A fizikában – látványos fejlődése ellenére vagy talán éppen annak következményeként – ma még rengeteg a megoldatlan probléma. Az esetek túlnyomó többségében olyan kísérletekre van szükség, amelyek a természet eddig még fel nem tárt titkainak megismerésére irányulnak.
Minden ismeretünk próbaköve, a tudományos „igazság” kizárólagos kritériuma – a kísérlet. Azonban – bár a kísérletek segítségünkre vannak a törvények megalkotásában – képzelőerő is szükséges, hogy megtaláljuk a mögöttük meghúzódó újszerű mozzanatokat.
Az úgynevezett fontos fizikai problémák gyakran a technikai vagy gazdasági igények függvényei, kiválasztásuk oka gyakorta egyszerűen csak az, hogy „divatos” ezzel vagy azzal a kérdéssel foglalkozni.
Pedig a fizika igazi feladata: az alaptörvények kutatása. A fizika alaptörvényeinek kísérleti vizsgálata két úton történik. Egyrészt nagyobb pontosságra törekszünk az anyag ismert állapotainak tanulmányozásában, másrészt megpróbáljuk az anyagot ismeretlen állapotokba kényszeríteni.
Ma már nemcsak kezdő fizikusokat vagy más szakembereket, ha nem a nagyközönséget is érdeklik a „fizika forró pontjai”, legfontosabb problémái. (Esetenként a különböző fizikai társulatok tanácskozásaikon összeállítják a „fontosabb problémák” listáját, amelyeket megjegyzésekkel is ellátnak. Bizonyára érdekes és hasznos is lenne, ha egyszer a fizikusoknak a fontosabb problémákról alkotott magánvéleményeit is összehasonlítanák egymással.) Az alábbiakban nyilván nem törekedhetünk teljességre, mivel a kérdéskör igen tág; itt csupán a makrofizikában, majd a mikrofizikában megoldásra váró kérdéseket próbáljuk körülírni.
A makrofizikában az egyik megoldásra váró kérdés: az irányított termonukleáris szintézis megvalósítása. Ez nyilván csak akkor tekinthető megoldottnak, ha a szintézis során végbemenő nukleáris reakciókat sikerül energetikai célokra felhasználni. Ismeretes, hogy a termonukleáris reakciók létrehozására nincsen szükség kritikus tömegre. Ez lehetővé teszi, hogy olyan kis mennyiségű anyagokat reagáltassanak, amelyek fúziója során nem szabadul fel veszedelmes mennyiségű energia. A termonukleáris reakciók szabályozása rendkívül izgalmas feladat. Az egész világon számos tudóscsoport foglalkozik vele. A technikai nehézségek néhány évvel ezelőtt még megoldhatatlanoknak látszottak.
Ugyanis olyan módszert kell találni, amellyel a plazma gyakorlatilag hőveszteség nélkül hevíthető fel a termonukleáris reakciók kiváltásához szükséges – nagyon magas – hőmérsékletre. (A hőforrásnak nem kell feltétlenül nagy teljesítményűnek lennie.) További nehézséget okoz a nyomásnak a hőmérséklettel való növekedése. A hőmérséklettel és a nyomással kapcsolatos nehézségek miatt valószínű, hogy a termonukleáris reakciók csak igen rövid tartammal, és csak nagy sűrűségű anyagokban valósíthatók meg.
A megoldás az emberiség állandóan növekvő energiaigényét hosszabb időre fedezné. Eljön az idő, amikor az energiaigények kielégítésére már a napenergia bevonása sem lesz elegendő – ennek tudatában bizton állíthatjuk, hogy a jövő energiaforrása: a fúzió és a maghasadás.
Figyelemre méltó, hogy mind a mai napig a szupravezetést csak a legkisebb hőmérsékletek tartományában sikerült megfigyelnünk. Lehet, hogy a nagy kritikus hőmérséklettel rendelkező szupravezető anyagokat igen nehéz előállítani. Mindmáig még lehetőségként is tisztázatlan viszont, hogy létrehozhatók-e szupravezetők (vagyis fémek), amelyek megmaradnak szupravezetőknek akár szobahőmérsékleten is. Ez lényegesen kiszélesítené a felhasználási lehetőségeket. A szupravezetést alighanem a számítógépekben lehet majd hasznosítani a legkönnyebben. A megépítendő számítógép minden eleme alacsony hőmérsékletű kamrában működne, ami által egyrészt csökkenteni lehetne a kamrába vezető huzalok számát, másrészt a lehető legnagyobb mértékben lehetne kihasználni a vékony hártyák szupravezetéséből származó előnyöket: a nagy működési sebességet, a kis méreteket és az olcsó előállítást.Az új anyagok (vegyületek, ötvözetek, polimérek) előállítása főként a kémia feladata. A nagyhőmérsékletű szupravezető anyagok előállítása viszont már a fizika hatáskörébe tartozik, akárcsak a fémes hidrogén vagy az anomális víz előállítása. Lehetséges, hogy a fémes hidrogén szupravezető és nagy kritikus hőmérséklettel rendelkező anyag.
Félvezetőkben elő lehet idézni a nagyon nagy nyomásokon végbemenő jelenségek egy részét, minthogy az excitonok (elektron-lyukpárok) sűrűsége elérheti a 1018 cm-3 értéket, ami a hidrogén esetében csak millió atmoszféra nyomáson érhető el. A probléma: ennek a sűrű excitonrendszernek a viselkedése a félvezetőben; várható, hogy a rendszer folyékonnyá válik, cseppeket alkotva; ezek a cseppek elektron-lyuk fémként viselkednek, és bennük szuperfolyékonyságot vagy szupravezetést kell megfigyelnünk.
Érdekes probléma a transzurán elemek mesterséges előállítása nehéz magoknak neutronokkal és különféle atommagokkal való bombázása útján. A fizikusokat különösen a 108–110-nél nagyobb rendszámú elemek előállítása foglalkoztatja. Általánosan elfogadott vélemény, hogy a mikrovilágot olyan területként értelmezzük, ahol a kvantumtörvények uralkodnak, míg a makrovilágban a klasszikus törvényszerűségek érvényesülnek.
A tudomány fejlődésével a különböző tudományterületek és tudományágak közötti határok eltolódnak, s a különböző fogalmak tartalma is módosul. Ma talán már nyugodtan állíthatjuk, hogy az atom- és a magfizika inkább a makrofizika hatáskörébe sorolható. A mikrofizikai kutatás tárgykörébe következésképpen az „egyszerűbb” elemi részecskék, azok kölcsönhatásai s az őket irányító törvények tartoznak. A mikrofizikában ma a relativisztikus kvantummechanika az uralkodó elmélet.
A mikrofizika tanulmányozása során fellépő kérdéskomplexum erősen hasonló ahhoz, amely a relativitáselmélet, illetőleg a kvantumfizika megalkotását előzte meg. Ma még igen szerények az eredmények, a kutatómunka pedig sok munkát, fantáziát igényel.
A mikrofizika alapvető és még meg nem oldott problémája: olyan elmélet megalkotása, amely lehetővé tenné a létező részecskék tömegeinek és egyéb paramétereinek meghatározását. A részecskéket is, a rezonanciákat is figyelembe véve, az eddig megismert részecskék száma több százra tehető. Ezeknek népes sokaságában a proton és a neutron többé már nem a „világ közepe”, csupán két szerény tag. A kvarkmodell segítségével sikerült valamennyi részecskét három kvark és három antikvark különböző kombinációjaként „előállítani”; a modell keretein belül felépíthető valamennyi részecske a magasabb spinű barionok kivételével, amelyek azonban szintén előfordulnak a természetben. Ha tudnánk, hogy milyen erők hatnak a kvarkok között, ebben a modellben sok minden kiszámítható lenne. Itt is a fizikusok fantáziájára van szükség.
A kvarkmodell eddigi sikerei azt sugalmazzák, hogy e törvényeknek a kutatása valahol szorosan kapcsolódik a törtszámú töltések megtalálásához. Ennek érdekében olyan nagyenergiájú kísérleteket terveznek, amelyek elég nagy pontosságúak lesznek ahhoz, hogy mennyiségileg megadják a protont felépítő részecskék töltését – ha ugyan valóban léteznek ilyenek.
Einstein volt az első, aki – a speciális relativitáselmélet keretében – a téridő kontinuum fogalmát felhasználta a fizika törvényeinek megfogalmazásához. A téridő meghatározásában fontos szerepet játszott a fénysebesség véges értéke, amely mintegy kifejezője az anyagi világ téridő-kontinuumának. A relativitáselméletben, a kvantummechanikában és az információelméletben, a modern fizika eme új fejezeteiben szükségessé vált az élet fogalmával is szoros kapcsolatban levő idő-fogalom átértékelése.
Feltevődik a kérdés: vajon a tér és az idő mikroszinten is úgy „viselkedik”, mint makroszinten, azaz: kontinuus, vagy pedig valamiféle diszkrét-kontinuus érték? Vagyis megtartható-e a téridő szimmetriája a tér kvantálásával anélkül, hogy az időt kvantálnánk? Vajon létezik-e lényege s különbség „a dolgok ideje” és „az emberek ideje” között?
A gravitációra vonatkozó tapasztalataink köre rendkívül szűk. Nem ismerünk mást, mint a gravitációs mező nyugvó és igen gyenge megnyilvánulásait. Itt, a Földön, messze a tizedik tizedesjegy mögött jelentkezik a téridő szerkezeti módosulása és az is álló, időben szinte mozdulatlan formában. Ennyire, de csak ennyire ismerjük a gravitációt, és sikerrel igazoltuk az általános relativitás következtetéseit. A gravitációs hatások gyenge volta miatt számottevő gravitációs terek keltéséhez égitestekre volna szükség: ezért nem fokozható mesterségesen a térerősség tetszés szerinti erősségig, ezért nem tanulmányozhatók laboratóriumban az erős gravitációs terek. Az asztrofizikai kutatások mégis sok mindenre fényt vethetnek, főleg a gravitáció, a negyedik alapvető kölcsön hatás tekintetében. A fizikus úgy tekinti a Galaktikát, mint óriási laboratóriumot, ahol ilyen gigantikus méretű „kísérletek” milliói zajlanak le egyidejűleg. Gravitációs hullámokat egészen napjainkig nem észleltek, viszont az elmúlt öt évtizedben igen sok elméleti munka jelent meg ebben a témakörben. (Várható például, hogy a gravitációs hullámokhoz kettes spinű, zérus nyugalmi tömegű részecskék asszociálhatók.)
Az általános relativitáselmélet gravitációs egyenlete tartalmazza a gyorsan mozgó anyag és a változó geometriájú téridő (változó gravitáció s erőtér) kölcsönhatásának törvényeit is. De két bökkenő is van: egyrészt ilyen különleges feltételek mellett még senki sem vizsgálhatta felül az általános relativitástan helyességét, másrészt a gravitációs egyenletek megoldása bonyolultabb jelenségekre mindmáig nem sikerült. Márpedig bizonyosnak tekinthető, hogy az anyag és téridő legáltalánosabb fizikai sajátságait a gravitáció hordozza.
Megválaszolatlan még a klasszikus geometriai elképzelések alkalmazhatósági határainak kérdése. A nagyobb energiák birodalmában az ütköző részek közötti tér egyre szűkül. A 10–15 cm-es távolságokig az ismert térbeli összefüggések helyesek, illetve nem ellentmondásosak. A probléma a határok további kitolása a 10-20 cm-es nagyságrendig, ahol az úgynevezett fundamentális hossz korlátozza a klasszikus térleírás alkalmazhatóságát. A tömegspektrum és a fundamentális hossz problémáját csakis a részecskék nagy- és szupernagyenergiákon való kölcsönhatásának tanulmányozásával lehet megoldani.
Immár két évtizede bizonyított tény, hogy a térbeli paritás a gyenge kölcsönhatások során nem marad meg. Később a kombinált paritás elve, a PC-invariancia is instabilnak bizonyult – hogy ennek mi az oka, s mi lehet a szerepe az csak a jövőben dől el.
Nemcsak a tudós közvélemény, hanem az egész emberiség figyeli ma a makro- és mikrofizika eredményeit, a még magyarázatlan kérdések megfejtésére tett erőfeszítéseket. S valóban, van-e érdekesebb dolog, mint egy – még mindig forradalmát élő – tudomány fejlődése, amikor egyre nyilvánvalóbb, hogy ezek az eredmények nem csupán a természettudományok területén, hanem az egész emberiség életében óriási szerepet játszanak?
Megjelent A Hét IV. évfolyama 42. számában, 1973. október 19-én.