TERMÉSZETTAN Debreceni Egyetem, 2014/2015. tanév I. félév, leadta és lejegyezte Végh László 2014. november 17.
0.1.
Tudnivalók a vizsgázásról
Szinte valamennyi munkanapon lesz vizsga, a Neptunon kell jelentkezni. Ha ott még nem tud vizsgát felvenni, vagy már lehetne, de amikor jöhetne, arra a napra vagy id˝oszakra nincs adva id˝opont, a
[email protected] címre írja meg, hogy mikor szeretne vizsgázni. Akinek más kérése vagy kérdése van, az 11359-es egyetemi hívószámon (városból 509259) érhet el. Ha nem tud jönni a felvett vagy kért id˝opontban, inkább írjon, mert ahol vizsgáztatok, ott nem tudom a hívást fogadni. A vizsga helye: Atomki, VIII. épület (háromemeletes), bejárat a Poroszlay úti portán, majd jobbra kell térni. A második emeleten, a tanteremben van a vizsga, a lépcs˝o oda visz. Ha a tanterem foglalt, akkor jobbra térve a 205-2-es szobát keressék. A vizsga szóbeli.
Tartalomjegyzék 0.1.
Tudnivalók a vizsgázásról . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1. Newton er˝o- és mozgástana
1 2
1.1. Tér és id˝o . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2. Sugárzások
4
3. Speciális és általános relativitáselmélet
5
3.1. Speciális relativitáselmélet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
3.2.
Általános relativitáselmélet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
3.2.1. Térid˝ogörbület . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
4. Törvények és szimmetriák 4.1.
Szimmetriasértések
12
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5. Kisvilágtan
13 14
5.1.
Hullámtermészet - részecskék ’fényképezése’ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
5.2.
Határozatlansági összefüggés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
5.3.
Schrödinger-egyenlet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
5.4. Elemi részecskék . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
1
6. Alapvet˝o kölcsönhatások
21
6.1. Er˝os kölcsönhatás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
6.2.
Gyenge és elektrogyenge kölcsönhatás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
25
6.3. Nagy egyesített elméletek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
26
6.4.
27
Világegyetemünk fejl˝odésének hajtóereje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7. Kezdetek
28
7.1. Égi távolságok mérése . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
7.2. Színképek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˝ 7.3. Osrobbanás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31 33
7.4. Táguló világegyetem jöv˝oje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
8. Világegyetemünk fejl˝odése a csillagvárosokig
39
8.1. A természeti semmib˝ol induló világegyetem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
39
8.2. Els˝o másodperc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
8.3. Els˝o öt perc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
8.4. 380000 év . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
9. A világegyetem mai arculatának kialakulása
44
9.1.
Csillagvárosok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
45
9.2.
Csillagok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
47
10. Naprendszer és Föld
53
10.1. Naprendszerünk születése . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
53
10.2. Föld fejl˝odése . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
10.3. Körforgások a Földön . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
11. Élet és fejl˝odése
60
11.1. DNS és gének . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
61
11.2. Génkifejez˝odés, epigenetika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
64
11.3. Élet keletkezésér˝ol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
65
11.4. Törzsfejl˝odés nagy lépései . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
68
11.5. Élet megjelenése és fejl˝odése a Földön . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
69
11.6. Tömeges kihalások . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
11.7. Az ember megjelenése . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
12. Él˝orendszerek (ökorendszerek)
73
12.1. Az él˝ovilág körfolyamatairól . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13. Az emberr˝ol
74 76
13.1. Agyfejl˝odés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
76
1. Newton er˝o- és mozgástana 1.1. Tér és id˝o A tér és id˝o természettani fogalmai a 20. század elején még egyszer˝ubbek voltak és nagyjából megfeleltek a köznapi elképzeléseknek. Eszerint a tér adott, nincs rajta min töprengeni. A térr˝ol alkotott, a józan észnek megfelel˝o elképzelésünk az általános iskolában tanult euklideszi mértanon alapul. Mindenki el tudja képzelni, hogy a párhuzamos vonalak a végtelenben sem találkoznak. Ezt a mértani teret azonosítjuk a valódi térrel, amelyben létezünk. Térben és id˝oben lejátszódó jelenségeket tanulmányozunk. Ha testek mozgását vizsgáljuk, els˝osorban a pályájuk érdekel. Ennek leírásához vonatkoztatási rendszerre van szükségünk, amit akkor is választunk, ha ezt nem tudatosítjuk magunkban. Amikor azt mondom, hogy jobbra térek, akkor a vonatkoztatási a testem pillanatnyi helyzete, ehhez képest van valami jobbra, balra, el˝ore vagy hátra. Számunkra a testhez rögzített vonatkoztatási rendszerben való tájékozódás magától értet˝od˝o, de a természeti népek jó része úgy tájékozódik, hogy valami északra, délre, keletre, nyugatra van és általában nincs szava a jobbra, balra, el˝ottem, mögöttem fogalmaira. Csak karjával jelzi. Ha magára mutat, azt jelenti, mögöttem van. Ha táncmozgást tanítanak, akkor is az északra, délre, keletre és nyugatra utasításokat adják. Nehéz a gyermeknek megtanulnia, honnan tudhatja, merre van észak és nyugat, de 7-8 éves korára bármely napszakban teljes biztonsággal tájékozódik. A természeti jelenségek megfigyelésekor a megszokott, természetesnek ható, testhez rögzített rendszer bonyodalmak, félreértések sorához vezethet. Attól függ˝oen, ki melyik parton áll, vagy hídon állva merrefelé néz, máshogyan írná le, merre folyik a Duna. Bár a bölcsel˝ok az ókortól fogva foglalkoztak a mozgások jellemzésével, csak az 1600-as években sikerült a pontos, egyértelm˝u leíráshoz szükséges fogalmakat megalkotni. Tehetetlenségi rendszer. Egyértelm˝uen rögzíteni kell, mi a vonatkoztatási rendszer, mert a különböz˝o vonatkoztatási rendszerekben a mozgást matematikailag megfogalmazó mozgásegyenlet különböz˝o lehet. Például ha a körhintán ül˝ot a talajról szemlélem, körmozgást végez, ha viszont a vonatkoztatási rendszer a körhinta székéhez van rögzítve, a körhintán ül˝o számomra mozdulatlan. De ha egy adott vonatkoztatási rendszerben ismerjük a mozgásegyenletet, akkor ebb˝ol kiindulva, egyszer˝ubb matematikai átalakításokkal bármely más vonatkoztatási rendszerben is megadható. Ezért a számtalan lehetséges vonatkoztatási rendszer közül azt érdemes választani, amelyben a mozgásegyenletek felírása a lehet˝o legegyszer˝ubb. Tehetetlenségi rendszerben, vagy idegen eredet˝u szóval inerciarendszerben a mozgás tárgyalása nagyon könny˝u. Vegyük a magára hagyott testet, azaz egy olyat, amelyre más test nem hat. Tehetetlenségi rendszerben ez a szabad, azaz magára hagyott test vagy nyugszik, vagy egyenes vonalú egyenletes mozgást végez. A mozgásegyenlet alakja most igen egyszer˝u, v=állandó, ahol v a test sebessége. Ha a test egy tehetetlenségi rendszerben nem így mozog, akkor más test vagy testek hatása alatt áll rá. Nem nehéz belátni, hogy a tehetetlenségi rendszerek egymáshoz képest egyenesvonalú egyenletes mozgást végeznek. Newton feltételezte, hogy van olyan tehetetlenségi rendszer, amelyhez a világegyetemben fellép˝o valamennyi, térben és id˝oben történ˝o változás viszonyítható. Ilyen rendszer akkor található, ha a tér és id˝o az anyagtól és ennek mozgásától függetlenül létezik, és a törvényszer˝uségei mindig és mindenütt azonosak. Ezt a mindent˝ol függetlenül létez˝o teret és id˝ot alaptérnek (abszolút tér) és alapid˝onek (abszolút id˝onek) nevezik. Newton szerint az alaptér az állócsillagokhoz rögzített térnek feleltethet˝o meg. Newton törvényei. Newton természettanában a rendszer jöv˝obeli viselkedésének kiszámításához egyrészt ismerni kell a rendszer állapotát valamely korábbi pillanatban, valamint tudni kell, milyen er˝ok hatnak a rendszert alkotó testek között. Így amikor a Hold Föld körüli pályát számítjuk, ha a Hold helye és
2
sebessége most ismert, és felhasználjuk a Föld és a Hold között ható tömegvonzási törvényt, a mozgásegyenlet megadja, hol lesz a Hold és mekkora lesz a sebessége a következ˝o pillanatban. Ennek ismeretében kiszámíthatjuk a Hold helyzetét és sebességét a rákövetkez˝o id˝opillanatban, és így folytatva leírhatjuk a Hold pályáját. A newtoni er˝otan mozgásegyenletének - ezt Newton II. törvénye fogalmazza meg megoldása pontosan meghatározott. Akár évezredekre el˝ore pontosan kiszámolható a Hold Föld körüli mozgása, és akár az is, hol volt az égen a Hold egy évezredekkel ezel˝otti napon este nyolckor. Galilei-féle relativitási elv. Ha valamely tehetetlenségi rendszerben egy test magára hagyottan, azaz szabad testként viselkedik, akkor valamennyi más tehetetlenségi rendszerb˝ol is szabadnak látjuk. Ezért mindegyik rendszerben ugyanaz, v=állandó lesz a mozgásegyenlet alakja, miközben v értéke különböz˝o rendszerekben más és más lehet. Például a mozgó vonatból nézve a vonaton ül˝o nyugalomban van, míg ugyanez az utas az állomásról nézve mozog. A tapasztalat szerint a tehetetlenségi rendszerek nemcsak a szabad, hanem a bármely más mozgást végz˝o test leírása számára is egyenérték˝uek. Így ha zárt helyiségben a fonálinga lengését vizsgáljuk, az inga mozgástörvénye ugyanaz lesz, függetlenül attól, hogy egy ház szobájában, a sima viz˝u tavon egyenletesen sikló hajón vagy az egyenletesen mozgó vonat fülkéjében vagyunk-e. Ha a vonat nem gyorsul, zárt vasúti fülkében nem végezhet˝o olyan kísérlet, amelynek segítségével eldönthetnénk, mozog-e a vonat. A tehetetlenségi rendszerek egyenérték˝uségét a Galilei-féle relativitási elv mondja ki: egy adott jelenséget leíró természettani törvény bármely tehetetlenségi rendszerben ugyanolyan alakú. A relativitás (magyarul viszonylagosság) szó arra utal, hogy miközben a tehetetlenségi rendszerek a leírás szempontjából egyenérték˝uek, addig a test sebessége viszonylagos. Attól függ, melyik rendszerben vagyunk. Tehetetlenség. Míg az egyenesvonalú egyenletes mozgás sebessége a Galilei-féle relativitási elv szerint viszonylagos, a sebesség irány és nagyság szerinti változása, a gyorsulás már nem az. Ha körhintában, hullámvasúton vagy hirtelen fékez˝o járm˝uvön ülünk, érezzük a sebesség változását. Nem kell látnunk, mihez képest gyorsulunk, a test ’ellenáll’ a mozgását változtató hatásnak. Ellenállásának mértékét a tömeg, a test tehetetlenségének mértéke adja meg. Miközben az egyenesvonalú egyenletes mozgást mindig valamihez képest viszonyítjuk, Newton arra a következtetésre jutott, hogy a gyorsuló mozgás magához az alaptérhez képest gyorsul azaz szerint az alaptér hat vissza gyorsuláskor a testre. Sokan vitatták a alaptér létét és Mach is elvetette ezt a szerinte megfigyelhetetlen fogalmat. A Mach-elv szerint a test tehetetlensége a testnek a Mindenség összes tömegének az egymással való kölcsönhatásával függ össze. Azaz Newton feltétlen terében, az állócsillagokhoz rögzített rendszerben mért gyorsulás a az Univerzum összes tömegének egymással való kölcsönhatásából ered, vagyis az állócsillagok és más tömegek által keltett er˝ok eredménye. Einsteinre nagy hatást gyakorolt a Mach-elv és befolyásolta az általános relativitáselmélet megszületését. Sebesség összeadás. A Galilei-féle relativitási elv és a newtoni mechanika a feltétlen tér és id˝o fogalmaira épül. Eszerint az id˝o minden egyes tehetetlenségi rendszerben ugyanúgy telik és a tér is ugyanolyan. Ekkor tehetetlenségi rendszerekben a sebességek a sebesség összeadás szabályával számíthatók át. Ezt alkalmazva, ha V sebességgel közeledik egy gépkocsi és abból a mozgás irányába v ′ sebességgel kidobnak egy dobozt, akkor a doboz az úthoz képest v = V + v ′ sebességgel mozog. Ha ellentétes irányba dobják, az úthoz viszonyított sebessége v = V − v ′ . Számszer˝u példával, ha valaki a vonatban 4 km/óra sebességgel menetirányba mozog, és a vonat 60 km/óra sebességgel közeledik az állomáshoz, akkor az állomás épületéhez képest a vonaton gyalogló ember sebessége 64 km/óra.
3
2.
Sugárzások
Sugárzások özönében élünk. Nem csak a Nap, valamennyi más, h˝omérséklettel rendelkez˝o test is sugároz. A különböz˝o h˝omérséklet˝u tárgyak más-más hullámhosszakon sugároznak. Testünk h˝osugárzása f˝oleg a 10 mikrométeres infravörös tartományba esik, a 36,5 Celsius, más egységben a 273,16+36,5=309,66 Kelvin fokos test h˝osugárzását bocsájtjuk ki. H˝osugárzásunk a például a határsávokban alkalmazott infravörös távcs˝ovel észlelhet˝o. Nemcsak a h˝omérséklete miatt sugározhat valami, a rádióadó, a a m˝usorszóró m˝uhold és a röntgencs˝o is sugároz. Valamennyi említett és a következ˝okben felsorolt sugárzás elektromágneses sugárzás. Valamennyi azonos, a fény c=300 ezer kilométer/sec sebességével terjed és egymástól a sugárzás hullámhosszában, így rezgésszámában (frekvenciájában) különbözik. Minél nagyobb a sugárzás hullámhossza, annál kisebb a rezgésszáma. A sugárzás energiája rezgésszámával arányos, minél szaporábban rezeg, annál nagyobb energiájú. A látható fény hullámhosszai a 400-700 nanométeres tartományban vannak, ezek a szivárvány színei. Napfényt üvegb˝ol készült háromszöggel tudunk színeire bontani. A kisebb hullámhosszú, ezért nagyobb energiájú határon az ibolyaszín, a nagyobb hullámhosszú, kisebb energiájú határt vörös látható. Azaz nem a vörösebb, a sugárzó h˝oként észlelt, hanem a kékebb sugárzás a nagyobb energiájú. Ez onnan is megjegyezhet˝o, hogy a kék sugárzásnál is nagyobb rezgésszámú, így nagyobb energiájú ultraibolya (UV) sugárzás veszélyes az egészségre. Haladjunk a fényt˝ol az alacsonyabb energiájú sugárzások, azaz a növekv˝o hullámhosszak felé. El˝oször az infravörös tartomány következik, h˝osugárzásnak is nevezik. Ez a 700 nanométert˝ol a milliméteres hullámhosszakig terjed, a molekularezgés és forgás energiatartományának felel meg. Milliméteres hullámhossztól 10 centiméterig terjed a mikrohullámok tartománya. Mikrohullámú süt˝oink a 12 centiméteres tartomány körül m˝uködnek. A tíz centimétert˝ol ezer méterig tart a rádióhullámok tartománya. Egy FM adás átlagos hullámhossza 3 méter, a TV sugárzás hullámhossza 2 méter, a középhullámú átlagos hullámhossz 300 méter. A kilométernél hosszabb hullámhosszú elektromágneses hullámok a nagyon alacsony rezgésszámok tartományába esnek. Ha a látható fénynél alacsonyabb hullámhosszak felé haladunk, el˝oször az ibolyántúli tartományba jutunk, ez 400 nanométert˝ol egy nanométerig terjed. Ibolyántúli sugárzás az atomok küls˝o héjaiban történ˝o átmenetek során keletkezik. Utána következik a röntgensugarak tartománya, amely a nanométert˝ol az ezred nanométerig, a pikométerig tart. Röntgensugárzás az atomok bels˝o héjaiban történ˝o átmenetekben bocsátódik ki. A pikométernél kisebb hullámhosszú sugárzásokat gamma sugárzásnak nevezzük, ezek atommagok átalakulásai során keletkeznek. Foton. A Nap által kibocsátott, fénysebességgel terjed˝o fény közel 500 másodperc alatt éri el Földünket. Tudjuk, hogy a sugárzás és a fény hullámként terjed. Vajon a Nap által kibocsátott hullám eleje már itt száguldozik közöttünk, miközben a vége még a Napban van? Bár a sugárzás hullámként terjed, de a hullám nem végtelen hosszú, mint a szinuszhullám, hanem egymás után haladó adagokból, véges hosszúságú hullámvonulatokból, hullámcsomagokból áll. Ezeket fotonnak nevezzük. A csomag kifejezés a hullámvonulat véges méretére utal. A foton tömege nulla és fénysebességgel mozog.
1. ábra. Hullámcsomag. Ha a hullám jobb felé terjed, akkor a balra található részen már áthaladt, most éppen el˝ottünk van és fénysebességgel haladva egy másodperc múlva már 300000 kilométerre lesz t˝olünk. Matematikailag a véges méret˝u hullámvonulat különböz˝o rezgésszámú szinuszhullámok megfelel˝o arányú keverésével alakítható ki.
4
Ha a hullámok összegzésének matematikai tulajdonságait vizsgáljuk, a következ˝o derül ki. Az adott rezgésszámú hullám végtelen kiterjedés˝u, azaz a térben mindenütt jelen van, úgy, mint a szinuszhullám. Véges méret˝u hullámvonulat lásd a 1 ábrát, akkor állítható el˝o, ha különböz˝o rezgésszámú szinuszhullámok úgy keverednek, hogy egy adott térrészen kívül mindenütt másutt kioltják egymást. Minél szélesebb a keveréshez használt rezgésszámok sávja, annál keskenyebb lehet a hullámcsomag. Fordítva, minél határozottabb rezgésszámú a hullámvonulat, azaz keskenyebb a keveréshez használt rezgésszámok sávja, a hullámcsomag annál kiterjedtebb. A fény részecsketermészet˝u, mivel a foton energiával, lendülettel és perdülettel rendelkezik. Ha a rezgésszámot f -el jelöljük, a foton energiája E = hf , a lendülete E = hf /c. Valaminek ütközve a foton energiát, lendületet, perdületet hordozó részecskeként hat kölcsön. A fény kett˝os természetén azt értjük, hogy miközben hullámként terjed, a fotonjai részecskeként hatnak kölcsön. Az elektromágneses sugárzást egyrészt akkor nevezzük er˝osebbnek, ha a forrása több fotont bocsát ki. Másrészt akkor is er˝osebb, ha a fotonjai magasabb energiájúak. Most már könnyebb megérteni, miért veszélyes az él˝ok számára az UV-sugárzás. Míg a kisebb energiájú vörös fotonok csak a molekulákat rezgetik és forgatják és ez nem roncsol, csupán h˝oérzetet kelt, addig az UV-sugárzás nagyobb rezgésszámú és a nagyobb energiájú fotonjai molekulákat is bonthatnak. Ezért az er˝osebb vörös szín˝u sugárzást is jól t˝urjük, hiszen ha nagyon sokan volnának is, csupán az egyenként ártalmatlan vörös fotonok bombáznak bennünket. Viszont a molekulákat hasítani képes UV fotonokból már kevés is megárthat.
3.
Speciális és általános relativitáselmélet
3.1. Speciális relativitáselmélet Bár Newton nem tudott módszert adni, mint adható meg az alaptér, feltették, hogy létezik módszer a kiválasztására. Mivel a víz- vagy a hanghullám és akármelyik más, addig ismert hullám terjedéséhez hordozó közeg szükséges, természetesnek tartották, hogy az elektromágneses hullámok, így a fény és más elektromágneses sugárzás is közegben terjed. Nem tudták, mi az, de nevet adva neki éterként emlegették. Kés˝obb, a 19. század második felében feltételezték, hogy az éter az alapteret kitölt˝o közeg. Így az éterben való mozgás egyben az alaptérhez viszonyított mozgás is. Mivel akkoriban a világegyetemet a Tejútrendszerrel azonosították és a Tejútrendszer középpontjának a Naprendszert tartották, a Föld Nap körüli keringése egyúttal a Föld éterben való mozgását is jelentette. Ha van éter, a fénysebesség mérésének eredménye függ attól, miként mozog a megfigyel˝o az éterhez képest. Ha áll az éterben, akkor a fény irányától függetlenül mindig ugyanaz a fénysebesség. Ha viszont a megfigyel˝o mozog az éterben, akkor a haladásának irányába kibocsátott fénysebességet kisebbnek, a haladásával ellentétes irányban mozgó fényt nagyobb sebesség˝unek fogja mérni. Mivel a Föld egyrészt kering az éterben állónak feltételezett Nap körül, másrészt forog a saját tengelye körül, a Föld felszínén lév˝o pont is mozog az éterhez képest. Ezért a Föld egy pontjában mért fénysebességnek függnie kellene attól, hogy merre, például keletre vagy nyugatra mozog-e a fénysugár. Nem nagy a várható különbség, csak tízezredrésznyi, mivel a Föld mozgási sebessége a fénysebességhez képest nagyon kicsiny. Nagy megdöbbenést váltott ki, hogy a fény üres térben mérhet˝o sebességét valamennyi mérésben mindig, nagy pontossággal ugyanakkorának találták. Azaz a sebesség összeadási szabály a fényre nem teljesül. Eleinte kételkedtek a mérések megbízhatóságában, majd el kellett fogadni, hogy a mérések hitelesek és elég pontosak. Ezután bárhogyan is kísérelték meg a fény sebességének állandóságát a newtoni természettan keretén belül értelmezni, nem jártak sikerrel.
5
Maxwell-egyenletek, Lorentz transzformáció. Nemcsak mérések utaltak a fénysebességnek állandóságára. Az elektrodinamika alapegyenletei a Maxwell-egyenletek, ezek egységes keretbe foglalják az elektromos töltésekkel, mágnesességgel, áramokkal és sugárzásokkal kapcsolatos valamennyi jelenség leírását. A Maxwell-egyenletek alakja tartalmazza a fénysebességet. Ha igaz a relativitási elv, akkor a Maxwellegyenletek alakja valamennyi tehetetlenségi rendszerben azonos és emiatt a fénysebességnek valamennyi tehetetlenségi rendszerben ugyanakkorának kell lennie. De ekkor a Maxwell-egyenletek által leírt jelenségekre nem igaz a sebesség összeadási szabály, mert ekkor a fény sebessége a különböz˝o sebességekkel tehetetlenségi rendszerekben más és más lenne. Térjünk át az egyik tehetetlenségi rendszerr˝ol egy másik, hozzá képest v sebességgel mozgó rendszerre. Akkor lesz a Maxwell-egyenletek alakja a két tehetetlenségi rendszerben azonos, ha a két tehetetlenségi rendszer tér- és id˝o koordinátái közötti kapcsolatot a Lorentz transzformációnak nevezett átalakítás adja meg. Ha a v sebesség a fénysebességnél sokkal kisebb, akkor két sebesség összeadására a Lorentz transzformáció és a sebesség összeadási szabály jó közelítéssel azonos eredményt ad. Ha a fénysebesség végtelen lenne, a két képlet megegyezne. De ha a v sebesség a fénysebességgel összemérhet˝ové válik, a Lorentz transzformáció és a sebesség összeadási szabály eltér˝o eredményre vezet. A fénysebesség megfigyelt állandóságát végül a speciális relativitáselmélet értelmezte. Ezt Einstein 1905-ben fogalmazta meg. Eszerint érvényes a relativitási elv, azaz a természettörvények valamennyi tehetetlenségi rendszerben azonos alakúak. Továbbá a fény és kölcsönhatások terjedési sebessége véges és ez a sebesség éppen a c fénysebességgel azonos. Ennek értéke vonatkozási rendszert˝ol független, egyetemes természeti állandó. Semmi sem mozoghat a fény terjedési sebességénél gyorsabban. Bár a tömeggel rendelkez˝o test sebessége tetszés szerint közelíthet a fénysebességhez, azt sohasem értheti el. Einstein speciális relativitáselméletében a fénysebesség állandósága a Lorentz transzformáció érvényességével függ össze. Ha a Lorentz transzformáció képleteit tanulmányozzuk, kiderül, hogy nincs éter, az alaptér és alapid˝o nem létezik. Mozgó rendszerben lassabban telik az id˝o és rövidebbek a rudak, azaz a térbeli távolság és az id˝otartam, így a tér és az id˝o viszonylagos fogalmak. Helyettük a fénysebesség a c a mindent˝ol független. A tér és id˝o viszonylagosságának kimondásával Einstein szilárdnak hitt dolgokat rendített meg, de nem csak rombolt. Olyan alapot vetett meg a fénysebesség állandóságának kimondásával, melyre azóta is lehet építeni. Eszerint bármilyen is legyen a tér és az id˝o szerkezete, a fénysebesség mért értéke mindenkor, mindenhol és minden irányban ugyanakkora és független a fényforrás és a fénysebesség mérését végz˝o személy mozgásától. B
B v
d
A
A
vt
2. ábra. Ha a fényóra nyugalomban van, a fény az A és B lemez között haladva d utat fut be. Ekkor a mért id˝o t0 = d/c. Ha a fényóra v sebességgel √ mozog, akkor a fény az A és B között átló mentén mozog és a Püthagorasz tételnek megfelel˝oen s = d2 + v 2 t2 utat tesz meg. Mivel a fénysebesség állandó, a derékszög˝u háromszög átlójának befutásához szükséges t = s/c q id˝o hosszabb lesz, mint a nyugvó rendszerben mérhet˝o t0 = d/c id˝o. Könnyen kiszámítható, hogy t = t0 / 1 − v 2 /c2 , ezt adja a Lorentz transzformáció is. Egy adott vonatkoztatási rendszerben úgy is meghatározhatjuk, mennyi id˝o telt el, hogy megnézzük, közben mekkora utat futott be fény. Hogy miként vonja magával a fénysebesség állandósága az esemény 6
id˝otartamának viszonylagosságát, azt az 2. ábrán látható, fényórának nevezett berendezés szemlélteti. Úgy kapjuk meg a fényóra által mért id˝ot, hogy a fény által befutott utat osztjuk a minden körülmények között azonos fénysebességgel. Ha a fényóra mozog, akkor a megfigyel˝o számára a fény hosszabb utat fut be és ezért a megfigyel˝o órája többet mutat. Ez azt jelenti, hogy mozgó rendszerekben lassabban telik az id˝o. A müonok életideje és az általuk befutott út. Jól példázza az id˝o viszonylagosságát a magasban keletkezett müonok élettartama. Átlag 20 kilométer magasságban ütköznek atommagokba a világ˝ur távoli tartományaiból érkez˝o sugárzás nagyon nagy energiájú protonjai és az ütközésekben csaknem fénysebességgel mozgó müonok is képz˝odnek. Bár a müon bomlékony, átlagosan csak 2, 2 ∗ 10−6 , azaz 2,2 milliomod másodpercig létezhet, mégis észleljük o˝ ket a tengerszinten. Ha a 20 kilométeres utat csaknem fénysebességhez közeli sebességgel teszik is meg, 2,2 msec alatt legfeljebb 660 métert repülhetnének. Ennek ellenére, befutva a 20 km körüli távolságot, lejutnak hozzánk. Mindez független attól, hogy az utat függ˝olegesen teszik meg. Ha hasonló sebesség˝u müont gyorsítóban állítunk el˝o, ugyanezt kapjuk, itt a felszínen is be tudja futni a 20 kilométeres távolságot. Ha a müon lassú, élettartamára a fent megadott 2, 2 ∗ 10−6 másodperces értéket mérjük. a müon fényórája v //
a fény útja a földrol nézve
a Föld felszíne
3. ábra. Ha a v sebességgel lefelé mozgó müon az id˝ot fényórával méri, látszik, hogy a saját rendszerében, - számára az id˝ot a vele együtt mozgó fényóra méri - a fény jóval rövidebb utat fut be (vízszintes szaggatott vonal), mint a Föld felszínér˝ol nézve (ferde szaggatott vonal). Ezért a földi megfigyel˝o ugyanannak az eseménynek az id˝otartamát jóval hosszabbnak méri, azaz mozgó rendszerben az id˝o lassabban telik. Azért észlelhetjük a világ˝urb˝ol érkez˝o sugárzás által keltett müonokat, mert mialatt a mi óránkon kb. 60 milliomod másodperc telt el, a v = 0.999c sebességgel mozgó müon "saját" óráján (ez vele együtt mozog, azaz hozzá képest mozdulatlan) eltelt id˝o ennek csupán 1/30-ad része, 2 milliomod másodperc, lásd a 3. ábrát. Ez is mutatja, hogy egy esemény id˝otartama viszonylagos. Attól függ, mekkora sebességgel mozgó rendszerb˝ol mérik. Négykiterjedésu˝ (négydimenziós) térid˝o. A relativitáselmélet matematikai leírása a három térbeli kiterjedéshez hasonlóan kezeli az id˝ot. Négykiterjedés˝u (négydimenziós) térid˝ot használ, ezt Minkowski térnek is nevezik. A háromkiterjedés˝u (háromdimenziós) tér egy pontja három koordinátával, az x, y, z értékeivel jellemezhet˝o. Négy értéket kell ismernünk a térid˝o egy pontjának megadásához, az x, y, z mellett szükség van a t id˝o ismeretére is. A négykiterjedés˝u térid˝o koordinátái: x, y, z, ct (c a fénysebesség). Ne értsük félre, ct nem a tér negyedik, hanem a térid˝o egyik kiterjedése. A térid˝oben az x=0, y=0, z=0 pontban nyugvó test a negyedik tengely mentén az id˝oben c-el, a fény sebességével mozog. Tér és id˝o számunkra különböz˝oek, csak a térid˝ot használó természettani leírás fonja o˝ ket össze. Azért érdemes a négykiterjedés˝u térben dolgoznunk, mert a négykiterjedés˝u vektorokat és azok hosszait használva a relativisztikus mozgásegyenletek egyszer˝ubben fogalmazhatók meg és jóval könnyebb velük számolni. A térid˝oben valamennyi természettani mennyiség négykiterjedés˝u vektor összetev˝oje. Megmutatható, hogy a lendület vektor 3 dimenziója mellé rendelhet˝o negyedik kiterjedés az energia. Ebb˝ol a kapcsolatból következik a tömeg és az energia egyenérték˝uségét megadó E = mc2 képlet is. Míg korábban az energia és 7
a tömeg megmaradása egymástól független, külön-külön érvényes törvényszer˝uség volt, a négykiterjedés˝u tárgyalás megmutatta, hogy csak egyetlen megmaradási törvény létezik. Mivel az energia alapvet˝obb mennyiség, csupán az energia marad meg, de az energiák számbavételénél figyelembe kell venni a tömegeknek megfelel˝o E = mc2 energiákat is.
3.2.
Általános relativitáselmélet
Abban speciális a speciális relativitás elmélete, hogy csak a tömegvonzás elhanyagolhatósága esetén alkalmazható. Einsteinnek ezt is sikerült belevenni a tárgyalásba és 1916-ban tette közzé az általános relativitáselméletet. Ez a leírás térr˝ol, id˝or˝ol alkotott fogalmainkat ha lehet, még er˝oteljesebb módon változtatta meg. Az általános relativitáselmélet egyben a tömegvonzás általános elmélete is, a térid˝o és a tömegek kapcsolatát tárgyalja. Kiindulópontja az ekvivalencia elv. Egyenértékuségi ˝ (ekvivalencia) elv. Most is vonatkoztatási rendszerek egyenérték˝uségét taglaljuk. Kétféle vonatkoztatási rendszert vetünk össze, egyik a tehetetlenségi rendszer. Nagy tömeg felé szabadon es˝o rendszer, mondjuk egy zuhanó felvonó a másik. Szabadeséssel zuhanó felvonóban a magára hagyott test súlytalanná válva lebeg vagy egyenes vonalú egyenletes mozgást végez. Akárcsak a tehetetlenségi rendszerben a magára hagyott test. Feltehet˝o, hogy az azonos viselkedés nemcsak a magára hagyott test esetén igaz. Einstein éppen ezt mondta ki: - Kisméret˝u, szabadon es˝o rendszerben a természettan törvényei ugyanolyan alakúak, mint a tehetetlenségi rendszerben. Lehet a szabadon es˝o rendszer valahol a Földön, akár a Tejútrendszer középpontjában, vagy egy fekete lyuk közelében, bárhol a Világmindenségben. Ha a tehetetlenségi és a szabadon es˝o rendszer egyenérték˝u, a rendszeren belüli megfigyel˝o megfigyeléseket, kísérleteket végezve nem tudja eldönteni, hogy tehetetlenségi avagy zuhanó rendszer belsejében tartózkodik-e. Valamennyi jelenség mindkett˝oben ugyanúgy zajlik. Nemcsak a testek mozgását, hanem minden mást, így a fény terjedését is ugyanolyan alakú törvény szabályozza. Fény gravitációs térben. Rögtön következik az ekvivalencia elvb˝ol az általános relativitáselmélet egyik legfontosabb eredménye, miszerint a fény a gravitációs térben elhajlik. Képzeljünk el egy szabadon es˝o kamrát, melyben valaki a kamra falánál felvillant egy zseblámpát, lásd a 4. ábrát. //
a fény útja belülrol
A
B
//
a fény útja lentrol nézve
A’
B’
g
4. ábra. Elhajlik a fény a gravitációs térben. Szabadon es˝o kamrában az A pontban felvillan egy zseblámpa. Mivel az ekvivalencia elv szerint a zuhanó kamrában minden úgy zajlik, mint egy tehetetlenségi rendszerben, a fény az A és B pontok között egyenes vonal mentén terjed. Ezt a földi megfigyel˝o viszont úgy észleli, hogy a fény az A és B ′ pontok között haladva a kamrával együtt szabadon esik. Mivel az ekvivalencia elv szerint a zuhanó kamrában minden úgy zajlik, amint egy tehetetlenségi rendszerben, a fény a kamrabeli megfigyel˝o számára egyenes vonal mentén terjed. De a földi megfigyel˝o ezt 8
úgy látja, hogy a fény a kamrával együtt esik. Mintha a fénynek is lenne tömege. Természetesen nem azért látjuk görbülni a fénysugarat, mert ott a kamra. Nagy tömeg mellett haladva elgörbül a fény és az ekvivalencia elv ezen jóslatát azóta mérések igazolják. Teljes napfogyatkozáskor ellen˝orizhet˝o, hogy a Nap mellett elhaladó fénysugár elhajlik, azaz ekkor a Nap mögött lév˝o csillagot nem ugyanott látjuk, mint az éjszakai égbolton, lásd a 5. ábrát. látszólagos hely
* *
Nap
csillag valódi helye
5. ábra. Fényelgörbülés a Nap körül. Elgörbült fénysugarat a Földr˝ol akkor láthatunk, ha napfogyatkozáskor egy, a Nap által csaknem vagy teljesen elfedett csillag helyzetét figyeljük meg. Ahogyan az általános relativitáselmélet kifejti, nem azért esik felénk a fény, mert tömege lenne, hiszen az nincs neki. Egy fénysugár mindig a legrövidebb id˝o alatt befutható út mentén halad. Ha görbülni látjuk, ott a tér mértana más, mint a megszokott euklideszi. Ilyen másféle mértan az ún. gömbi mértan, ebben a gömb felületére rajzolt háromszög szögeinek összege nagyobb, mint 180 fok. 3.2.1. Térid˝ogörbület Einstein általános relativitáselmélete szerint a fény a nagy tömeg mellett haladva azért hajlik el, mert a tömeg görbíti a négykiterjedés˝u térid˝ot. Eszerint a térben lév˝o tömeg határozza meg a térid˝o szerkezetét, hogy miként görbüljön, milyen legyen a mértana. Görbültté teszi a térid˝ot a Nap is, ezért hajlik el a mellette haladó fénysugár. Miközben a tömeg szabja meg a térid˝onek, mint görbüljön, a térid˝ogörbület, amely a tömegvonzásnak is a forrása, határozza meg a tömegek mozgását és a fény terjedését. Nagyság és irány szerint is változik a tömegek által létrehozott térid˝ogörbület, tömegt˝ol távolabb kisebb. Hogy milyen az adott tömegeloszlásnak megfelel˝o térid˝o, az Einstein-egyenletek segítségével számítható ki. Ezeket igen nehéz megoldani, de néhány egyszer˝u tömegeloszlásra jó közelít˝o eljárás áll rendelkezésünkre. Két esetet tárgyalunk, el˝oször a gömb alakú tömeg által görbített térid˝ot, majd az egyenletes tömegeloszlás téridejét. Gömb alakú tömeg által görbített térid˝o - tömegvonzás. Fény és tömeg a görbült térid˝o ’egyenesei’ mentén mozognak, ezeket geodetikus vonalaknak nevezik. Ezzel a tömegvonzás is a térid˝o görbületével függ össze. Nézzük meg, mint görbíti a térid˝ot a Nap. Legyen a Nap a térbeli koordináta rendszer kezd˝opontjában, így a térben nem mozdul, ám közben a negyedik, a ct tengely mentén egy év alatt fényévnyi távolságot fut be. Eközben a Föld a térben egy kb. 150 millió kilométer, azaz egy kb. 8,5 fényperc sugarú pályán megkerüli a Napot és közben a ct tengely mentén szintén fényévnyi utat tesz meg, lásd a 6. ábrát. Látható, a térid˝oben a Föld csavarmenethez hasonló pályát fut be, ami a Nap által elgörbített térid˝o geodetikus vonalának felel meg. A térid˝o görbültsége, amely mentén a Föld mozog, kicsiny, fényévnyi távolságon csupán 8,5 fénypercnyi. Elegend˝oen kis térid˝ogörbület számításakor az általános relativitáselmélet egyenleteinek megoldása jól közelíthet˝o azzal, hogy a háromkiterjedés˝u térben és id˝oben számolunk és egyúttal bevezetjük a térben lév˝o tömegek között ható newtoni tömegvonzási er˝ot. Azaz a tömegvonzási er˝o a térid˝o tömegekt˝ol való függésének közelít˝o leírásából származtatható le. Így a tömegvonzást mint négykiterjedés˝u mértanhoz köthet˝o hatást értelmezzük. Annál nagyobb a Nap által létrehozott térgörbület, minél közelebb vagyunk a Naphoz. Naprendszerünk bolygóinak pályáit, a Merkur mozgását kivéve, a newtoni tömegvonzással való számolás nagyon jól adja. Annyira közeli a Merkur a Naphoz, hogy az ottani térid˝ogörbület már nem mondható elég kicsinek. Emiatt a Merkur pályamozgását a newtoni tömegvonzási er˝o nem adja vissza pontosan. Akárcsak a ttöbbi bolygó, a 9
//
IDO
a Nap útja a téridoben
//
a Föld útja a téridoben
//
1 menetnyi=1 év
TÉR
6. ábra. Földünk a térid˝oben a Nap tömege által meghatározott térid˝ogörbület geodetikus vonala mentén mozog. Ugyan a Nap a térbeli koordináta rendszer kezd˝opontjában nyugszik, de a térid˝o negyedik tengelye, a ct tengely mentén fénysebességgel mozog, egy év alatt fényévnyit téve meg. Ezalatt a Föld a térben a kb. 8,5 fényperc sugarú körpályán is mozog - ekkora a Nap-Föld távolság -, miközben a ct tengely mentén szintén fényévnyi utat tesz meg. Merkur is ellipszis pályán mozog, de amint napközelbe kerül, mintha egy újabb, az el˝oz˝ot˝ol eltér˝o helyzet˝u ellipszis pályára térne át. Nagyjából úgy néz ki a Merkur pályamozgása, mintha virág szirmai mentén haladna és a virág közepéhez érve - azaz napközelben - egyik sziromról a másikra csúszna. Az általános relativitáselmélet jobb közelítése a Merkur különös pályáját is visszaadja. Ez volt a Nap menti fényelhajlás megfigyelése mellett az általános relativitás elméletének egy másik megfigyelhet˝o bizonyítéka. Gömb alakú tömeg által görbített térid˝o - az id˝o lassulása. Ha a gravitációs tér nagyobbá válik, azaz minél közelebb kerülünk egy tömeghez, annál jobban lassulnak a mozgások, így a rezgések is, azaz lassabban telik az id˝o. Emiatt az óra a Föld felszínén lassabban jár, mint a világ˝urben. Ez nem függ az óra fajtájától, nem az órák tulajdonsága, m˝uködési elvének következménye. Az id˝o telik máshogyan. Sikerült a mérésekkel igazolni, hogy a Föld felszínén nagyobb magasságban az órák gyorsabban járnak. Egy igen érzékeny magfizikai jelenséget, a Mössbauer hatást kihasználva egy víztoronyban mérték meg, hogy 10 méterrel magasabban az általános relativitáselmélet által megjósolt módon telik gyorsabban az id˝o. A mért különbség az ember, mint él˝olény számára elhanyagolhatóan kicsiny. Csillagoktól, nagy tömegekt˝ol távol az id˝o folyását a világegyetemben nagyjából egyenletesen eloszló csillagok, csillagrendszerek tömegeloszlása határozza meg. Ezt az id˝ot nevezhetjük "világid˝onek". Tömegekhez közelebb ehhez képest lassabban telik az id˝o. Ennek gyakorlati jelent˝osége is van. Ha a világ˝urben kering˝o m˝uholdak által sugárzott órajeleket vizsgáljuk és azokat értékeljük, figyelembe kell venni, hogy itt és fenn az órák máshogyan járnak. Ezt a GPS-jeleket kiértékel˝o rendszernek figyelembe kell vennie. Az M tömeg˝u gömb által meghatározott térid˝o fontos jellemz˝oje az rc = 2GM/c2 Schwarzschild sugár, ahol G a gravitációs állandó. Ha az M tömeg˝u test a Schwarzschild sugara belsejében található, akkor a körülötte lév˝o térid˝o annyira görbült, hogy még a fénysugár sem hagyhatja el. Emiatt nem látható. Ekkor beszélünk fekete lyukról, ezekkel az égitestekkel a csillagfejl˝odés tárgyalásakor foglalkozunk majd. Térid˝o egyenletes anyagsur ˝ uség ˝ esetén. Einstein általános relativitáselméletének alapegyenletei akár a világegyetem egészének viselkedését is leírhatják. Mivel a csillagrendszerek térbeli eloszlása nagyjából egyenletes, a világegyetem jó közelítésben végtelen, anyaggal egyenletesen kitöltött térnek fogható fel. Erre az esetre az Einstein-egyenletek megoldása a táguló, vagy összehúzódó tér. Köztes, állandó állapot nem lehetséges. Einsteint mélyen megdöbbentette, hogy elmélete nem adja vissza a mindenki által elfogadott newtoni, állandó állapotú világegyetemet. Akárcsak mások, Einstein is nagyon hitt a Mindenség állandóságában és emiatt az egyenleteibe bevezette az ún. kozmológiai állandót, amely tömegek közötti taszítást ír le. 10
De hamarosan kiderült, hogy a kozmológiai állandóval kib˝ovített elmélet sem írhat le állandó állapotú világegyetemet. Már a legkisebb ingadozás is képes a finoman kiegyensúlyozott világegyetem állandóságát megszüntetni és a világegyetem elkezd tágulni, vagy össze felé húzódni. Gravitációs hullám. Mivel a térid˝o görbületét a térben lév˝o tömegek eloszlása határozza meg, a tömegeloszlás módosulása a térid˝ogörbület változásával jár együtt. Ez a változás fénysebesség˝u gravitációs hullámként terjed. Gravitációs sugárzásként, gravitációs hullámok energiájaként észlelhet˝o, hasonló az elektromágneses sugárzáshoz. Ha a Nap ebben a pillanatban elt˝unne, ránk való hatását, a Föld szabaddá válását 500 másodperc múlva észlelnénk, ennyi id˝o alatt érne ide a gravitációs hullám. Gravitációs hullámok forrása a bolygók mozgása miatt a Naprendszer is, ám ezek a hullámok a két egymás körül kering˝o csillag, a kettt˝oscsillag által kibocsátott sugárzáshoz képest nagyon gyengék. További fontosabb gravitációs hullámforrás a szupernóva robbanás. El˝ofordulhat, bár nagyon ritkán, hogy két ütköz˝o csillag egymásba olvad, az ekkor keltett gravitációs hullám lehet a leger˝osebb. Azt is megjósolták, hogy a világegyetem igen gyors tágulása során gravitációs hullámok keletkeznek. Eddig a gravitációs hullámok létér˝ol csak közvetve sikerült tudomást szerezni. Éveken át figyelték egy kett˝oscsillag viselkedését és sikerült megmérni, hogy a gravitációs kisugárzásukkal vesztett energia miatt miként változott meg a keringésük ideje. Pontosan egyezik a mért és számolt energiaveszteség és a felfedez˝ok 1993-ban Nobel-díjat kaptak. Reménykedhetünk, hogy a most készül˝o, majdan a világ˝urbe telepített lézerfényes mér˝oberendezéssel a gravitációs hullámok kimutatása közvetlenül is sikerül. Ezekben a nagyon nagy távolságokat befutó lézerfény viselkedését vizsgálják. Ha a lézerfény útját gravitációs hullámzás keresztezi, a térid˝o változása módosítja a lézerfény interferenciára való képességét. Ahogy n˝o a lézerfény által befutott út, úgy növekszik a berendezés érzékenysége. A relativitáselmélet fogadtatása. Nem lehet mindent gépiesnek gondolni, nem gépezet a világ, ez a speciális relativitáselmélet egyik fontos eredménye. Ha minden gépezet, akkor valamennyi hatás kapcsolódások, rezgések által terjed. Bár a fény hullámként terjed, mégsem kell hozzá hullámot hordozó, ’fodrozódó’ közeg, azaz éter. Mivel a fény terjedéséhez nincs szükség közegre, a mindent gépies m˝uködésként értelmez˝o szemlélet tarthatatlanná vált. Másfajta hatása is van a relativitás elvének és a nagyközönség gondolkodását ez határozta meg. Akik értik az elméletet tudták és tudják, Einstein valójában azt fogalmazta meg, hogy létezik mindenféle vonatkoztatási rendszert˝ol független, alapvet˝o igazság, a fénysebesség állandósága. Igaz, ezzel együtt abba is bele kellett tör˝odni, hogy az id˝o és a tér fogalma viszonylagos, más szóval relatív. De a kívülállók nem értették, mit jelent a relativitás szó Einstein elméleteiben és lassan mindennek értékét viszonylagosként fogták fel. Akkoriban a minden relatív, semmiben sem lehetünk biztosak, mindenben kételkedni kell felfogás egyébként is kezdett általánossá válni és a relativitáselmélet csak er˝osítette ezt a szemléletet. Relativitáselmélet és newtoni fizika. A speciális relativitáselmélettel számolt eredmények csak akkor térnek el a newtoni törvényekkel kapottaktól, ha a sebességek elég nagyok. De ha a jellemz˝o sebességek a fénysebességhez képest elhanyagolhatóan kicsik, akkor a speciális relativitáselmélet és a newtoni törvények egyez˝o eredményre vezetnek. Ezért a mindennapok jelenségeinek leírására elég Newton törvényeit használni. Hasonlóan, ha a tömegek nem túl nagyok, az általános relativitáselmélet által leírt térid˝ogörbít˝o hatás a tömegvonzási er˝o segítségével nagyon jól közelíthet˝o. Csak a világmindenség egészének és bizonyos égitesteknek leírásakor, valamint néhány földi jelenség esetén szükséges az általános relativitáselmélet alkalmazása.
11
4.
Törvények és szimmetriák
A jelenség leírása és a törvény. Ha a világ valamennyi dolga, történése be lenne írva egy nagy könyvbe, vagy CD lemezekre lenne felvíve, igazából nem volna szükségünk a természet törvényeinek ismeretére. Ami érdekelne bennünket, ki tudnánk keresni, meg tudnánk nézni, mi hogyan történik. Ez csak elvileg volna így, hiszen a felmérhetetlenül sok ismeret nagyon nehezen kezelhet˝o adathalmazt alkotna. Például a Hold pályájának részletesebb leírása is könyveket tölthetne meg. Ezért is szükségesek a természet törvényei. A newtoni természettanban a Hold helyzetének és sebességének egy adott pillanatban való ismeretéb˝ol kiindulva a Hold pályája bármely jöv˝obeni vagy múltbeli id˝opontra meghatározható. Így a jelenség leírását megadó adathalmaz feleslegessé válik, ha ismerjük a jelenséget leíró törvényt. Ha viszont a törvények ismeretlenek, hasznosak az adathalmaz méretének csökkentésére alkalmas módszerek, mint a szimmetriaelvek. Szimmetrián azt értjük, amit a mindennapi életben is. Arcunk szimmetrikus, mert az arcélünket jobbról vagy balról nézve ugyanaz látható. A kocka szimmetriája magasabb rend˝u, mert az átlók és a lapok középpontja fel˝ol nézve is ugyanaz látszik. Leginkább szimmetrikus a gömb. Bármely, a középpontján átmen˝o tengely irányából nézzük, ugyanazt észleljük. Belülr˝ol szemlélve a tökéletes kristályt, ugyanaz látszik, ha egy adott helyr˝ol nézzük, vagy ha onnan megfelel˝o irányba bizonyos lépésekben elmozdulunk. Ezzel a szimmetriák jelent˝osen csökkentik a leíráshoz szükséges adatok számát. Törvények, szimmetriák és egyszeruség. ˝ A szimmetria fogalmát a fenti egyszer˝u mértani értelmezésen túlra is kiterjesztették. Akkor mondjuk, hogy az egyenlet szimmetrikus, ha valamely matematikai átalakítás elvégzése után az egyenlet alakja változatlan marad. Például az y = x2 egyenlet alakja ugyanaz marad az x → −x, tükrözésnek nevezett átalakítás után. Az érzéketlenség megszorítja az egyenlet alakját. Például a tükrözéssel szembeni érzéketlenség az y = x2 + x egyenletre már nem igaz, mivel ez a tükrözés után az y = x2 − x egyenletbe megy át. Minél több átalakítással szemben marad az egyenlet változatlan, annál rögzítettebb az alakja. Segít a szimmetriák felismerése a törvények megfogalmazásában is, mivel a szimmetria a törvényt megadó egyenlet alakjára jelent megszorításokat. Léte az egyenletet áttekinthet˝obbé, szabályosabb alakúvá, mondhatni szebbé teszi. Miközben a törvények alakját keressük, a szépség, a szimmetriák léte egyfajta útmutatás, ez megkönnyíti a feltevések közötti választást és még a kisérleti ellen˝orzés el˝ott elveti az esélytelenebb egyenleteket. Az elméleti fizikus hajlamosabb elfogadni a szép és egyszer˝u egyenletet. Ne legyen benne homályos eredet˝u tényez˝o, amelyet azért kell odavenni, mert így válik a kísérleti eredmény leírhatóvá. Lehet˝oleg alapelvekb˝ol induljon ki az elmélet és ne szükség szerint toldozzuk-foldozzuk. Maxwell, Faraday eredményeit és az elektromágneses jelenségekr˝ol ismert más méréseket összegezve írta fel az elektrodinamika alapegyenleteit. Látta, hogy a négy egyenletb˝ol álló egyenletrendszer szimmetrikus lehetne, de ehhez az egyik egyenletb˝ol hiányzik egy tag. Maxwell feltételezte, hogy ennek a tagnak ott kell lennie. Ezt beleírva közölte egyenletrendszerét. El˝orejelzését komolyan vették és keresni kezdték a felírt tagnak megfelel˝o jelenséget. Így fedezték fel az elektromágneses hullámokat. Ezzel igazolták, hogy a Maxwell által feltételezett tag valóban létezik. Nem csoda, hogy ezek után az egyenlet szépsége még nagyobb értékké vált. Másik fontos szempont a törvények megfogalmazásában az egyszer˝uség. Ha ugyanazt kétféleképpen is meg lehet magyarázni, a fizikus gondolkodás nélkül az egyszer˝ubb, kevesebb feltevést adó leírást fogadja el. Eleve elvetik a bonyolultabb leírást, csak akkor fanyalodnak rá, ha az egyszer˝ubb valamilyen új mérési adat értelmezésére alkalmatlan. A bonyolultabb feltevés eleve elvetését a középkori angol filozófus után Occam elv vagy Occam borotva néven emlegetik. Arra utal a borotva, hogy minden fölösleges sz˝orszálat el kell távolítani. Természettani(fizikai) alapegyenlet alakja és a szimmetriák. Ha egy fizikai egyenlet egy átalalkításra szimmetrikus, azt jelenti, hogy az egyenlet alakja az átalakítás után ugyanaz marad, mint volt azel˝ott. Ezért 12
átalakítás el˝ott és után ugyanazokat a jelenségeket írja le. Egy fizikai alapegyenlet alakjára vonatkozólag a térbeli és id˝obeli szimmetriákkal szembeni érzéketlenség megkövetelése komoly megszorítást jelent. Gondoljuk el például, változhat-e a leírt jelenség attól, hol játszódik le. Ha nem, akkor a térben való eltolhatóság érvényes szimmetria. Azaz a fizikai egyenlet nem változhat, ha arrébb toljuk a vonatkoztatási rendszer kezd˝opontját. Ez a követelmény rögzíti azt, hogy a részecskék helyzetét megadó irányszakaszok (vektorok) milyen alakban, függvénykapcsolatban fordulhatnak el˝o az egyenletben. Ez a szimmetria egyben meghatározza a szabad részecske v=állandó mozgásegyenletnek alakját is. Megkövetelhetjük még a relativitáselméletnek megfelel˝o szimmetriát is. Ez utóbbi esetén a tér és id˝o változók a négykiterjedés˝u tér változóiként jelennek meg az egyenletben. A Maxwell egyenletek relativisztikusan szimmetrikusak. Léteznek a mértani szimmetriákon kívül más, elvontabb szimmetriák is, ezeket az egyenlet bels˝o szimmetriáinak nevezik. Közöttük is vannak olyanok, amely fontos szerepet játszanak a természet alapvet˝o törvényeinek megfogalmazásában. Szimmetriák és megmaradó mennyiségek. Alapvet˝oen fontosak az energia, lendület, perdület, elektromos töltés és még más kevésbé ismert mennyiségek megmaradását megfogalmazó törvények. Kiderült, hogy szimmetriák és megmaradó mennyiségek között nagyon mély kapcsolat létezik. Ha a térben nincs kitüntetett pont, azaz a tér pontjai egyenérték˝uek, a vonatkoztatási rendszer kezd˝opontjának eltolása nem befolyásolhatja a természet törvényeinek alakját. Megmutatható, hogy a lendület megmaradása a térben való eltolhatóság következménye. Ha nincs kitüntetett id˝opillanat, akkor egy jelenség leírása nem függhet az id˝oszámítás kezd˝opillanatának megválasztásától. Hogy mikortól kezdjük mérni az id˝ot, ez nem változtat a jelenséget leíró egyenletalakján. Kiderült, hogy az energiamegmaradás tétele az id˝obeni eltolhatósággal szembeni érzéketlenséggel függ össze. Ha nincs a térben kitüntetett irány, akkor a jelenség leírása, a természettörvények alakja nem függhet attól, hogy a térben elforgatást végzünk, azaz más irányba mutatnak a koordináta rendszer tengelyei. Ebb˝ol származtatható a perdület megmaradásának tételét. Nagy hatást gyakorolt a tudósok gondolkodására a szimmetriák és a megmaradási tételek kapcsolatának felismerése. Valójában nem az er˝okkel, részecskékkel, hanem a szimmetriákkal takarékoskodik a természet. Úgy t˝unik, a végs˝o tudás szimmetriákhoz köthet˝o. Ez az eredetileg Platón által megfogalmazott gondolat a mai részecskefizika egy talán meghökkent˝o, de gondolkodásunkat meghatározó eredménye. Természetesen felmerülhet a kérdés, ha a mélyen fekv˝o szimmetriák ennyire egyszer˝uek és tökéletesek, honnan a világ sokszín˝usége, változatossága. Ezt részben a szimmetriákat sérülésének módjával magyarázhatjuk.
4.1.
Szimmetriasértések
Önsérül˝o (spontán) szimmetriasértés. Az önsérül˝o, azaz magától sérül˝o szimmetria felismerése a mai fizika kiemelked˝o fegyverténye és a fizika számos területén vezetett új felfedezésre. A megsérül˝o szimmetria mértani vagy bels˝o szimmetria egyaránt lehet. Matematikailag az önsérülés azt jelenti, hogy a jelenséget leíró egyenlet ugyan szimmetrikus, de az általa leírt folyamat már nem mutatja ezt a szimmetriát. Ilyen esetekben több megoldása is van az egyenletnek, azaz különféle folyamatokat, eseteket írhat le. Külön-külön egyetlen megoldás sem mutatja az eredeti szimmetriát, csak valamennyi megoldás együttese. Ez nem azt jelenti, hogy a természetben minden lehetséges megoldás megmutatkozhatna, általában csak egyetlen megoldásnak megfelel˝o jelenséget tanulmányozhatunk. Arra utal az önsérül˝o szimmetria kifejezés, hogy az egyenlet szimmetriáját nem sérül, a szimmetria sérülése csak úgy magától, a megoldásokban jelentkezik. Lássunk erre néhány példát. A vacsorázó társaság k a kerekasztal körül foglal helyet. Mindenki el˝ott van teríték és a terítékek között ott a pohár. Kezdetben a jobb és a bal egyenérték˝u, mivel mindenki számára lehetséges jobbra vagy balra nyúlni a pohárért. Ha azonban valaki már választott, a szimmetria megsérül, ezután mindenki már csak az
13
egyik irányból vehet poharat. Meg kell a kezdeti szimmetriának meg sérülnie, valamelyik, a jobb, vagy bal irányt ki kell választani. Másik egyszer˝u példának vegyünk egy függ˝oleges helyzet˝u, tökéletesen egyenletes szerkezet˝u, hengerszimmetrikus acélszálat. Felülr˝ol lefelé irányuló er˝o nyomja. Ha a nyomóer˝o fokozódik, egy id˝o után a szál elgörbül, valamerre kitér. Hogy merre, véletlen. Elveszett a hengerszimmetria, a sérülés itt is csak úgy magától jelentkezett. Nemcsak az acélpálca görbülésében és más egyszer˝u jelenségben sikerült szimmetria önsérülését észlelni. Szerephez jut az önsérül˝o szimmetria az alapvet˝o kölcsönhatások alakjának meghatározásában is. Rejtett szimmetria. Másik fontos, a szimmetriák sérülésével kapcsolatos jelenség a rejtett szimmetriák fellépte. Rejtett szimmetria jelentkezhet, ha valahol sok, egymással rokon részecskével, dologgal találkozunk. Ugyan megkülönböztethet˝oek, de mégis nagyon hasonlítanak egymáshoz. Annyira, hogy akár egyetlenegy dolog változatainak is tekinthet˝ok. Ilyet példa a férfi és n˝o közötti különbségtétel. Igaz rájuk az ’emberi’ szimmetria, mert mindkett˝o ember, felcserélésük nem változtatja meg emberi mivoltukat. Rejtett szimmetriaként tárgyalható a proton és neutron közötti eltérés is. Nagyon hasonlóak egymáshoz, tömegük csaknem megegyezik, csupán elektromos töltésük ellentétes. Magfolyamatokban a neutron és a proton, töltésükt˝ol eltekintve, azonos módon viselkedik, a töltés általában csak címkeként szolgál, nem tényleges különbség jelöl˝oje. Ezért a fizikus a protont és a neutront gyakran mint egyetlen, nukleonnak nevezett részecske két változataként kezeli. Matematikailag mindezt bels˝o szimmetriaként tárgyalhatjuk. Kiderült, ha nem is annyira nagy a hasonlóság, de van még hat másik részecske, amelyek a protonhoz és neutronhoz, valamint egymáshoz hasonló módon viselkedik. A világ˝urb˝ol érkez˝o igen nagy energiájú sugárzások által keltett kozmikus záporokban vizsgálva fedezték fel o˝ ket és nagyenergiájú gyorsítókban is el˝oállíthatók. Nemcsak a nukleonnal rokon hatot, hanem még nagyon sok másféle részecskét is el˝oállítottak és tanulmányoztak. Ezeket a rejtett szimmetriák segítségével rokonították, rendezték csoportokba. S˝ot, a rendszerezés segítségével újabb részecskék létezését és azok tulajdonságait is megjósolták. Leghíresebb eset az volt, amikor 9 rokon részecskét már felfedeztek és látszott, ha a rendszerezés helyes, léteznie kell egy tizediknek is. Jó el˝ore pontosan megadták, milyenek a tizedik részecske tulajdonságai. Keresték a részecskét és meg is találták. Éppen olyan, amilyennek az el˝orejelzés megadta.
5. Kisvilágtan Newton törvényei az érzékelhet˝o világot írják le. Nagyon jól alkalmazhatóak, ha a következ˝o három feltétel teljesül: a tárgyak sebessége jóval kisebb, mint a fénysebesség, a tömegek nem túl nagyok és a méretek nem túl kicsik. Ha a sebesség a fénysebességgel összemérhet˝o, akkor a négykiterjedés˝u térid˝ore épít˝o speciális relativitáselméletet, ha a tömegek túl nagyok, a tömegek térid˝ot görbít˝o hatását leíró általános relativitáselméletet kell alkalmaznunk. Newton törvényei nagyon kis méretekre sem jók, mert a világ kicsiben nem olyan, mint nagyban. Másféle törvények szabályozzák a kisvilág (mikrovilág) viselkedését, például nem beszélhetünk pálya mentén mozgó részecskér˝ol. A kisvilág törvényeit a kisvilágtan (kvantummechanika) fogalmazza meg, ennek néhány jellegzetességét ismertetjük.
5.1.
Hullámtermészet - részecskék ’fényképezése’
A kisvilági részecskék és rendszerek megfigyelése nem egyszer˝u, mert méreteik igen kicsik. Egy tárgyról akkor kaphatunk éles képet, ha a megvilágításhoz használt fény hullámhossza jóval kisebb, mint a tárgy jellemz˝o mérete. Minél kisebb a megvilágító fény hullámhossza, annál pontosabb, részletesebb a kép. Ha a fény hullámhossza közel akkora, vagy nagyobb, mint a vizsgált tárgy, akkor is kapunk képet, lásd a 7.
14
0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 1111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 000000000 111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 000000000 111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 000000000 111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 000000000 111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 000000000 111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 000000000 111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 000000000 111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 000000000 111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 000000000 111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 000000000 111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 000000000 111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 000000000 111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 000000000 111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 000000000 111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 000000000 111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 00000000000000000000 11111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111 0000000000000000000000000000000 1111111111111111111111111111111
7. ábra. Fényelhajlás. Ha a lyuk mérete összemérhet˝o a megvilágító fény hullámhosszának méretével, akkor a lyuk képe az erny˝on nem egy korong, hanem ekörül még egy gy˝ur˝us szerkezet is megjelenik. Ha a hullámhosszat csökkentjük, a gy˝ur˝us szerkezet el˝oször s˝ur˝usödik, majd egy id˝o után elenyészik és marad a korong, azaz megkapjuk a lyuk pontos képét. ábrát. Ez az úgynevezett elhajlási (diffrakciós) kép alkalmas arra, ha a részleteket nem is, de legalább a tárgy méreteit, alakját meg tudjuk határozni. A kisvilági részecskék és rendszerek megfigyeléséhez szükséges hullámhosszú sugárzás el˝oállítása igen költséges és bizonyos méreteknél kisebbekre szinte lehetetlen. Szerencsére nem csupán sugárzást, hanem tömeggel rendelkez˝o részecskéket is használhatunk a kisvilági tárgyak, a molekulák, atomok, atommagok és a náluk is kisebbek ’fényképezéséhez’, mivel a kisvilágtan szerint egy részecske is rendelkezik hullámtulajdonságokkal. Egy m tömeg˝u részecske hullámhossza, az ún. deBroglie hullámhossz λ = h/mv
(5.1)
ahol h a kisvilágtan alapvet˝o állandója, a Planck állandó és v a részecske sebessége. A bombázó részecske hullámtulajdonsága a következ˝oben nyilvánul meg. Ha nagyszámú részecske bombázza a fenti korongot, a mögötte lév˝o erny˝on a becsapódó részecskék sokasága ugyanolyan ábrát rajzol ki, mint amilyet az adott tárgyra es˝o, a bombázó részecske λ hullámhosszával azonos hullámhosszú fénnyel kapnánk. Nagyobb tömeg˝u részecske hullámhossza, ahogyan a 5.1. képlet mutatja, kisebb. Minél nagyobb tömeg˝u a test, annál kisebb a hullámhossza, és amint a test méretei meghaladják a hullámhosszát, a hullámtermészetre utaló viselkedés elmosódik. Hullámszer˝u viselkedés az igen kis tömeg˝u, elhanyagolható méret˝u részecskékt˝ol, így például az elektrontól várható. Elektronok hullámtulajdonságát felhasználó fényképez˝o berendezés az elektronmikroszkóp is, amely felgyorsított elektronokkal készít felvételeket. Részecskenyalábokat gyorsítókban hoznak létre. Nagyobb energiára gyorsítva kisebb hullámhosszú részecskéket kaphatunk, így a vizsgált tárgyról jobb felbontású felvételeket tudunk készíteni. Ha egy részecskét pontszer˝unek tekintünk, azt jelenti, hogy a világ legnagyobb energiájú gyorsítójának nyalábját használva sem látszik a mérete, azaz kisebb, mint amekkorát gyorsítóval jelenleg észlelni, ’látni lehet’. Ahogyan gyors elektronokkal kép alkotható, a 20 km magasságban keletkez˝o, a Föld felszínére érkez˝o igen nagy számú gyors müon is felhasználható felvételek készítésére. Jelenleg ez az egyetlen kínálkozó eljárás, hogy részletes és pontos képet kapjunk arról, milyen állapotban vannak a 2011 márciusában er˝osen megrongálódott fukusimai atomreaktorok. Hatalmas robbanások történtek, a reaktoroknak helyet adó épületek romosak és több reaktor magja leolvadt. Egy reaktormag néhányszor tíz tonna urán töltetet tartalmaz. Nem lehet tudni, mennyire vannak megolvadva a reaktor magját alkotó üzemanyag rudak és mint helyezkednek el a reaktor tartályában. Még azt sem tudjuk, mennyire sérültek meg a reaktorokat tartalmazó tartályok és jelenleg hol van a reaktorok magja. Felvet˝odött, hogy a nagy sebesség˝u, 20 km magasból érkez˝o müonoknak a reaktorépületen való szóródási képét megfigyelve pontos, röntgen felvételhez hasonló részletesség˝u képet kaphatunk a reaktorépületek és a reaktorok tartályának belsejér˝ol. Mivel a müonok a magasabb rendszámú elemek, így az urán atommagján er˝osebben szóródnak, a kapott kép pontosan kirajzolhatja, hol és milyen állapotban van az urán töltet és az egyéb anyagok. Jó felbontású felvétel készítéséhez az épület köré telepítend˝o mér˝oberendezéseknek két hónapon keresztül kell a szóródott müonokat észlelni. A felvételek birtokában részletes terv készíthet˝o, miképpen lehetne Fukusima megrongálódott reaktorépületeit és reaktorait eltakarítani és a terepet megtisztítani. 15
Interferencia - kétréses kísérlet. Az elektron vagy más részecske hullámszer˝u viselkedését nemcsak az akadályon való elhajlás, hanem interferenciára való képességük is mutatja. Képzeljük el, hogy elektronnyalábot lövünk a két vékony párhuzamos rést tartalmazó lemezre. Tegyünk a lemez mögé filmet, melyen a becsapódó elektron foltot hagy. Ha egy id˝o után megnézzük, milyen kép keletkezett a filmen az elektronnyalábbal való bombázás után, a következ˝ot látjuk.
elektron
8. ábra. Kétréses interferencia. Kétlyukú lemezen elektronok haladnak át. Ugyanolyan eloszlási képet alakítanak ki a lemez mögötti filmre becsapódó elektronok, mint amilyet a kétlyukú lemezen átjutó azonos hullámhosszú fény hozott volna létre. A két résen átjutó elektronnyaláb pontosan olyan képet rajzol ki, mintha egy fényforrással világítottuk volna meg a két rést tartalmazó lemezt. Akár az áthaladó fény, az elektronnyaláb is interferenciaképet hoz létre, lásd a 8. ábrát. Hullámként viselkedik az elektron, a lapon megjelen˝o kép a két résen átmen˝o hullám interferenciájaként jelenik meg, akárcsak a fénysugárral végzett kísérlet esetén. Ez alátámasztja deBroglie elképzelését, miszerint részecske is viselkedhet hullámként. Ha fényérzékeny lap helyett elektronokat számláló apróbb csövek sokasága az érzékel˝o, ugyanezt az eloszlási képet kapjuk, csak a feketedések helyett a becsapódások s˝ur˝usödései rajzolják ki a hullámszer˝u viselkedést mutató interferenciaképet. Gyengítve az elektronnyalábot, l˝ojünk ugyanannyi elektront a két rést tartalmazó lemezre. Mivel az elektronnyalábban másodpercenként kevesebb elektron repül, hosszabb ideig tart a kísérlet. Ám a lemez mögötti elektroneloszlás képe nem változik. Akkor is ugyanaz marad az interferenciakép, ha annyira lecsökkentjük az elektronnyaláb er˝osségét, hogy egyszerre csak egy elektron haladhat át a lemez résein. A megfigyelt jelenség csak azzal magyarázható, hogy az elektron úgy jut a lemez mögé, mintha hullámként haladna át a két résen. Mivel az elektron pontszer˝u, vagy az egyik, vagy a másik résen kell átmennie. Ha viszont bármilyen módon meghatározható, melyik résen ment át, a lemez mögött észlelt kép olyan, mintha az elektron részecskeként, golyóként ment volna át. Ekkor a lemez mögötti eloszlás nem mutatja a hullámokat jellemz˝o interferenciaképet, a két résen átjöv˝o golyók eloszlásainak egyszer˝u összege lesz. Korábban ezt azzal magyarázták, hogy ha meghatározzuk, melyik résen halad át az elektron, mérés közben valamennyi lendületet adunk neki és az interferenciakép elt˝unése a mérés okozta zavarnak tulajdonítható. Ez a magyarázat nem helytálló. Úgy állapították meg, melyik résen ment át az elektron, hogy az áthaladó elektron lendületét alig befolyásolták. Most is elt˝unt az interferenciakép, de nem azért, mert nagy lett volna volt a közölt lendület, hanem azért, mert meghatározták, hol mentek át az egyes elektronok. Ha két rés helyett két korongot bombázunk, ugyanúgy interferenciaképet kapunk. Ha egy összetett rendszert elektron vagy más részecske bombázásával vizsgáljuk, megtudhatjuk, mik vannak benne és hogyan helyezkednek el az alkotórészek. Az elhajlás és az interferencia jelenségek esetén a kisvilágtani viselkedés vizsgálatához nagyszámú esemény elemzése szükséges. Ezekben a kisvilágtani hatások közvetve, események sokaságát tanulmányozva mutatkoznak. Ma már léteznek olyan mérések, amelyekben egyetlen eseményt vizsgálva, közvetlenül is mutatkozik kisvilágtani hatás. 2012 o˝ szén az ilyen eljárások kidolgozóit tüntették ki a fizikai Nobel-díjjal.
16
5.2.
Határozatlansági összefüggés
Mint a 2. szakaszban tárgyaltuk, a fény véges hosszúságú hullámcsomagként terjed, ezt a fénysebességgel terjed˝o hullámvonulatot nevezzük fotonnak. A gerjesztett atom által kisugárzott fény rezgésszáma nem pontosan meghatározott érték˝u, hanem sávvá szélesedett. Ha a gerjesztett atom életideje t -ez közelít˝oleg a kisugárzási id˝otartamnak felel meg-, akkor a foton mérete, a hullámcsomag hozzávet˝oleges hossza ct. Ekkora bizonytalansággal mondható meg, hogy hol van a foton, a ct szakasz hosszúsága egyúttal a foton δx helybizonytalanságának is tekinthet˝o. Ha az atomi átmenet élettartama 10 nanoszekundum, a kisugárzott foton hullámcsomagja kb. három méter hosszú. t ideig tartó kisugárzás esetén megmutatható, a kisugárzott fény f rezgésszámának bizonytalansága δf = 1/t. Az f rezgésszám bizonytalansága egyúttal megadja azt is, mekkora a foton p = hf /c lendületének a bizonytalansága. Ebb˝ol következik, hogy a foton helye és lendülete egy id˝oben nem határozható meg pontosan, a két bizonytalanság szorzata legalább a h Planck állandó. Egy részecske térbeli viselkedése, mivel hullámtermészet˝u, hullámcsomaggal írható le. A szabad elektron térbeli terjedését is a 1. ábrán látható hullámcsomag írja le. Az atomba kötött elektron térbeli viselkedését az atom térfogatán belül kialakuló, állóhullámhoz hasonló alakú ’csomag’ jellemzi. A kvantummechanikai leírás fontos jellemz˝oje a határozatlansági összefüggések léte. Amit fent a hullámcsomag hosszára és rezgésszámának bizonytalanságára levezettünk, egyúttal a fotonra felírt határozatlansági összefüggés. Mivel részecskéknek is van hullámtermészete, határozatlansági összefüggések rájuk is érvényesek. Például az atomban lév˝o elektronnak nem lehet egyszerre pontos helye és lendülete, ezért az atomi elektronnak pályája sincs. Ha a helyét tetsz˝oleges pontossággal ismerjük, akkor nem tudhatjuk, mekkora az elektron lendülete. Hasonlóan, a lendületét ugyan tetsz˝oleges pontossággal megismerhetjük, de akkor nem tudhatjuk, hol van az elektron. Ha egyszerre határozzuk meg a helyet és a lendületet, akkor a két mennyiség pontatlanságának szorzata legalább a h Planck állandó. Nem csak a helyre és a lendületre, hanem más fizikai mennyiségek párjaira is léteznek határozatlansági összefüggések. Tekintettel a kés˝obbiekre, a folyamat id˝otartamára és energiabizonytalanságára vonatkozó a legfontosabb. Fotonra a fenti összefüggéseket felhasználva megmutatható, hogy a foton kibocsátási idejének és a foton energiabizonytalanságának a szorzata éppen a h Planck állandó. Hasonlóan kapható, hogy bármely állapot élettartamának és energiabizonytalanságának szorzata nem lehet kisebb, mint a h Planck állandó. Van-nincs (virtuális) részecskék. Az állapot energiabizonytalanságára és élettartamára vonatkozó kapcsolat képtelen jelenségeket is megenged. Még az energiamegmaradás is megsérülhet, igaz, csak nagyon kis id˝ore. Minél nagyobb mérték˝u a sérülés, annál rövidebb ideig tart. Megdöbbent˝o, hogy az energiamegmaradás sérülése úgy is megtörténhet, hogy a teljesen üres térb˝ol bukkan el˝o részecske. Ez egyrészt azzal sérti az energiamegmaradás tételét, hogy a részecskéknek tömege is lehet, és az E = mc2 összefüggésnek megfelel˝oen az energiatétel legalább ekkora mértékben sérül. Továbbá a kipattant részecskének lehet még mozgási energiája is, amely tovább növeli az energiamegmaradási tétel sérülését. Minél nagyobb a kipattanó részecske tömege, a fenti határozatlansági összefüggés értelmében annál rövidebb ideig létezhet. A térb˝ol csak úgy kipattanó részecskét van-nincs részecskének nevezhetjük. Létük közvetlen méréssel nem mutatható ki, de a megengedett igen rövid id˝on belül tényleg léteznek, hatásuk észlelhet˝o. Van-nincs részecskék mindenütt, mindenhol állandóan keletkeznek, majd elt˝unnek. Létezésük, állandó keletkezésük és elt˝unésük miatt az üres tér nem tekinthet˝o igazán üres térnek.
17
5.3.
Schrödinger-egyenlet
A kisvilágtan (kvantummechanika) alapegyenlete a Schrödinger-egyenlet, amely a hullámszer˝u viselkedést megadó függvénynek, az ún. hullámfüggvénynek az id˝obeli fejl˝odését adja meg. Például a hidrogénatomban lév˝o elektront az elektron hullámfüggvénye írja le. A hullámfüggvény komplex függvény, a komplex szó itt a matematikában értelmezett komplex számra utal. Valamennyi, a rendszert jellemz˝o értéket ki tudjuk számolni a rendszer hulllámfüggvényének segítségével. Viszont maga a hullámfüggvény nem feleltethet˝o meg fizikai mennyiségnek, nem mérhet˝o közvetlenül. Ha a komplex függvény által megadott atomot, atommagot és más kisvilágbeli rendszert jellemz˝o mennyiségeket, mint az energiát, perdület, a lendület és a helyet mérjük, csak ritkán kapunk meghatározott értéket. Ha adott fizikai mennyiség értékére vagyunk kíváncsiak, a hullámfüggvény csak azt határozza meg, hogy mik lesznek a lehetséges értékei, és melyik értékre milyen valószín˝uséggel számíthatunk. Méréskor az adott fizikai mennyiségre a lehetséges értékek közül bármelyik adódhat. Nem tudhatjuk el˝ore, mikor éppen mekkora lesz ez a mennyiség, ez igazi véletlen. Csak az egyes értékek mérésének valószín˝uségét határozza meg a hullámfüggvény. Például a hullámfüggvény a részecske pontos helyét nem tudja megadni, de a részecske egy adott pontban való tartózkodásának valószín˝usége a komplex érték˝u hullámfüggvény adott helyen felvett értékének négyzetével arányos. Ha egy molekula vagy atom állapotáról az adott pillanatban mindent tudok, amit tudhatok, ez a mindentudás akkor sem jelenti, hogy megmondhatnám, pontosan milyen mennyiségek jellemzik majd a következ˝o pillanatban. Egy gerjesztett állapotban lév˝o molekuláról nem mondható meg pontosan, mikor bomlik majd el, és a lehetséges végállapotok közül éppen melyikbe bomlik. A Schrödinger-egyenletb˝ol csak a gerjesztett állapot élettartamát vagy az ennek megfelel˝o, a határozatlansági összefüggés által megszabott energiabizonytalanságát számolhatjuk ki és azt, hogy a bomlás után melyik végállapotba mekkora valószín˝uséggel kerül a molekula. Csak akkor használható a Schrödinger-egyenlet a kisvilág jelenségeinek leírására, ha a részecskék sebessége viszonylag kicsi. Ha a sebességek összemérhet˝ok a fénysebességgel, akkor a relativisztikus tárgyaláshoz a négykiterjedés˝u térid˝oben megfogalmazott hullámegyenletet, a Dirac egyenletet kell használnunk. Atomszerkezet. Az atomszerkezet a kisvilágtan segítségével értelmezhet˝o. Most csak a hidrogénatom szerkezetével foglalkozunk. A hidrogénatom a közepén lév˝o hidrogén atommagból, ez épp a proton, és a körülötte lév˝o elektronból áll. Nem mondhatjuk azt, hogy az elektron a proton körül kering, mivel nincs pályája. Csak bizonyos meghatározott energiájú állapotokban lehet a hidrogénatom elektronja. Atommagot átölel˝o állóhullámhoz hasonlít a hullámfüggvénye. Minél er˝osebben kötött az elektron, a hullámfüggvénye annál közelebb van az atommaghoz. A legalacsonyabb energiájú, azaz a legjobban kötött állapot a hidrogénatom alapállapota. Az alapállapotban lév˝o elektron, ha olyan fotont nyel el, amelynek energiája éppen az alapállapot és egy magasabb energiájú állapot közötti energiakülönbségnek felel meg, akkor az elektron a magasabb energiájú pályára, gerjesztett állapotba kerül. Ha a hidrogénatom gerjesztett állapotban van, legerjeszt˝odik. Ekkor fotont bocsát ki, melynek energiája a gerjesztett állapot és az alapállapot energiája közötti különbséggel egyenl˝o. Alagúthatás - áthaladás falon. Képzeljük el a következ˝o esetet. A t˝uzhányó csúcsán, a bemélyedésben van egy golyó. Mivel magasan van, nagy a helyzeti energiája. Ha kijuthatna a bemélyedésb˝ol, a hegy lábáig gurulva nagy sebességre gyorsulhatna fel. De a newtoni törvények szerint a golyó magától semmiképpen sem juthat ki. Viszont a kisvilágban van esély az ilyen helyzet˝u részecske kiszabadulására. Vizsgáljuk meg a radioaktív α-bomlás esetét. Ekkor az atommag egy α-részecskét kibocsátva alakul másik atommaggá. Nem más az α-részecske, mint a két protonból és két neutronból álló hélium atommag. Bomlásra képes atommagban az α-részecske helyzete a bomlás el˝ott a bemélyedésben lév˝o golyó 18
állapotához hasonló. Ha az α-részecske az atommag belsejéb˝ol a perem felé tart, taszító er˝o u˝ zi vissza az atommag belsejébe. Csak akkor hagyhatja el az α-részecske az atommagot, ha átjut ezen a gáton. Kijutását, az α-bomlást az α-részecske hullámtermészete teszi lehet˝ové. Ha az α-részecske csak golyó lenne, a falig jutva onnan lepattanna és ide-oda pattogva bezárva maradna. De az α-részecske mint hullám, felülethez érve, nemcsak visszaver˝odhet, hanem belé is hatolhat. Akár a fény, mely részben visszaver˝odik a felületr˝ol, részben viszont behatol a felület anyagába. Ha ez a közeg vékony, a fény egy része átjut rajta. Akár a vékony tükrön áthatoló fényhullám, az α-részecske is áthatolhat a gáton. Mintha alagutat találna. Minél magasabb, szélesebb ez a gát, az áthatolás, azaz az α-bomlás valószín˝usége annál kisebb. 4,51 milliárd év az 238 U atommagjának bomlásának felezési ideje. Átlagosan ennyi id˝obe kerül, míg egy α-részecskének sikerül kijutnia az 238 U atommagjából.
5.4. Elemi részecskék Sok-sok egymástól különböz˝o test van a természetben. De ez a sokféleség néhány alapvet˝o részecske különféle csoportosulásának tulajdonítható. Kulcskérdés, mik az elemi részek. Eleminek a tovább már nem osztható, bels˝o szerkezet nélküli, bármely eddig elvégzett kísérletben pontszer˝uen viselked˝o részecskéket tartjuk. Bár az elemi részeket kiterjedés nélkülinek tekintjük, mégis lehet saját perdületük, amit spinnek neveznek. Általánosan, ez nem csak elemi részekre vonatkozik, egy részecske spinje a kisvilágtan szabályai szerint a megfelel˝o egységben csak feles vagy egész érték˝u lehet. A feles spin˝u részecskék neve fermion, az egész spin˝uek neve bozon. Fermion az elektron is. Egy adott pályán egyszerre csak egy elektron lehet. Ennek oka a Pauli elv, amely kimondja, hogy egy adott kisvilágtani állapotban egyszerre csak egy fermion lehet. Vannak olyan részecskék, amelyek spinje egész érték˝u, ezeket bozonoknak nevezzük. Bozonokra nem igaz a Pauli-elv, egy adott állapotban akárhány lehet közülük. Elemi részecskék osztályozása. Az atom egyik alkotórésze, az elektron elemi részecske, szerkezet nélküli, pontszer˝u. Atommagokat más atommagokkal bombázva fedezték fel, hogy az atommag pozitív töltés˝u protonokból és a körülbelül ugyanolyan tömeg˝u, elektromosan semleges neutronokból áll. Kés˝obb kiderült, hogy a proton és neutron sem elemi részecske, mivel véges a térbeli kiterjedésük és más összetettségre, szerkezetre utaló tulajdonságaik is vannak. Belsejüket, akárcsak az atom szerkezetét, ütköztetésekkel sikerült feltárni. Amikor nagyon nagy energiájú, azaz nagyon kis hullámhosszú elektronokkal ’fényképezik’ a protont és a neutront, lásd a 5.1. szakaszt, a kapott kép azt mutatja, hogy a proton pontszer˝unek vehet˝o, elektromosan töltött részecskéket tartalmaz. Ezeket kvarkoknak nevezik, a proton és neutron egyaránt három kvarkból áll. Tört töltés˝uek, az u kvark töltése a proton töltésének 2/3, a d kvark töltése -1/3 proton töltés. A proton két u és egy d, a neutron két d és egy u kvarkból áll. Szabadon kvarkok nem fordulhatnak el˝o. Ezt a tapasztalati tényt a kvarkok közötti kölcsönhatást vizsgálva lehet megérteni. Elfogadottá vált a hetvenes évekre, hogy csak kétféle, az anyag épít˝okövének vehet˝o elemi részecske létezik, a lepton és a kvark. A leptonok közé az elektron mellett még a neutrinó tartozik, de vannak náluk nehezebb leptonok. Lepton a korábban már említett müon is. A neutrinót az atommag β bomlásában fedezték fel. β bomláskor az atommag töltése eggyel változik, miközben a tömegszáma, ami a protonjai és neutronjai számának összegét adja, változatlan marad. Ennek során az atommag egy protonja neutronná, vagy egy neutronja protonná alakul át. A neutrinó töltés nélküli, nagyon jó közelítéssel fénysebességgel mozgó részecske. Tömege az elektron tömegének alig milliomod része lehet. Igen nehéz észrevenni, mert az anyaggal csak nagyon ritkán hat kölcsön. Egy köbcentiméterben minden pillanatban többszáz neutrinó van jelen, túlnyomó többségük észrevétlenül hatol át az anyagon. A világegyetem anyagának túlnyomó része elektronból, az ún. elektron-neutrinókból, u és d kvarkokból, illetve a bel˝olük felépül˝o protonok és neutronok által alkotott atommagokból áll. Ez a négy elemi részecske egy részecskecsaládhoz sorolható és ehhez hasonló két további részecskecsalád is létezik, lásd a 19
1. táblázatot. Hogy miért nem csak egy, hanem három ilyen család van, nem ismert. A második családhoz a teljesen elektronszer˝uen viselked˝o, de annál több mint kétszázszor nehezebb és bomlékony müon, a müon-neutrinó, a c kvark és s kvark tartozik. A harmadik család tagjai az elektronhoz és müonhoz hasonló, de azoknál jóval nehezebb és bomlékony tauon, a tau-neutrinó valamint a t és b kvark. Valamennyi olyan részecske bomlékony, melynek összetev˝o kvarkjai között a második vagy harmadik részecskecsaládhoz tartozó is van. elektron elektron-neutrinó müon müon-neutrinó tauon tau-neutrinó
-1 0 -1 0 -1 0
u d c s t b
2/3 -1/3 2/3 -1/3 2/3 -1/3
1. táblázat. Az anyagi épít˝oköveknek tekinthet˝o elemi részek táblázata. Els˝o oszlopban a leptonok, harmadik oszlopban a kvarkok találhatók. Második és negyedik oszlopban a részecskék elektromos töltését találjuk. Három részecskecsalád van, a vízszintes vonalak választják el o˝ ket egymástól. Elemi rész a kvarkokon és leptonokon kívül még a foton és néhány, hozzá hasonló, ám tömeggel is rendelkez˝o részecske. Ezek bozonok, a spinjük egységnyi és az alapvet˝o kölcsönhatásokban van szerepük, lásd kés˝obb. Ahogyan már a 5.1. részben tárgyaltuk, a foton az elektromágneses sugárzás adagja, továbbá az elektromágneses er˝otér közvetít˝oje. Vannak még más eleminek tartott részecskék is, az ún. skalár részecskék, ezek bozonok, a spinjük nulla. Ellenrészecskék. Az ellenrészecskék létezését a relativisztikus hullámegyenletek jósolták meg. Például az elektronra felírt Dirac-egyenlet az elektronnal egyébként teljesen azonos tulajdonságú, ám vele ellentétes töltés˝u részecskét, a pozitron létezését is megjósolta. Legtöbb részecskének van ellenrészecskéje, csak a töltésnélküliek között lehetnek ellenrészecske nélküliek. Részecske és ellenrészecske mindenben, tömegükben és másban is azonos, kivéve a töltéseiket, ezek ellentétesek. Az elektron ellenrészecskéje a pozitron, a kvark ellenrészecskéje az ellenkvark, a protoné az ellenproton, a neutroné az ellenneutron. Bár a neutron és ellenneutron elektromos töltése egyaránt nulla, egy másféle töltésükben ellentétesek, mert a neutron kvarkokból, az ellenneutron pedig ellenkvarkokból áll. e−
foton
foton e+
9. ábra. Ha e− elektron és e+ pozitron találkozik, mindketten megsemmisülnek. Energiájukat két ellentétes irányba repül˝o, egyenl˝o energiájú foton viszi el. Ha a részecske és ellenrészecskéje egymással találkoznak, megsemmisülnek és a tömegüknek megfelel˝o energia sugárzásként távozik. Például ha elektron és pozitron összetalálkoznak, mindkett˝o elt˝unik és a tömegüknek megfelel˝o energiát két akkor keletkez˝o foton viszi magával, lásd a 9. ábrát. Mivel részecskék és ellenrészecskék egymással találkozva megsemmisülhetnek, az anyag nem elpusztíthatatlan. Emiatt nincs anyagmegmaradás, hiszen például az elektron és pozitron megsemmisülésekor tömegek t˝unnek el. Hasonlóan, nagyenergiájú fotonok elektron-pozitron keltve veszíthetnek energiát. Csak az energia marad meg. Energiamérleget készítve viszont figyelembe kell venni az E = mc2 összefüggésnek megfelel˝o energiákat is, lásd a 3.1. rész végét.
20
Van-nincs részecske-ellenrészecske párok. Töltött részecske, például van-nincs elektron önmagában nem keletkezhet. Ekkor ugyanis megsérülne a töltésmegmaradás törvénye, mely semmilyen körülmények között, rövid id˝ore sem sérülhet meg. De ellenrészecskéjével párban bármelyik van-nincs részecske kipattanhat a térb˝ol. Ekkor az energia- és lendületmegmaradás tételén kívül más tétel nem sérül meg. Például a van-nincs elektron-pozitron, proton-ellenproton, stb. párok ezért mindig, mindenütt létezhetnek és befolyásolják az egyébként üresnek tekinthet˝o tér tulajdonságait. Barionok és mezonok. Mint már említettük, kvarkok szabadon nem fordulhatnak el˝o, csak részecskék belsejében. Erre két lehet˝oség van. Egyrészt hármasával vannak a protonok, neutronok és más, hozzájuk hasonló, náluk nehezebb részecskék, barionok belsejébe zárva. Másik lehet˝oség a két összetev˝ob˝ol, kvarkból és ellenkvarkból álló mezon. A protonnál nehezebb barionok és a mezonok bomlékonyak. Csak nagy energiájú ütközésekben keletkezhetnek és keletkezés után hamar el is bomlanak. Maga a neutron is bomlékony, átlagos életideje kb. 15 perc. Amint a müon és tauon is, a mezonok, valamint protonnál és neutronnál nehezebb barionok csak a világ˝urb˝ol érkez˝o nagyenergiájú sugárzásban vagy nagyon nagy energiájú gyorsítókban zajló ütközési folyamatokban keletkezhetnek.
6.
Alapvet˝o kölcsönhatások
Gondolnánk, hogy a természetben el˝oforduló bonyolult, sokszín˝u folyamatok mögött igencsak kifinomult kölcsönhatások állnak. De a világ jelenségeinek elképeszt˝o gazdagsága csupán néhány, valóban alapvet˝onek tekinthet˝o er˝o m˝uködésén nyugszik. Ismereteink szerint négy alapvet˝o kölcsönhatás létezik: gravitációs, elektromágneses, gyenge és er˝os kölcsönhatás. Legismertebb az els˝o, a tömegvonzási er˝o. Ami az elektromágneses kölcsönhatást illeti, ismertebb megnyilvánulásai a két töltött test között fellép˝o Coulomb vonzás vagy taszítás, valamint a mágnesesség. Mind a gravitációs, mind az elektromágneses er˝o nagyobb hatótávolságú. Ez a tömegvonzás esetén nyilvánvaló, a világmindenséget ez a kölcsönhatás kormányozza. Azonos a tömegvonzási és Coulomb er˝onek a kölcsönható részecskék távolságától való függése, az r távolsággal az 1/r 2 törvény szerint csökken˝o. Ám ha összehasonlítjuk két proton között fellép˝o Coulomb taszítást és tömegvonzási er˝ot, azt kapjuk, hogy a Coulomb taszítás 37 nagyságrenddel er˝osebb, mint a tömegvonzás. Ám a természetben az anyagok általában villamosan semlegesek, mert azonos mennyiség˝u pozitív és negatív töltést tartalmaznak. Mivel az atommagok pozitív és az elektronok negatív töltése leárnyékolja egymást, a Coulomb er˝o az atomok és molekulák belsejébe van zárva. Ezért nagyobb távolságokon csak a tömegvonzás játszik szerepet. Csak az atommag illetve annál kisebb méret˝u rendszerek viselkedését vezérli a gyenge és az er˝os kölcsönhatás. A protonok és neutronok között ható mager˝ok is az er˝os kölcsönhatás megnyilvánulásai, ezek az er˝ok tartják össze az atommagot. Nagyon kicsiny az atommagban uralkodó er˝ok hatótávolsága, nem haladja meg az atommag sugarát. Igazából az er˝os kölcsönhatás a kvarkok között ható er˝onek felel meg. A gyenge kölcsönhatás többek között az atommag β bomlásáért felel˝os. Van der Waals er˝ok. Valamennyi köznapi életben észlelt kölcsönhatás az alapvet˝onek vett tömegvonzási és Coulomb kölcsönhatásra vezethet˝o vissza. Utóbbira példa a semleges atomok és molekulák közötti fellép˝o Van de Waals er˝o. Nézzük két egymástól távolabb es˝o semleges atom, mondjuk két hidrogénatom viselkedését. Mivel a proton és elektron össztöltése nulla, a két hidrogénatom között ható er˝o nagyobb távolságokon elhanyagolható, mert a taszítások és vonzások leárnyékolják egymást. Ha a két atom egymás közelében van, az egyik atom elektronja már érezhet˝oen más távolságra kerülhet a másik atom elektronjától, mint annak protonjától, lásd a 10. ábrát. Ha egymáshoz elég közel jutnak, a két atom alkotórészei kölcsönösen érzékelik a másik szerkezetét. Emiatt gyenge, rövid hatótávú vonzó er˝o lép fel közöttük, amely a két atomot molekulává forrasztja össze. 21
+
−
−
+
−
+
+
−
10. ábra. Van der Waals er˝o. Ha két semleges atom egymás közelében van, akkor az atomokon belül lév˝o elektronok és atommagok s˝ur˝uségeloszlása már nem árnyékolja le tökéletesen egymást és a két semleges atom között gyenge, rövid hatótávú vonzó er˝o lép fel. Ilyen, úgynevezett Van der Waals er˝ok játszanak szerepet az atomi és molekuláris kötések, kölcsönhatások alakításában. Rövid hatótávú, vonzó er˝ok, amelyeket az eredeti Coulomb kölcsönhatásokból származtathatunk le. Ilyen, másodlagosnak nevezhet˝o, származtatott er˝ok más alapvet˝o er˝ob˝ol is eredeztethet˝o. Er˝ok eredete és bels˝o szimmetriák. Léteznek a mértani és relativisztikus szimmetriákon kívül elvontabban megfogalmazható szimmetriák is, ezeket az egyenlet bels˝o szimmetriáinak nevezzük. Nagyon sok bels˝o szimmetriája lehet egy egyenletnek. Ám a természettan alapegyenleteinek csupán néhány bels˝o szimmetriája lényeges és egyel˝ore még nem világos, miért éppen ezek a fontosak. Vegyük példának a szabad elektronok viselkedését leíró Dirac egyenletet. Követeljük meg, hogy a Dirac egyenlet alakja maradjon változatlan, ha a benne szerepl˝o hullámfüggvényen egy bizonyos egyszer˝u, bels˝o szimmetriának megfelel˝o matematikai átalakítást végzünk. Kiderül, ez csak akkor lehetséges, ha léteznek olyan terek, melyeknek viselkedését pontosan a Maxwell egyenletek írják le. Maga a teljes elektrodinamika, így a Coulomb kölcsönhatás alakja is azzal kapcsolatos, hogy a Dirac egyenlet alakja változatlan marad, ha egy bizonyos átalakítást végzünk rajta. Látható, a szimmetriák léte mennyire hatékony módszert ad a kezünkbe, mikre tehet képessé bennünket. Nemcsak az elektromágneses er˝ok tárgyalhatók bels˝o szimmetriákra alapozva. Másfajta, kissé bonyolultabb bels˝o szimmetriákon alapul a gyenge és er˝os kölcsönhatás valamint az ún. nagy egyesített elmélet megfogalmazása is. Hangsúlyozni kell, nem tudjuk, miért pont ezek a bels˝o szimmetriák a fontosak. Nem a legegyszer˝ubbek, van hozzájuk hasonló szimmetria b˝oséggel, de azok a természet leírásában nem játszanak szerepet. Továbbá meg kell mondani azt is, a szimmetriák, bár rögzítik az egyenletek, er˝otörvények alakját, nem mondanak semmit arról, miért éppen akkorák az elemi részek tömegei és a kölcsönhatások er˝osségei, mint amilyenek. Távol vagyunk attól, hogy tökéletes, befejezett, végs˝o elméletr˝ol beszélhessünk. Kvantumtérelméletek. Er˝ok, er˝oterek segítségével írjuk le a kölcsönhatásokat, legalább is az érzékelhet˝o méretekben. Például az elektromosan töltött részecskék közötti er˝oket elektromos er˝otérrel tárgyaljuk. Hasonlóképpen beszélhetünk mágneses, gravitációs er˝otér létezésér˝ol. Ám ha a kölcsönható részecskék csak nagyon rövid ideig lehetnek egymás közvetlen közelében, azaz nagyon gyorsan mozognak egymáshoz képest, akkor az er˝otérrel való tárgyalás nem kielégít˝o. Ekkor a kölcsönhatást a kvantumtérelmélet írja le. Az elektromágneses tér kvantumtérelmélete a kvantumelektrodinamika. Ha két részecske, mondjuk két elektron rugalmasan ütközik, mindkét elektronnak megváltozik a sebessége. A kvantumtérelmélet szerint a két elektron közötti kölcsönhatást egy van-nincs foton közvetíti, lásd a 11. ábrán. Az egyik elektron energiát ad át a közvetít˝o van-nincs fotonnak, ami ezt a másik elektronhoz továbbítja. Ha a két elektron mozgása egymáshoz képest nagyon gyors, azaz csak igen rövid ideig vannak egymás közelében, akkor elég, ha csak egyetlen közvetít˝o foton cseréjével számolunk. Ha a mozgás lassabb, két közvetít˝o fotonos folyamatokra is van id˝o. Minél lassabb az ütközés, annál több a közvetít˝o részecske. 22
e1
e2
virtuális foton
11. ábra. Két nagyon gyors elektron, jelölésük e1 és e2 , közvetít˝o részecske, egyetlen van-nincs (virtuális) foton segítségével kerül kölcsönhatásba egymással. Azaz az energiát és lendületet egy van-nincs foton viszi át egyik elektronról a másikra. Természetüket tekintve a kölcsönhatást közvetít˝o részecskék van-nincs részecskék. Már volt szó róluk az állapot élettartamának és energiabizonytalanságának kapcsolatát tárgyaló határozatlansági összefüggést ismertetve, lásd a 5.2. szakaszt. Az általunk jól ismert foton, amit fényként látunk, valódi részecske, valódi foton. Van-nincs részecske, így a van-nincs foton megjelenése is, az energia és lendület megmaradási tételek megsértésével jár együtt. Amint a van-nincs részecske elnyel˝odik, a megmaradási tételek sérülése megsz˝unik. Minél nagyobb a keletkezett van-nincs részecske energiája, annál rövidebb az élettartama. Ennélfogva minél kisebb a van-nincs részecske tömege, annál nagyobb az általa közvetített er˝o hatótávja. Ugyanis a nagy tömeg˝u van-nincs részecske felbukkanásához a tömegének nagysága miatt eleve több energia kell. Emiatt a nagy tömeg˝u van-nincs részecske csak rövidebb ideig létezhet, így csak rövidebb utat futhat be, ezért az általa közvetített er˝o is rövidebb hatótávú. Ha a közvetít˝o részecske tömege nulla, akkor az fénysebességgel mozog és az er˝o végtelen hatótávú lesz. Ha az ütközés nem túl gyors, akor a kvantumtérelméletet a hagyományos fizikából jól ismert er˝oteres leírás váltja fel. Er˝otérrel, az atommag és az elektronok között ható Coulomb er˝okkel tárgyaljuk az atomok viselkedését is, mert a kvantumelektrodinamikai hatások csak nagyon kis járulékot adnak a hidrogénatom Coulomb-er˝ovel számolt energiaszintjeihez. Figyelembe véve a kvantumelektrodinamikai járulékokat is, a számolt energiaszintek tíz értékes jegyig egyeznek a kísérleti értékekkel. Ez az egyezés az elméleti fizika egyik csúcsteljesítménye. Casimir-hatás. Meggy˝oz˝oen bizonyítja a van-nincs fotonok létezését a Casimir-hatás. Ismert az elektromosságtanból, hogy két fémlemez között csak olyan elektromágneses tér létezhet, amely a lemezeken elt˝unik, az a lemezen a térer˝osség nulla. Ezért a lemezek között a tér hullámainak nem lehet akármekkora a hullámhossza. Csak olyan hullámhossz fordulhat el˝o, amelyeknél a két lemezen a hullám kitérése nulla. Ezért a legnagyobb el˝oforduló hullámhossz a két párhuzamos lemez esetén a távolságuk kétszerese, ekkor éppen egy félhullámhossz van a lemezek között. Ennek a fele, harmada, negyede, stb. lesz a többi megengedett hullámhossz lásd a 12. ábrát. A lemezre es˝o és onnan visszaver˝od˝o foton a lendület megmaradásának értelmében lendületet ad át és ezzel er˝ot gyakorol a lemezre. Ez a jelenség jól ismert, a szabadon lebeg˝o tükör az általa visszavert fény hatására elmozdul. Mint hullám, a van-nincs foton úgy viselkedik, mint egy valódi foton, ugyanúgy rendelhet˝o hozzá hullámhossz. Ha a teljesen üres térbe két párhuzamos fémlemezt rakunk, ez megváltoztatja a térben kipattanó és elt˝un˝o van-nincs fotonok viselkedését, ugyanis a két lemez között csak a fent megadott hullámhosszú van-nincs foton keletkezhet. Mivel a lemezeken kívül lév˝o térben a van-nincs fotonok hullámhosszára nincs korlátozás, ezért a lemezekbe kívülr˝ol több van-nincs foton ütközik, mint belülr˝ol. Emiatt a fellép˝o er˝o a lemezeket össze felé nyomja. Kísérletileg is kimutatták ezt az er˝ot és nagysága éppen akkora, amekkorát Casimir, a jelenség felismer˝ojének kvantumelektrodinamikai számolása el˝orejelzett. Nemrég mutatták ki a már korábban megjósolt dinamikus Casimir jelenséget. Eszerint mozgó tükör esetén a van-nincs fotonok közül egyesek valóssá válnak, emiatt a teljesen üres sötét térben fényfelvillanások észlelhet˝ok.
23
" kívülrol bármilyen
hullámhossz is lehetséges
12. ábra. Casimir-hatás. Két fémlemez között csak olyan elektromágneses tér létezhet, mely elt˝unik a lemezeken, ez korlátozza, hogy milyen hullámhosszú fotonok lehetnek a lemezek között. Mivel a kívül keletkez˝o van-nincs fotonok hullámhosszaira nincs korlátozás, kintr˝ol több hullám ütközik a lemezeknek és ezek nyomóereje összefelé nyomja o˝ ket.
6.1. Er˝os kölcsönhatás Az er˝os kölcsönhatás kvantumtérelméletének kidolgozásához a kvantumelektrodinamikában használt módszer szolgált útmutatóul. Az alapvet˝o er˝os er˝ok a kvarkok között hatnak, ezek nagysága a kvarkok ’er˝os’ töltésével arányos. Így a kvarkoknak nemcsak elektromos töltése, hanem er˝os töltése is van. Utóbbit színtöltésnek szokás nevezni. A kvarkok er˝os kölcsönhatásait leíró kvantumtérelmélet a kvantumszíndinamika. Hasonlóan a Coulomb er˝ohöz, két színtöltés között ható er˝o a színtöltések szorzatával arányos. A leptonoknak nincs színtöltése, így köztük er˝os er˝ok nem hatnak. Sokkal er˝osebb a színes er˝o, mint az ugyanazon kvarkok között fellép˝o, elektromos töltéseknek megfelel˝o Coulomb er˝o. Szemben az egyfajta elektromos töltéssel, amin a pozitív töltést és ellentétét, a negatív töltést értjük, háromféle színes töltés létezik. Eredetileg ezt azért tételezték fel, mert olyan barionokat fedeztek fel, amelyek mindhárom kvarkja azonos és a kvarkok ugyanabban az állapotban vannak. Mivel a kvarkok fermionok, ez tiltott. Ezért tételezték fel, hogy a kvarkoknak lennie kell valamilyen, addig még ismeretlen tulajdonságának is, amelyben különbözhetnek. Ez a tulajdonság a szín, háromféle értékét önkényesen pirosnak (P), sárgának (S) és kéknek (K) nevezték el. Onnan ered az elnevezés, hogy a barionokban, így protonban illetve neutronban három, egymástól különböz˝o színtöltés˝u kvark fordul el˝o, úgy, hogy a barion ill. a proton és a neutron egészének színes töltése nulla, lásd a 13. ábrát. Ahogyan a fénytanban is a három alapszín keveréke adja ki a színtelen fényt, ez a párhuzam adta az ötletet, hogy az er˝os töltést színes töltésnek nevezzék el.
Piros
P
Kék
S
Sárga
K
13. ábra. Protonban illetve neutronban három, egymástól különböz˝o színtöltés˝u kvark fordul el˝o, ezért a proton és a neutron színtelen A kvarkok közötti színes kölcsönhatást a tömeg nélküli, gluonnak nevezett részecske közvetíti. A gluon a fotonhoz hasonlóan bozon. Mivel a gluonok is színesek, a kölcsönhatás a kvarkok színét is változtathatja. Két színes kvark között a vonzóer˝o távolságuk növekedésével növekszik. Durván úgy írható le a kvarkok közötti er˝o távolságfüggése, mintha rugók tartanák o˝ ket össze. Mennél jobban feszítjük a rugót, annál er˝osebb a visszahúzó er˝o. Így kvark nem szakadhat ki a protonból vagy neutronból, ezért nem láthatjuk szabadon. Ha küls˝o lökés hatására kiszakad, akkor más, akkor kialakuló mezon vagy barion kvarkjaként távozik. 24
A protonok és neutronok között fellép˝o mager˝ok nem alapvet˝o er˝ok. Viselkedésükben a semleges atomok között ható Van der Waals er˝okhöz hasonlítanak. Csak akkor lépnek m˝uködésbe, ha két proton, proton és neutron vagy két neutron annyira közel kerül egymáshoz, hogy összetev˝o kvarkjaik észrevehet˝oen érezhetik a szomszéd proton vagy neutron kvarkjainak térbeli eloszlását. Emiatt a mager˝o az er˝os kölcsönhatásból, a kvarkok között ható, gluonok közvetítette er˝okb˝ol származtatható le.
6.2.
Gyenge és elektrogyenge kölcsönhatás
A legismertebb gyenge kölcsönhatás által vezérelt folyamat az atommagok béta bomlása. Ha az atommag egy neutronja protonná bomlik, egy elektron és ellenneutrinó keletkezik, lásd a 14. ábrát. elektron
u
w
_
d antineutrino
14. ábra. Neutron protonná való bomlásakor a neutron belsejében egy d kvark u kvarkká alakul át. Eközben egy van-nincs W − bozon keletkezik ami elektronná és ellenneutrinóvá (antineutrinóvá) bomlik. Hasonlóképpen, az atommag belsejében a proton neutronná alakulhat át, miközben pozitron és neutrinó keletkezik. Így a béta bomlás során a proton vagy neutron egy kvarkja egy másik kvarkká alakul át, hiszen a proton és a neutron csak egyetlen kvarkban különbözik. A gyenge kölcsönhatást közvetít˝o részecskék a W + , W − és Z 0 részecskék, ezek a fotonhoz és a gluonhoz hasonlóan bozonok. Tömegeik igen nagyok, csaknem százszorosai a proton tömegének. Ezért a gyenge kölcsönhatás hatótávja igen rövid. A gyenge kölcsönhatás elmélete, akárcsak az elektromágneses és er˝os kölcsönhatások elmélete, szintén egy bels˝o szimmetriához köthet˝o. Alaposabb tanulmányozás után kiderült, hogy elektromágneses és gyenge folyamatok igencsak hasonlóak. Ugyan az er˝ohatást közvetít˝o részecskék tömege között nagyon nagy a különbség, de ha a két kölcsönható részecske elég közel kerül egymáshoz, nem számít, mekkora a közvetít˝o részecske tömege és a kölcsönhatás így is, úgy is lezajlik. Ezért ha a két kölcsönható részecske távolsága 10−16 centiméternél kisebb, az elektromágneses és gyenge kölcsönhatási folyamatok egyformákká válnak. Van-nincs fotonok, valamint a gyenge kölcsönhatást közvetít˝o nagy tömeg˝u van-nincs Z 0 bozonok egyforma könnyedséggel keletkeznek és cserél˝odnek. Ilyenkor az elektromágneses és gyenge kölcsönhatás helyett elég egyetlen, az ún. elektrogyenge kölcsönhatást tárgyalni. Ez a kölcsönhatás csak igen magas h˝omérsékleteken, nagyon nagy energiákon, a világegyetem fejl˝odésének egy igen korai szakaszán belül fontos, ekkor a kvarkok még gyakrabban kerülhettek 10−16 centiméteres vagy ennél is kisebb távolságra egymástól. Az elektromágneses és gyenge kölcsönhatás egyesítéséhez az elméleti fizikusoknak fel kellett tételezni az ún. Higgs-terek létezését. Ezekhez hasonló tér a mindennapi életben is létezik. Az elektrosztatikus tér akkor vehet˝o észre, ha potenciálkülönbségek vannak. Ha az egész világegyetem 220 voltos potenciálon lenne, senki sem venné észre létezését. Hasonló okoknál fogva nem észleljük a Higgs-tereket sem, s˝ot ezeket nehezebb észre venni, mint az elektromos potenciált, mert tulajdonságai az üresnek tekintett tér tulajdonságainak feleltethet˝ok meg. Ez a tér nem úgy üres, mint a bölcsel˝ok üres tere, ebben a fizikai térben létezik az elektron és a többi tömeggel rendelkez˝o részecske. Olyanféle a Higgs-tér a részecskék számára, mint halaknak a víz. Képzeljük el, megfigyelhet˝o a halak mozgása (a részecskék tulajdonságai), de nem látható, miben mozog a hal, mert senki sem látja a vizet. Csak azt észleljük, hogy egyik hal gyorsabb, mint a másik. Bár a tudós nem tudja, mi a víz, semmi nem látszik bel˝ole, de biztos abban, hogy víznek léteznie kell, különben nem tudná megmagyarázni, miként mozoghatnak a halak. A víz létének bizonyítékául a víz mozdulásának, fodrozódásának észlelése szolgálhatna. A Higgs-terek "fodrozódását", hasonlóan, mint az elektromágneses térnél a foton, a Higgs-tereknél 25
a tömeggel rendelkez˝o Higgs-részecske felbukkanása jelzi. A Higgs-részecske felfedezése az elektromágneses és gyenge kölcsönhatás egyesítéséhez szükséges Higgs-terek létét bizonyítja. Rávilágít arra, hogy az általunk eddig üresnek gondolt tér nem üres, vannak tulajdonságai. A Higgs-részecskének háromféle változata van, pozitív, negatív és semleges elektromos töltés˝u lehet. Felfedezésüket a CERN LHC (Large Hadron Collider) gyorsítónál 2012 nyarán jelentették be. A Higgsrészecske tömege a proton tömegének közel 133-szorosa. A tömeg nélküli részecskének, akárcsak a fotonnak a relativításelmélet szerint fénysebességgel kell mozognia. Az elektron és más leptonok, a kvarkok és valamennyi más elemi részecske tömege a Higgs-terekkel való kölcsönhatásból származtatható. Azért nincs a fotonnak tömege, mert nincs ilyen kölcsönhatása, és a tömeg nélküli foton fénysebességgel mozog. Felteszik, hogy a világegyetem fejl˝odésének legelején valamennyi részecske tömeg nélküli volt. A tömeggel rendelkez˝o részecskék a világegyetem kialakulásának igen kezdeti szakaszában, a Higgs-terekkel kölcsönhatva nyertek tömeget. Úgy képzelhetjük el a tömeget, hogy a Higgs-részecskékkel való kölcsönhatás tehetetlenebbé teszi, elnehezíti az addig fénysebességgel száguldó elemi részecskét.
6.3. Nagy egyesített elméletek A nagy egyesített elméletek kiindulópontja az, hogy az elektrogyenge valamint a kvantumszíndinamikai elméletek szerkezete igen hasonló. Lehetséges olyan modellt készíteni, amelyben az elektromágneses, gyenge és er˝os kölcsönhatási folyamatok egyetlen alapvet˝o kölcsönhatásként tárgyalható. Ez a leírás a kvarkot és a leptont egyetlen részecske két különböz˝o változataként fogja fel és új jelenséget, a kvarklepton átmenetek létezését is megjósolja. Két kvark kölcsönhatásának eredményeképpen egy lepton és egy ellenkvark is keletkezhet. A kölcsönhatás közvetít˝oje az ún. X-részecske, tömege a proton tömegének kb. 1016 -szorosa. A keletkezett ellenkvark a megmaradt kvarkkal mezonná egyesül, és így végül a proton leptonra és mezonra bomlik el. Ha ez a fajta kölcsönhatás létezik, akkor a proton sem örök, el fog bomlani. Az egyesített elmélet mindennek leírásához két további, a Higgs térhez hasonló tér létezését tételezi fel. A nagy egyesített elmélet a rendkívül kicsiny, körülbelül 10−29 centiméteres méreteken belül írja le a jelenségeket. Ez akkor válik lényegessé, ha a kölcsönható részecskék ilyen vagy ennél kisebb távolságra kerülnek egymáshoz. Akkor bomolhat el a proton, ha a protonon belül két kvark ennyire megközelíti egymást. Ennek a valószín˝usége roppant kicsiny, úgyhogy a proton elbomlásának lehet˝osége csaknem kizárható. Ilyen eseményt eddig nem sikerült megfigyelni, habár hatalmas kísérleti berendezéseket építettek és m˝uködtettek a proton bomlásának kimutatására. Mindeddig ugyan nem sikerült megfigyelni proton bomlását, de ez még nem bizonyítja, hogy a nagy egyesített elmélet alapfeltevése hibás lenne. Lehetséges, hogy a proton bomolhat, de annyira kicsiny a bomlás valószín˝usége, hogy a jelenlegi mér˝oberendezések alkalmatlanok kimutatására. A proton bomlásán kívül más, az egyesített elmélet által jósolt eredmény a jelen körülmények között nem ellen˝orizhet˝o. Ilyen vizsgálatokhoz a korai, az o˝ srobbanást követ˝o 10−40 − 10−35 másodpercben létez˝o, 10−30 − 10−25 cm átmér˝oj˝u világegyetem az egyetlen alkalmas hely. Ezért az egyesített elméletek ellen˝orzése a világegyetem kezdeti fejl˝odését leíró modellekb˝ol kapott eredmények és a világegyetem megfigyelhet˝o jellemz˝oinek összevetésével végezhet˝o el. A nagy egyesített elméletek a négy kölcsönhatás közül háromnak, az elektromágneses, er˝os és gyenge kölcsönhatások egyesített leírását adják meg. Kívül marad a kereten a negyedik, a gravitációs kölcsönhatás. Kvantumgravitáció. Amint tárgyaltuk, a térb˝ol nagyon kis id˝otartamra részecske-ellenrészecske párok pattanhatnak ki és ezek nagyon gyorsan elt˝unnek. Keletkezésüket a kisvilágtan törvényei szabályozzák, megfogalmazásukhoz feltételezik, hogy a térid˝o rögzített. Ha a kipattanó részecskék létezésének id˝otartama nagyon kicsiny, a kipattanó részecske tömege roppant nagy lehet. Viszont a kipattanó nagyon nagy
26
tömeg megváltoztatja maga körül a térid˝o szerkezetét, ezzel megváltozik a térid˝o görbülete, azaz érvénytelenné válik a rögzített térid˝oben megfogalmazott kisvilágtan (kvantummechanika). De a nagy tömeg kipattanásakor érvénytelenné válik az általános relativitáselmélet is, amely feltételezi, hogy a térid˝o görbületét meghatározó tömegek nagysága nagyon kicsiny id˝oszakokon belül nem változik túl gyorsan. Ennélfogva nagyon kicsiny id˝otartamokon és távolságokon belül a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet alapfeltevései kölcsönösen kizárják egymást, mindkét elméleti leírás az alapfogalmaival, a térrel és id˝ovel együtt alkalmazhatatlanná válik. Ezt a jellemz˝o nagyon kis távolságot rp = 1.62 ∗ 10−33 cm-t, melyen belül a tér fogalma bizonytalanná válik Planck hossznak, a megfelel˝o nagyon kis id˝ot, tp = c ∗ rp = 5.31 ∗ 10−44 másodpercet Planck id˝onek nevezik. Az ilyen nagyon kicsiny távolságok, Planck id˝o és hossz tartományában új fogalmak bevezetésére, törvényszer˝uségek felismerésésre volna szükség, amelyekkel egyesíteni lehetne a kvantummechanika és az általános relativitáselmélet nyújtotta leírásokat. Az ilyen egyesített elméletet kvantumgravitációnak nevezik. Eddig még nem dolgoztak ki megbízhatóan ellen˝orizhet˝o kvantumgravitációs elméletet. Ennek hiányában csak a Planck id˝o utánra van szilárdabb alapokon nyugvó leírásunk arról, mi történhetett kezdetben.
6.4.
Világegyetemünk fejl˝odésének hajtóereje
Nézzük meg, mit mond a természettan a magukat szervezni, fenntartani képes összetett rendszerekr˝ol. Vannak szigorúan érvényes természettörvények, ilyen az energia megmaradása, valamint más megmaradási tételek és csak olyan folyamatok játszódhatnak le, olyan rendszerek létezhetnek, amelyekre ezek teljesülnek. De hogy az alaptörvények által megengedett folyamatok közül ténylegesen melyek zajlhatnak le és milyen rendszerek jöhetnek létre, a h˝otan tételei szabályozzák. A világegyetem rendszerei a h˝otan által szabályzott kiegyenlít˝odési folyamatokban keletkeztek és keletkeznek. Ahogy múlik az id˝o, a különböz˝o helyek között fennálló h˝omérsékleti, nyomásbeli, feszültségbeli és más hasonló különbségeknek csökkenniük kell, egészen a teljes kiegyenlít˝odésig. Ezek a különbségek egyúttal helyzeti energiakülönbségeknek felelnek meg. A különbségek áramlások folyamán egyenlít˝odnek ki és ezek során munka végz˝odik. Eközben a teljes energia munkavégzésre alkalmas része csökken, mivel ez munkavégzésre már alkalmatlan energiává alakul át. Mindezt a h˝otan 2. f˝otétele úgy foglalja össze, hogy egy folyamat csak akkor mehet végbe, ha közben a munkavégzésre alkalmas energia részaránya csökken. Másképpen mondva, ha a munkavégzésre alkalmatlan energia részaránya, az entrópia n˝o. Bár a 2. f˝otétel teljes kiegyenlít˝odéshez, az energiakülönbségek elt˝unésére vezet, ez nem jelenti azt, hogy mindenhol egyszerre, fokozatosan kellene csökkenniük. Azok a folyamatok válnak gyakoribbá, amelyek gyorsabbá és teljesebbé teszik a kiegyenlít˝odést, azaz hamarabb használják el, szórják szét a munkavégzésre alkalmas energiát. Ezt az elvet a legnagyobb teljesítmény elvének is nevezik és sokszor mint a h˝otan 4. f˝otételét említik. Eszerint egy adott id˝opontban az a folyamat a legvalószín˝ubb, amely során a lehet˝o legtöbb munka végz˝odik. Végeredményben a h˝otan f˝otételei serkentik az olyan, összetettebbé fejl˝od˝o, energiában gazdag, energiafaló rendszerek szervez˝odését, növekedését és szaporodását, melyek felépülése és m˝uködése során több munka végz˝odik, mint más egyéb lehetséges folyamat lezajlásakor. Éppen azért jöhetnek, jönnek létre, hogy minél gyorsabban, mennél több munkavégzésre alkalmas energia használódhasson el. M˝uködésüket körfolyamataik, ezek összekapcsolódása teszi hatékonyabbá. Minél összetettebb a rendszer, kialakulásához és m˝uködéséhez annál több energiára lehet szükség. Még összetettebbé fejl˝odnek, ha ezzel több energiához juthatnak. Eközben emésztik a környezetüket, mert elragadják annak munkavégzésre alkalmas energiáit. Ezáltal a rendszer egészére teljesebb és gyorsabb lesz a kiegyenlít˝odés. Akkor lehet sikeres egy rendszer, ha maradéktalanul ki tudja használni a környezet energiaforrásait, de csak annyira, hogy azok megújulhassanak. Ha az összes munkavégzésre alkalmas energiát elhasználták, 27
összeomlanak. Energiafaló természetük miatt a teljes kiegyenlít˝odés jóval hamarabb lezajlik, mint nélkülük.
7. Kezdetek Roppant méretével és méltóságával a csillagos ég mindig is leny˝ugözte a felfelé tekint˝o embert. Évezredeken át adott és ad ma is munkát az égitestek, a csillagok és bolygók mozgásának vizsgálata, értelmezése. Kopernikusz óta tudhatjuk, a Föld nem tekinthet˝o a Mindenség középpontjának. Sokkal könnyebben leírhatjuk és megérthetjük a bolygók mozgását, ha feltételezzük, hogy a Nap tartja o˝ ket maga körül pályájukon. Newton felismerte, hogy az égi mozgások a tömegvonzási er˝ovel értelmezhet˝ok. Ezzel az er˝ovel tudjuk leírni a bolygók pályáinak tulajdonságait, és ez az er˝o hat az égbolt csillagai között is. Newton végtelen világegyeteme. Tudjuk, a tömegvonzás egyetemes, valamennyi tömeg között fellép˝o, ható er˝o, minden tömeg vonz minden más tömeget. Newton felismerte, hogy ebb˝ol a csillagos égre általános következtetéseket kell levonnunk. Newton elgondolkodott azon, milyen módon írható le a világegyetem egésze, ha a rendszert alakító, vezérl˝o er˝o a tömegvonzás. Miképpen érthet˝o meg az, hogy az égbolt csillagai egymáshoz képest mozdulatlannak látszanak, tehát a Mindenség állandó állapotú, idegen szóval sztatikus. Ugyanis a csillagászok az ókori megfigyelésekt˝ol fogva ilyennek látták az csillagos eget. (Most csak zárójelben jegyezzük meg, csupán 1929 óta tudjuk, hogy a világegyetem nem állandó állapotú.) Mivel a tömegvonzás valamennyi csillag között fellép, az égbolton álló csillagok mozdulatlansága Newton számára eleinte érthetetlen volt. Ha most állnának is, kölcsönös vonzásuk hatására meg kell kezdeniük az egymás felé való mozgást. Id˝ovel egyre közelebb kerülnek egymáshoz, végül pedig egymásba kellene zuhanniuk. Ezért a Mindenség állandónak látszó állapota magyarázatra szorul, amit Newton a következ˝oképpen adott meg. Azért nem mozognak egymás felé a csillagok, mert valamennyi csillagot minden egyes irányból egyenl˝o er˝o vonz. Egyetlen csillag sem mozdulhat el, mert mindegyiknek vannak szomszédos csillagai, amelyek ugyanakkora er˝ovel húzzák minden egyes irányba. Arra utal a csillagok mozdulatlansága, hogy az egyes csillagokra ható össz er˝o nagyjából nulla. Ez csak akkor lehetséges, ha az eget mindenhol, minden irányban egyenletesen töltik ki a csillagok. Ennek van egy meglehet˝osen súlyos következménye. Ha a fenti érvelés igaz, a csillagokkal egyenletesen betöltött égboltnak térben minden irányban végtelennek kell lennie. Sehol sem lehet széle, mert akkor a peremen lév˝o csillagokra csak befelé húzó er˝ok hatnának és elkezdenének befelé mozogni. Ezért el˝obb vagy utóbb a tömegvonzás valamennyi csillagot mozgásba hozná és egy id˝o után az összes csillag a világegyetem tömegközéppontjába zuhanna. Newton feltevése, a végtelen és állandó állapotú világmindenség hosszú évszázadokra a csillagászati tudás alaptételévé vált. Végtelen Mindenség és Olbers paradoxona. Bár a térben és id˝oben végtelen világmindenség gondolatát általánosan elfogadták, voltak arra utaló jelek, hogy az állandó, örök és végtelen Mindenség képzete ellentmondásokra vezethet. Hogyan is lehetne sötét az éjszakai égbolt, ha a végtelen sok csillag egyenletesen tölti ki a végtelen teret? Képzeljük el, egy rengeteg erd˝oben vagyunk. Bárhová nézünk, csak fát látunk. Ha egy kisebb erd˝oben nézünk körbe, akkor a fák között átlátva meglátnánk az erd˝o szélét. Olbers paradoxona err˝ol szól. Ha a Mindenség térben és id˝oben végtelen, és a világmindenségben a csillagok eloszlása egyenletes, a végtelen sok csillag fénye be kell hogy töltse a teljes látóteret. Ekkor az éjszakai égbolt bármely része úgy ragyogna, mint a Nap. Nem lehetne az égen fekete folt a rengeteg sok csillag miatt. Bárhová is néznénk, valahol messze, pont arrafelé is kellene lennie csillagnak. Olbers paradoxona akkor oldható fel, ha feltételezzük, a világegyetem térben véges, ezért az égboltot csak részben "fedik" le a csillagok. Továbbá a csillagok sem élnek örökké, keletkeznek és elmúlnak. Csak azokat látjuk, amelyek fénye eljuthat hozzánk. Például a csillag már kialudt és roppant messze van, de a fényl˝o korszakában kibocsátott fénye most jutott el hozzánk. 28
Ma már tudjuk, hogy a világegyetem csak egy véges térrészéb˝ol juthat el hozzánk a csillagok fénye. Továbbá a csillagok élete is véges, nem világíthatnak örökké. Ez utóbbi jó példa arra a nagyon általános elvre, hogy örök világegyetem és a benne folyamatosan létez˝o, megfordíthatatlan természeti folyamatok nem férnek össze. Egy örök világegyetemben a csillagok már végtelen id˝ovel ezel˝ott kialakultak és kiégtek volna. De világegyetemünk b˝ovelkedik megfordíthatatlan folyamatokban. Inkább egy egyszer felhúzott, lassan lejáró órára hasonlít. Azaz volt kezdete. Egészen a 20. század elejéig feltételezték, hogy a világegyetem a Tejútrendszerrel azonos és hogy a Naprendszer a Tejútrendszer központja. De a nagyobb távcsöveket felhasználó megfigyelések egyre pontosabb eredményekre vezettek. Kb. 1920-ra derült ki, hogy a Nap nincs a Tejútrendszer közepén. Amíg az égi távolságok mérése nem volt elég pontos, nem tudták eldönteni, hogy az egyes csillagködök a Tejútrendszerhez tartoznak-e vagy sem.
7.1. Égi távolságok mérése Viszonyításokon alapul az égi távolságok mérése, ennek során azonos valódi fényesség˝u csillagokat megfigyelve meg tudjuk mondani, hogy egymáshoz képest milyen távolságra vannak. Ahhoz, hogy pontos távolságokat tudjunk mondani, legalább néhány égitest távolságát igen pontosan meg kell tudni mérnünk. El˝oször a viszonyításon alapuló módszert ismertetjük, majd foglalkozunk az azonosnak mondható csillagok fajtáival. Fényesség és távolság. Az égi távolságok becslése a csillagok egymáshoz képesti fényességének meghatározásán alapul. Ha a csillagok mind azonos fényesség˝uek lennének, akkor a fényességükb˝ol pontosan meg tudnánk állapítani távolságukat. Minél messzebb van egy világító test, annál halványabbnak látjuk. Egy világító test látszólagos fényessége a test távolságának négyzetével fordítottan arányos. Gondoljunk arra, hogy teljes sötétségben mint határoznánk meg egy ég˝o gyertya távolságát. Kellene egy vele azonos, ám ismert távolságra fekv˝o ég˝o gyertya. Ennek fényét hasonlítjuk össze az ismeretlen távolságra lév˝o gyertya fényességével. Ha a távolabbi gyertya fényessége a közelebbinek századrésze, akkor a távolabbi gyertya tízszer akkora távolságra van, mint a közelebbi. Ezért ha a test valódi fényességét valahonnan ismerjük, akkor a látszólagos és valódi fényesség arányából a test távolságát pontosan meg tudjuk mondani. Távolságmérés égi háromszögekkel. A háromszögelés a földi térképészet jól ismert módszere. Ha az ismert hosszúságú szakasz két végér˝ol megmérjük, milyen szög alatt látszik t˝olük a távoli tárgy, akkor a háromszög három adatából - egy oldal és két szög - meghatározhatjuk az adott tárgy távolságát. Minél nagyobb az ismert távolság és mennél kisebb hibával mérjük a szögeket, a mért távolság annál pontosabb. Ezzel a Hold távolsága is megmérhet˝o, egy adott id˝opontban két távoli, kb. pár száz kilométerre lév˝o megfigyel˝o egyszerre méri meg, mekkora szög alatt látja a Hold közepét. Ha bolygó távolságát akarjuk meghatározni, akkor, mivel az jóval messzebb van, mint a Hold, a két megfigyel˝onek különböz˝o földrészekr˝ol kell egy id˝oben a bolygó szögállását megmérni. A Mars távolságát 1671-ben határozták meg. Egy megbeszélt éjszaka adott id˝opontjában a két megfigyelési pont Párizsban és a dél-amerikai Francia-Guyana területén volt. Még a közelebbi csillagok is nagyon messze vannak a háromszögeléses módszer számára. Ilyenkor a felhasznált ismert távolság a Föld Nap körüli pályájának átmér˝oje lehet. Adott csillag távolsága úgy határozható meg, hogy hathavonta megfigyeljük az égbolton való látszólagos elmozdulását. Azért láthatjuk máshol a csillagot, mert a Föld keringése miatt máshonnan, a Föld pályájának átellenes pontjáról nézzük o˝ ket. Ismerve a Föld pályájának átmér˝ojét, ami durván 17 fénypercnyi, a két észlelési szögb˝ol a háromszög összefüggéseit alkalmazva a csillag távolsága kiszámítható, lásd az 15. ábrát. A háromszögeléses módszerrel a 20. század végéig csupán néhány, nagyon közeli csillag távolságát sikerült pontosabban meghatározni. Ugyanis a légköri zavarok csökkentik a szögmérés pontosságát. Ám 29
15. ábra. Égi távolságmérés háromszögelés segítségével. Más szög alatt látjuk a csillagot, ha a Föld pályájának átellenes pontjáról nézzük. A Föld pályájának átmér˝ojéb˝ol és a két észlelési szögb˝ol a csillag távolsága kiszámítható. a 20. század végén, a HIPPARCOS m˝uhold felbocsátásával nagyot javult a helyzet, hiszen a világ˝urb˝ol végzett mérésekben a légköri bizonytalanságok nem zavarnak. Ezzel a m˝uholddal mintegy 100 ezer csillag távolságát mérték meg nagyon nagy pontossággal. Így is csak a Tejútrendszer csillagainak egy milliomod részére tudjuk a pontos távolságot megadni. Az így megmért csillagtávolságok átlaga kb. 1000 fényév. 2009 márciusában bocsátották fel a KEPLER m˝uholdat, hogy ugyanezen csillagok távolságát még pontosabban megmérhessék. Ezeket az adatokat arra lehet használni, hogy a világegyetem életkorát mind pontosabban határozhassuk meg. 2014 áprilisában közölték, hogy a Hubble u˝ rtávcs˝o a Föld pályájának két átellenes pontjáról hathavonta végzett méréseivel a t˝olünk 7500 fényévnyire lév˝o csillagok távolságát is képes nagy pontossággal meghatározni. Változó csillagok. A távolabbi csillagok távolságának meghatározásához méréshez hatalmas segítség az ún. változó csillagok megfigyelése. Ütemesen felfúvódó és összehúzódó test a változó csillag, a be- és kilégzés lüktetésére hasonlító csillagrezgést végez. A Nap is rezeg, csak ez nem felt˝un˝o, mert a vele járó változás kicsinyke. Akkor a legfényesebb a változó csillag, amikor összehúzódott. Leghalványabb, amikor burka a legnagyobbra tágul. Fényességük változásának ütemideje egy naptól ötven napig terjedhet. Valódi fényességük a Nap fényességének 300 és 26 ezerszerese körül mozog. Minél fényesebb egy változó csillag, annál lassabban változik. Ezt az összefüggést a 20. század elején a Kis Magellán felh˝oben található nagyszámú változócsillag megfigyelésekor vették észre. Ha a csillag rezgésére gondolunk, érthet˝o miért. Minél nagyobb egy rezg˝o test, annál hosszabb ideig tart, amíg egyet rezeg. Mint ahogyan a kutyaugatásából is meg tudjuk állapítani, kiskutya ugat-e vagy nagykutya. Egy kiskutya magas, nagy rezgésszámú, kis rezgésidej˝u hangon ugat, mert rövid a torka. Mély hangon, kis rezgésszámmal, nagy rezgésid˝ovel ugat a nagy kutya, mert hosszú a torka. Így értelmezhet˝o a változó csillag fényessége és rezgésideje közötti összefüggés is. Végeredményben a változó csillag valódi fényessége a rezgésid˝o mérésével meghatározható. Azután a csillag valódi és mért fényességének viszonyából a csillag távolsága kiszámítható. Egy csillagváros távolságát a benne látható változó csillagokat megfigyelve határozhatjuk meg. Egészen addig alkalmas a módszer csillagváros távolságának mérésére, amíg a távolabbi csillagváros változó csillagai még felismerhet˝oek. Egy változó csillag távolságának megadásához az is kell, hogy viszonyítási alapként legyen ismert távolságú, kb. ugyanolyan változó csillagunk. Ennek fényességét használva az összehasonlításhoz pontosabb távolságadathoz juthatunk. Ezért - gondoljunk a fenti példánkban a távolság kiszámításához szükséges ismert fényesség˝u és távolságú gyertyára - legalább néhány változó csillag távolságát pontosan kell ismerni. Egészen az 1980-as évekig nagyon kevés ilyen, viszonyításként használható változó csillagot ismertünk. Mára a HIPPARCOS, továbbá a Kepler m˝uhold háromszögel˝o mérései számos, t˝olünk ezer 1000 fényév távolságon belül lév˝o változó csillagnak mérték meg a pontos távolságát. Ezeknek köszönhet˝oen az égi távolságok meghatározása ma már szilárdabb alapon nyugszik. 2014-ben a Hubble-˝urtávcs˝o segítségével sikerült egy 7,5 ezer fényévre lév˝o változó csillag pontos 30
távolságát meghatározni és a közeljöv˝oben a 10 ezer fényéven belüli változók pontos távolságát is megmérhetjük. Várható, hogy a Hubble-˝urtávcs˝o segítségével tovább tudjuk pontosítani a világegyetemet jellemz˝o mennyiségek értékeit. Távolságok becslésekkel. Távolabbi, 30 millió fényévnél messzebb lév˝o csillagvárosok változó csillagai mai távcsöveinkkel már nem ismerhet˝ok fel. Ilyenkor a csillagváros méretéb˝ol és a csillagváros egészének fényességéb˝ol következtethetünk távolságukra. Minél kisebbnek látszik a csillagváros átmér˝oje és minél halványabb a fénye, annál messzebb van t˝olünk. Ez a módszer már kevésbé megbízható, ugyanis a csillagvárosok mérete és így fényessége is er˝osebben eltérhet az átlagostól. Ezért ezzel az eljárással a fényesebb csillagváros távolságát kisebbnek, a halványabb csillagváros távolságát nagyobbaknak mérjük. Távolságmérés Ia szupernóvákkal. Nemrég, a kilencvenes évtizedben sikerült új, megbízható távolságmérési módszert kidolgozni, amely az ún. Ia (1a) típusú szupernóva megfigyelésén alapul. Kés˝obb részletesen tárgyaljuk, a szupernóvák csillagok robbanásának felelnek meg. Ennek során a csillag fényessége id˝olegesen annyira megn˝o, hogy az a csillagot tartalmazó csillagváros fényét is elnyomhatja. Csak rövid ideig, néhány hétig tart a felfényesedés. Az Ia szupernóva a felfénylési idejének hosszával azonosítható, ez ugyanis a leghosszabb ideig fényl˝o szupernóva. Ismert az Ia szupernóva valódi fényessége, a látszólagos és valódi fényesség viszonyából pontosan meg tudjuk mérni a távolságot. Ezzel a módszerrel nagyon távoli, akár tízmilliárd fényévre lév˝o csillagvárosok távolsága is megmérhet˝o.
7.2. Színképek A világegyetemr˝ol tudottak forrása a hozzánk érkez˝o sugárzások. Korábban a Mindenséget csak a látható fény tartományában vizsgálhattuk. Ennek oka nemcsak az eszközök hiánya, hanem az is, hogy a Föld légköre a világ˝urb˝ol hozzánk érkez˝o sugárzások igen nagy részét elnyeli.
16. ábra. Bolygónk légkörének sugárzás-elnyelése mint a hullámhossz függvénye. Fel van tüntetve, adott hullámhosszat mely gázok molekulái nyelik el. A nagyobb energiájú ibolyántúli sugárzásokat az oxigén és ózon teljesen elnyeli. Jól látható a kb. 300-700 nanométeres sáv, ahol alig van elnyelés. Nem csoda, hogy ide esik a látható fény sávja. Efölött az infravörös tartományban a víz és a széndioxid elnyel˝o hatása tartja vissza a napsugárzást. Ezek a f˝o üvegházhatású gázok, lásd kés˝obb a 10.3. szakaszban. Bolygónk légköre a látható tartományon kívül alig ereszt át másfajta sugárzást, lásd a 16. ábrát. Korábban, a m˝uholdakra telepített m˝uszeres vizsgálatok el˝ott a mérések emiatt csak egy nagyon sz˝uk hullámhossz tartományra szorítkozhattak. Viszont a Mindenségben történtekr˝ol szinte minden hullámhossztartományból kaphatunk fontos adatokat. A m˝uholdakra telepített m˝uszerek az utóbbi két évtizedben nagyon sok
31
új adatot szolgáltattak és egyre több új adatot kapunk. Már csaknem a teljes elektromágneses színképben, a rádióhullámok, mikrohullámok, infravörös, ibolyántúli, röntgen és gamma sugárzás tartományaiban folynak m˝uholdas vizsgálatok. A Hubble u˝ rtávcs˝o pedig a látható tartományban ad nagyon pontos adatokat, hiszen az u˝ rbeli megfigyelést a légköri zavarok nem befolyásolják. Manapság kezdik a különböz˝o módon mért adathalmazokat egységes szempontok alapján rendszerezni, így az azonos égi térségekre másmás hullámhossz tartományokban mért adatok könnyen hozzáférhet˝ové válnak, nem kell o˝ ket különböz˝o adatbázisokban keresni. Csillagok színképe. Nem pusztán a csillag fényességét, hanem a csillagból kibocsátott fény összetételét, a csillag színképét is tanulmányozhatjuk. Mint a 2. részben tárgyaltuk, minél magasabb egy test h˝omérséklete, annál nagyobb energiákon, azaz magasabb rezgésszámokon sugároz. A test h˝omérséklete miatt kibocsátott sugárzás a szivárvány színeinek megfelel˝o színes sávokból álló folytonos színképet alkot és ez a színkép a sugárzást kibocsátó test h˝omérsékletének függvénye, lásd a 17. ábrát. Ezt az eloszlást h˝omérsékleti sugárzásnak nevezzük. Mind a tartomány helyzete, mind alakja függ a sugárzó test h˝omérsékletét˝ol. A csillag színét az határozza meg, melyik színtartományban a leger˝osebb a sugárzása. Minél magasabb a csillag h˝omérséklete, a csillag annál rövidebb hullámhosszakon sugároz. Sárga fény˝u Napunk h˝omérséklete kisebb, mint 6000 Kelvin, a hidegebben sugárzó csillagok vörösek, a melegebb csillagok fehérnek vagy kéknek látszanak.
17. ábra. Adott h˝omérséklet˝u test sugárzásának hullámhosszeloszlása, a 3000 Kelvin, 4000 Kelvin és 5000 Kelvin h˝omérséklet˝u testek sugárzásának színképei láthatók. A vízszintes tengelyen a nanométerben mért hullámhosszak, a függ˝oleges tengelyen az adott hullámhosszon kisugárzott energia van felmérve. 500 nanométer környékén a látható fény tartománya van feltüntetve. Ha színes az ábra, itt láthatjuk a szivárvány színeit.
Vonalkódszeru˝ mintázat színképekben. Ha behatóbban vizsgáljuk egy csillag színképét, a h˝omérsékleti sugárzásnak megfelel˝o folytonos eloszlásban fekete vonalak sokasága látszik. Mintázatuk jellege nagyon hasonló a vonalkódéhoz. Azért mutatkoznak vonalak a csillagok színképében, mert a csillag küls˝o burkát alkotó gázok bizonyos hullámhosszakon elnyelik a csillagfelszínr˝ol kisugárzott fényt. Azaz a színképben bizonyos hullámhosszak hiányoznak, ezeknek helyén látjuk a fekete vonalakat. Foton elnyelésekor egy atomi elektron az alacsonyabb energiájú atomi pályáról magasabb energiájú atom pályára gerjeszt˝odhet fel. Mivel az atomi pályák energiái csak meghatározott, pontos értékeket vehetnek fel, gerjesztéskor csak olyan fotont nyelhet el az atom, amelynek energiája éppen két atomi pálya közötti energiakülönbséggel egyenl˝o. Minden egyes atomban nagyszámú elektronpálya van és az elektronpályák energiái atomonként mások. Az atomi átmenetek energiái, és így az egyes atomok színképvonalainak helyzete atomonként más és más. Ezért egy atom színképében nagyon sok fekete vonalat észlelünk. Mivel a színképet jellemz˝o vonalas mintázat az atomra jellemz˝o, a csillag színképének vonalas mintázatát tanulmányozva azonosíthatjuk a csillagban lév˝o kémiai elemeket. 32
18. ábra. Nap színképe a 3900-4000 Angström közötti hullámhosszak tartományában. El˝oször a Nap színképét tanulmányozták alaposabban, egy kis részletét lásd a 18. ábrán. Majd a Nap színképét a csillagok színképével összehasonlítva megállapították, hogy a Napban és a csillagokban ugyanazok az elemek találhatók. Anyaguk túlnyomórészt hidrogénb˝ol és héliumból áll. Ráadásul az egyes elemekre vonatkozó színképvonalak viszonylagos er˝osségéb˝ol azt is meg lehet állapítani, hogy a csillag felszínén található gázok milyen arányban vannak ott jelen. Színképvonalak eltolódása. Ha a hullámforrás mozog, a megfigyel˝ot˝ol távolodik, vagy ahhoz közeledik, akkor az általa sugárzott fény hullámhossza a megfigyel˝o számára más lesz, azaz máshol látja a színképvonalakat. Ha a fényforrás távolodik, a hullámhossz megnyúlik, azaz a színképvonalak hullámhossza növekszik, ekkor a fény színe a vörös szín felé tolódik el. Ha a fényforrás közeledik, akkor a színképvonalak hullámhossza csökken, ekkor a fény színe a kék felé csúszik. Azaz ha a csillag felénk tart, kékeltolódást, ha távolodik, vöröseltolódást észlelünk. A színképvonalak eltolódásának mértékéb˝ol kiszámolható, hogy a fényforrás mekkora sebességgel mozog. Azaz a vonaleltolódás mértékéb˝ol meg tudjuk határozni a csillag távolodásának a sebességét. Ha egy csillagváros forog, akkor a forgás közben felénk mozgó részét kékebbnek, a t˝olünk távolodó részét vörösebbnek látjuk. Ebb˝ol meghatározhatjuk a csillagváros forgásának sebességét. Kett˝os csillagok esetén - ahol két csillag egymás körül kering - a két csillag színképvonalainak eltolódásából meghatározhatjuk a keringési sebességet. Ez utóbbi adatból meg tudjuk állapítani a kett˝os csillagot alkotó két csillag tömegének arányát.
˝ 7.3. Osrobbanás Edwin Hubble 1923-1924-es megfigyelései minden kétséget kizáróan meger˝osítették, hogy a korábban megfigyelt, a Tejútrendszer részeinek tartott csillagködök nem részei a galaxisunknak, hanem Tejútrendszeren kívüli galaxisokat alkotnak. Hubble anyagösszetételük, távolságuk, méretük és fényességük szerint osztályozta o˝ ket. 1929-re Hubble pontosabb mérései igazolták, hogy a csillagvárosok színképe vöröseltolódást mutat, ami azt jelenti, hogy távolodnak t˝olünk. Csillagvárosonként más és más lehet a vöröseltolódás mértéke. Minél halványabb egy csillagváros fényessége, azaz minél távolabb van a csillagváros, annál inkább a vörös felé tolódnak el a színképvonalai, lásd a 19. ábrát. Hubble törvénye szerint a csillagvárosok távolodásának v sebessége a t˝olünk való r távolsággal egyenesen arányos, v = Hr ahol H a Hubble állandó, lásd az 20. ábrán. Hubble felfedezése azzal magyarázható, hogy a Mindenség tágul. Nehéz elképzelnünk a Mindenség tágulását. Nincs kiindulópontja, azaz nincs olyan rögzített háttér, amihez képest a tágulást leírhatnánk. Nem létezik a ’tovább’ amibe a világegyetem tágulhatna. Ugyan világunk tágulását nem tudjuk elképzelni, de a kétdimenziós eset, a felület hasonló viselkedése segíthet a 33
19. ábra. Nátrium színképvonalainak helyzete a 400-700 mikron közötti tartományban a Nap, lásd legalul, és különböz˝o sebesség˝u, egyre messzebb lév˝o, ezért kisebbnek látszó csillagvárosok színképében. Bár a Nap és a csillagvárosok anyaga túlnyomórészt hidrogénb˝ol és héliumból áll, van bennük kevés nátrium is. Annál kisebbnek látszik a csillagváros, minél messzebb van. Látható, minél messzebb van egy csillagváros, annál jelent˝osebb a nagyobb hullámhosszak, azaz a vörös felé való vonaleltolódás. A színképvonalak eltolódásából a csillagvárosok távolodási sebessége kiszámítható.
20. ábra. A Hubble-törvény: a csillagvárosok távolodási sebessége távolságukkal arányos. A függ˝oleges tengelyre a sebesség, a vízszintes tengelyre a távolság van felmérve. Az egyes pontok a különböz˝o csillagvárosokra mért értékek, az egyenest a mért pontokhoz illesztve kapták meg. megértésben. Ekkor a következ˝o szemléletes képpel írhatjuk le a csillagvárosok megfigyelt viselkedésének és a tágulásnak a kapcsolatát. Képzeljük magunkat felfúvódó léggömb felszínére. Ennek felülete táguló, kétkiterjedés˝u világnak feleltethet˝o meg. Gondoljuk el, a gömb felszínén pöttyök vannak. Észleljük, minden egyes pötty, ami a gömb felszínén van, távolodik t˝olünk. Annál nagyobb a távolodási sebesség, minél messzebb van t˝olünk a megfigyelt pötty. Bár a szomszédságunkban lév˝o pöttyök is mind messzebb kerülnek, de legjobban, legnagyobb sebességgel a léggömb legtávolabbi, átellenes pontján lév˝o pötty távolodik t˝olünk. Hasonlóan, a világegyetem tágulása esetén sem beszélhetünk központról, arról sem, mibe tágul a világegyetem, hol van a széle. Tágulását a fentihez hasonlóan inkább úgy képzelhetjük el, mintha egy négykiterjedés˝u gömb háromkiterjedés˝u felületén lennénk. De a mindennapokhoz idomult elménk ennek elképzelésére nem képes. Ha a világegyetem tágul, akkor régebben a csillagvárosok közelebb voltak egymáshoz. A H Hubbleállandó mért értéke annak felel meg, hogy jelenleg a világtér egymillió fényéves szakaszára kb. 20,8 kilométer/másodperc tágulást mérhetünk. Ebb˝ol adódik, hogy a világegyetem életkora 13,8±0, 037 milliárd év. Megmutatták az általános relativitás elméletéb˝ol, hogy az ilyen táguló világegyetemhez szükségszer˝uen egy kezdeti rendkívül kicsiny, csaknem pontszer˝unek vehet˝o állapot tartozik. Ennyib˝ol lett a mai világegyetem, amely azóta is tágul. Ez a kép az o˝ srobbanás modelljének alapja. Maga a tér tágul. Látható, a világegyetem tágulása összhangban van Einstein általános relativitáselméletének jóslatával, miszerint a világegyetem csak kétféle módon létezhet, vagy tágul, vagy össze felé húzódik. Világegyetemünk tágul. Nem történt robbanás kezdetben, nem ez az oka a csillagvárosok távolodásának. 34
Inkább azt kell mondanunk, hogy maga a tér tágul, dagad. Ennek következményeképpen a térben lév˝o tárgyak is távolabb kerülnek egymástól. Mondhatjuk, hogy a csillagvárosokat a táguló tér sodorja magával. Világegyetemünk a kelésben lév˝o mazsolás tésztához hasonlítható. Miközben a tészta dagad, a mazsolaszemek is távolodnak egymástól. Annál gyorsabban, minél nagyobb közöttük a távolság. Csak nagy méretekben vehetjük észre a tér tágulását. Ezt az általános relativitás elméletének segítségével a következ˝oképpen érthet˝o meg. Einstein egyenletei akkor adják a tágulást megoldásként, ha a világegyetemre egyenletes s˝ur˝uségeloszlást tételezünk fel. De a világegyetem nem teljesen egyenletes anyageloszlású, ám ha kiátlagoljuk az egyenetlenségeket, kb. 300 millió fényévnyi él˝u kockákra osztva fel, akkor ilyen léptékben a világegyetem anyageloszlása már valóban egyenletesnek, simának vehet˝o. Kisebb léptékben viszont egyenetlenségek, csomósodások vannak. Nagyobb csomókon belül még kisebb csomósodások találhatók, mint csillagrendszerek halmazai, csillagrendszerek, csillagok, naprendszerek, bolygók. A csomósodások okozta térid˝ogörbület, lásd a 3.2.1. szakaszt, tömegvonzás fellépésére vezet. Ennélfogva az Einstein-egyenletek általános megoldását vizsgálva nagy léptékben a világegyetem tágulása, a csomósodó tartományokon belül viszont a helyi térid˝ogörbületnek megfelel˝o tömegvonzás hatása a meghatározó. Azaz a világegyetem térid˝ogörbülete nagy méretekben a tágulásra, kisebb méretekben tömegvonzásra vezet. A fellép˝o tömegvonzás lassítja a tágulást. Az o˝ srobbanás elmélete nem csupán a csillagvárosok mérhet˝o távolodásán alapul. Ha a világegyetem valaha nagyon kicsiny volt, akkor erre másféle bizonyítékok is utalhatnak. Ilyenek vannak, az o˝ srobbanás megtörténtét a következ˝o megfigyelések is igazolják. Kozmikus háttérsugárzás. Amint a 17. ábrán bemutattuk, a testek, mivel van h˝omérsékletük, sugárzást bocsátanak ki. Annál nagyobb hullámhosszú a h˝omérsékleti sugárzás, minél kisebb a sugárzó test h˝omérséklete. Ha a csillagok színképében mérjük a különböz˝o hullámhosszú sugárzások er˝osségének eloszlását, ebb˝ol meghatározható a csillag felszínének h˝omérséklete. Penzias és Wilson 1964-ben fedezte fel, hogy a világ˝ur egészéb˝ol mikrohullámú h˝omérsékleti sugárzás érkezik. Id˝oben változatlan és az égboltról mindenfel˝ol jön. Színképe és a h˝osugárzás er˝ossége minden irányból azonos. Ezért kozmikus háttérsugárzásnak nevezik. Hullámhosszai olyanok, mintha azokat egy 2.72548±0.00057 Kelvin h˝omérséklet˝u test bocsátaná ki, a ±0.00057 jelölés a meghatározás hibáját adja meg. Maga a teljes világegyetem viselkedik 2.72548 Kelvinen sugárzó testként. Ahogyan a világegyetem tágul, h˝omérséklete folyamatosan csökken. Kétszer akkora távolságokkal jellemzett világegyetemben a h˝omérséklet felényi. Azaz korábban, a kisebb világegyetemben a h˝omérséklet magasabb. Visszafelé menve az id˝oben eljutunk addig a korszakig, amikor a Mindenség még egészen forró. Azóta, az o˝ srobbanás óta, az id˝o teltével világegyetemünk úgy viselkedik, mint a kih˝ul˝oben lév˝o kályha. Világegyetemünk h˝ulését a tágulás a következ˝oképpen magyarázza. Kezdetben, amikor a mindenség h˝omérséklete igen magas volt, terét nagyenergiájú, ennek megfelel˝oen kicsiny hullámhosszú fotonok töltötték ki. Ahogy a világegyetem tere tágult, a hullámhegyek és völgyek közötti hosszak is növekedtek, azaz a fotonok hullámhossza a tér dagadásával n˝ott. Kisebb a hosszabb hullámhosszú fotonok energiája, emiatt a sugárzási tér h˝omérséklete is alacsonyabb. Mostanára a világegyetem tágulásával a fotonok hullámhosszai annyira megn˝ottek, hogy a háttérsugárzás 2.72548 Kelvin fokos h˝omérsékletre h˝ult. Életkor, méretek, h˝omérséklet. Ismeretes a mérésekb˝ol, mekkora most a Mindenség tágulásának sebessége, a csillagvárosok átlagos távolsága és a világegyetem h˝omérséklete. Véve a tágulás és h˝ulés viszonyát, ki tudjuk számolni, korábban mekkora volt a világegyetem és milyen nagy volt a h˝omérséklete. Így a Mindenség mérete, h˝omérséklete, életkora egymásból számítható mennyiségek. Mivel a h˝omérséklet egyúttal megszabja a részecskék átlagos mozgási sebességét is, ezáltal meghatározható, a világegyetem története során mikor milyen rendszerek létezhettek. Tanulmányozhatjuk a világegyetemben korábban létezett állapotokat is, ugyanis a nagy vöröseltolódású csillagrendszerekr˝ol érkez˝o fény az akkori, akár több milliárd évvel ezel˝otti helyzetr˝ol tudósítanak. 35
Kezdetben a Mindenség pozitív energiájának nagyobb részét a sugárzási tér tartalmazta. Mára, a tágulás mértékének megfelel˝oen a sugárzási tér energiája elhanyagolható a tömegek jelentette mc2 pozitív energiákhoz képest. Anyagösszetétel. Tudjuk a világ˝urb˝ol érkez˝o sugárzások színképvonalainak tanulmányozásából, hogy a csillagközi anyag és a kialakuló csillagok anyagának f˝o összetev˝oi a hidrogén és a hélium. Más, nehezebb atom igen kevés van, ezek, majd tárgyalni fogjuk, csak a csillagok belsejében alakulhatnak ki. Bármerre nézünk is a világmindenségben, a Nap, a csillagok, a csillagközi gázok és a csillagvárosok anyagát tanulmányozva azt kapjuk, hogy az anyag kb. 1/4 része hélium, 3/4 része hidrogén. Héliumot termel˝o atommagfolyamatok csak nagyon magas h˝omérsékleten indulhatnak be. Ez a h˝omérséklet annyira magas, hogy a magfolyamatok ma csak a csillagok belsejében mehetnek végbe. Emiatt a mindenfelé azonosnak mérhet˝o tömegarány a legegyszer˝ubben úgy magyarázható, hogy valaha a teljes világegyetem a maga egészében igen magas h˝omérséklet˝u volt és a forró, kis térfogatú világegyetemben a hélium kialakulás azonos feltételek mellett, egy id˝oben zajlott. Az égitestek életkora jó pontossággal meghatározható a bennük el˝oforduló radioaktív elemek, els˝osorban az U 238 segítségével. Innen tudjuk, hogy a legöregebb csillagok kora 10-12 milliárd esztend˝o, ami összhangban van azzal, hogy világegyetemünk kora 13,8 milliárd év. Az o˝ srobbanás elmélete a mai asztrofizika, asztronómia alapmodellje. A kutatók túlnyomó többsége ebben az alaprendszerben fogalmazza meg kérdéseit, ezen belül értelmezi a kísérletek eredményeit. Manapság a Hubble u˝ rtávcs˝o és a többi, m˝uholdra telepített mér˝oberendezés segítségével egyre pontosabb adatokhoz juthatunk. Ezek a folyamatosan érkez˝o eredmények meger˝osítik az o˝ srobbanás elméletének hitelét. Másféle magyarázatok jelenleg nem jelentenek versenytársat az o˝ srobbanás elmélete számára, amely alapvet˝o tudásunk részévé vált.
7.4. Táguló világegyetem jöv˝oje Felmerül az a kérdés, meddig folytatódik a tágulás. Ugyanis a fellép˝o tömegvonzás fékezi a tágulást, csökkenti annak sebességét. Ha a tágulás sebessége fékez˝odik, elképzelhet˝o, hogy a lassító er˝o hatására a tágulás sebessége egy id˝o után nullára csökken. Ekkor viszont a folyamat megfordul és megindul az összehúzódás. Ennek során a Mindenség a tömegvonzás hatására összeroppan, annyira, hogy a gyorsuló zsugorodás végeredményeként egy pontba zuhan. Attól függ a lassító er˝o, a tömegvonzás nagysága, hogy mekkora tömegek között lép fel. Eszerint a világegyetem jöv˝ojét az határozza meg, mekkora a tömege. Ismerve a tágulás sebességét, ki tudjuk számolni, milyen nagynak kellene lennie a világegyetemben lév˝o tömegeknek, hogy ezek vonzó hatása a tágulást még éppen ne állítsa le. A világegyetem ilyen módon számolt össztömegét nevezzük a világegyetem kritikus tömegének. E kritikus tömegnek megfelel˝o kritikus atoms˝ur˝uség most 5 hidrogénatom/köbméter. A világegyetem tényleges és kritikus s˝ur˝uségének hányadosára az Ω jelölést használjuk. Ha a világegyetem tömege ennél a kritikus tömegnél kisebb, azaz Ω < 1, akkor a szétrepül˝o tömegek kicsik ahhoz, hogy a közöttük m˝uköd˝o, a kölcsönható tömegek szorzatával arányos er˝o meg tudja fékezni a tágulást. Ha az össztömeg a kritikus tömegnél nagyobb, azaz Ω > 1, akkor a már elég nagy tömegvonzási er˝ok egy id˝o után lefékezik a tágulást. Amint a tágulás megáll, a tömegvonzás hatására beindul az összehúzódás. Ha az össztömeg épp a kritikus tömeggel egyenl˝o, azaz Ω = 1, akkor a tágulás a végtelenségig folytatódik, de sebessége nullához tart. Ezt a háromféle lehet˝oséget két csillagváros átlagos távolságának változásával is szemléltethetjük. Ha Ω < 1, a csillagvárosok egymástól való távolsága állandóan n˝o. Ekkor beszélünk nyílt világegyetemr˝ol. Ha Ω > 1, akkor ez a távolság egy adott legnagyobb érték elérése után csökkenni kezd és id˝ovel elt˝unik. Ekkor a világegyetemet zártnak nevezik. Ha Ω = 1, a két csillagváros távolsága ugyan növekszik, de egy
36
állandó értékhez tart, ez a sík világegyetem esete. Nyílt világegyetem esetén a tér mértanát az ún. BolyaiLobacsevszkij féle mértan írja le. Ilyen térben a háromszögek szögeinek összege kisebb, mint 180 fok. A zárt világegyetem mértana az ún. gömbi mértan. Ekkor a háromszög szögeinek összege nagyobb, mint 180 fok. A sík világegyetem mértana a mindenki által ismert euklideszi mértan, ahol a háromszög szögeinek összege 180 fok. Sötét anyag. Ahogy tárgyaltuk, a világegyetem jöv˝ojét az határozza meg, mekkora a világegyetem tömege. Ez a tömeg az adatok szerint nem térhet el túlságosan a kritikus tömegt˝ol. Világegyetemünk szerkezetének tanulmányozása arra utal, hogy ez a mértan a sík világegyetem mértanának, az euklideszi mértannak felel meg. Ekkor viszont tömege a kritikus tömeggel kell, hogy egyenl˝o legyen, azaz a Mindenségünkre Ω = 1. Kérdés hogyan mérhet˝o meg a világegyetem tömege. Feltételezzük, - ez a megfigyelések szerint nagyon jól teljesül-, hogy a csillagvárosok nagyjából egyenletesen töltik ki az égboltot. Egy adott, nagyon kis térszögben megszámlálhatjuk a benne látható csillagvárosokat. Ezután a térszög nagyságából meg tudjuk mondani, körülbelül hány csillagváros található a világegyetemben. Hasonlóképpen meg tudjuk határozni egy átlagos csillagváros csillagainak számát is. Ezután, ismerve egy átlagos csillag tömegét, meg tudjuk adni a világegyetem teljes tömegét. Napunk tömege Kepler törvényeib˝ol meghatározható, ha ismerjük a Föld tömegét. Földünk tömege a g nehézségi gyorsulásból és a Föld sugarából számolható ki. Méréseink szerint a világegyetem látható, a fenti módszerrel meghatározott tömege a kritikus tömegnek csupán töredékét, kb. 0,5%-át fedezik. Számításba véve a nem látható, mert kialudt és egyéb csillagokban lév˝o anyagot, amely els˝osorban atomokból vagy plazmából áll, az atomos tömeg a kritikus tömeg 4,9%-át teszi ki. Ez azt jelenti, hogy a világegyetem anyags˝ur˝usége 0,25 hidrogénatom/köbméter. Tejútrendszerünk, az Androméda-köd és más csillagvárosok csillagai az adott csillagrendszer központja körül keringenek. Ez a keringés hasonló ahhoz, ahogyan a bolygók keringenek a Nap körül. De a csillagvárosok keringését nem írhatjuk le az ismert anyag tömegvonzásának a segítségével. Csak úgy kaphatjuk meg a csillagrendszerben kering˝o csillagok sebességét, ha feltesszük, hogy a korong alakú csillagrendszer összes ismert anyaga a csillagrendszert körülvev˝o hatalmas, ismeretlen állapotú anyagfelh˝obe van beágyazva. Ezt az ismeretlen állapotú anyagot sötét anyagnak nevezzük. Feltételezések szerint ez a sötét anyag burokszer˝uen veszi körül a csillagvárosokat, lásd a 21. ábrát. S˝ur˝usége a csillagváros közepe felé kell, hogy s˝ur˝usödjön, akárcsak a látható anyag s˝ur˝usége. Bár a sötét anyag az elektromágneses kölcsönhatásban nem vesz részt, a részecske-antirészecske megsemmisülési folyamatokban, lásd a 5.4. fejezetet, a sötét anyag megsemmisülésekor is fotonok vihetik el a felszabaduló energiát.
21. ábra. A kép közepén látható fényl˝o csillagváros ismeretlen állapotú anyagfelh˝obe van ágyazva. Ezt az ismeretlen állapotú anyagot sötét anyagnak nevezzük. Feltehet˝oen a sötét anyag burokszer˝uen veszi körül a csillagvárosokat. Hogy ténylegesen mi a sötét anyag, napjaink kozmológiájának talán legizgalmasabb kérdése, mivel a megfigyelések arra utalnak, hogy a világegyetem tömegének nagyobb része valamilyen más, általunk még 37
nem ismert alakban létezik. Újabb adatok szerint a neutrínók a világegyetem kritikus tömegének kevesebb mint 1%-át teszik ki. Meghatározható, hogy a csillagvárosokban lév˝o sötét anyag, amely esetleg nagyon halvány csillagok sokaságából és eddig még közvetlenül nem észlelt részecskékb˝ol állhat, a kritikus tömeg 26,8%-át adja ki. Összegezve az ismert és a sötét anyag mennyiségét, a viilágegyetemre az Ω = 0, 317 értéket kapjuk. Ám a világegyetem mértana más mérések szerint nem az ennek az értéknek megfelel˝o Bolyai-Lobacsevszkij féle geometria, hanem az euklideszi mértan. Sötét energia. Újabb fejtörésre adnak okot az Ia szupernóvák megfigyelésével mért távolságok, mert az adatok szerint a távoli csillagvárosok jóval messzebb vannak, mint ahogyan eddig vélték. Eddig azt tételeztük fel, hogy a csillagvárosok tömegvonzása lassítja a tágulás sebességét. De az újabb mérések szerint a tágulás nem lassul, hanem növekszik, azaz a világegyetem gyorsuló ütemben tágul. Egyel˝ore nincs kielégít˝o magyarázat a forradalmian új eredményre. Nem tudjuk, mi gy˝ozi le a tömegvonzás összehúzó hatását. Ez az ismeretlen hatás taszításával gyorsítja a szétszóródást. Jobb híján ezt a felfúvó hatást az ún. sötét energia létének tulajdonítjuk. Ez új jelenség, hozzá hasonlóval eddig nem találkozott a tudomány. Független a térben lév˝o anyagtól és sugárzástól, akkor is kifejti a taszító hatást, ha semmi sincs jelen, azaz a taszítás az üres tér tulajdonsága. Az, hogy mi lehet a sötét energia, nem tudjuk, de a sötét energiának megfeleltethet˝o tömeg mégis a világegyetem össztömege f˝o összetev˝ojének tartható és ez a tömeg is befolyásolja a világegyetem téridejét és és így az Ω értékét. Ami a sötét energia matematikai tárgyalását illeti, értéke a feltevések szerint térfogategységre nézve állandó és az Einstein által annak idején az Einstein-egyenletekbe bevezetett Λ-val jelölt kozmológiai állandó írja le. Ahogyan a tér tágul, a világegyetem sötét energiájának mennyisége, amely a világegyetem térfogatával arányos, növekszik. Jelenleg a következ˝oképpen képzelhetjük el a világegyetem fejl˝odését. Közvetlenül az o˝ srobbanás után a világegyetem tágulni kezdett, de ennek sebességét a tömegvonzás egyre lassította. Ahogyan a világegyetem térfogata egyre n˝ott, vele arányosan növekedett a sötét energia mennyisége is. Pár milliárd éve a sötét energia felfúvó hatása meghaladta a tömegvonzás összehúzó hatását és azóta a tágulás mértéke az addigi lassulás helyett növekedni kezdett. Azóta a világegyetem egyre gyorsabb ütemben tágul. Világegyetemünk mértanát a világegyetem Ω értéke és a sötét energia mértékét megadó kozmológiai állandó együttesen határozzák meg. A világegyetem mértana akkor euklidészi, ha Ω + Λ = 1. Mivel a mérések szerint a világegyetem mértana euklidészi és Ω = 0, 317, a kozmológiai állandó értéke Λ = 0, 683. A kozmológiai állandónak ez a 0,683-es értéke a világegyetem kb. olyan gyorsuló tágulásának felel meg, mint amit az Ia szupernovák segítségével mértek. Azaz a különböz˝o területeken, egymástól függetlenül meghatározott értékek egybeesnek, ami alátámasztja világegyetemünk leírásának hitelességét. Világegyetemünk látóhatára. Jól ismerjük a látóhatár (horizont) kifejezést az égbolttal kapcsolatban. Csak a látóhatárig láthatunk, ami azon túl van, láthatatlan számunkra. A világegyetemben addig láthatunk el, ahonnan a fény még ideérhet hozzánk. Hubble törvénye szerint a világmindenség tere tágul és minél messzebbre nézünk, a vizsgált térrész annál gyorsabban távolodik t˝olünk. Elég távoli térbeli tartományok távolodási sebessége már csaknem fénysebességnyi, még nagyobb távolságokban a távolodás sebessége meghaladja a fény sebességét. Közeledve a látóhatárhoz, a vöröseltolódás jelensége miatt az onnan idetartó fény hullámhossza egyre n˝o, azaz a rezgésszáma egyre jobban csökken. A látóhatárunkról, a t˝olünk most pont a fénysebességgel távolodó felületr˝ol, ez 13,8 milliárd fényévnyire van t˝olünk, a hozzánk eljutó fény már nulla rezgésszámú, azaz ha majd ideér, már nem lesz észlelhet˝o. Fénysebességnél gyorsabban tárgy nem mozoghat, sugárzás sem terjedhet, nem haladhat el egymás mellett. De a tér tágulása miatt, ha két tárgy egymástól igen messze lév˝o tárgyat tekintünk, akkor az itt lév˝o és a távoli, hozzánk képest nagy sebesség˝u tartományban található tárgy egymáshoz viszonyított sebessége meghaladhatja a fénysebességet. A legtávolabbi csillagrendszerek, amelyeket még láthatunk, az igen korai, az o˝ srobbanástól számított els˝o százmillió évek során keletkeztek. Mivel a világegyetem 38
közben tágult, most a jelenlegi látóhatárunknál, 13,8 milliárd fényévnél jóval nagyobb távolságra, mintegy 46 milliárd fényévre vannak t˝olünk. Ezzel ma már jóval túl vannak a látóhatárunkon, azaz hozzánk képest fénysebességnél nagyobb sebességgel mozognak, emiatt az általuk most kibocsátott fény sohasem juthat el hozzánk. Ha a világegyetem történetét az o˝ srobbanás fenti hagyományos leírása szerint értelmezzük, súlyos nehézségekkel kerülünk szembe. Egyik legnagyobb nehézség a kozmikus háttérsugárzás csaknem teljesen egyenletes volta. A háttérsugárzás, mint kés˝obb tárgyaljuk, az o˝ srobbanást követ˝o 380000 év tájt keletkezett. Forrásai egymástól akár 90-szer akkora távolságra is lehettek, mint az akkori látóhatár mérete. Ennyire nagy távolságban lév˝o anyagfelh˝ok sohasem lehettek oksági kapcsolatban egymással. Mégis, ezek olyan állapotban voltak, mintha korábban egymással egyensúlyra vezet˝o kölcsönhatásban álltak volna.
8. Világegyetemünk fejl˝odése a csillagvárosokig 8.1. A természeti semmib˝ol induló világegyetem Amint az o˝ srobbanás modellje felteszi, a világmindenség mai viselkedése arra utal, hogy ma megfigyelhet˝o anyaga valaha egy igen kicsiny térfogatban létezett és ennek az anyagnak a h˝omérséklete roppant magas volt. Említettük, ehhez az állapothoz az általános relativitás elmélete szerint szükségszer˝uen egy kezdeti rendkívül kicsiny, csaknem pontszer˝unek vehet˝o állapot tartozik. Ennyib˝ol lett a világ, amely azóta is tágul és közben h˝omérséklete is fokozatosan csökken. Ahogyan a 6.3. részben tárgyaltuk, ez a Planck hossz, ami 1.62 ∗ 10−33 cm, és a Planck id˝o, 5.31 ∗ 10−44 másodperc tartománya. Ezek összefüggnek, a fény Planck hossznyi utat Planck id˝o alatt fut be. A Planck id˝o tájt a világegyetem mérete a Planck hossz 10−33 centiméteres nagyságrendjébe esett. Ekkora térfogatból fejl˝odött ki a ma megfigyelhet˝o világegyetem. Világegyetemünk összenergiája nulla. Hogy mib˝ol indulhatott az o˝ srobbanás, arra a megmaradási tételek adhatnak útmutatást. Feltehet˝o, hogy valamennyi megmaradási tétel, beleértve az energiamegmaradás, a töltések megmaradásainak törvényeit is, úgy teljesül, hogy a világegyetem összes töltése, összenergiája és egyéb megmaradó mennyisége nulla. Olyan módon, hogy a mérlegben szerepl˝o + és - el˝ojel˝u mennyiségek kiejtik egymást. Például a világegyetem villamos összes töltése nulla, azaz a világmindenségben lév˝o protonok száma, ezek a pozitív elektromos töltés hordozói, megegyezik a negatív töltést hordozó elektronok számával. Lehet negatív az energia is. Negatív a vonzó kölcsönhatásoknak megfelel˝o helyzeti energia, mint például a tömegvonzás helyzeti energiája. Könny˝u megérteni a vonzásnak megfelel˝o energia negatív el˝ojelét. Természetes módon akkor vesszük nullának a kölcsönhatási energiát, ha nincs a testek között kölcsönhatás. Ez a helyzet, ha a testek nagyon messze vannak egymástól. Most vizsgáljuk meg, milyen el˝ojel˝u a kölcsönhatási energia, ha két test vonzza egymást. Addig távolítjuk o˝ ket egymástól, amíg a kölcsönhatásuk elhanyagolhatóan kicsivé válik, ekkor a kölcsönhatási energiájuk nulla. Távolítva o˝ ket er˝ot kell kifejtenünk és eközben munkát végzünk, növelve ezzel a rendszer energiáját. Ezt az energiát az eredeti kölcsönhatási energiához hozzáadva nullát kapunk. Azaz, amikor a két test vonzza egymást, a kölcsönhatási energia negatív. Ha az energiamérleget nézzük, feltehet˝o, hogy világegyetemünk pozitív el˝ojel˝u energiái, például a mozgási energia, h˝oenergia és hasonlóak, valamint a tömegeknek megfelel˝o E = mc2 energiák összege kiegyenlítik a negatív tömegvonzási energiákat. Azaz a világegyetem összenergiája nulla. "Semmib˝ol" kipattanó világmindenség. Az eredet, hogy a világmindenség pontosan hogyan jött létre, a tudomány számára talán a legnagyobb kihívást jelenti. Nem az üres térben, valamikor pattant ki a Mindenség. Világegyetemünk születése, a Planck id˝o el˝ott nem lehet távolságokról és id˝otartamokról beszélni. 39
Amikor a világegyetem még nem létezett, tér és id˝o sem volt. Nem léteztek tömegek sem, az el˝obbiek szerint az összenergia értéke nulla. Mivel még nincs megbízható kvantumgravitációs elméletünk, lásd a 6.3. rész végén, nem tudjuk leírni, hogyan indult az o˝ srobbanás. Ha a kezdetek kezdetét nem is tudjuk leírni, az alapvet˝o leírások azt tételezik fel, és az ezzel a feltevéssel a kapott, a mai megfigyelések eredményei összhangban vannak, hogy a világegyetem a természeti semmib˝ol pattant ki. A természeti semmi egy állapot, amelyet a még nem ismert kvantumgravitációs elmélet írhat le. Akkor még sem tér, sem az id˝o, így távolságok és id˝otartamok sem léteztek. Tömegek sem voltak még, csupán bizonyos, a kvantumgravitáció által leírható jelenségek léteztek, melyek a világegyetem terének, idejének kialakulásához vezettek.
8.2. Els˝o másodperc A Planck-id˝on belül történtekr˝ol megbízhatót nem mondhatunk. Utána, 10−43 másodperc elteltével már létezik a tér és id˝o, fogalmaik egyértelm˝uek. A világegyetem h˝omérséklete a lehetséges legmagasabb, a Planck h˝omérséklet, melynek értéke kb. 1031 Kelvin. Elválik a tömegvonzás a természet egyéb er˝oit˝ol, a gravitációs kvantumhatások már elhanyagolhatóak. Az általános relativitáselmélet egyenleteinek megfelel˝oen tágul a világegyetem, tágulás közben h˝ul. Ekkor még annyira hatalmas a gravitáció, hogy az energiájának rovására a keletkez˝o van-nincs részecskeellenrészecske párok tömeget nyerve valóságossá válnak. Így is változatlanul nulla marad a világegyetem összenergiája, kétszer annyi új, forró tömeg és sugárzási energia keletkezését kétszer annyi negatív kölcsönhatási energia ellentételezi. Ekkor a pozitív energiák meghatározó része az igen nagy h˝omérsékletnek megfelel˝o sugárzási és a részecskék mozgásának megfelel˝o energia, ezekhez képest a nyugalmi tömegek adta E = mc2 energiák kicsik. Ahogyan a 6.2. szakaszban említettük, a leptonok és a kvarkok a Higgs-részecskével kölcsönhatva a világegyetem keletkezésekor nyertek tömeget. Egy újabb, a Higgs-részecske felfedezése után született feltételezés szerint a sötét anyag részecskéi, lásd a 7.4. szakaszban, is a Higgs-részecskékkel kölcsönhatva jutottak tömeghez. Ha ez így igaz, a sötét anyag és a 10−35 másodperc tájt fellép˝o szimmetriasértés eredete, lásd lentebb, egyaránt értelmezhet˝ové válik. A feltételezés ellen˝orizhet˝o, ha az LHC gyorsítón megmérik, hogy a Higgs-részecske bomlásakor milyen részecskék keletkeztek és ezek mekkora energiával távoztak. Az elfogadott leírás szerint a 10−43 és 10−35 másodperc közötti korai id˝oszakot a nagy egyesített elmélet által leírt X részecskés folyamatok jellemezték, lásd a 6.3. részt, a kvarkokat leptonokba és viszont alakító kölcsönhatások a legfontosabbak. Ekkor még a három alapvet˝o kölcsönhatás, az er˝os, gyenge és elektromágneses ugyanolyan er˝osséggel, gyakorisággal zajlott, egymástól nem különböztek. Mivel a kvarkok leptonokba és viszont alakulhattak, gyakorlatilag csak egyetlen részecske létezett. Ez az egyszer˝u állapot szemlátomást különbözik a mai szerkezetekben oly gazdag világunktól, melyre az X részecske már nem gyakorol befolyást. 10−35 másodperc - szimmetriasértés és felfúvódás. Az X részecskék és ellenrészecskéik a korszak végén kvarkokra, leptonokra, ellenkvarkokra és ellenleptonokra bomlottak. Az X részecske és ellenrészecskéinek elbomlása után tízmilliárdegy keletkezett kvarkra csak tízmilliárd ellenkvark jutott. Ezzel az világegyetem anyag-ellenanyag szimmetriája megbomlott. Ez az id˝oszak egyben a felfúvódás szakasza is. Amikor a 10−35 másodperc tájt lezajlott a most tárgyalt szimmetriasért˝o folyamat, egyúttal az er˝os kölcsönhatás is elvált az elektrogyenge kölcsönhatástól. Ez a szétválási folyamat párhuzamba állítható azzal az átmenettel, ami a víz jéggé fagyása során zajlik, amikor is jelent˝os mennyiség˝u h˝o szabadul fel. Hasonlóan, igen nagy energia szabadult fel a 10−35 másodperc környékén lezajlott szimmetriasért˝o folyamatban és az emiatt fellép˝o óriás nyomásnövekedés felfújta a világegyetemet, ami ennek hatására rohamos tágulásba kezdett. Világegyetemünk mérete minden 2 ∗ 10−35 másodpercen belül megkétszerez˝odött és a felfúvódás 40
körülbelül 10−32 másodperc tájt állt le. Ezalatt a világegyetem sárgadinnye nagyságúra n˝ott. Ezután a tágulás egyenletesen, a mainak megfelel˝o mértékben folytatódott, lásd a 22. ábrát. 60 R[cm]
felvúvódás
10
50
10
40
10
30
10
20
10
10
10
0
10
A megfigyelhetõ
standard
−10
10
Világegyetem sugara
−20
10
−30
10
−40
10
−50
fefúvódó
10
−60
10
−45
10
32
10
−35
10
29
10
−25
10
−15
−5
10
16
10
5
10 10 12 11 9 2 .10 10 10
15
10 3000
t[s] T[K]
22. ábra. A világegyetem méretének változása a felfúvódó világegyetemet feltételez˝o leírás alapján. Az ábra a megfigyelhet˝o világegyetem sugarát ábrázolja centiméterben a másodpercben megadott élettartam függvényében. Egyúttal feltüntettük az adott méret˝u világegyetem Kelvinben mért h˝omérsékletét is. A 10−35 másodpercnél kezd˝od˝o sáv a felfúvódási id˝oszakot mutatja. El˝otte és utána a világegyetem a Hubbletörvénynek megfelel˝oen tágul. Ez a hatalmas felfúvódás meg tudja magyarázni, miért ennyire egyenletes a világegyetem. Eszerint a megfigyelhet˝o világegyetem egésze egy piciny tartományból fejl˝odött ki, amely az o˝ srobbanás hagyományos modellje által adott tartománynál sokkal kisebb. Ebben a jóval kisebb tartományban a viszonyok kiegyenlítettek, a benne lév˝o anyag egyensúlyi állapotban van. Vagyis a kozmikus háttérsugárzás forrásai a felfúvódó szakasz el˝ott érintkeztek szorosan egymással, ekkor volt a ma megfigyelhet˝o világegyetem teljes anyaga a látóhatáron belül. A felfúvódó világegyetem modellje és más hasonló modellek az o˝ srobbanás után 10−32 másodperccel az o˝ srobbanás hagyományos modelljébe mennek át, ahogy ezt a 22. ábra is kifejezi. A felfúvódási id˝oszak eltelte után az er˝os és elektrogyenge kölcsönhatás már megkülönböztethet˝ové vált. De az elektromágneses és gyenge kölcsönhatás még kb. a 10−9 másodpercig megkülönböztethetetlen. Ebben az id˝oszakban a táguló és h˝ul˝o világegyetem h˝omérséklete még elég magas volt ahhoz, hogy a kvarkok, ellenkvarkok valamint az er˝os kölcsönhatást közvetít˝o részecskék, a gluonok még plazma állapotban lehessenek jelen. 10−9 másodperc - az elektrogyenge kölcsönhatás felhasadása. 10−9 másodperc tájt az elektromágneses és gyenge kölcsönhatás megkülönböztethet˝ové vált. A világ legnagyobb gyorsítóin ma már tanulmányozhatók a világegyetemben ekkortájt zajló elemi részecskés folyamatok. Újabb részecske-ellenrészecske párok keletkezéséhez már nem elég magas a h˝omérséklet. Valamennyi ellenrészecske, amelyb˝ol a 10−35 másodpercben bekövetkez˝o szimmetriasérülés miatt picivel kevesebb van, részecskéjével, pl. az elektron a pozitronnal ütközve szétsugárzódik, fotonná alakul. Ez magyarázza, hogy a világegyetemben egy elektronra kb. húszmilliárdnyi foton jut. Ez az arány csak nagyságrendben igazít el, a fotonok s˝ur˝usége a világegyetemben 0,412 milliárd foton/köbméter. 10−6 másodperc - neutronok és protonok. Nem sokkal ezután, 10−6 másodperc tájt a táguló világegyetem h˝omérséklete annyira lecsökkent, hogy a kvarkok protonokba és neutronokká álltak össze, ezekbe záródtak be. Ma már léteznek olyan gyorsítók, melyekkel akár az ólom atommag is nagyon nagy energiákra gyorsítható. Ha elég nagy ez az energia és a bombázó ólom atommag szemt˝ol-szembe ütközik a céltárgy ólom atommaggal, akkor az összeolvadt két atommag belsejében annyira nagyra megn˝ohet a h˝omérséklet, hogy a bels˝o protonok és neutronok kvarkjaikra olvadhatnak. Ily módon el˝o lehetne állítani a fent említett 41
kvark-gluon plazmát és tanulmányozni lehetne tulajdonságait. Mindeddig még nem sikerült meggy˝oz˝o bizonyítékot találni arra, hogy sikerült volna a kvark-gluon plazma el˝oállítása. Kb. az els˝o másodpercig a meghatározó folyamat a protonok és neutronok egymásba alakulása. E folyamatot a gyenge kölcsönhatás vezérli, elektronok, pozitronok, neutrínók és ellenneutrínók keletkeznek. Kb. az els˝o másodperc végére a h˝omérséklet annyira lecsökken, hogy proton neutronná alakulásához már nincs elég energia. Ett˝ol fogva a neutrínók és ellenneutrínók nem, vagy alig hatnak kölcsön más részecskékkel. Látjuk, már a születés els˝o másodpercében kialakult a világegyetem teljes anyagkészlete. Az els˝o másodperc végére a Mindenség protonokból, neutronokból, elektronokból, neutrínókból, ellenneutrínókból és fotonokból állt. Már ez id˝on belül is megfigyelhet˝o az egyre összetettebb rendszerek kialakulása. Míg a legelején semmiféle elkülönültség sem létezett, az els˝o másodperc végére, a világegyetem tágulásának és h˝ulésének eredményeképpen a négy alapvet˝o kölcsönhatás már elkülönült egymástól és kialakult a proton és neutron, mindkett˝o összetett részecske.
8.3. Els˝o öt perc Világegyetemünk létének els˝o öt percében, az els˝o másodperc végét˝ol képz˝odnek a legkönnyebb elemek atommagjai. Ekkor már csak néhány milliárd fok a h˝omérséklet és az ennek megfelel˝o proton és neutron mozgási energiákon indul meg az összetett atommagok keletkezése. Az ekkor zajló folyamatok az Atomki gyorsítóin is tanulmányozhatóak. Mint az 6. részben tárgyaltuk, a protonok, neutronok között ható vonzó mager˝ok nagyon rövid hatótávúak. Ahhoz, hogy a protonok és neutronok atommagfolyamatba léphessenek egymással, egymás közvetlen közelébe kell jutniuk. Minél közelebb kerül egymáshoz két atommag, annál er˝osebben lassítja közeledésüket az egyre er˝osebben taszító Coulomb er˝o. Csak a nagyon magas h˝omérsékleteken mozgó atommagok lehetnek elég gyorsak ahhoz, hogy a közöttük fellép˝o Coulomb-taszítást legy˝ozzék. Ha a közeledés sebessége nem elég nagy, az atommagok nem juthatnak egymáshoz annyira közel, hogy a taszító Coulomb er˝onél jóval er˝osebb vonzó mager˝ok hatása is érz˝odhessen. Túl magas h˝omérsékleten ugyan végbemehetnének az atommagfolyamatok, de ott a keletkezett atommagok igen könnyen és hevesen ütközhetnek újabb atommaggal és az ütközés eredményeképpen széteshetnek. Az els˝o másodperc végét˝ol néhány percig, durván az ötödik perc végéig kedveztek a feltételek az összetettebb atommagok képz˝odéséhez. A hélium képz˝odése. Az els˝o percek legfontosabb magfolyamatai a következ˝ok voltak. El˝oször a neutronproton ütközések során deuteronok keletkeznek. Nehéz hidrogénnek is nevezik a protonból és neutronból álló deuteron atommagot. Ha a vízmolekula valamelyik hidrogénatomjának magja deutérium, a víznél nehezebb nehézvíz molekulával van dolgunk. Deuteronok egymással ütközve hélium atommagokká alakulhatnak. A hélium atommagja két protonból és két neutronból áll. Így és más magfolyamatokon keresztül a világegyetem neutronjai els˝osorban a 4 He atommagokba épültek be. A világegyetem anyagának fennmaradó része túlnyomórészt proton, azaz hidrogén atommag alakjában maradt vissza, 12 hidrogén atomra egy hélium atom jut. Ha a tömegeik arányát vesszük, a 3:1 értéket kapjuk. Az o˝ srobbanás modellje alapján számolt kb. 25%-os hélium arány nagyon jól egyezik ezzel az értékkel. Egyéb, ritkán el˝oforduló könnyebb atommag kozmikus el˝ofordulási valószín˝usége is jól megfelel az o˝ srobbanás szerint számoltaknak. Ahogy múlnak a percek, a világegyetem h˝omérséklete annyira lecsökken, hogy az atommagok sebessége már nem elég nagy ahhoz, hogy a Coulomb-taszítást legy˝ozve elég közel kerülhessenek egymáshoz. Ezután a magfolyamatok valószín˝usége elhanyagolhatóvá vált, csak jóval kés˝obb, a felforrósodott csillagok belsejében indulhattak be újra. A táguló és h˝ul˝o világegyetemünk további fejl˝odését egy ideig az elektromágneses kölcsönhatások határozzák meg.
42
8.4. 380000 év Az els˝o öt perc után körülbelül 380000 évig a világegyetem arculatát a fotonok alkotta sugárzási tér és az anyag kölcsönhatása határozta meg. Anyagát a csupasz hidrogén és hélium atommagok, elektronok, neutrínók és ellenneutrínók alkotják. A neutrínók és ellenneutrínók kölcsönhatásai elhanyagolhatóak. Az er˝osen ionizált állapotban lév˝o anyagot, amely elektronokat, pozitív ionokat és esetleg semleges részecskéket is tartalmaz, plazmának nevezzük. A nagyon magas h˝omérséklet miatt atomok vagy molekulák még nem létezhetnek. Eléggé magas h˝omérsékleten a töltött részecskék ütközése, a fotoionizáció és általában az elektromágneses kölcsönhatás elég er˝os ahhoz, hogy megakadályozza nemcsak atom, hanem bármilyen bonyolultabb képz˝odmény létrejöttét. Ezért a plazmában a tömegvonzás nem alakíthat ki csillagokhoz vagy csillagvárosokhoz hasonló rendszereket, mert a nagy nyomás, a töltött részecskék közötti, Coulomb er˝ok által vezérelt ütközés és a fotoionizáció hamar szétzilál bármilyen alakzatot. Amikor a h˝omérséklet 380000 év tájt 3000 Kelvinre csökken, a világegyetem hosszmérete a mai ezredrésze. Ezen a h˝omérsékleten a kialakuló atomok állékonyságát az ütközések már nem veszélyeztetik, a 3000 Kelvines tér sugárzásának színképében már elhanyagolható a nagyobb energiájú, a hidrogén vagy hélium atomot gerjeszteni képes fotonok jelenléte. A keletkezett hidrogén atomok jó része hidrogén molekulákká állt össze, a hélium nemesgáz, ezért atomos állapotban található. Ezzel az elektromágneses kölcsönhatás irányította sugárzásos korszak lezárult, a sugárzás és az anyag kölcsönhatása jelentéktelenné vált. Minthogy a fotonok már nem hatnak kölcsön az anyaggal, szabadon terjedhetnek a Világmindenségben. Ezek a fotonok alkotják a kozmikus háttérsugárzást, melynek mai mintázatát a sugárzási térnek a 380000 év körül kialakult állapota alakította ki. A kozmikus háttérsugárzás most ideér˝o fotonjai a látóhatárról érkeznek, ez t˝olünk most (13,8 milliárd - 380 ezer) fényév távolságra van. Ma a kozmikus háttérsugárzás fotonjainak s˝ur˝usége a világegyetem fotons˝ur˝uségének 60%-át teszi ki, a fotonok további 40%-át a csillagvárosok és a csillagok sugározták ki. A háttérsugárzás egyenetlenségei. Ahogyan a COBE m˝uhold 1992-es mérései óta tudjuk, nem teljesen egyenletes a háttérsugárzás. A különböz˝o irányokból érkez˝o sugárzás nem pontosan ugyanolyan h˝omérséklet˝u térségekb˝ol érkezik, igen kicsiny, százezred foknyi ingadozások mutatkoznak. Ez arra utal, hogy 380000 év tájt a világegyetem gázfelh˝ojében ingadozott a s˝ur˝uség. Ugyanis ahol magasabb a h˝omérséklet, ott a gáz s˝ur˝ubb és er˝osebb a tömegvonzás, ennek indoklását lásd kés˝obb a 9.2. részben. A COBE értékei nem voltak elég pontosak. 2001-ben bocsátották fel a WMAP m˝uholdat, a COBE és a WMAP adatai közötti különbséget jól mutatja a 23. ábra. A s˝ur˝uségingadozások azzal magyarázhatóak, hogy a plazmában bonyolultabb szerkezetek ugyan nem alakulhatnak ki, de hanghullámok igen. Ezek bizonyos helyeken kissé s˝urítették, máshol kissé ritkították a plazmát. Ahol az anyag s˝ur˝usége nagyobb volt, magasabb volt a h˝omérséklet, kisebb s˝ur˝uségeknél pedig alacsonyabb, a h˝omérsékleti ingadozások rendje 0,01 Kelvin. Különböz˝o rezgésszámú hanghullámok terjedhettek a plazmában és a nekik megfelel˝o különböz˝o h˝omérséklet˝u helyek színképeit elemezve pontosan megmondható, hogy mekkora volt a 380000 éves világegyetem, és ebb˝ol az is, hogy 13,8 millió éve keletkezett. Továbbá a színképek elemzéséb˝ol meghatározható, hogy a világegyetem sík mértanú. A WMAP m˝uhold ötéves m˝uködése során kapott eredmények összegzése szerint, a 380000 éves világegyetem anyagának 10%-át neutrínók, 12%-át atomok, 15%-át fotonok, 63%-át a sötét anyag adta, a sötét energia mennyisége akkor még elhanyagolhatóan kicsiny. A WMAP után 2009-ben felbocsátott Planck m˝uhold által 2013 márciusában közölt adatok szerint, ahogy korábban már megadtuk, ma a világegyetemben a megfelel˝o arányok az atomos anyagra 4,9%, a sötét anyagra 26.8%, és a sötét energia részesedése 68.3%.
43
23. ábra. A fels˝o ábra a kozmikus háttérsugárzásnak a COBE m˝uhold által mért egyenetlenségeit szemléltetik, az alsó a WMAP m˝uhold által mért jobb felbontással mért értékek. Az egyenetlenségeknek megfelel˝o különbségek a háttérsugárzás százezrednyi ingadozásainak felelnek meg, csak az ábrázolás nagyította fel o˝ ket.
9.
A világegyetem mai arculatának kialakulása
Világegyetemünk fejl˝odésének meghatározó tényez˝ojévé 380000 év után a tömegvonzás válik. Amint láttuk, a gyenge, er˝os és elektromágneses kölcsönhatások jellemezte korszakoknak vége, a fenti három er˝o már nem kezdeményez jelent˝osebb változásokat, mivel hatásuk csak kis távolságokon érvényesül. De a tömegvonzási er˝o egyetemes, valamennyi tömeggel rendelkez˝o test között hat és hatása nagyobb távolságokra sem hanyagolható el. Valamennyi tömeg vonz valamennyi tömeget, ez a mindenhol ható er˝o alakította ki a Mindenség rendszereit. Csomósodások. Ahogy a hidrogén és héliumgázból álló világegyetem az els˝o évmilliók során h˝ult, úgy csökkent benne a fotonok energiája. Ezért elt˝unt bel˝ole a látható fény és beköszöntött történetének sötét korszaka. F˝o szervez˝oje, rendjének forrása a tömegvonzás. Ha az o˝ si gáztömegben valahol egy kicsit s˝ur˝ubbé vált a gáz, akkor ez a s˝ur˝ubb tartomány tömegvonzási központtá csomósodik. Környezetéb˝ol magához vonzza az anyagot. Így az eredetileg csaknem jelentéktelen különbségek az önmagát er˝osít˝o folyamat eredményeképpen mind kifejezettebbekké válnak. Ezzel a tömegvonzás szervez˝o erejének hatására az eredetileg csaknem egyenletesen eloszló anyag csomókba tömörül. Középen lesz a legnagyobb a s˝ur˝usége, ahogy megyünk kifelé, az anyag s˝ur˝usége csökken. A háttérsugárzásban 380000 év tájt mutatkozó s˝ur˝uségingadozásokból fejl˝odtek ki a csillagvárosok, ezek a csillagvárosokból, csillagváros halmazokból álló világegyetem nagy lépték˝u szerkezetének forrásai. Ezek a s˝ur˝uségingadozások a felfúvódás korszakára utalnak. Amikor a felfúvódás elkezd˝odött, a világegyetem annyira kicsiny volt, hogy a határozatlansági összefüggések által leírt kvantumos ingadozások jellemezték és ezeknek a mintázata alakította ki a a 380000 év körül kialakult háttérsugárzás ingadozásait.
44
9.1.
Csillagvárosok
Az öner˝osít˝o csomósodási folyamat felel˝os a csillagvárosok és az els˝o csillagok kialakulásáért. Az csillagvárosok 400 millió évvel a világegyetem születése után keletkezhettek. Nemcsak a gázfelh˝oket, a sötét anyagot is tekintetbe kell venni a csillagvárosok és csillagok kialakulásának leírásához. Hogy pont miként, ez a mai vizsgálatok egyik fontos kérdése. Ahogyan a csillagvárosokban folytatódnak a csomósodási folyamatok, belsejükben egyre több csillag alakul ki. Világmindenségünkben körülbelül százmilliárd csillagváros van. Az egyes csillagvárosokban körülbelül százmilliárd csillag található. Napunk csak egyike a Tejútrendszer 200 milliárd csillagának és a Tejútrendszer is csak egyike a mindenség százmilliárd csillagvárosának. Tejútrendszerünk egy, az átlagosnál nagyobb csillagváros, átmér˝oje kb. 100 ezer fényév, alakja lapos korong, melynek spirálkarjai vannak. A csillagvárosok alakja változatos lehet. Ha gyorsabban forog, lapos koronggá alakul, ha lassabb a forgása, gömbszer˝u lesz. Csillagvárosok halmazai. Egy csillagváros mérete durván százezer fényévnyi, a csillagvárosok közötti átlagos távolság néhány millió fényév. Maguk a csillagvárosok is vonzzák egymást, csoportokba tömörülnek. Tejútrendszerünk a körülbelül 30 csillagvárosból álló, körülbelül 5 millió fényév átmér˝oj˝u Lokális Csoporthoz tartozik, ezt lásd a 24. ábrán. Kisebb csoportok még nagyobb csoportokat alkotnak. A Lokális Csoport a körülbelül 100 millió fényév átmér˝oj˝u Lokális Szuperhalmaz része.
24. ábra. A Lokális Csoport csillagvárosai. A két legnagyobb csillagváros a Tejútrendszer és az Androméda-köd, a többi kisebb csillagváros f˝oleg köréjük csoportosul. Újabb megfigyelések szerint a csillagvárosok eloszlása meghatározott mintát követ. Mintha a világegyetem felfúvódó buborék lenne, a belsejében kisebb, ezeknek belsejében annál is kisebb és így tovább, buborékok volnának. Maguk a csillagvárosok a buborékok felszínén helyezkednének el, lásd a 25. ábrát. Egészen a 300 millió fényéves méretig - ahonnan kezdve a világegyetem anyageloszlása már egyenletesnek vehet˝o, lásd a 7.3. szakaszban - a csillagvárosok eloszlása ilyen önhasonló képet mutat. Azt jelenti az önhasonlóság, hogy a részlet kinagyítva az egészhez hasonló. Ha az önhasonlóság bármely méretre igaz lenne, akkor beszélnénk fraktálról. A csillagvárosok eloszlása a kezdeti kis egyenl˝otlenségek szerkezetére vezethet˝o vissza. A világegyetemben lév˝o sötét anyag mennyiségét abból is meg lehet becsülni, hogy a háttérsugárzásban mért egyenetlenségekb˝ol kiindulva - lásd a 23. ábrán a MAP m˝uhold által a h˝osugárzás eloszlásában mért egyenetlenségeket, amelyek egyúttal a s˝ur˝uség egyenetlenségeit is tükrözik,- kiszámolják, hogy ebb˝ol milyen világegyetem alakul ki. Ennek a számolásnak a végeredménye er˝osen függ attól, mennyi sötét anyagot tételeznek fel. Ha a világegyetem sötét tömege a kritikus tömeg ma mérhet˝o százaléka, akkor a számolás visszaadja a 25. ábrán látható, észlelt buborékszerkezetet.
45
25. ábra. A buborékszerkezetet mutató világegyetem. Látható, hogy a csillagvárosok rendszerei mintha a nagy buborék belsejében lév˝o kisebb buborékok felszínén helyezkednének el. Tejútrendszer. A szabad szemmel látható csillagok szinte valamennyien a Tejútrendszerhez tartoznak. Az augusztusi égen látható hatalmas, tejszer˝u csillagfelh˝o, a Tejút, a Tejútrendszer f˝o részét alkotja. Szabad szemmel is megfigyelhet˝o, nem a Tejútrendszerhez tartozó csillagváros a Tejútrendszer két kis kísér˝o csillagvárosa, a Kis és Nagy Magellán felh˝o, de ezek csak a déli féltekér˝ol láthatók. Innen az északi féltekér˝ol az egyetlen, szabad szemmel tiszta id˝oben még éppen látható, nagyobb méret˝u csillagváros az Andromédaköd, lásd a 26. ábrán.
26. ábra. Az Androméda-köd Tejútrendszerünk az átlagosnál nagyobb, központi magból és a bel˝ole csigavonalszer˝uen kinyúló karokból álló csillagváros. Több mint 200 milliárd csillagot foglal magába. F˝obb alkotórészei a következ˝ok. Legbelül, az égbolton a Nyilas csillagképben van a központi gömb alakú kidudorodás, amely az igen összetett szerkezet˝u középpontból és az azt övez˝o, nagys˝ur˝uség˝u csillagfelh˝ob˝ol áll. E középponttól egy fényévnyi távolságon belül kb. tízmilliónyi csillag található. Ezek a csillagok hatalmas sebességekkel keringenek a nagyon nagy tömeg˝u középpont körül, amely egy 2,6 millió naptömegnyi fekete lyuk. A központi dudor körül forog egy kb. hatvanmilliárd fiatalabb csillagból álló lapos korong. Átmér˝oje kb. 100000 fényév, vastagsága alig ezer fényév. Spirálkarokba rendez˝odik a korong, pontos kinézetét belülr˝ol nehéz lenne megállapítani. A lapos korongot egy gömb alakú ritkább övezet veszi körül, amely id˝os, 11,513,5 milliárd éves csillagokból, azoknak csoportjaiból és gázfelh˝okb˝ol áll. Belül vannak a fiatalabb, 11,5 milliárd éves csillagok, a gömb küls˝o rétegeit a világmindenség legöregebb csillagaihoz közé sorolható, az o˝ srobbanás után kb. 250 millió évvel keletkezett csillagok alkotják. A gömbövezetnek a tömege a korong tömegének kb. 20-30%-a. A központi dudorodás és a gömbszer˝u övezet lassan, a korong jóval gyorsabban forog. Napunk a középponttól 26000 fényévnyire a korong egyik spirálkarjában található. Tejútrendszerünk további összetev˝oje a sötét anyagból álló, ezért láthatatlan része, amely nagyságrend46
del nagyobb tömeg˝u, mint a a dudor, a korong és a gömbszer˝u övezet együttvéve. Térfogata kb. ezerszer akkora lehet, mint a csillagokat magába foglaló térfogat, ennek jellegére lásd a 21. ábrát. Tejútrendszerünk több mint 12 milliárd éve alakult ki gázt és csillagokat tartalmazó kisebb és nagyobb csillagvárosok összeolvadásából. Máig tart a más csillagvárosokkal való ütközési folyamat. Egyrészt a Tejútrendszer két kisebb kísér˝o csillagvárosa, a Kis és Nagy Magellán felh˝o közelednek hozzánk és bele fognak olvadni a Tejútrendszerbe. Másrészt a legközelebbi nagy csillagváros szomszédunk, az Andromédaköd 100 km/s sebességgel közeledik felénk és kb. 5 milliárd év múlva a Tejútrendszer és az Androméda-köd korongjai össze fognak ütközni. A csillagváros-csillagváros ütközések nem ritkák, a világ˝ur távolabbi tartományaiban számos ütköz˝o csillagvárost láthatunk. Ütközéskor számos csillag a csillagvárosok közötti térbe dobódhat ki, és a csillagok közelebbi ütközései a csillagokat is szétvetheti. Végeredményben az kialakuló új nagy csillagrendszer nagyjából egyenletes anyags˝ur˝uség˝u felh˝ové válhat, melynek anyaga a hidrogén és hélium mellett jelent˝osebb mennyiség˝u nehezebb elemet is tartalmaz. Két nagyobb anyagtömeg˝u csillagváros ütközése alakíthatta ki a Tejútrendszer szerkezetét is, az egyik a korongot, a másik a központi dudort és a gömbszer˝u övezetet hozhatta magával. De az is lehetséges, hogy a csillagvárosok alakját inkább a forgásuk sebessége határozza meg. Minél gyorsabban forog a csillagváros, annál inkább korongszer˝u és belül mind laposabb. Hogy a bels˝o gömbszer˝u övezetben öregebbek a csillagok, az pedig azzal magyarázható, hogy a csillagfejl˝odés el˝oször a központi tartományban indult meg.
9.2.
Csillagok
Mint eddig is láttuk, id˝ovel a világegyetem rendszerei összetettebbé, sokszín˝ubbé válnak. Ennek a folyamatnak a csillagok megjelenése igen fontos eleme. Számos állomása van a csillag életének. Fejl˝odésének kezdeti szakaszában a csillag tömegvonzás hatására összehúzódó gáztömeg. Ha már eléggé összehúzódott, felfénylik. Kés˝obb a csillagokban atommagfolyamatok indulnak be és a csillag által kisugárzott energia els˝osorban ezekben termel˝odik. Aszerint, hogy milyen atommagfolyamatok zajlanak bennük, különböz˝o csillagállapotokról beszélünk. Napunk is egy adott állapotban lév˝o csillag. Környezetünkben 3-4 fényév a csillagok átlagos távolsága, legközelebb hozzánk a Proxima Centauri nev˝u csillag van, t˝olünk 4,3 fényévre található. A csillag kiinduló állapotául szolgáló anyagfelh˝o összetétele a csillagváros korosodásával fokozatosan átalakul. Kezdetben a csillag anyaga tisztán hidrogén és hélium. Ahogyan tárgyalni fogjuk, a nagyobb tömeg˝u csillagokban magasabb rendszámú elemek is keletkeznek. A szupernóva robbanások alkalmával a teljes periódusos rendszer elemei szétszóródnak a csillagvárosban. Belekeverednek a gázfelh˝okbe és emiatt az újabb csillagnemzedékek már porral szennyezett gázfelh˝okb˝ol alakulnak ki. Amíg vannak a csillagvárosban olyan gáz- és porfelh˝ok, melyek csillaggá s˝ur˝usödhetnek, addig csillag is keletkezhet. Míg a legöregebb csillagok a csillagvárossal együtt jöhettek létre, a csillagok többsége jóval fiatalabb. A csillagok születése és elmúlása nem körkörös folyamat. A csillagok belsejének sok millió fokos h˝omérsékletén a csillagok alapvet˝o f˝ut˝oanyaga, a hidrogén magasabb rendszámú elemekké alakul, amelyek nem válhatnak kés˝obb szület˝o csillagok f˝ut˝oanyagául. Ezért a csillagvárosoknak is van fejl˝odéstörténete. Ahogy csillagai kihunynak, úgy öregszik a csillagváros is. Minél távolabbi csillagvárosokat vizsgálunk, azoknak fénye annál régebben indult felénk és így ilyenkor a világegyetem történetének egy korábbi szakaszára tekintünk vissza. Csillagbölcs˝ok. Sokáig rejtélyes volt a csillagok keletkezésének mozgatója. Nem értették, hogy a csillagközi gázból és porból álló hatalmas méret˝u felh˝oknek miért kellene összehúzódniuk és csillagokat alkotniuk. Ugyanis a hideg gázfelh˝o bels˝o nyomása van akkora, hogy képes ellenállni a tömegvonzás összehúzó
47
hatásának. Manapság, els˝osorban a Hubble u˝ rtávcs˝o és az infravörös tartományban mér˝o, m˝uholdakra telepített berendezések segítségével már jóval többet tudunk a csillagok születésének körülményeir˝ol. Egyedül keletkez˝o csillagot még nem láttak. A csillagok sohasem elszigetelten, hanem több ezer vagy akár milliónyi, nagyjából együtt kialakuló csillagot számláló, csillagbölcs˝onek nevezhet˝o térségekben születnek. Naprendszerünk közelében, t˝olünk 1500 fényévre, az Orion csillagképben is van egy ilyen, szabad szemmel is látható csillagbölcs˝o, a 20 fényévnyi átmér˝oj˝u Orion-ködnek nevezik. A csillagbölcs˝ok hatalmas gázfelh˝okb˝ol alakulnak ki. Ezek a csillagvárosok legnagyobb méret˝u alakzatai közé tartoznak, átmér˝ojük néha a 300 fényévet is elérheti. Nemrég fedeztek fel a Skorpió csillagképhez közel, t˝olünk 407 fényévnyire egy éppen alakuló csillagcsoportot, amelyet egyel˝ore kb. 300 igen fiatal, átlagban 300000 éves csillag alkot. Kezdetben a csillagvárosok legbels˝o tartományban kialakult óriáscsillag környezetében indulhatott meg a csillagbölcs˝ok kialakulása és a folyamat onnan terjedhetett tovább. Mint tárgyalni fogjuk, a nagyobb tömeg˝u, szupernóvává fejl˝od˝o csillag az élete végén felrobban és a szétrepül˝o anyagának lökéshullámai hatalmas sebességgel, 1000-10000 km/sec sebességgel terjednek. Ha a szupernóvához van közeli, ám addig még nyugalomban lév˝o nagyobb gázfelh˝o, ennek peremén a szupernóva lökéshulláma összeterelheti a gázt. Az ott kialakuló összehúzódó tartományban akár nagyobb tömeg˝u csillagok is kialakulhatnak. Ha a csillag nagyobb tömeg˝u, gyorsabban fejl˝odik, ahogyan ezt hamarosan tárgyalni fogjuk. Egyesek közülük akár egymillió éven belül szupernóvává alakulhatnak és ezek robbanásainak lökéshullámai a hatalmas gázfelh˝o addig nyugalomban lév˝o tartományain is végigsöpörnek. Tömörítik a gázfelh˝o útjukba es˝o anyagát, ami újabb csillagok keletkezéséhez vezet. A láncfolyamat során, 10-20 millió éven belül a csillagkeletkezés a teljes gázfelh˝ore kiterjed. Alig két milliárd évvel az o˝ srobbanás után, az akkori fiatal csillagvárosokban igen nagy számban, nagy területeken keletkezhettek csillagok. Gázfelh˝o öngerjeszt˝o összehúzódása. Önmagát gerjeszti a tömegvonzás okozta összehúzódás. Minél közelebb kerülnek egymáshoz a tömegek, a tömegvonzás annál er˝osebb, ennélfogva az összehúzó hatás még kifejezettebb. Minél nagyobb az összehúzódó gáz tömege, annál er˝osebb a gázfelh˝ot összehúzó er˝o. Ezért egy csillag kialakulásának folyamata és fejl˝odése annál gyorsabb, minél nagyobb a tömege. Kezdetben a csillag sötéten kavargó, tömörül˝o, a középpontja felé haladva mind s˝ur˝ubb anyagfelh˝o, melyben a tömegvonzás egyre er˝osebb. Mivel a vonzó kölcsönhatásokra a kölcsönhatási energia el˝ojele negatív, lásd a 8.1. szakaszban, az er˝osöd˝o tömegvonzásnak megfelel˝o kölcsönhatási energia annál kisebb lesz, minél s˝ur˝ubb az anyag (a nagyobb abszolút érték˝u negatív szám a kisebb!). Emiatt a gravitációs összehúzódáskor energia szabadul fel. Ez az energia a részecskék mozgási energiájává, azaz h˝ové alakul. Így a helyi h˝omérséklet ott magasabb, ahol nagyobb a gáz s˝ur˝usége. Legbelül a legmagasabb, mert ott a legnagyobb a s˝ur˝uség. Ahogy n˝o a h˝omérséklet, a gáz atomjai és molekulái egyre hevesebb módon ütköznek egymással és a fotonok is mind nagyobb energiájúak. Egy id˝o után a h˝omérséklet növekedésével beindul a molekulák majd az atomok gerjeszt˝odés. Sugározni kezdenek és a kialakuló csillag ekkor válik láthatóvá. Meg kell jegyezni, ha az összehúzódó gázfelh˝o egy kicsit is forgott, akkor tömegének egy része a perdület megmaradása miatt a csillagon kívül marad. Azaz a csillaggal együtt bolygók is keletkeznek, hevesebb forgás esetén kett˝oscsillagok is kialakulhatnak. Csillag egyensúlyi állapota. A kisugárzott fény és a szétrepül˝o elektronok és atommagok által kifejtett nyomás nem tudja megakadályozni a gravitációs összehúzódás folyamatát. Ez folytatódik, egészen addig, amíg a h˝omérséklet emelkedése során a csillag legmagasabb h˝omérséklet˝u tartományában, a bels˝o magjában a protonok annyira fel nem gyorsulnak, hogy beindulhatnak az atommagfolyamatok. Tudjuk, hogy a protonok között a vonzó mager˝o csak akkor kezd hatni, ha a két proton egymás közvetlen közelébe kerül, lásd a 6.1. szakaszban. Két proton az azonos töltésük miatt taszítja egymást. Ezért csak akkor kerülhetnek egymás közvetlen közelébe, ha eléggé nagy sebességgel indulnak el egymás felé. Ekkor, bár közeledéskor a taszítás mind hevesebb, és emiatt er˝osebben lassulnak, de azért mégis elérhetik egymást. 48
Az egymással magreakcióba lép˝o protonok több lépés után végül is hélium atommaggá olvadnak össze. Úgy is mondható, hogy a csillagot alkotó protonok hélium atommagokká égnek el. A magátalakulások során négy protonból, - több közbens˝o folyamaton át - hélium atommag, két pozitron, neutrínók és fotonok keletkeznek. A protonok héliummá összeolvadása során energia szabadul fel, mivel a hélium atommag és a két pozitron össztömege 0,7%-kal kisebb, mint a nyersanyagául szolgáló négy proton tömege. Ez a tömegkülönbség az E = mc2 képletnek megfelel˝oen szabadul fel energiaként. A magfolyamatokban keletkez˝o, szétrepül˝o részecskék nagyobb energiája miatt a bels˝o tartományban megn˝o a nyomás és ennek felfúvó hatása megállítja a tömegvonzás által gerjesztett összehúzódást. Hosszabb id˝otartamra egyensúlyi állapotba kerül a csillag. A napnyi tömeggel rendelkez˝o csillag 50 millió év alatt éri el az egyensúlyi állapotot. Mindaddig ebben az állapotban marad, amíg a belsejében lév˝o hidrogéngáz héliummá nem alakul. Csillagtömegt˝ol függ˝oen ez a folyamat akár többmilliárd évig is eltarthat. Barna törpe. Két proton között akkor zajlhat atommagfolyamat, ha a h˝omérséklet eléri a 2,7 millió fokot, ekkor kerülhet egymáshoz elég közel a két egymást taszító proton. Ekkor h˝omérsékletnek megfelel˝o s˝ur˝usödés csak olyan csillag magjában jön létre, amelynek össztömege legalább akkora, mint a Jupiter tömegének 75-szöröse. Ez a naptömeg 8%-nak felel meg. Vannak ennél kisebb tömeg˝u csillagok is, ezeket barna törpéknek nevezik. Ezek központi tartományában is zajlik energiatermel˝o atommag folyamat, de bennük a proton és a deuteron között. Ugyanis deuteron és proton összeolvadásához, - a deuteron a hidrogén izotópja, az atommagja egy protonból és egy neutronból áll, - már egymillió fokos h˝omérséklet is elegend˝o. Egymillió fokra a 13 Jupiter tömegnél nagyobb tömeg˝u csillagok belseje hevülhet fel. Ennek megfelel˝oen a barna törpe csillag tömege 13-75 Jupiter tömeg közé esik. Felszíni h˝omérséklete alig 2000 Kelvin, viszonylag gyorsan elégeti deuteronkészletét, és csak százmillió évig fénylik. 6,5 fényévre van a hozzánk legközelebbi barna törpe. Csillagok tömege és élettartama. Egy csillag élettartamát az határozza meg, hogy milyen gyorsan égeti el a belsejében lév˝o hidrogént. Azokban a csillagokban, melyek tömege nagyobb, mint a Jupiter tömegének 75-szöröse, mihelyt a bels˝o h˝omérséklet eléri a 2,7 millió fokot, beindulnak a protonokat héliummá alakító atommagfolyamatok. Minél magasabb a bels˝o h˝omérséklet, a protonok héliummá égése annál sebesebben megy végbe. A kb. 75 Jupiter-tömeg˝u csillagok fénye épp hogy csak pislákol. Ezeknek belsejében nagyon hosszú id˝o, tíz- vagy akár száz milliárd évek kellenek ahhoz, hogy elégjen a hidrogénkészlet. Egy naptömeg˝u csillag mintegy 10 milliárd évig marad egyensúlyi állapotban. Vannak azonban olyan csillagok is, melyeknek tömege a Nap tömegének tízszerese, a legnagyobbaké a naptömeg sokszázszorosát is elérhetik. Mivel a Napnál nagyobb tömeg˝u csillagok összehúzódása gyorsabb, ezért egyensúlyi állapotuk életideje rövidebb. Például a Napnál tízszer nagyobb tömeg˝u csillag 2 millió éven belül égeti el hidrogénkészletét. Élettartama a Nap élettartamának ötezred része, fényereje a Nap fényességének ötvenezerszerese. Csillag felfúvódása, vörös óriás. Amint a csillag magjában fogy a hidrogén, kevesebb lesz a termel˝odött és kifelé áramló energia. Mivel ekkor csökken a bels˝o nyomás, a csillag magja összébb húzódik. Ezzel n˝o az anyags˝ur˝uség és a nagyobb s˝ur˝uség˝u helyek h˝omérséklete emelkedik. Ahogyan a csillag s˝ur˝usödik, a csillag magjának korábbi s˝ur˝usége és h˝omérséklete most egy, a központtól távolabb fekv˝o gömbrétegnek lesz a s˝ur˝usége és h˝omérséklete. Így a hidrogént éget˝o csillagbels˝o térfogata, valamint a központi rész h˝omérséklete fokozatosan n˝o. Azaz ahogyan fogy a csillag belsejében a hidrogén, úgy tolódik egyre kintebb a hidrogént éget˝o övezet határa és így a csillag térfogatának egyre nagyobb részét foglalja magába. Ezzel a csillagban mind több energia keletkezik. Így a hidrogén fogyásával a csillag fokozatosan fényesedik és mind nagyobbra fúvódik. Napunk eddig a hidrogénkészletének a felét égette el, bels˝o h˝omérséklete jelenleg 18 millió fok. Tömegét˝ol függ a felfúvódó csillag további sorsa. Ha a csillag tömege a 0,4-8 naptömeg között van, akkor a keletkezett nagyobb mennyiség˝u energia felfújja a csillagot. Egyre nagyobb és ragyogóbb lesz és a 49
vörös óriásnak nevezett állapotba kerül. Elvesztheti tömegének egy részét, mivel olyan nagyra fúvódik fel, hogy rezgései és rengései során az illékonyabb hidrogéngáz egy része leszakadhat róla. Amint a felfúvódó csillagban elfogy a hidrogén, energiatermel˝o folyamat hiányában a tömegvonzás összehúzza a csillagot. Vörös törpe. Ha a csillag tömege a naptömeg a naptömegnél 40%-nál kisebb, amikor a csillag magjából fogy a hidrogén és az energia termel˝odésének csökkenése miatt esik a bels˝o nyomás, más folyamatok zajlanak, mint a nehezebb csillagoknál. Már nem elég nagy a tömegük ahhoz, hogy a csillagbels˝o be tudjon s˝ur˝usödni, ehelyett a küls˝o rétegekb˝ol hidrogénben dúsabb gáztömegek áramlanak a csillag belsejébe. Mivel emiatt a mag bels˝o h˝omérséklete nem n˝o, a hidrogén égetésének sebessége sem növekszik meg és a csillag felfúvódása is elmarad. Az ilyen, vörös törpének nevezett csillag hosszabb ideig él. Élettartamuk meghaladja a 10 millárd évet, akár a billió évet is elérheti. Emiatt a világegyetemben még nem hunyt ki vörös törpe. A leggyakrabban el˝oforduló csillag, bár egyes feltételezések szerint a barna törpékb˝ol van több. Vörös törpe a hozzánk legközelebbi csillag, a Proxima Centauri is. Fehér törpe. Miután a felfúvódó csillag hidrogénje elégett ill. megszökött, az összehúzódó, héliumból álló csillag mind kisebb térfogatú, magas h˝omérséklet˝u ragyogó fehér csillaggá, fehér törpévé s˝ur˝usödik. Kisvilágtani hatások miatt a tömegvonzás nem tudja teljesen összehúzni. Ugyanis a határozatlansági összefüggések miatt, lásd a 5.2. szakaszt, a dobozba zárt részecskék energiája nem lehet nulla. Minél kisebb a térfogat, ahová a részecskék beszorulnak, a lendületük és így az energiájuk annál nagyobb lesz. Ez a hatás a kis tömeg˝u elektronok esetén válhat fontossá. Mivel az elektronok energiája és így nyomása a csillag összehúzódásakor egyre jobban n˝o, a csillag nem tud összeroppanni. A fehér törpék anyagának s˝ur˝usége mintegy milliószorosa a víz s˝ur˝uségének. Napunk durván földnyi méret˝u fehéren izzó törpecsillaggá s˝ur˝usödik majd. Egy fehér törpe sorsa további sorsa tömegét˝ol függ. Ha tömege kisebb, mint 1,4 naptömeg, akkor a mérete nem változik. Ha elég kicsiny a fehér törpe tömege, akkor újabb atommag összeolvadási folyamat már nem indul be és héliumból álló fekete törpévé alakul. Mivel a fehér törpék nagyon lassan h˝ulnek ki, igen számos figyelhet˝o meg közülük. Hozzánk alig 100 fényévre is található két igen öreg, 11-12 millárd éves fehér törpe. Attól függ˝oen, hogy egy határ felett mekkora a fehér törpe tömege, a csillag magjában újabb energiatermel˝o atommag összeolvadási folyamatok indulhatnak be. Ha a fehér törpe tömege nagyobb mint 1,4 naptömeg, akkor a magja majd annyira bes˝ur˝usödik, hogy a periódusos rendszer valamennyi eleme kialakulhat benne. De ez már egy másik csillagállapot jellemz˝oje. El˝oször az összehúzódó bels˝o magban lezajló folyamatokat vizsgáljuk. Szén és egyéb nehezebb elemek képz˝odése. Amint elfogy a csillag magjából a hidrogén és a csillag magja nagyobb s˝ur˝uség˝u és így magasabb h˝omérséklet˝u lesz, újabb energiatermel˝o magfolyamat indulhat be. A hélium atommagok összeolvadáshoz jóval magasabb h˝omérséklet kell, mivel a hélium atommag töltése két protonnyi és emiatt a két hélium atommag között fellép˝o taszító Coulomb taszítás 2*2=4-szer akkora, mint a két proton közötti taszítás. Úgy 100 millió fok körül indulhat be a hélium atommagok összeolvadása. Ennek során három hélium atommagból egy szénatommag képz˝odik. Ez a folyamat a hidrogén égésénél sokkal gyorsabb. El˝oször két hélium atommag összeolvadásából berillium atommag képz˝odik. Azonban a keletkezett Be izotóp nem állékony, a természetben csak a 9 Be atommag fordul el˝o. Nagyon rövid ideig, kb. 10−16 másodpercig létezhet a 8 Be, utána két hélium atommagra esik szét. Annak valószín˝usége, hogy a fenti igen rövid id˝oszak alatt a 8 Be atommag újabb hélium atommaggal olvadjon össze, igen kicsi. Márpedig a 12 C, a szén atommagja csak így keletkezhet. 8
Annál valószín˝ubbek az atommagok között lezajló folyamatok, minél nagyobb felületet mutat egymásnak a két ütköz˝o mag. Ez a felület nem pusztán az atommagok mértani felülete, mert az atommagok
50
hullámtermészete is fontossá válik, lásd a 5.1. szakaszt. Bizonyos kitüntetett bombázó energiáknál a magfolyamatok valószín˝usége ugrásszer˝uen megnövekszik. Kiderült, hogy a 8 Be - hélium magösszeolvadás valószín˝usége éppen annál az energiánál mutat rezonanciaszer˝u növekedést, amely a héliumot éget˝o csillag bels˝o h˝omérsékletének felel meg. A rezonancia ennyire kis energiánál nagyon ritka. Kivételesen szerencsés véletlen, hogy a rezonanciaenergia és a csillagbels˝o h˝omérsékletének megfelel˝o energia így egybeesik. Ennek tulajdonítható, hogy a világegyetemben van elég szén és a szénre épül a nehezebb elemek létezése is. Szén addig képz˝odik, amíg a csillag magjában fogyni nem kezd a hélium. Mivel emiatt a magfolyamatokban felszabaduló energia és ezzel a tömegvonzást ellensúlyozó bels˝o nyomás is csökken, a csillagmag tovább zsugorodik, h˝omérséklete n˝o. Beindulhat az oxigén képz˝odése, az oxigén atommag hélium és szén atommag összeolvadásából keletkezik. Mialatt csillagbels˝o összehúzódása miatt megemelkedik a h˝omérséklet, a csillag héjaiban különböz˝o összeolvadásos folyamatok zajlanak, belül oxigén, kintebb szén képz˝odik. Még jobban összehúzódó csillagbels˝okben, nagyon magas, milliárd fokos h˝omérsékleteken a szénatommagok magnéziummá olvadhatnak össze. Ilyen módon folyik az elemek képz˝odése egészen a vas kialakulásáig. Ha a fehér törpe tömege nem éri el az 1,4 naptömeget, akkor az elemképz˝odés folyamata valahol leáll és a csillagfejl˝odés végeredménye szénb˝ol, vagy magnéziumból vagy szilíciumból stb. álló fehér törpe lesz. I. és II. típusú szupernóva. Ha a vörös óriás csillag 1,4 naptömegnél nehezebb fehér törpévé válik, akkor a fehér törpében zajló elemképz˝odés során vas is keletkezik. Mivel a vas a leger˝osebben kötött atommag, a vas környéki atommagok lesznek az utolsók, melyeknek atommag összeolvadásos keletkezése során energia szabadul fel. Ezért ha egy csillag belsejében vas is keletkezik, majd a csillagbels˝o vassá alakult, akkor a csillag összeroppan, mivel már nincs olyan bels˝o energiatermel˝o folyamat, amely ellensúlyozhatná a tömegvonzás összehúzó hatását. Szupernóva az összeomló csillag neve. Óriási energiák szabadulnak fel a tömegvonzásos összeomlás során és ezek lehet˝ové teszik energiát fogyasztó magfolyamatok lezajlását is. A vasnál magasabb rendszámú atommagok képz˝odéséhez energia szükséges és valamennyi ismert elem atommagja a szupernóva összeroppanáskor képz˝odik. Az összeroppanáskor annyira sok energia szabadul fel, hogy a szupernóva fényessége pár napig, hétig olyan nagy, vagy nagyobb lehet, mint az o˝ t tartalmazó csillagváros fényessége. Ezért nagyon felt˝un˝o égi jelenség. Amikor a szupernóva végleg összeroppan, a belsejében felszabaduló óriási energiák a felszínre törnek. Levetik a csillag kérgét, amely hatalmas robbanás során repül le. Ezeket a robbanásokat szupernóvarobbanásnak nevezik. Ennek során a csillagban keletkezett, a periódusos rendszer valamennyi elemét tartalmazó hatalmas anyagtömegek szétszóródnak a világ˝urben. Roppant erej˝u lökéshullámok terjednek szerteszét, a szétrepül˝o anyagfelh˝ok sebessége 1000-10000 km/s körül van. Az így szétszóródott csillagtörmelékek alkotják majd a bolygók, köztük Földünk anyagát is. Hidrogén nincs a fehér törpéb˝ol kialakuló szupernóvában, mivel az már a fehér törpét megel˝oz˝o vörös óriás állapotban kiégett a csillagból. A hidrogént nem tartalmazó szupernóvát I. (egyes) típusú szupernóvának nevezik. Ha a csillag tömege nagyobb, mint a Nap tömegének nyolcszorosa, akkor a csillag szupernóvává fejl˝odése meglehet˝osen gyors. Mialatt felfúvódva óriás csillaggá alakul és még égeti kint a hidrogént, aközben belül annyira gyorsan húzódik össze, hogy hamar létrejönnek a fentebb tárgyalt atommag összeolvadásos övezetek, egészen a vasig. Az ilyen sokhéjú izzó csillagot szuper óriásnak nevezik. Mind er˝osebben fénylik a kialakuló szuper óriás csillag és szupernóvává alakul. Ezt a hidrogént is tartalmazó szupernóvát II. típusú szupernóvának nevezik. Kivételes szerencse, hogy 1987-ben a t˝olünk 160000 fényévnyire lév˝o Nagy Magellán felh˝oben sikerült ilyen közeli, II. típusú szupernóva robbanását észlelni. Az évekkel a robbanás után készült felvétel szépen mutatja a szupernóvát és lökéshullámát. 2008-ban fényképezte le a Hubble-˝urtávcs˝o az eddig észlelt legnagyobb szupernóvát, tízmillió csillagvárosnyi fényességgel világított. Fénye kevesebb mint egy percig szabad szemmel is látható lehetett. 7,5 milliárd évre van t˝olünk, tömegét 50 naptömegnyire becsülik. 51
Kb. a csillagok 10%-a jut el szupernóva állapotba. A világegyetemben durván másodpercenként, a Tejútrendszerben 30-50 évente történik szupernóva-robbanás, eddig kb. százmillió ilyen esemény zajlott le csillagvárosunkban. Történelmi források is megemlékeznek a közelebbi, ezért szabad szemmel is jól megfigyelhet˝o eseményekr˝ol. 1054-ben a Rák-ködben történt szupernóva-robbanás, ezt a kínai csillagászok is feljegyezték. Ezek szerint ez az éjszakai égbolton olyan fényesség˝u volt, mint az Esthajnalcsillag, a Vénusz. Tycho de Brahe 1572-ben figyelt meg szupernóva felfényesedést. Ia típusú szupernóva. Mint tárgyaltuk, az 1,4 naptömegnél kisebb tömeg˝u fehér törpékben leáll az energiatermel˝o folyamat. Az ilyen fehér törpe anyaga vasnál kisebb rendszámú elemb˝ol állhat. Ha viszont egy, a tömeghatár közelében lév˝o fehér törpe kett˝oscsillag egyike, akkor csillagtársától gázfelh˝oket ragadhat el. Ezután újra beindul benne a magasabb rendszámú elemek képz˝odése. Ha annyira sok anyagot sikerül magához vonzania, hogy a tömege átlépi az 1,4 naptömeges határt, akkor eljut a vas kialakulásáig és a csillag szupernóvává fejl˝odik. Az így kialakuló szupernóvát Ia típusú szupernóvának nevezik. Mivel az Ia típusú szupernóva a legkisebb tömeg˝u szupernóva, a fejl˝odése lassabb, mint a többi szupernóváké. Az Ia szupernóva a leghosszabb ideig fényl˝o szupernóva, ezért megjelenése az égbolton jól felismerhet˝o és követhet˝o. Mivel tudjuk, mekkora az Ia típusú szupernóva valódi fényessége, mérve a látszólagos fényességét, a távolsága meghatározható, lásd a 7.1. szakaszt. Így sikerült a megfigyelhet˝o világegyetem határához közeli csillagvárosok távolságát pontosan meghatározni és ezzel a világegyetem gyorsuló tágulását felfedezni. Tejútrendszerünkben kb. 300 évente fejl˝odik ki Ia típusú szupernóva. Neutroncsillag és fekete lyuk. Szupernóvarobbanás után a csillag maradványai neutroncsillaggá alakulnak. Keletkezése során az anyag mind jobban s˝ur˝usödik. Annyira sok energia szabadul fel az összehúzódás során, hogy az elektronok befogódnak az atommagokba és végül a csillag valamennyi protonja neutronná alakul. Közben a csillag teljes tömege atommagnyi s˝ur˝uség˝ure tömörödik, ezért az egész csillag egyetlen hatalmas, neutronokból álló atommag. 10-15 kilométer között lehet a neutroncsillag sugara. Köbcentiméterenként százmilliárd tonnányi anyagot tartalmaz, ami azt jelenti, hogy a neutroncsillag s˝ur˝usége a fehér törpe s˝ur˝uségének százmilliószorosa. A neutroncsillag nagyon gyors forog valamely középpontján átmen˝o tengely körül. Mivel a neutron mint kis mágnest˝u viselkedik és ezek a neutroncsillagban párhuzamosan állnak be, a neutroncsillagnak hatalmas mágneses tere van. Emiatt a forgó neutroncsillag igen er˝os elektromágneses sugárzást bocsát ki. Sugárzásuk ütemes jellege miatt pulzároknak nevezik. Eddig a Tejútrendszerben kb. ezer pulzárt fedeztek fel. A Rák-ködben történt szupernóvarobbanás maradványa is pulzár, forgási ideje 30 milliszekundum. Észleltek már annyira különleges neutroncsillagokat is, hogy felmerült a kvarkcsillagok létezésének gondolata. Ezeknek belsejében a kvarkok kiszabadulhatnak a neutronba való bezártságukból, és a csillag anyagát, vagy annak egy részét kvarkanyag alkotja. Ha a szupernóva-robbanás utáni maradvány 3 naptömegnél nagyobb, akkor a neutroncsillag állapot sem tartós számára. Még a benne lév˝o neutronokat is összeroppantja a tömegvonzás és a csillag sugara a Schwartzschild sugárnál - nagyságát lásd a 3.2.1. szakaszban -, is kisebbé válik és fekete lyukká alakul. A fekete lyukká összezuhant csillag gravitációs tere annyira er˝os, hogy még a fénysugár sem hagyhatja el, mert a kiinduló fénysugarat a tér visszagörbíti. Ezért a csillag a szó szoros értelmében láthatatlanná válik. Csak tömegvonzásának hatásait észlelhetjük. Ha a fekete lyuk egy kett˝os csillag egyik tagja, akkor társa, melynek fényét észleljük, pályamozgást végez a fekete lyuk körül. Ebb˝ol a pályamozgásból állapítható meg a láthatatlan társcsillag, a fekete lyuk tömege. Továbbá a dagály jelenségéhez hasonlóan a fekete lyuk izzó gázt ragadhat magához a társcsillag felszínér˝ol. Miközben gáztömegnek zuhannak a fekete lyukba, hatalmas energiájú protonok keletkeznek, ezeket nagyenergiájú kozmikus sugárzásként észleljük. Fekete lyuk nem csupán csillag összeomlása végén alakulhat ki. Ahogyan a csillag kialakulásakor a tömegvonzás hatására az anyag a csillag közepén válik a legs˝ur˝ubbé, a sötét anyag is az anyageloszlások közepén lesz a legs˝ur˝ubb. Kezdetben, a csillagvárosok kialakulásakor hatalmas tömeg˝u fekete lyukak 52
keletkeztek a csillagvárosok közepén, ezek kialakulásában a csillagvárosok anyagát alkotó sötét anyag összeomlása lehetett meghatározó. Ezeket régebben kvazároknak nevezték. Mint említettük, a Tejútrendszer középpontjában is van egy többmilliós naptömeg˝u fekete lyuk. Az óriás fekete lyukak hatalmas mennyiség˝u anyagot szippantanak magukba környezetükb˝ol. Eközben roppant er˝os, igen nagy energiájú sugárzásokat bocsátanak ki. Tejútrendszerünk központja most éppen nyugodt, de alig kétszáz éve hatalmas kitörések színhelye volt.
10. Naprendszer és Föld Naprendszerünk bolygói a Nap körül egy síkban, ellipszis pályákon keringenek. Maga a Naprendszer egésze a Tejútrendszer középpontjától mintegy 26100 fényévre található és a középpont körül kering. Keringési sebessége a legújabb, 2012-es eredmények szerint mintegy 240 km/sec és 200 millió év alatt kerüli meg a Tejútrendszer középpontját. Ez az id˝otartam a galaktikus év. Arra, hogy miként alakul ki a csillag körül bolygórendszer, még nincs általánosan elfogadott leírás. Ha a csillag nyersanyagául szolgáló anyagfelh˝o forgásban volt, akkor a felh˝o perdülete, amely megmaradó mennyiség, nem engedi a teljes összehúzódást. Akárcsak amikor a pörg˝o jégtáncosn˝o behúzza a karjait és a forgása felgyorsul, az összehúzódó felh˝o is egyre sebesebben pörög. Emiatt egy része kint reked a csillagból és bolygó vagy bolygóközi anyag lesz bel˝ole. Minél sebesebben forgott, anyagának annál nagyobb része lesz a központi csillagon kívül és nagyobb lesz a bolygók tömege. Ha a kezdeti anyagfelh˝o perdülete elég nagy, a bolygókon kívül még egy vagy több csillag is kialakulhat. Hogy miként oszlanak meg a bolygók tömegei, attól is függ, hogy az összehúzódást beindító hatások mekkora egyenetlenségeket idéztek el˝o a gázfelh˝on belül. Ma már meg tudjuk állapítani, hogy a szület˝o csillag körül vannak-e porfelh˝ok. Ugyanis mialatt a por elnyeli a csillagfény ibolyántúli sugarait, eközben felmelegszik és infravörös sávban sugároz. Így a csillag színképéb˝ol megállapítható, hogy van-e porfelh˝o körülötte és az mekkora. A porfelh˝okb˝ol kisebb-nagyobb k˝ozetdarabok, majd ezekb˝ol bolygók állnak össze. Mintegy húsz éve fedezték fel az els˝o, Naprendszeren kívüli bolygót és mostanára a számuk azóta ezer fölé n˝ott. A megfigyelések alapján feltételezhet˝o, hogy a Naphoz hasonló csillagok 17-30%-a körül kering legalább egy bolygó. Ha a bolygó a csillaghoz elég közeli, a felszíne túl meleg és az ott lév˝o víz g˝ozként van jelen, ha távolabb van a csillagtól, a felszíni h˝omérséklet túl alacsony és a felszíni víz jéggé van fagyva. A csillag lakható övezetét a csillag körüli gömbhéj alkotja, a gömbhéjban található bolygók felszínén a víz cseppfolyós. Az észlelések szerint a vörös törpék 6%-a lakható zónájában van Föld-méret˝u bolygó. A Tejútrendszer csillagainak 3/4 része vörös törpe, azaz a Tejútrendszer többmilliárd értelmes élet hordozására alkalmas bolygót tartalmaz. A legközelebbi ilyen bolygó a becslések szerint t˝olünk 13 fényévnyire található.
10.1.
Naprendszerünk születése
Naprendszerünk jelen ismereteink szerint a következ˝oképpen alakult ki. 4,568 milliárd évvel ezel˝ott csillagbölcs˝onkben, a leend˝o Naprendszerhez közeli térségben szupernóva-robbanások történtek, lásd a 9.2. szakaszt. Lökéshullámai elérték a Naprendszer gázfelh˝ojét, a szétrepül˝o burkok gázt, port, kisebb k˝ozet és kavicsdarabkákat tartalmaztak. A 4,568 milliárd éves életid˝o a Naprendszer leg˝osibb k˝odarabkáinak radioaktív módszerrel meghatározott kora, a mérés pontossága 1 millió év. Ma is érkeznek ezek a k˝odarabkák, meteoritként csapódnak be Földünk felszínére. Amint az eredeti gázfelh˝o és a szupernóvákból kitör˝o gáz és por ütközött, porral és szemcsékkel szennyezett örvényl˝o gázfelh˝o terel˝odött össze, ebb˝ol alakult ki aztán a Naprendszer. Majd beindult a Naprendszert létrehozó összehúzódási folyamat. Mivel a Naprendszer nyersanyagául szolgáló gázfelh˝o forgott, bolygórendszer alakult ki körülötte. Naprendszerünk teljes tömegének kb. 99,85 százalékát a Nap tömege teszi ki, azaz a bolygók, a kisbolygók, a bolygóközi por tömeg együttesen a Naprendszer tömegének alig másfél ezreléke. 53
Naprendszerünk bolygói és a Nap o˝ rzik az eredeti perdületet. A Nap 23,5 nap alatt fordul meg a saját tengelye körül. Valamennyi bolygó ugyanolyan irányba kering a Nap körül és a bolygók holdjai közül is majdnem mindegyik ugyanabba az irányba kering. Ennek megfelel˝o a Nap, a bolygók és holdjaik saját tengely körüli forgása is. Kivétel a Vénusz és az Uránusz tengely körüli forgása. Ennek a két bolygónak a többit˝ol eltér˝o irányú forgástengelye valószín˝u hevesebb, a forgást befolyásoló ütközések hatásával magyarázható. Mindez meggy˝oz˝oen bizonyítja, hogy a teljes Naprendszer egyetlen hatalmas pörg˝o anyagfelh˝ob˝ol keletkezett. Nemcsak a szabályos szerkezet utal arra, hogy a Naprendszer egy id˝oben keletkezett. Az eredeti gázfelh˝ojébe belekerült, a különböz˝o szupernóvarobbanásokból származó por egyenletesen terült szét benne. Napunk tömegének kb. 98%-a hidrogén és hélium, a nehezebb elemek a Nap tömegének kb. 2%-át teszik ki, ezt színképelemzéssel mutathatjuk ki. Eltekintve az illékony gázoktól, a Nap, a Föld és a Hold és a meteorítok átlagos anyagösszetétele lényegében azonos, a Hold összetételét a Holdra szálláskor gy˝ujtött és a Földünkre hozott holdk˝ozetekb˝ol ismerjük. Ez is alátámasztja, hogy a Naprendszer egyid˝oben, ugyanabból az anyagkészletb˝ol keletkezett. Meteorok hullása. Naponta 100 tonnányi por és k˝ozet, meteorit érkezik a világ˝urb˝ol a Földre. Legkönnyebben a jéggel borított Antarktiszon gy˝ujthet˝ok, ahol a fehér felszínen azonnal, messzir˝ol észre lehet venni a égb˝ol érkezett köveket. Hogy honnan, a Naprendszer mely térségeib˝ol érkeznek, ma sem tudjuk pontosan. Amikor a lakásban törölgetünk vagy porszívózunk, valószín˝uleg a világ˝urb˝ol hullott finom port távolítjuk el. 2013. február 15-én Oroszországban, a szibériai nagyváros, Cseljabinszk közelében egy kb. 10 ezer tonnás, 17 méter átmér˝oj˝u meteorit csapódott be. Er˝os fényjelenség és hangrobbanás kísérte a napfelkelte után történt, fél percen át észlelhet˝o eseményt, amelyet számos videofelvétel is rögzített. Az autóbusznyi meteor az észlelések kiértékelése alapján 22 kilométer magasságban robbant fel, a robbanás során harminc hirosimai bombának megfelel˝o energia szabadult fel. Amint a 65 ezer km/h sebesség˝u meteor belépett a légkörbe és lassulni kezdett, el˝otte összenyomódott, mögötte megritkult a leveg˝o és a hatalmas nyomáskülönbség szaggatta darabjaira. A hangrobbanás lökéshulláma a nagyon sok ablakot kitört és az üvegszilánkok 1500 embert sebesítettek meg. Csillagászati becslések alapján hasonló becsapódás évszázadonként egyszer várható. A Nap. Magjának h˝omérséklete kb. 18 millió fok, hidrogénkészlete kb. 10 milliárd év alatt alakul át héliummá. Élete derekán tart, eddig a hidrogénkészlete felét égette el héliummá. 80 millió évenként közel 1%-kal lesz fényesebb. Ötmilliárd év múlva, elfogyasztva a belsejében lév˝o hidrogénkészletet, vörös óriássá alakul. Majd fehér törpecsillaggá válik, héliumot is éget, kevéske szén is termel˝odik benne. Durván 700000 kilométer a Nap sugara. Ezen a vastag rétegen keresztül a magfolyamatokban keletkezett energia körülbelül egymillió éven keresztül jut fel a felszínre. Azaz a Nap által most kisugárzott energia egymillió évvel ezel˝otti magfolyamatokban szabadult fel. Nem csendes, sima áramlással jut fel az energia a Nap felszínére, viharos, robbanásszer˝u kilövellések, napkitörések jellemzik a folyamatot. Napszél és bolygók. Miközben a Napot alkotó anyagfelh˝ok a központ felé húzódtak, a bolygók övezetében lév˝o por és k˝ozetdarabkák is vonzották egymást. Összetömörödtek az ütközések hatására, egyre nagyobb darabok keletkeztek. Egy almányi k˝ozetdarab összetömörüléséhez kb. száz év szükséges, egy földnyi nagyságú bolygó százmillió év alatt képz˝odhetett. Földünk kezdeti állapota 4,5 milliárd éve jött létre, teljes kialakulásához kb. összesen száztíz millió év kellett. A Nap már jóval hamarabb m˝uködni kezdett. Sugárzása felhevítette az alakuló bolygók darabkáit és az illékonyabb gázfelh˝oket. Továbbá a Napból a napkitörések során kiáramló, nagyenergiájú töltött részecskékb˝ol, els˝osorban protonokból álló napszél billiárd golyóként ütközött az útjába es˝o hidrogénnel. és héliummal. Ezeket a Naprendszer küls˝o tartományaiba lökte, fújta ki. Nemrég sikerült megmérni a napszél 54
részecskéinek sebességét. Legalább 200 km/sec sebességgel repülnek és kevesebb mint 10 nap alatt érnek el a Földig, ahol a földmágneses tér eltéríti o˝ ket és sarki fényként észlelhet˝ok. Er˝osebb napkitörések, napviharok idején a részecskék már 2-4 nap elérnek hozzánk és zavarokat okozhatnak a távközlési berendezések m˝uködésében. A Napból kivételesen er˝os napviharok is kitörhetnek. Olyanok is, amelynek az igen gyorsabb részecskéi hatalmas károkat okozhatnak. 1859. szeptember 1-én rendkívüli er˝os napvihar érte el a Földet. Utólagos számítások szerint a nagyenergiájú részecskék kevesebb mint 18 óra alatt értek ide. Olyan er˝os volt a sarki fény, hogy azon az éjszakán Észak-Amerikában egészen Közép-Amerikáig újságot lehetett olvasni. Olyan er˝os földmágneses viharokat keltett a kitörés, hogy valamennyi távíró és más villamos berendezés üzemképtelenné vált és a távíró hivatalokban kitört tüzek számos áldozatot követeltek. Ez akkor nem rendítette meg annyira a mindennapokat, de ma felmérhetetlen következményekkel sújtana bennünket. 2012 júliusában a Nap túlodalán történt hasonló energiájú kitörés. Szerencsére Földünkr˝ol csak egy hét elteltével vált láthatóvá a kitörés helye, de egy, a Nap körül a Föld el˝otti pályán kering˝o mesterséges hold észlelte a kitörést és megmérte az er˝osségét és terjedési sebességét. A napszél miatt a Naphoz közelebbi övezetb˝ol elt˝untek a gázok. Kristályosodott fém-oxidokból és fém-szilikátokból épültek fel a bels˝o égitestek: a Merkúr, Vénusz, Föld, Hold, Mars, míg a Naptól távoli bolygók, a Jupiter, Szaturnusz, Uránusz, Neptunusz hatalmas gázfelh˝okb˝ol, hidrogénb˝ol, héliumból és metánból képz˝odtek. A bels˝o tartományokból kifújt gáz els˝osorban a Jupiter tömegét gyarapíthatta.
10.2.
Föld fejl˝odése
Föld bels˝o szerkezete. Amint a tömegvonzás a Földet alkotó porfelh˝ot összehúzta, a s˝ur˝usöd˝o anyag, akárcsak a csillag tömöröd˝o gázfelh˝oje, felhevült, majd megolvadt. Hevíti a kialakuló bolygót a becsapódások során keletkezett h˝o, valamint a k˝ozetek radioaktivitása során felszabaduló energia is. Még ma is sok ezer fok van a Föld belsejében. Ezt részben a radioaktív atommagok bomlásakor felszabaduló energia tartja fenn. 4,5 milliárd évvel ezel˝ott a radioaktivitás szintje még sokkal magasabb volt. A megolvadt földgolyóban megindult az elemek áramlása. Lefelé, a magba süllyedtek a nehezebb elemek, a könnyebb elemek felfelé törekedtek. Ez az átrendez˝odési folyamat nem fejez˝odhetett be teljesen, mert közben, a leh˝ulés során a Föld kérge megszilárdult. Földünk k˝ozeteinek kora a k˝ozetekben található izotópok arányából határozható meg. Nézve a még meglév˝o radioaktív elem és a bomlása során bel˝ole keletkezett izotópok mennyiségét, valamint a bomlási id˝ot, a k˝ozet megszilárdulásának id˝opontja egyszer˝uen megkapható. Földünk sugara 6371 kilométernyi. Magjának sugara kb. 3400 km, a mag f˝oleg vasból és nikkelb˝ol áll. Valószín˝u az 5000 Celsius fokot is meghaladja a h˝omérséklete, de olyan nagy a nyomás, hogy a fém a mag bels˝o részében szilárd halmazállapotú. A mag küls˝o részén a nyomás már kisebb, itt a fém olvadt állapotban van. Vastag köpeny fedi a magot, ez f˝oleg szilíciumot, magnéziumot, vasat és oxigént tartalmaz. A köpenyt a földkéreg takarja, melynek vastagsága az óceánfenéki részeken néha csak 3 kilométer, másutt a 70 kilométert is elérheti. Földünk belsejér˝ol a földrengések tanulmányozásával szerezhetünk ismereteket. A földrengés kipattanásakor rezgéshullámok keletkeznek. Ezek hanghullámok, csak nem a leveg˝oben, hanem a Föld belsejében, a szilárd és a földmag körüli cseppfolyós közegben is terjednek. Terjedési sebességük a közeg összetételét˝ol, halmazállapotától és h˝omérsékletét˝ol függ. Amikor a hanghullám közeghatárhoz ér, visszaver˝odhet vagy törést szenvedve behatol a közegbe. A földrengés által keltett rezgéshullámok bolygónk belsejét átjárva mintegy ’átvilágítják’ a Földet, akárcsak az ultrahang az embert. Szerte a különböz˝o földrészeken megfigyel˝oállomások m˝uködnek, ahol felfogják és rögzítik a keletkezett rezgéshullámokat. Együtt elemezve a különböz˝o helyeken és alkalmakkor észlelt adatokat térképezték fel és tanulmányozzák ma is, hogy milyen a Föld belsejének szerkezete. Hold kialakulása. Holdunk egyike a Naprendszer nagyobb bolygóinak, nagyobb, mint a Merkúr. Más bels˝o bolygótól eltér˝oen nincs fémes magja, anyaga a Föld köpenyének anyagával megegyez˝o. Valószín˝u55
leg úgy keletkezett, hogy a kezdeti állapotú Föld mintegy 4,4 milliárd éve egy Mars nagyságú bolygóval ütközött és az ütközés ereje a Föld köpenyéb˝ol vetette ki Föld körüli pályára a Holdat. Ez a becsapódás lehet az oka annak, hogy a Föld ennyire gyorsan forog a tengelye körül. Valószín˝u a becsapódásnak tulajdonítható a Föld tengelyének a ferdesége is, amely az évszakok változását okozza. Föld mint kivételes helyzetu˝ bolygó. Földünk a Naptól való távolságnak köszönhet˝oen figyelemreméltó egyedi sajátságokkal rendelkezik. Olyan távol van a Naptól, hogy meg tudta o˝ rizni illó gázfelh˝oinek egy részét. Ennek köszönhet˝oen víz halmozódhatott fel rajta. Ha a Naphoz közelebb volna, a napszél lefújta volna róla a vízmolekulákat. Tengely körüli forgásának ideje elég rövid ahhoz, hogy a Nap által kisugárzott energia egyenletesen oszoljon el a felszínén. Nagy tömeg˝u kísér˝o bolygója, a Hold, az árapály jelenségeken keresztül meghatározó módon befolyásolta a földi élet kialakulását. Légkör és felszín kialakulása. Bolygónk eredeti alkotórészei, az összetömörödött por és k˝ozetdarabkák még b˝oven tartalmaztak rájuk fagyott vizet és egyebet. Eredetileg a napszél csak a szemcsékhez nem kötött illó gázokat tudta kiseperni. Kés˝obb a megolvadt k˝ozetek gáz és g˝oztartalma a t˝uzhányók m˝uködése során a felszínre tört. Földünk o˝ si légköre tehát másodlagos folyamatok eredménye, a szemcsék által megkötött gázokból és g˝ozökb˝ol származik. Bolygónk légkörének többi része a Naprendszer belsejét rendszeresen látogató üstökösök anyagából került ide, az üstökösök nagy mennyiség˝u jéggel, széndioxiddal és kisebb szerves molekulákkal terítették be a Földet. Amint megszilárdult és leh˝ult a földkéreg, lecsapódott a felszínre tört vízg˝oz és kialakult az o˝ stenger. Földrészek még nem alakultak ki, csak a t˝uzhányók által kialakított szigetek emelkedtek a vízszint fölé. Széndioxid, kevés nitrogén és vízg˝oz alkották az o˝ si légkört, nyomokban volt még benne ammónia, metán, kénsav és sósav is. A Földdel ütköz˝o kisbolygók, meteorítok óriási tölcséreket ütöttek a földkérgen. Akár az o˝ stenger vizét is felforralhatta az ütközések energiája és törmelékei szigeteket építhettek. De a nagyobb kisbolygók még a földkérget is átütötték, hatalmas mennyiség˝u anyagot és energiát juttatva a Föld mélyébe. Ezután a teljes földkéreg is megolvadhatott és ilyenkor valamennyi korábbi kialakult képz˝odmény elt˝unik. M˝uködésbe lépett a légkörben lév˝o széndioxid és vízg˝oz hatására az üvegházhatásként ismert jelenség, amely növelte a felszín h˝omérsékletét, lásd lentebb. A savak hatására beindult a vegyi mállás, mert a savas víz oldja a k˝ozetek egyes elemeit. A kioldott elemek közül legfontosabb a kalcium, ez megköti a légkör széndioxidját, miközben mészk˝o keletkezik. Ha a légkörben kevesebb a széndioxid, csökken az üvegházhatás és alacsonyabb lesz a h˝omérséklet. Ekkor vízpára csapódik ki a légkörb˝ol és még kedvez˝obbé válnak a széndioxid légkörb˝ol való kivonásának feltételei. Ezzel az öngerjeszt˝o folyamattal a Föld felszíni h˝omérséklete egyre csökken, miközben a tengerben lév˝o víztömeg n˝o. Az u˝ rb˝ol érkez˝o nagyobb tömeg˝u testek becsapódása négymilliárd évvel ezel˝ott kezdett ritkulni, az utolsó nagyobb, a földkérget is megolvasztó becsapódás 3,8 milliárd éve történt. Ezután kezd˝odhetett a földrészek kialakulásának és növekedésének kora, a legid˝osebb k˝ozetek körülbelül ilyen id˝osek lehetnek. Körülbelül hárommilliárd évvel ezel˝ott kezdett kialakulni a földrészek mai arculata.
10.3.
Körforgások a Földön
Földünk fels˝o rétegei, mint a kéreg, a felszín és a légkör körfogások résztvev˝oi. A h˝otan tételei értelmében olyan folyamatoknak kell a felszínen lejátszódniuk, hogy egyrészt a Föld belseje minél gyorsabban kih˝uljön, másrészt a felszíni h˝omérséklet különbségek minél teljesebben és gyorsabban egyenlít˝odjenek ki. A felszínen a Nap által sugárzott energiák által létrehozott h˝omérséklet különbségeknek kell kiegyenlít˝odniük és nagyobb különbségek körfolyamatokba szervez˝odve egyenlít˝odhetnek ki a leggyorsabban. A legfontosabb földi körforgások a k˝ozetek, a leveg˝o és a víz körforgásai.
56
K˝ozetek körforgása. A Föld felszínének 71%-án óceánok terülnek el, 29% a szárazföldek aránya. Ez a viszony a földkéreg tevékenységére vezethet˝o vissza. Ha a kéreg merev lenne, akkor a víz, a szelek pusztító hatása egyenletesre koptatná a szilárd anyagot. Ekkor a szárazföldeket szerte a bolygón mindenütt azonos mélység˝u vízréteg borítaná. De a földkéreg állandó változásban van, kb. tucatnyi nagyobb és néhány kisebb lemezre van a földkéreg szabdalva, és ezek lassú mozgásban vannak. Ez a földrészvándorlások magyarázata. Amerika és Európa évente pár centit távolodnak egymástól. Mozognak a kéreglemezek, mert izzik a Föld magja, hevíti a magot körülvev˝o köpenyt, folyamatban van annak átalakulása, néha megmegrottyan, ezek a rottyanások mozgatják a földkérget. Úgy változik a köpeny és a földkéreg, hogy a h˝otan II. f˝otétele értelmében a Föld belseje minél gyorsabban kih˝ulhessen. Csúsznak, mozognak a kéreglemezek, találkozásuk hegységek keletkezéséhez vezet, mindezt t˝uzhányók m˝uködése, földrengések kísérik. Határt szab a hegységek magasságának, hogy a k˝ozetek nem bírnak el bármekkora nyomást. Olyan nagy a legmagasabb hegységek tömege, hogy a ránehezed˝o nyomás hatására szakadozni kezdenek a tartólemez atomi és molekuláris kötései. Azaz a nyomás növekedésével a k˝ozet szilárdsága, olvadáspontja csökken. Lassan belesüpped a hegység a földkéregbe, egészen addig, amíg a rá ható nyomás annyira le nem esik, hogy az alapban lév˝o k˝ozet megszilárdulhat. A Himalája magassága a lehetséges magasság közelében van, a Mount Everestnél sokkal magasabb hegycsúcs nem létezhet. A felszínre került t˝uzhányói (vulkanikus) k˝ozeteket a víz, jég és szél munkája darabolja, pusztítja. Egyenletessé koptatja a felszínt az es˝o, a szél és a folyó a magasabban fekv˝o anyagot az alacsonyabban lév˝o helyekre hordja. Az így keletkezett anyag és a tengeri állatok maradványai által képzett üledék alkotja azután az üledékes k˝ozeteket. A lesüllyedt üledékes k˝ozetek a nagy nyomás és h˝omérséklet hatására átalakulnak, metamorfnak nevezett k˝ozetté válnak. Átalakult k˝ozet a márvány is. Kezdetben a márvány a mészvázú tengeri állatokból képz˝odött üledékes k˝ozetként, mészk˝oként létezett. A mélyebbre süllyedt mészkövet a kéregmozgások során fellép˝o nagy nyomások és magas h˝omérsékletek márvánnyá alakították. Majd a márvány a feltorlódó hegységek anyagaként kerül a felszínre. Az átalakult k˝ozetek keverednek a köpeny anyagával, majd az így átdolgozott anyagot a t˝uzhányók a felszínre vetik. T˝uzhányói, üledékes és átalakult k˝ozetek egymásba alakulva alkotják a kéregbeli körforgást, az ún. k˝ozet körforgást. A k˝ozet körforgás már többször is lejátszódott bolygónkon. Ásványok szerepe a széndioxid körforgásában. A légkör széndioxid tartalmát természetes visszacsatolási rendszer tartotta közel állandó értéken. 610 ezer évre visszamen˝oen, az antarktiszi jégrétegekbe szorult gázbuborékokat elemezve meghatározták a légkör CO2 tartalmát és ezzel párhuzamosan az adott id˝oszak tengerfenéki üledékeinek jellegét. Ezzel követhették, mi lesz a t˝uzhányókból és a forró vizes feltörésekb˝ol a légkörbe és vízbe jutó széndioxid sorsa. Amint egy t˝uzhányó kitörésekor megugrik a légkör CO2 tartalma, megn˝o az es˝okkel a talajba mosódó szénsav mennyisége, ami növeli a talaj ásványaiból kioldott ionok, közöttük a kalcium ion mennyiségét. Ezek a vízzel el˝obb a folyókba, majd a világtengerekbe jutnak. Ott a kalcium ionok és a tengervíz szénsav molekulái beépülnek a puhatest˝u állatok mészpáncéljába és amint azok a tengerfenékre süllyednek, a kalcium és széndioxid az üledék anyagaként visszajut a földkéregbe. Mivel a folyamat, a talaj pusztulása és tengerekbe mosódása lassan zajlik, az ember által a légkörbe jutott hatalmas mennyiség˝u CO2 ezen az úton csak hosszabb id˝o múltával vonódhatna ki a légkörb˝ol. Miközben 0,1 milliárd tonna széndioxid kerül évente a földkéregb˝ol, azaz a t˝uzhányókból és a forróvizes feltörésekb˝ol a légkörbe, az ember az o˝ smaradványi tüzel˝oanyagok, a szén, olaj és gáz elégetésével valamint az erd˝ok pusztításával ennek a százszorosát, évi 10 milliárd tonna széndioxidot juttat a leveg˝obe. Ez a mennyiség óriási nagy a jégbe szorult légbuborékok segítségével mért természetes ingadozásokhoz képest és nagy befolyást gyakorol az éghajlatra, a világtengerek és általában a földi él˝ovilág állapotára. Felszín által elnyelt és kibocsájtott sugárzások. Napunk durván 6000 Kelvin h˝omérséklet˝u testként sugároz, és a világ˝ur igen hideg. Bolygónk felszíne nem egyenletesen nyeli a napfényt. Az egyenlít˝oi és sarki 57
övezetek közötti h˝omérséklet különbségek minél gyorsabb kegyenlítésére légköri és tengeri vízkörzések alakultak ki. Bolygónk felszínének átlagos h˝omérséklete 13 Celsius fok, átszámítva 286 Kelvin, azaz a Föld csaknem 300 Kelvin h˝omérséklet˝u testként sugároz. Mivel a sugárzás fotonjainak energiája a sugárzó test felszínének h˝omérsékletével arányos, a Föld által kisugárzott foton energiája huszada az elnyelt napsugár foton energiájának. Azaz a felszín huszadára darabolva szórja vissza a világ˝urbe az elnyelt napsugárzás energiáját. Minél több napsugarat nyel el és szór szét a Föld felszíne, annál jobban teljesül a h˝otan II. f˝otétele, amely a Nap és a világ˝ur sugárzási terei közötti h˝omérsékletkülönbség minél gyorsabb és teljesebb kiegyenlítését írja el˝o.
27. ábra. Földünk felszínére 342 W/m2 napsugárzás jut. Ebb˝ol 77 W/m2 -nyit a leveg˝oburok, felh˝ok, légköri szemcsék azonnal visszavernek, 30 W/m2 -nyit a talaj felszíne ver vissza. A felszín által elnyelt teljesítmény 168 W/m2 -nyi. A beérkez˝o napsugárzásból 67 W/m2 -nyit a légkör nyel el. A felszínr˝ol 24 W/m2 a leveg˝o felmelegedésével, 78 W/m2 párolgási h˝oként távozik. A felszín h˝osugárzása 390 W/m2 , ebb˝ol 40 W/m2 jut ki közvetlenül a világ˝urbe, a többit a légkör az üvegházhatás eredményeként elnyeli. A légkör 324 W/m2 -nyit sugároz a felszínre. A légkör 165 W/m2 -nyi, a felh˝ozet 30 W/m2 -nyit sugároz ki a világ˝urbe. Nézzük meg, mi történik Földre érkez˝o napsugárzással. Amint a 27. ábra mutatja, a Föld felszínére leérkez˝o napsugárzás négyzetméterenkénti teljesítménye 342 watt. Ennek kb. felét a talajszint, ötödét a légkör nyeli el, a többit a leveg˝oburok, a felh˝ok, a légköri szemcsék és a talaj felszíne visszaveri. A felmelegedett talajról a h˝o egyrészt a leveg˝o felmelegítésével, párolgással valamint sugárzással távozik, ugyanakkor a légkör sugárzása is melegíti a felszínt. A sugárzási mérleget a légkör és a talajszint kisugárzása egyenlíti ki. Üvegházhatás és világméretu˝ felmelegedés. A légkör gázainak elnyel˝oképességér˝ol lásd a 16. ábrát. Mutatja, hogy a kisebb hullámhosszú ibolyántúli sugárzást az oxigén molekulák és az ózon szinte teljesen elnyeli. A látható fény tartományában alig van elnyelés. Majd a hosszabb hullámhosszak tartományában els˝osorban a vízg˝oz és a széndioxid nyeli el a sugárzást. A hosszabb hullámhosszú tartományban els˝osorban a Föld felszíne sugároz, ennek hatását mérsékli a légköri gázok üvegházhatása. Közel állandó a földi átlagh˝omérséklet, ami az üvegházhatás függvénye. Az üveg a napfényt átereszti, a szobából illetve üvegházból kisugárzott h˝ot viszont elnyeli. Ezen alapul az üvegházak környezetüknél magasabb h˝omérséklete. A legalább három atomból álló gázmolekulák, így a vízg˝oz és a széndioxid is így viselkednek, azaz a napsugárzást szabadon áteresztik, viszont a Föld által kibocsájtott h˝osugárzást elnyelik. Ennek az az oka, hogy hogy a három vagy többatomos molekulák forgási energiaszintjei közötti különbségek a Föld felszíne által kibocsátott h˝omérsékleti sugárzások energia tartományába esnek. Üvegház gázoknak nevezzük o˝ ket, mert h˝ocsapdaként szolgálnak. Például ha a széndioxid mennyisége lecsökken, akkor csökken a felszíni h˝omérséklet. Ha a légkörben a széndioxid felszaporodik, akkor a h˝omérséklet megn˝o. Továbbá a leh˝ulés miatt a Föld felszínén lév˝o hó és jég felszaporodása a h˝omérséklet további
58
csökkenéséhez vezet, ugyanis a hó és jég visszaveri a felszínre jutó napfényt. Azaz a jegesedett területek növekedése öngerjeszt˝o folyamat, jégkorszakok kialakulásához vezet. A felmelegedés tényét nagyon sokan tagadják, pedig a tengerek szintjének növekedése egyértelm˝uen arról tanúskodik, hogy a felmelegedés gyorsul. Egyrészt azért növekszik évr˝ol-évre a tengerszint, mert a melegebb víz s˝ur˝usége kisebb és így a térfogata nagyobb. Továbbá a szárazföldekre kifagyott víz, els˝osorban a grönlandi és anktartiszi jég olvadása is a tengerszintet növeli. 1870-2004 között a tengerszint 19,5 centiméterrel n˝ott. 1950-2009 között ennek mértéke 1.7 mm/év. 1993-2009 között ez az adat csaknem kétszer akkora, 3.3 mm/év. A tengerszint megbízhatóbban tájékoztat a felmelegedés mértékér˝ol, mint a légkör és a szárazföldek h˝omérsékletei. Utóbbiak csak a felmelegedéskor kapott h˝o töredékét veszik fel és az óceánok felszíni vízh˝omérsékletének értékével együtt változnak. Az utóbbi évtizedekben a mérések szerint els˝osorban a óceánok mélyén lév˝o víztömeg h˝omérséklete n˝o. A felszínen mérhet˝o h˝omérsékletek viszonylagos állandósága ne tévesszen meg bennünket, a melegedés egyre hevesebb. Szelek és tengeráramlatok. Az id˝ojárás légköri körforgásai a napsugárzás energiáját csoportosítják át. Az egyenlít˝oi térségekben felhevült leveg˝o felemelkedik és a sarkok felé áramlik. Ott lesüllyed és az onnan indult hideg szelek az egyenlít˝o felé fújva zárják be a légkörzést. Ha a Föld nem forogna, akkor az északi féltekén a talaj szintjén állandó északi szél fújna. Ám a légkörzések jellegét a Föld forgása is befolyásolja, ennek megfelel˝oen a mérsékelt égövben az északi féltekén az uralkodó szél nyugatról keletre fúj.
28. ábra. A nagy óceáni szállítószalag. Nem az áramlások tényleges képét mutatja, az ennél jóval összetettebb, hanem a világóceánok vízkörzésének általános képét szemlélteti. Végeredményben a szállítószalag a három óceán forró égövi térségeib˝ol hatalmas mennyiség˝u h˝ot juttat az Atlanti-óceán északi térségébe. Hatalmas, összefügg˝o rendszert alkotnak a tengeri, óceáni áramlatok. Ez az úgynevezett nagy óceáni szállítószalag, amely az Atlanti-, Csendes- és Indiai-óceán egyenlít˝oi térségeib˝ol szállítja a meleget az Atlanti-óceán északi részébe, lásd a 28. ábrát. Maga a Golf-áram csak egy része ennek a világtengereket összeköt˝o áramlási rendszernek. Ezt az áramlást végs˝o soron az Atlanti-óceán vizének magasabb sótartalma hajtja. Azért sósabb az Atlanti-óceán, mert viszonylag kicsi a felszíne. Ezért a bel˝ole elpárolgott víz jó része a szárazföldekre hull vissza. Viszont a másik két óceán vizét a párolgás nem töményítheti annyira, hiszen a csapadék f˝oleg az óceánokba hull vissza. A víz 4 Celsius fokon a legs˝ur˝ubb, de az eléggé sós víz annál s˝ur˝ubb, minél alacsonyabb h˝omérséklet˝u. Északra érve a Golf-áram melegebb vize leh˝ul, majd ott, mivel eléggé sós, lesüllyedhet az óceánfenékig és hideg mélyvízi áramlatként juttatja vissza a vizet az Indiai- és Csendes-óceán trópusi övezeteibe. Odáig eljutva sótartalma felhígul és a hígabbá, így kisebb s˝ur˝uség˝uvé vált víztömeg emelkedni kezd. Nagyjából a Galapagos szigetek térségében tör a felszínre, az áramlási kör így zárul. Mivel az Északi-sark jégtakarója olvadásnak indult, a térségben a víz sótartalma csökken és a nagy óceáni szállítószalag hamarosan leállhat. Újabb mérések szerint ez a folyamat felgyorsul, a Golf áram gyöngül. Mivel telente korábban csak gyenge fagyok fordulhattak el˝o, Londonban pálmafákat is lehet 59
látni és egyszeres volt az ablaküveg. A Golf áram gyengülése miatt Angliában egyre keményebbé váltak a telek, különösen a 2013 márciusi és április elejei kemény id˝ojárás utal arra, hogy komolyabb átmeneti változásokra kell felkészülni. A sarkvidék az egyenlít˝oi térségnél er˝osebben melegszik. Mivel az Egyenlít˝o és az Északi-Sark közötti h˝omérséklet csökken, a kett˝ojük közötti h˝omérséklet különbséget kiegyenlít˝o légáramlatok, szelek természete is átalakulóban van. Emiatt változik az éghajlat. Egyre gyorsabban olvad az Északi-Sark jege, és akár pár évtized alatt elt˝unhet. Ekkor gyorsul majd fel a kiegyenlít˝o légáramlatok átrendez˝odése, amely el˝oreláthatólag pár évtized alatt megtörténhet. A felfelé áramló, a sarki tengereket melegít˝o tengeri áramlatok és a meleg leveg˝ot az eddigit˝ol különböz˝o módon felfelé szállító szelek hatására nemcsak Angliában, hanem akár Skandináviában is megjelenhetnek a pálmafák. De addig széls˝oségesebb id˝ojárási ingadozásokra kell felkészülnünk, els˝osorban tavasszal és o˝ sszel. Grönland jégtakarójába mélyen lefúrva tízezer évekre visszamen˝oen meghatározták, hogy milyenek voltak az adott években a átlagh˝omérsékletek. Innen tudjuk, hogy az átlagh˝omérséklet akár pár évtizeden belül is képes több fokot emelkedni vagy süllyedni. Mivel a grönlandi átlagh˝omérsékletet a Golfáram viselkedése szabja meg, mindez a Golf-áram id˝onkénti újraindulására vagy leállására utal. Amikor a Csendes-óceán vízmozgásai az El-Nino jelenség miatt egy id˝ore megváltoznak, a nagy óceáni szállítószalag a Galapagos szigetek helyett valahol délebbre a chilei partok mentén tör a felszínre. Az El-Nino jelenség gyakran feler˝osödik és súlyos csapásokra vezet˝o éghajlati változásokat okoz szerte a csendes-óceáni térségben. Riasztó az a felfedezés, miszerint nemrég az Andok egy gleccserében meleg égövi növényeket találtak befagyva. Ez arra utal, hogy az éghajlatváltozás akár egyik napról a másikra is bekövetkezhet. Az akkor nyáron betör˝o jeges fergeteg nem egyszer˝u id˝ojárási széls˝oség, hanem éghajlatváltozás volt. Földünk vízkészletének jelent˝os része jég állapotú. Id˝or˝ol-id˝ore a Föld vízkészletének egy nagyobb része eljegesedik, ilyenkor beszélünk jégkorszakokról. Ekkor az óceánok vízszintje lecsökken, mert a grönlandi vagy antarktiszi szárazföldre víz fagy ki. Jégkorszakban, a tenger szintjének csökkenésével kialakult szárazföldi átjárón jutott át Ázsiából Alaszkába az Amerikába átvándorló ember. Körkörös viselkedést mutatnak a jégkorszakok, ezeket legegyszer˝ubben a Föld forgástengelyének változásaival magyarázhatók. Ez ugyanis befolyásolja, mennyi napfényt nyelhet el a Föld felszíne. Víz és a vegyi elemek körforgásáról. A természetben való körforgása során a tengerekb˝ol, óceánokból elpárolgó víz a fellegekbe kerül, onnan csapadékként jut vissza az óceánokba, tengerekbe vagy a szárazföldre. A szárazföldre jutó csapadék egy része a talajvízbe, a víztartó rétegekbe kerül. Ha ezt a vízkészletet megcsapoljuk, elhasználjuk, csak nagyon hosszú id˝o után tölt˝odik fel újra. Még a fenti körforgásokon kívül beszélhetünk a különböz˝o kémiai elemek, a szén, a nitrogén körforgásáról is. Változhat a körforgások természete, er˝osen függhet a h˝omérsékleti viszonyok változásaitól, kaotikus viselkedést mutathat, gondoljuk az El-Nino rendszertelen megjelenéseire. A Golf-áram fentiekben tárgyalt leállása szintén kis változások függvénye lehet.
11. Élet és fejl˝odése Bolygónk felszínén a h˝otan f˝otételeinek megfelel˝oen azok a folyamatok nyertek és nyernek teret, melyek által a Föld felszíne több napsugarat nyelhet el és szórhat vissza a világ˝urbe. A víz, a k˝ozetek és a leveg˝o, az anyagot alkotó molekulák mozgási energiájaként veszi fel és tárolja az elnyelt napsugárzást. Kémiai energiaként is megköthet˝o a napsugárzás. Mivel a Föld felszínén nagyon sokféle atom, molekula van jelen, fénymegkötésen alapuló vegyi folyamatok zajlhatnak le, s˝ot a még több fényt elnyelni képes összetettebb kémiai körfolyamatok is létrejöhetnek. Ilyen folyamat kiindulópontja lehetett a fény megköt˝o és kés˝obb kisugárzó cinkszulfid is. Nemrég fedezték fel, hogy széndioxidban dús légkörben a cinkszulfid fényt nyel 60
el és eközben a széndioxidból megköti a szenet és oxigént szabadít fel. Ilyen folyamatokban, egyre több napfényt megkötve, mind összetettebb szénláncú szerves vegyületek jöhetnek létre. Amint az összetettebb vegyület felbomlik, a megkötött fényenergia h˝oként szabadul fel. Azok a szerveskémiai folyamatok, amelyek napfényt képesek megkötni, majd h˝oként szétoszlatni, kiválasztódtak és gyakoribbakká váltak. Azért is érdekes a cinkszulfidra épül˝o folyamat, mert a leg˝osibb fehérjékben sok a cink. Meglehet, ez volt az élet kialakulása felé vezet˝o egyik els˝o lépés. Nem tárgyaljuk részletesebben, mint jöhettek létre és mint válhattak egyre összetettebbé a mind több napfényt megkötni majd szétszórni képes szerveskémiai folyamatok. Önmagukat megkett˝ozni, vagy kisebb változásokkal örökíteni, még több energiát megkötni és szétszórni képes rendszerek választódtak ki. Megjelentek olyan rendszerek is, amelyek nem pusztán a kialakulásukkal és felbomlásukkal vettek fel és szórtak szét még több energiát, hanem a környezettel folytatott anyagcsere folyamatok, vegyületek felvétele és kibocsátása útján is. Talán nem is lehet pontosan megállapítani, milyen folyamatok sorozata után jelentek meg az els˝o, már él˝onek nevezhet˝o rendszerek. Annyit mondhatunk, hogy a h˝otan f˝otételeinek megfelel˝o irányzat, az egyre több hasznosítható energia felvételének majd szétszórásának képessége választotta ki o˝ ket. Nem csak az élet megjelenése, hanem az új fajok megjelenése, a törzsfejl˝odés, a táplálékláncok kialakulása mögött is a h˝otan f˝otételei állnak. Képzeljük el, a szárazföldön csak növények n˝onek, még nincs növényev˝o. Megköti a növény a napfényt, szerves vegyületekben tárolt energiája anyagcseréjekor és a növény pusztulásakor szabadul fel. Amint megjelenik a növényev˝o, annak szervezetében a lelegelt növény szerves vegyületeinek energiája azonnal szétoszlik, nagyrészt h˝oként szabadulva fel. Mivel a lelegelt helyén újra n˝ohet növény, a növényev˝o megjelenésével több napfényt nyel el a természet, azaz zöldebbé válik a Föld. Hasonlóan zöldebbé teszi a természetet a fennmaradni képes ragadozó. Általánosan, a törzsfejl˝odés természetes folyamatában megjelent faj akkor maradhat fenn, ha a táplálkozásával a tápláléklánc több energiát alakíthat h˝ové. Azaz az új fajjal megn˝o a megkötött majd szétoszlott napenergia mennyisége, zöldebb lesz a természet. Láthatjuk, a törzsfejl˝odés két alapvet˝o tétele, a természetes kiválasztódás és a legalkalmasabb térnyerése a h˝otan f˝otételeinek m˝uködésére vezethet˝o vissza. A hõtan fõtételei segítségével válik érthet˝ové, miért annyira elterjedt az élet és mi a törzsfejl˝odés hajtóereje. De az élõ szervezetek m˝uködésér˝ol a h˝otan fõtételeir˝ol éppúgy nem mondanak közelebbit, mint ahogyan az egyszer˝ubb molekulák, az összetettebb vegyi rendszerek kialakulásának törvényeit sem taglalják. De kijelenthetjük, az élet megjelenését és evolúcióját leíró természeti törvények ugyanúgy léteznek, mint az atomok és a molekulák és más rendszerek keletkezését megadóak. Mivel a túlélést segít˝o értelem megjelent és elterjedt, az értelem keletkezése is a természeti törvények következménye.
11.1. DNS és gének
Mindenképp az él˝o sajátja a magas fokú szervezettség. Hatalmas mennyiség˝u adat szükséges az él˝o meghatározásához ennek hordozója a DNS(dezoxiribonukleinsav). Valamennyi él˝o szervezet közös jellemz˝oje, hogy szervezettsége a DNS-re épül. A DNS az él˝olény minden egyes sejtmagjában teljes egészében jelen van. Egy adott sejtjében a DNS-nek csak az a része tevékeny, amelyik a sejt életm˝uködéséhez szükséges. Nyelvi szabályokhoz hasonlíthatjuk a DNS adattartalmának tárolását. Rendszeres, ütemes ismétl˝odés, ami a kristályokat jellemzi, a DNS-ben nincs. Egy verssor ’Hazádnak rendületlenül..’ nem tartalmaz egyszer˝u ismétl˝od˝o sorozatokat. Hasonlóan a DNS-láncon lév˝o bázisok sorozata sem jellemezhet˝o valamiféle szabállyal. Hogy milyen a DNS-láncon a bázisok sorrendje, azt nem egyszer˝u fizikai vagy kémiai törvények, hanem élettani jellemz˝ok adják meg. Fehérje, aminosav, gén. Egy sejt életét a fehérjék m˝uködése és együttm˝uködése szabályozza. Például valamennyi enzim fehérje és a hormonok nagy része is fehérjemolekula. A DNS-lánc egyrészt az életfolyamatok vezérléséhez szükséges fehérjék készítéséhez adja meg a leírást. Másrészt a DNS-lánc irányítja 61
a folyamatok egészét is, megadja, hogy mikor éppen mely fehérjék készüljenek el és mely fehérjék termelése sz˝unjön meg. 20 alapvet˝o aminosav építi fel a fehérjéket. Egy fehérje általában ötvent˝ol tízezerig terjed˝o számú aminosavból áll. A DNS tárolja a fehérjét felépít˝o aminosavak sorrendjét, meghatározva ezzel a fehérjetermelés folyamatát, azt, hogy mikor melyik aminosav épüljön be a fehérjét alkotó láncba. Egy fehérje alakja, vegyi, villamos és egyéb tulajdonsága érzékenyen függ attól, milyen a fehérjét felépít˝o aminosavak sorrendje. Mivel az egyes aminosavak meghatározott módon köt˝odhetnek egymáshoz, ezért akár egyetlen aminosavnak egy másikra való cseréje is komoly változást idézhet el˝o. Ha ugyanis az adott helyen egy másik aminosav szerepel, akkor ott másféle módon csavarodhat a fehérjelánc. Emiatt más lehet a fehérje egészének alakja és változhatnak tulajdonságai. Az egyetlen fehérjét leíró DNS-szakaszt génnek nevezzük. Fehérjegyártás közben a DNS a sejtmagban marad. A sejt többi részével való kapcsolat tartása egy másik nukleinsav, az RNS (ribonukleinsav) feladata. Aminosavak kijelölése, a genetikai kód. Míg a számítógép kettes számrendszerben dolgozik, a DNS négyes számrendszer˝u, merthogy négyféle bázisa létezik, jelöléseik T, C, A, G. Ennek a 4 bázisnak a segítségével címezi meg a DNS a 20 alapvet˝o, fehérjét felépít˝o aminosavat. Ez a címez˝o táblázat a genetikai kód. A genetikai kódban a T bet˝u helyett az U bet˝u szerepel, mivel a DNS-r˝ol leolvasott adatokat közvetít˝o RNS molekulában a T jel˝u bázisnak az U jel˝u bázis felel meg. Egy aminosavat a DNS 3 egymás melletti bázisa, ezt hívják bázishármasnak, jelöli ki. Felhasználva a fenti négy bet˝ut, a bázishármasokból összesen 43 = 64 van, azaz ennyi aminosavat tudnának megcímezni. Mivel csak 20 aminosav játszik szerepet, ugyanazt az aminosavat többféle bázishármas is jelölheti, például a GUU, GUC, GUA, GUG bázishármasok ugyanazt az aminosavat, a valint, a GAA és GAG bázishármasok pedig a glutaminsavat jelölik. Aminosavat a 64 bázishármas közül csak 61 címez, három bázishármas a gén kezdetét illetve végét jelöli ki. Egyetemes, minden él˝ore azonos a genetikai kód. Ez is az él˝ovilág közös eredetét bizonyítja. Genom, kromoszóma. A teljes emberi DNS-lánc, amit az emberi genomnak nevezünk, 3,2 milliárd bázispárból áll és kb. 2 méter hosszú. Hasonlóan beszélünk egy él˝ocske (baktérium), a rizs vagy az egér genomjáról. Nem egyetlen hosszú láncba, hanem kromoszómákba rendez˝odik a DNS, ezek a DNS láncot felcsavarodott alakzatokban tartalmazzák. 23 pár kromoszómája van az embernek. Megkett˝oz˝odve tartalmazzák a DNS-láncot a kromoszómák, egyik lánc az apától, másik az anyától származik. Emiatt a gének többségéb˝ol kétféle változat állhat rendelkezésre. Kérdés, mennyire határozza meg az egyén életét a DNS lánca, azaz a kromoszómáiban tárolt adatok összessége. Mint tervraktárt foghatjuk fel. Mi valósulhat meg bel˝ole, egy gén két változata közül éppen melyik léphet m˝uködésbe, az már a környezett˝ol is függ. Hemoglobin készítésének el˝oírása. A gének m˝uködésének szemléltetésére nézzük meg, hogyan néz ki a hemoglobin készítésének eljárását megadó gén. A hemoglobin molekula többek között négy fehérjeláncot is tartalmaz, két ún. alfa és két béta láncot, mind a 4 lánc 146 aminosavból áll. Itt a béta lánc aminosavsorrendjét adjuk meg. Fels˝o sor emberre, alsó sor nyúlra vonatkozik. Az aminosavakat az irodalomban szokásos módon nagybet˝uvel jelöljük, például V a valint, H a hisztidint, L a leucint, E a glutaminsavat kódolja. VHLTPEEKSAVTALWGKVNVDEVGGEALGRLLVVYPWTQRFFESFGDLSTPDAVMGNPKVKAHGKKVLGAFSD
emberben; 1-78
VHLSSEEKSAVTALWGKVNVEEVGGEALGRLLVVYPWTQRFFESFGDLSSANAVMNNPKVKAHGKKVLAAFSE
nyúlban; 1-78
GLAHLDNLKGTFATLSELHCDKLHVDPENFRLLGNVLVCVLAHHFGKEFTPPVQAAYQKVVAGVANALAHKYH
emberben; 79-146
GLSHLDNLKGTFAKLSELHCDKLHVDPENFRLLGNVLVIVLSHHFGKEFTPQVQAAYQKVVAGVANALAHKYH
nyúlban; 79-146
62
Látható, az ember és a nyúl hemoglobinjának béta lánca 91%-ban közös. Az ember és szarvasmarha hemoglobinjának béta lánca 85%-ban azonos, a tyúkra ez az érték 69%, a pontyra 53%. Az ember és gorilla hemoglobinjának béta lánca csak egyetlen aminosavban tér el, azaz a hasonlóság 99%-os. E hasonlóságok értelmezésével kés˝obb foglalkozunk. Most azt vizsgáljuk meg, mi történhet, ha az ember megfelel˝o génszakasza, amely a hemoglobin béta lánca esetén 3*146=438 bázisból áll, csupán egyetlen bázisban is eltér a fenti aminosavsorrendet meghatározó génszakasztól. Erre jól ismert példa a sarlós vérszegénység kórképe, amely az afrikai fekete népességben meglehet˝osen gyakori. Ekkor a fenti 146 aminosav közül hatodik helyen nem E, azaz glutaminsav, hanem V, valin áll. A két aminosavat kódoló bázishármas E-re GAG, V-re GUG, azaz a két aminosavat kódoló rész a bázishármas második tagjában tér el egymástól. Ez az egyetlen aminosavban való eltérés ahhoz vezet, hogy míg a fenti 148 aminosav lánca gömbbé csavarodik fel, addig a hatodik aminosavban eltér˝o lánc ugyan gömbbé csavarodik, de ebb˝ol a gömbb˝ol egy kis farkinca is kinyúlik. Emiatt a hemoglobin molekulák egymáshoz tudnak tapadni és ezzel megváltozik a vér vörösvértestjeinek alakja is. Ez a mikroszkópon jól látható, gömb helyett sarló alak mutatkozik és ez vérkeringési zavarokat okoz. Legegyszerubb ˝ él˝ocske (baktérium) génjeir˝ol. Egy sejtél˝osdi (vírus) DNS állománya néhány ezer bázisból áll, az él˝ocskék (baktériumok) DNS lánca néhány millió, a magasabb rend˝u él˝olényeké több milliárd bázist tartalmaz. A legegyszer˝ubb ismert él˝ocske 517 génnel rendelkezik, ezeket pontosan feltérképezték. Ismert, hogy az élettevékenységekhez a DNS lánc nem minden egyes génje egyformán fontos, vannak olyan gének is, amelyek ugyan ott vannak a DNS-ben, de szükségtelennek véljük o˝ ket. Feltételezik, hogy ezek ténylegesen sem valók semmi olyanra, ami a fennmaradáshoz és szaporodáshoz kapcsolódna. Találomra megrongálva géneket, meg lehet mérni, hány gén játszik tényleges szerepet az él˝ocske életében. A vizsgálatok szerint a valóban szükséges gének száma 265-350 között van, ezek közül kb. száz génnek a szerepét még nem ismerik. Nemrég közölték egy még egyszer˝ubb él˝ocske genomját, amely csupán 192 gént tartalmaz. Bioinformatika. Az emberi genom génjeinek feltérképezését már ebben az évezredben fejezték be, az el˝ozetes eredményeket 2001-ben tárták a nyilvánosság elé. A genom meghatározásának legegyszer˝ubb módja az lehetne, ha az egyes kromoszómákban lév˝o DNS bázisainak a sorrendjét egyszer˝uen leolvassuk. De a jelenlegi módszerekkel egyszerre legfeljebb egy 500 bázispárból álló DNS szakasz gépi leolvasása lehetséges. Mivel egy átlagos gén kb. ezer aminosavból, azaz háromezer bázispárból áll, egyetlen mintavétellel általában egyetlen génnyi bázissorozatot sem tudnánk kiolvasni. Egy genom feltérképezésének f˝o nehézségét éppen a megfelel˝o viszonyítási pontok, a határkövek kijelölése jelentette. Egy 2 millió bázisból álló baktérium DNS lánc feltérképezéséhez legkevesebb 4000 darabra kell hasítani a láncot (2 millió/500=4000). Ezek után a különböz˝o alkalmakkor leolvasott szakaszokat össze kell tudni illeszteni, hogy az egyes gének bázissorrendjét és a kromoszóma teljes génállományát fel tudjuk térképezni. A genom feltérképezését az ezzel foglalkozó két csoport versengése gyorsította fel. Ugyanis az eredeti csoportból kivált egy kutató, aki a bázissorrend megállapításának gyorsabb módját fedezte fel. Módszere szerint a tanulmányozott hosszabb szakasz DNS állományát véletlenszer˝uen tördeli, és valamennyi darabra meghatározza a bázissorrendet. Ahelyett azonban, hogy a térképpontok kijelölésével foglalkoztak volna, a tördelést véletlenszer˝u módon megismétlik, és most is meghatározzák az egyes darabokon belül a bázissorrendet. Ekkor az els˝o tördelés töréspontjainak többsége az második tördelés darabjainak belsejében lehet. Kell˝oen sokszor, mintegy hússzor ismételve a véletlenszer˝u tördelést, valószín˝utlen, hogy egy adott töréspont mind a húsz tördelésben el˝oforduljon. Számítógépes összef˝uz˝o programokat használva határozzák meg ezekb˝ol a hosszabb szakasz DNS állományát. A bioinformatikának nevezett tudományág ilyen jelleg˝u feladatokkal foglalkozik. Rövidebb szakaszok esetén a bioinformatika gyorsan célhoz ér, hosszabb szakaszokra a feladat egyre nehezebb.
63
11.2. Génkifejez˝odés, epigenetika Bár már voltak korábban is elbizonytalanító ismeretek, de a teljes DNS-lánc, így az emberi genom feltárásáig nagyjából azt lehetett gondolni, hogy egy gén egy fehérjét határoz meg és egy fehérjéhez egyetlen m˝uvelet rendelhet˝o. Ezért úgy vélték, hogy a DNS-láncban csak a géneket tartalmazó szakaszok lényegesek. Felesleges, hulladéknak min˝osül˝o tartomány a többi, amely az embernél a DNS-lánc csaknem 98,7%-a, és ez valahogyan megmaradt az örökl˝odés során. Ez állt a híres mondás, a ’génjeink túlél˝ogépei vagyunk’ mögött. Feltételezték, hogy mivel az összetettebb szervezetek m˝uködtetéséhez többféle m˝uvelet szükséges, a törzsfejl˝odés során kialakult magasabb rend˝u él˝olényeknek több génje kell, hogy legyen, mint az egyszer˝ubb él˝olényeknek. Ez alapján becsülték meg, hogy az embernek 140 ezer génje lehet. De a genomok feltárásakor kiderült, hogy az embernek a várt 140 ezernél sokkal kevesebb, legfeljebb 24-25 ezer génje van. Ez nem sokkal több, mint egy alaposan tanulmányozott, ám száz sejtnél kevesebb˝ol álló fonálféreg 19 ezer génje. Ráadásul ez a két génkészlet jelent˝osen át is fed. Ekkor jöhettünk rá arra, mennyire keveset tudunk arról, mint m˝uködik a DNS. Továbbá kiderült, az egy gén - egy fehérje alapfeltételezés sem tartható. Ugyanaz a gén másféle sejtben más feladatot kaphat. Úgy is, hogy a bel˝ole készül˝o fehérje gyártásához csak a gén egy szakasza van felhasználva. Az ember és a fent említett fonálféreg génkészletének nagyfokú hasonlósága csak úgy értelmezhet˝o, hogy egy adott m˝uvelet elvégzéséhez gének sokasága m˝uködik együtt. Csak a legegyszer˝ubb m˝uveletek vezethet˝ok vissza egyetlen génre vagy egy-két gén együttm˝uködésére. Bizonyos gén vagy gének kezdik a m˝uveletet, amelynek végzése során egyes gének kilépnek a folyamatból, mások pedig belépnek. Kiderült, hogy az egyes gének kifejez˝odésében, ki- és bekapcsolásában szerephez jutó rövid RNS-molekulák a "hulladék" DNS-ben vannak címezve. Korábbi eredmények is utaltak már arra, hogy a hulladéknak min˝osített DNS-szakaszoknak is kell, hogy legyen szerepük. A sejtek nem másolgatták volna feleslegesen igen nagy anyag- és energiaráfordítással százmillió évek óta. Miután kiderült, hogy vannak bennük olyan szakaszok, amelyek egymástól távol lév˝o fajokban is igen hasonlóak maradtak, megkezd˝odött a géneken kívüli DNS szakaszok alaposabb vizsgálata. Valószín˝u, hogy a géneken kívüli DNS tartománynak fontos szerepe lehet a törzsfejl˝odés folyamatában is. Minél fejlettebbnek nevezhet˝o az él˝olény, annál nagyobb benne a "hulladék" DNS súlya. Míg az él˝ocske DNS állománya nem sokkal több, mint a génjeinek az összege, addig az emberi genom túlnyomó része csak "hulladék". Összevetve az ember és a csimpánz génjeit, a különbség csak 0,1%-nyi. Viszont a "hulladék" DNS-re ez a különbség negyvenszeres, kb. 4%-nyi. Feltételezhet˝o, hogy a csimpánz és az ember közötti különbség sokkal inkább a gének ki- és bekapcsolását, kifejez˝odését szabályzó rendszerben van jelen. Génkifejez˝odés. Mikor lép m˝uködésbe a DNS egy génje, azaz mikor épül fel, készül el az általa leírt fehérje, kulcsfontosságú kérdés. Ha a fehérje nem a megfelel˝o id˝oben készül el, az a sejt m˝uködési zavaraihoz, a szervezet megbetegedéséhez vezet. Az DNS és a sejtben akkor m˝uköd˝o fehérjék kölcsönhatása szabja meg, hogy éppen milyen géneknek kell m˝uködésbe lépni ahhoz, hogy az életm˝uködés megfelel˝o állomásaként újabb fehérjék termel˝odjenek. Van olyan gén, amelyik 50 másikat szabályoz. Általában úgy történik a szabályzás, hogy egy gén termelni kezd egy fehérjét, az pedig beindít vagy leállít egy másik gént. Nagyon bonyolultnak t˝unik a gének hálózata, hogy melyik gén milyen más génekkel és hogyan áll kapcsolatban. Jelenlegi tudásunk állapotát a földalatti vasúthálózat térképének hiányos ismeretéhez hasonlíthatnánk. Ugyan ismerjük már, milyen állomások vannak (ismerjük a géneket), de hogy melyik állomásról ténylegesen hová, min keresztül utazhatunk, azaz milyen kapcsolatban állnak a gének egymással, keveset tudunk. A géneket vezérl˝o ki-bekapcsoló, összehangoló rendszer er˝osen függ környezeti hatásoktól. Korábban azt hitték, hogy az egyes betegségek egyszer˝uen az egyes gének másulatainak (mutációinak) tulajdonítható. Mára már máshogyan látjuk. Egy sejt m˝uködése nem az egyes gének m˝uködésének az egyszer˝u összege. A fehérjék és maguk a gének is kölcsönhatnak egymással és ezek a kölcsönhatások, visszahatások döntik el, 64
hogyan m˝uködik a sejt. Mivel a sejtbe kívülr˝ol is bejutnak molekulák, a szervezet egésze is hat arra, miként m˝uködik a sejt. Szervezetünk pedig mint egész alkalmazkodik környezetünkhöz és a betegség a szervezet egészének a zavara. Az él˝o nem merev gépezet, a szerveinek m˝uködésében hatalmas tartalékok vannak. Amikor valamely betegség tüneteit észleljük, például megduzzad a máj, olyasmit jelent, hogy a májhoz köt˝od˝o, egymáshoz is kapcsolódó szabályzó rendszerek már nem képesek a máj egészséges m˝uködését biztosítani. Ha ilyen esetben gyógyszert kezdünk szedni, akkor annak hatóanyaga valamelyik érintett szabályzó rendszert módosítja. Ennek hatására a vele kölcsönhatásban álló többi szabályzó kör is másként kezd m˝uködni és végeredményben a máj m˝uködése javul, a duzzanat megsz˝unik. Egyre több megbetegedésr˝ol mutatják ki, hogy számos gén egyidej˝u hibás m˝uködése a baj okozója. Ha mondjuk a féltucatnyi rosszul m˝uköd˝o génb˝ol csak egy is megfelel˝oen teljesítené a feladatát, az adott rákbetegség egyszer˝uen nem fejl˝odhetne ki. Hogy mennyire er˝os a környezeti hatások szerepe, azt az egypetéj˝u ikrek egészségi állapotának összevetése is mutatja. Ha különböz˝o környezetben élnek, ahogy öregszenek, a génkifejez˝odési rendszerük egyre jobban eltér egymástól. Lehetséges, hogy egyikük cukorbeteg, miközben a másik teljesen egészséges. Bár küls˝oleg összetéveszthet˝oen hasonlítanak, egészségi állapotuk mind jobban különbözik. Ha rendszeresen mérgez˝o anyagot jut a testünkbe, szervezetünk a génkifejez˝odési rendszerek módosításával alkalmazkodik. Ezek átállítódása hónapokat ígényelhet. Ha megsz˝unik a mérgezés, a génkifejez˝odést szabályzó rendszer egy id˝o után visszatér a korábbi m˝uködéséhez. Epigenetika. A táplálkozás, a mozgás vagy a hirtelen változáshoz való igazodás (stressz), azaz számos környezeti hatás befolyásolja a génekben tárolt, öröklött adottságok érvényesülését. Az él˝o a sejtben zajló génkifejez˝odési folyamatokkal tartja fent és örökíti át magát, ezek segítségével alkalmazkodik a környezetében zajló változásokhoz. Az epigenetika a génkifejez˝odés szabályozásával foglalkozik és úgy viszonyul a genetikához, mint a vezérlet (szoftver) a géplethez (hardverhez). Ha csecsem˝o, vagy kisgyermekkorban komolyabb megrázkódtatás éri a szervezetet, ennek hatása megjelenhet a DNS génkifejez˝odést szabályzó tartományában és az élethossziglan kihathat. S˝ot a környezetnek a szül˝okre gyakorolt hatása az utód génkifejez˝odési rendszerét is megváltoztathatja. Az 1944-45-ös holland éhínség utóhatásainak kutatása ezt bizonyítja. A második világháború során a partraszálló szövetségesek támadása 1944 szeptemberében Hollandiában elakadt. A németek sikeres ellentámadást indítottak és ezután nemcsak a háborús csapások sújtották a polgári lakosságot, hanem a németek büntet˝o intézkedései is. Ráadásul nagyon kemény tél sújtotta a térséget. Az élelmiszerkészletek apadni kezdtek és bevezették az élelmiszer adagolását. Már 1944 novemberére Hollandia egy nagyobb térségében hatalmas éhínség tört ki, amely 4,5 millió embert sújtott és egészen 1945 májusáig tartott. Nemcsak akkor szenvedett a lakosság. Az éhínség során fogantak életére máig kihat. Akik a fogantatást követ˝o els˝o tíz hétben élték meg az éhínséget, azokban életre rögzült epigenetikai változások mutatkoznak. Akik az éhínséget csak a magzatkor vége felé élték át, nem mutatnak változást. Az epigenetikai változások nemcsak az egyedre, hanem a a kés˝obbi nemzedékekre is kihathatnak. Az anya testén kívül zajló megtermékenyítés, azaz a lombikbébi eljárás akár a holland éhínség által okozotthoz hasonló epigenetikai változásra vezethet. Ha a várandós anya dohányzik, annak nemcsak o˝ rá van hatása, hanem ez a magzata ivarsejtjeire is, s˝ot a hatás megjelenik annak utódaiban is.
11.3. Élet keletkezésér˝ol Számos elképzelés van arról, mint keletkezhetett az élet. Ezek a kialakulás körülményeiben, természeti feltételeiben is eltérnek egymástól. Darwin az élet keletkezésének helyéül szerves vegyületekben gazdag, meleg viz˝u tavacskát tételezett fel. Id˝ovel a vegyületek bonyolultabbakká váltak, összekapcsolódtak, maguk a vegyi folyamatok is egyre összetettebbé fejl˝odtek, és kezdetleges, de már él˝onek tekinthet˝o szervezetként 65
kezdtek viselkedni. Darwin ezzel majdnem száz éven át meghatározta az élet keletkezésér˝ol alkotott elképzeléseket. Tó helyett az élet születésének helyéül a tengert tételezték fel és megkísérelték megérteni, mely lépések során jöhettek létre az élet épít˝okövei. Meleg viz˝u, ásványokban gazdag tavakban ténylegesen megvizsgálták, helytálló lehet-e a darwini feltételezés. Határozott nem a válasz, az élethez szükséges molekulák alkotórészei sokkal inkább a vízben lév˝o agyagszemcsékhez köt˝odnek, ahelyett, hogy egymással vegyülnének. 1953-ban olyan kísérletet sikerült elvégezni, melynek eredményét sokáig perdönt˝onek fogadták el. Miller egy üvegedényben az akkori elképzelések szerint elgondolt o˝ si földi környezetet hozott létre. Tengernek az üvegedényben lév˝o víz, az o˝ si légkörnek pedig a metán, ammónia és hidrogén keveréke felelt meg. Szikrakisüléseket keltve a villámlások hatását utánozták. Egy hét után Miller az üvegedényben szerves vegyületek sokaságát azonosította, ezek között nagy mennyiség˝u aminosav is volt. Mivel ezek a sejt fehérjéinek épít˝okövei, az élet rejtélyét sokan megoldottnak kezelték. Mára a fenti elképzelés kétessé vált. Újabb adatok szerint a korai légkörben nem volt jelent˝osebb mennyiség˝u metán, ammónia vagy hidrogén. Továbbá, bár Millernek sikerült fehérjék épít˝oköveit el˝oállítani, sokan azt tételezik fel, hogy a fehérjegyártást irányító RNS molekula a fehérjék keletkezése el˝ott jött létre. Ha régebbi kövületeket vizsgálunk, inkább arra gondolhatunk, hogy az élet nem kellemes, langyos viz˝u tengerben, hanem inkább nagynyomású fazékhoz hasonló térségben, az óceánok mélyén feltör˝o h˝oforrások környezetében jöhetett létre. Itt a keletkezést jellemz˝o vegyi folyamatok meglehet˝osen gyorsak, mivel b˝oséggel állhatnak rendelkezésre a megfelel˝o szerves vegyületek, és a h˝otani feltételek is jóval kedvez˝obbek. Valószín˝u, hogy az él˝o anyag alkotórészeinek nagyobb hányada a világmindenségb˝ol került bolygónkra. S˝ot, az sem kizárt, maga az élet is a világ˝urb˝ol érkezett hozzánk. A csillagközi tér anyaga a Tejútrendszer tömegének mintegy 10%-át teszi ki. Van ahol összes˝ur˝usödik, van ahol ritkább. Els˝osorban gáz a csillagközi anyag, kb. egy százaléka por, a h˝omérséklete 10-20 Kelvin. F˝oleg hidrogénmolekulákból áll a gáz, de van benne még széndioxid, metán, ammónia is. A porszemcsék szénb˝ol, vasból, szilikátokból valamint a különálló vagy a rajtuk lév˝o jégb˝ol tev˝odnek össze. Nemrég közöltek olyan munkát, amelyik a világ˝uri térség Miller kísérletének nevezhet˝o. Laboratóriumi körülmények között ibolyántúli fénnyel sugározták az u˝ rbélit utánzó anyagfelh˝ot és vizsgálták, milyen új vegyületek keletkeznek. Összetettebb molekulák keletkeznek, melyek egymással összekapcsolódva önszervez˝o folyamatok szerepl˝oivé válnak. Számos, az él˝o szervezetek vázához szükséges vegyületlánc alakul ki. Ezek alkotják a meteorítokban felfedezett szerves vegyületeket, továbbá az üstökösök részeként beterítik a naprendszerek bolygóit. Így a leh˝ult bolygók felszínére nagy mennyiség˝u szerves anyag juthat és ennek jelenléte felgyorsíthatja az élet kialakulása felé vezet˝o folyamatokat. Az üstökös anyagfelh˝oje hatalmas sebességgel ütközik a Föld felszínének és a becsapódás pillanatában az igen magas nyomáson a h˝omérséklet is nagyon magas. Az anyagfelh˝oben jelenlév˝o egyszer˝u molekulákból, mint a víz, széndioxid, metanol, ammónia a kedvez˝o h˝otani feltételek mellett nagy mennyiség˝u, az élet számára fontos vegyület, formaldehid, metán és hosszabb láncú szénvegyületek képz˝odik. Ehhez nem szükséges semmiféle különleges helyi el˝ofeltétel, az élet alapvegyületeinek ilyen módon való képz˝odése akár a korai Földön, akár más bolygón is lejátszódhattak, lejátszódhatnak. 2014 áprilisában vetették fel, hogy a nagyobb meteoritok becsapódása is szerepet játszhatott az élet kialakulásában. Bajorországban, egy 24 km átmér˝oj˝u mélyedésben életre utaló maradványokat fedeztek fel. A 14,6 millió éve történt becsapódáskor több köbkilométer k˝ozet olvadt meg, amely kih˝ulve üvegszer˝uvé válik. A becsapódási üvegek belsejében igen apró kristályos és egyéb más képz˝odmények találhatók. Ezek között a kutatók most életre utaló alakzatokat is látnak. Szerintük azt a legegyszer˝ubb feltételezni, hogy a becsapódás utáni kialakuló, forró vizet is tartalmazó környezet igen kedvez az élethez szükséges vegyületek kialakulásához. Geomikrobiológia. A geomikrobiológia, a mélyen a felszín alatt él˝o szervezeteket kutató tudományág gyakorlatilag az utóbbi öt évtizedben született meg. Csaknem máig azt hittük, hogy a talajban bizonyos 66
mélységekt˝ol kezdve, vagy f˝oleg ha a k˝ozetekre gondolunk, már nem élhet meg semmi. Ez nem így van, több kilométer mélyen a k˝ozetekben is találtak él˝o szervezeteket. Úgy t˝unik, hogy az élet egyetlen igazi korlátja a lefelé növekv˝o h˝omérséklet. Eddigi csúcsot a kb. 5 km mélyen, 113 C 0 -on él˝o szervezetek adják, van viszont bizonyíték 169 C 0 h˝omérsékleten él˝o paránylényekre (mikroorganizmusokra) is. A mélyben létez˝o, más él˝okt˝ol évmilliók óta elzárt szervezetek életmódját az anyagcsere különleges változatai és a nagyon lassú szaporodás jellemzi. Anyagcseréjük során az egyik ásványt egy másikká alakítják, azaz a szervetlen vegyi folyamatok energiáját használják fel. Különböz˝o helyeken és h˝omérsékleteken más-más vegyi folyamat ajánlkozik energiaforrásul és a különféle paránylények ezekkel táplálkoznak. Van olyan, amely fémionok másféle vegyi állapotba vitelével jut energiához. Átalakíthatják a bels˝o vulkánosság során felszabaduló vegyületeket és így geokémiai változásokat okoznak. Egyes becslések szerint a mélységi él˝o anyag mennyisége 0,1%-a a felszíni él˝o anyagnak, de az is lehet, hogy összemérhet˝o vele. Nagyon egyszer˝ueknek, o˝ sieknek t˝unnek a mélyben él˝o szervezetek. Az eddig ismert él˝okt˝ol, az él˝ocskékt˝ol (baktériumoktól) és eukariótáktól függetlenek, archaeák néven az él˝ovilág törzsfájának harmadik ágát alkotják. Míg azonban a felszínen a baktériumok és az eukarióták gyorsabb genetikai változásokon mentek át, addig a t˝olük kb. 3,8 milliárd éve elszakadt archaeák jobban meg˝orizhették az o˝ si él˝ovilág jellegzetességeit. Nemrég Dél-Afrikában, közel 3,6 kilométeres mélységben, aranybányák fúrólyukaiból vett talaj- és vízmintákban többsejt˝u él˝olényeket, fél milliméternyi fonálférgeket fedeztek fel. Nemi jelleg nélküliek, él˝ocskékkel (baktériumokkal) táplálkoznak, bírják a mélységben lév˝o magas, 41 fokos h˝omérsékletet és a lenti kevés oxigénnel is beérik. Annyira különböznek a felszínen él˝o, hozzájuk hasonló fonálférgekt˝ol, hogy külön fajnak tekinthet˝ok. Feltételezhet˝o, hogy o˝ seik valaha a felszínen éltek, és a lefelé szivárgó vízben él˝o él˝ocskéket követve él˝ohelyük mind mélyebbre, kilométeres mélységekbe süllyedt. Életmódjuk alkalmazkodott a lent lév˝o él˝ocskék fogyasztásához. Kérdés, hogy a bányászat mennyire bolygatta meg a környezetet, azaz nem a bányászásnak köszönhet˝oen telepedhettek meg odalent. Ez ellen szól, hogy a vízminták százezer éves korúak, de további behatóbb vizsgálatokat végeznek annak eldöntésére, hogy a bányászat nélkül is élhetnének-e odalent. Élet terjedése a világurben. ˝ Bármely olyan bolygón megélhetnek a k˝ozetekben él˝o szervezetek, ahol a bolygó magja forró. Mivel ilyen bolygó szerte a Mindenségben igen nagy számban található, a Mindenség hemzseghet az ilyen szint˝u élett˝ol. De a felszínen kialakuló, fénymegkötésre (fotoszintézisre) épül˝o élet már jóval ritkább, mivel ennek megjelenéséhez és megmaradásához számos feltétel teljesülése szükséges. Értelmes élet pedig csak hosszabb törzsfejl˝odési folyamat során alakulhat ki. Ez megköveteli, hogy a kedvez˝o feltételek egész hosszú id˝on keresztül fennmaradjanak. Ezért az értelmes élet megjelenésének esélye csekély. A k˝ozetekben él˝o parányi lények átkerülhettek, át is kerülhetnek egyik bolygóról a másikra. Egy felszínre becsapódó nagyobb kisbolygó k˝ozetdarabokat robbanthat ki és ha ezek elég nagy sebességgel mozognak, a bolygó vonzásából kiszabadulva más bolygók felszínére juthatnak. Így a bolygók folyamatos kölcsönhatásban állnak egymással és a viszonylag védett környezetben, nagyobb meteoritkövek belsejében betokozódott parányi lények a teljes Naprendszerben elterjedhettek. Egy marsi k˝odarab nagyon kedvez˝o pályaadatok mellett akár száz éven belül átjuthat a Földre. A bels˝o bolygók k˝ozeteiben lév˝o paránylények hasonló módon eljuthatnak a Naprendszer küls˝o tartományaiban lév˝o égitestek, például a Jupiter holdjainak felszínére is. Üstökösök közvetítésével akár naprendszerek között is közlekedhetnek életet hordozó k˝ozetdarabkák. 3,8 milliárd éve, amikor a Föld és a Mars felszíni viszonyai hasonlóak voltak, a paránylények átkerülhettek egyik bolygóról a másikra és ott is elterjedhettek. Így ha a Marson Föld-féle élet maradványait fedeznék fel, egyesek szerint nem okozna különösebb meglepetést, mivel ilyen életnek a Marson valaha léteznie kellett. Ezért csak az ismertt˝ol eltér˝onek mondható élet utalhatna biztonsággal a földit˝ol független élet létezésére. Létezik-e, vagy létezhet-e egyáltalán a földi élett˝ol különböz˝o élet, vagy az ismert élet egy helyen, vagy különböz˝o helyeken alakult-e ki, alapvet˝oen fontos, tisztázásra váló kérdés. Ha a megfigyelésekb˝ol kiderül, 67
hogy az élet a Mindenséget jellemz˝o általános jelenség, és az egyes bolygókon akár egymástól függetlenül is kialakulhat, akkor az élet felé fejl˝odést el˝oíró eddig ismeretlen törvényszer˝uségek létére találunk bizonyítékot.
11.4. Törzsfejl˝odés nagy lépései A darwini evolúciós elmélet alapvet˝o eleme a természetes kiválasztódás. Eszerint a legjobb túlélési és szaporodási képességekkel rendelkez˝o egyedek tulajdonságaikat utódaikra is átörökítik. Ezzel az él˝olény számára hasznos tulajdonságok elterjedtté válnak. Elképzelhetetlenül összetettek az él˝o szervezetek. Az alkalmasabbak kiválasztódását, mint már tárgyaltuk, a h˝otan f˝otételei mozgatják. Ma már a DNS felfedezése és a genomra vonatkozó ismereteink lehet˝ové teszik, hogy az összetettebb szervezetek megjelenésére vonatkozó feltételezéseket a DNS nyelvén kíséreljük meg megfogalmazni. Most Szathmáry Eörs és John Maynard Smith: A földi élet regénye cím˝u könyve nyomán egy ilyen fejl˝odéstörténetet vázolunk. Szerintük az élet megjelenése és fejl˝odése nyolc igen jelent˝os változásra, nagy lépésre vezethet˝o vissza. Els˝o lépés: kett˝oz˝od˝o molekuláktól a csoportosuló molekulákig. Els˝oként az önmagukat megkett˝ozni, azaz önmagukról másolatot készíteni képes molekulák rendelkezhettek a sokszorozódás, a sokféleség és az örökl˝odés tulajdonságaival. Ezek a molekulák ugyan képesek voltak sokszorozódni, ám nem hordoztak utasításokat arra, miként épüljenek fel más alakzatok. Ahhoz, hogy el˝orelépés történjen, arra volt szükség, hogy a különböz˝o, másolni képes molekulák hálózatba kapcsolódva m˝uködjenek együtt egymással. Az együttm˝uködéssel támogatják egymás sokszorozódását. Második lépés: génekt˝ol a kromoszómákig. Ma az önmagukat kett˝ozni képes molekulák - a gének végeikkel egymáshoz kapcsolódva kromoszómába, összetettebb rendszerek esetén kromoszómákba rendez˝odnek. Ez arra vezet, hogy a gének nem egyenként, hanem a többivel együtt kett˝oz˝odnek meg. Ez az összehangolt kett˝oz˝odés kiküszöböli az egy csoportba tartozó gének közötti versengést és együttm˝uködésre készteti o˝ ket. Harmadik lépés: RNS-világtól a DNS és a fehérjék világáig. Ma munkamegosztás figyelhet˝o meg a kétféle molekulatípus között: a DNS és az RNS az adattárolással és továbbítással foglalkozik, miközben a fehérjék a sejt m˝uködését vezérlik és szerepük van a szervezet felépítésében is. Egyre biztosabban tudjuk, hogy korábban nem létezett ilyen feladatmegosztás, hanem mindkét tennivalót RNS-molekulák végezték. Ahhoz, hogy az RNS-világot a DNS és a fehérjék világa váltsa fel, meg kellett jelennie a genetikai kódnak, amelyben a bázishármasok határozzák meg a fehérjék szerkezetét. Negyedik lépés: sejtmag nélküliekt˝ol az eukariótákig. Két f˝o csoportba sorolhatók a sejtek. A már korábban ismertetett él˝ocskék (baktériumok) és archaeák az els˝o csoportba tartoznak, ezeket prokariótáknak nevezik. Merev a sejtfaluk, nincs sejtmagjuk és rendszerint egyetlen kör alakú kromoszómával rendelkeznek. Az eukarióták közé a sejtmaggal rendelkez˝o él˝olények tartoznak. Sejtmagjukban pálcika alakú kromoszómák vannak és a sejt egyéb sejtszervecskéket is tartalmaz. Ötödik lépés: sejtosztódástól az ivaros szaporodásig. Míg a prokarióták és az eukarióták egy része csak a sejtek kettéosztódásával képes szaporodni, az eukarióták többségében megjelenik az ivaros szaporodás. Ez azt jelenti, hogy a különböz˝o egyedek által termelt ivarsejtek összeolvadásával keletkezik az új egyed.
68
Hatodik lépés: egysejtuekt˝ ˝ ol a soksejtuekig. ˝ A gombák, növények és állatok szervezetét sokféle sejt építi fel. Ezek az egyedek nem egyetlen példányban tartalmazzák az örökl˝odésre vonatkozó adatokat, hanem azok a szervezet valamennyi sejtjében jelen vannak. Az egyes sejtek a DNS-b˝ol csak a rájuk vonatkozó utasításrészeket használják fel. Hogyan válnak különböz˝ové az azonos DNS-t tartalmazó sejtek, miként rendez˝odnek szervezetté? Hetedik lépés: magányos egyedek - kolóniák. Egyes állatok, mint a hangyák, méhek, darazsak és termeszek olyan telepekben élnek, amelyekben csak néhány egyed szaporodik. Többsejt˝u szervezethez hasonlíthatjuk o˝ ket, melyben a terméketlen dolgozók a testi sejteknek, a szaporodó egyedek pedig az ivarsejteket létrehozó sejteknek felelnek meg. Kérdés, hogyan alakulhattak ki ezeket az egyedeket magasabb rend˝u szervezetbe betagoló rendszerek. Nyolcadik lépés: f˝oeml˝os társadalmak - emberi társadalmak. A majom és az emberi társadalmak közötti átmenet dönt˝o lépése a nyelvkészség megjelenése lehetett. Már korábban, a 11.1. részben tárgyaltuk az emberi nyelv és a genetikai kód közötti hasonlóságot. Ez a két módszer nagyszer˝u örökl˝odési rendszert tesz lehet˝ové. E nyolc nagy lépés közül kett˝o kivételével az összes egyedi esemény volt és egyetlen leszármazási vonalra vezethet˝o vissza. Két kivétel a többsejt˝uség, amely a törzsfejl˝odés során háromszor, valamint a terméketlen kasztokkal rendelkez˝o kolóniák, amelyek többször is megjelentek. Érdekes, hogy a hat nagy átmenet - az élet keletkezésével együtt, amit szintén események egyedi láncolatának tarthatunk - egyetlenegyszer játszódott le. Ha csak egy is elmaradt volna, most nem léteznénk és semmiféle, ránk kicsit is hasonló él˝o sem létezhetne. De mivel a h˝otan tételei egy adott pillanatban valószín˝ubbé teszik a több energiát elhasználó folyamatot, ezeket a lépéseket ilyen, apró, egymás utáni események sorozata építheti fel. Ez az eseménysor valószín˝u mindegyik nagy lépésre végigkövethet˝o.
11.5. Élet megjelenése és fejl˝odése a Földön Földünk létezésének els˝o ötszáz millió évét a Föld kérgét is átszakító kozmikus csapások jellemezték. Megolvasztották a földkérget és ezzel minden korábbi fejl˝odés eredményét semmissé tették. Rögtön a 3,8 milliárd évvel bekövetkezett utolsó nagy becsapódás után a földrészek és az óceán érintkezési pontjain, a partvidékeken már megjelent az élet. Van olyan feltételezés, hogy a korábban a Földb˝ol kiszakadt és az ide kés˝obb visszatér˝o k˝odarabokban betokosodott paránylények (mikroorganizmusok) honosították meg újra az életet. Grönlandról származnak az els˝o életre utaló jelek, koruk 3,8 milliárd év. Nyugat-Ausztráliában 3,5 milliárd éves k˝ozetekben már tucatnyi él˝ocske (baktérium) kövületét találták meg. Ezek a világon ma is mindenütt fellelhet˝o kék-zöld algák közeli rokonainak tekinthet˝ok, az o˝ maradványaiknak feleltethet˝ok meg. A felszíni él˝ovilág egyik els˝o képvisel˝oi a f˝oleg kénnel táplálkozó és máig fennmaradt bíbor baktériumok lehettek, amelyek még oxigén nélküli légkörben éltek. Amint az ilyenféle él˝ocskék a táplálékforrások közelében felszaporodtak, a táplálékaik megfogyatkoztak. Ez behatárolta a vegyületek energiáit felhasználó él˝ocskék életlehet˝oségeit. Azok a felszíni szervezetek válhattak inkább sikeressé, amelyek a napfény energiáját felhasználva maguk készítettek maguknak táplálékot. Ilyen szervezetek a fentebb említett kék-zöld algák, másnéven kékmoszatok. Megkötve a napfényt, ennek energiáját felhasználva kivonják a vízb˝ol a hidrogént, miközben oxigén szabadul fel. Mindenütt megjelentek, ahol volt víz. Ezek voltak a legfejlettebb él˝olények, uralták a Földet. Ami oxigént termeltek, azt egy ideig a k˝ozetképz˝odési folyamatok azonnal megkötötték. Mintegy kétmilliárd éve következett be az él˝ovilág fejl˝odésének és légkört kialakító szerepének meghatározó pontja.
69
Ekkorra annyira felszaporodott az oxigén, hogy elérte a jelenlegi érték egy százalékát. Ezt a kékmoszatok már nem tudták elviselni, oxigénmérgezést szenvedtek. Elvesztették életterüket, kénytelenek voltak oxigénmentes helyekre, a tavak, mocsarak, tengerek iszapjába húzódni, ahol máig élnek. A légköri oxigén felszaporodásának további következménye a fels˝obb légkörben kialakult ózonréteg megjelenése volt. Az ózonréteg kisz˝uri a Nap ibolyántúli sugárzását, lásd a 16. ábrát, kialakul az ózonpajzs. Ez lehet˝ové tette a korábbiaktól különböz˝o, összetettebb szervez˝odés˝u lények képz˝odését. Az él˝ovilág további fejl˝odését a fénymegkötés egy újabb fajtájának a megjelenése tette lehet˝ové. Az els˝o egysejt˝u, sejtmaggal rendelkez˝o lények 1,8 milliárd éve jelentek meg. Ezeket már a sejten belüli sokkal magasabb fokú munkamegosztás jellemzi. Jóval nagyobbak, a térfogatuk a baktériumokénak átlagosan tízezerszerese. Egyre összetettebbé szervez˝odtek az egysejt˝uek, lassan elérték a maiakhoz hasonló fejlettségi szintet. Nem volt túl gyors a folyamat, mivel csak a felszíni vízrétegekben volt elég az oxigén, a lentebbi vízrétegek viszonyai a régiek maradtak. Végül az oxigén nagyobb mérv˝u felszaporodásával az egysejt˝u lények együttélése, munkamegosztása odáig fejl˝odött, hogy 900 millió évvel ezel˝ott megjelentek a soksejt˝uek, pédául a szivacsok legegyszer˝ubb fajtái. Ezután az élet fejl˝odése lelassulni látszik. Üledékes k˝ozetek tulajdonságait vizsgálva megállapították, hogy a 750-580 millió évvel ezel˝otti id˝oszakban három komoly eljegesedés történt. Annyira er˝os volt az eljegesedés, hogy a szárazföldek és a világtengerek jó részét jég borította. Mint tárgyaltuk, a jégkorszakok kialakulása öngerjeszt˝o folyamat, lásd a 10.3. részt. Ha az átlagh˝omérséklet lecsökken, mert mondjuk a földtani átalakulások a légkör széndioxid tartalmát lecsökkentik, ezzel csökken az üvegházhatás és beindul az eljegesedés. Az eljegesedések-felhevülések váltakozása után az él˝ovilág az 580-525 millió évvel ezel˝otti id˝oszakban robbanásszer˝u fejl˝odésnek indult. Kb. 540 millió éve, a kambriumnak nevezett földtörténeti korban nagyon sokféle állat jelent meg egyszerre, mert az akkor megjelen˝o mészpáncél, a csontok nagyszer˝u lehet˝oségeket adtak a fejl˝odésre. A megkövesedett maradványok segítségével 540 millió évvel ezel˝ott kezdve máig millió éves pontossággal tudjuk követni az él˝ovilág fejl˝odését. Az 540 millió évt˝ol 245 millió ezel˝otti korban, a paleotikumban jelentek meg a halak, kétélt˝uek, a szárazföldi növények és rovarok, valamint a hüll˝ok kezdetleges változatai. 225 millió éve alakultak ki a dinoszauruszok, 160 millió éven át uralták a Földet és 64 millió éve pusztultak ki. Elt˝unésük lehet˝oséget adott arra, hogy a már korábban is megjelent, a náluk jóval magasabb szervezettségi fok elérésére képes eml˝osök élettérhez jussanak.
11.6. Tömeges kihalások Az o˝ slénytani leletek komoly összeomlásokról árulkodnak. Természetes jelenség a fajok kihalása, mert az élettér változása és ha ehhez faj képtelen alkalmazkodni, akkor kipusztul. Általában a fajok 10-20%-a 5-6 millió éven belül kihal. Vannak azonban korszakok, amikor rövid id˝on belül igen sok faj t˝unik el. Ha a fajok 30-90%-a pusztul ki egyszerre, tömeges kihalásról beszélünk. Hogy mennyire gyors a tömeges kihalás, az o˝ slénytan eszközeivel nem dönthet˝o el pontosan. Lehet, hogy a folyamat néhány tízezer évig tartott, de lehet, hogy napok, hetek alatt lezajlott. A tömeges kihalások a tengeri és szárazföldi fajokra egyaránt vonatkoznak, jelezve, hogy az egész Földre kiterjed˝o csapás sújtotta az él˝ovilágot. Legjobban ismert tömeges kihalás a dinoszauruszok elt˝unése 64 millió évvel ezel˝ott, a kréta kor végén. Ekkor a fajok 47%-a pusztult ki. A 64 millió évvel ezel˝ott történt tömeges kihalás nem az egyedüli, még csak nem is a legnagyobb az él˝ovilág történetében. 439, 357, 250 és 198 millió évvel ezel˝ott ennél több fajt eltüntet˝o pusztulás következett be. Legnagyobb a kb. 250 millió évvel ezel˝otti, a perm-triász határán történt tömeges kipusztulás volt, ekkor a tengerekben él˝o fajok 95%-a és a szárazföldiek 70%-a pusztult ki. 252,28 millió évvel ezel˝ott volt a leghevesebb a pusztulás, ekkortájt, 20 ezer éven belül t˝unt el a legtöbb faj. Maga a kipusztulás közel 200 ezer éven át tartott. Gyors felmelegedés, a leveg˝o és a tengervíz széndioxid tartalmának megugrása,
70
hatalmas szárazságok és erd˝otüzek okozták a tengerekben és szárazföldön egy id˝oben zajló kihalást. Sikerült kimutatni, hogy heves t˝uzhányókitörések okozták a pusztulást. Akkortájt egymillió éven belül több szibériai bazaltvulkán tört ki és ezek az átlagos t˝uzhányói kibocsátásnál jóval több széndioxidot juttattak a leveg˝obe. Kitöréseik során 13-43 ezer milliárd tonna széndioxid kerülhetett a légkörbe és onnan az es˝ovíz közvetítésével a tengerekbe, lásd a 10.3. szakaszt. Ha az ember az összes hozzáférhet˝o szenet, olajat és gázt elégetné, 5 ezer milliárd tonna széndioxid kerülne a leveg˝obe. Ez a mennyiség már összemérhet˝o a fenti adattal, ráadásul a kibocsátás a fenti millió éves id˝oszakhoz képest igen rövid id˝on belül történne. Ezzel az ember nemcsak saját magát, hanem a földi él˝ovilág nagy részét is kipusztítaná. Jelenleg az o˝ smaradványi er˝oforrások elégetése miatt 30 milliárd tonna széndioxid jut évente a légkörbe. Újabb felvetések szerint a szibériai t˝uzhányók kitöréseit egy akkoriban történt nagyméret˝u kisbolygó becsapódása okozhatta. Bár a becsapódás Brazíliában történt, de a számítások szerint az nemcsak fokozott t˝uzhányói kitörésekkel járt együtt szerte a Földön, hanem hatalmas, közel 9,9-es erej˝u földrengések ezreinek sorozatát is keltette. Ma már bizonyosnak vehet˝o, hogy a 64 millió évvel ezel˝otti tömeges kihalást egy kisbolygó Földdel való ütközése okozta, 250 km átmér˝oj˝u tölcsért ütött a becsapódás, a mélyedést a Mexikói-öbölben, a Yucatán-félszigetnél találták meg. Ütközésre További bizonyíték az ütközésre az, hogy a korabeli rétegben nagyszámú irídiumszemcse található, amely határozottan kisbolygó becsapódásának jele. A becsapódásakor hatalmas k˝ozetdarabok repültek mindenfelé és ezek mint kil˝ott rakéták, nagyon magasra emelkedhettek és az ütközés helyét˝ol nagy távolságra, hatalmas robbanást okozva csapódtak be a felszínre. Ezért a kisbolygó becsapódását hatalmas robbanások, t˝uzvészek követték szerte a Földön. Ezek következményeképpen óriási mennyiség˝u füst, por és korom jutott a leveg˝obe, amely hetekre elhomályosította a napot. A hirtelen leh˝ulést és id˝ojárási viszontagságokat a nagytest˝u állatok nem tudták elviselni, kipusztultak. A Hold felszínén látható kráterek mind becsapódások eredményei. Nyilvánvaló, hogy a Földre is hasonló s˝ur˝uségben csapódtak be kisbolygók, de a felszín átalakulása eltüntette nyomaikat. Megfigyelések szerint 1000 olyan, legalább 1 km átmér˝oj˝u kisbolygó létezik, melynek jelenlegi pályája lehet˝ové teszi a Földdel való ütközést. Megkezdték ezek rendszeres figyelését, nyilvántartását, ugyanis a m˝uszaki fejl˝odés id˝ovel lehet˝oséget adhat arra, hogy id˝oben közbeavatkozva, a közeled˝o kisbolygó pályáját kissé módosítva elkerülhet˝o legyen a Földdel való ütközés. Úgy t˝unik, a tömeges kipusztulást okozó csapások a törzsfejl˝odés természetes velejárói, a változások hajtóer˝oi. Az él˝olények egymásrautaltsága, amivel a következ˝o fejezetben foglalkozunk, el˝obb-utóbb az él˝ovilág egyensúlyi viselkedésére vezet. Kisebb helyi változás fajok elt˝unését okozhatja, amelyeknek életterét más fajok töltik be. A tömeges kihalások másulatok (mutációk) óriási számát hozzák létre.
11.7.
Az ember megjelenése
Még nem teljesen ismert a f˝oeml˝osök törzsfája. Genetikai távolságaik vizsgálatából az adódott, hogy az emberhez vezet˝o ágtól a gorilla kb. 7-9, a csimpánz kb. 6-7 millió éve vált el. Legközelebbi él˝o állati rokonunk a csimpánz, a génjeink különbsége, a bázisokban való különbséget nézve kb 1%, azaz génjeink 99%-n azonos alakúak. 2009 októberében közölték az Etiópában 4,4 millió évvel ezel˝ott élt, Ardi névre keresztelt emberel˝odünk eléggé részletes leletanyagának feldolgozását és az adatok alapján Ardi képét, lásd a 29. ábrán. Ardi nem az ember és a csimpánz közös o˝ se, hanem egy kb. 2 millió évvel a szétválás után élt el˝oember. Részben a közös o˝ s, másrészt a kés˝obb megjelen˝o emberel˝odeink jegyeit mutatja. Számos jellemz˝oje nem ember felé mutató, és a mai afrikai majmokból is hiányzik, azaz a csimpánzzal közös o˝ sünket jellemzik. Ezért helytelen a feltételezés, hogy az ember a majomtól származik, hiszen a közös o˝ sünk nem volt sem majom, sem ember. Ezentúl nem mondható, hogy a csimpánz közelebb áll közös o˝ sünkhöz, mint a mai ember. Ardi erd˝os területen élt, a fákon négy végtagját használva kapaszkodott, de a talajon felegyenesedve, két lábon járt. 71
29. ábra. Ardi, az Etiópiában 4,4 millió évvel ezel˝ott élt 50 kg tömeg˝u, 120 cm magas n˝o Az emberhez vezet˝o fajok közül 9, maradványaiból ismert fajról tudunk és a becslések szerint még 6 további ilyen faj létezhetett. Kivéve az embert, valamennyi elt˝unt. 195 ezer éve jelent meg Afrikában a mai ember, a szavannai térségben élt jó ideig. Dél-Afrikában kb. 90 ezer éves barlangrajzokat találtak, amelyek kidolgozottságukban magas szint˝u, elvont gondolkodásra is utalnak. Például el˝odeink mértani idomokat is rajzoltak. Dél-Afrikában él egy olyan törzs is, amely 90 ezer - 150 ezer évvel ezel˝ott vált el a többi embert˝ol, ezt a csak az anyai ágon örökl˝od˝o mitochondriális DNS vizsgálatából tudjuk. A 135 ezer évt˝ol 90 ezer évvel ezel˝ottig terjed˝o id˝oszakban a szavannát hatalmas szárazságok sora sújtotta. Nemrég közölték, hogy a genetikai vizsgálatok szerint ekkortájt az emberiség különálló kis csoportokra szakadt, ezek egymástól függetlenül fejl˝odtek. Úgy 70 ezer évvel ezel˝ott annyira széls˝oséges volt az éghajlat, hogy az emberiség csaknem kipusztult, létszáma 2000 körülire csökkent. Miután az éghajlat jobbra fordult, a szétszóródott csoportok növekedni és érintkezni kezdtek egymással. Afrikából 55-60 ezer évvel ezel˝ott indulhatott el a széttelepülés. Part menti hajózással Arábián, Ázsián, a Maláj-félszigetet érintve az ember 45 ezer évvel ezel˝ott jutott el Ausztráliába, évenként kb. 1 kilométert haladva. Afrikából szárazföldi úton kb. 40 ezer éve jutott el a mai ember Európába. Van bizonyíték arra, hogy az emberel˝odeink már egymillió évvel ezel˝ott is használták a tüzet. Arról, hogy mióta visel az ember öltözetet, mostanában adhatunk becslést. Az emberi tetvek, a fejtet˝u és a ruhatet˝u igen közeli rokonok. Mivel a kínálkozó életteret az újonnan megjelen˝o fajok igyekeznek minél gyorsabban kihasználni, a közös tet˝uo˝ s kétféle tet˝uvé, fej- és ruhatet˝uvé szétválása arra az id˝ore tehet˝o, amikor az ember ruhát kezdett hordani. Az újabb genetikai kormeghatározás szerint ez 170 ezer évvel ezel˝ott történt. A korábbi jegyzetekben szerepl˝o, tíz évvel ezel˝ott mért érték egy kiértékelési hiba miatt ennél jóval kisebb volt. A ruházatot visel˝o ember már hidegebb éghajlaton is megélhetett.
72
Rokon emberfajták. A neandervölgyi ember, melynek agymérete a mi agyméreteinket is meghaladta, Eurázsiában élt és 29000 éve t˝unt el. Közös o˝ sünkt˝ol a genetikai vizsgálatok szerint mintegy 400 ezer éve vált el. Az Afrikából Eurázsiába átkerült mai ember keresztez˝odött a neandervölgyivel. Valószín˝u o˝ seink eleve jóval többen, tízszer annyian voltak és számbeli fölényükkel szorították ki a neandervölgyi embert. 2010-ben közölték, hogy újabb, a neandervölgyi embert˝ol különböz˝o ember maradványaira leltek. Emberi ujjpercet találtak az Altaj hegység egy barlangjában. Mivel a nagy hidegben a DNS jól meg˝orz˝odött, sikerült meghatározni. 30 ezer évvel ezel˝ott él˝o embert˝ol származik, ám ez a DNS vizsgálat szerint nem azonos sem a mai, sem a neandervölgyi emberrel. Ez a gyenyiszovinak nevezett ember Szibéria délebbi területein és Délkelet-Ázsiában élt. 2013 végén közölték, hogy a neandervölgyi és a gyenyiszovi ember nagyon közeli rokonok és a közös o˝ sükt˝ol 300 ezer éve váltak szét. A neandervölgyi Európa, a gyenyiszovi Ázsia felé vándorolt. Mi 400 ezer évvel ezel˝ott váltunk el a neandervölgyi és gyenyiszovi közös o˝ sét˝ol. Jelenlegi adataink szerint a mai, Afrikán kívül él˝o ember DNS-állományának 1,5-2,1%-a ered a neandervölgyi embert˝ol, a dél-kelet ázsiai népességre ez a szám 1,8%. A délkelet-ázsiai szigetvilágban él˝ok DNS- állományának a 6%-a a gyenyiszovi embert˝ol származik. A kínai és az ázsiai szárazfödön él˝ok valamint az amerikai indiánok genetikai állományának 0,2%-a ered a gyenyiszovi embert˝ol. A gyenyiszoviak még egy, az o˝ seinkt˝ol egy millió évvel ezel˝ott elvált embercsoporttal is keresztez˝odtek, ezek Európában és Ázsiában éltek.
12.
Él˝orendszerek (ökorendszerek)
Az él˝orendszer a növényeket, állatokat és alacsonyabbrend˝u él˝oket valamint környezetüket foglalja magába. Él˝orendszer a bokor, a rajta él˝o valamennyi él˝olénnyel együtt, vagy a tó a benne lév˝o növényekkel és állatokkal. Él˝orendszert képez a Hortobágy, vagy a Kárpát-medence, és maga az él˝o természet egésze környezetével együtt. Akkor beszélünk él˝orendszerr˝ol, ha nem az egymástól független dolgok összességét látjuk, hanem az egészet mint egységet tekintjük. Korábban a tudósok, köztük a biológusok is, az összetev˝o részekre való visszavezetés módszerét követve, csak az egyes dolgokra, azok tulajdonságaira figyeltek. Kevés figyelmet fordítottak arra, hogy az él˝o hogyan befolyásolja a környezetét és más él˝oket. Csak az utóbbi pár évtizedben honosodott meg az a közelítés, hogy a dolgokat a környezetükkel összefüggésben, rendszerben vizsgáljuk. Egy él˝orendszer nem vizsgálható a természettan (fizika) régi, jól megszokott módszereivel, miszerint a kísérlet során a vizsgált dolgot a környezett˝ol elkülönítjük és a megfelel˝o modellt alkalmazva kíséreljük meg megérteni az egyes jelenségeket. Él˝orendszerben lehetetlenség, hogy a kísérlet során egy-két dolgot engedjünk csak változni, miközben az összes többit állandónak tartsuk, ahogy ez a természettanban szokás. Él˝orendszerekben érvényesül az ún. nem kívánt következmények elve. Ez azt mondja ki, ha valahogyan beavatkozunk a rendszerbe, el˝ore nem látható dolgok is történhetnek. Erre példa két tó él˝orendszerének összeomlása. Az Aral-tó és környezetének pusztulása. A Közép-Ázsiában található Aral-tó tenger maradványa, sós viz˝u. Az o˝ t tápláló két nagy folyó, a Szír-darja és Amu-darja vizével öntözni kezdtek. A sivatagos KözépÁzsia mez˝ogazdaságát gyapottermesztésre szakosította a szovjet rendszer és ehhez sok víz kellett. Mivel nem számoltak a következményekkel, túl sok vizet használtak fel és mind kevesebb jutott az Aral-tóba. Csökkenni kezdett a tó területe, megindult a kiszáradása. Mára már csak a tó felületének kisebb hányadán van víz, a szabaddá vált tófenekér˝ol egyre több só kerül szárazra. Télen fagyok tördelik a sót és vad sivatagi szelek kavarják és hordják szerteszét. A só hatalmas területeket tett és tesz terméketlenné, lakhatatlanná. Így a virágzó, gyapottermelésre szakosított mez˝ogazdaság álma szertefoszlott, a területeket világszerte példátlan méret˝u összeomlás sújtja. 73
Viktória-tó él˝orendszerének összeomlása. Afrika legnagyobb édesviz˝u tava a Viktória-tó, vízfelülete 70 ezer négyzetkilométernyi. Mellékén emberek milliói élnek, kiknek életét a halászat, a tó határozza meg. Ám a valaha halban gazdag tó halállománya tönkrement, mert új fajt telepítettek be, a nílusi sügért. Ezt kb. 50 éve tették, arra gondolva, hogy a nagyméret˝u nemes halra való horgászat, a nílusi sügér hossza elérheti a két métert, tömege a 2 mázsát, több vendéget vonz majd a tópartra. Hamar megtizedelte a falánk ragadozó a tavat benépesít˝o apróbb halak állományát. Ezek kisméret˝u algákkal és él˝osköd˝oket is hordozó csigákkal táplálkoztak. Korábban a környék lakói ezeket a halakat fogyasztották. E halak számának csökkenése miatt az algák elszaporodtak és az elpusztult algák a tó fenekére süllyednek. Lecsökkentették az algák bomlástermékei a tó oxigéntartalmát, elpusztítva ezzel a tó mélyvízi halállományát. Elszaporodtak a csigák is és súlyos betegségeket terjesztenek. Helyi halászok most a nílusi sügért fogják ki és ezeket a hatalmas halakat t˝uzön f˝ozik meg. Korábban a kisebb halakat szárítva fogyasztották. F˝ozéshez fa kell, ezért a környék erdei vészesen pusztulnak. Ennek következtében gyorsan pusztul a talaj, tovább rombolva a tó egyedülálló él˝orendszerét. A gazdaság szempontjából józan cselekedet teljes, csaknem Kárpát-medencényi térség él˝orendszerét tette tönkre. Él˝orendszerek energia háztartása. Az él˝orendszerek energia háztartásának alapja a naper˝o. A fényenergiát a növények a fénymegkötés során szerves vegyületekben tárolt energiákká alakítják. Ez az energia rövidebb-hosszabb ideig az él˝orendszerben marad, de a rendszeren belül alakja változik. A napsugárzás energiájának csupán néhány százalékát képes a növény az o˝ ket ér˝o megkötni. Nincs olyan növény, amely a napenergiát 10%-kal magasabb hatásfokkal hasznosítaná. Ha az él˝orendszerben az energiahasznosítás módját nézzük, és az egyes csoportokba az energiát azonos forrásból szerz˝o szervezeteket rakjuk, akkor az els˝o csoportba a fényt megköt˝o szervezeteket, a növényeket sorolhatjuk. Következ˝o csoportba a növényev˝o állatok tartoznak. A növényekkel táplálkozó állatok az elfogyasztott energiát szintén rossz hatásfokkal használják fel. A megevett vegyületek energiájának kb. 10%-a hasznosul a nyúl, tehén és más állatok szervezetében. Ahogy egyik csoportról a következ˝ore átmegyünk, a hasznosított energia aránya kb. ekkora marad. Ez a 10%-s energiafelhasználási arány végeredményben a h˝otan f˝otételeinek a következménye. H˝o szabadul fel, távozik a környezetbe az átalakítások során és emiatt az er˝oforrás hasznosítása mindig jóval alacsonyabb száz százaléknál. A tápláléklánc következ˝o csoportjába a növényev˝o állatokra vadászó ragadozók tartoznak. A tápláléklánc csúcsa a csúcsragadozók. Vannak még más csoportok is, mint a dögev˝ok és a lebomló szervezetek vegyi energiáját felhasználó szervezetek. Vannak olyan lények is, mint az ember, amelyek növényi és állati táplálékot egyaránt fogyasztanak.
12.1.
Az él˝ovilág körfolyamatairól
Az él˝ovilág folyamatait, akárcsak az él˝o életm˝uködését, körfolyamatokként ragadhatjuk meg. Ilyen a víz, szén, nitrogén, foszfor, kálium stb. körforgása a természetben. Egyes körfolyamatok rövidebb-hosszabb id˝otartamúak lehetnek, egymásba is kapcsolódhatnak, kapcsolódnak. Körfolyamatok összjátéka élteti az él˝ovilágot, teszi alapvet˝o jellemz˝oit viszonylag állandóvá. Ha az él˝ovilág és környezetének valamely eleme sérül, ez nem jelenti az egyensúly végleges elvesztését. M˝uködésbe jönnek a visszacsatoló, helyreállító folyamatok és az él˝ovilág megváltozva ugyan, de fennmarad. A Gaia modell - Gaia a görög hitregékben a Föld istenn˝oje -, szerint a teljes földi él˝ovilágot egyetlen él˝o szervezetként értelmezhetjük. Földi él˝olény önmagában, a többi él˝o nélkül nem létezhetne és természetesen nem létezhetne élettelen környezete nélkül sem. Egymásra vannak utalva az él˝olények, akárcsak egy él˝o szervezet testrészei. Egy él˝o szervezetet bonyolult körfolyamatok, visszacsatolások tartanak életképesen. Ezek biztosítják az élethez szükség feltételek viszonylagos állandóságát. Ilyen közel állandó jellemz˝ok a testnedvek összetétele, vagy akár a eml˝osöknél a test h˝omérséklete.
74
Az él˝ovilág egésze, a Gaia is igyekszik létfeltételeit állandónak tartani. A légkör összetételét is a földi él˝ovilág alakította ki és tartja fent. Vagy gondoljunk arra, hogy tengerek, világtengerek sótartalma is állandó. Ennek okát, a szabályzó rendszer m˝uködését igazából még nem is értjük. Az id˝ok folyamán, itt évmilliárdokban is gondolkodhatunk, a Föld felszínének átlagos h˝omérséklete is közel állandó, habár a Nap egyre fényesebben süt, 10.1. szakaszt. Ha emelkedik a bolygó h˝omérséklete, elszaporodnak a növények és széndioxidot vonnak ki a légkörb˝ol. Ezzel az üvegházhatás, lásd a 10.3. szakaszban, gyengül, a Föld több h˝ot képes kisugározni. Ha csökken a h˝omérséklet, a növényzet pusztulása megnöveli a leveg˝obe jutó széndioxid mennyiségét. Er˝osebb lesz az üvegházhatás, a h˝omérséklet emelkedik. Talajélettan. Az él˝orendszer energia- és anyagforgalmát egymásba is kapcsolódó körfolyamatok sokasága alkotja. Valamennyi tápláléklánc nagyobb körfolyamatok része. Például a levél > levéltet˝u > hétpettyes katica > veréb > karvaly lánc a levéllel indul és a szárazföldi növényzetet a talaj élteti. Egyszer˝u szervetlen vegyületekkel, els˝osorban vízben oldott nitrogénsókkal, kálisóval és foszfátokkal táplálja a talaj növényt. Ezek azután a talaj él˝ovilágának anyagcsere folyamatainak végtermékeként jutnak vissza a talajba. A talaj él˝ovilágát pedig a talajba jutó jutó növényi és állati eredet˝u szerves anyag, mint a talajra hullott levél, a korhadó növényi részek, az állati anyagcseretermékek és az elhullott állatok tetemei éltetik. Így a fenti, a levéllel kezd˝od˝o tápláléklánc a talaj él˝ovilágát is magába foglaló körfolyamat része. A szárazföldi él˝ovilág körfolyamatait hajtó er˝oforrás a naper˝o, a napfény megkötését a növények végzik. A talaj él˝ovilágának otthont adó term˝oréteget televényföldnek, idegen eredet˝u szóval humusznak nevezzük. A talaj valamennyi fontos tulajdonságát, így a termékenységét, vízháztartását, leveg˝osségét és lazaságát a televényföld állapota határozza meg. A talajbeli tápláléklánc a talajra kerül˝o szerves anyagokat lebontó paránylényekre (mikroorganizmusokra) épül. A paránylények anyagcsere végtermékei között ott vannak a növényeket tápláló nitrogén, kálium és foszfor vegyületek is. Míg az talajt a bel˝ole tápanyagokat felvév˝o növények és a bel˝olük él˝o állatok éltetik, a talaj a növényeket táplálja. Lemming a tundrán. Jól szemlélteti az él˝orendszerek és a talaj kapcsolatát a kopár, évenként hónapokig sötét, fagyos északi tundrák él˝ovilágának viselkedése. Messze északon, az örök fagy birodalmában nagyon gyér a növényzet és így a táplálékláncok is egyszer˝uek. Az egybeolvadó két-három hónapos tavaszi-nyário˝ szi id˝oszakra a fagy csak a talaj fels˝o rétegében enged ki. Ezért csupán pár növény, sások, füvek és egy-két törpe cserje élhet itt meg. Egyedüli növényev˝o eml˝os a prémes bundájú sarki egér, a lemming. A lemming négyévenként nagyon elszaporodik, annyira, hogy a közhit szerint elindulnak a partra és a sziklákról a tengerbe vetik magukat. E négyévenkénti nagy változás oka a növényzet és a lemmingek közötti élelmi körforgás. Amikor a lemmingek nagyon elszaporodnak, mindent felennének. Mind lerágják a számukra fontos tápanyagokat, foszfort és kalciumot tartalmazó növényi részeket. Emiatt az agyonlegelt növényzet elsatnyul, nem tudja magát helyrehozni, mert a sovány, már kisebb mélységben is fagyott talajban kevés a tápanyag. Élelmet keresve bolyonganak a tundrán a lemmingek. Tömegesen pusztulnak éhen, kevesebb mint egy százalékuk éli túl a növényzet tönkremenetelét. Amint a lemmingek elpusztulnak, a sarki fagyok miatt a tetemeikben tárolt anyag, a szerves korhadék csak lassan alakulhat át a növények számára is felvehet˝o tápanyagokká. Ahogy a lemmingek teste lassan bomlani kezd és újra megjelennek a talajban a kálcium, nitrogén, kálium és foszfor vegyületei, úgy kezd a növényzet magához térni. Négy év elteltével a növényzet megújul, új hajtásokat, leveleket hoz és a tundra csodálatosan szépen kivirul. Ekkor a lemmingek ismét elszaporodhatnak és lelegelnek mindent. Megint bekövetkezik az összeomlás. Befolyásolja a lemmingek négyéves körfolyamata a bel˝olük él˝o ragadozók, így a sarki róka táplálkozását is. Ahogyan a lemmingek száma változik, annak megfelel˝oen ingadozik a sarki rókák népessége és ez hat a vidéken él˝o madarak életére is. Ha a rókák nem tudnak lemmingeket fogni, rákapnak a madarak tojására és a fiatal madarak vadászatára. Emiatt a madarak népessége is négyéves ingadozásokat mutat. 75
13.
Az emberr˝ol
Korábban a fejl˝odés jelei a termet, a csontozat és az izomzat méreteiben, a táplálkozás, a mozgás a szaporodás folyamatainak hatékonyságában jelentkeztek. Emberré válásunk folyamatának legfontosabb élettani jellemz˝oje az agy térfogatának és szervez˝odöttségének igen gyors növekedése. 3-4 millió évvel ezel˝ott élt el˝odeink agymérete kb. 400 cm3 volt. A 200 ezer éve elért és azóta állandósult emberi agytérfogat 1350 cm3 körüli értéknek felel meg. Vagyunk, mert egyrészt a természettan törvényei lehet˝oséget adnak az értelmet hordozó agykéreg kialakulására. Másrészt, mivel az értelmet használva több er˝oforráshoz lehet jutni, a h˝otan törvényei egyenesen serkentik az értelem megszületését. Amióta a csimpánzzal közös o˝ sünkt˝ol elválva, lásd a 11.7. részben, megindult az emberi agykéreg rohamos növekedése, az értelem használatára épül˝o tevékenységekre való képességek kialakulása vált az emberi fejl˝odés f˝o hajtóerejévé. Kivéve kezünk adottságait, az ember egyéb testi tulajdonságaival, er˝o, gyorsaság, érzékszervi adottságok és egyebek életképtelen lenne. Viszont a csoportja tagjaival értelmesen együttm˝uködve nemcsak hogy meg tud maradni, hanem egyedülálló lehet˝oségekhez jut. Az agykéreg a nagyagy féltekéit borítva helyezkedik el. Szürkeállomány néven is ismerjük, vastagsága kb. 2 mm. Harmincmilliárd kéregsejtünk van, az agykéreg sejts˝ur˝usége nagyjából egyenletes. Különböz˝o helyen lév˝o részei nagyjából mind ugyanúgy néznek ki, függetlenül attól, hogy érzékelések feldolgozásával vagy beszéddel foglalkoznak. Egy kéregsejtnek több ezer vagy tízezer kapcsolódása lehet más kéregsejtekhez. A fehérállomány anyaga a kéregsejtek közötti összeköttetést adó huzalozásnak felel meg. Kiterítve az agykéreg felületét, az 2200 cm2 -i, mintegy négy A4-es lapot tehetne ki. Az agykéreg sejtjei vízszintesen rétegekbe rendez˝odnek, általában hat réteget különböztetnek meg. A mélyebb rétegekb˝ol indulnak a kimeneti huzalok, a kérget elhagyva a kéreg alatti központokba vagy a gerincvel˝obe tartanak. A középs˝o rétegek neuronjai a kívülr˝ol érkezett huzalokat fogadják, a felszíni rétegek neuronjai a szomszédos vagy más kéregterületekkel tartják a kapcsolatot. Az agykéreg függ˝oleges szervez˝odésének alapegységei az oszlopocskák. Ezek kb. 100 agysejtet tartalmazó 0,03 mm átmér˝oj˝u hengerecskék, amelyek a kéreg felszínét˝ol lefelé a fehérállományig húzódnak. Az oszlopocskák sejtjei azonos feladattal foglalkoznak. A látókéreg egy oszlopocskája pl. bizonyos szögben álló tárgyak körvonalaira érzékeny. Nagyobb egységekbe szervez˝odnek az oszlopocskák, azok azután még nagyobbakba. Így az agykéreg szervez˝odése rangsor szerint felépül˝o rendszert képez.
13.1. Agyfejl˝odés Kéregsejtjeink a magzati kor nyolcadik hetét˝ol a tizennyolcadik hétig alakulnak ki. Bár összekapcsolódásaiknak lehet˝oségét a genetikai állomány szabályozza, viszont, hogy ténylegesen miként kapcsolódnak az kéreg sejtei hálózatokba, azt már a küls˝o, ismétl˝od˝o ingerek vezérlik. Kéregsejtjeink huzalozása már a magzati lét harmadik hónapjában elkezd˝odik. Ugyanis a magzat nagyon szoros kapcsolatban áll az anya szervezetével, érzékeli az anya érzelmeit, életének folyását. A születéskor még létez˝o százmilliárd kéregsejtb˝ol egyéves korra már csak harmincmilliárd marad, mivel azok az kéregsejtek, amelyek nem kaptak elég sok ingert, természetes módon felszívódnak. Ember és állat közötti különbség egyik meghatározó eleme az emberi agy fejl˝odésének folyamata. A legtöbb állat idegrendszerének kialakulása a születéssel lezárul. Ugyan az állatok is képesek tanulni, de csak annyira, amennyire agyuk születéskor rögzült állapota megengedi. Az emberi agy, bár alapvet˝o sejtjeinek, az agysejtek száma a születés után már nem növekszik, mégis képes a fejl˝odésre, élettani értelemben is. Azon agyterületek körzetében, amelyeket er˝osebben dolgoztatunk, a hajszálerek kiterjedtebb, s˝ur˝ubb hálózattá szervez˝odnek. Ez a folyamat, az agy, az idegrendszer végleges kialakulása a testi növekedés lezárulásával fejez˝odik be, tehát kb. 18 éves korig tart. A kéregsejtek közötti huzalozási rendszer azonban átlagosan 48 éves korig finomodhat, fejl˝odhet. Ez arra utal, hogy a szellemi képességeink eddig a korig még fokozhatók. 76
Az ember viselkedését nem csupán az ösztönei határozzák meg, hanem a többi embert˝ol önkéntelenül tanult minták legalább olyan fontosak. Ezek a tanult viselkedési formák, miután rögzültek, az ösztönökhöz hasonlóan, azokat kiegészítve vezetnek minket. Ezért az emberi társadalom nagyon gyorsan, pár nemzedéken belül képes lehet arra, hogy alkalmazkodjon környezete változásaihoz. Tudat és idegrendszer. Tudatunk létezése, bár legalapvet˝obb tapasztalatunk, egyúttal azonban létezésünk legrejtélyesebb vonása. Tudatos viselkedésünkr˝ol igen sokat tudunk. Csupán az a gond, hogy mindezt nagyon nehéz egyeztetni egyéb ismereteinkkel. Az agy m˝uködése, ha a folyamatot természettani, vegyi folyamatként írjuk le, viszonylag érthet˝o. Olvasva egy szöveget, fotonok ütköznek a szem látóhártyájának érzékel˝o sejtjeire. Idegszálak közlik a jelet a megfelel˝o agyterülettel. Ez feldolgozza, azonosítja a lapra írt bet˝uket, szavakat. El is raktározhatja mindazt, amit olvasok. Mindez azonban személyként, tudatos módon is megélem. A leírt szövegek érzelmeket képesek kelteni, gondolatok ébrednek bennem. Egy felfogott gondolat tudatom részévé válik, mint egyén egy kicsit meg is változom általa. Lehet, hogy elégedettséget érzek, jobb lesz a kedvem, az is lehet, hogy bosszússá válok. Mindezeket a tudatra utaló jelenségeket természeti folyamatok hordozzák. Tudatosságunk központja az agyon belül nem azonosított. Az agykéreg együtt hordozza azt, amit öntudatnak nevezünk. Értelmesség és muvi ˝ értelmesség. Az agyhoz kötött, természetes értelmesség a rögtönzésre, a találgatásra való képesség. Addig kísérletezünk, míg rá nem hibázunk a megfelel˝o megoldásra. Számos kísérlet történt a m˝uvi, gépi értelmesség kifejlesztésére is, azonban az agyéhoz hasonló jelleg˝u értelmesség˝u számítógépet nem sikerült kifejleszteni. Ennek végül is az az oka, hogy az idegrendszer valójában nem, illetve nem közvetlenül programozott rendszer. A számítógépnél el˝oírjuk, m˝uveleti utasításokkal rögzítjük, hogy mit várunk el t˝ole, és ennek megfelel˝o szerkezettel készítjük el. Amikor az agyi hálózatok m˝uködnek, nem csupán az kéregsejtek közötti kapcsolatok, hanem maguk a kéregsejtek is fokozatosan és állandóan változnak. A kapcsolatok és a kéregsejtek számos, úgymond feleslegesnek nevezhet˝o változáson is átesnek, és ezek el˝o nem írható m˝uködési, viselkedési módokat tesznek lehet˝ové. Az agy rangsorolt felépítettség˝u, az ismeretek feldolgozásában, kezelésében különböz˝o szint˝u szervez˝odések m˝uködnek közre. Ez a rendszer kísérleteken, tévedésen és sikeren alapuló tanulásra képes. Agyunkban az ismeretek feldolgozása tehát olyan, hogy szerkezet és m˝uködés között nincs jól meghatározott viszony. Mivel a számítógépek szerkezete és m˝uködése között meghatározott, el˝oírt viszony létezik, emiatt az agy és az utasításokkal vezérelt számítógép m˝uködése között elvi ellentét áll fenn. Emiatt, legalább is egyel˝ore, nehezen képzelhet˝o el emberi módon viselked˝o számítógép el˝oállítása. Egyesek szerint az emberi gondolkodás sohasem foglalható képletekbe, m˝uveleti sorokba, merev szabályokba. Mások szerint mindez elképzelhet˝o. ˝ Emberi természet és nevelhet˝oség. Osréginek mondható kérdés, öröklött adottságok és nevelés közül melyik a meghatározó. Angol szójáték szerint: nature or nurture? Nem egyszer˝u a válasz. Kutatások igazolják, hogy a szül˝ok és gyermekek viselkedése között szoros kapcsolat van. Kedvesen, szeretettel nevel˝o szül˝ok gyermekei öntudatosak, bíznak magukban, a határozottan viselked˝o szül˝ok gyermekei jó magaviselet˝uek és ha a szül˝ok sokat beszélnek a gyermekeiknek, azoknak jobbak lesznek a nyelvi készségei. Ebb˝ol sokan azt a következtetést vonják le, hogy a szül˝oknek kedvesen, határozottan, sokat beszélve kell a gyermeket nevelni és ha a gyermek mégsem a megfelel˝o módon viselkedik, az a szül˝o hibája. De a szül˝o gyermekeinek azonban nemcsak a nevelést adja, hanem génjeit is. A gyermek és a szül˝o viselkedését elemezve azt is mondhatjuk, hogy a szül˝ot˝ol örökölt gének tehetik a gyermeket kedvessé, határozottá, jó nyelvkészség˝uvé. Továbbá nem csak a család neveli a gyermeket, hanem amint n˝o, egyre inkább alakítja a többi ember viselkedése is. Két végletes vélemény küzd egymással. Egyik, a beletör˝od˝o, fásult felfogás szerint az emberi természetet olyannak kell elfogadni, amilyen, nem lehet az embert bölcsebbé, kedvesebbé, jobbá tenni és
77
a társadalmat eszerint kell berendezni. Másik, a délibábosnak mondható felfogás szerint az ember a társadalom miatt annyira korlátolt. Ha egy jobb társadalmat hozunk létre, az emberek is sokkal jobbak lesznek. Jobb- és baloldaliságnak ezek a gyökerei. A jobboldali ragaszkodik a hagyományokhoz (mivel az emberi természet olyan, amilyen), gyengébb állam hívei (a kormányzók nem elég bölcsek ahhoz, hogy jól irányítsanak), er˝os rend˝orséget és katonaságot akarnak (mivel a b˝un és a hódítás vágya állandóan kísérti az embert) és a szabad piac hívei, (mivel a piac az egyéni önz˝oséget a közösség boldogításának eszközévé teszi). A baloldaliak a fenti álláspontokat kishit˝ueknek és érzéketleneknek min˝osíti. Egy baloldali szerint ha a nevelési, m˝uvel˝odési, oktatási, sajtó és tájékoztatási rendszerünkön valamint egyéb társadalmi célkit˝uzéseinken megfelel˝oen változtatunk akkor az emberek értelmesebbek, kedvesebbek, békésebbek és jobblelk˝uek lesznek. Megjegyezzük, a jobb- és balodaliság fenti jellemz˝oi az Amerikai Egyesült Államok és más fejlett nyugati ország gondolkodását jellemzik, térségünk átmeneti társadalmaiban a két felfogás er˝osen keveredik. Legf˝obb tanulási módszerünk a másik utánzása. Így tanul a csecsem˝o, a gyermek és a feln˝ott viselkedésére is a többi ember milyensége gyakorolja a legnagyobb hatást. Ezért nagyon nehéz a társadalom viselkedését alakítani, változtatni. Nem a társadalom rendszere, intézményei, sokkal inkább a többi ember viselkedése teszi rosszabbá avagy jobbá az egyént. Ember és az él˝orendszer. Az ember mint természeti lény annyi energiát használ fel, amekkora tápérték˝ut anyagcseréjének fenntartásához elfogyaszt. Ez átlagosan napi 2500 kcal, ami átszámítva egy 120 wattos izzót égethetne állandóan. Vagy azt is mondhatjuk, az ember napi 3 deci üzemanyaggal m˝uködik, merthogy 2500 kcal kevesebb mint 3 deci étolaj és így gázolaj energiatartalma. Nevezzük ezt táper˝onek. Ám az ember, a t˝uz felfedezése óta küls˝o er˝oforrást is használ. Ezenkívül állatok háziasításával, szél és vízer˝o alkalmazásával a rendelkezésre álló er˝oforrások az ipari forradalom el˝otti társadalmakban a táper˝onek ˝ átlagosan a négyszeresére emelkedhettek. Valamennyi így felhasznált energiaforrás megújuló. Osmaradványi eredet˝u er˝oforrások, a szén, k˝oolaj és földgáz felhasználásával ma az emberiség átlagban a táper˝o tizenötszörösét használja fel. Mindez a természetes körfolyamatok rendjének megzavarásához vezetett. Az él˝orendszer m˝uködésének f˝obb zavarai a következ˝ok: - Az o˝ smaradványi er˝oforrások eltüzelése miatt jelent˝osen megn˝ott a légkör széndioxid tartalma, emiatt olvad oly gyorsan az Északi-Sarok jege. - Freon légkörbe juttatása miatt megsérült az él˝ovilágot véd˝o ózonpajzs. - A mértéktelen m˝utrágyázás megbetegíti a talajt, kiöli annak él˝ovilágát. A Föld talajainak nagy része pusztulóban van. - A szennycsatornák rendszere miatt a foszfor és a kálium körforgás megsérült. Az emberi anyagcserébe került foszfor és kálium a folyókon keresztül végül is a világtengerekbe jut. Így ezekben az elemekben a szárazföld megszegényedik és a világtengerek feldúsulnak. - Rohamosan csökken az er˝oltetett öntözés miatt a talajvizek szintje. - Az ember a szárazföldi fénymegkötési energiák kb. 40%-át a maga javára használja. Ezzel megfosztja életterének jó részét˝ol a többi él˝olényt. Az ember és háziállatainak együttes testtömege adja valamennyi földi gerinces testtömegének 98%-át, az összes többi gerincesnek csak 2%-i jut (itt a víztartalommal csökkentett ún. száraz testtömegben számoltak). Emiatt rohamosan csökken az él˝ovilág változatossága. Zajlik a földtörténet egyik legnagyobb kihalása. - 1953 és 2003 között kifogta az ember a világtengerek halászható halainak 90%-át. Ennek az ember gazdasági kárán kívül az él˝orendszereket is beláthatatlan módon változtatja. Idegen lények létezésér˝ol. Létünk felveti a kérdést, léteznek-e rajtunk kívül értelmes lények. Mivel legjobb tudásunk szerint a természettan törvényei a világmindenségben mindenütt érvényesek, mondhatjuk, miért ne. 78
Itt a bolygónkon látjuk, az élet, legyen az akármilyen fajta, igyekszik terjeszkedni, kihasználni a rendelkezésre álló életteret. Igazolja ezt az emberiség történelme is. Alig kétszázezer éve jelent meg a mai ember. Hamar uralma alá hajtotta a Földet és alig negyven évvel az els˝o u˝ rhajó felbocsájtása után a világ˝ur bolygónk körüli szakaszát is felderítette és használatba vette. Józan becslések szerint, hacsak hamarosan össze nem omlik m˝uveltségünk, néhány száz éven belül sor kerülhet arra, hogy nagyobb u˝ rállomásokat útjukra bocsájtva megindulhat a Naprendszeren kívüli térségek felderítése, esetleg gyarmatosítása. Néhányszor tízmillió év elteltével akár a teljes Tejútrendszert is felderíthetjük, birtokba vehetjük. Feltételezhetjük, a máshol esetleg kialakuló m˝uveltségek is hasonló fejl˝odési pályát követhetnek, mivel a terjeszkedés az élet egyik legáltalánosabb tulajdonsága. Ha ez így van, jogos a kérdés, hol vannak a Tejútrendszerben létrejött értelmes m˝uveltségek. Mértékadó becslések szerint a Tejútrendszerben a Naphoz hasonló csillagok csaknem negyede körül lehet egy-két földszer˝u bolygó. Továbbá tárgyaltuk, lásd a 10. részben, csillagvárosunkban sokmilliárd csillag, els˝osorban vörös törpe körül alakulhat ki magasabb rend˝u élet. Így jelen tudásunk szerint a Tejútrendszer akár több tízmilliárd bolygóján alakulhatna ki értelmes élet. Mindegyik akár külön-külön is képes lenne benépesíteni a csillagrendszert. Azaz Naprendszerünkben is szinte hemzsegniük kellene a m˝uszaki m˝uveltséget kialakított értelmes lényeknek. Amennyire Naprendszerünket már felderítettük, a földönkívüli élet nyomaira mindeddig nem találtunk. Nincs arra utaló jel, hogy itt lennének, vagy akár korábban jártak volna errefelé értelmes lények. Nem találjuk m˝uszaki alkotásaikat és a világ˝urt betölt˝o sugárzási térben sem figyeltünk meg eddig olyan jeleket, amelyek értelemre utaló alakzatokat hordoznának. Több évtizede tartó adatgy˝ujtésünk eddigi eredménytelensége arra utal, hogy a Tejútrendszerben mi vagyunk az egyedüli értelmes lény és meglehet, a teljes Mindenségben is egyedül vagyunk. Zavaró a fenti eredmény, mert nem mondhatjuk azt, hogy az értelmes m˝uveltségek közül az els˝ok egyike lehetünk, hiszen a csillagrendszerben naprendszerünk nem tartozik az els˝ok közé. Hozzánk hasonló naprendszerekben már milliárd évekkel ezel˝ott megjelenhettek volna értelmes lények. Ha egy hatalmas réten csak egyetlen pipacs virít, igen kicsiny annak a valószín˝usége, hogy az a pipacs a sok ezernyi közül a legels˝o. Inkább annak van sokkal nagyobb esélye, hogy ez az egyedüli pipacs a réten. Ezért abból, hogy nem észleljük más m˝uveltségek létezését, joggal gondolhatunk arra, hogy az értelmes élet rendkívül ritka, kivételes jelenség. Az is lehet a magyarázat, hogy a hozzánk hasonló szintre eljutott értelmes lények kimerítették o˝ smaradványi er˝oforrásaikat és nem találtak újabbakat helyettük. Ezért a világ˝urbe is csak 100-200 évre léphettek ki, jeleiket sem sugározhatták hosszabb ideig. Gondoljuk el a Földet. Úgy száz éve sugározza az ember az értelmes jeleit az u˝ rbe. Ezek fénysebességgel haladnak, jelenleg a Naprendszerünket övez˝o 100 fényéves sugarán belül mindenütt vehetnék az adásainkat. Mivel az o˝ smaradványi er˝oforrásaink észrevehet˝oen fogynak, és ha továbbra sem sikerül korlátlan energiaforrást felfedezni, amelyre támaszkodva id˝otlen ideig sugározhatnánk, 50 év múlva befejez˝odhetnek az adásaink. Ez azt jelentené, hogy a kisugárzott jeleink egy t˝olünk fénysebességgel távolodó 150 fényévnyi vastagságú gömbhéjon belül terjednek tovább a Mindenségben. Ezen belül, mivel id˝ovel a gömbhéj vastagsága ugyan marad, de a térfogata egyre n˝o, az értelmes jeleink kezdenek beleolvadni a zajszintbe és lassan észlelhetetlenekké válnak. Éppen ezért értelmes lények jelzéseinek felfogása hatalmas biztatást adna számunkra, mivel bizonyítaná továbbfejl˝odésünk lehet˝oségét.
79
