A szimmetria, mint formai megnyilvánulás, már a legősibb időkben mély nyomot hagyott az ember világképében. A virágok pont- vagy tengelyszimmetriája, a bal és a jobb létezése, az élő szervezet külső (első megközelítésben) szimmetrikus volta – ha nem is tudatosan – ahhoz az intellektuális beállítottsághoz vezetett, hogy egy dolog csak akkor lehet teljes, tökéletes, ha valamilyen formában szimmetriát rejt magában. A klasszikus építészet és díszítőművészet, tágabb értelemben a zenei ellenpontozás, egy jól sikerült kompozíció kiegyensúlyozottsága a szimmetria iránti előszeretetünk, mondhatni, beidegződésünk miatt hat kellemes, teljességet sugalló élményként.
A szimmetriának sokkal mélyebb tartalmi vetülete is van; megtalálható az anyag mindegyik szerveződési szintjén. „Természetes” a mágnesség észak-dél, az elektromosság pozitív-negatív szimmetriája. Az utóbbiakból kiindulva jogosan kérdezhetjük: miért az atommag pozitív s a körülötte keringő elektronok negatívok? Végső fokon semmilyen fizikai törvény nem írja elő, hogy a pozitív töltésnek kitüntetett tulajdonsággal kell rendelkeznie a negatívval szemben, hogy „mindennek” a pozitív körül kell forognia. A szimmetria mélyebb fizikai értelmezése nélkül is felvetődhet egy olyan atomszerkezet képe, modellje, amelyben a magot negatív, protonszerű részecskék képeznék és a keringő részecskék lennének pozitívak.
Ezzel a gondolatmenettel, amely első ízben talán a tudományos fantasztikus írók agyában született meg, eljutunk az antiatom és az antianyag fogalmához. Tudományuk kimondottan egzakt jellege azonban sokkal inkább köti a fizikusokat, semhogy kutatásaik irányát, hozzáállásukat a fentiekhez hasonló ihletből fakadó, tudományon kívüli tényezők határoznák meg; mégis, kizárólag tudományosan megalapozott elméleti megfontolásokból kiindulva, a legreálisabb kísérleti tényekre támaszkodva, az utóbbi évtizedekben sikerült kimutatniuk a pozitív elektront (antielektront), a negatív töltésű protont (antiprotont) és rendre szinte az összes elemi részecske anti-megfelelőjét.
Az antielektron létezésének gondolatához egy egyszerű, az elemi matematikából is jól ismert szabály vezetett: egy pozitív mennyiség négyzetgyöke lehet pozitív is, negatív is. Az elektron relativisztikus energiáját leíró matematikai összefüggés megoldásában az energia a második hatványon jelenik meg.
Elfogadva azt az eddig még nem cáfolt tényt, miszerint a matematika absztrakciói előbb-utóbb alkalmazhatók az objektív valóságra, következtetni lehet, hogy létezik negatív energiájú elektron is, (ami azonban nem jelent antielektront, ez utóbbi anti-jellegét ugyanis az elektronéval ellentétes töltése szabja meg). Más szóval, az elektron energiáját ábrázoló görbének szimmetrikus megfelelője van a negatív energiák tartományában. Ez az „alsó” görbe olyan állapotot ábrázol, amelyben a szabad elektron teljes energiája negatív, vagyis ha például a sebessége nő, energiája csökken. Egy ilyen részecske nagyon huncutul viselkedne: tömege negatív lenne, gyorsulása ellentétes lenne a rá hatóerővel – ha taszítanák, közeledne. Ilyen rendkívüli részecskéket még sohasem észleltek, de a Dirac által kidolgozott elmélet tökéletesen logikus következtetése szerint a negatív energiaállapot nemcsak létezik, hanem kisebb energiaszintje következtében valószínűbb, stabilabb is, mint a „rendes” állapot. (Valamely fizikai állapot annál stabilabb, minél kisebb az őt jellemző energia.)
Ebből viszont az következnék, hogy a világegyetem minden elektronja „igyekezne” a rendes állapotból a negatív energiájú, stabilabb állapotba jutni. Arra a kérdésre, hogy ez miért nincs így a valóságban, Dirac merész állítással válaszol: a negatív energiaszinteket az elektronok már teljesen betöltötték. (A Pauli-féle kizárási elvnek megfelelően egy bizonyos energiaszinten korlátozott, jól meghatározott számú elektron létezhet.) A mi fizikai világunkban észlelt elektronok: fölösleg csupán, amely a negatív szinteken már nem fér el. Szerinte a világűr nem olyan térség, ahol semmi sincsen, hanem éppen ellenkezőleg, negatív energiájú részecskék végtelen sokaságával van tele, amiket azért nem észlelhetünk, mert egyenletes eloszlásúak.
(Érdemes ezt az elgondolást összevetni Epikurosz naiv, de megsejtésében zseniális elképzelésével. Szerinte az „atomok” a légüres térben eredetileg párhuzamosan, egyenletesen eloszolva esnek. Előfordul, hogy valamilyen ok következtében egyik-másik beleütközik a szomszédjába, egymásba akaszkodnak, s így alakulnak tömör tárgyakká!)
Bár Dirac eme kozmológiává tágított elmélete spekulatív és nagyon is támadható helyénvalóságától függetlenül mégis igen komoly (és beigazolódott) végkövetkeztetésekhez vezetett: a negatív energiájú (tömegű) elektronok töltésszerűségét nyilvánvalóan pozitív töltések kell hogy ellensúlyozzák. Márpedig ha egy megfelelő nagyságú energiakvantum (foton) hatására egy ilyen elektron pozitív energiájú szintre ugrik át, akkor mint pozitív tömegű, „rendes” elektron észlelhető, az átugrást követően az alsó energiaszinten üres hely, „lyuk” keletkezik – a meglépett elektront semlegesítő pozitív töltés észlelhetővé válik. A negatív energiájú részecske hiánya energianövekedést, energiapluszt jelent. A lyukak minden szempontból úgy viselkednek, mint pozitív energiájú (tehát tömegű) és pozitív töltésű részecskék: antielektronok. (Innen az antirészecskék természetének szellemes, szédítő érzékeltetése: lyukak a semmiben).
Tehát egy kellő energiájú fotonnak bizonyos körülmények között elektron–antielektron párt kell létrehoznia. A jelenséget sikerült is előidézni: „párképződés” vagy „materializáció” néven ismeretes. A megjósolt antielektron – más néven pozitron – nyomát első ízben 1932-ben Andersonnak sikerült azonosítania a kozmikus sugárzás ködkamra-képében. A párkeltés kísérleti igazolására három évvel később került sor, nagy energiájú gamma-fotonok segítségével.
A Dirac-féle elméletből a többielemi részecske anti-megfelelőjének létezése is következik. Már 1947-ben észleltek antiproton-nyomvonalakat, de ezt az antirészecskét kétségbevonhatatlanul csak 1955-ben sikerült előállítani. 1956 pedig az antineutron felfedezésének éve. Az a tény, hogy minden elemi részecskének létezik egy anti-megfelelője, ma már az erőterek kvantumelméletének általánosan elfogadott tétele.
Az 1967-es kiadású Az atomkor enciklopédiájában még a következőket olvashatjuk Jean-Pierre Stroot tollából: „Az elektronok és protonok, amennyire ez kísérletileg megállapítható, stabil részecskék. Ugyanez a helyzet a pozitronnal és az antiprotonnal is. Nem lehetetlen, hogy a világegyetemben valahol olyan atomok léteznek, amelyek magja negatív antiprotonokból és antineutronokból áll, s a mag körül pozitronok keringenek.”
1971 tudományos szenzációinak egyike a szovjet részecskefizikusok sikere volt: a szerpuhovi kutatóintézet részecskegyorsítójával sikerült anti-atommagokat, nevezetesen antihélium magokat előállítaniuk-szintetizálniuk. Ha a laikus számára a kísérlethez szükséges gyorsítóenergia nagysága talán nem mond sokat, a tény, hogy 200 milliárd különféle részecske közül 5 antihélium magot kellett és lehetett szelektálni, nagyon is beszédes.
A művelet nem egyszerűen két antiproton és egy antineutron (ez a keletkezett antihélium izotópmag-szerkezete) összegezését jelenti: az antirészecskék magasabbrendű szerveződéséről van szó, egy olyan rendszer keletkezéséről, amelyben a magokat összetartó kölcsönhatási erőket is sikerült előállítani.
Közismert, hogy a modem fizikai kísérleti berendezések rendkívül költségesek. Nyújthat-e a kísérletek irdatlan költsége az elméleti elégtételen fölül valamilyen gyakorlati hasznot? Hogy a kérdésre a válasz – igen, azt az atommagkutatás gyakorlati alkalmazása, valamint az űrkutatásban elért, egyelőre kvázi haszonnak számító eredmények már igazolták.
A párképződés ugyanis fordítva is végbemehet. Egy antirészecske csupán addig stabil, amíg érintkezésbe nem kerül a neki megfelelő „klasszikus” részecskével. A találkozás pillanatában a két részecske megsemmisül, annihilálódik, rejtett belső energiájuk a közismert E=mc2 einsteini összefüggésnek megfelelően felszabadul. Szó sincs az anyag eltűnéséről; a részecskék szubsztanciális jellegű tömege elektromágneses erőtérré válik, amelynek szintén van tehetetlensége, tehát tömege. Például egy proton–antiproton pár annihilációja során a keletkezett energia több mint tízszerese egy uránmag hasadási energiájának. Nyilvánvalóan a több részecskéből álló atom-antiatom pár annihilációs energiája ennek még többszöröse, ennél fogva a folyamat az atomenergiánál százszor, ezerszer nagyobb energia előállítására válhat alkalmassá. Hogy mikor, ezzel kapcsolatban a vélemények megoszlanak. H. Budker szerint ha az uránmaghasadás felfedezésétől az atomenergia értékesítéséig öt évnek kellett eltelnie, az annihilációs energia tényleges felhasználásáig – a kérdés rendkívülien komplex volta miatt – tízszer annyi idő, 50 év is eltelhet. (Mondjuk, még ennyi ideig élhet az emberiség az „anti-bomba” réme nélkül.)
Felvetődik a kérdés: a megfigyelt antirészecskék önmagukban léteznek-e, vagy csupán bizonyos mikrofizikai folyamatok produktumai. Az – aránylag kevés – kísérleti megfigyelés és az elméleti számítások bebizonyították, hogy ezek önmagukban léteznek, mert – töltésüktől eltekintve – teljesen egyenrangúak a klasszikus részecskékkel. S ha ez így van, és elfogadjuk a természet teljes szimmetriáját, nincs okunk azt hinni, hogy a világegyetemben az anyag nagyobb valószínűséggel fordulna elő, mint az antianyag. (Ha a „mi” anyagunk lenne az uralkodó, az „igazi”, annak külön oka kellene hogy legyen, valami olyan minőségi különbség, aminek a nyomát eddig még sem kísérletileg, sem elméletileg nem találták meg. Tehát, a mennyiségi szimmetriából következően a világűrben nagyjából ugyanannyi antianyagnak kell lennie, mint anyagnak Ezek az egymás megsemmisítésének lehetősége miatt nyilván csak elszigetelten létezhetnek. Létezniük kell antigalaxisoknak, antinaprendszereknek, antibolygóknak, esetleg antiélőlényeknek, sőt – egyesek túlzó extrapolációja szerint – „antiembereknek” is. Számukra nyilván a mi világunk az anti.)
Az antianyag dinamikája teljesen azonos az anyagéval, az energiakisugárzás ugyanolyan kvantummechanikai törvények szerint történik, a kisugárzott energiakvantumok ugyanolyan természetűek. Ezek szerint egy távoli égitestről hozzánk érkezett energia (fény, rádióhullámok) alapján nem tudjuk eldönteni: kisugárzójuk anyagi vagy antianyagi felépítésű.
Az antianyag létezésével már egyes újabb keletű kozmogóniai elméletek is számolnak. Goldhaber például feltételezi, hogy a világegyetem fejlődésének első szakaszában az egész tömeg és energia egy általa universonnak elnevezett fizikai entitásba koncentrálódott, amely egyenlő mennyiségben tartalmazott anyagot és antianyagot. (Elméletileg lehetséges ezek „békés egymás mellett élése”, nagyon magas hőmérsékleten, dinamikus egyensúlyban, az ún. bi-plazma formájában.) Később, valamilyen okból kifolyólag, az universon kozmonra és antikozmonra osztódott. A kozmonból keletkezett a mi világunk, az antikozmonból pedig az antivilág részecskéi. Ez az osztódáselmélet összhangban van a világegyetem észlelt tágulásával. A differenciálódást egyes tudósok (Alfén, Klein) a gravitációs és az elektromágneses tér kombinált hatásának tulajdonítják.
Ha az antivilág valóban létezik, úgy hírnökei meteoritek formájában Földünkre is eljuthatnak. Egyes elméletek az 1908-as Tunguz-meteor becsapódása során keletkezett felmérhetetlenül nagy energiát éppen az annihilációnak tulajdonítják. Ezek szerint a kisebb antianyag-meteoritok már a légkörben annihilálódnak. Mivel a Holdnak nincs légköre, a felszínén feltehetőleg több antianyag-becsapódási nyomnak kell lennie. Ez a holdexpedíciók során majd kiderül.
A század elején a fizikát lényegében zárt tudománynak tekintették, amelyben néhány tételként elfogadott alapigazságból kiindulva,minden jelenség megmagyarázható. (Azokat a jelenségeket, amelyeket alaptételekkel nem tudtak megmagyarázni, egyszerűen – és nagyon praktikusan – nem tekintették a fizika tárgyának ) Később ezeket az alaptörvényeket az anyag belső szerkezetének a leírására is felhasználhatónak vélték. S ezzel elkezdődött a modern fizika kálváriája: kiderült, hogy az önmagukban evidensnek tekintett törvények nem mindenhatóak, csak első megközelítésben érvényesek. S a fizika új fejezetekkel gazdagodott: relativitáselmélet, kvantumfizika, majd újabb alfejezetek és al-alfejezetek, amelyek külön-külön is Góliátként hatnak a pár kötetnyi klasszikus fizika mellett. A természet a mesebeli hétfejű sárkányként viselkedik: minden megválaszolt kérdés kapcsán számos új üti föl a fejét. Újabb elemi részecskék, újabb jelenségek.
„A megközelítő teljesség állapotából a fizika oda jutott, hogy több nyitott kérdést találunk benne, mint végleges választ” (Peierls,1957). A modern fizika módszereiben is eljátszotta a tisztes „egzakt” jelzőt. Sok benne az ellenőrizhetetlen spekuláció, rendhagyó hipotézis, számos folyamat matematikai egyenlete csak kétes megközelítéssel oldható meg. Mindezek ellenére sikerül a jelenségekről többé-kevésbé olyan képet alkotni, amely lehetővé teszi azok mélyebb megértését.
A megértés sziszifuszinak tűnő küzdelmében a tudósok igyekeznek megbízható alapigazságokra támaszkodni. Az anyag-antianyag beigazolódott szimmetriájának mindenekfölött ez az elméleti jelentősége: alátámasztotta az olykor ellentétpárban jelentkező szimmetria egyetemes érvényességét. (Bár – és jellemző a mai fizikára, hogy mindig akad egy „bár” – felvetődött a gyanú, hogy a „gyenge kölcsönhatásoknak” nevezett bomlási folyamatok esetében az anyag–antianyag szimmetria nem érvényes. A kérdés kísérletileg még eldöntetlen.)
A fizikai világkép egyre bonyolultabbá válása láttán felmerülhet a kérdés: van-e remény olyan rendszer kidolgozására, amely véges számú törvényre támaszkodva minden jelenséget meg tudjon magyarázni? Ez a kérdés már ismeretelméleti vonatkozású, s a válasz csakis igenlő lehet. Hogy mennyire vagyunk ettől, egyelőre felmérhetetlen. Lehet, körülötte topogunk, lehet, hogy évtizedek, évszázadok is eltelnek, amíg a látszólagos zűrzavarban rend teremtődik. Meg aztán, hogy ez a rend mennyire lesz egyszerű és áttekinthető, az már szemlélet kérdése. Az egyszerűségnek nincsenek abszolút ismertetőjelei.
Megjelent A Hét III. évfolyama 20. számában, 1972. május 19-én.
