Sokszor leírták már, a fizika modelleket alkot, és azoknak a viselkedését tanulmányozza. Ez az állítás megzavarja a hozzá nem értő embert. Hát nem a valóságot, a természetet tanulmányozza a mindenki által tisztelt, ha nem is mindenki által szeretett fizika? Nem a szent igazságot, a természet törvényeit keresi, nem a világ működését igyekszik megfejteni? Mit jelent az, hogy modelleket alkot, és azokat tanulmányozza? Maga teremti a tanulmányának tárgyát? Művi dolgokat tanulmányoz a valóság, a természet helyett? A kérdés indokolt, tehát meg kell válaszolni.
Az emberi kultúrában a tudománynak sokkal nagyobb szerepe van, mint azt a felületes szemlélő gondolná. A tudomány teszi lehetővé a túlélést, a változó körülményekhez való alkalmazkodást. Ahhoz, hogy az emberiség be tudja lakni az egész földet, ismeretek szükségesek, tudnunk kell meleget (tüzet) csinálni, megtermelni az ennivalót, illetve elhozni onnan ahol megterem (szállítás), és még sorolhatnám. Az ember nem a hidegtől védetten születik, nincs bundája, mint az állatoknak. Ezt valahogyan pótolnia kell, meg kell oldani a gondot. Ezt teszi lehetővé a tudatos ismeretszerzés, illetve az ismeretek alkalmazása a túlélés érdekében.
A természet tanulmányozása nem is olyan egyszerű, ahogy a mai embernek tűnik. Első látásra a természet nagyon kuszának, összevisszának tűnik. Egy dolog nagyon sok más dologtól függ, annyi mindentől, hogy az emberi ésszel követhetetlen, átláthatatlan. Képzeljük el, hogy az ókori ember próbálja megérteni a mozgást, a legegyszerűbbnek tűnő jelenséget. Mi a mozgás? Egy test most itt van, majd nincs itt, máshol van, majd megint máshol lesz. Mitől függ a szekér mozgása? Függ a lovak erejétől, attól, hogy felfelé, vagy lefelé megy a szekér, hogy merről és milyen erővel fúj a szél, esik-e az eső, mert a vizes kerék nehezebben forog a tengelyen, sőt be is dagadhat stb.
Fel lehet ezt ésszel érni? És ez még csak a kezdet. Meg kellene érteni a mozgás okát. Az ókor nagy filozófusa Arisztotelész is elnézte az igazi okokat. Nehogy azt higgyük, hogy azért mert a mai embernél butább volt, sőt! Az emberi intelligencia az utóbbi mintegy tízezer évben lényegében nem változott, az ókori emberek ma is megállanák a helyüket, de érthető okokból, sokkal kevesebbet tudnának a világról.
A mindennapi tapasztalatunk, hogy a mozgáshoz erő kell, a szekeret a lónak húznia kell, másképp nem megy. Sok ilyen példát sorolhatnánk fel – és az állítás mégsem igaz.
Galilei zsenialitása kellett ahhoz, hogy felismerjük az állítás hamis voltát. Ha a szekeret meglökjük, az egy idő után meg fog állni. A jelenséget lehet úgy is magyarázni, hogy eltűnt az erő, a mozgás megállt. Az jó kérdés az, miért nem akkor áll meg, mikor leveszem róla kezem, mikor az erő megszűnik, miért megy még egy darabig tovább? Ez a jelenség indította el a más irányú gondolatokat, hogy talán fordítva történnek a dolgok, nem a mozgáshoz kell az erő, hanem annak a megállításához. A mozgó szekeret megállítja egy erő, amelyet eddig elnéztünk, nem vettünk észre. Ezt az erőt nevezzük ma súrlódási erőnek (általánosítva ellenállásnak), amely majd minden jelenségben jelentkezik és éppen ezért nehezen kimutatható. Ez a faramuci erő nehezen kezelhető, sok mindentől függ és ezt a függést nem mindig lehet egyszerű módon leírni.
Hamar bebizonyosodott, hogy a súrlódás csökkenthető a súrlódó anyagok megfelelő megválasztásával, a felületek megmunkálásának jobbításával, kenéssel stb. Ezek a tények kínálták a mozgás tanulmányozásában a súrlódás elhanyagolását, legalábbis az első megközelítésben: amíg az alapjelenséget meg nem értjük.
Kialakítunk tehát egy modellt, amely nem egyenlő a valósággal, de annak könnyebben érthető, egyszerűsített változata. A modellt úgy is tekintethetjük, mint a valóság határértékét, ha a súrlódás tart a nullához. Mivel a súrlódás minden értéknél kisebb lehet, csökkentésének nincs alsó korlátja – a megközelítés elfogadhatónak tűnik. Az energia megmaradásának annyira fontos törvényét sem ismertük volna fel a súrlódás elhanyagolása nélkül, a súrlódásmentes modell használata nélkül. Nem hiába mondogatták, hogy a fizikus zsenialitása abban áll, hogy tudja (megérzi), mit lehet, mit kell elhanyagolni. Az így kialakított modell, amelyet később ideális rendszernek is neveztek, mivel ebben a mozgás nem járt energiaveszteséggel, nagyon sok előnnyel járt.
Példaképpen a súrlódási erő helyett tárgyalhattuk volna a légellenállást is. Ez a jelenség valamivel bonyolultabb, mert az erő arányos a sebesség négyzetével. Kis sebesség esetén ez is elhanyagolható, de ez az erő magyarázza, hogy a szabadon eső test sebessége nem nő állandóan, van egy legnagyobb értéke. Mindkét erő, a súrlódási erő és a légellenállás, a mozgó testekre egyszerre hat.
Az ideális rendszert tanulmányoztuk, erre állapítottuk meg a törvényeket, mivel ez könnyebben áttekinthető volt. Innen természetesen vissza kell térnünk a valósághoz, meg kell vizsgálnunk a súrlódás hatását a mozgásra. Így megyünk a bonyolulttól az egyszerűig, majd vissza a bonyolulthoz.
A kérdés csak az, hogy vajon a levont következtetések igazak-e. Biztosak lehetünk abban, hogy az eljárásunk nem visz jégre? A megállapított törvényszerűség igazát a kísérlet bizonyíthatja, illetve annak az alkalmazása. Nem szabad figyelmen kívül hagyni, hogy a kutatás célja, az alapkutatásokét is beleértve, a környezethez való sikeres alkalmazkodás, minden ismeretnek ezt kell szolgálnia, tehát ez kell legyen az igazság, illetve a hasznosság kritériuma. Ez a módszer elfogadhatónak tűnik, nagyon sokszor bevált már.
A csillagászatban, de nem csak ott, a használt modell valósághoz való közelítésének, van egy perturbációszámításnak nevezett módja. Ha az első lépésben elhanyagolt tényezőknek a jelenséget befolyásoló hatása, a többi tényező mellett elhanyagolható (aránylag kicsi), akkor azt csak „zavaró” tényezőként” vesszük figyelembe. Példa erre más bolygók hatása egy kiválasztott bolygó mozgására.
Egy másik hasonló gondja a fizikusnak a mérés. Ha bizonyos folyamatokat előre akarunk jelezni, akkor fizikai mennyiségeket összekötő matematikai összefüggésekre van szükségünk, csak az ilyen módon megfogalmazott törvényszerűségek szolgálják a kitűzött célt. Hogy észrevegyük a mennyiségek közötti összefüggéseket, ahhoz a mennyiségeket biztonságosan és a lehető legpontosabban – amennyire az lehetséges és szükséges – kell mérni.
Itt most nem tárgyalhatjuk a mérési módszereket. A mértékegységek problémája is ebből a szempontból másodlagos. A gond a mérés pontosságával van. Könnyű belátni, hogy a mérés pontossága függ a mérés módjától, a használt mérőeszköztől és a mérést végző ember felkészültségétől. Hogy a legegyszerűbb példát vegyük, maradjunk a hosszúság mérésénél. Egy ilyen méretet mérhetünk mérőszalaggal, milliméteres pontossággal, tolómércével (subler) tizedmilliméteres pontossággal, mikrométerrel, századmilliméteres pontossággal, lézer sugárral akár nanométeres pontossággal stb. Az is világos mindenki számára, hogy a hagyományos tolómércével való a méréshez már hozzáértés szükségeltetik, még inkább az kell a bonyolultabb mérőeszközök kezeléséhez. Világosnak tűnik, hogy a mérés pontosságának nincs elvi akadálya, a kívánt pontosság függvényében megválasztjuk a megfelelő módszert, a megfelelő eszközt és a megfelelő embert. A tanulmányozott rendszerben végzett mérések elvben bármilyen pontosak lehetnek, tehát feltételezhetjük, hogy méréseink pontosak. A valós rendszernek a határértéke lesz az ideális rendszer, a modell, amelyben a mérési hiba elhanyagolható, nullához tart. Mindez megfelel az úgynevezett, de ritkán elemzett „józan észnek” is, nem csoda, ha elfogadta majdnem mindenki. Csak a huszadik században merültek fel kételyek ezzel kapcsolatban.
A felmerülő gond is magától érthető. A mérés során a mérőeszköz kapcsolatba, kölcsönhatásba lép a mérendő tárgyal. Ez a kölcsönhatás mennyiben befolyásolja a mérés eredményét? Erre a kérdésre nem is olyan egyszerű a válasz. Mindenki számára világos, ha egy épület hosszát szándékozom megmérni, akkor a falra, a fal mellé helyezett mérőszalag aligha fogja megváltoztatni az épület méreteit.
A hőmérséklet mérése már nem ennyire egyértelmű. A méréshez a hőmérő és a mérendő test termikus kapcsolatba kell lépjen, lehetővé kell váljon a hőátadás, ami hőmérsékletváltozással járhat. Ha a teavíz hőmérsékletét akarjuk megmérni, a hőmérőt bele kell tenni a teavízbe. Más szóval egy meleg test, a teavíz kapcsolatba lép a hideg (szobahőmérsékletű) hőmérővel, akkor, a tapasztalat szerint a meleg test lehűl, a teavíz hőmérséklete csökken, a hideg test, a hőmérő pedig felmelegszik, vagyis a mérés folyamata a mérendő hőmérséklet megváltozásával jár. A lázmérésnél ezt nem veszik figyelembe, mert ez a hatás elhanyagolható, belül van a mérési hibahatáron. Lássuk, miért. A teavíz tömege sokkal nagyobb, hogy az előző példánál maradjunk, mint a hőmérő higanyának a tömege és akkor a fajhőről még nem esett szó. A higany méri a hőmérsékletet, egészen pontosan a higany hőkiterjedésének a mértéke. E miatt a higany által felvett hő, ami megegyezik a teavíz által leadottal, a tömegkülönbségek miatt, csak elhanyagolható mértékben változtatja meg a teavíz hőmérsékletét. Egészen más volna a helyzet, ha a tömegeik nagyon hasonlóak lennének, akkor már a teavíz mért hőmérséklete már egészen más értékű lenne, mint a mérés előtt, tehát nem a teavíz hőmérsékletét mérné, hanem a teavíz és a hőmérő egyensúlyi hőmérsékletét.
A következtetés egyértelmű: a mérés befolyásolja, de különböző mértékben befolyásolja a mérendő mennyiség értékét. Hasonló következtetésre jutunk, ha megvizsgáljuk az áramerősség, illetve a feszültség mérését. Ha beiktatjuk a voltmérőt, illetve az ampermérőt egy áramkörbe, értelemszerűen megváltozik az áramkör ellenállása, tehát az áramerősség és a feszültség is. Hasonlókat tapasztalhatunk más fajta mérések esetén is.
A klasszikus fizika esetében általában eltekintünk ettől a jelenségtől. Megint határesetekkel dolgozunk, feltételezzük, hogy a mérés hatása a mérendő mennyiségre elhanyagolható, és ez igaz is a gyakorlati méréseknél, amennyiben megfogalmazzuk ennek a feltételét, a feltételeit. Ilyen a hőmérséklet mérésénél a mérendő test tömege sokkal nagyobb kell, legyen, mint a hőmérő higanyának a tömege (lásd, lázmérés), a voltmérő ellenállása nagyon nagy kell, legyen, míg az ampermérőé nagyon kicsi az áramkörben fellelhető ellenállásokhoz viszonyítva.
Természetesen, ma már tudjuk, ez az elv nem általános érvényű. A kvantummechanika (a Heisenberg-féle határozatlansági összefüggések) bebizonyította, hogy az atomok, illetve azoknál is kisebb rendszerek esetében ez a megközelítés, ez a modell nem használható, nem érvényes.
A modellek megkönnyítik a természet törvényeinek felismerését, de tisztában kell lenünk azzal, hogy érvényességük korlátozott, tehát nem mindig használhatók. Ezzel együtt a modellek nagyon fontos teremtményei az emberi értelemnek. Következményük a technikai civilizáció, a kényelmes és hosszú élet, a környezethez való alkalmazkodás gyors és hatékony módja.
Sajnos a kockázatuk sem elhanyagolható. Az emberi felelőtlenség, a kapzsiság, összefoglalva, az emberi hülyeség: mert ez is a miénk, Einstein szerint végtelen, mint a világegyetem, habár az utóbbi nem egészen biztos. Adjunk igazat a relativitáselmélet megteremtőjének, de tegyünk róla, hogy nagy okosságunk ne vegyen tragikus fordulatot. Ahogy osztályfőnököm, a legendás Tóth László tanár úr sokszor mondta: az értelmet azért kaptuk, hogy éljünk vele, nem pedig azért, hogy visszaéljünk vele.
