terjedési közegének a légüres térben vagy vákuumban jelenlévő étert nevezték, amely teljesen hipotetikus volt, csak mint hullámhoz szükséges terjedési közeg vezették be. A szakirodalomban még luminiferous aether-ként is emlegetik, amely jobban kihangsúlyozza hogy az éter alatt „fényhordozó” közeget értünk.
Az éter egyre inkább foglalkoztatta a XIX. századi fizikusokat, amikor már több bizonyítékot találtak a fény hullámtermésztére. Ebben az időben rengeteg elektromos és mágneses kísérletet végeztek és megfigyelték az ezekhez köthető jelenségeket. Teljes matematikai formájában először Maxwell skót fizikus foglalta össze a klasszikus elektromágnességtan törvényeit, melyből elméleti számítások útján kiderül, hogy az elektromágneses hullámok sebessége (c = 3·108 m/s) éppen megegyezik a fény terjedési sebességével. Először Maxwell volt az aki azt állította ez alapján, hogy a fény elektromágneses hullám. De ha megtaláltuk a fény sebességét a légüres térben, akkor mihez viszonyítsuk ezt?
Maxwell négy egyenlete, melyek leírják a klasszikus elektromosságtan törvényeit.
Megjelenik a fény terjedési sebessége (c).
A XIX. századi éter elmélete csakis azért vált szükségessé, hogy biztosítson egy közeget, melyben az elektromágneses hullámok, mint például a fény terjedni tudjanak. A fizikusok az éter kapcsán rengeteg ellentmondásba ütköztek. Az éter egy olyan közegként volt elképzelve, mely rendkívül szilárd, hogy az elektromágneses hullámok magas frekvenciájú rezgéseit képes legyen továbbítani; nem látható, folyadékhoz hasonló, mely kitölti az egész teret és nem lép semmilyen kölcsönhatásba az anyaggal, ugyanis másképp a bolygók mozgása befolyásolná. Ezeken kívül számos ellentmondáshoz vezetetett az éter ötlete.
Mivel Maxwell egyenleteiből a fény sebességének egy konstans érték jött ki, ez csakis az akkoriban valósnak hitt abszolút térhez viszonyítható (mivel a sebesség viszonylagos mennyiség, egy autó sebességét is például az úttesthez viszonyítjuk). Az abszolút teret még Isaac Newton definiálta: „Az abszolút tér, saját lényegénél fogva, külsőleg egyáltalán semmihez sem viszonyítva, mindenkor egyenlő és változatlan marad”. Ez a fogalom, valamint az abszolút időé szükséges volt Newton számára a klasszikus mechanikai kidolgozásához. A fény sebességével kapcsolatos kérdésben a legegyszerűbb volt az abszolút térnek az étert tekinteni, mely nincs mozgásban és kitölti az egész Világegyetemet.
A Föld évi mozgása az éterhez képest. A newtoni fizika alapján a fénynyaláb terjedési sebessége összeadódik a Föld mozgási sebességével. (Az eredeti kép forrása: Wikipédia)
Ezek alapján, a következő kéne igaz legyen. Ha a fénnyel megegyező irányba haladunk, akkor a fény sebessége hozzánk viszonyítva kisebb kell legyen, mint az éterhez viszonyított sebessége; valamint, ha ellenkező irányba mozgunk akkor nagyobb kell legyen ennél. Ennek kiderítésére készült a Michelson-Morley kísérlet, melynek lényege, hogy egy kettéosztott fénynyaláb két, egymásra merőleges „kar” mentén haladva visszaverődik, majd újból találkozik (lásd az ábrát). A két nyaláb találkozva interferenciaképet ad. Ha az egyik irány mentén a fény sebességében kis eltérés van (az éterhez viszonyított relatív mozgás miatt), akkor az ebből következő változás miatt a két nyaláb által eredményezett interferenciakép eltolódik. A részleteket mellőzve, egyszerűen ez az szerkezet a Föld napi vagy évi mozgásából adódó fénysebesség változást kellett volna kimutatnia. Számos pontos mérés után a kísérlet a fizika történelmében az egyik legnagyobb nulleredményt adta, vagyis a fény sebessége változatlan maradt a Föld mozgásától függetlenül.
A Michelson-Morley féle interferométer, mely segítségével kimutatható lenne az éter létezése
(Az eredeti kép forrása: Wikipédia)
Az eredmények alapján, Occam borotvája szerint (filozófiai elv, amely szerint egy jelenség magyarázatai közül a legegyszerűbbet érdemes választani), mivel nem kimutatható az éter jelenléte és annak semmilyen hatása, ezért annak létezése szükségtelenné válik. A fény terjedési sebessége ez alapján változatlan a megfigyelő mozgásához képest.
Albert Einstein 1905-ben elvetette az abszolút tér és idő fogalmát, és ezáltal az éter szükségességét is, megalkotva a speciális relativitáselméletet. Ez az elmélet két pilléren nyugszik, két posztulátumon: az egyik kimondja, hogy a fény terjedési sebessége állandó, bárhogyan is figyeljük meg; a másik pedig azt állítja, hogy a fizika törvényei ugyanazok bármely tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerben. A tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerek alatt a newtoni mechanikában az egymáshoz képest nyugalomban levő vagy egyenes vonalú egyenletes mozgásban levő rendszereket értjük, ezekben a testek nem végeznek gyorsuló mozgást. Az abszolút tér és idő fogalmának elvetése, nagyon furcsa következményekhez vezet, ilyen az idődilatáció és a hosszkontrakció. Képzeljük csak el, ha a fény sebessége állandó akkor egyre közeledve ehhez a sebességhez, a konstans értéket egy esemény időtartamának a megváltozása vagy a távolságok mérésében felmerülő eltérés tudja csak kompenzálni.
Ha nem létezik egy egységes abszolút idő, amely szerint minden óra ketyeg, ez azt feltételezi, hogy minden megfigyelő rendelkezik egy ún. sajátidővel. Két azonos vonatkoztatási rendszerben levő megfigyelő számára egyformán telik az idő, viszont ha az egyik mozgásban van, akkor számára másképp fog telni az idő. Az idődilatáció esetében, a nyugalomban levőnek tekintett vonatkoztatási rendszerből megfigyelve a mozgó rendszerben zajló esemény időtartama hosszabb lesz, mint az eseménnyel együtt mozgó rendszerből megfigyelt időtartam.
Albert Einstein 1946-ban (Forrás: Wikipédia)
Hagyományosan itt egy fénysebességhez közeli sebességgel mozgó vonatot hoznak fel példának és az ezzel kapcsolatos jelenségeket. Ez lehetett a XX. század elején a legkézenfekvőbb nagy sebességű szerkezet. Azonban manapság, aligha mondható el hogy a környezetünkben levő vonatok akár a fénysebesség törtrészével is haladnának. Nézzünk inkább egy űrhajós példát, az ikerparadoxont.
Egy ikerpár búcsúzkodik a Földön. Az egyik egy asztronauta, aki egy űrutazásra készül, a másik pedig ezalatt a Földön marad. Az asztronauta a fény sebességéhez közeli sebességgel utazik, így a hozzá képest nyugalomban levő földi órához viszonyítva, az ő ideje lassabban telik. A Földre való visszatértekor azt tapasztalja, hogy ikertestvére megöregedett, míg ő alig csak valamivel idősebb, mint mielőtt elindult volna.
Bármennyire is szembe ütközik ez a mindennapi logikánkkal, a speciális relativitáselméletet számos közvetett és közvetlen kísérlet bizonyítja. Magát az ikerparadoxont is sikerült megfigyelni egy asztronauta ikerpár esetében. A NASA űrhajós ikrekkel végzett kutatásában Scott Kelly a Nemzetközi Űrállomás (ISS) fedélzetén tartózkodott egy évig, míg ikertestvére, Mark, a Földön tartózkodott ezalatt. A relativitáselmélet alapján ez az egyéves „űrutazás” mindössze pár milliszekundum különbséget eredményez az ikerpár között, ugyanis az ISS korántsem kering relativisztikus sebességgel a Föld körül. Ezzel ellentétben Scott Kelly egészségi állapota rosszabbodott az egy év alatt, az űrbeli sugárzás és egyéb hatások miatt.
Mark és Scott Kelly űrhajósok, a NASA ikrekkel végzett kutatás alanyai (Forrás: Wikipédia)
Egy nagyon fontos következménye Einstein speciális relativitáselméletének a tömeg és energia közti összefüggés. Ahogyan egy esemény időtartama vagy egy tárgy hossza megváltozik a fénysebességhez közeli sebességeknél, ha ilyen mértékben fel szeretnénk gyorsítani egy testet, akkor a tömege egyre növekedni fog és ez annál jobban megnehezíti hogy tovább gyorsítsuk. Ezáltal egy test sosem gyorsítható a fény sebességére, mivel végtelen energiára lenne szüksége. A tömeg és energia közötti ekvivalenciát a laikusok körében is elterjedt híres képlet írja le:
ahol E az energia, m a tömeg és c a fény sebessége vákuumban. A képletnek hatalmas jelentősége van a magfizikában, egyik következménye volt az a megállapítás, miszerint egy uránium atom magja két másik atommagra bomlik, amelyeknek összességében kisebb lesz a tömegük mint a bomlás előtti magnak. Ez a tömegkülönbség írható be a fenti képletbe és rögtön észrevehető, hogy már egy kis tömeg is hatalmas energiával ekvivalens. Ez a bomlási reakció volt a II. világháborúban bevetett atombombáknak az alapja. Az atombomba kifejlesztése miatt többen is hibáztatták Einsteint, aki azonban nem vett részt az azt kifejlesztő Manhattan projektben. Stephen Hawking így vélekedik erről: egyesek Einsteint hibáztatják az atombomba miatt, mert ő fedezte fel a tömeg-energia relációt, ami ugyanaz mint Newtont hibáztatni a repülőbalesetek miatt, mert ő fedezte fel a gravitációt.
A speciális relativitáselmélet kiterjesztése az általános relativitás, melyben megjelenik már a gyorsulás, nem csak tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerek vannak jelen. Ez az elmélet egy teljesen más módon magyarázza meg a tömegvonzás törvényét (gravitációt) Newtonhoz képest. Bevezeti az ún. téridő fogalmát, melynek görbülete okozza a gravitációt. A tömeggel rendelkező testek meggörbítik a téridőt és így vonzóerőt fejtenek ki más testekre. Ezt ábrázolja az alábbi ábra, melyen a négydimenziós térdidő egy kétdimenziós rácsra van leegyszerűsítve. A „ráhelyezett” Föld meggörbíti a körülötte levő téridőt.
A Föld által meggörbített téridő két dimenzióra való egyszerűsétése. (Forrás: Wikipédia)
Az általános relativitáselméletnek számos érdekes következménye van, mint például a fekete lyukak vagy a gravitációs hullámok. Ezekre itt nem térünk ki, egy későbbi cikk témáját képezik. Megjegyzendő érdekességként, hogy az általános relativitáselmélet nem illeszkedik össze a kvantummechanikával. Két nagy elmélet, mely működik külön-külön, a megfelelő megfigyelési tartományban, de egy adott ponton ellentmondásba kerülnek. Így tehát bőven akad dolguk a jelen és jövő fizikusainak egy egységes elmélet kidolgozásában. A kvantummechanikáról maga Einstein azt mondta, hogy „Isten nem játszik dobókockával”.
Az éter gondolatából kiindulva egész távolra kalandoztunk, de az eredeti kérdést nem igazán válaszoltuk meg: mi is az az éter? A kérdést magát volt értelme feltenni, hiszen a cikk alapján ez a kérdés valóságos tudományos reformkorhoz vezetett a fizikában. Válaszként elégedjünk meg azzal, hogy az éter fogalmát nem szükséges bevezetnünk, mint a vákuumot kitöltő fény terjedési közege, mert nincs rá sem közvetlen, sem közvetett bizonyítékunk és a relativitáselméletek, valamint az elektromágneses hullámok elmélete értelmetlenné teszik a létezését.