Mert nagyhatalom lett, ha nem is politikai értelemben, nem úgy, mint a megboldogult Szovjetunió és a nagyhatalmi státusza – és úgy néz ki tovább is fog tartani, mint a Szovjetunióé. Bár az elmúlt háromszáz évben a fizika jelentősége annyira megnőtt, hogy a huszadik század közepén már politikai tényezővé is vált, lásd az atombomba történetét. A tudósokat vadászták: nem megölni, hanem felhasználni akarták őket, a tudásukkal megnyerni a háborút, még nagyobb befolyásra szert tenni, még inkább irányítani a saját hasznukra a világot. No de hogyan kerülhetett a mai szerepébe, mi tette érdekessé a politika és a gazdaság számára a jobb sorsra érdemes fizikát, a kevesek által művelt tudományt? (Hiszen sokkal kevesebben művelték, mint teszem azt a jog- vagy az orvostudományt).
A fizika a természettel foglalkozó alaptudomány. A természet törvényeit keresi, megállapítja, tanulmányozza, tisztázva, hogy mikor, milyen körülmények között érvényesek. Az így szerzett ismereteket rendszerbe foglalja, elméleteket állít fel, amelyek a nagyszámú ismeret közötti összefüggéseket tárják fel. Az így megszerzett ismereteket használja fel a technika eljárások kidolgozására (technológia), berendezések, gépek építésére. A munkát könnyíti, valamint az emberiség túlélését is szolgálja.
A kezdet kezdetén a fizika a természetre vonatkozó ismereteknek csupán jelentéktelen része volt. Az ókorban többek – egyebek között a filozófusok – művelték, majd a középkorban az orvosok, a középkor vége felé már a matematikusok is. Művelői megfogalmaztak fontos, de főleg a mindennapi életben hasznos, egyedi esetekre érvényes törvényszerűségeket, amelyek még akkor nem alkottak rendszert. A törvények valamilyen gyakorlati feladat megoldásához kapcsolódtak. Például Arkhimédész törvénye lehetővé tette egy ötvözet alkotóelemeinek százalékos meghatározását (lásd a legendát, ami igaz is lehetne).
A fordulat, a modern fizika megjelenése a XVII. század végén, a XVIII. század elején történt, két zseniális tudós munkái következményeként. Az egyik az olasz matematikus és csillagász Galileo Galilei, a másik az ugyanolyan alapmesterségű angol Isac Newton. Közös találmányuk a matematika alkalmazása és a kísérletezés.
Megtalálták a megfelelő módszereket, amelyek lehetővé tették a természet hatékony, gyors megismerését. Ezek a módszerek tették rövid idő alatt a fizikát sikeressé. A módszerek sokrétűek, sok alapvető mozzanat együttes alkalmazását jelentik. Az alábbiakban megpróbáljuk felsorolni, ezeket, a fontos mozzanatokat.
A tények feltétlen tisztelete. El kell fogadni a tényeket, és azokat kell magyarázni. Nem szerencsés a tényektől többé vagy kevésbé független, ideológiai ihletésű hipotéziseket (elméleteket) kidolgozni, amelyeket utólag ráerőszakolunk a tényekre. Erre utal Newton híres mondása „hypotheses non fingo”. Ez nem azt jelenti, hogy nincs szükség feltételezésekre, munkahipotézisekre, amelyeket a további kutatás vagy igazol, vagy nem. Jó példa erre a relativitáselmélet, amelynek megdöbbentő következtetései – a fénysebesség a legnagyobb létező sebesség, az időre és a térre vonatkozó új ismeretek – kísérleti eredmények elfogadásából származnak. A magyarázat messzire vezetne; Michelson és Morley híres kísérletéről van szó, amelyből következik, hogy a Föld Nap körüli sebessége nem határozható meg a fenti kísérletből.
A kísérletezés fontossága. A természet megfigyelt jelenségeiből kell a fizika törvényeire következtetni. József Attila írja A Dunánál című versében: „fecseg a felszín, hallgat a mély”. A fizikusnak a felszín fecsegéséből kell megállapítania azt, hogy miről hallgat a mély, milyen törvény irányítja a „fecsegést”. Ez a feladat. A puszta megfigyelés lassú és kevésbé hatékony. Ki kell várni, hogy egy jelenség végbemenjen és hogy éppen akkor meg is tudjuk figyelni. A jelenséget nem tudjuk befolyásolni, ami azért lenne fontos, hogy megállapítsuk, a lefolyása hogyan függ a körülményektől.
Ezeket a hátrányokat küszöböli ki a megfigyelést kiegészítő kísérletezés. A jelenséget mesterséges (laboratóriumi) körülmények között állítjuk elő, amikor meg is tudjuk figyelni, változtatni tudjuk a befolyásoló tényezőket, ami a tanulmányozást nagyon megkönnyíti, sokoldalú megfigyeléseket tesz lehetővé. A kísérleteket, bárki, bármikor, bárhol meg tudja ismételni, ami a hitelességet biztosítja. Mivel a törvényeket mint következtetéseket nagyon sok kísérletből kell levonni (egy kísérlet nem kísérlet), ezért a jelenség mesterséges előállítása (viszonylag rövid alatt sok kísérlet; elvégzésének a lehetősége) felgyorsította a kutatás folyamatát a ma ismert sebességre.
Említsük meg a talán első, talán tipikusnak tekinthető kísérletet, amelyet Galilei végzett el a szabadesés tanulmányozására. Galilei a pisai ferde torony tetejéről engedett el egy követ, minden emelet erkélyén állt egy tanítványa, akik megfigyelték a kő esését, igyekeztek megállapítani az időt, amikor előttük a kő elhaladt. Akkor még nem állt a rendelkezésükre használható óra (a napóra nem alkalmas erre), a kísérlet ezért sem lett igazán sikeres. Talán kudarcnak is nevezhetnénk, ha Galilei, mint minden rendes tudós nem fordította volna ezt a (negatív) eredményt is a tudomány javára. Könnyű belátni, hogy a mérés nem lehetett sikeres, mert a szabadesés nagyon gyors és az ehhez tartozó rövid idő intervallumot (időtartamot) még akkor nem tudták mérni. Megpróbálták a pulzusukkal mérni (a méréshez egy periodikus jelenség kell, mint a pulzus), megszámolni, hogy hányat ver, ameddig az egyik emeletről a kő másikra ér. Belátható, hogy ez a módszer az idő mérésére nem az igazi, a pulzus gyakorisága az embertől, sőt annak a lelki állapotától is függ. De ez a kísérlet adta az ötletet, hogy a mozgást esetleg le kellene lassítani, hogy a mérés elfogadható pontosságú legyen. Ez történt a lejtő „feltalálásával” (már ismeretes volt az ókori technikából), a lejtőn a mozgás, a hajlásszög állításával tetszőlegesen lassítható.
Még valamit a kísérletről. Egy jelenség annyi mindentől függ, hogy azt átlátni, mindet figyelembe venni szinte lehetetlen. Az is világos, hogy a befolyásoló tényezők hatása nem egyforma jelentőségű, ezért ezeknek egy része, első megközelítésben (míg a dolgokat megértjük) elhanyagolható. A fizikus zsenialitása abban is áll, hogy tudja (inkább sejti), hogy melyeket lehet, illetve kell elhanyagolni.
A kísérletezést, mint kutatási módszert ma minden természettudomány alkalmazza nagyjából hasonló módszertannal, de ebben a fizika volt az úttörő.
A matematika alkalmazása a törvények megállapításában, azok megfogalmazásában és még inkább azok alkalmazásában. A matematikai megfogalmazás egyértelművé tette a törvényeket, biztosította az időbeni változások leírását, vagyis lehetővé tette új jelenségek előrejelzését, azok jellemzőinek kiszámítását, például mozgó testek pályájának, sebességének, gyorsulásának a meghatározását. Ezzel a fizika megfoghatóbbá, konkrétabbá, kiszámíthatóbbá, alkalmazhatóbbá és – nem győzöm hangsúlyozni – hasznosabbá vált. Most úgy tűnik, hogy a természet matematikailag viselkedik, jelenségeit (differenciál)egyenletek írják le. A valóság természetesen ennél sokkal bonyolultabb de a lényeg megértéséhez ennyi is elegendő talán.
A fizikai törvények gyakorlati alkalmazása. A törvények gyakorlati alkalmazása magától adódik, mivel a legtöbbször a törvény megszületéséhez egy gyakorlati probléma megoldása szolgáltatta az apropót (mint az Arkhimédész törvénye esetében). Az ismeretek gyakorlati alkalmazása nagyon sokat segít a környezethez való alkalmazkodásunkban is, tehát lényegében a túlélésünkben is. Ma már a tudomány és annak alkalmazása nélkül a földünk, ennyi embert, ilyen színvonalon nem tudna eltartani.
Ne kerüljön rá sor, de az alkalmazások (a technológia) segíthetnek az emberiség megmaradásában (életben, maradásában) egy természeti katasztrófa esetében, sokkal inkább, mint a filmek szuperhősei. A fizika törvényeinek alkalmazására mindenki rengeteg példát mondhatna, hiszen bárhova nézünk, a fizika alkalmazásait látjuuk. A tömegvonzás törvényét többek között az űrhajózásban alkalmazzák, az elektromosság törvényeinek alkalmazása a villanymotor (elektromos autó), de a rádió, a TV, a számítógép, a távközlési rendszerek is. A távközlés a tömegvonzás törvényét is alkalmazza (műholdas műsorszórás), szerepet játszik a földön való tájékozódásban is (GPS műholdak).
A tudomány és a technika kölcsönösen „kiszolgálják” egymást. A fizika újabb és újabb törvények, jelenségek felfedezésével lehetőséget nyújt azok alkalmazására, a technika ezek alapján újabb mérőműszereket, berendezéseket fejleszt ki, amelyekkel újabb törvények felfedezésének a lehetősége nyílik meg a fizikus számára. Amint látszik, a fejlődés öngyorsító folyamat, a tudomány és a technika kölcsönhatásának köszönhetően.
Az ismeretek rendszerbe foglalása. A modern fizika megjelenése előtt az ismeretek nem alkottak rendszert. A fizika egymástól független törvényekből, szabályokból, jelenségek leírásából állt. Az időben felhalmozott tudásanyag sok, egymástól független, látszatra össze nem tartozó részekből állt, amelyeket csak a tanulmányozott tárgy, a természet kötött össze.
Mindezt egy példával illusztrálnám. A szabadesést már ismerték mint növekvő sebességű, gyorsuló mozgást, amelyet a testek súlya okoz. Alkalmazták is az építkezéseknél, az alapozásnál szükséges cölöpök leverésére. Egy emelőszerkezet egy súlyos testet felemelt, amelyet aztán a cölöp fejére ejtettek, majd a műveletet annyiszor ismételték meg, ameddig a kívánt célt el nem érték. Másfelől megfigyelték, tehát egyre pontosabban ismerték a bolygók mozgását az égen. A bolygók mozgását a legpontosabban a Kepler törvényei nem csak leírták, de a pályaelemek, illetve a mozgás periódusa között mennyiségi összefüggéseket is megállapítottak. Ezek a törvények a sok tudós generáció megfigyeléseinek és Kepler zseniális felismeréseinek az eredménye. Látszólag, a szabadesésnek és a bolygók mozgástörvényeinek semmi közük egymáshoz.
Másfelől, mivel az említett tudósok, amellett, hogy filozófusok, fizikusok, teológusok (Newton) voltak, művelték a matematikát is (Galilei és főleg Newton). A matematikában évszázadok óta létezett egy jól ismert rendszer, mégpedig az euklideszi geometria rendszere. Ez az emberi elme olyan zseniális alkotása, amit nagyon hosszú ideig még utánozni sem tudtak. A rendszer bevezetőként egyértelműen meghatározza a későbbiekben használandó fogalmakat. Megválaszt mennél kisebb számú állítást, amelyet posztulátumként, bizonyítás nélkül elfogad. Ezt követően a meghatározások, a posztulátumok és a logika szabályainak a felhasználásával minden további állítás bizonyítható. Más szóval alig néhány egymástól független dolog észben tartásával és a gondolkozás szabályainak a betartásával minden állítás levezethető, megkapható, igazolható. A fentiekből az is következik, hogy a rendszerben megfogalmazott állítások, ha jól alkalmaztuk a gondolkozás szabályait, nem mondhatnak egymásnak ellent, hiszen ugyanazokból a meghatározásokból, ugyanazokból a posztulátumokból származnak. Ez lehetőséget nyújt egy újonnan felfedezett (megsejtett) állítás igaz voltának az ellenőrzésére, ugyanis a fentiekből következően annak be kell illeszkednie a rendszerbe, az ott megfogalmazott állításoknak nem mondhat ellent. Ha azoknak ellentmond, akkor nem biztos, hogy az állítás nem igaz, a dolog további tanulmányozást igényel. Ha pedig mégis igaznak bizonyul (ritka eset az előbbi lehetőséghez képest), akkor annak valami nagyon fontos oka van, az ellentmondás oka lehet a rendszer hibája, lehet, hogy a rendszer nem teljes, tehát bővíteni kell. Ha a rendszer ellenáll a bővítésnek, új rendszert kell kidolgozni. Nem egyszer történt meg, hogy a beilleszkedés hiánya egy nagyon fontos felfedezéshez vezetett, mint például a relativitás elméletének a kidolgozásához.
A rendszer megalkotása a fizikában nagyon fontos, ettől egyszerűsödik az ismeretek tárgyalása, észben tartása, ebből értjük meg az összefüggéseket, ennek segítségével tudjuk az új ismereteinket ellenőrizni. A sokféle ellenőrzés, amiből a rendszer csak egy a sok közül, azért fontos, mert emberek vagyunk és tévedhetünk, sőt tévedünk is, amire megint sok példát hozhatnánk. Ezek a példák nem közismertek, mert ugyan ki dicsekszik a melléfogásaival.
Végezetül megpróbálom összefoglalni, hogy miért az ma a fizika, ami és mit tanulhatnak ebből más tudományok is. Ha valaki ezeket az állításokat elfogultnak bélyegzi, akkor igaza van, hiszen a fizika nekem szakmám, sőt szórakozásom is.
Gondolom a tények feltétlen tisztelete minden természettel foglalkozó ember számára nyilvánvaló, nem szorul magyarázatra.
A kísérletezés szükségessége, illetve a haszna is kiviláglik a fentiekből. A kísérletezés módszertana talán már nem annyira ismert. Egy kísérlet a fizikus számára a megtervezésével kezdődik: mit akarunk vizsgálni, ellenőrizni, milyen berendezésekre, mérőműszerekre (milyen méréshatárokkal) van szükségünk, hogyan fog a kísérlet lefolyni, milyen eredményre számítunk. Amint már említettem, „egy kísérlet nem kísérlet”, a méréseket sokszor és lehetőleg sokféleképpen kell elvégezni. Következik az eredmények (táblázatok, grafikonok) kiértékelése, statisztikai feldolgozása, a mért mennyiségek közötti összefüggések (korrelációk) keresése, az esetleges tendenciák azonosítása, a következtetés (következtetések) levonása, azoknak az összehasonlítása a várt (a feltételezett) eredményekkel. Ezután sokan, sok helyen, sokféleképpen újra elvégzik a kísérletet, ellenőrizve az eredményeket, keresve más lehetőségeket is, mint amilyet az első kísérletező választott. Miután kiderül, hogy minden stimmel (vagy sem), a tudományos közvélemény elfogadja vagy elveti annak értelmezését, eredményeit. Ez biztosítja a fizika állításainak a hitelességét. A fentiek természetesen érvényesek minden természettudományos kísérletnél.
A matematika fontossága is nyilvánvaló. Megkönnyíti a törvények megfogalmazását, lehetővé teszi a dolgokat előre látni, nemcsak a történéseket, de azok jellemzőit is kiszámítani, a törvények alkalmazását. Aki egy kicsit is jártas a matematikában (és főleg aki a matematikával nem párhuzamos, ami miatt soha sem találkoznak), tudja, hogy a számítás mindig könnyű, sőt a legtöbbször az igencsak nehéznek bizonyul. Ilyen példának okáért egy műhold pályájának meghatározása, ami az átlagember számára igen nehéz, de lehetséges – csakis matematikával . A számítógépek ezt a műveletet leegyszerűsítik és hihetetlenül felgyorsítják, de ehhez ezt a számítást először el kellett a hagyományos módon végezni.
Ami a gyakorlati alkalmazásokat illeti, ne felejtsük el, mire jó a tudomány, alkalmazások nélkül csak egy érdekes játék lenne, míg alkalmazásokkal a túlélésünk záloga. A tudomány megjelenése biztosítja a gyors és hatásos alkalmazkodásunkat a környezethez, ami a túlélésünket teszi lehetővé. Sajnos, ennek az ára a környezetrombolás, mindaddig ameddig ezt fel nem ismerjük, és hatékonyan nem teszünk ellene
A természet egységes egésznek látszik, a róla szóló ismereteink között értelemszerűen összefüggésnek kell lennie, nem lehetnek egymástól függetlenek, rendszert kell alkossanak, legfeljebb még nem ismerjük a rendszerező elveket, még nem látunk át az ismeretek káoszán, hogy költői legyek. Vannak már biztató jelek. A vegytan alapjainak a belefoglalása a rendszerbe már megtörtént, a kémiai kötéseket a kvantumfizika magyarázza, segítségével ki lehet számítani a kötési energiát. Miután sikerült tisztázni az atomok közötti kapcsolat természetét, a többi már részletkérdés. Ahhoz viszont szükség volt a kvantumfizika kidolgozására. A többi megoldatlan probléma – példaként említsük meg a biológiát – a fizika egy újabb fejezetének, egy újabb termékeny elképzelésnek a megjelenésére vár. Így gondolom én, nem kicsi, de érthető elfogultsággal. Mindezt igazolni látszik egy néhány napja a kezembe került tanulmány (most birkózom vele), egy volt egyetemi évfolyamtársam jóvoltából, amelyik a biológia és a kvantumfizika közötti összefüggéseket keresi, különös tekintettel a tudatra, amelyik eddig szinte megközelíthetetlen volt a tudomány számára. A tanulmány egyelőre inkább próbálkozásnak számít, mint kidolgozott elméletnek.
Az igazi az volna, ha sikerülne kidolgozni egy olyan rendszert, amely magában foglalja a természetre vonatkozó összes ismereteinket, amely érvényes lenne minden természeti jelenségre, a biológiával bezárólag, magyarázná az összes ismert és megismerendő jelenséget, kiszámíthatóvá tenne mindent. Az ókori tudósok (filozófusok) azt hitték, hogy ismerik ezt a rendszert, el is képzelték sokféle módon (Arisztotelész öt eleme: föld, levegő, víz, tűz, éter), de mindeddig egyik elképzelés sem vált be. Mivel a természet egységes egész, továbbra is hiszem, hogy létezik az egységes világ mindenre érvényes rendszere. Megtalálni talán sohasem fogjuk, legfeljebb csak egyre inkább megközelítjük.
A mai fejlettségét a fizika azért érte el, mert a legegyszerűbb jelenségeket választotta a vizsgálata tárgyául, a legegyszerűbbtől indult el a bonyolult felé. Ezzel a választással esélyei a jelenségek megértésére, törvényeinek megállapítására nagyobb volt, mintha nem így kezdi. A választás szerencsésnek bizonyult.