Nagyon sokan a fizikában látják a tudományos „bölcsek kövét”, a fizika lenne az, ami a többi természettudományt tovább lendítené, alaposabbá, kiszámíthatóbbá, használhatóbbá tenné, megoldaná az összes felmerülő problémánkat. Persze itt elsősorban a kémiára, biológiára gondolunk. Ezt az elképzelést járjuk körül: amennyiben indokolt, akkor miért az, és ha nem, akkor miért nem.
Kezdjük a dolog emberi oldalával. Főleg a fizikusok állítanak ilyesmit (hiszen ők ismerik alaposan a fizikát), amit „mesterség- sovinizmusnak” is nevezhetnénk. Külöben érthető, hiszen a fizikusok is emberek (ha nem is a legnormálisabbak), tehát a szeretett mesterségük iránt elfogultak (ha nem csak megélhetési fizikusok). Úgy vannak vele, mint a szeretett feleséggel (vagy újabban más hasonló státuszú hölgyekkel), többet látnak benne, mint ami láthatólag benne van, szebbnek, ügyesebbnek, hasznosabbnak látják, függetlenül a valós állapottól. Mindez emberileg érthető. Természetesen vannak más, objektív érveink is, az alábbiakban ezekből következik egy pár.
A fizika a legmatematizáltabb természettudomány, ami az előrejelzéseit, kiszámíthatóvá, pontosabbá teszi, nem beszélve arról, hogy a fizika lépten-nyomon azt bizonyítja, hogy a természet matematikai törvények szerint viselkedik, ami indokolja a matematika elterjedt alkalmazását az egész természetre.
Ugyanez érvényes a fizika másik fontos „szerszámára” is: a kísérletre. A kísérletezést minden természettudós használja. A fizika módszereinek alkalmazása jelenthet előnyt más tudományok esetében is. Lehet tanulni, abból is, ahogy a fizika áll a természethez, ahogyan a kérdéseit megfogalmazza, illetve megtervezi, végrehajtja a kísérleteket, és ahogyan a feleletet (kísérleti eredmények) értelmezi. Mindezek főleg módszertani megfontolások, a kérdés tartalmi részét még nem érintik.
Hivatkozhatunk kell a természet egységes voltára is. Nincsen fizikai, kémiai, biológiai természet, szétválasztásuk mesterséges, mindenki ugyanazt a természetet vizsgálja, tehát módszereiben hasonló, ha nem is ugyanolyan kell hogy legyen. Másrészt a folyamatokban nem lehet mindig élesen elkülöníteni a fizikai, a kémiai, a biológiai jelleget, lehet egy jelenségben ilyen, olyan és amolyan egyszerű folyamat is. A legegyszerűbbek a fizikai (lényegében helyváltoztatás, amit hála a fizikának alaposan ismerünk), annál bonyolultabbak a kémiai, még bonyolultabbak a biológiai folyamatok. A különböző folyamatok egymásra épülhetnek, egy bonyolult folyamatban felismerhetőek lehetnek az egyszerűbb részfolyamatok, amelyek a bonyolultabbak megértésében (a kémiai, illetve a biológiai) játszhatnak szerepet. Az egyszerű folyamatok ismerete, megértése alapvetően fontos tehát a lényeg megértésében. Jó példa minderre az idegrendszer, amelynek a tanulmányozása alapvetően a biológia tárgya. A rendszer alapeleme az idegsejt, a neuron, s ennek normális működése abban áll, hogy idegimpulzusokat kelt és továbbít. Egy-egy ilyen impulzus meglehetősen bonyolult folyamat, amelynek sokféle: elektromos, kémiai és mechanikai oldala van.
Szoktak azzal is érvelni, hogy a fizika a legfejlettebb természettudomány, tehát jogosan tarthat igényt vezető, illetve „példakép” szerepre. A fejlettségi szintjét magyarázza a tanulmányozott mozgásforma egyszerűsége, könnyebb haladást elérni egy egyszerűbb probléma megoldásában. Az is igaz, hogy a házépítést sem lehet a tetővel (lásd biológia) elkezdeni, először az alapot (fizika) kell elkészíteni. A ilyenformán a fizikával támasztott elvárások talán túl nagyok, ami indokolhatja a fizika szerepének a túlértékelését.
Természetesen a fentiek magyarázzák a fizikai kémia, az elektrokémia, illetve a biofizika határtudományok fontosságát is, amit más érvek is alátámasztanak.
A fizika példaként szolgálhat – különböző részeinek (mechanika, hőtan stb.) sikeres egységesítésével, rendszerbe foglalásával – a különböző természettudományok összekapcsolásának lehetőségére is, vagyis egy, a természetet leíró egységes elmélet létrehozására – ami most még igen messzinek tűnik, ha egyáltalán lehetséges.
A múlt század első felében a kvantumfizika gyors fejlődése áttörést hozott a kémiában. Először az atomok felépítésének tisztázása (atommag és a körülötte keringő elektronok), az atomban az elektronok energiájának ugrásszerű változása (energia kvantumok), az atommag körüli elektronok elektronhéjakba rendeződése, a vegyértékelektronok (az utolsó héjak elektronjai) fogalmának tisztázása, szerepének felismerése sok, már tapasztalt jelenséget megmagyarázott.
A héjakon lévő elektronok számát, így a vegyértékelektronok számát is korlátozza a Pauli-elv, vagyis az, hogy egy héjon nem lehet két azonos energiájú (minden kvantumszámában azonos) elektron, egy héjon az elektronok száma annál nagyobb, mennél távolabb van a választott héj a magtól. A vegyértékelektronok száma (a vegyérték) határozza meg az adott atom (elem) kémiai tulajdonságait, azaz hogy hogyan kapcsolódik egy atom egy másik atomhoz. A vegyértékelektronok száma periodikusan visszatérő szám (szintén a Pauli-elv miatt), e miatt a kémiai tulajdonságok is periodikusan változnak (ismétlődnek), ami az elemek periodikus rendszerét magyarázza. A kvantummechanikának (fizikának) sikerült tisztáznia az atomok lehetséges kapcsolatait, azok kötési energiájának kiszámítását is lehetővé tette. Ezzel a kémia alapjai világossá váltak, minden (elvben!) hihetetlen egyszerűvé vált.
Ezt mutatta be az egyetemen (Babes-Bolyai Kolozsvár) a kémiatanárunk, aki sokat kínlódott a számításokkal, a nem túlérdeklődő hallgatóság előtt. Nem értette, mi az érdeklődés hiányának az oka, míg ki nem derült, hogy a diákjai elméleti fizika szakosok voltak, akik naponta ennél sokkal bonyolultabb számításokat végeznek. Megboldogult tanárkoromban, amikor még fiatal, felületes és arrogáns voltam, azzal szórakoztattam a kémikus kollégákat, hogy a fizika tisztázta a kémia alapjait, a többi legfeljebb konyhai (szakács) feladat. Ebben a hozzáállásban szerepet játszott az is, hogy a kollégák, akkor mind hölgyek voltak.
A fizika tartalmi hatása a kémiára így foglalható össze:
- van egy a részletkérdésekre vonatkozó hatása, az elektrokémia, az áram hatására bekövetkező kémiai változások, a kémiai energia elektromos energiává alakulása, illetve ennek a fordítottja, a fizikai kémia, a termokémia, a reakciókinetika, a magkémia stb.
- és van egy a kémia alapjait érintő hatása, ami a vegyértékekre, a kötési energiákra ad magyarázatot.
Mondhatnánk azt is, hogy a fizika jelenléte a kémiában mint tudományban ha nem is alapvető (legyünk szerények), de nem is elhanyagolható. A tapasztalat azt is mutatja, nem minden kémiai folyamat redukálható egy fizikaira, vannak speciálisan kémiai folyamatok is, ami nem igazolja a fizika „mindenható” szerepét.
A fentiek alapján elvárható, hogy a fizika és a kémia is megjelenjen a biológiában. Először mint a tudományok határterületei: a biofizika (lásd fizikai kémia), illetve a biokémia. A biofizika fizikai módszereket használ az élő rendszerek tanulmányozására, másfelől a fizikai jelenségek élő szervezetre gyakorolt hatásaival foglalkozik. Általában ugyanolyan kérdésekre keresi a választ, mint a biokémia és a molekuláris biológia, azonban a kérdéseket kvantitatív (mennyiségi) alapon vizsgálja. A biológia a fizikában szokásos vizsgálómódszereket is használ, mint a különféle spektroszkópiák (fluoreszcencia- és foszforeszencia-, NMR, röntgen, polarizációs spektroszkópia stb.), mikroszkópiák (például a fluoreszcencia). Széles területet ölel fel a bioelektronikától (lásd ingerületek továbbítása, elektrokardiogram, stb.) a kvantumbiológiáig. Szintén általános fejlődési irány, hogy a biofizikusok a klasszikus fizika és a matematika (főként a statisztika) modelljeit és vizsgálómódszereit nagyobb rendszerek esetében alkalmazzák.
A kvantumfizika további fejlődése lehetővé tette annak egyéb biológiai alkalmazását különös tekintettel az addig a természettudományok számára hozzáférhetetlen tudati jelenségek kvantummechanikai magyarázatának a felvetésével. A tudati jelenségek kvantummechanikai magyarázata Roger Penrose szerint egy kvantumrendszer hullámfüggvényének az összeomlásán alapul. (Lásd előző cikkünket). A részletekbe most nem megyünk bele, túl messzire vezetne. Az elképzelés vonzóan igyekszik megmagyarázni olyan jelenségeket, amelyeket eddig nem nagyon értettünk. Ahhoz azonban, hogy beigazolódjon, szükséges a kvantummechanika továbbfejlesztése. A hullámfüggvény összeomlása végbemehet a kvantumrendszer és a makroszkopikus testek kölcsönhatása okán, spontán módon, de a tudati jelenségek magyarázatához szükség van egy másfajta („hangszerelt”) redukcióra (összeomlásra) is, amely egyelőre nem teljesen tisztázott folyamat, főleg nem biológiai, magas hőmérsékletű, szigeteletlen, „zajos” környezetben. Vannak javaslatok ennek a jelenségnek a kísérleti vizsgálatára is, eredményről nincs bizonyított információm. Talán ez, illetve az ehhez hasonló kutatásoké lesz a jövő.
Az elképzelésnek komoly kritikusai vannak, rengeteg indokolt kifogást hoztak fel többen is, az egyik legtekintélyesebb a ma már nem élő, de talán a legismertebb Stephen Hawking.
Következtetésként megismételhetjük a kémiánál már felhozott érveket. A biológiai tulajdonságok származhatnak – ha nem is feltétlenül és mindig – a fizikaiakból. Ha más tudományok törvényei (lásd: a biológiai evolúció) nem is vezethetők vissza a fizika törvényeire, de azok a megértésükben fontos szerepet játszhatnak.
Álljon itt végezetül Roger Penrose érve a kritikákra: tekintsük a tudatosságot fizikai problémának, ha ezzel előbbre jutunk! (És főleg ha más magyarázatunk nem nagyon van – tehetnénk hozzá.)
