Több cikkből álló sorozatunkban arra vállalkozunk, hogy röviden áttekintsük a fizika alapelveinek, szemléletének változását. Az első részben a klasszikus fizika, a továbbiakban a modern elméletek alapjait vizsgáljuk.

Szemléletváltások a természettudományban 

A fizika és általában a tudományok fejlődését gyakran folyamatos előrehaladásnak képzeljük el, pedig a helyzet nem ilyen egyszerű. A történelemhez hasonlóan a tudománynak is megvannak a korszakai, fordulópontjai, megtorpanásai és forradalmai. Egy felfedezés igazolása gondolatok, elméletek sorát indítja el, mely évtizedekre meghatározza a tudományos gondolkodásmódot. Egy megszilárdult tudományos eszmerendszer korában aztán feltűnnek az újabb, megoldatlan problémák, a kételyek, az új gondolatok, végül egy-egy komoly áttörés következik be. Ezek az áttörések változásokat hoznak a tudomány elméleti fejlődésében és gyakorlati alkalmazásában, de hatással vannak világnézetünkre és hétköznapi szemléletünkre is.

Honnét ered e változás? Hiszen a természettudományos eredményeket, törvényeket általában megingathatatlan, objektív igazságként tekintjük, melyeket kísérletekkel igazoltak, és így tökéletesen bizonyosnak vehetünk. Valóban, a gyakorlatban értelmetlen dolog kételkedni, hogy mondjuk a gravitáció törvénye valóban mindig teljesül-e, de azt tudnunk kell, hogy a természettudomány alapvetően nem abszolút igazságokkal dolgozik, hanem elméletekkel és modellekkel. Egészen más a helyzet egy olyan tudományágban, mint a matematika, ahol a játékteret és a játékszabályokat, az alapfogalmak és axiómák világát mi alkotjuk meg, és így a helyesen levezetett állításokat valóban objektív igazságként tekinthetjük.

Azonban a természet játékterén más szabályok uralkodnak, törvényeit nem mi kreáljuk, így egy fizikusnak vagy biológusnak sokkal nehezebb dolga van: nem talál biztos kiinduló alapot, melyre építhet. Ha a természettudomány működni akar, mégis szüksége van olyan alapelveke, melyek a matematika axiómáihoz hasonlóak. Az ezekből létrehozott logikai-matematikai rendszer a természettudományos modell, mely ugyan önmagában objektív válaszokat ad, a kapcsolata a természettel csupán analógia és nem szigorú logikai.

Viszont a modell premisszái, előfeltevései igenis nagyban függenek az őket megalkotó embertől, saját és társadalmi gondolatvilágától. Sőt, a tudományos hagyományoktól és módszerektől, ráadásul a kísérletek révén a technikától is, mely a gazdasággal áll szoros kapcsolatban. Így magyarázható az, hogy míg a társadalmi, emberi változások a matematikában nem befolyásolják a meglévő eredményeket, csupán a kutatás irányát a természettudományban közvetve alapvető „igazságokat” kérdőjelezhetnek meg és egészen átformálhatják az addigi tudományt.

Ezeket a forradalmakat akadályozza a tudomány „tehetetlensége”, a tudományos tradíciók és alapelvek szilárdsága. Ezeken nehéz felülemelkedni, ezért láthatjuk, hogy legtöbbször kreatív új gondolatok, egy-egy zseniális tudós vagy csoport kitartása kell ahhoz, hogy fordítson egyet a tudomány szekerén.

Jelen cikk címe fizikai forradalmak, utalva, hogy a természettudományok „atyja” kétségkívül a fizika. A csillagászat, biológia vagy kémia által vizsgált jelenségek mögött is mindig fizikai folyamatok húzódnak meg. A fizika így valahol alaptudománya az összes természettudománynak, és éppen ezért eredményei kihatnak számos területre, forradalmai pedig megváltoztatják az egész természettudomány menetét. A XIX. század végéig egyeduralkodó „klasszikus fizika” már önmagában is fejlődés eredménye, de szemléletrendszerét aztán alapvetően rázták meg a XX. század nagy fizikai forradalmai melyeket három elmélet, a relativitáselmélet, a kvantummechanika és a káoszelmélet köré csoportosíthatjuk. Ezeket a változásokat tekintjük át cikkünkben. Nyilvánvalóan nincs lehetőség behatolni a részletekbe (amiket megtalálunk a fizikai szakkönyvekben), a cél éppen az, hogy az alapelveket, a kulcsfogalmakat és ezek változását vizsgáljuk.

A fizika kialakulása 

A természettudomány lényegében egyidős az emberiséggel. Megjelenik mindenhol, ahol a természettel kapcsolatos ismeretek, észrevételek jelentkeznek. Mégis, amit ma fizikának tekintünk, nagyon messze áll a korábbi évszázadok tudományától. A fizika sokáig összefonódott a természetfilozófiával, az ókori görögöknél vagy a középkorban a ma ismert tudományágak még nem különültek el, mind egy egységes „tudományt”, „össz-tudást” alkottak. Éppen ezért nem tudott kikristályosodni a különböző területek eltérő módszertana sem. Amikor Arisztotelész fizikáról beszél, az még beleágyazódik a természetfilozófiai gondolatokba.

A fizika mint önálló tudomány létrejötte maga is forradalmi újítás. Az első, mai értelemben vett természettudósnak Galileit tekinthetjük. Galileo Galileit (1564-1662) leginkább a heliocentrikus világképpel kapcsolatos vitáiról ismerjük, de munkássága ennél jóval szélesebb körű. A bolygók mozgása mellett foglalkozott például az ingákkal, a szabadeséssel és a mozgások leírásának problémáival. Ő az, aki először élesen elkülöníti a természettudományt a filozófiától, módszerét matematikai alapokra helyezi és létrehozza a mai értelemben vett kísérleti fizikát. A fizikai vizsgálódás alapja a kísérlet, mellyel információkat kaphatunk a természet törvényeiről. Megfelelően sok kísérlet eredményéből szabályosságokat vehetünk észre, és a mérésekből ezt a szabályosságot matematikai módon is megfogalmazhatjuk. Ez a kísérleti fizikában az indukció módszere, amikor konkrét jelenségekből vezetjük le az általános törvényszerűséget.

A fizika egy más irányú megközelítése jó egy évszázad múlva Newton munkásságában ölt formát. Isaac Newton (1643-1727) a Principia néven ismert művében egységes elméletbe foglalja az addigi mechanikai ismereteket. A matematikához hasonlóan definíciókat mond ki és axiómákat állít fel, az elmélet tengelyében pedig a jól ismert Három Törvény áll, melyekből levezethetők a klasszikus mechanika alapvető törvényszerűségei. Ezzel megteremti az elméleti fizika módszerét, a dedukciót. A dedukció folyamatában az általános törvény megfogalmazása az első, ebből vezetünk le következtetéseket a konkrét jelenségek leírására.

Az alapelvek felállítása – mint bevezetőnkben már kimondtuk – elméletileg önkényes, azonban egy használható elméletnél alapvető feltétel, hogy a belőle levezethető tételek valóban leírják a jelenségeket, vagyis összhangban álljanak a kísérletekkel. Így lesz az elméleti és kísérleti fizika egymást kiegészítő és szerves egységet alkotó tudomány. Az alapanyagot a kísérleti fizika eredményei adják. Az elméleti fizika célja hipotézisek, madj olyan matematikai modell felállítása, mely a kísérletekkel megegyező eredményt ad, és újabb kísérletek eredményét vetíti elő. A kísérleti fizika újabb mérései cáfolják vagy igazolják, hogy a modell megfelelő magyarázatot ad-e a valóságra.

 A klasszikus fizika alapelvei  

Newton azzal együtt, hogy példát adott a fizikusoknak, hogyan kell egy összefoglaló elméletet létrehozni, rögtön létre is hozott egyet, melyet newtoni mechanika néven ismerünk, és mely a következő két évszázadban meghatározta a fizika útját, a ma már „klasszikusnak” nevezett fizikát. Meg kell jegyeznünk, hogy maga a fizika módszere, amit Newton és Galilei követ, az elméleti és kísérleti fizika működése lényegében azóta sem változott, miközben a klasszikus fizikát felülbírálták az újabb elméletek. A fizika módszere ugyanis nem természettudományos probléma, hanem megegyezés kérdése, amit hallgatólagosan azóta is elfogad a tudóstársadalom. Viszont magának a newtoni fizikának az alapfeltevései már a fizika keretein belül vizsgálhatók, felülbírálhatók, amint azt a XX. század elején is tették. A klasszikus fizika alapelvei között a newtoni megállapításokon túl jó néhány olyan feltevés is szerepel, melyek annyira maguktól értetődőnek tűntek (tűnnek), hogy ki sem kellett mondani őket. Ahhoz viszont, hogy össze tudjuk hasonlítani a későbbi elméletekkel, érdemes áttekintenünk ezeket az alapelveket.

A leglényegesebb elemeket szem előtt tartva öt premisszában foglalhatjuk össze a klasszikus mechanika modelljeinek jellemzőit.

 1. premissza: A fizikai világ jelenségei abszolút, háromdimenziós euklideszi térben és abszolút, egydimenziós időben írhatók le.

Értelmetlen olyan fizikai folyamatról beszélni, melynek sem térbeli, sem időbeli kiterjedése nincsen. A klasszikus fizika szemléletében ez az abszolút tér és abszolút idő. Az abszolút szóval azt hangsúlyozzuk, hogy a klasszikus fizikában a tér és az idő előre adott a fizikai jelenségek számára, független az anyagtól, amit benne vizsgálunk. A tér a klasszikus fizikában magától értetődően az a tér, melyet Euklidész axiómái meghatároznak.

2. premissza:. Az inerciarendszer olyan vonatkoztatási rendszer, melyben igaz a tehetetlenség törvénye. Az inerciarendszerek egymással mechanikai szempontból egyenrangúak.

Ha egy jelenséget térben és időben vizsgálunk, óhatatlanul szükség van vonatkoztatási rendszerre. Newton első axiómája, a tehetetlenség törvénye jól definiálja a vonatkoztatási rendszerek egy csoportját, az inerciarendszereket. A tehetetlenség törvényéből következik, hogy ha találunk egyetlen B inerciarendszert, akkor bármely B-hez képest egyenletes sebességgel mozgó (vagy nyugvó) rendszer inerciarendszer.

Az inerciarendszerek közötti kapcsolatot az ismert Galilei-transzformáció adja, mely a klasszikus mechanika törvényeit változatlan alakban őrzi meg (invariáns ezekre nézve), ha egyik inerciarendszerből a másikba térünk át. Viszont emiatt az inerciarendszerek mechanikai jelenségek útján nem különböztethetők meg egymástól, a mechanikai jelenségek bármely inerciarendszerben azonos módon írhatók le.

Maga a tehetetlenség törvénye is egy másik axiómát rejt magában. Nevezetesen, hogy a testek tömege állandó, mely elvnek általános megfogalmazása a tömegmegmaradás törvénye. A XIX. században mondják ki a hasonló jelentőségű energiamegmaradás elvét.

 3. premissza: A fizikai jelenségek leírhatók valós, folytonos függvényekkel

A valós függvényanalízis egyidős a newtoni mechanikával. Newton éppen azért alkotta meg a differenciálszámítás elméletét, hogy az így kapott matematikai apparátussal leírhassa a mechanika törvényeit. A valós analízis, melyet a kortárs Leibniz és később mások egyre magasabb szintre fejlesztettek, valóban ragyogóan alkalmasnak bizonyult a természeti jelenségek leírására és általánosan alkalmazott módszerré vált a fizikában.

A fizikai mennyiségek folytonossága magától értetődő alapelv volt a XVII-XVIII. században. Azt hogy az anyag a végtelenségig osztható, már Arisztotelész feltételezte, aztán Descartes tette alapelvévé, akinek filozófiája óriási hatással volt a kor gondolkodására. Így a klasszikus fizikában végül magát az anyagot, de bármilyen fizikai mennyiséget végtelenül kis részekre oszthatjuk. Ennek a folytonosság-elvnek az erőssége okozhatta, hogy a klasszikus fizika nem volt képes befogadni a XVIII. század végén kialakuló, John Dalton nevéhez fűződő atomelméletet. Részben ez vezetett a klasszikus fizikától lényegében teljesen független kémia kialakulásához. Később például a kinetikus gázmodellnél figyelembe vették az atomok létezését, de a statisztikus fizika végtelen kicsinynek tekinti őket, így az összefüggések végül is visszavezetnek a folytonos valós függvényekhez.

 4. premissza: A fizikai rendszerek determinisztikusak, egy zárt rendszer minden állapota egyértelműen meghatározza az időben később következő állapotokat.

Ez is olyan alapelv, melyet kimondatlanul is természetesnek vettek a kor szellemi légkörében. Szerves része a kor tudósai által vallott mechanikus világképnek, amely a természetet egy rendkívül bonyolult gépnek tekinti. Maga a „mechanika” szó latin eredetije közös szótőről származik a géppel illetve gépészettel. Egy fizikai rendszer eszerint olyan mint a gép, ha adott helyzetében adott hatások érik, a ok-okozati összefüggések (mint az összekapcsolódó fogaskerekek) szigorúan és egyértelműen meghatározzák, mi fog történni. Így elvileg minden fiktív fizikai esemény besorolható a biztos és lehetetlen kategóriák valamelyikébe.

 5. premissza: A fizikai mennyiségek kísérletileg elvileg végtelen pontosan meghatározhatók. A pontosságnak csak technikai akadályai vannak.

Ez a premissza elsőre inkább a kísérleti, mint az elméleti fizika tárgykörébe tartozónak tűnik, de mégis fontos elméleti következményei vannak. Ha a fizikai mennyiségek tetszőleges pontossággal meghatározhatók, akkor a 4. premissza miatt (és a 3. premissza matematikai következményeiből) elméletileg tetszőleges pontossággal megjósolható egy mennyiség jövőbeli értéke. Laplace így fogalmazza meg a következményeket: „Az olyan értelem, mely egy bizonyos pillanatban a természet összes erőit és az azt összetevő egységek helyzetét ismerné, (…) egyazon képletbe foglalhatná a világ legnagyobb testének és legkönnyebb atomjának mozgását. ”

 A klasszikus fizika sikere és kudarca 

Ez az az alap, amire a XVIII-XIX. század fizikája építkezik. Az elméleti fizika lelki szemei előtt egy mechanikus fizikai világ lebeg, melynek viselkedését a megszokott matematikai módszerekkel tökéletesen le lehet írni. A XVIII. században még kétségkívül a mechanikáé a főszerep, de elkezdődik a más jellegű fizikai jelenségek, mint az elektromosság vagy a hőjelenségek leírása. A XIX. századra az összegzés jellemző. A Joule és Mayer munkássága által megalapozott energiamegmaradás elvét a termodinamika törvényei követték. Maxwell pedig a newtonihoz hasonló súlyú elméletet hozott létre, amikor négy egyenletben összegezte az elektromosság és mágnesesség törvényeit.

A klasszikus fizika sikertörténete töretlennek látszott. A századfordulón úgy tűnt, lényegében sikerült megmagyarázni valamennyi természeti törvényt, már csak apró hiányosságok maradtak. Hamarosan kiderült, hogy az apró hiányosságok valójában óriási hézagok, melyet a klasszikus fizika már nem képes betölteni. A XX. század aztán fordulatot hozott, egészen új fizikát, amely alapjaiban rengette meg Newton rendszerét.

A klasszikus fizika azonban nem vesztette érvényességét, továbbra is használjuk, hiszen képes kielégítő magyarázatot adni szinte az összes jelenségre, ami a mindennapi gyakorlatban felmerül. A mérnöki gyakorlat ma is túlnyomó részben a klasszikus modelleket alkalmazza. A modern fizikai elméletek nem érvénytelenítették a klasszikus fizikát, csupán megmutatták határait, és azt, hogy hogyan léphetünk túl ezeken a határokon. Erről lesz szó a következő cikkekben.