Nyugat · / · 1930 · / · 1930. 3. szám · / · IRODALMI FIGYELŐ · / · Tudomány és kritika

Komjáthy Aladár: AZ ANYAG KORPUSZKULÁRIS ELMÉLETE
Ortvay Rudolf könyve - M. Tud. Akadémia kiadása

Fizikai szakirodalmunknak az utóbbi esztendők alatt, két nevezetes eseménye is volt. Sorrend szerint elsőnek megjelent Pogány Bélának «Az elektromágneses tér» című könyve s ezt követte nem sokkal később Ortvay Rudolfé. Aki ismeri a magyar fizikai szakirodalom óriási hézagait, az csak örömmel üdvözölheti a két tudós bátor vállalkozását, akik a modern fizika két oly problémakörének adták összefoglaló tárgyalását, amelyek ma a kutatás előterében állnak.

Természetes, hogy a két műnek vannak érintkezési pontjai. Pogány könyvében a felölelt problémakörnek megfelelőleg érvényre jut egész fizikai szemléleti módunk s az anyag szerkezetéről vallott felfogásunk két ellentétes sarkpontja: a jelenségeknek és törvényszerűségeknek a kontinuitási és diszkontinuitási elméletek szerint való értelmezése. Nem így Ortvaynál! Ortvay már eleve és következetesen arra az álláspontra helyezkedik, hogy a fizikai történéseknél individuumokkal, korpuszkulákkal van dolgunk, amelyek egymástól szigorúan el vannak határolva s önálló léttel bírnak, mint az egyedek az emberi társadalmakban. A kontinuitási felfogás ezzel ellentétben arra törekszik. hogy a fizikai történéseket folytonosan kiterjedt, azaz tetszőleges kis térfogatokban is azonos szerkezetű médiumok (pl. az azelőtt oly nagy szerepet játszó eletromágneses aether) segítségével értelmezze, lehetőleg úgy hogy a jelenségek mint e médiumok mozgási állapotai adódjanak.

Érdekes most már, hogy a fizikai tényeknek egy jelentős csoportját mindkét elmélet alapján lehet jellemezni, bár ezek kiindulási pontjai homlokegyenest ellenkezők. Mint lehetséges ez? Nyilván csak az lehet az oka, hogy ha nagyon sok korpuszkula van jelen valamely fizikai történésnél, az általuk elfoglalt teret úgy tekinthetjük, mintha folytonosan lenne kitöltve. Megszünik azonban a kontinuitási elmélet alkalmazásának lehetősége abban a pillanatban, amikor úgynevezett elemi folyamatokat veszünk vizsgálat alá, vagyis olyan törvényszerűségeket keresünk, amelyek az anyag, vagy elektromosság elemi részeinek, korpuszkuláinak viselkedésére mérvadók. Éppen ezért a modern fizika éles különbséget tesz az úgynevezett elemi törvényszerűségek között s azok között a törvényszerűségek között, amelyek a véges kiterjedésű testekre érvényesek. Véges kiterjedésű test esetében természetesen mindig mérhetetlen sok korpuszkulával van dolgunk, elemi folyamatoknál pedig mindig igen kevéssel. Érdekesek azok a jelenségcsoportok, amelyek a kettő között állnak, mikor is aránylag kis számú (de nem nagyon kevés!) korpuszkula van jelen. Ekkor fellépnek az ú. n. ingadozási jelenségek, vagyis a véges kiterjedésű testek állapotát jellemző fizikai állapothatározók (hőmérséklet, nyomás stb.) normális értékeitől való eltérések. Ebbe a jelenségcsoportba tartozik az ú. n. Brown-féle mozgás.

A fizikai tények jellemzése szempontjából tehát nagy fontossággal bír annak a térrésznek vagy szubsztanciának a mérete, amelyben, vagy amelyre a fizikai történés lefolyását meg akarjuk állapítani. A fizikai törvény érvényessége függ annak a tartománynak a nagyságától, amelyben vizsgáljuk Véges tartományokban az ú. n. makroszkopikus törvények szerint folynak le a fizikai történések, elemi tartományokban (igen kevés korpuszkula, vagy esetleg igen rövid idő, ami alatt a történést vizsgáljuk) pedig ú. n. mikroszkopikus törvényszerűségek szerint. A mikroszkopikus törvényszerűségek egészen mások, mint a makroszkopikusak egymástól kvalitatíve különböznek, de kell, hogy ha a mikroszkopikus tartományt fokozatosan makroszkopikussá tágítjuk, a mikroszkopikus törvényszerűségek átmenjenek a jól bevált és kísérletileg is ellenőrizhető makroszkopikus törvényszerűségekbe. Az elemi folyamatokat tehát olyan és csakis olyan principiumok és hipotézisek segítségével kutathatjuk (róluk való ismereteink mindig csak közvetettek!), amelyek a két törvénytípus között az előbb említett átmenetet lehetővé teszik. Minden természetleírás hibás, mely ezt a követelést nem veszi figyelembe, mert szükségképpen kísérleti tényekkel kerül összeütközésbe, amennyiben nem vezet át a makroszkopikus törvények kísérletek által körülhatárolt világába.

Ortvay könyve három nagyobb részre oszlik. Az első a gázok általános tulajdonságait s a gázokban fellépő egyes érdekesebb jelenségcsoportokat tárgyalja, az ú. n. kinetikai gázelmélet alapján. Ez az elmélet a gázt mint egymással azonos, igen nagyszámú korpuszkula (molekula) halmazát tekinti. Ha a gázt edénybe zárjuk, a gázmolekulák az edény falai által határolt térben minden irányban és minden lehető sebességgel tovahaladó mozgást végeznek, s természetesen egymásba ütköznek; ezek az ütközések azután módosítják az egyes molekulák mozgási állapotát.

A kinetikai gázelmélet feladata az, hogy e felfogás segítségével levezesse azokat a makroszkopikus törvényszerűségeket, amelyeket a mérő fizikus a gáz nyomása, hőmérséklete és térfogata között már régen megállapított. Ha a gáz adott térfogatú edényben és nem változó hőmérsékletű helyiségben van akkor állapota ugyanaz marad amíg ezek az adatok nem változnak. Hogyan tudja megmagyarázni ezt a változatlanságot a kinetikai gázelmélet, hiszen a gázmolekulák az edény belsejében éppen nincsenek nyugalomban, hanem a leghevesebb száguldozásban, amelyet egyre megzavarnak a részecskék ütközései? Az edény falaihoz a legkülönbözőbb irányból és a legkülönbözőbb sebességgel érkeznek a gázmolekulák és az ütközések eredője, a gáz nyomása, mégis állandó marad. Ugyanúgy állandó marad a gáz hőmérséklete is, holott ezt a kinetikai gázelmélet az összes molekulák mozgási energiájával hozza összefüggésbe.

Tüzetesebb elméleti megfontolások felderítették a magyarázat lehetőségének okát. Az ok pedig az, hogy az extravagáns viselkedésű molekulák száma, amelyeknek a sebessége pl. nagyon nagy, vagy nagyon kicsi, elenyészően csekély az óriási többséget képviselő szabályos viselkedésű molekulák számához képest, úgy hogy ezek mintegy elnyomják amazokat s megteremtik azt a rendet, amelyet a mérő fizikus a makroszkopikus állapothatározókon konstatál. Olyanforma helyzet ez, mint mikor egy tízmillió lakost számláló államban 9,999.999 ember rendet akar, 1 pedig nem. Nyilvánvalóan rend fog uralkodni az államban.

Ortvay szép és logikus sorrendben fejti ki ezeket az elméleti megfontolásokat s nem mulasztja el sehol sem az alapvető kísérletekre való utalást, ahol ez szükségesnek mutatkozik.

A második rész a statisztikai mechanika módszereit és problémakörét tárgyalja. A figyelmes olvasó méltán ütődhetik meg a «statisztikai mechanika» kifejezésen. Hogyan lehet a statisztikát és a mechanikát összefüggésbe hozni? Hiszen a statisztika törvényei csak átlagtörvények, amelyek alól kivételek vannak, a mechanika törvényei pedig a közhit szerint szigorú érvényességgel bírnak. A statisztika megállapítja pl. az angol férfiak átlagos testmagasságát, vagy egy nagyváros átlagos heti halálozási arányszámát és ezekhez hasonlókat. Ez nem akadályozza meg azonban, hogy ne találkozzunk angol óriásokkal és törpékkel, vagy hogy egy járvány idején a heti halálozási arányszám ne növekedjék meg ijesztően. A statisztikus erre azt feleli, hogy mindez igaz, de ezek csak kivételek, az angol férfiak túlnyomó többsége azért sem nem óriás, sem nem törpe, hanem igen nagy megközelítéssel éppen a statisztikai átlagmagasságot éri el s a heti halálozási arányszám is mérvadó, hacsak nem forog fenn pl. járvány.

Itt aztán már fel is dereng a lehetőség, a statisztika módszereit fizikai meggondolásokban alkalmazni. Minden statisztikai kutatás alapja a nagy számok törvénye, mely szerint az individuális esetlegességek annál kisebb szerepet játszanak, minél nagyobb számú individuumot vonunk vizsgálatunk körébe. Ennek a törvénynek az érvényesülését láttuk előbb a gázok kinetikai elméletében, amikor rámutattunk, hogy az extravagáns viselkedésű molekulákat egészen «elnyomják» a rendes viselkedésű molekulák.

A korpuszkuláris elmélet az anyagnak minden nem nagyon kicsi térfogatot betöltő részét mint igen nagyszámú korpuszkula halmazatát fogja fel. A feltétel, amikor a nagy számok törvényét alkalmazhatjuk, teljesítve van tehát s ezzel egyben a statisztikai módszer is vendégjogot nyer a fizika egyes területein. Ebből viszont az következik, hogy vele együtt a fizika egyes meggondolásaiba bevonul a valószínűség fogalma, hiszen minden statisztikai törvény tartalma összefoglalható ilyen képpen: «A statisztikai átlagértéktől való eltérés valószínűsége csekély, annál csekélyebb, minél nagyobb az individuumok száma».

E második részre éppen a legjellemzőbb a valószínűségi meggondolások következetes használata s ezzel kapcsolatban a mechanika megfordítható és a hőtan meg nem fordítható folyamatainak szembeállítása. Megfordítható mechanikai folyamat pl. az inga lengése. Az inga, ha jobbfelé irányított lökést adunk neki, a jobboldal felé fog először kitérni balfelé irányított lökés esetében ellenben balfelé. Itt tehát a folyamat lefolyási irányát megfordíthatjuk azáltal, hogy a kezdetben adott lökés irányát megfordítjuk. A törvény; mely az inga mozgását leírja, mindkét esetben ugyanaz. Nézzük ellenben a hőkiegyenlítődés folyamatát. Még soha senki sem tapasztalta, hogy a hő az alacsonyabb hőmérsékletű helyről a magasabb hőmérsékletű hely felé áramlott volna. A hőkiegyenlítődés folyamata tehát meg nem fordítható, iránya mindig ugyanaz. A valószínűség nyelvére lefordítva e tény annyit jelent, hogy mérhetetlenül valószínűbb az az állapot, amikor a molekulák mozgási energiája a statisztikai átlagérték felé törekszik, vagyis a hőkülönbségek kiegyenlítődnek, mint ennek az ellenkezője. Mivel azonban a valószínűség sohasem teljes bizonyosság, nincs kizárva, hogy egyszer éppen az ellenkező történik s a hő alacsonyabb hőmérsékletű hely felé fog áramlani. Ez esemény bekövetkezésének valószínűsége azonban oly csekély, hogy praktice egyenlő a lehetetlenséggel. Röviden azt mondhatjuk: «A világ oly mérhetetlen mennyiségű korpuszkulából áll, hogy a véletlen, habár szerepe eleve nincs a fizikai történésekből kizárva, gyakorlatilag sohasem érvényesülhet a jól bevált törvényszerűségekkel szemben Ortvay könyve e kérdésekben is biztos kalauz, sőt olyan kutatásokról is beszámol, amelyek eredményeit csak a közelmult szűrte le, így egyes mágneses jelenségek modern elméletéről.

A harmadik rész a modern fizika olyan fejezeteit tárgyalja, amelyek még nagyrészt forrongó átalakulásban vannak. A Planck-féle energiakvantumok tana évszázados fejlődési tradiciót tört meg, amennyiben bevezette a fizikai történésekbe a diszkontinuitást. Az emberi elme hajlandó az anyagot diszkontinuusan mint korpuszkulák halmazatát elképzelni. Itt a diszkontinuitás gondolatának bevezetése nem annyira idegenszerű, hiszen az anyag végeredményben csak e fizikai történések hordozója hat is és hatást is elszenved ugyan de maga a fizikai folyamat éppen e hatás, illetőleg annak elszenvedése. Planck azt állítja (s vele együtt ma már csaknem minden fizikus), hogy maga a fizikai történés (pl. energiakicserélődés) is lehet diszkontinuus. Mi az energia? Minden, ami végeredményben olyan formát képes felvenni; hogy munkát tud végezni, azaz valamilyen fizikai szubsztanciát, amelynek tehetetlensége van, tehát fennálló mozgási, vagy nyugalmi állapotának megtartására törekszik (pl. molekula, elektron) a tér egyik helyéről egy másik helyére tud vinni. Ismeretes, hogy az energiának különböző formái vannak (mozgási, hő, elektromos stb. energia) s hogy ezek egymásba átalakulhatnak. Hosszú ideig úgy képzelték, hogy az energia folytonosan, ahogyan mondani szokták, kontinuusan változik. Például egy szabadon eső test mozgási energiája folytonosan nő attól a kezdeti állapottól, amikor éppen esni kezd, addig a végállapotig, amikor egy bizonyos meghatározott sebességgel eléri a föld felszínét. Vagy ha gőzgép segítségével dinamót forgatunk, a dinamó által termelt áram energiája folytonosan változik a gőzgép által végzett munka arányában.

Planck azt állítja, hogy mindez nem így van, amint korpuszkulák között történő energiakicserélődéseket veszünk vizsgálat alá. A Rutherford-féle atommodell szerint minden atom nagyjából hasonlatos a mi naprendszerünkhöz. Van egy középponti mag és körülötte keringenek az elektromosság korpuszkulái, az elektronok. A középponti mag a Nap, az elektronok a bolygók. A mag tömege sokkal nagyobb egy elektron tömegénél, ahogy a Nap tömege is sokkal nagyobb akármelyik bolygó tömegénél. Míg azonban a Nap sokkal nagyobb tömege sokkal nagyobb térfogatot is tölt be, addig az atommag nagyobb tömege aránylag sokkal kisebb térfogatot foglal el, mint az elektron sokkal kisebb tömege. Bohr alapvető feltevése most már az, hogy a mag körül keringő elektronok pályái nem lehetnek tetszőlegesek, hanem bizonyos fontos feltételek által vannak meghatározva. Ezek az úgynevezett stacionárius pályák s az elektronok csak ezeken keringhetnek. Ha egy elektron szélsőbb pályáról belsőbb pályára ugrik, energia szabadul fel, mert a szélső pályákon az elektron energiája nagyobb, mint a belsőkön. Ez a felszabadult energia az energia megmaradása törvényének értelmében nem veszhet el s így valamiképpen jelentkeznie kell. Ez a jelentkezés bizonyos egyszínű sugárzás (pl. vörös) kibocsájtásának formájában történik s a felszabadult energia egyenlő a kibocsájtott sugárzás energiájával. Erről a felszabadult energiáról azt állítja Planck, hogy nem változik folytonosan, hanem akármilyen két felszabadult energia értékének különbsége véges, vagyis a felszabadult energiák értékei nem térhetnek el tetszőleges kevéssel egymástól.

Az egész harmadik rész nem egyéb, mint a Planck-féle feltevés alkalmazásának keresztülvitele, különböző jelenségcsoportok esetében. Ortvay rendkívül ügyesen csoportosítja a tárgyalt anyagot s közel tud vinni a problémák leglényegéhez. Éppúgy belemélyed egyes sugárzási jelenségcsoportok taglalásába, mint ahogy kiterjeszkedik a szilárd testek bizonyos érdekes, eddig megmagyarázhatatlan tulajdonságainak a kvantum feltevés segítségével való értelmezésére.

E könyvet nem lehetett érdeklődés, szeretet és elmélyedés nélkül megírni. Közel háromszáz oldalon hatalmas munkatömeg van felhalmozva s hozzá, amint az előszóból kitünik, ez csak első kötete a tervezett műnek. A második kötet még gazdagabb anyagot, még érdekesebb problémakört igér. Bele fog vinni a mai fizika ideáktól gőzölgő műhelyének még csak kialakulni készülő titkaiba.