Mit gondoltok a fényről mint anyagról ?

A #10-hez. Nem! A fény az elektromágneses tér egy bizonyos spektruma. A hősugárzás pedig végképpen más.

Megértem a makacs kíváncsiságot. Azonban a fizika egy jól felépített modellen nyugszik, és rendkívül hierarchikusan egymásra épülő. Ez azt jelent, hogy bizonyos ismeret szükséges bizonyos magasabb ismeretek (jelenségek) megértéséhez. Anélkül nem fog menni. Nincs meg hozzá a tapasztalat. Ahogy a Középafrikából sohaki nem mozduló ember is elfogadja a hó jelentését és elmagyarázott tulajdonságait, de semmihez nem tudja kötni, nincs tapasztalata. Pedig azaztán roppant egyszerű a fotonhoz képest.

A foton és általában a részecskék az úgynevezett kvantumfizika hatókörébe tartoznak. Ezekről az ember soha nem szerezhet direkt tapasztalatot. Itt mindig a mérőeszköz határozza meg, mit érzékelünk. Ma már tudjuk, a foton kettős természete azon múlik, hogy tömeg híján a mérőeszköznek megfelelő jelenséget mutat. Amelyikkel anyagi jelleget lehet mérni, annak anyagként viselkedik, amelyikkel hullámjelenség mérhető, annak hullámként mutatkozik be. A kvantumfizikában ezt a hatást a sajátállapotokkal jellemezhetjük. A foton olyan energia, amely tárgyiasul vagy hullám attól függően, mivel vizsgáljuk. Sok más hasonló részecske is mutat ilyen tulajdonságokat.

Amikor a fizikai jelenségeket vizsgáljuk, azokat modellezzük, amit matematikai egyenletek, függvények reprezentálnek. Ezek az egyenletek megoldhatók, az eredménynek meg kell találnunk a fizikai reprezentációját. Ugyanis az bizonyos, hogy a fizikai jelenségek nem lehetnek egymással ellentmondásban. Ezért, ha valahol ilyesmi mutatkozik, tudható, valamit rosszul modelleztünk. Einstein több látszólag független jelenség közös jellemzőjét találta meg a relativitáselméletben (amit már az ókori görögök is ismertek, csak nem tudtak róla). Felírta a modellt, egy bonyolult rendsszert kapott, a megoldás a pedig azt mutatta, a fénysebesség elvi hatá, semmi nem lépheti át. Nincs ugyanis más megoldás. Később sok fizikus kísérletekkel igazolta Einstein számításait. Ha feltételeznénk, hogy létezik a fénysebességnél nagyobb sebesség, akkor egy olyan matematikai modellt kell alkotnunk, aminek van ilyen eredménye. Ez a modell a fizika semmi más jelenségével nme lehet ellentmondásban, ez csak úgy lenne lehetséges, ha a mai fizikai ismereteinket az utolsó szálig kihajítanánk és valami generálisan új módon magyaráznánk.

Einstein tehát nem kérdőjelezhető meg, legfeljebb pontosítható és további részletek mondhatók el (majd ha pár száz éven belül jön egy hasonló koponya). Természetesen, aki nem tudja, mit jelent a saját kijelentése, mik annak a következményei, bármit állíthat. Azonban ezzel csak azt éri el, hogy aki ért a fizikához valamennyire, a továbbiakban nem figyel ilyen kijelentésekre. Ha azt szeretnénk, hogy komolyan vegyék a szavunkat, csak olyant mondunk, amit meg is tudunk magyarázni, indokolni.

> Mit gondoltok a fényről mint anyagról ?

Anyagnak szűkebb értelemben az elemi fermionokat ( félegész spinnel rendelkező részecskéket: elektron, neutrínók, kvarkok, müonok, tau részecskék), és az ezekből felépülő struktúrákat (protonok, neutronok, atomok, molekulák, kiscicák) nevezzük. A fotonnak egész spinje van, így szűken értelmezve nem anyag. A foton bozon, kölcsönhatást közvetítő részecske, történetesen az elektromágneses kölcsönhatás közvetítő részecskéje. A fény az elektromágneses sugárzás szinonimája, szűkebb, hétköznapibb értelemben az elektromágneses spektrumnak a látható tartománya.

> Miért nem lehet nagyobb sebesség ?

Történetileg úgy alakult, hogy történetesen a fénynél figyeltünk meg egy olyan összefüggést, ami nem igazán passzolt bele a newtoni fizikába. Egyrészt a fény sebességének a méréséből úgy tűnt, hogy annak egy viszonyítási rendszertől független sebessége van. Az elektromágnesességet leíró Maxwell-egyenletekből is kiolvasható volt egy bizonyos sebesség, de viszonyítási rendszer nélküli sebesség. (A sebesség ugye a newtoni fizikában is relatív mennyiség.) Illetve rájöttek arra is, hogy a fénynek van részecske természete is és hullám természete is.

Volt olyan elképzelés, hogy ha a fény hullám, akkor – ahogy a mechanikai hullámok – valamilyen közegnek a hullámzása. Ez volt az éter, mint valami semmivel kölcsönhatásba nem lépő, valamilyen abszolút viszonyítási rendszer jelentő közeg, aminek a hullámzása a fény. És rögtön fel is merült a kérdés, hogy megmérhető-e, hogy a mondjuk Föld ehhez az éterhez képest milyen irányban és milyen sebességgel halad. Ez volt a Michelson–Morley-kísérlet, ami negatív eredménnyel zárult. Ebből az derült ki, hogy nincs ilyen közeg, a fény valóban minden viszonyítási rendszerhez képest ugyanolyan sebességgel halad, ami a newtoni fizikában értelmezhetetlen. (Nyilván ha a vonat 60 km/h-val halad a töltéshez képest, a kalauz meg 5 km/h-val halad a vonathoz képest, akkor a kalauz 65 km/h-val halad a töltéshez képest. Mégis milyen az a kalauz, ami a töltéshez képest is, meg a hozzá képest 60 km/h-val robogó vonathoz képest is ugyanazzal a sebességgel halad. A newtoni fizika alapján ez nonszensz.)

Aztán jött Einstein, aki nem csinált mást, mint komolyan vette a mérési eredményeket. Tulajdonképpen már minden szükséges matematikai háttér megvolt – lásd Lorentz-transzformáció –, csak össze kellett rakni a képet. Az eredmény az lett, hogy van egy bizonyos határsebesség. Tömeggel rendelkező testek nem képesek átlépni ezt a határsebességet, ahhoz végtelen mennyiségű energia kellene. Viszont az is kijön ebből, hogy a tömeggel nem rendelkező testek véges energiával elérhetik ezt a határsebességet, de nem lehetnek gyorsabbak ők sem. Sőt önmagában – nem kölcsönhatva semmivel – minden tömeggel nem rendelkező részecske „kénytelen” ezzel a határsebességgel mozogni.

Az ebben a modellben szereplő határsebességet nevezzük fénysebességnek (így egybeírva), mert történetesen a fény sebességének a méréséből derült ki, hogy valami nem stimmel a newtoni fizikával. Történetileg alakulhatott volna úgy is, hogy a neutrínóknál vesszük észre, hogy valami nem stimmel, és akkor lehet ma neutrínósebességnek hívnánk ezt a bizonyos határsebességet. (A neutrínónak ugye nagyon kicsi a tömege, sokáig úgy is gondolták, hogy nincs tömege.) De akár az elektronnál is kiderülhetett volna az, hogy valami nem stimmel a newtoni fizikával, és akár abból is le lehetett volna vezetni – ha kevésbé kézenfekvő módon is – a speciális relativitáselméletet, csak ugye az elektron nem tud fénysebességgel mozogni, de tud olyan gyors lenni, hogy a hosszkontrakció, idődilatáció már jól mérhető legyen.

> És ha találnak más tömeg nélküli részecskét ?Akkor lehet, h nem a fény lesz a leggyorsabb ?

Nem. A relativitáselméletben csak határsebesség van – amit mint írtam történeti okokból nevezünk fénysebességnek –, aminek tömege van, nem tudja átlépni ezt a határsebességet, aminek meg nincs tömege, az meg elérheti ezt a határsebességet, de nem lépheti túl. Teljesen mindegy, hogy mi ez a valami, egy részecske-e, ha részecske, akkor milyen részecske, milyenek ennek az egyéb tulajdonságai (spinje, töltése stb…).

> Állítólag mindennél van kisebb, csak még nem ismerjük.

A tömeg pl. csak nemnegatív számként értelmezhető számunkra. Így a 0 tömegűnél nincs kisebb tömegű dolog. (Vagy pl. a távolság is abszolút értékű mennyiség, negatív távolságot esetleg irány jelleggel használunk, de a távolság úgy alapvetően nemnegatív mennyiség, így nincs 0-nál kisebb távolság.)

> Az meg, h a tér alaptulajdonsága, nem magyarázat semmire.

A fizika nem magyaráz meg semmit. A fizika összefüggéseket ír fel, modelleket alkot. Az F=m*a képletet sem magyarázza meg a fizika, egyszerűen csak leírja, hogy ez az összefüggés. Ugyanígy a speciális relativitáselmélet is csak leírja, hogy hogyan függnek össze pozíciók, időtartamok, időpontok, sebességek, tömegek egymással. És ez a modell helyesnek bizonyult mind a mai napig, pedig számos olyan terület van, ahol igen nagy pontossággal kell a speciális relativitáselmélettel számolni. (Pl. akár egy katódsugárcsöves tévénél, vagy egy részecskegyorsítóban.)

> Ezt Einstein gondolta, de az ő munkássága sem teljesen száz százalékos bizonyosságú.

Igen, ezt Einstein gondolta, aztán pár ezerszer megmérték, hogy jól gondolta-e, és pár milliárdszor bebizonyosodott, hogy jól gondolta, mert az összefüggések jól írják le a valóságot. De igen, nem 100%, hogy ez a végső modell. A newtoni fizika sem veszítette el az érvényét, kis sebességek esetén megfelelő elhanyagolással a speciális relativitáselmélet képletei a newtoni mechanika képleteit adják vissza. Ugyanígy lehet, hogy idővel valaki előáll egy általánosabb modellel, aminek a speciális relativitáselmélet csak bizonyos peremfeltételek fennállása esetén történő elhanyagolása. Viszont ennek nem sok nyoma van jelenleg, a speciális relativitáselmélet – meg az általános relativitáselmélet is – elég sok helyen vizsgázott eddig jelesre.

> Mivel létezik, így anyag.

Ohh… Ez már filozófiai és definíciós kérdés. A gravitáció is létezik, mégsem anyag, hanem a newtoni fizikában kölcsönhatás, az általános relativitáselméletben meg a téridő görbületéből fakadó hatás, a kvantumfizikában meg… Nos a standard modell nem tartalmazza a gravitációt. De van még egy csomó dolog, ami bár filozófiai szempontból létező, mégsem anyag. Pl. a kör is egy létező dolog, de nem anyag, hanem az anyag struktúrája, hierarchia az anyagi létezők bizonyos tulajdonságai között.

> Ha nem anyag csak hullám, akkor meg valami hullámzik, nem igaz ?

Anno pont ez volt az éter hipotézis mögött is. Addig a fizikában nagyon sok mindent sikeresen vissza lehetett vezetni mechanikára. A mechanikai hullámok meg valamilyen közvetítők közegben terjednek, valamilyen közvetítő közeg hullámzásai. De a fény nem mechanikai hullám, az erre való visszavezetése nem sikerült. Persze nehéz ezt megemészteni, mert úgy mi a makrovilágunkban minden hullámjelenség, amit ismerünk az többé-kevésbé mechanikai hullám. Az, hogy a fény hullám természetű, az pusztán annyit jelent, hogy a viselkedését nagyon hasonló képletek írják le, mint a mechanikai hullámokét. Ez hasonló jelenségekhez is vezet (pl. interferenciához, doppler-hatáshoz stb…). De a fény nem mechanikai hullám, nem valaminek a hullámzása.

> Itt van pl az a kijelentés, h a fény nem anyag.

Nem az, mert az anyagnak szűkebb és pontosabb definíciója van.

> Akkor mi ? Hullám ?

Hullám természete van, de nem mechanikai hullám.

> Jó, legyen, de akkor tudni kellene minek a hulláma.

Mivel nem mechanikai hullám, nem valaminek a hulláma.

A fény elektromágneses sugárzás. Illetve a foton a kvantumfizikában az elektromágneses kölcsönhatást reprezentáló részecske, ami részecske és hullám !természetű! egyben (mint ahogy minden elemi részecske).

> A foton pedig minek a csomagja ?

A foton a fény, azaz az elektromágneses sugárzás kvantuma (csomagja).

"egyesek úgy gondolják, hogy a részecske és a hullám kizárják egymást"

Ez már a múlté.

Az anyag nem részecske és nem hullám.

Bizonyos körülmények között vannak neki részecske- vagy hullámtulajdonságai.

De ettől még egyik se lesz, és ha nem kényszeríted semmire, akkor egy olyan állapotban van, ami nem részecske és nem is hullám.

> Ha nem anyag csak hullám, akkor meg valami hullámzik, nem igaz ?

Ehhez még egy gondolat. Ugye van az elektromos áram. Maga az áram szó is az áramlásból származik. Illetve hétköznapi szóhasználattal szoktuk azt mondani, hogy áram folyik a vezetékben. És van is némi analógia a folyadékok áramlása és az elektromos áram áramlása között, bizonyos dolgok megfeleltethetők egymásnak, az elektromos áramnak is van iránya, sebessége, „vízhozama” (áramerősség) stb… De nyilván furán nézünk arra, aki mikroszkóppal keresi a rézkábelben a csövecskéket, amiben ez az áramnak nevezett folyadék folyik, vagy vödröt tesz a kábel alá, hogy hátha a vezetékből kifolyik némi áram.

Ugyanez a helyzet a mechanikai hullámok és a fény hullámtermészete esetén is. Vannak nagyon szoros analógiák, de azt mondani, hogy „ha a fény hullám, akkor valami hullámzik”, pont olyan, mint azt mondani, hogy „ha áram folyik a vezetékben, akkor az áram valamilyen folyadék”. Nem, eddig nem terjed az analógia. A fény hullámtermészetű, de nem mechanikus hullám, nem valaminek a hullámzása.