A történelem során a térre és időre vonatkozó tudományos ismeretek fejlődése mindig nagy izgalmat váltott ki az emberiségben s heves reakciót a visszahúzó erők részéről.
Giordano Bruno életét máglyán végezte, mert először hangoztatta – többek közt – a tér végtelenségét. Néhány évtized múltán majdnem hasonló sorsra jutott Galilei is, aki a nyugalom helyett a mozgás elsődlegességét olvasta ki az univerzumból. A XIX. században Bolyai János volt az első, aki tagadni merte az euklideszi geometria egyedül lehetséges érvényét. A XX. században Einstein relativitáselmélete az, amely átértékelte és forradalmasította a térről és időről addig szerzett ismereteket.
Mi lehet annak az oka, hogy ez a kérdés mindig izgatta az emberiséget? Talán az, hogy úrrá szeretnénk lenni téren és időn – a merev téridő fogalmát az emberiség évezredes álmai ostromolják.
Nehéz lenne itt röviden az ókori gondolkodók téridő szemléletéről Newton abszolút időfogalmán át, az einsteini téridő-kontinuumtól a modern fizika téridő- problematikájáig mindent felsorolni, célunk csupán az, hogy megpróbáljuk összefoglalni a tér és idő fogalmának kísérleti megalapozásait és jelentésük fejlődését.
Annak, hogy valamely esemény, jelenség számára pontosan meghatározzuk a „mikor” és a „hol” adatait, a fizikában sokkal nagyobb jelentősége van, mint a történelemben, mert ezek adják a jelenségek leírásának alapját.
(Legyen koordinátarendszerünk egy olyan vonalzó, amelynek kezdőpontja van, de végpontja nincs. Valamely pont helyét a vonalzón egyetlen számmal megadhatjuk – ez a pont koordinátája. Így a vonalzón minden pontnak megfelel egy meghatározott szám és minden számnak egy meghatározott pont. Azt mondhatjuk, hogy a vonalzó összes pontjai egydimenziós kontinuumot alkotnak. A fenti gondolatmenetet kiterjeszthetjük a síkra és a térre, és akkor azt mondhatjuk, hogy a sík kétdimenziós kontinuum, a tér pedig háromdimenziós.)
A tér fogalmát valószínűleg az anyagi tárgy fogalma előzte meg. S bár ez utóbbi távolról sem feltételezi a tér fogalmát, a tárgyak egymás közötti viszonyának gondolati megértése olyan fogalmak kialakulását eredményezte, amelyek már térbeli viszonyokat tükröznek.
Giordano Bruno hirdette ugyan a végtelen tér és benne a végtelen anyag, végtelen sok csillag és bolygó gondolatát, ám a tér mint kontinuum Bruno fogalomrendszerében egyáltalán nem szerepel.
A kontinuum fogalmát Descartes vezette be, amikor a térbeli pontokat koordinátáikkal adta meg. A geometriai alakzatok Descartes-nál szerepelnek először úgy, mint a háromdimenziós kontinuumnak felfogott végtelen tér részei. Newton axiómái megszabják, miként mozog a test külső hatások alatt. A mozgás leírása csak úgy lehetséges, ha minden pillanatban megadjuk a térbeli test helyzetét, azaz három koordinátáját. Newton minden mozgás leírásának alapjául az abszolút térben nyugvó vonatkoztatási rendszert jelöli meg, s ezáltal a teret abszolútnak jelenti ki. Szerinte „az abszolút tér lényegénél fogva közömbös bármilyen külső körülmény iránt, mindig egyforma és mozdulatlan marad”.
Az abszolút tér szerkezetét az euklidészi geometria írja le. Az abszolút euklidészi térnek van két nevezetes, úgynevezett szimmetriatulajdonsága: a tér minden pontja geometriailag egyenértékű – azaz a tér homogén; és a háromdimenziós tér minden iránya egyenértékű – azaz izotróp. A térnek ezek a tulajdonságai a benne létező anyag tulajdonságaiban fejeződnek ki.
Visszatérve a fizikai jelenségekre: ahhoz, hogy az anyagi részecskék mozgását tanulmányozzuk, a térkoordinátákon kívül az események idejét is tekintetbe kell vennünk. A fizikai tér, amelyet a benne levő tárgyakról és azok mozgásáról ismerünk meg, háromdimenziós, így a helyzetek megjelölésére három szám szükséges, az esemény pillanata, az idő a negyedik.
Négy meghatározott szám felel meg tehát minden jelenségnek, és megfordítva. Tehát az események világa négydimenziós kontinuum.
Newton az időt is abszolútnak tekintette: „Az abszolút idő magában véve és lényegéből eredően, minden külső körülményektől függetlenül, egyenletesen múlik”.
A háromdimenziós abszolút euklidészi tér és abszolút idő a XVIII, században annyira magától értetődővé vált, hogy el sem tudtak képzelni más tér- és időfogalmat. Bolyai János azonban a XIX. század első felében kimutatta, hogy az euklidészi geometria a tér szerkezetének nem egyedüli lehetséges leírásmódja. Olyan homogén és izotróp térgeometriát szerkesztett, amelyben a háromszögek szögeinek összege a területtől függ és kisebb mint 180°. Ezt a teret ma állandó negatív görbületű térnek vagy hiperbolikus térnek nevezzük. Néhány évtizeddel később Riemann olyan nem homogén teret írt le, ahol azonos méretű háromszögek szögeinek összege helyről helyre más lehet; az az a tér változó görbületű.
A newtoni abszolút tér létét nem is lehetett kimutatni, még a XIX. század fizikusainak sem sikerült olyan sebességmérőt konstruálniuk, amely jelezné, hogyan „nyeli” a Föld, a naprendszer a kilométereket, amint az abszolút térben „száguld”. (Ha egy testre külső erő hat, a tér és az erőt kifejtő test kétirányú befolyása nyomán alakul ki az a pálya, amelyben a két hatás egyensúlyban van, és amelyet a mechanika mozgástörvénye ír le. Newton nyugvó koordinátarendszere nem egy kitüntetett koordinátarendszer, a jelenségek leírásának bármely tehetetlenségi mozgást végző test kiindulópontként választható. Ezek a koordinátarendszerek alkotják az úgynevezett tehetetlenségi rendszerek sokaságát. Egyenértékűségüket a relativitás elve fejezi ki.)
A XIX. század utolsó éveiben még egyszer megkísérelték, hogy megtalálják az abszolút nyugalmi állapotot. A kísérletek egybehangzóan arra adtak választ, hogy a természeti jelenségek közül egyik sem tesz különbséget abszolút nyugalom és tehetetlenségi mozgás közt.
A XX. században a fényterjedés törvényeinek tanulmányozása során kiderült a tér és idő elválaszthatatlansága. (Mindaddig feltételezték, hogy az események négydimenziós kontinuuma objektív módon felbontható térre és időre, vagyis hogy a „most”-nak az események világában abszolút jelentése van.) Az egyidejűség relatív voltának felismerése után a tér és az idő ugyanúgy egységes kontinuummá olvadt össze, ahogyan azt a három térbeli dimenzió egységes kontinuummá való összeolvadásakor a fizikusok szemléletében végbement. Einstein volt az első, aki a téridő fogalmát a speciális relativitáselmélet keretében alapvető törvényszerűségként kezelte. A téridő meghatározásában fontos szerepet játszott a fény sebességének értéke, amely mintegy kifejezője az anyagi világ téridő-kontinuumának.
Tisztán kell látnunk, mit jelentenek a fizikában valamely esemény térbeli koordinátái és időpontjai. A térbeli koordináták fizikai értelmezése merev vonatkoztatási testet feltételezett, amelynek többé-kevésbé meghatározott mozgóállapotúnak kellett lennie. Adott tehetetlenségi rendszerben a koordináták ilyen értelmezése esetén az euklidészi geometria érvényes volta már fizikai problémává válik.
Ha az esemény időpontját hasonlóképpen igyekszünk értelmezni, szükség van az időközök méréséhez alkalmas eszközre (meghatározott periodikus folyamatra). A tehetetlenségi rendszerhez viszonyítva a nyugvó óra a helyi időt definiálja. Az ideális mérőrudak és órák elvi létezésének feltételezése nem független egymástól, mert az olyan fényjel, amely egy merev rúd két vége között ismételten visszaverődik, ideális óra, feltéve, hogy a fény terjedési sebessége légüres térben állandó, és ez nem vezet ellentmondásokra.
Elterjedt téves vélemény, hogy a speciális relativitáselmélet – melynek általános alapelve, hogy a fizika törvényei invariánsok a Lorentz-transzformációkra vonatkozóan, az egyik tehetetlenségi rendszerről tetszés szerinti másra való áttéréskor – felfedezte vagy újra bevezette a fizikai kontinuum négydimenziós voltát. Ez nyilván nincs így, a klasszikus mechanikának is a tér és idő négydimenziós kontinuuma az alapja. A megkülönböztető az, hogy a klasszikus fizika négydimenziós kontinuumában az állandó időérték realitása abszolút, vagyis a vonatkoztatási rendszer választásától független; a négydimenziós kontinuum ezáltal egész természetesen szétesik egy háromdimenziósra és egy egydimenziósra (idő), így a négydimenziós szemléletmódra nincs feltétlenül szükség.
A speciális relativitáselméletben azonban formális összefüggés is van aközött, ahogyan egyrészt a térbeli koordinátáknak, másrészt az időnek a természettörvényekben szerepelniük kell.
Bennünk él még a berögződés, hogy külön dolog a tér és külön dolog az idő. Mindez azonban csak absztrakció, a valós világban csak mozgó anyag van. Térre és időre, az Einstein által kutatott négydimenziós téridőre vonatkozó tudásunk ingaórák és vonalzók, égitestek és fénysugarak megfigyelésén alapul.
A materialista filozófia szemléletében a mozgó anyag határozza meg a teret és az időt mint létformákat. Ez a felfogás vitatja egyes fizikusoknak és filozófusoknak azt a szemléletét, melyben a négydimenziós téridő mint tartalom jelenik meg, s ehhez képest a mozgó anyag, valamint külön a tér és külön az idő – csak forma. A viták folynak tovább, ám egy dolog igen lényeges: a térben és időben ne velünk született, metafizikuson merev és megváltoztathatatlan képzetet lássunk, hanem a természeti jelenségeknek, az anyag mozgásának objektív formáját.
A térre és időre vonatkozó einsteini tanításokat mégis hiba lenne abszolút, végleges és befejezett fizikai elméletként kezelni. A fizika előbb-utóbb ezen a téren is tovább fejlődik. A téridő mikrostruktúrájának felkutatása a jövő feladata – e fejlődést talán a kvantummechanika és a relativitáselmélet mélyebbre ható szintézise hozhatja meg.
Elég bátraknak kell lennünk, hogy itt is elszakadjunk előítéleteinktől.
Megjelent A Hét V. évfolyama 39. számában, 1974. szeptember 27-én.
