A varázserő hatványozása – Irodalmi fizika középhaladóknak

Küzdelem az Entrópiával 36

36

Daniel Kehlmann: Mahlers Zeit

(Suhrkamp, 1999)

Tom Stoppard: Árkádia

(Európa Könyvkiadó, 1995, fordította Várady Szabolcs)

Reménytelenül elkeseredett küzdelemről lesz szó. A magyar olvasót ez nem lepheti meg, hiszen Madách mindnyájunk kötelező olvasmánya. Az Embertörténet nála az eszkimó színnel zárul, a kihűlő Napból elmaradó hőáram a jegesnél is hidegebb űrbe, az űrhalál felé taszítja a Földet és az Embert. Ádám nem kaphat kibúvót a Teremtő által mozgásba lendített természettörvény alól, az csak bizakodásra és szüntelen küzdelemre szólítja fel, s talán maga is érdeklődéssel várja, hogy megváltoztatható-e ezáltal a kezdeti feltételekkel (az eredendő bűnnel) determinált végzet.

Közvetlen bizonyíték nincs arra, hogy Madách ismerte volna Lord Kelvin 1850-es felvetését a Világegyetem ,,hőhalálba” torkolló végállapotára vonatkozóan. Mégis, néhai Toró Tibor temesvári fizikus kollégánk némely korabeli hőtani könyveknek az író könyvtárában való fellelhetősége alapján joggal feltételezte, hogy Madách annak legalább népszerű megfogalmazását ismerhette.

Madách Imre és a megfagyó Föld ábrázolása Kass János illusztrációján

Az eltelt több mint 150 év sok új ismeretet adott az entrópia-törvényről és a Világegyetem sorsát alakító folyamatokról is. Az 1870-es években Boltzmann statisztikus mechanikai megalapozása a rendeződési és a rendet szétziláló tendenciák harcából eredeztette az entrópiatörvényt, amelynek összekapcsolhatóságát a mechanika időtükrözésre érzéketlen (szimmetrikus) törvényeivel már kortársai is ádázul vitatták. A fizikában, a környezetüktől elszigetelt rendszerekben az entrópia változási iránya lett az idő irányát kijelölő alapelv. Ám messze nem egyértelmű, hogy Univerzumunk termikusan szigetelt rendszer-e. Érthető tehát, hogy az idő múlásával folytatott reménytelen, de fel nem adható küzdelem egyformán izgalmas témákat kínál a modern világirodalomnak és a modern fizikának is. A rendet megalkotó Teremtő és a rendet romboló Entrópia a Világegyetem sorsáról döntő nagybetűs ellenfelek.

Az Univerzum jelenlegi, egyirányúnak tűnő, gyorsuló ütemű tágulása a ,,hideg kozmikus magány” végállapotát sugallja, Madách szkeptikus látomását a gravitáció uralma alól való kitörés lehetetlenségéről immár tudományosan is megerősítve. Rímel erre a megállapításra a Daniel Kehlmann alább bemutatandó regényét záró monológ, amely az entrópiatörvény kikerülését célzó nem szűnő próbálkozások eredetére ajánl magyarázatot.

,,Nézze csak, hamarosan láthatók lesznek a csillagképek. Mint Ön is pontosan tudja, ezek nem képek, semmi közük nincs hozzánk… És mindig újra találkozom emberekkel, akik ezt képtelenek elfogadni. Inkább szeretik magukat üldözöttnek és megtámadottnak érezni, semmint egy közömbösen hideg világ vegye őket körül.

Mindig megkérdezem magamtól, hogy miért újra és újra a második főtétellel jönnek. Talán azért, mert az előírja számunkra és minden, akár csak elképzelhető dolognak is a halált. Ennek érvényét elkerülni… nem lenne kis teljesítmény. De ez lehetetlen, ha valami biztos, akkor ez az. Sajnos.”

Daniel Kehlmann (Valuska Gábor felvétele) és ,,Mahler-idő” című regényének borítója

Daniel Kehlmann, a német nyelvű irodalom legnagyobb tehetségei egyikének számító író, második művét, a ,,Mahler-idő” (Mahlers Zeit) című regényt, amelyből a fenti idézetet vettem, 1999-ben írta. David Mahler fizikus története az idő irányát kijelölő törvény cáfolatának megkísértése. Kehlmann hőse az idő kérlelhetetlen egyirányúságát elmosó, az események bekövetkezésének időpontját ,,életlenné” változtató matematikai-technikai eljárást keres. Makacs törekvésének kiváltó okát, majd a teljes kudarccal végződő próbálkozást kísérő lelki folyamatokat nem fizikai képletekkel meséli el az író, de a mű teljes értékű befogadásához az alapvető fizikai jártasság legalábbis erősen ajánlható.

Sir Thomas Stoppard

Tom Stoppard világsikert aratott, 1992-ben írt színdarabjában, az Árkádiá ban a XIX. század elején zajló események rekonstrukciójával foglalatoskodó jelenkori történészek az eredeti szereplőkkel váltogatják egymást a színen. Az író idősíkok bravúros cseréjével, időnkénti egybeolvasztásával példát mutat a tudománytörténeti időirány művészi elmoshatóságára. Az entrópiatörvény felfedezéstörténetének egy lehetséges változatát ismerjük meg, és feltehetjük a kérdést: összerendezhetők-e a nagy tudományos felfedezések egyetlen, többé-kevésbé lineáris eseménysorba?

Stoppard színművének főalakja, Thomasina Coverly nem tragikus hős, nem igyekszik rögeszmésen felfedezni bármit, a hétköznapi folyamatokból, mondjuk a málnadzsem elkeveredésének megfigyeléséből levont következtetései ösztönösek. Tehetsége abban mutatkozik meg, hogy ráérez a valódi jelenségek és a newtoni mechanika törvényeivel szabályozott matematikai képük ellentmondásaira. A fiatal lány ígéretes életét kegyetlenül megszakító tűzhalál arra ösztönzi nevelőjét, hogy remeteként elvonulva, élete végéig küzdjön Carnot és Fourier hőtanának ,,romlott francia” logikájával, és megpróbálja a hőtant összhangba hozni a ,,jó angol matematikával”, azaz Newton tanításával. Septimus Hodge, a nevelő küzdelme, amint Mahler docensé is, teljes kudarccal végződik. A teljes megsemmisülés, a halál tesz pontot erőfeszítéseik végére. Bizakodásra tehát sem Stoppard, sem Kehlmann nem talál a Madáchénál jobb okot, azaz a küzdelem tovább folytatódik.

1. intermezzo: a nagy ellentmondás

Az entrópiáról szól az egyetlen olyan fizikai természettörvény, amely nem értelmezhető a mechanika valamilyen általánosításaként. Pedig az elektromágneses sugárzástól az elemi részek természetét leíró Standard Modellig a természet legalapvetőbb törvényeit mind sikerült mechanikai formába önteni.

Ez a kijelentés meghökkentheti mindazokat, akik a ,,mechanika” szóhoz valamilyen fogaskerekes-csigás gépszerkezetet társítanak (netán még elbújik tudatukban a ,,mechanikus materialista” minősítés néhány évtizeden át elterjedt, lekicsinylő, gúnyos használata). A valóság az, hogy a mechanikai mozgásra megfogalmazott, Newton törvényeivel egyenrangúan alkalmazható ,,hatáselv” mintát jelent az összes elemi kölcsönhatás elméleti tárgyalására. A mechanikában az úgynevezett hatásfüggvény értéke a tömegpont által a kezdeti és a végső helyzet között határozott időrendben bejárt útvonal ismeretében számolható ki. A megvalósuló pálya adataival kiszámítva a hatásfüggvény szélsőértéket vesz fel. Egy kölcsönhatás törvényszerűségeit akkor tartjuk mechanikai formájúnak, ha az abban szereplő dinamikai változókhoz (amelyeket általánosított koordinátáknak szokás nevezni) és azok változási sebességeihez megkonstruálható a szélsőértékre vadászó eljárás alkalmazását lehetővé tévő általánosított hatásfüggvény. Ha ez sikerül, akkor a klasszikus mechanikai mozgást a kvantummechanika tartományába kiterjesztő szabályok mintájára a vizsgált dinamikai rendszer kvantumelmélete is megszerkeszthető. Az elektromágneses, a gyenge és az erős kölcsönhatásokra ezt az utat sikeresen bejárta a tudomány. A gravitációs kölcsönhatás hatásfüggvényét David Hilbert konstruálta meg nem sokkal az általános relativitáselmélet közzététele után, ám ez az elmélet egyelőre ellenáll a kvantumgravitáció irányában történő kiterjesztési kísérleteknek.

A mechanikai minta többé-kevésbé tudatos, inkább intuitív, mint matematikailag letisztult alkalmazása (,,másolása”) ad magyarázatot arra, hogy miért is tudták a XIX. század első felében a fény hullámtermészetét az elektromágnesség helyes elméletének ismerete nélkül is felderíteni: Youngtól Fizeau-ig, a kor tudósai a fény hullámviselkedését bizonyító összes perdöntő kísérlet megtervezésére a vízben vagy a rugalmas anyagban fellépő, körkörös hullámként terjedő zavar hasonlatát használták. Nem véletlen az sem, hogy Maxwell az elektromágneses hullámokat egy speciális rugalmas közegben, az éterben terjedő hullámként képzelte el. A mechanikai mozgás szemléletének hasznossága a kémia területén is hasznot hozott: például az atommag körül mozgó elektron lehetséges kvantumpályáit megfogalmazó szabályok tálcán kínálták a kémiai jelenségek tárgyalásának kiindulópontját jelentő Mengyelejev-féle periódusos rendszer értelmezését.

Az elemi kölcsönhatások törvényei, csakúgy, mint Newton mintát adó törvényei, időtől függetlenek: matematikai alakjuk változatlan a vonatkoztatási rendszer időpontokat és térbeli helykoordinátákat keverő áthelyezésére, a Lorentz-transzformációra. Einstein ezt a változatlanságot emelte az összes természeti jelenségre érvényes törvény rangjára. A kozmológiától az elemi részek fizikájáig csak olyan elméleti leírás jogosult, amely a téridő koordinátahálózatának tetszőleges megválasztására változatlan (invariáns) alakú egyenletekre vezet.

Az entrópia különállásának kulcsmomentuma az, hogy megalapozza az elszigetelt rendszerekben zajló természeti jelenségek egyirányú változási tendenciáját a magasabb szervezettségű állapottól a szervezetlenebb felé. Ez az utca ,,egyirányú”, a fejlődés megfordíthatatlan (irreverzibilis), amely nem következik a mechanikai mozgás newtoni elveiből. Az egyirányúság statisztikus mechanikai megalapozására a 2. intermezzóban még visszatérünk.

A két izgalmas kortárs irodalmi alkotás jól példázza azt a reménytelenségében is feladhatatlan párviadalt, amelyet a komplex létezési formák felbomlását kikerülhetetlenné tevő Entrópia-törvény és az Ember vív egymással.

Newton törvényeinek vidám bukása Árkádiában

1809-et írunk. Egy 13 éves angol arisztokrata kisasszony, Thomasina Coverly a következőképpen tudakolja Cambridge-ben tanult nevelőjétől, Septimus Hodge-tól Isten viszonyát minden mozgás abszolút törvényéhez:

Thomasina: Mit gondol, Septimus, Isten hisz Newtonban? […] Hogy newtoniánus-e? […] Ha az ember meg tudna állítani minden egyes atomot, és az elméje képes lenne felfogni, hogy melyik merre tartott, és hol van éppen, akkor, ha jó, ha igazán jó algebrából, le tudná írni az egész jövőnek a képletét; noha senki sem lehet olyan okos, hogy erre képes legyen, a képletnek akkor is éppúgy léteznie kell. (Kiemelés – P. A.)

Az időkorlát nélkül alkalmazható világképlet létezése mindmáig a fizikusok kék madara. Ám ha időtlenek a törvények, akkor az általuk szabályozott jelenségeket a ,,koordinátáktól” (azaz az időtől és tértől) függetlenül is tárgyalni lehet. Az idő eltűnik a világból, ezért aztán vélelmezhető, hogy kizárólag a jelenségeket észlelő szubjektum állítja idősorba a történéseket.

Szélsőséges példája az idő kiiktatásának a kvantumfizika egyik meghatározó kutatási irányzata, az elemi részecskék ütközési folyamatainak tanulmányozása, amely a tárgyalás során le is mond az időfejlődésnek akár csak durva léptékű követéséről is. Kizárólag azt a kérdést teszi fel, hogy adott kezdeti állapotból (ezt az időparaméternek a végtelen távoli múltbeli értékével társítja) milyen állapotok alakulhatnak ki, és mekkora valószínűséggel addigra, amikorra az időparaméter értéke a végtelen távoli jövőbe jut. Heisenberg szerint azt kérdezni, hogy mi is történt közben, értelmetlen.

Az időtranszformációk között speciális helyet foglal el az idő irányának ellenkezőjére változtatása, az időtükrözés. Sem Newton, sem Maxwell egyenletei nem különböztetik meg az időparaméter megfordításával egymást fordítva követő eseménysorokat, egyaránt létrejöhet mindkettő. Itt azonban a fizika szembeütközik a valósággal, hiszen fizikai ismeretek nélkül is bárki tudja, hogy hétköznapi világunkban ez a szimmetria nem érvényes.

Így Thomasina is felismeri, hogy a málnadzsemes tejberizs szembeszáll a Newton rizsporos parókája alatt született bölcsességgel:

Thomasina: Septimus, ha az ember megkavarja a tejberizst, a kanál dzsem körkörös piros csíkokban szétterjed; olyan, mint egy meteor képe a csillagászati atlaszomban. De ha visszafelé kavarja, a dzsem nem áll össze ismét. Sőt, a tejberizs rá se hederít, és ugyanúgy színeződik tovább rózsaszínűre, mint addig. Nem gondolja, hogy ez különös?

Septimus: A Ahhoz az időnek kellene visszafelé folynia, de mivel nem fog, kénytelenek vagyunk előrefelé kavarni, és közben vegyíteni, amíg a rózsaszín nem lesz teljes és megváltozhatatlan, és akkor végeztünk vele egyszer s mindenkorra.

Tom Stoppard történetének két XIX. századi hőse a történet előrehaladása során a XX. század végén élő utódaikkal váltakozva tűnik fel életük közös helyszínén, a Coverly-kastélyban. A XX. század múltkutató szenvedélyét megjelenítő Hannah Jarvis írónő a kastély könyvtárában hátramaradt iratok alapján szeretné kideríteni a XIX. század első felében, a kastély parkjában élt remete kilétét. Eleinte a kétszáz évvel ezelőtti amatőr természetkutatók és az ő könyvtárban hátrahagyott irataikat értelmezni igyekvő mai történészek egymástól függetlenül élik világukat az idő két távoli síkjában.

Kutatásához Hannah időről időre segítségül hívja a kastély jelenlegi urának, Valentine Coverlynek informatikai és fizikai ismereteit. Már a kutakodásai kiindulásaként talált feljegyzés sem értelmezhető bölcsészműveltséggel:

Hannah (visszakéri a levelet, felolvas belőle) : ,,Az elmeháborodott remete testamentumot hagyott, amelyben óva int az elfranciásodott matematikától, mert az indította arra a búskomor meggyőződésre, hogy eljön a fény és élet nélküli világ… mintha fából készítenénk kályhát, s az önmagát emésztené fel, mígnem hamu és fa eggyé válik, és a hő eltűnik a földről.”

Valentine: Ennyi?

Hannah (bólint) : Van benne valami?

Valentine: Miben? Hogy mindnyájunk sorsa meg van pecsételve? (Könnyedén) Ó, igen, persze […] ezt úgy hívják, hogy a termodinamika második főtétele.

Hannah: Ezt akkor már ismerték?

Valentine: Költők és elmeháborodottak időtlen idők óta.

Hannah: De komolyan.

Valentine: Nem ismerték.

Hannah: Lehet valami köze… tudod, Thomasina felfedezéséhez?

Valentine: Nem fedezett fel semmit.

Valentine azért elutasító kezdetben Thomasina kutatói értékeit illetően, mert ismeri a ,,hivatalos” tudománytörténetet: az entrópia fogalmát 1858-ban Rudolf Clausius vezette be a rendszer és környezete közötti hőátadás jellemzésére. Ugyanő mondta ki a termodinamika második főtételét, amely megállapítja, hogy a környezetüktől energetikailag elzárt rendszerekben bekövetkező természeti folyamatokban az entrópia mennyisége nem csökkenhet. Õ értelmezte az univerzális kiegyenlítődéssel létrejövő entrópiamaximumot ,,a világegyetem hőhalálaként”, nem pedig fél évszázaddal korábban egy serdülő lányka elemi ismereteinek megtanítására felfogadott nevelő egy eldugott angol udvarházban, netán az annak parkjában meghúzódó remete.

Azonban Stoppard is jártas a tudománytörténetben, és tud Joseph Fourier-ről, Napoléon császár tudós hivatalnokáról, Isère megye egykori prefektusáról. Fourier 1804 és 1807 között, hivatalnoki elfoglaltságai mellett is talált időt hővezetési elmélete kidolgozására. Egyenletét, amely leírja a melegebb és a hidegebb hely között hőáramlás révén megvalósuló hőmérsékleti kiegyenlítődést, 1811-ben a Francia Akadémia díjjal jutalmazta. Miért ne kerülhetett volna dolgozata 1812-ben az addigra 16. évét betöltő Thomasina kezébe? Az immár inkább a báli keringőzés iránt érdeklődő nagylányt ugyan jobban izgatja az épp odalátogató Lord Byron, de a Fourier-tanulmány hatására visszatér lelkesedése a tudomány iránt.

Thomasina és Septimus Joseph Fourier (1768–1830) hővezetési egyenletét tanulmányozza a Royal National Theatre 1993-as előadásán

Thomasina: Mi az a könyv magánál?

Septimus: A párizsi Tudományos Akadémia pályadíjas esszéje. A szerző érdemes az érdeklődésére, kisasszony, mivel maga az ő prófétája.

Thomasina: Én? Miről ír? A keringőről?

Septimus: Igen. Bemutatja annak egyenletét, hogyan terjed a hő szilárd testekben. De közben eretnekségre bukkan […] természetes ellentmondást fedez föl Newtonnál.

Thomasina: Szembeszáll a determinizmussal?

Septimus: Nem… azaz talán. Kimutatja, hogy az atomok nem Newton szerint mozognak.

Thomasina (érdeklődése a rá jellemző szeszélyességgel irányt vált) : Hadd nézzem… ó! Mutassa, honnan olvassam!

Thomasina elvette a könyvet, és már bele is merült. A csönd hallhatóvá teszi a gőzgép távoli szabályos zakatolását

Thomasina: Tessék! Ahogy mondtam! A newtoni gépezet, amely bölcsőtől a koporsóig lökdösné atomjainkat a mozgás törvényei szerint, nem tökéletes! A determinizmus lépten-nyomon kibicsaklik, mindig is tudtam, és igen valószínű, hogy az ok ott rejlik ennek az úriembernek a megfigyelésében.

A csöndben hallani a gőzgép távoli zakatolását

James Watt Newcomen hőerőgépe

A gőzgép! Nem véletlen kétszeri említése, hiszen az ipari forradalom kiteljesedésének éveiben vagyunk. James Watt, egy 27 éves műszerész 1763-ban megjavította a glasgow-i egyetem Newcomen-féle gőzszivattyúját (Newcomen 1712-ben konstruálta, és bányavíz szivattyúzására használták, lásd Watt képét és a gépet az ábrán). Watt megtanulta barátjától, az egyetem tanárától, azt az akkor friss felfedezést, hogy a gőz lecsapódása hőfelszabadulással is jár (látens hő), amelyet az addig használt gépek hagynak elszállni. Watt a gőz lecsapatását ezért egy különálló tartályban végezte el, amivel óriásit javított a hasznos munkává alakított hő arányán, más szóval a hőerőgépek hatásfokán. Thomasina környezetében természetes módon jelenhet meg egyik ,,kulcsszereplőként” a Newcomen-gép, amelyet a kertépítész, Mr. Noakes használ az udvarház úrnője, Lady Croom kertjének újjávarázslásához.

Lady Croom: Hallja ezt, Noakes úr?

Noakes (elégedetten és büszkén) : A továbbfejlesztett Newcomen-féle gőzszivattyú… Angliában az egyetlen.

Thomasina: Noakes úr… rossz hírek Párizsból!

Noakes: Napóleon császárról?

Thomasina: Nem. ( Letépi a lapot rajztömbjéről, rajta van a ,,diagramja” ) A maga gőzgépéről van szó. Fejlesztheti, ahogyan akarja, soha nem fogja kivenni belőle, amit beletesz. Legfeljebb tizenegy pennyt ad vissza a shillingből. A maradék penny ennek a szerzőnek jár a gondolatáért.

Septimus most visszaveszi a könyvét Thomasinától. Lapozgat benne, és közben tovább tanulmányozza Thomasina diagramját

Septimus: Miért jelenti ez azt, hogy Noakes úr gépe tizenegy pennyt fizet shillingenként? Hol mondja ezt?

Thomasina: Sehol. Csak mellesleg figyeltem fel rá. Már nem emlékszem.

Septimus: Az esszé nem is foglalkozik determinizmussal.

Thomasina: Newton egyenletei mennek előre-hátra az időben, nem törődnek az idővel. De a hőegyenlet nagyon is törődik vele, csak egy irányba megy. Ezért van, hogy Noakes úr gépe nem adhat annyi energiát, hogy meghajtsa Noakes úr gépét.

Septimus: Ezt mindenki tudja.

Thomasina: Igen, Septimus, a gépekről tudják! (Kiemelés – P. A.)

Septimus: Legyen az e heti fogalmazás ennek a görbének a kifejtése.

Thomasina: Nem megy. Nem tudom hozzá a matematikát.

A szükséges matematikát 1823-ban egy francia fiatalember alkalmazta a periodikus üzemű hőerőgépek állapotváltozásainak leírására. Sadi Carnot rajzolt először olyan diagramot, amelyet Thomasina vázol fel, és ő ki is számolta a róla elnevezett Carnot-ciklus során a gép által környezetén végzett munka és a gép mozgatására befektetett hő arányát (lásd a körfolyamat diagramját az ábrán). Kimutatta, hogy ez a hő soha nem alakulhat 100%-ban munkává, amit Stoppard Thomasinája angol gyakorlatiassággal pénzben tett köznapi gondolkodásunk számára felfoghatóvá. A mechanikai megközelítés uralkodó voltának példázataként Carnot helytelenül okoskodva, egy hamis mechanikai (!) analógia segítségével találta meg a helyes eredményt. Az ,,alapos német matematika” használatával Clausius csak további negyedszázad múlva jutott el a helyes megfogalmazásra, amikorra a sokféle munkavégző képesség meg a hő az energia fogalmában egységesült.

A Carnot-ciklus

A színdarab végkifejletében Hannah és Valentine meggyőzik magukat és a nézőt, hogy Thomasina kétség kívül néhány évtizeddel megelőzte kora természettudományát. A tudománytörténet előtti ismeretlenségének magyarázatát tragikusan korai halála adja. Aprólékos adatgyűjtögetéssel Hannah bebizonyítja, hogy az őt gyászoló Septimus vonult el remeteként, és élete végéig fáradhatatlanul igyekezett megcáfolni a ,,francia matematika”, azaz Fourier és Carnot tanainak következményét, a Világegyetem egyes tartományai hőmérsékletének végső kiegyenlítődését. Frivol és kegyetlen, hogy Stoppard betű szerint ,,hőhalálnak” halálával veszejti el Thomasinát.

Az operai lendületű zárójelenetben a Hannah–Valentine és a Thomasina–Septimus páros egyszerre van jelen a színpadon, a két idősík összeolvad. Stoppard igazi operai ,,grand final”-t vezényel: Hannah tanulja Valentine-tól a termodinamika alaptörvényeit, amelyek következményeit ugyanazon jelenetben a születésnapjára készülő Thomasina magyarázza Septimusnak. Septimus végszavaz Valentine-nak, s Thomasina vonja le a végső ,,tanulságot”. Az idő iránya a színpadon bizonytalanná válik, a kortársakká vált szereplők egymásnak válaszolva váltanak ki katarzist a nézőben. Stoppard reményt keltően pozitív választ ad az idő visszafordíthatóságának problémájára. Persze az irodalmi válasz nem alkalmazható a fizikában! Stoppard, mint alább olvasható, ezt el is ismeri.

Valentine (Hannah-hoz) : Megvan.

Az asztalhoz megy, kotorászik a papírok, könyvek immár jókora zűrzavarában, […] megtalálja, amit keresett – a ,,diagramot”. Ezalatt Septimus is tanulmányozza a diagramot

Valentine: Hő.

Hannah: Beszívtál, Valentine?

Valentine: Ez egy hőcserediagram.

Septimus: Szóval pusztulásra vagyunk ítélve!

Thomasina (vidáman) : Igen.

Valentine: Mint egy hőerőgép, látod… a matematikáról fogalma sem volt. Úgy látta a dolgok jelentését, jócskán előreszaladva, ahogy képet néz az ember.

Septimus: Ez nem tudomány. Ez mesemondás.

Valentine: Mint egy filmet.

Hannah: Mit látott?

Valentine: Hogy visszafelé nem tudod lejátszani a filmet. A hő volt az első dolog, ami nem így működött. Nem Newton szerint. Egy inga vagy egy levegőben eső labda filmje… visszafelé ugyanolyan. […] Ha a labda betör egy ablakot […] nincs visszaút.

Hannah: Ki gondolta, hogy van?

Valentine: Õ rájött, hogy miért. Az üvegdarabokat vissza tudod rakni, de a törésnek a hőjét nem tudod összeszedni . Az elillant. (Kiemelés – P. A.)

Septimus: Szóval a Továbbfejlesztett Newton-féle Világegyetem óhatatlanul megszűnik és kihűl. Hajaj.

Valentine: A hő elmegy a keverékbe. És minden összekeveredik, visszafordíthatatlanul, amíg az idő el nem fogy. Az idő ezt jelenti.

Septimus: Mire megtaláltuk az összes jelentést, és elvesztettük az összes titkot, addigra egyedül leszünk az üres parton.

Thomasina: Akkor majd táncolunk. Ez keringő?

A Hőhalál-keringő egy amerikai előadáson

Ez a világvége oly költői, hogy fejcsóválva kétkedünk, létezhet-e egyáltalán irodalmi érzék híján lévő oktatási miniszter, akinek agyán akárcsak átfut a fizika középiskolai óraszámának csökkentése? Ugye elképzelhetetlen, hogy a diákokat – fizikai műveletlenségre kárhoztatva – megfosszák Stoppard legjobb színpadi művének élvezetétől? Annál inkább el tudunk képzelni egy irodalmi érettségi bizottságot, amely a következő esszétémát tűzi ki: ,,Az előre nem látható és az eleve elrendelt összjátéka az Árkádia című színműben.” 37

Javíthatóak-e a rosszul sikerült természettörvények?

Valamelyik német kisváros egyetemén akár ma is találkozhatunk a német irodalom ,,csodagyerekeként” számon tartott Daniel Kehlmann második regényének hősével, David Mahlerrel, a középkorú, állandóan izzadó, pocakot eresztett, a napi tanítási rutintól elfásult fizikus docenssel. Õ az entrópiatétel cáfolatára tette fel kutatói sorsát.

2. intermezzo: rend és rendezetlenség

A mai fizikus számára az entrópia növekedése már nem valamiféle különös, Carnot által még létezőnek vélt ,,hőfluidum” sajátos mozgástörvényének a következménye. Ludwig Boltzmann 1872-ben olyan közel vitte a termodinamikát a mechanikához, amennyire az csak lehetséges: megalkotta a statisztikus mechanikát. Atompárti állásponttal feltételezte, hogy az emberi léptékű tárgyakat felfoghatatlanul sok mikroszkopikus rész alkotja. Egyedi mozgásuk követhetetlen, amit érzékelünk, az mozgásuk valamilyen statisztikailag átlagolt tulajdonsága. A hőmérséklet nem más, mint a mikroszkopikus alkotórészek átlagos mozgási energiájának mértéke.

Honnét ered akkor a gázatomok mozgásának Newton törvényeivel való követhetetlensége? Thomasina szavaival, létezik-e az atomok mozgását tökéletes pontossággal követni képes képlet? Ha van ilyen képlet, akkor Poincaré tétele a rendszer visszatérését állítja kiinduló állapotának tetszőlegesen szoros közelébe véges (bár esetleg iszonyú hosszú) idő elteltével. Ez esetben az időfejlődés önmagába visszatér. Elegendő hosszú eseménysort kivárva tehát kiderül, hogy az időnek nincs iránya. Boltzmann elképzelésének a Poincaré-tételre alapozott egyik legélesebb kritikáját Zermelo, Planck doktorandusza fogalmazta meg.

Végül éppen Planck jutott el a ,,molekuláris káosz” fogalmához, amely a mechanikai rendszerek Newtontól kidolgozott állapotleírásától eltérő, a mechanikai mozgásegyenletek szokásos megoldási sémájába nem beilleszthető előfeltevést fogalmaz meg a statisztikus mechanikai tárgyalásban. Eszerint az összes mikroállapot, amely ugyanazt a termodinamikai makroállapotot (hőmérséklet, nyomás, sűrűség) valósítja meg, teljesen azonos valószínűséggel tekintendő az atomi szintű mozgás kezdő állapotának. Környezetüktől elszigetelt, zárt rendszereknek a ,,molekuláris káosz” állapotából induló mozgásseregére viszont megalkotható egy olyan statisztikai mennyiség, amely csak nőhet az időfejlődés során. Ezt az úgynevezett h-függvényt kapcsolta Boltzmann az entrópiához.

Az entrópia tehát a vizsgált rendszer állapotára vonatkozó biztos (egyetlen állapotot egyértelműen azonosítani képes) információ hiányának mértékét tükröző mennyiség. Minél többet tudunk a rendszerről, azaz minél inkább egyértelműen megadható egy makroszkopikus állapotot létrehozó alkotórészek mikroállapota is, annál kisebb az entrópia. Az entrópia növekedési tendenciája úgy is átfogalmazható, hogy az idő haladásával a rendszer állapotát egyértelműsítő információk elvesznek. 38

Mahler nem fogadja el az információvesztést az idő iránykijelölő tendenciájaként, az információt ,,eltulajdonító” hatás megkeresését tűzi ki céljául. Feltételezi, hogy ez a hatás kiküszöbölhető, azaz az idő megkerülhető. Modernebb megfogalmazásban visszhangozza Thomasina felismerését: 39

,,A fizika nem ismeri az időt. Az igazit, a visszatérést nem ismerőt, amely a múltból a jövőbe irányul. Illetve, kizárólag egyetlen megfogalmazásban, mégis. A termodinamika második főtétele. Az azt mondja, hogy a rendezetlenségnek nőnie kell. Ebben a főtételben van az egyetlen kapcsolat a dolgok és az idő között. Ha ezt érvényteleníteni lehetne…”

Mahlert Thomasinától eltérően nem a ráismeréssel járó kíváncsi izgalom, sokkal inkább egyre fokozódó lelki szembenállás tölti el a történések végkifejletei közötti szabad választás lehetőségét meghiúsító, a történeteket kizárólag az entrópiát maximalizáló végponthoz irányító természettörvénnyel szembesülve. Hiába visszhangozza az Árkádia hőseinek gondolatait, ő a törvényszerűségek felismerését nem élvezi, hanem lázad ellenük.

,,Az egyik (esemény) korábban, a másik később következik, egyszerűen azért, mert az első valószínűsége nagyobb. A rendezetlenség növekedése feszíti ki az időt, és meghatározza az irányát. Mert nem egyszerűen változás történik, hanem irányított változás. Ezért egyetlen óra sem tér vissza, minden egyes óra újabb világállapotot hoz magával, amelyben a rendezetlenség nagyobb, mint a végtelenbe vesző egykori induláskor volt. Ezért mindig van kezdet, és mindig van vég. Entrópia: ez a halál a fizika nyelvére lefordítva.

De ne feledjük az entrópiatörvény statisztikus természetét. A gáz váratlanul összehúzódhat. Egy csöbör hideg víz hirtelen felforrhat. A kártyák rendeződhetnek és egy majom megírhatja a Summa Theologicae t. 40 Mindezeknek a valószínűség törvénye mond ellent és kizárólag az. Tényleg olyannyira leküzdhetetlen ez a tilalom? Honnét ered a Természet rabszolga belenyugvása ebbe az előírásba? Miért ez a sietős és néha meglepően önfeladó engedelmesség? Mintha létezne valamiféle szolgasereg, amely mindig beavatkozik, ha a szabályok érvényesítése vagy a leleplezésük elleni védelem azt szükségessé teszi. Mintha valakik felügyelnék az idő előrehaladását és a halál meglágyíthatatlanságát.”

Kehlmann a kutató mindennapos küzdelmének egy nagyon fontos mozzanatát ragadja meg. Az évekig zsákutcába, félsikerre vezető munka során az akadályok (a sikertelen kísérletek eszközei vagy a megbicsakló bizonyítások logikai zátonyai) egyre személyesebb ismerősökké válnak, már-már egy összeesküvés résztvevőivé, akik (így!, személyként) megakadályozzák a karnyújtásnyira levő siker elérését. A legtöbb kutató elegendő fegyelemmel, ironikus önreflexióval távolságot tud tartani démonaitól.

Mahler azonban nem egyszerűen egy zsákutcába jutott kutató. Rémálmaiban rendszeresen megjelenik húga, aki kislányként szörnyű balesetben a szeme láttára halt meg. A húg visszatérésének lehetősége, a halál visszafordíthatóságának eszelőssé váló keresése megdöbbentő hasonlóságot idéz elő Mahler sorsa és Thomasina beteljesületlen szerelme tárgyának, Septimusnak a visszafordíthatatlanság legyőzésére irányuló hiábavaló erőfeszítései között. Ami Stoppardnál a történet utóhangja, az Kehlmann számára a fő kérdés.

Mahler a történet során egyre többször, több oldalról érzékeli az információtolvaj ellenfél ,,aknamunkáját”. A természetet alkotott szerkezetként kezeli, amelynek törvényei manipulálhatók, időlegesen felfüggeszthetők. Az ellentmondásmentes hálózatot alkotó törvények általa feltételezett hiányát a kvantumos viselkedés részecske-hullám kettősségével igyekszik megvilágítani tanítványainak.

,,Önök tudják, hogy az elektron a rá vonatkozó kérdéstől függően mutatkozik más-más természetűnek. Az a kísérlet, amely a hullámtermészetet igyekszik ellenőrizni, a hullámtermészetet észleli; a részecskejelleget alátámasztó kísérlet pedig arra talál bizonyítékot. A kettő kizárni látszik egymást, ám mégis együtt léteznek. Szokásosan abból a feltevésből indulunk ki, hogy ezek az alternatívák összeférnek, egy harmadik, magasabb szempontú, még ismeretlen megközelítésben ösz- szeegyeztethetőek. Ez szép lenne! De mi a helyzet […] ha ez nincs így?…

Mi van, ha a két kísérlet eredménye tényleg ellentmondásban van, és nincs semmi, ami az ellentmondást feloldaná? Akkor biztonságérzetünk ugyancsak megcsappanna a világban. Talán létezhet egy angyalcsapat, nevezhetik világtendenciának is, amelynek az a szerepe, hogy megakadályozza a szabályok széttöredezését, a hiba felfedezését. Mert higgyék el, a Teremtésben hiba történt. Az Isten számol… és néha rosszul. ” (Kiemelés – P. A.)

Mahlerrel a szerző elsőként Einstein gondolatmenetét foglaltatja össze. Ám az ellentmondás nélküli természetleírás Einstein–Bohm-féle rejtett paraméteres elmélete helyett Mahler egy abszolút pesszimista alternatív konklúzióra jut: lehet, hogy nincs is a jelenségeknek egységes koherens értelmezése, lehet, hogy a dolgok lényegüknél fogva ellentmondásosak és ezért megérthetetlenek. A főbűnös a hibásan számoló Isten, aki tehát nem kockadobással dönt a világ menetéről, hanem izzadtan és fáradtan igyekszik kiszámolni a dolgok alakulását, ami végül is meghaladja képességeit. Ebből lesz a zűrzavar, amelynek okát Isten ,,angyalcsapatok” információt elfedő beavatkozásával ködösíti el. A teljes mértékben megszemélyesített törvények világában bolyongó Mahler az ember elől eltakart, kusza törvények ellentmondásainak kijavításában leli meg emberi és tudósi életcélját. Az Ádámot küzdésre buzdító Teremtőnek az ő személyisége adhatná talán a leginkább kedvére való választ, ha ambíciója nem a selejtes isteni Mű leleplezését és megjavítását célozná.

Egy elszúrt természettörvény, akár mint egy gépet mozgató hibás mechanika, Mahler víziója szerint módosítható. Egy szívrohammal kísért látomást követően arra ébred, hogy megtalálta a megoldást. A matematikai képletek lázas halmozásával eltöltött nap végére előtte van négy képlet, amellyel az időt ,,életlenné” tevő szerkezetet lehet építeni. A szerkezet működésével összemérhető esélye lesz a kevéssé valószínű események megvalósulásának is, visszakapható a szabad döntés a folyamatok végkimeneteléről.

David megpróbál ,,felfedezéséről” beszámolni élettársának, Katjának:

,,Tudod, nem is olyan nehéz. Ez a legfurcsább benne. Olyan régóta keresem. Már rég megtaláltam volna, ha csak gyanítom, hogy ennyire egyszerű. Az egész egy konstrukciós hibára emlékeztet, egyfajta… tévedés, igazán nem kellene, hogy működjön. De mégis megy.

Négy hosszabb képlet és néhány magyarázat hozzá. Meg egy pár laborberendezés. Beindítanánk, és úgy szétterjedne, mint hullámok a vízben. Az idő életlenné válna. Tudod, mindig azt gondoljuk, hogy a fizikai világ annyira biztos, annyira szilárd és megtervezett. És a törvények annyira megbízhatóak. De ez nem igaz. Minden nagyon törékeny. Annyira könnyű kárt tenni bennük.”

Ám Katja félbeszakítja, hosszú évek óta tanúja David meg-megújuló, mindig torzóban maradó, botrányba fúló konferencia-előadásokban végződő próbálkozásainak. Mahler ezután professzor főnökét szeretné rávenni, hogy közölje cikkét. Többórás zaklatott előadást tart neki, de csak annyit ér el, hogy az öregúr őrültnek nevezi, majd halálos szívrohamot kap. David ebben is a felfedezését eltussolni igyekvő láthatatlan erők üzenetére ismer. A környezetében elszenvedett kommunikációs kudarcait követően űzött vadként hajtja gyerekkori barátját, hogy megtalálják Valentinovot, a Nobel-díjas fizikust, aki végre meg kell értse gondolatmenetét. Ha majd már ketten ismerik az idő irányát megszüntető eljárást, akkor lehetetlen lesz azt eltitkolni – gondolja.

Időbeli (!) pontatlanságok késleltetik találkozását Valentinov professzorral, ami Davidban szinte az őrületig fokozza az üldözöttség érzését. Végre egy tóparti sétányon meglátja a sétáló tudóst, rohanna feléje, ám az idő lelassul, majd megáll körülötte, szívroham végez vele. Utolsó gondolatával megadóan konstatálja vereségét a természeti erők összeesküvésével szemben. Barátja megszólítja a haláleset megdöbbent szemtanújává lett világhírű fizikust. Kiderül, hogy az postán megkapta és el is olvasta Mahler dolgozatát. Volt benne egy gondolat, ami meg is hökkentette egy pillanatra, de aztán rájött, hogy a számítás hibás, a gondolat meg puszta spekuláció. De egyáltalán nem volt tehetségtelen – fűzi hozzá sajnálkozva.

3. intermezzo: az Univerzum főnixmadara

Az elemi kölcsönhatásokat jellemző állandókról, például az elemi töltésről vagy a gravitációs állandóról a modern fizika statisztikus képet tud csak nyújtani. Ellentmondásmentesen felépíthetők olyan elméletek is, amelyek természeti állandóinak értéke más, mint a mi világunkban. Elképzelhető, hogy Univerzumunk csak egy a sok párhuzamosan létező, eltérő természeti törvényekkel szabályozott fejlődésű univerzum között. Nem tudunk olyan elvet mondani, amely kitüntetné például az elemi töltésnek a mi kozmikus környezetünkben érvényes értékét másokhoz képest. Dirac felvetette még a természeti állandók esetleges időbeli megváltozásának eshetőségét is.

Albert Einstein és Georges Lemaître

Az is megtörténhet, hogy a Multiverzum általunk megfigyelt tartományának energetikai elszigeteltsége csak időleges, néhány tízmilliárd évre szóló helyzet. Paul Steinhardt és Neil Turok, két vezető kozmológus, 2005-ben elevenítette fel Georges Lemaître ,,Főnixuniverzum” elképzelését. Az időben ciklikusan változó, kezdeti állapotába visszatérő Világegyetem ideája nyilván sérti az entrópia szigorú növekedési tendenciájának törvényét. Azonban világunknak az általunk észlelt kiterjedési dimenziókban mutatott tágulása nem feltétlenül mond ellent annak, hogy valamiféle, számunkra közvetlenül érzékelhetetlen többletdimenziók mentén éppen közeledünk egy hasonló világhoz. (A legtöbb modern részecskefizikai elmélet feltételezi, hogy négydimenziós téridőnk egy nagyobb dimenziószámmal jellemezhető világba ágyazódik.) A két világ együttes rendszerében a mi világunk nem tekinthető feltétlenül energetikailag zártnak. Összeütközésünk negatív entrópia-változást is eredményezhet az egyik alrendszerben, ami a négydimenziós kitágult világ valamely kis tartományában ,,Nagy Bumm”-ként újraindíthatja a világtörténelmet.

A táguló, hűlő világhamuból kirobbanhat egy új Univerzum főnixmadara.

David Mahler ideája, amely feltételezi, hogy a létezhető világok egyikéről a másikra való áttérést mérnöki tervezéssel is meg lehet valósítani, túllép a még tudományosnak tekinthető nézeteken. Kehlmann írói intuíciója felnagyítja a tudósokat irányító vágyak egyikét, amely az emberi cselekvés szabadságát akár a természettörvények módosítására is kiterjeszti. Ez a kutatói magatartás leginkább egyértelműen a klímaváltozási tendenciák emberi befolyásolásának vitáiban figyelhető meg. A művész az emberi beavatkozás vízióját mintegy húsz nagyságrenddel felnagyítva, azt univerzumméretűvé nagyította. Ettől válik a kutatói lélek egy szélsőséges állapotáról megfogalmazott beszámoló különösen tanulságossá és élvezetessé.


  • Korábban megjelent két részben: a Természet Világa 2009. decemberi és 2010. januári számaiban. [return]
  • Hitetlenkedni tetszik!? Nos, akkor szíveskedjék megtekinteni az Egyesült Királyság érettségi vizsgáit szervező AQA (Assessment and Qualifications Alliance) 1999. nyári, A szintű irodalmi esszétémáját: In Act One, Scene Four, Valentine says ,,The unpredictable and the predetermined unfold together to make everything the way it is." In what ways are these ideas explored in the play? Egyébiránt az irodalom és természettudomány együttes tanításának lenyűgöző mintája a következő, Stoppard drámájának szentelt honlap: http://www.cherwell.oxon.sch.uk/arcadia/ Az igazságnak tartozunk annak említésével, hogy az Ember tragédiáját feldolgozó hazai középszintű érettségi mintatételben a 14. színhez kapcsolva találtunk utalást az ,,entrópiaelvre”. Kár, hogy a tanulók a zárt rendszerekben zajló folyamatok irányát megszabó elvről nem tanulnak semmit a középiskolai fizikában, az irodalomtanárok meg valószínűleg később sem. [return]
  • Ezt a kapcsolatot véglegesítette Shannon 1948-ban az informatikai entrópia fogalmának bevezetésével. 1973-ban Bekenstein megmutatta, hogy a fekete lyukak entrópiáját az eseményhorizontjuk mögött eltűnő struktúrákkal társítható információs entrópiával kell értelmezni. [return]
  • Kehlmann regényének idézeteit saját fordításomban közlöm. [return]
  • Aquinói Szent Tamás fő műve. [return]