Fizikai világképünk tapasztalati tényeken és törvényeken nyugszik. A világ örök, az anyag elpusztíthatatlan – e dialektikus materialista tétel szilárd tudományos alapját a fizika megmaradástörvényei jelentik.
Max von Laue Nobel-díjas fizikus az energiamegmaradás törvényének felfedezésével kapcsolatban azt mondja: „A fizika feladata általános természeti törvények felfedezése, és minthogy az ilyen törvényszerűség egyik legegyszerűbb formája az, ha a bizonyos fizikai mennyiség állandóságát mondjuk ki, az efféle állandók keresése nagy fontosságú kutatási irányzat.”
Nyilvánvalóan szükséges tehát a megmaradási törvények tanulmányozása és tartalmuk világnézeti lényegének kifejtése. A fizika törvényei nemcsak a mikrokozmoszra érvényesek: az anyag változásai a makrokozmoszban ugyanazon törvények segítségévei írhatók le.
A FIZIKA FEJLŐDÉSÉT TUDOMÁNYTÖRTÉNETI SZEMPONTBÓL
négy szakaszra bonthatjuk. Az első szakasz a gravitációs nehézkedés és a mozgás törvényeivel foglalkozott. Erre a szakaszra rányomja bélyegét Newton zsenialitása, akinek hatalmas életműve Bernoulli, Euler és Laplace eredményeivel egészül ki. E szakasz megvalósításai közé írható az a tudományos szempontból rendkívül optimista felismerés, miszerint a fizikai világ jelenségei leírhatók, sőt bizonyos pontossággal „megjósolhatók”.
A második szakasz az anyag elektromos és mágneses tulajdonságaival, valamint a sugárzás természetével foglalkozott. A legjelentősebb kísérleti eredmények Faraday, ezek elméleti általánosításai Maxwell nevéhez fűződnek. E szakasz eredményei vezették be az elektromosság korszakát.
Elméleti szempontból különösen jelentős a fény hullámtermészetének felfedezése, majd Planck fénykvantumhipotézise, amely immár alapot szolgáltatott a harmadik szakasz kibontakozásához. E harmadik szakasz Schrödinger és Heisenberg nevéhez fűződik, akik megalapozzák és kidolgozzák a kvantumtechnikát.
Végül, a fizika fejlődésének legutóbbi, negyedik szakasza a mezon felfedezésével kezdődik. A modern részecskefizika egész sereg súlyos problémát vet fel, számos újabban felfedezett, korábban nem sejtett jelenséget kellene értelmezni, összefüggő elméletbe illeszteni. Ám az elmélet terén alig történt előrehaladás – annak ellenére, hogy a teoretikusok sok új gondolatot, hipotézist vetettek fel, hogy rendet és logikát vigyenek a kísérleti adatok halmazába, egységes, lezártnak tekinthető elmélet nem született.
A tudomány azonban nem kizárólag a végtelen kis méretek, a legnagyobb energiák, az anyag legmélyén rejtőző törvények irányában fejlődik,
VAN A FEJLŐDÉSNEK EGY MÁS IRÁNYA IS,
ahol az alapvető törvényekből és az anyag tulajdonságaiból merített ismereteket sokkal kiterjedtebb területen alkalmazzák a jelenségek értelmezésére.
Így létezik egy törvény, amely az összes eddig ismert természeti jelenséget kifejezi, s amely alól egyetlen kivételt sem ismerünk. Ez az energia megmaradásának törvénye, amely kimondja, hogy egy bizonyos, energiának nevezett mennyiség változatlan marad a természetben végbemenő sokfajta változás során. Ez az állítás nyilván eléggé elvont, ami annak tulajdonítható, hogy lényegileg csupán matematikai megfogalmazásában kimerítő. Az energiamegmaradás elvét csak akkor érthetjük meg igazán, ha az energia összes formájára vonatkozó összes képletet ismerjük.
Az energia a fizikában munkavégző képességet jelent. Energiája minden fizikai rendszernek van. Mivel pedig minden létező egyben fizikai is: minden létező rendelkezik energiával. A fogalmat Leibnitz vezette be, ő az energiát a mozgás mértékének tekintette. Az energia azonban minden természeti rendszer sajátja; a fogalom tisztázása lehetetlen lenne, ha csak a mechanikai jelenségekre támaszkodnánk és elhanyagolnánk a hő-, a fény-, az elektromos stb. jelenségeket. A gyakorlatban oly gyakran megnyilvánuló mechnikai és hőenergián kívül ugyanis nagyon sok más energiaforma van. Létezik elektromos energia, sugárzási energia (a fény energiája), amely – mint tudjuk – maga is az elektromos energia egy fajtája (tekintve, hogy a fény az elektromágneses tér rezgése), létezik kémiai energia, amely a vegyi reakciók során szabadul fel. (A modern tudomány szerint a kémiai energia két részből áll, az atomokon belül az elektronok mozgási energiájából, továbbá elektronok és a protonok közötti kölcsönhatás elektromos energiájából; tehát részben mozgási, részben elektromos energia.) Létezik magenergia, vagyis a részecskéknek a magon belüli elrendezéséből adódó energia. Erre vannak képleteink is, de
AZ ALAPTÖRVÉNYEKET NEM ISMERJÜK.
Azt tudjuk, hogy nem elektromos, nem gravitációs és nem is tisztán kémiai jellegű, de hogy lényegében milyen energia – azt nem.Végül – a relativitáselmélet felfedezése után – szükségessé vált a mozgási energia „kombinálása” egy tömegenergiának nevezett energiával. Az erre vonatkozó képletet Einstein találta meg. E= mc2. A fizikát a tapasztalatok kényszerítik a tömeg és energia ekvivalenciájának erre az egyedül helyes, tudományos értelmezésére. Ugyanis, ha egy értelmezés tudományosan nem helytálló, akkor világnézetileg is hamis. Egyesek az Einstein-képletet úgy értelmezték, hogy a tömeg és energia egymásba átalakulhat. Ez azt jelentené, hogy az anyagnak e két alapvető tulajdonság a nem maradandó, hiszen az említett átalakulási folyamatokban nem érvényesek a rájuk vonatkozó megmaradási törvények. Az eddigi megfontolásokból kitűnik, hogy az energiamegmaradás elve rendkívül jól felhasználható a jelenségek tárgyalásában. Ha minden energiafajtára minden képletet ismernénk, akkor elemezni tudnánk, hogy e jelenségnél hány fajta folyamat játszik közre, anélkül, hogy apróbb részletekbe bocsátkoznánk.
Természetesen felmerül a kérdés: a fizikában
MÉG MILYEN MÁS MEGMARADÁSI TÖRVÉNYEK VANNAK?
Először két, az energia megmaradásához hasonló törvényt említsünk meg. Az egyiket az impulzus (vagy mozgásmennyiség) megmaradásának, a másikat az impulzusmomentum(vagy perdület) megmaradásának nevezik.
Az energia számunkra nem valami megszámlálható dolgot, hanem inkább matematikai mennyiséget jelent. A kvantummechanikából azonban kiderül, hogy az energiamegmaradás a természet egy másik nagyon fontos tulajdonságával van nagyon szoros kapcsolatban, azzal, hogy a jelenségek lefolyása nem függ az időtől. Ha egy adott időpontban elvégzünk egy kísérletet, majd egy későbbi időpontban abszolút azonos körülmények között megismételjük, azt találjuk, hogy az eredmény mindkét esetben ugyanaz lesz.
Nem tudjuk azonban, hogy ez az állítás szigorúan igaz-e vagy sem. Ha feltesszük, hogy igaz, és kiegészítjük a kvantummechanika alapelveivel, akkor az energiamegmaradás elvét akár le is tudjuk vezetni.
Az impulzusmegmaradás a kvantummechanikában azzal kapcsolódik össze, hogy nem fontos, hol végezzük a kísérletet, az eredmények – azonos feltételek mellett – ugyanazok lesznek Miként a térbeli függetlenség az impulzusmegmaradással, ugyanúgy az időtől való függetlenség az energiamegmaradással kapcsolatos. A kísérlet „elforgatása” szintén nem okoz gondot, semmi különbséget az eredményt illetően; a természetnek a forgatással szembeni függetlensége az impulzusmomentum megmaradásának törvényében fogalmazódik meg.
A fentieken kívül van még három megmaradási törvény, s ezek mai ismereteink szerint pontosak is. Az első a töltésmegmaradás törvénye. Ez egyszerűen azt jelenti, hogy, egy zárt rendszerben a pozitív töltések és a negatív töltések száma állandó. A másik két törvény ehhez hasonló; a barionszám megmaradásának törvénye: létezik egy sor különös részecske (például a neutronok és a protonok, amelyeket barionoknak neveznek), amelyeknek száma a természetben lefolyó bármely reakció előtt és után állandó marad. A leptonszám megmaradása (a leptonok: az elektronok, a mű-mezonok és a neutrínók) törvénye szerint a reakcióba belépő és abból kilépő leptonok száma sohasem változik meg. Ez tehát a hat megmaradási törvény. Közülük a térrel és az idővel kapcsolatos három törvény bonyolult, a megszámlálható mennyiségekkel kapcsolatos másik három egyszerű.
Az átalakulások és kölcsönhatások során az anyag alapvető tulajdonságai nem tűnnek el, összmennyiségük állandó marad, az átalakulások során ezek a tulajdonságok más-más alakot öltenek. De csak olyan átalakulások lehetségesek, amelyek nem sértik a megmaradási törvényeket. A változások következtében egy bizonyos fokon minőségileg más struktúra jön létre, e minőségi átalakulás során az energia is más alakot ölt. Ennek egyenes következménye, hogy a megmaradási törvények nem egyszerű törvények, de általános érvényűek. Erre a megállapításra az jogosít fel, hogy egyetlen tapasztalatról sem tudunk, amely ennek ellentmondana. Ha csak egy is létezne, fel kellene adni az előbbi megállapításokat. A fizika történetében előfordult, hogy úgy látszott: fel kell adni egyik vagy másik megmaradási törvényt, de a végén mégis mindig kiderült, hogy valamilyen tényezőt nem vettek figyelembe. A megmaradási törvények a világ anyagi egységének legfontosabb bizonyítékai. Minden természeti jelenséget a megmaradási tövények kapcsolnak össze, s elsősorban az energiamegmaradás törvénye, amely a fizikában s általában a természettudományokban utat nyitott a dialektikus szemlélet előtt.
Megjelent A Hét III. évfolyama 31. számában, 1972. augusztus 4-én.