1. rész: James Clerk Maxwell és a vezeték nélküli hírközlés aranykora
Az anyag elektromosan töltött részecskékből épül fel, márpedig, ha a töltött részecskéket ide-oda mozgatjuk, akkor fényt bocsátanak ki. Pontosabban szólva, elektromágneses sugárzást. James Clerk Maxwell skót fizikus ismerte fel, hogy a fény elektromágneses jelenség, eredményeit 1861-ben és 1862-ben egy sor cikkben publikálta.
A 2. fejezetben már találkoztunk Maxwell egyenleteivel, mint amelyek a speciális relativitáselmélet megalkotására inspirálták Einsteint. Emlékeztetőül, Maxwell rájött arra, hogyan lehet egységes leírást adni fizikusok egy egész generációjának elméleti és kísérleti eredményeiről, beleértve olyan óriások munkáját, akiknek a nevét az elektromossággal kapcsolatos fizikai mértékegységek őrzik: Volt, Ampere, Faraday, Gauss. Ha azonban Maxwell egyetlen eredménye az egyszerűsítés lett volna, akkor Einstein nem így jellemezte volna a munkáját: „a legalapvetőbb és legtermékenyebb művek, amelyek a fizika történetében Newton óta napvilágot láttak.”
Maxwell „alapvető” eredménye nem mások munkájának egységes keretbe foglalása volt, hanem valami új dolognak a felfedezése. Rájött, hogy a fény szoros kapcsolatban áll az elektromossággal és a mágnességgel. Az ezzel foglalkozó dolgozata iskolapéldája annak, amit a Nobel-díjas fizikus, Wigner Jenő a matematika oktalan hasznosságának nevezett a fizikai tudományokban. Ezen azt értette, hogy a matematikai szépség néha önmagában is elvezethet a fizikai világ mélyebb megértéséhez.
Az 1800-as évek közepére Faraday és mások felismerték az elektromosság és a mágnesség közti kapcsolatot. Ha áramlökést indítunk egy elektromos vezetékben, akkor a közelében elhelyezett mágnestű a lökés idején cltérül. Ha vezető huzalokból készített tekercs belsejében ide-oda mozgatunk egy mágnesrudat, akkor a vezetékben elektromos áram folyik, amíg a mágnes mozog. Ez a jelenség a villanymotor és az elektromos generátor alapja. Faraday elmélyedt a huzalok és a mágnesek közötti kapcsolatban. Úgy okoskodott, hogy lennie kell valamilyen fizikai kapcsolatnak a vezeték és a mágnestű között, mert a dolgok nem kezdenek csak úgy, maguktól mozogni. Ezt a fizikai kapcsolatot „mezőként” képzelte el, amelyet azzal a mintával szemléltethetünk, amelyet a mágnes fölé helyezett papírlapra szórt vasreszelék szemcséi kirajzolnak.
Faraday meglehetősen mechanikus, az elektromos és mágneses terekre vonatkozó elképzelését abban az időben nem fogadták el széles körben, elsősorban azért, mert úgy tűnt, mintha a fogalom bevezetésére nem lenne különösebben szükség. Az elektromos és mágneses jelenségeket leíró matematikai egyenletekben közvetlenül mérhető fogalmakat használtak — voltokat, ampereket és a mágnestűt eltérítő erőket. Úgy tűnt, hogy az elvonatkoztatás mélyebb szintjét jelentő mező vagy tér fogalma csak fölöslegesen elbonyolítja a helyzetet.
Maxwell rájött, hogy a legkevésbé sem ez a helyzet. Magáévá tette a mélyebb szintű tárgyalásmódot, és oly módon alakította át az elektromos és mágneses jelenségeket leíró egyenleteket, hogy azokban az áramok, a feszültségek és az erők helyett a mezők fogalmát használta. Ennek során a matematikai következetesség megtartása érdekében kénytelen volt az egyik egyenletéhez egy extra tényezőt hozzáadni. Ennek a Maxwell-féle eltolódási áramnak nevezett fogalomnak később fontos következményei lettek. Amikor jelen volt az egyenletekben, akkor Maxwell észrevette, hogy egyenletei más alakban, úgynevezett hullámegyenletek formájában is felírhatok. Ebben a formájukban az egyenletekkel leírható egy önmagától tovaterjedő zavar az elektromos és a mágneses mezőben.
A Maxwell hullámegyenleteivel leírt jelenség úgy képzelhető el, mintha az energia ide-oda lötykölődne az elektromos és a mágneses tér között, miközben elektromágneses zavar sugárzódik ki, amely a pocsolya vizébe dobott kő nyomán a vízfelszínen kialakuló hullámokra hasonlít. A különbség csak annyi, hogy ennek a zavarnak a fenntartásához nincs szükség vízre vagy bármilyen más közegre - maguk a mezők elegendőek az energia tovaszállításához, oly módon, hogy miközben az egyik mező erősödik, a másik gyengül. Ez önmagában is lenyűgöző felismerés, volt azonban a dolognak egy jelentős és bámulatos végkifejlete. El sem tudom képzelni, hogyan reagálhatott erre Maxwell; bizonyára úgy érezte, mintha a sötétségen keresztül bepillantást nyert volna a természet tiszta alapjaiba. Ennek az önmagától tovaterjedő zavarnak Maxwell hullámegyenlete értelmében meghatározott sebessége van - az alábbi egyenletekben ezt a tényezőt c jelöli.
Az elektromos és a mágneses mező Maxwell-féle hullámegyenletei.
Talán nem meglepő, hogy ez a sebesség összefügg az elektromos és a mágneses erők kapcsolatával - ez fejezi ki, hogy az egyik mezőben bekövetkező változás milyen mértékű változást idéz elő a másik mezőben. Az egyenlet szerint ez a sebesség a két erő arányának felel meg, amely mennyiségeket viszont Maxwell jól ismerte, hiszen azokat Faraday és mások a laboratóriumaikban végzett kísérleteikkel megmérték. Ha önök iskolai tanulmányaik okán kissé jártasak az elektromágnességben, akkor ismerősek lehetnek ezek az elnevezések és jelölések: a vákuum ε0 permittivitása, illetve μ0 permeabilitása. Amikor Maxwell a megfelelő számértékeket az egyenletébe helyettesítette, azt kapta, hogy a zavar terjedési sebessége éppen a fénysebesség! Ebből azonnal tudhatta volna, hogy magának a fény természetének valamilyen mélyebb összefüggésére sikerült rábukkannia: a fény nem más, mint az elektromágneses tér másodpercenként 299 792 458 méteres sebességgel tovaterjedő zavara.
Einstein „Az elméleti fizika alapjai” című tanulmányában megírta, szerinte mit érezhetett Maxwell, amikor ezt felismerte: „Képzeljük el az érzéseit, amikor az általa felírt differenciálegyenletek azt mutatják, hogy az elektromágneses mezők polarizált hullámok formájában fénysebességgel terjednek! A világon csak néhány embernek jutott osztályrészül ilyen élmény. Abban a borzongató pillanatban bizonyára eszébe sem jutott, hogy a fény talányos természete, amelyet látszólag hiánytalanul megoldott, változatlanul megdöbbenti a következő generációkat. Eközben a fizikusok számára még az is néhány évtizedbe telt, mire teljes egészében megértették Maxwell felfedezésének igazi jelentőségét, olyan merész volt az az ugrás, amelyet zsenialitása rákényszerített kortársai felfogására.”
Ezek a szavak bepillantást engednek abba, mekkora horderejű volt Maxwell felfedezése, ugyanakkor a természet valódi kutatójának gondolataiba is. Az emberi lények számára a legcsodálatosabb érzések egyike, amikor először ért meg valamit a fizikai világ tulajdonságaiból. A valódi felfedezés csak kevesek kiváltsága, de a megértés mindent felülmúló izgalma bárki számára elérhető, és ez az, ami a gyermeket arra ösztönzi, hogy tudós akarjon lenni.
Érdekes, és talán Einstein felfogására is rávilágít, hogy egy szóval sem említette, milyen hasznosnak bizonyult Maxwell felfedezése. Maxwell elektromágneses hullámainak létezését 1886 és 1889 között végzett kísérletsorozatával Heinrich Hertz igazolta, amely kísérletekkel önszántán kívül a rádióadót is feltalálta. Azért állítom, hogy önszántán kívül, mert amikor egyik tanítványa feltette neki az elmaradhatatlan kérdést, amellyel a tudósokat minduntalan gyötrik: „Mire jó ez az egész?”, akkor Hertz így felelt: „Az égvilágon semmire sem jó. Ez egyszerűen csak egy kísérlet, amelyik azt bizonyítja, hogy Maxwell mesternek igaza volt. Egyszerűen csak kimutattuk ezeket a szabad szemmel láthatatlan, titokzatos elektromágneses hullámokat. És kiderült, hogy tényleg léteznek.”
Miután elolvasta Hertz 1888-ban egy folyóiratban megjelent tanulmányát, egy fiatal olasz, bizonyos Guglielmo Marconi rájött arra, hogy Hertz eredményeit üzenetek továbbítására lehetne használni. Talán már 1901-ben, de 1902-ben egészen bizonyosan rádióhullámok segítségével továbbított üzeneteket az Atlanti-óceán túlpartjára. Alig több mint egy évtized telt el Hertz kijelentése óta, miszerint kutatásainak semmiféle gyakorlati haszna sincs. A rádióhírközlés területén végzett úttörő munkájáért Marconi 1909-ben megkapta a Nobel-díjat. Gyakran fordul elő hasonló a fizikai alapkutatásban; ez bárkivel megeshet, aki a CERN-ben, a NASA-nál, az Európai Űrügynökségnél, az Európai Déli Obszervatóriumban vagy más olyan területen dolgozik, ahol nem lehet egyértelműen konkrét nevekhez kötni az elkészített szerkentyűt. Az alapkutatással foglalkozók pályafutásuk során valamikor biztosan szembe találják magukat azzal az elvárással, hogy igazolják a pusztán kíváncsiságuk kielégítésére végzett kutatásuk költségeinek megtérülését. Ezzel kapcsolatban érdemes rámutatni arra, hogy az ilyen kérdéseket feszegetők már bizonyára mind halottak lennének, ha egy Alexander Fleming nevű skót biológus 1928-ban nem izolálja a penicillint - puszta kíváncsiságból. Fleming később így emlékezett vissza a történetre: „Amikor 1928. szeptember 28-án kora reggel felkeltem, nem állt szándékomban az orvostudomány forradalmasítása a világ első antibiotikumának, azaz baktériumölő szerének a felfedezése, mégis úgy gondolom, pontosan ez volt az, amit azon a napon megtettem.” Hogyan nem ismerheti fel valaki, mennyire valószínűtlen, hogy haszontalannak bizonyul annak a természeti világnak a megértése, amelyikben élünk, és amelyiknek részei vagyunk. Talán Flemingnek bele kellett volna írnia a végakaratába, hogy akik ezt nem értik meg, azoktól tagadják meg váratlan felfedezése használatát? El kell ismerni, ez Darwinhoz méltó megoldás lett volna az ostobaság ellen, de a természetes kiválasztódás alapján működő evolúció ugyancsak életünk velejárója. Érvelés foggal-körömmel.
Einstein is rámutatott arra, az új felfedezések milyen bőségére lehetett számítani Maxwell felfedezése következményeképpen; „bizonyára eszébe sem jutott, hogy a fény talányos természete, amelyet látszólag hiánytalanul megoldott, változatlan döbbenetet vált ki a következő generációkból.” Amint a 2. fejezetben már láttuk, Einstein sziklaszilárdan hitt Maxwell felfedezésének értekében, mert a fénysebesség egyetemes érvényessége volt az a nyom, amelyiken haladva Newton mozgástörvényeit a speciális relativitáselmélettel helyettesítette. Önmagában ez a példa is ékesen bizonyítja, mennyire összefügg minden mindennel a fizika alapjaiban. A vezetékekben folyó elektromos áramok tanulmányozása végső soron elvezetett a térről és az időről alkotott felfogásunk újragondolásáig. De ez még nem minden! Bár F. Scott Fitzgerald szerint felkiáltójelet tenni annyit jelent, mint a saját viccünkön nevetni, most mégsem tudtam visszatartani magamat attól, hogy kitegyem.
A fény mint elektromágneses hullám
Az elektromágneses színkép
A fény mint elektromágneses hullám. A hullámhossz a szomszédos hullámhegyek közötti távolság.
Maxwell szerint a fény elektromágneses hullám, ennek megfelelően hullámhossza van. A hullámhosszt a két szomszédos hullámhegy közötti távolságként definiáljuk, amint azt a következő ábra mutatja. A látható fény hullámai csak parányi részét képviselik a Világegyetemet keresztül-kasul bejáró elektromágneses hullámoknak. A fényhullámok csak a körülbelül 400 nanométeres (a méter 400 milliárdod része) kék és a 700 nanométeres vörös hullámok közötti tartományt töltik ki. A vörösön túl az elektromágneses spektrum olyan hullámokkal folytatódik, amelyek hullámhossza túl hosszú ahhoz, hogy szemünkkel felfogjuk. Ezek még mindig fényhullámok - vagyis a térben ide-oda lötykölődő elektromos és mágneses mezők hullámai - csak szemünkkel nem vagyunk képesek érzékelni ezeket. Ehelyett a bőrünkkel érezzük őket, például az kihunyt tábortűz maradványának melegeként vagy forró nyári napok után a talaj hőjeként. Ezeken az infravörösnek nevezett hullámokon túl a mikrohullámok birodalmába érkezünk, amely hullámok hullámhossza egyáltalán nem meglepő módon akkora, mint egy mikrohullámú sütő. Ezután a spektrum folyamatosan átcsúszik a rádióhullámok világába, ezek hullámhossza már a hegyek magasságához hasonlítható. Történelmünk legnagyobb részében vakok voltunk a fény ezen kevésbé ismert formáira, ma már azonban mindenkinek van olyan detektora, amelyik felfogja és hanggá alakítja ezeket a hullámokat. Amikor egy régi típusú rádiót a keresővel hangolunk, akkor tulajdonképpen úgy állítjuk be a vevő érzékeny, elektronikus áramköreit, hogy azok pontosan az általunk kiválasztott hullámhosszú, a rádióadóból kisugárzott elektromágneses hullámokat fogják fel. A hullámokba kétféleképpen is kódolhatjuk a zenét, vagy a hullámok amplitúdóját modulálva (AM rádió) vagy a frekvencia modulációjával (FM rádió). Ma már persze mindenki szívesebben hallgatja az interneten érkező zenét, de amikor wifit használunk, akkor is elektromágneses hullámok szállítják az adatokat, ezek hullámhossza a 10 centiméteres nagyságrendbe esik.
Ahogy a Világegyetemben sokféle látható fényt találunk, amelyeket nem mi, emberek állítunk elő, ugyanúgy rádió- és mikrohullámú sugárzás is keletkezik természetes úton. Akárcsak a legtávolabbi galaxisokból érkező fény, a mikrohullámok és a rádióhullámok is információt szállítanak az univerzum távoli részeiből a mesterséges szemeinkbe. Az égbolt különösen a 21 centiméteres hullámhosszon ragyogóan fényes, mert ez az a hullámhossz, amelyet a hidrogénatomok olyankor sugároznak ki, amikor egyetlen elektronjuk spinjének állapota a protonéval párhuzamos helyzetből átbillen az azzal ellentétes irányba. A Manchesteri Egyetem Jodrell Bank Obszervatóriumának 76 méteres Lovell-rádiótávcsöve ezen a hullámhosszon pásztázza az égboltot.
A látható fényénél rövidebb hullámhosszakon az ibolyántúli (UV, ultraviola) sugárzás következik. A Nap fényesen ragyog az UV-tartományban, de ezeket a sugarakat nem látjuk, csak napbarnított bőrünkön tapasztaljuk a hatásukat. Még rövidebb hullámhosszakon a röntgensugarak következnek, amelyek ugyanolyan magától értetődően hatolnak keresztül a bőrünkön, mint a látható fény az ablaküvegen, a csontok azonban elnyelik, aminek köszönhetően jól hasznosíthatók az orvosi képalkotásban. Végül, a spektrum rövid hullámhosszú végén az ultrarövid hullámhosszú gamma-sugarakat találjuk, amelyeket nagy energiájú asztrofizikai események, például szupernóva-robbanások keltenek, de ilyen sugárzás keletkezik a radioaktív bomlás során is. Az úgynevezett gammavillanások vagy gammakitörések a Világegyetem legnagyobb energiájú ismert jelenségei közé tartoznak; ezek az elektromágneses sugárzás fényes felvillanásai, feltételezik, hogy szupernagy tömegű csillagok pusztulása vagy kettős neutron-csillagok összeütközése válthatja ki a jelenséget. A legfényesebb gammakitörések során annyi energia szabadul fel, mintha száz Föld tömegét maradéktalanul sugárzássá alakítanánk.