Az asztrofizikus, Simpsonék és a tudomány jövője

2001 elején Indiában, Bombay-ben tartott előadást a világ egyik legnagyobb gondolkodójának tartott Stephen Hawking asztrofizikus. Összeállításunkban egyik korábbi előadását részletesen is megismerhetik, Radnai Zoltán cambridge-i diák színes és érdekfeszítő előadásában.

A nyilvános órát azzal kezdte a mozogni is alig tudó asztrofizikus, hogy levetítette a Simpson-család című rajfilmsorozat azon epizódját, amelyben ő maga is szerepel.

Fotó: Reuters

Stephen Hawking, akinek többek között az időről, az univerzumról vannak sokak által vitatott, de zseniális elképzelései a mozgatóidegek sorvadása miatt hosszú ideje tolókocsiba kényszerült. 1985-ben egy betegség következtében gégemetszést hajtottak végre rajta, de így sem tett le arról, hogy előadásokat tartson. Jelenleg egy hangszintetizátorral kombinált személyi számítógép segítségével kommunikál.

Fotó: Reuters

* * * * *

Stephen Hawking előadása a Cambridge Egyetemen - Radnai Zoltán cambridge-i diák élménybeszámolója

1998. október 15-én este a cambridge-i Egyetem Fizika Társulatának tagjai lázban égtek, miközben a nagy eseményre várakoztak. Prof. Stephen Hawking, a híres kozmológus készült előadást tartani este 8-órakor. A kíváncsi közönség már jóval az előadás kezdete előtt sorban állva várakozott kint, az épület előtt. Néhány szerencsétlenebb ember, aki már nem jutott jegyhez, föl-alá téblábolt azzal a reménnyel telve, hogy esetleg nem mindenki jön el. A jegyek ugyanis iszonyatosan hamar elkeltek, miután az
előadást meghirdették, hiszen Prof. Hawking híres személy, és nagyon ritkán ad előadásokat. 8 óra előtt valamivel már óriási volt az izgatott tömeg mérete. Egy alkalommal mintha egy csoport embert lattam volna elcaplatni a hátsó bejárat felé, miközben valaki mintha egy tolószékben suhant volna köztük. Vajon Prof. Hawkingot láttam volna, életemben először élőben?

Az előadóterem tele volt. Órákon át özönlöttek befelé a kíváncsi hallgatók. No persze ez csak óráknak tűnt, mivel én magam is izgatottan vártam az előadás kezdetét. Végre-valahára minden hely betelt, a terem elcsendesedett, és a Fizika Társulat ifjú elnöke (aki maga is megilletődöttnek látszott) elmondta megnyitó beszédet. A részletek a szokásosak voltak: mennyire meg vagyunk tiszteltetve, hogy Prof. Hawking ma este velünk lehet és a többi. És ekkor végre begördült lassan, de biztosan maga Prof. Hawking, tapsvihar közepette. Elegáns szürke zakójában igazán jól festett, tolószék és egyebek ellenére. Általános vidámságot keltett első mondata: "Can you hear me?" - "Hallotok engem?" Majd ezzel kezdetét vette egy roppant érdekes előadás.

Eleinte szokatlan volt, hogy néhány másodpercnyi (néha tizet is elérő) hosszúságú szüneteket tartott Prof. Hawking minden mondata között, hiszen ennél gyorsabban képtelen lenne beszélni; ám mint kiderült, ezek a szünetek inkább hatásosak voltak, mint zavaróak, hiszen ez alatt volt időm, hogy megemésszem az elhangzottakat, illetve megszemléljem a vetítőn levő képet vagy Prof. Hawkingot magát. Mint kiderült, Prof. Hawking roppant szellemes és vidám személy, a közönség a komoly fizikai tartalom ellenére gyakran tört ki nevetésben. Az előadás egyszerű, de jól szerkesztett és könnyen érthető, tehát hasznos ábrákkal volt dúsítva. Általános vidámságot keltett az ábrák gyerekes, rajzfilmszerű jellege, ám azok annál hatásosabbak voltak. Végül is Prof. Hawking maga nem nagyon képes ábrák szerkesztésére, mint később kiderült, és elég nehéz lenne egy komplikáltabb ábrát másnak elmagyarázva megszerkeszteni. Most pedig következzék az előadás összefoglalója.

Jósoljuk meg a jövőt - az asztrológiától a kozmológiáig
Prof. Stephen Hawking előadása

Az asztrológia egy olyan "tudományág", amely a jövő titkait hivatott fürkészni. Elég nagy népszerűségnek örvendett a középkorban, ám manapság már eléggé elképzelhetetlen, hogy a bolygók mozgása a háttércsillagok előtt, amely csak látszólagos, és csak a Földről észlelhető, bármilyen hatással is lehetne az életünkre. Ám a probléma nem az asztrológia által tett jóslatok hihetőségével kapcsolatban van, hanem azzal kapcsolatban, hogy az asztrológia nem tesz olyan jóslatokat, illetve kijelentéseket, amelyek tudományos kísérlettel ellenőrizhetőek, és ezáltal megcáfolhatóak. (Mondhatni nagyszerű módon hárítják a támadást). Magazinokban és más helyeken gyakran lehet asztrológusok jóslatait olvasni, ám ezek mind túl általánosak, és mindig igazak - így aztán a tudomány nem tud vele mit kezdeni. Éppen ezért nem arról van szó, hogy az asztrológiát tudománytalansága miatt el kellene vetni, inkább arról van szó, hogy nem konzisztens a mai tudományos nézetekkel, törvényekkel, és nem ellenőrizhető le azok alapján.
A maga módján a tudomány is megpróbálkozik az időjóslással, vagyis a jövő (és a múlt!) titkainak a fürkészésével. A tudományos jövőbelátás alapjait Laplace fogalmazta meg, aki szerint amennyiben ismerjük egy részecske jelenlegi helyzetét és sebességét, akkor a tudomány törvényszerűségei alapján a részecske helyzete és sebessége pontosan kiszámítható és megadható a jövő, illetve a múlt bármelyik pontján. Ez a fajta determinizmus nagyon sokáig kísérte a tudományt, és roppant népszerűségnek örvendett, hisz a mindennapi élet megfigyeléseivel egybevág. Sajnos azonban két korlátja is van ennek az elméleti determinizmusnak. Az egyik a gyakorlati alkalmazás; egy vagy két részecskével kapcsolatos számítások még elvégezhetők, ám már három részecske esetén is olyan bonyolultak lesznek a fizikai/matematikai képletek, hogy szinte lehetetlen a problémák megoldása, így az időjóslás. Így hát bár elméletben egy részecske jövője megjósolható lenne, gyakorlatban a tudomány nem tudja megjósolni, hogy az Ön következő cselekedete mi lesz, hiszen az Ön agya millió és millió részecskét tartalmaz.

A másik korlátja a determinizmusnak a kvantummechanika, illetve a Heisenberg-féle határozatlansági elv. E szerint az elv szerint soha nem lehet elég pontosan meghatározni egy részecske helyzetét és sebességét egyszerre. Ha a helyzetet határozzuk meg nagy pontossággal, akkor a sebességet lehet csak nagyjából meghatározni, és fordítva. Ezért a fizikusok a részecskék állapotát egy hullámfüggvénnyel írják le. Ez azt ábrázolja, hogy mekkora a valószínűsége annak, hogy a részecske éppen egy adott helyen van. Ennek a függvénynek az alakja meghatározza, hogy vagy a helyzetét, vagy a sebességét ismerjük pontosan a részecskének. Ugyan a határozatlansági elv Laplace elvét megdönti, és ez által megszűnik a Laplace-féle determinizmus, de a kvantummechanika korlátai között akkor is beszélhetünk determinizmusról. Ugyanis a részecske állapotát leíró hullámfüggvény jövőbeli, illetve múltbeli alakjai egy nagyon egyszerű képlettel kiszámíthatók, feltéve, hogy ismerjük a függvény mostani alakját. A tudósok legnagyobb örömére tehát a világ mégiscsak determinisztikusnak tűnik, még ha a kvantummechanikai korlátokon belül is.

Vannak ám további problémák. Ehhez meg kell értenünk, hogy hogyan működik a tér és az idő. Nagyon sokáig a tudósok úgy gondolták, hogy az idő egyenletesen, simán halad előre, a végtelen múltból a végtelen jövő felé, a 3 dimenziós tértől függetlenül, amelyben mi élünk. Ha ez így lenne, akkor a hullámfüggvény különböző alakjai bármely időpontban megjósolhatók lennének. Ám ahogyan Einstein relativitáselmélete megmutatta, tér és idő nem különálló fogalmak, hanem együtt úgynevezett téridőt alkotnak. Ezt a téridőt pedig tömeggel rendelkező testek elgörbítik. Ezt például nagyszerűen lehet illusztrálni a Nap segítségével. A Nap a tömege révén meggörbíti maga körül a téridőt, így a mellette elhaladó fénysugarak útja elhajlik. Ez kísérletileg is megfigyelhető, ugyanis amikor távoli kvazárok előtt halad el a Nap, azok látszólagos helyzete kissé elmozdul. Ez annak köszönhető, hogy a kvazártól hozzánk érkező fénysugarat a Nap elgörbíti.

Most képzeljünk el egy feldobott labdát. A labda először lassulni kezd, egy pillanatra megállni látszik, majd visszahullik a Földre, a gravitáció hatására. Amennyiben azonban a labdát elég nagy sebességgel dobjuk föl, az soha nem fog visszatérni a Földre, hanem végleg elhagyja azt; ezt hívjuk a szökési sebességnek. Ez a szökési sebesség bolygónként, csillagonként változó, és az objektum tömegétől függ.

Már 1875-ben, még jóval Einstein előtt a Londoni Királyi Társaság tagjai levelezést folytattak egy "sötét csillagnak" nevezett elméleti objektumról, amit manapság fekete lyuknak neveznénk. A levelezés szerint feltételezték, hogy elképzelhető olyan objektum, amelynek olyan erős gravitációs tere van, hogy még a fény sebessége sem elég a szökési sebesség eléréséhez. Feltételezték, hogy egy ilyen objektum teljesen sötét lenne, hisz semmilyen fényt nem tudna kibocsátani magából. A fekete lyukakat Einstein relativitáselmélete is megjósolja. Egy Swarzchild nevű úr volt az, aki először adott Einstein egyenleteire egy olyan megoldást, amely egy ilyen fekete lyukat írna le. Ezt azonban maga Einstein sem hitte el, és hülyeségnek nevezte. A többi fizikus is elég nehezen és lassan fogadta el a fekete lyukak létezésének a tényét, és mindmáig csak közvetett bizonyítékaink vannak a létezésükre.

A fekete lyukaknak ugyanis alapvető következményei vannak a világ determinisztikus voltára nézve. Mivel egy fekete lyukat a fény sem hagyhatja el, ezért semmilyen információ nem juthat ki egy fekete lyuk belsejéből, hiszen az információ sem közlekedhet a fénynél sebesebben. Most képzeljünk el egy olyan részecskét, amely nagyon közel helyezkedik el egy fekete lyuk felszínéhez. Ennek a részecskének a pontos helyzetét nem lehetne tudni, és a részecske állapotát leíró hullámfüggvény egy része a fekete lyukon belül helyezkedne el. Ezt a részét a függvénynek pedig képtelenség lenne megismerni, hiszen a fekete lyukból nem juthat ki információ. Ez elvileg még nem nagy probléma, hiszen a függvény fekete lyukon kívüli része továbbgörgethető lenne időben, hogy a fekete lyukon kívüli eseményeket megjósoljuk. Ám mi a helyzet a múlttal? Mivel a fekete lyukon belüli részét a függvénynek nem ismerhetjük, a részecske múltbéli állapota meghatározhatatlan. Egy fekete lyuk pedig részecskék sokféle kombinációjából létrejöhetett, így potenciálisan nagyon sok információt tartalmazhat a múltra nézve, amelyet mi nem ismerhetünk meg.

Tehát nem csak a jövőt, hanem a múltat is részben homály fedi; vagyis múltbéli tudás vesz el helyrehozhatatlanul. Ezek szerint lehet, hogy egy éve már felfedeztük a Nagy Egyesített Elméletet, csak éppen elvesztettük egy fekete lyukban? További komplikációkat okoz az úgynevezett Hawking-sugárzás. A világűr nem teljesen üres, néha véletlenszerűen részecskepárok születnek, majd rövid idő múlva újraegyesülve megsemmisülnek. Most tételezzük fel, hogy a részecskepár egyik tagja bekerül egy fekete lyukba. Mivel onnan semmiképp nem kerülhet ki, a pár másik tagja elhaladva a másik irányba életben marad, anélkül, hogy megsemmisítenék egymást. Mivel a fekete lyukon kívül részecske a fekete lyuk felől érkezik hozzánk, úgy tűnik, mintha a fekete lyuk sugározna. Ennek a sugárzásnak a hőmérséklete azonban a fekete lyuk méretétől függ. Minél nagyobb egy fekete lyuk mérete, annál kisebb a sugárzás hőmérséklete. Így egy átlagos fekete lyuk sugárzási hőmérséklete alig haladja meg az abszolút nulla fokot. Sajnos ezt a sugárzást az Univerzum háttérsugárzása elnyomja, így észlelhetetlen. Kisebb lyukakkal már szerencsésebbek lehetünk. Ahogy egy fekete lyuk sugároz, energiát veszít, tehát tömege csökken. Ennek megfelelően sugárzási hőmérséklete nő. Így kisebb fekete lyukak sugárzását észlelhetnénk - elméletben. Csak éppen mindmáig nem sikerült gyakorlatban. Ha valakinek sikerülne ilyen sugárzást észlelnie, Prof. Hawking Nobel-díjat kapna.

A Hawking sugárzás felfedezésének ténye eleinte roppant kis számú tudóst érdekelt, így mikor Prof. Hawking első alkalommal próbálta előadni felfedezéseit, számos nehézségekbe ütközött. Ugyanis a tudósok többsége még csak a fekete lyukak létezésében sem hitt, úgyhogy akkor hogyan sugározhatnak?

Ám térjünk vissza a determinizmusra. Ahogy a fekete lyuk sugároz és csökken tömege, egyre kisebb lesz, majd egy idő múlva eléri a nulla tömeget és megsemmisül. Mi történik akkor azzal az információval, amely a fekete lyukban volt tárolva? Örökre elvész? Ennek azonban az a következménye, hogy elveszítenénk esélyünket a jövő megjóslására, illetve arra, hogy determinisztikus Univerzumban éljünk.

Még ehhez képest is van komplikáció. Einstein két másik tudós segítségével egy gondolat-kísérletet végzett el. Együtt születő részecskéknek az a tulajdonsága, hogy ellentétes spinjük van. Az egyik mindenképp lefelé, a másik felfelé spinnel rendelkezik. Hogy mi az a spin, az lényegtelen, a lényeg, hogy amennyiben tehát megmérjük az egyik részecske spinjét, ismerni fogjuk a másik spinjét is. Most térjünk vissza a részecskepárra, amelyből az egyik a fekete lyukban elveszett, a másik meg elért hozzánk. Ennek a két részecskének is ellentétes kell, hogy legyen a spinje. Úgyhogy ha megmérjük annak a részecskének a spinjét, amely hozzánk elért, tudnunk kéne annak a spinjét is, amely a fekete lyukban van. Tehát információt szereztünk a fekete lyuk belsejéből, ami pedig lehetetlen, hiszen semmi sem mehet gyorsabban a fénynél, információ sem, így nem hagyhatja el a fekete lyukat.

Így ez vagy azt jelentené, hogy arról a részecskéről sem tudnánk információt szerezni, amely elért hozzánk, vagy pedig azt, hogy információ mégis kijut valahogy a fekete lyukból. Az első esetben a determinizmusnak végképp lőttek, hiszen ha a jelenben nem tudunk információt szerezni egy részecske állapotáról, meg egy hullámfüggvény formájában sem, akkor a jövőt sem lehet megjósolni.A kozmológusok többsége éppen ezért a második lehetőség iránt van roppant bizalommal, éspedig hogy információ ki tudna jutni egy fekete lyukból. Legújabb elméletek szerint (tavalyi) létezik néhány "p-brane"-nek nevezett képződmény. Ezek a három dimenzión kívüli magasabb dimenzióból érkezett lepedőszerű képződmények, amelyek felszínén hullámok futkosnak. Ezek a hullámok pedig információt hordoznak magukkal. Amikor egy részecske beleütközik egy ilyen "p-brane" lepedőbe, akkor megsemmisül, és két hullámot hoz létre, amely a részecske által hordozott információt képviseli. Amennyiben pedig két hullám ütközik, akkor azok megsemmisülve egy részecskét hozhatnak létre, amely aztán a hullámok által képviselt információt hordozna magában. A "p-brane"-ek a mi megszokott 3 dimenziónkon kívülről valóak, így szabadon járhatnak-kelhetnek a fekete lyukak belseje és külseje között. Néhány fizikus megmutatta, hogy bizonyos speciális fekete lyukak esetén, amelyek megadott hőmérséklettel, mágneses és elektromos térrel rendelkeznek, a "p-brane"-ek információt szállíthatnak a fekete lyukon belülről kívülre. Ezzel megoldódna a két részecske problémája, hisz a fekete lyukba bekerülő részecske információját átadva egy "p-brane"-nek az információ kikerülhet a lyukból. Sőt, esetleg az is lehet, hogy egy fekete lyukból az összes benne lévő információ kinyerhető, így az nem semmisülne meg, amikor a fekete lyuk megsemmisül. Ezzel pedig a determinizmus meg lenne mentve; éppen ezért ezek az elméletek roppant népszerűségnek örvendenek.

A fenti roppant érdekfeszítő előadás után egyedülálló lehetőségre volt alkalmunk. Prof. Hawking kijelentette, hogy 3 kérdésre válaszolni fog. Amíg pedig a kérdésekre készítette elő a választ (hisz ez neki beletelik némi időbe), addig asszisztense, Chris bemutatta, hogy Prof. Hawking számítógépe hogyan működik, illetve hogyan tud annak segítségével beszélni.

1. Mi az egyetlen legfontosabb kérdés, amire választ szeretne?

Hogyan működik az Univerzum. Mivel azonban mindent úgysem érthetünk meg, ezért én jelenleg mindössze két apró részletkérdéssel foglalkozom: fekete lyukakkal, illetve az Univerzum keletkezésével. (Ez a megjegyzés általános nevetést keltett.)

2. Ahogyan egy fekete lyuk a Hawking-sugárzás révén elveszíti tömegét és kisebb lesz, nem csökken-e a fekete lyuk a tömege a kritikus határ alá, és nem szűnik-e meg fekete lyuk lenni?

Ugyan ahhoz, hogy egy csillag fekete lyukká alakuljon, el kell érnie egy kritikus tömeget, ha egyszer fekete lyukká lett, akármilyen kicsire összemehet a tömege, attól még fekete lyuk marad.

3. Amennyiben az emberi tudás összessége megsemmisülne, mi lenne az az egyetlen tudományos tudás-morzsa, amelyet szeretne továbbadni? (Véleményem szerint ez egy nagyszerű kérdés volt.)

A genetikus kód. Ennek segítségével elkészíthető az ember, aki aztán úgyis újra felfedez mindent. (Megint általános nevetés.)

Prof. Hawking asszisztensének, Chrisnek a bemutatójából kiderült, hogy Prof. Hawking tulajdonképpen képes normális PC-k használatara, így például Winword-ben történő szövegszerkesztésre. Egy EZKey nevű program segítségével gépel, amely a következőképpen működik. Az összes betű (és egyéb speciális parancsok) a képernyő sarkában, egy kis táblázatban van összefoglalva. Először a táblázat kétfelé villog felváltva, lehetőséget adva arra, hogy a felhasználó kiválassza a táblázat egyik felét egy gombbal. A gomb lenyomása után az adott táblázat-fél sorain szalad végig egy kurzor. A megfelelő sornál lenyomva aztán a soron belüli egyes betűkön (vagy parancsokon) szalad végig. Amennyiben akár a sorok, akár az egyes betűk kiválasztásánál nem nyom meg semmit a felhasználó, a kurzor, miután kétszer végigfutott rajtuk, visszaáll eredeti állapotába és a táblázat két felé kezd villogni megint. Erre akkor lehet szükség, ha véletlenül a felhasználó rossz sort választ ki például, és szeretne visszalépni. Mint Chris bemutatta, a villogás roppant gyors, és nagyon nagy gyakorlatot, illetve jó reflexeket igényel a rendszer használata. Chrisnek mintegy 5 percébe telt a hello szó begépelése, mindig mellényomott, ami általános derültséget váltott ki a közönségből. A beszédszintetizátor program is hasonló elvnek megfelelően működtethető.

A bemutató után Chrisnek kérdéseket lehetett feltenni Prof. Hawkinggal kapcsolatban. Ezekből kiderült, hogy Prof. Hawkingra most már a nap 24 órájában vigyáznak. Mikor megkérdezték, hogy mikor lesz a következő előadása, kiderült, hogy elég "rendszeresen" tart előadásokat; a következő novemberben lesz, csak éppen San Jose-ban. Prof. Hawking egyáltalán nem tartja szerencsétlennek magát, hogy rokkant lett, sőt, ellenkezőleg, roppant szerencsésnek tekinti magát. Hiszen olyan foglalkozása van, ahol abszolút nem számít a hátráltatottsága, hiszen minden az agyában van, az eszétől függ. Talán a legfontosabb és légérdekesebb az a tény, hogy Prof. Hawking (a közhiedelemmel ellentétben) nem teljesen mozgásképtelen. Valójában arról van csak szó, hogy az izmai roppant gyengék. Olyan, mintha az olvasónak egy-egy száz kilós súly lenne a csuklójára akasztva. Különösen a nyakizmai gyengék. Ennek ellenére pl. tudja mozgatni a fejét, illetve karjait, lábait megemelni egy picit. Testsúlyát azonban már nem nagyon tudja átrakni. Egyébkent az előadás során meg lehetett figyelni, hogy egyszer Prof. Hawking a fejét megemelte, a szokásos oldalra döntött pozíciójából teljesen középre emelve. Ráadásul tökéletesen képes az arcán érzelmek kifejezésére, így például mosolygásra is.

Roppant derülést okozott, hogy pont amikor egy hölgy a következő kérdést tette volna föl Chris-nek, Prof. Hawking megszólalt: "Válaszolni fogok a második kérdésre, még mielőtt mondanál valamit". Persze ez egy 10 perccel előre elkészített mondta volt; képzeljük el, mekkora előrelátást, illetve humorérzéket igényel? A derülést a szituáció okozta, ugyanis senki nem számított arra, hogy Prof. Hawking közbeszóljon valaki beszédének, és leteremtse; erre alapvetően képtelen lenne.

További részletkérdések is elhangzottak, például hogy mi Prof. Hawking Web-page-enek a címe, amire a válasz:

http://www.damtp.cam.ac.uk/user/hawking/

Az előadás után odasétáltam Chris-hez (néhány emberrel együtt), és további kérdések hangzottak el. Ezekből kiderült, hogy ugyan rengeteg munkával jár Prof. Hawkinggal törődni, maga a Prof. nagyszerű, vidám, barátságos ember. Végül is nem is lehetne másként, hiszen ha sértéseket kezdene az olvasó fejéhez vagdosni, az olvasó csak elsétálna, meg se várva, hogy Prof. Hawking befejezze. Végül is Prof. Hawkingnak óriási türelemre van szüksége mindenhez, és ez nyugodttá, kiegyensúlyozottá teszi az embert. Ennek ellenére előfordult egyszer, hogy a rá vigyázó nővér bedühödött, kikapcsolta Prof. Hawking széket és számítógépét, és otthagyta a szoba közepén. Ez szerintem teljesen megbocsáthatatlan és elviselhetetlen viselkedés.

Alapvetően elmondható, hogy nagyszerű esetnek voltunk tanúi, amelynek érdekében megérte életre szóló tagnak jelentkezni a Cambridge Egyetemi Fizika Társulatába. Remélem, hogy sok kedves olvasónak lesz része hasonló élményben a jövőben.

Radnai Zoltán