A tudománynak nagyon fontos szerepe van az életünkben, sokkal fontosabb, mint azt az átlagemberek sejtik. Mint minden élőlény, mi is alá vagyunk vetve a természet törvényeinek, a környezethez való állandó alkalmazkodás állandó kényszerének. Az alkalmazkodás emberi módja, ellentétben a növényi és állati alkalmazkodással, nem a saját maga átalakításával történik, hanem a környezet legalábbis részleges átalakításával. Ez a módszer nagyon sikeresnek bizonyult irányíthatósága és gyorsasága miatt. Nem volt szükség hosszú evolúciós folyamatra, hogy a hideg ellen bundát „növesszünk”, a tűz felfedezése, felhasználása, a ruha készítése gyorsabban ment. Ha az ember visszakerült melegebb vidékre, nem kellettek újabb evolúciós folyamatok a bunda elvesztésére, a tüzet seperc alatt ki lehetett oltani, a ruhát le lehetett vetni. Sikeressége vitathatatlan.
Míg a fáraók korában az átlagéletkor harminc év körüli volt, ma, Európában ez jóval több mint a duplája. A hagyományos technológiákkal nem lehetne életben tartani ilyen sok embert. Mindezt az ismeretek – elsősorban a természet ismerete, amit ma természettudománynak nevezünk – tették lehetővé. A természet megismerése hosszú, soha véget nem érő folyamat, amely a történelem során egyre gyorsult, ma is tart és gyorsul ma is.
Ahhoz, hogy a tudomány hasznos is legyen, az ismereteket alkalmazni kell a gyakorlatban, meg kell teremteni a technikát. Könnyű belátni, hogy a tűz használata megóv bennünket a megfagyástól, az ételek megfőzése a bakteriális fertőzések egy részétől, a tömegvonzás ismerete elősegíti az oszlopok beverését a talajba, segít a stabil falak építésmódozatainak a felfedezésében stb. Az emberi kultúra hajnalán már az emberek magas színvonalon alkalmazták ezeket az ismereteket, amint azt az akkor készült, nagyszerű épületek bizonyítják.
A „csoda” – a módszer – lényege a természeti folyamatok megismerése, a törvényszerűségek megállapítása és ezek alkalmazása az emberek, az emberiség érdekében. Gondolom, világos, hogy a társadalomban a folyamat nem ilyen egyértelmű, nem ilyen tudatos, mint amilyennek itt láttatni igyekszünk. Mindig voltak és lesznek emberek, akik szívesen foglalkoznak tudománnyal, vonzza őket a gondolatmenetek átláthatósága, ahogy a jelenségekből meg lehet állapítani a törvényszerűségeket, ahogyan az apró tényekből, kirakós szerűen összeállítható a dolgok lényege, vagyis a jelenségeket vezérlő törvény. A törvények, az összefüggések felismerése olyan örömöt okoz, amely talán semmi máshoz sem mérhető. Azok az emberek, akik előre viszik a tudományt, nem is mindig vannak tisztában azzal, hogy milyen fontos szerepük van az emberiség fennmaradásában, tovább élésében, nem beszélve a mindennapi, az átlagemberről, akit ez nem is igazán érdekel.
A lehetőség benne van a génjeinkben, másképpen viszonyulunk a természethez. Megkaptuk szellemi képességeinket, gondolkozásra alkalmas agyunkat, a kommunikáció lehetőségét (beszéd) és a végrehajtás csodálatos eszközét, a kezünket – és élünk mindezekkel. A módszernek vannak kockázatai is, a környezet átalakítása majdnem mindig környezetrombolást is jelent
Az elkövetkezőkben megpróbáljuk felleltározni azokat az eszközöket, amelyek szükségesek voltak a lehetőségeink kihasználásához, alkalmazkodásunkhoz a környezethez. Az egészet a fizika szemszögéből fogjuk bemutatni. Ezeket az eszközöket olyan zsenik vették észre, dolgozták ki alkalmazták, a modern tudomány megjelenésekor és az elmúlt háromszáz év alatt, mint Galileo Galilei, Isaac Newton, akik elkezdték és sokan mások akik folytatták. Természetesen a fizika, a tudomány előttük is létezett, de ekkor egy új korszak kezdődött amelyben a fejlődés hihetetlenül felgyorsult.
A mérés
Bármilyen tevékenységbe is kezdenénk, előbb, utóbb a mérés kényszerébe botlunk. Lehet ez a tevékenység sámli, nadrág, avagy paszulyleves készítése. A sámli részeit legalább egymáshoz kell mérni, hogy össze lehessen azt állítani, a nadrágot a viselőjéhez, a só mennyiségét a fogyasztó igényeihez. Hogy a művelet jelentőségét fel tudjuk mérni (látjuk? újból: mérni), meg kell, határoznunk, hogy mi is az a mérés.
A mérés az a művelet, melynek során egy mennyiséget összehasonlítunk egy másik, azonos természetű, egységnek választott mennyiséggel.
A meghatározás szerint tehát a méréshez először választunk egy egységet. Ennek megválasztása önkényes, a meghatározás semmit sem mond a nagyságáról, csak azt köti ki, hogy azonos természetű legyen a mérendő mennyiséggel. Ez magától érthetőnek tűnik, nem lehet két különböző természetű mennyiséget összehasonlítani. Sokszor lehet hallani főleg zsűritagoktól, védekezésképpen, hogy nem lehet az almát a körtével összehasonlítani, de erről jut eszembe fiatal korom abszurd vicce is (ezeket nagyon élveztük annak idején), ahol a humor forrása éppen ennek figyelmen kívül hagyása volt. A kérdés: mi a különbség egy krokodil között. Már a kérdés is abszurd. A válasz még inkább az: inkább hosszú, mint zöld.
Lássunk egy példát. Meg kell mérni az asztalom hosszát, mondjuk, hogy befér-e a szobámba. Ennek legprimitívebb módja az, hogy fogom az asztalt, és megpróbálom bevinni. Ez is mérés, összehasonlítom az asztalt a szobámmal, anélkül, hogy tudatosan egységet választanék (elvben az egység lehet az asztalom is). Most válasszunk egy rafináltabb fejlettebb módszert. Legyen a hosszúság egysége a könyök. Nagyságára nincs előírás, de használata megkönnyítése érdekében az emberi testtel azonos nagyságrendű kell hogy legyen. Ez legyen az ujjam hegye és a könyököm közötti távolság. Összehasonlítva az asztallal kapjuk, hogy az asztal hossza, mondjuk, két és fél könyök. Meg kell mérni a szobát is, majd a két mért adatot össze kell hasonlítani. Ha a szoba mérete nagyobb mint az asztalé, akkor az befér, ellenkező esetben pedig nem. [Már ha az ajtón befér… – a szerk. megj.] Ha a mért adatot nem én akarom felhasználni, hanem valaki más, esetleg egy távolabb lakó valaki, akadhatnak még gondok. Majdnem biztos, hogy sokféle könyök lehetséges, az egyiptomi szent könyöktől a nagyon sok, használatban lévőig, és alig van arra esély, hogy bármelyik pontosan egyezzen az általam használttal. Amíg a felhasználó a „szomszédom”, addig nincs baj. A gyakorlat az volt, hogy minden tájegységnek megvoltak a mértékegységei. (Lásd cinkotai icce). A mértékegységeket csak később egységesítették, amikor ez a sokoldalú kapcsolatok, elsősorban a gazdasági, kereskedelmi kapcsolatok miatt szükségessé vált.
Az összehasonlítással is lehetnek problémák. Ameddig hosszúságokról van szó, addig világos mit értünk ezen. A terület és a térfogat a szabályos síkidomok, illetve testek esetén kiszámítható, mértékegysége kifejezhető a hosszúság egységével, lehet négyzetméter, illetve köbméter. Természetesen a tradicionális térfogat mértékegységeknél ez nem volt ilyen egyértelmű, lásd a vékát, az iccét stb.
A hőmérséklet esetében egy kicsit bonyolultabb a helyzet. Elvben az összehasonlítás itt is működhetne, a gond az, hogy hogyan történjen. Erre a tapintás alkalmas lenne, lennének különböző hőmérsékletű tárgyak, egyiket egységnek választanánk és tapintással összehasonlítanánk azok hőmérsékletét. Sajnos, a tapintás becsapható, ahogy ez az alábbi kísérletből kiviláglik. Ismerős ugye: amikor egyik kezünket meleg, másikat hideg vízben tartjuk, majd mindkettőt langyos vízbe tesszük. Az a kezünk, amelyik a meleg vízben volt, a langyos vizet hidegnek, amelyik a hideg vízben volt, az melegnek fogja érezni, vagyis az érzékelésünk viszonylagos, nem alkalmas a hőmérséklet közvetlen mérésre. Mivel a közvetlen mérés, a közvetlen összehasonlítás, ahogy a fentiekben láttuk, itt nem használható, valami mást kell kitalálni.
A megoldás az, hogy keresünk egy olyan folyamatot, amelynek során egy közvetlenül mérhető mennyiség arányosan változik a hőmérséklettel. Az elsőnek választott ilyen jelenség a hőkiterjedés volt. A legjobb anyag, ami a jelenséget elszenvedi, valamilyen folyadék lehetne. A szilárd testek hőkiterjedése kicsi, nehezen mérhető, a gázok pedig nehezen kezelhetőek, a folyadékokkal ellentétben térfogatukat jelentősen befolyásolja a nyomásváltozás. Az első hőmérőkben higanyt használtak, amely jó választásnak bizonyult megszokott hőmérsékletek esetében, manapság mérgező volta miatt nem használják. Egy tartályból kiinduló hajszálcsőben (átmérője kisebb egy milliméternél) a higany egy vékony oszlop alakjában létezik, a higanyoszlop hosszúságának változása (a közvetlenül mérhető mennyiség), arányosan változik a hőmérséklet (a mérendő mennyiség) változásával. Megválasztva a skála kiinduló pontját (a nulla fokot) a higanyoszlop hossza méri a hőmérsékletet, miután azt elláttuk egy megfelelő skálával, ami a mértékegység megválasztását is jelenti. Végül is a hosszúság mérésével mérjük a hőmérsékletet.
Természetesen nem ez az egyetlen megoldás, nagyon sok erre alkalmas jelenség van ahol a mérés még áttételesebb. Megemlíthetjük a félvezetőn átfolyó áram függését a hőmérséklettől, amit a leggyakrabban használunk, de ide sorolható a hőelektromos jelenség (Seebeck-Peltier-Thomson hatás), vagyis a hőmérsékletkülönbség, illetve -változás fémek érintkezésekor elektromos feszültséget hoz létre. Itt a feszültséget, illetve az áramerősséget is közvetve (például egy mutató kitérésének szögével) mérjük. A hőmérséklet változásának hatására megváltozik a félvezető ellenállása, az ellenállás megváltoztatja a rajta áthaladó áram erősségét, az áramerősség változása megváltoztatja a mérőműszerben a mágneses térben lévő tekercsre ható erőt, az erőhatására változik a mutató kitérése, vagyis a mutató kezdeti és a végső állása közötti szög, ami már közvetlenül mérhető. A modern, digitális méréstechnika még bonyolultabb, még áttételesebb.
Manapság már majdnem mindent közvetett módon mérünk. A cégnél ahol dolgoztam, a bútortervezésnél, a szoba méreteit, ahová a bútor kerül, egy lézer alapon működő eszközzel mérik, mert ez kényelmesebb: elég a szoba közepén megállni, sehová sem kell menni és a kapott méretek a lehető legpontosabbak. Ez az eszköz az időt méri, ami alatt a lézerfény a falról az eszközbe visszaér, ami arányos a köztük lévő távolsággal és hihetetlen pontos, annyira pontos, hogy arra, a fent említett műveletnél, nincs is szükség.
A fizikus azt a mennyiséget, amit nem lehet megmérni, nem tudja értelmezni, nem tudja használni. A mérhetetlen mennyiség számára nem létezik, nem tekinthető fizikai mennyiségnek, lemond a használatáról, egyáltalán nem foglalkozik velük. A választ arra, hogy miért, lásd a következő fejezetben.
Nem fogok kitérni az okkult „tudományok” által használt tudományosnak tűnő fogalmakra, mint a pozitív, illetve negatív, sötét, illetve egyéb energiákra, energetikai támadásra, sötét erőkre stb., hiszen ezek mérhetetlenek, nem érdemes ilyesmikkel foglalkozni egy döntően fizikával foglalkozó írásban.
Összefoglalva az elmondottakat, a mérés szükséges, a mindennapi életünk része, tevékenységünk feltétele, de a tudomány műveléséhez elengedhetetlenül szükséges, a technikában nélkülözhetetlen, az alkalmazkodásunkat, a túlélésünket szolgálja. A méréshez szükséges egy jelenség, az azt nyilvánító anyag és a mértékegység – a többi már technika.
A matematika
Az ókori tudósok számára megoldhatatlan kérdése a mozgás volt. Ahhoz, hogy egy test befusson egy bizonyos távolságot, először meg kell tennie annak a felét, azelőtt a negyedét (a felének a felét), azelőtt a nyolcadát, és így tovább a végtelenségig. Ha a végtelen számú távolság megtételére szükséges időket összeadjuk, megkapjuk az egész távolság megtételéhez szükséges időt. A végtelen számú időtartamok összege nem lehet véges, tehát sohasem fog a célba érni, ehhez végtelen hosszú idő kellene, adódik a „következtetés”: tehát nincs is mozgás.
Hasonló gondolatmenet végén kiderül, hogy a gyorslábú Akhilleusz sohasem fogja utolérni a lassú teknősbékát, ha – úgymond a „fair play” értelmében – annak indulási előnyt biztosít. Tételezzük fel, hogy egyszerre indulnak, de a teknősbéka kap, mondjuk, tíz méter előnyt. Mialatt Akhilleusz megteszi azt a tíz métert, a teknősbéka már tovább haladt, mire újból utolérné, addig ő is tovább megy, és így tovább a végtelenségig, igaz egyre csökken közöttük a távolság, de sohasem lesz nulla. Ha, a mozgások időtartamait összeadjuk, mivel végtelen a számuk, végtelen időtartamot kapunk. Ebből következik, hogy a gyorslábú Akhilleusz sohasem fogja utolérni a lassú teknősbékát. Az ókori filozófus látszólag nem számol azzal, a mindenki számára világos ténnyel, hogy Akhilleusz előbb-utóbb egyszerűen átlépi a teknősbékát. Természeteren tudatában volt a fentieknek, a nyilvánvaló valóság és az elmélet közötti ellentmondásra akarta felhívni a figyelmet. (Gondolom én, mert azt, hogy mire gondolt a kétezer évvel előttem élt görög, azt csak sejthetem, de nem tudhatom.)
A matematika meg – inkább fel – tudja oldani a fenti paradoxonokat, bebizonyítva, hogy végtelen számú, egyre csökkenő mennyiségek összege lehet véges (a matematikát csak középiskolai szinten ismerők számára ez a végtelen, összetartó, konvergens sorozatok elemeinek az összege).
A repülő nyílvessző egy adott pontban, egy adott pillanatban áll, tehát nem mozog, mivel minden pontban ez történik, a nyílvessző egyáltalán nem mozog, tehát mozgás nincs is (!). Mivel az ilyen, illetve az ehhez hasonló gondolatmenetek eredménye (gondolat-, vagyis elképzelt kísérletek eredménye) nyilvánvalóan ellentmond a tapasztalatnak: hibás, a mozgás meg nem értéséből származik. A mozgás lényege, hogy egy adott időpontban a test ott van, de még sincs ott, mert rögtön tovább megy. A fentiek magyarázatához új matematikára volt szükség, a differenciál- és integrálszámításra, amelynek egyik kidolgozója Newton volt.
A sebesség fogalmával is gondok voltak. Mondjuk eljutok A-ból B-be, megteszek 60 kilométert egy óra alatt, akkor a sebességem, 60 km/óra. Lehet, hogy sohasem mentem ezzel a sebességgel, hol gyorsabban, hol lassabban utaztam, hol várakoztam a sorompónál stb. Egy másik példa a Feynmané, példájában a rendőr leinti az idős hölgyet, azzal, hogy 70 km/óra (nála 70 mérföld/óra) sebességgel hajtott. Honnan tudja, kérdi a hölgy, nem mentem még egy órát, innen jövök a legközelebbi saroktól… És így tovább, hasonló stílusban. Itt külön kellene választani az átlagsebességet (60 km/óra), amelyet egy nagy időintervallumra, egy órára számítunk ki és a pillanatnyi sebességet, amelyet egy nagyon kicsi időintervallumra kellene kiszámítani. Hogy milyen kicsi ez az időintervallum az a sebességtől függ, a sebességnek nem szabad változnia ebben az intervallumban. Hogy mekkora ez az intervallum, az előre nem látható, ez okból egy olyan intervallumot kell választani, amely minden esetre érvényes lesz – ez lehetne a nulla intervallum. Hogy pontosan nulla legyen, nem szükséges, a nullával való osztás különben is matematikai gondot jelent, ezért egy változó, egyre kisebb, a nullához közelítő idő intervallum lesz a megfelelő.
Ingoványos talajra érkeztünk. A sebességet a megtett út és az ehhez szükséges időintervallum hányadosa adja. Ez lehetne, mondjuk végtelen is, egy szám egy egyre csökkenő mennyiséggel osztva természetesen növekszik. A gondot az oldja fel, hogy az út és az idő korrelált mennyiségek: ha az idő csökken, csökken az út is, tehát az arány nem végtelen, hanem nulla per nulla lesz, ami lehet véges. Itt már újból szükség van a differenciálszámításra. A tanulság ebből az, hogy a legegyszerűbb, csak helyváltoztatással járó folyamatok megértéséhez is szükséges ez a nem is túlságosan mindennapi matematika.
Természetesen más érveink is vannak a matematika alkalmazása mellett. Hasznos, ha tudjuk mi a tevékenységünk következménye, ha a dolgokat előre láthatjuk. Azt hiszem, nem kell magyarázni, hogy ez mennyire fontos lehet a túlélésünk, az alkalmazkodásunk szempontjából. Lássunk erre két könnyen érthető példát.
Ha egy falat kell építenem, nem árt, ha tudom, hogy milyen vastag legyen az a fal. Nem elég azt mondani, hogy vastag legyen, hanem tudnunk kell, milyen vastagságú fal felel meg a célnak, hogy feleslegesen vastag se legyen, mert az pazarlás, haszontalan kiadás, de meg is feleljen a kitűzött célnak. Világos, ezt ki kell számítani, és akármilyen kiinduló elméletet választunk is, akármilyen törvényeket is alkalmazunk, maga művelet csak matematikai lehet. Hogy ez lehetővé váljon, a fizikai törvényeket matematikai alakban kell megfogalmazni. Az elérendő célt tekintve, a legszebb, a legköltőibb leírás sem pótolhatja a matematikai megfogalmazást.
Az első hidrogénbomba felrobbantása előtt felmerült annak a lehetősége, hogy a földön lévő összes hidrogén (az óceánok vize nagymértékben tartalmaz hidrogént) reakcióba lép és az egész föld megsemmisül. A valószínűsége ennek az „apokalipszisnek” nem volt túl nagy, de nem is volt kizárható. Megbíztak egy fizikust, számítsa ki, hogy ez a forgatókönyv lehetséges-e. Kiszámította és kiderült, hogy ez nem lehetséges, ahogy ezt, a számtalan robbantás is igazolta. A számítások jelentősége, azt hiszem világos.
Newton fogalmazta meg a tömegvonzás törvényét, természetesen egy matematikai képlet alakjában, ő fogalmazta meg a dinamika második alaptörvényét, szintén matematikai formában. Természetesen az akkori és a mai megfogalmazás alakja egészen más, ezért nem említjük az akkorit. Az idők folyamán főleg a francia matematikusok, a newtoni mechanikát elegáns, könnyebben érthető, „matematikai ruhába” öltöztették, ami az alkalmazását is megkönnyítette. A fent említett törvények alkalmazása tette lehetővé az égitestek pályáinak a kiszámítását, a műholdaknak, a célnak megfelelő pályára állítását. Remélem, hogy a mai ember tisztában van ennek a jelentőségével, hiszen a műholdakon keresztül telefonál, nézi a TV-műsorokat, sőt ezek segítségével tájékozódik, találja meg, például a szíve választottjának a házát a címe alapján (lásd GPS).
A modern fizika, a mai értelemben vett fizika, a természet vizsgálatának alkalmas és hatékony módszereinek megválasztásával kezdődött. Az egyik ilyen módszer volt a matematika használata, a törvények matematikai megfogalmazása. Utalva az előző pontra, a matematizálás feltétele a mérés egyre elterjedtebb használata volt a természet vizsgálatában, mert csak a mérhető mennyiségeket tudunk matematikai egyenletekbe foglalni.
A fizika törvényei lényegében mennyiségek közötti összefüggések, amelyek megmutatják, hogyan változik az egyik a másik függvényében. Megállapításuk nehezen képzelhető el mérés és matematika nélkül.
Most úgy néz ki, hogy a természet „matematikailag” viselkedik, a törvényei legjobban a matematikai összefüggésekkel írhatók le, emiatt a törvények a legjobban matematizált formájukban hasznosíthatók. A természet jelenségeit le lehet írni szavakkal is. A szavakkal való leírás hosszú, terjengős, nem mindig egyértelmű, a jelenségek előrelátása sem pontos. A dolgok, érzelmek szavakkal való leírása, természetesen nagyon fontos az emberi érintkezésben, de a természet leírásában nem a leghatékonyabb módszer. A matematizálás következménye lett a matematikusok és a fizikusok „cinkossága”, nem véletlen, hogy nagyon sok tudós művelte mindkét tudományt, sőt a csak matematikusok nem tudnak a valóságtól annyira elrugaszkodott matematikát kitalálni, amelyet a fizikusok ne tudnának a természet leírásában, leírására alkalmazni. Példa erre a 2016-os fizikai Nobel-díjasok esete, akik az anyag egzotikus állapotainak vizsgálatában a matematikának az egyik igen elvont elméletét, a topológiát használták sikeresen.
A fizika matematizálása Galilei invenciója, aki matematikát is tanított, a hozzáállása természetes. A matematika elemeit a tudomány Galilei előtt is használta, de használatuk nem volt kikerülhetetlenül szükséges módszer. A matematika alkalmazását Isaac Newton emelte a mai szint közelébe azzal, hogy a fizika szükségleteinek kielégítésére, új matematikát talált ki.
A kvantumfizikában bebizonyosodott, hogy egy anyagi pont (részecske) koordinátája (helye) és sebessége (impulzusa, lendülete) egyszerre nem mérhető, nem határozható meg bármilyen pontossággal. (Heisenberg-féle határozatlansági összefüggések). Mivel a pálya meghatározásához mindkettő szükséges, tehát a pálya sem határozható meg, nem mérhető, nem érdemes vele foglalkozni, tehát a részecskének nincs is pályája.
Tudom, „kultúr-körökben” illik a matematikát utálni, sőt azzal is illik dicsekedni, hogy a „kultúrember” hellyel-közzel matekból meg is bukott. Talán mégis meg is kellene becsülni, hiszen életben maradásunkban nagyon nagy szerepe van, és ezt a szerepet sem a költészet, sem a zene, sem az irodalomkritika stb. nem tudja átvenni.
Sajnos a természet „matematikailag” viselkedik, a jelenségek leírása matematikai. Azt is lehetne mondani, hogy sokáig nagyon jól megvoltunk nélküle. Szerintem ebből az állításból a „jól megvoltunk” nem igaz (lásd rövid élet, éhezés, betegségek stb.). Ahhoz, hogy ennyi ember, ilyen színvonalon éljen, a matematika elengedhetetlen. Ha nem lenne matematika, az emberek döntő többsége meg sem született volna, egy része pedig a felnőtt kort nem érte volna meg, akik megérték volna, éheznének, fáznának.
Összefoglalva, a matematika nagyban hozzájárult az alapfogalmak tisztázásához (lásd mozgás), a törvények megfogalmazásának a módjává vált, ami lehetővé tette a jelenségek előrelátását, bizonyos mennyiségek kiszámítását.
A kísérlet
Minden kor embere, tudósa, a természettel kapcsolatos tudását a természet megfigyeléséből kapta. Kiváló példa erre az ókori görög filozófus, aki a kertjében sétált, megfigyelte mi történik körülötte, elgondolkozott azon, amit látott, levonta az adódó következtetéseket, megfogalmazta a jelenséget szabályzó törvényeket. A fenti leírás legfeljebb jellemző, de a valóságnak felette leegyszerűsített változata. Az igazsághoz az is hozzátartozik, hogy az ókori görög iskolába járt, ha az iskolája nem is hasonlított a mai iskolákra. Már akkor is sokoldalú, friss tudást lehetett szerezni könyvtárakból, utazással, melynek során más iskolákat ismert meg. Híres mesterek mellett bővítette, finomította a tudását, ismert meg az övétől eltérő véleményeket, akárcsak ma. A fenti módszer nagyon hatékonynak bizonyult, lehetővé tette egy komoly ismeretanyag felhalmozását, és az elterjesztését az akkori világban.
Mindemellett a módszernek volt egy nem elhanyagolható hátránya is. Ki kellett várni, amíg a jelenség megtörténik ahhoz, hogy azt meg tudjuk megfigyelni. Ez lelassította az ismeretszerzést. A felmerült nehézséget a kísérletezésnek mint módszernek a bevezetése orvosolta. A modern értelemben vett kísérletet, mint a természet tanulmányozásának a módszerét ugyan az a zseniális Galileo Galilei kezdeményezte, akiről már a matematizálás kapcsán volt szó.
A kísérlet lényege, hogy a jelenséget ellenőrzött környezetben létrehozzuk könnyebb tanulmányozása céljából. A kísérletezés felgyorsítja az ismeretszerzést, mert nem kell megvárni a jelenség bekövetkezését, nem kell a szerencse, hogy a megfigyelő éppen ott legyen felkészülten. A kísérlet bármikor megismételhető, ha valamire nem figyeltünk eléggé, vagy nem vagyunk biztosak abban, amit megfigyeltünk. Az eredményeket bármikor, bárki, bárhol ellenőrizheti, ami nagyon megnöveli a kísérlet eredményeinek a hitelességét. Meg tudjuk változtatni a körülményeket (hőmérsékletet, nyomást stb.), ami a jelenség alaposabb megértését segíti elő, sőt a jelenséget olyan körülmények között is létre tudjuk hozni, amilyenek létrejötte a természetben ritkán történik meg, vagy teljesen valószínűtlen.
A kísérlet – gyakorlatilag, leegyszerűsítve – egy kérdés, amit a természethez intézünk és választ várunk rá. Vegyük példának egy folyadék, például a víz szabad felületének a viselkedését. Idővel megfigyelhető, hogy a víz egy része eltűnik. Ha a kísérletet alkohollal végezzük azt is észlelhetjük, hogy a szoba, ahol a megfigyelés folyik „kocsmaszagú” lesz, vagyis mindenhol kimutatható a szaga miatt az alkohol jelenléte. A hiányzó alkoholmennyiség tehát nem tűnt el, csak elpárolgott, légneművé vált. Ha a hőmérsékletet növeljük (megváltoznak a körülmények) a jelenség felgyorsul. Ugyanez történik, ha folyadék felszínén mozog a levegő (fúj a szél). Egy bizonyos hőmérsékletnél, megindul a párolgás a folyadék teljes tömegében (forrás). Kimutatható az is, bár kissé nehezebben, hogy a forráshőmérséklet nő a nyomás növekedésével.
A kérdés lehet konkrétabb is. Jó példa erre egy jelenséget jellemző mennyiségek közötti összefüggés keresése, egy egyszerű áramkörben (egy ellenálláson) a feszültség (U) és az áramerősség (I) közötti kapcsolat megállapítása. Megmérjük a kísérlet során a fent említett mennyiségek értékeit, vizsgálva az értékpárokat, matematikai összefüggést keresünk a két mennyiség között. A legegyszerűbb kapcsolat az arányosság. Ha a mennyiségek aránya (U/I) értékpáronként, a hibahatáron belül ugyanaz, illetve az értékpárok grafikus ábrázolása egy egyenest ad a mennyiségek arányosaknak tekinthetők. Természetesen a bonyolultabb összefüggéseket nehezebben vehetjük észre, felismerésük alaposabb matematikai tudást igényel.
Amint a fentiekből kiderült, hogy egy jól átgondolt kísérlet, aránylag rövid idő alatt, milyen sok információt szolgáltathat. A kísérlet felgyorsította az ismeretszerzést, a tudomány fejlődését, lehetővé tette azt, hogy a fizika olyan fejlett és olyan általánosan elfogadott legyen, amilyennek ma ismerjük. Ezt a módszert ma már minden természettudomány alkalmazza, mégpedig sikeresen.
Mindemellett a kísérlet sem csodaszer, megvannak a maga korlátai. Mivel a kísérlet a természetnek feltett kérdés, vigyáznunk kell arra, hogy jól kérdezzünk. A mindennapi életből (sőt a krimikből is) tudjuk menyire fontos, hogy a kérdés megfelelő legyen ahhoz, hogy megfelelő választ kapjunk rá. A fizika története sok olyan kísérletet ismer, amelyek eredménye nem volt egyértelmű, illetve nem tudtunk rajta eligazodni. Az ok: a rossz kérdés. Az ilyen kérdésre a természet nem tud válaszolni, mond valamit, ami a legtöbb esetben a kísérletezőnek nem mond és nem is mondhat semmit.
Fizikus körökben köztudott, hogy „egy kísérlet nem kísérlet”. Az emberi mivoltunkból származó hibákat kiküszöbölendő a kísérleteket sokszor, sok helyen, sok ember kell, elvégezze, hogy az eredménye meggyőző legyen. A nem kellőképpen ellenőrzött kísérlet téves következtetéshez vezethet. Példa erre a mintegy negyven évvel ezelőtt megjelent szenzációs felfedezés a hidegfúzióról. Bizonyos katalizátorok jelenlétében létrejöhet szobahőmérsékleten a hidrogénatomok fúziója. Ez a fúziós reakció azért fontos, mert nukleáris energia szabadul fel, ami hosszútávra megoldaná energia gondjainkat. Egy idő után kiderült, hogy a közlés elhamarkodott volt, a további kísérletek nem igazolták a fenti következtetéseket. A kísérlet magyarázata nem bizonyult igaznak, bizonyítja, hogy az energia gondjaink egyelőre megoldatlanok maradnak. Egyelőre nem áll rendelkezésünkre korlátlan mennyiségű olcsó energia. [Vannak biztató kísérletek a magfúzió – a Napban zajló folyamat – szabályozott „leutánzására” a Földön, lassan elérhető közelségbe kerül a fúziós reaktor megvalósítása, de természetesen nem a „hidegfúzió” alapján – a szerk.]
Modern világunkban a fizikai kísérleteket már nem esetlegesen végzik. Előre átgondolják, megtervezik őket. Kigondolják a kísérleteket, elkészítik a kísérleti berendezést, felmérik a várható eredményeket. Ezután következik csak a jelenség létrehozása, a mérések, majd az eredmények értelmezése és a következtetések levonása. Sokszor megtörténik, hogy a kísérletek nem az előrelátott, az elvárt eredményt adják. Miután ellenőrizték a berendezést, az elgondolást, a számításokat és nem találtak hibát, a fizikusok – ahelyett, hogy lelombozódnának – ekkor lesznek igazán lelkesek. Mindez ugyanis azt jelenti, hogy valami nagyon fontos dologba botlottak, valamibe, ami tovább viszi a tudományt. Lehet, hogy további kísérletekre van szükség, vagy az elmélet átalakítására, egy új nézőpont kialakítására, de mindenesetre valami új következik.
Hogy a fizikus számára a negatív eredmény is eredmény, példa a Michelson-Morley kísérlet, ami arra volt hivatott, hogy kimutassa a Föld mozgását, meghatározza sebességét a Nap körüli pályán. A kísérlet ezt nem tudta kimutatni, a várt hatás nem lépett fel. Ennek a negatív eredménynek volt a következménye az Einstein féle relativitáselmélet. Mivel a föld mozgása nem volt kimutatható, ebből következett, hogy ezt nem is lehet kimutatni, mert a fizika törvényei azonosak a különböző tehetetlenségi vonatkoztatási rendszerekben. Ez a (speciális) relativitáselmélet alapja. Természetesen sok ilyen példát felhozhatnánk még, de azok megértése nem könnyű, háttérismeretek szükségesek hozzá.
Összefoglalva: a tudomány és elsősorban a fizika gyors és látványos fejlődése a megfelelő munkamódszereinek is köszönhető. E módszerek, mint láttuk: a mérés, a matematizálás, illetve a kísérletezés. Ezek nem függetlenek egymástól, feltételezik egymást. A matematizálás nem képzelhető el mérés nélkül, a kísérletezéshez mindkettő szükséges. Egy kis elfogultsággal azt is mondhatnánk, hogy a többi tudomány gondjait is ezeknek a módszereknek a megfelelő és széleskörű alkalmazása oldhatná meg.
