A természettudományokról mindenkinek 9639429155 [PDF]

Zitiervorschau

John és Mary Gribbin

A természettudományokról mindenkinek

AKKORD KIADÓ

Az eredeti mű címe: Almost Everyone's Guide to Science The Universe, Life and Everything Weidenfeld & Nicolson, London, 1998

Fordította: Münz Márton, Simon Tamás, 2002 Fedélterv: Kállai Nagy Krisztina

Copyright © 1998 John & Mary Gribbin Hungárián translation © Münz Márton, Simon Tamás 2002 Hungárián edition © Akkord Kiadó, 2002

Minden jog fenntartva. A könyv bármely részlete csak a kiadó előzetes engedélyével használható fel.

ISBN 963 9429 15 5 ISSN 1586-8419 Kiadja az Akkord Kiadó Kft. Felelős kiadó: Földes Tamás Szerkesztette: Várlaki Tibor Műszaki szerkesztő: Haiman Ágnes Tördelés: Szmrecsányi Mária

Tartalom

Tudományos jelölési mód Bevezetés: Ha ellentmond a megfigyelési tapasztalatoknak - helytelen 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11.

Atomok és elemek Az atom belsejében Részecskék és mezők Kémia Az élet molekulái Evolúció Változó bolygónk A változások szele A Nap és családja A csillagok életútja Parányi és végtelen

Irodalomjegyzék Mutató

8 9 17 36 58 77 97 117 138 161 180 202 224 247 249

Csak magának az embernek és sorsának mélyebb megértése állhat mindenfajta tudományos erőfeszítés középpontjában... hiszen agyunk szüleményei áldást s nem átkot kell hozzanak az emberiségre. Soha ne téveszd ezt szem elől ábráid és egyenleteid között. Albert Einstein Caltech, 1931

Tudományos jelölési mód

Amikor nagyon kicsi és nagyon nagy számokat írunk le - mint ahogyan ez ebben a könyvben is gyakran megesik egy kényelmes módszert alkalmazhatunk arra, hogy megkíméljük magunkat a rengeteg 0 papírra vetésétől. Egy hagyományos matematikai jelölési móddal a számokat hatványozott alakban is felírhatjuk: a 10 2 például 100-nak felel meg (két nulla az l-es szám után), a 10 3 1000-nek és így tovább. A 10-1 0,1-et jelent, a 10-2 0,2-t stb. Ez a jelölési mód akkor válik fontossá, amikor például az Avogadro-számot (lásd az 1. fejezetben) kell leírnunk: ez 6x10 23 , amely a 600 000 000 000 000 000 000 000 rövidített alakja. A hatványozott alakok közti látszólag apró különbségek valójában nagy váltásokat jelölnek. A 1024 például tízszer több, mint a 1023, s a 10 6 sem fele a 1012 értékének, hanem egymilliomod (10 6 ) része.

Bevezetés

Ha ellentmond a megfigyelési tapasztalatoknak - helytelen Bármely tudomány művelőjének sorsa, hogy egyre mélyebben és mélyebben ássa be magát egy speciális területre, így egyre többet tudjon meg a világ egyre kisebb szeletéről. Végül aztán elérkezik oda, hogy már mindent tud - az alig több mint semmiről. Hogy elkerüljem e sorsot, sok évvel ezelőtt elhatároztam, hogy inkább a tudományról írok, mintsem kutatással foglalkozom. Igazi tudósokat faggattam saját munkájukról, majd az erről írt beszámolóim könyvek és cikkek formájában jelentek meg, így egyre többféle dologról tudtam meg valami keveset - bár odáig még nem jutottam el, hogy mindenről tudjam a „szinte semmit". Harmincévnyi munka után, számos, a tudományokat speciális szemszögből vizsgáló könyv megjelenése után jó ötletnek tűnt, hogy megszülessen egy olyan általános mű, amely igazán széles áttekintést ad a természettudományokról; bár még mindig csak ott tartok, hogy a legtöbb dologról csak igen kevés a tudásom. Egy könyv megírásakor rendszerint én magam vagyok annak célközönsége - amikor például a kvantumfizikáról vagy az evolúcióról vetem papírra gondolataimat. Ilyenkor azt kívánom, hogy bárcsak valaki már megírta volna, így nem nekem kellene azzal vesződni, hogy kitaláljam a dolgokat - magamnak. Most azonban olyan könyvet szerettem volna írni, ami mindenkinek szól, ami mindenki számára érthető és új információkat is hordoz. Ha például a kedves Olvasó már egy kicsit (vagy nagyon) otthon van a kvantummechanikában, akkor például az evolúcióról találhat valami újat; ha pedig az evolúcióelméletben járatos, akkor az Ősrobbanásról olvashat számára újdonságnak számító dolgokat és így tovább. Így - bár tudatában vagyok annak, hogy egy ilyen vállalkozás során Isaac Asimov szelleme figyeli munkámat (és remélem, pozi-

10 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

tív tapasztalatai vannak) - nem a saját magam, hanem a mindenki számára szóló „természettudományos útikalauzt" szerettem volna megalkotni. Nem a szakértők vagy a „természettudományrajongók", hanem sokkal inkább a bizonytalankodók számára írott művet, akik sejtik ugyan, hogy a természettudományok érdekesek és fontosak, de a részletek bonyolultsága általában elveszi a kedvüket annak mélyebb megismerésétől. Ezért e könyv nem hemzseg a szakkifejezésektől - társszerzőm rendre eltávolította őket, így tartva kordában elvadult tudományos „különcködéseimet", s biztosítva, hogy ami ezek után megmaradt, az mindenki számára befogadható legyen. E könyvben az olvasható, hogyan látja egy ember a természettudományok helyzetét a 20. század végén, s hogyan állnak össze a tudományos eredmények darabjai az univerzumot és annak minden alkotóelemét leíró összefüggő és nagy rálátást biztosító képpé. A legtöbben éppen erről, az összefüggésekről, a természettudományok rendkívül fontos jellemzőjéről feledkezhetnek meg, amikor egyre közelebbről vizsgálnak egy-egy szűkebb területet, például az Ősrobbanást vagy az evolúciót. Pedig mind az Ősrobbanás, mind az evolúció (és az összes többi terület) vizsgálata ugyanazon elveken alapul, s egyik sem rendelhető a másik fölé. Gyakran találkozom olyan emberekkel, akik valamilyen okból nem fogadják el a speciális relativitáselméletet. Az elmélet egyes jóslatai ugyanis ellentmondanak hétköznapi tapasztalataiknak, miszerint például a mozgásban lévő órák járása lassul. Ezért reménytelen harcot folytatnak azért, hogy ezt megcáfolják, miközben minden más tudományos szempontot elfogadnak. Ez azonban nem járható út. A speciális relativitáselmélet ugyanis nem az órák járásának változásait leíró elszigetelt elmélet, hanem például azt is megmagyarázza számunkra, hogyan alakul át a nyugalmi energia sugárzási energiává a Napban, vagy hogyan viselkednek az elektronok az atomban. Nem dobhatjuk ki az elmélet egy részét anélkül, hogy ne dobnánk ki vele az egészet is. S ez csak egyetlen példa. Remélem tehát, hogy ez a könyv valóban érthetővé teszi, hogy a modern természettudományos szemléletben valóban minden összefügg egymással. Ez a fajta szemlélet az emberi intelligencia legnagyobb vívmánya, s egy átfogó képet biztosító könyv jobban rávilágít a lényegére, mintha csak néhány dolgot vizsgálnánk meg igen közelről.

BEVEZETÉS • 11

A természettudományos világnézetnek két olyan fontos, egymással összefüggő és gyakran nem eléggé hangsúlyozott jellemzője van, amire érdemes egy kicsit kitérni. Az egyik, hogy az egész történet mindössze négyszáz éve kezdődött (Galilei munkásságával, akitől a modern természettudományos módszerek alkalmazását számítjuk). A másik, hogy minden eredmény megérthető, felfogható az emberi agy által. Persze nem áshatjuk be magunkat minden területre (bár nagyon kevés ember képes ezt megtenni, még a korlátozott élettartam ellenére is). Egy zseni kellett ahhoz, hogy megalkossa a természetes kiválasztódáson alapuló evolúciós elméletet. Az elmélet azonban - ha már testet öltött - egy átlagos intelligenciájú ember számára is elmagyarázható, s gyakran vált ki efféle reakciókat: „Mennyire nyilvánvaló! Hogy lehettem olyan ostoba, hogy erre nem jöttem rá jómagam?" (E példának konkrét esete, amikor Thomas Henry Huxley először olvasta Charles Darwintól A fajok eredetét.) Amint Albert Einstein mondotta 1936-ban, a világmindenség legnagyobb rejtélye éppen az, hogy megérthető. Hogy az univerzum a halandó agy számára megérthető, annak oka, hogy kisszámú és igen egyszerű alapvető törvény irányítja. A fizikus Ernest Rutheford - aki a 19. század elején felfedezte az atommagot - egyszer azt mondta: a természettudományok két kategóriába sorolhatók, ezek a fizika és a „bélyeggyűjtés". Rutheford nem pusztán szellemeskedni akart (bár őszintén lenézte a többi tudományt): a fizika valóban a legalapvetőbb természettudomány. Egyrészt a lehető legközelebbről vizsgálja az univerzumot irányító természeti törvényeket és az univerzumot felépítő anyagi részecskéket, másrészt a fizikában alkalmazott tudományos módszerek szolgáltak mintául más tudományágak fejlődéséhez is. E módszerek közül a legfontosabb az ún. modellkészítés. De még a fizikusok sem mindig gondolják, hogy az általuk alkalmazott modell valóban megfelelő, így érdemes egypár szót vesztegetni a modellek természetére, mielőtt alkalmazásukról beszélnénk. Egy fizikus számára a modell olyan kombináció, amelyben a leírni kívánt dolog gondolati képe, illetve az ehhez rendelt - és bizonyos jóslatokat adó - matematikai egyenletek egyszerre szerepelnek. Vegyük például azt a modellt, amely a szobát kitöltő levegő molekuláit apró, kemény golyókként képzeli el. Az ehhez

12 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

rendelt egyenletek egyrészt leírják, hogyan ütköznek össze e golyók egymással és a szoba falával (illetve hogyan pattannak aztán vissza), másrészt megmagyarázzák, hogy a rengeteg golyó átlagos viselkedése hogyan alakítja ki a szobában lévő légnyomást. Ne aggódjunk az egyenletek miatt - nagy részüket száműztem e könyvből. Csak véssük az eszünkbe, hogy a jó modellek mindig tartalmaznak egyenleteket, amelyek segítségével megjósolhatjuk a dolgok viselkedését. Kiszámíthatjuk például, hogyan változik a nyomás a szobában, ha a hőmérsékletet tíz fokkal megemeljük. A jó és rossz modellek szétválasztásához kísérletekre van szükségünk. Ebben az esetben például valóban megemeljük a hőmérsékletet, majd megvizsgáljuk, hogy az ezután ténylegesen mért légnyomás megegyezik-e azzal az értékkel, amit a modell jósolt számunkra. Amennyiben nem, akkor a modell jobb esetben további finomításra, rosszabb esetben pedig teljes elvetésre szorul. Richard Feynman, a 20. század legnagyobb fizikusa egy 1964ben megtartott előadásán a következőképpen foglalta össze a tudományos módszer lényegét (miközben hangsúlyozta, hogy a „törvény" kifejezés itt a modellnek felel meg): Általában a következő módszerrel nézünk új törvény után. Először is feltételezéseket teszünk, majd kiszámítjuk ezek következményeit, hogy megnézzük, mivel járna, ha egy ilyen törvény valóban működne. Ezután a számítások eredményeit összevetjük a természetben tapasztalt dolgokkal, a közvetlen megfigyelésekkel, kísérletet vagy kísérleteket végezve. Ha a modell ellentmond a megfigyelési tapasztalatoknak - hibás. Ez az egyszerű megállapítás a tudományos módszer lényege. Nem számít, milyen szépek a hipotéziseink. Nem számít, milyen okos vagy, nem számít, ki alkotta meg a modellt, vagy milyen neve van a szakmában - ha ellentmond a megfigyelési tapasztalatoknak, akkor helytelen.

Ez tehát a természettudományok, a tudományos módszer lényege. Ha a modell ellentmond a megfigyelési tapasztalatoknak hibás. A kép azonban ennél még árnyaltabb. Még ha modellünk meg is felel a valóságban megfigyelt dolgoknak, akkor sem igaz, hogy örök érvényű, nagybetűs igazságot tártunk fel a dolgok természetéről. Attól, hogy a légnyomás kiszámítása végett apró és kemény golyóknak tekintjük a levegő molekuláit, a levegő molekulái még nem kemény és apró gömbök a valóságban. Mindössze

BEVEZETÉS • 13

annyi történt, hogy bizonyos körülmények között úgy viselkednek, mintha apró, kemény golyók lennének. A modellek általában jól behatárolt korlátok között működnek, s e korlátok átlépésekor előfordulhat, hogy más modellekre kell lecserélnünk őket. E n n e k m e g é r t é s h e z v e g y ü k s z e m ü g y r e m á s s z e m p o n t b ó l a szob á b a n lévő levegő molekuláit. A m o l e k u l á k egy része víz, a m e lyekről m i n d e n iskolás t u d j a , h o g y h á r o m a t o m b ó l , egy o x i g é n b ő l és két h i d r o g é n b ő l é p ü l n e k fel ( H 2 0 ) . A h a g y o m á n y o s m o l e k u l a modell ezt úgy képzeli el, h o g y két kisebb golyó (a két h i d r o g é n a t o m ) és egy n a g y o b b (az o x i g é n a t o m ) egy olyan V b e t ű t f o r m á z , a m e l y n e k a csúcsán h e l y e z k e d i k el az oxigén.

Az atomok közötti kötéseket feszes rugóknak képzelhetjük, amelyek mentén a molekula atomjai ide-oda rezegnek. A rezgéshez jellemző hullámhosszú sugárzás társítható, mivel az atomok elektromosan töltött részecskéket hordoznak (ezt lásd később). Rezgésük során mikrohullámú sugárzást bocsátanak ki, illetve ennek megfelelően, ha mikrohullámú sugárzással bombázzuk őket, akkor a sugárzásnak megfelelően fognak rezonálni. Pontosan ez történik egy mikrohullámú sütőben. A mikrohullámok olyan hullámhosszra vannak beállítva, hogy azok rezgésbe hozzák az élelemben lévő vízmolekulákat, a molekulák rezgése pedig felmelegíti az élelmet. Ilyen folyamatok nem csupán a konyhában vagy a laboratóriumokban láthatók, de még a csillagközi tér anyagfelhőiben is, amelyek mikrohullámú sugárzásából a csillagászok víz - illetve más anyagok - jelenlétére következtethetnek. Ha tehát valaki a világűr anyagi összetételét kutató rádiócsillagász vagy mikrohullámú sütőt tervező mérnök, akkor a fenti modell megfelelő számára: az egész vízmolekulát már nem tekinti egységes kemény golyónak, helyette a „rugókkal" összekötött három golyó modelljét használja, amelyben az egyes atomok még mindig egységes alakzatokként kezelhetők. Egy anyag összetételét vizsgáló kémikus számára megint más perspektíva használható. Ha meg akarja tudni, milyen atomok vannak jelen az anyagban, akkor a melegítés hatására kibocsátott fényt kell tanulmányoznia. A különböző atomok különböző színben sugároznak, s ezek hullámhosszai - apró vonalak formájában - pontosan meghatározhatók a szivárvány színeire bontható elektromágneses színképben. Az egyik hétköznapi példa az utcai lámpák na-

14 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

rancssárga színe, amelyek nátriumot tartalmaznak. Az elektromos áram hatására gerjesztett nátriumatomok sugároznak ilyen színben. A fénykibocsátás megértéséhez szükséges modell már az atomokat sem tekinti egységes golyóknak. Helyette a közepén elhelyezkedő atommagra és az azt körülvevő, elektromosan töltött apró részecskék halmazára, az elektronfelhőre bontja (e modellben az egyszerű, kemény golyó már csak az atommagra igaz). Az atom méretéhez képest aprócska atommagnak pozitív, míg az elektronfelhőnek negatív töltése van, így az egész atom elektromosan semleges. A színképvonalak és az egyes atomok közötti összefüggés az elektronok jellemzőivel magyarázható. Ami kémiai szempontból az atomokat megkülönbözteti egymástól, az elektronjaik száma (például 8 van az oxigénben, 1 a hidrogénben, 1 1 a nátriumban stb.); s mivel az elektronok elrendeződése minden atomban különböző, minden atom a rá jellemző hullámhosszon sugározza ki a fényt. Tovább folytathatnám, de a lényeg már világos. Amikor a szobában uralkodó légnyomást szeretnénk kiszámítani, akkor jó modellként szolgál a molekulák egységes golyóként való értelmezése; amikor rádiósugárzásukat szeretnénk magyarázni, akkor a rugókkal összekötött, rezgő atomok modellje használható; s jó modell az atomokat atommagra és elektronfelhőre osztó elképzelés is, amikor az egyes atomok eltérő hullámhosszú fénykibocsátását akarjuk megindokolni. E modellek egyike sem a „végső igazság" képviselője, de mindegyiknek megvan a maga szerepe. Olyan eszközök a kezünkben, amelyek segítségével elképzelhetjük a dolgok valóságos menetét, s mérésekkel ellenőrizhető jóslatokat tehetünk velük, legyen az a szobában lévő légnyomás, vagy egy forró anyag fénykibocsátása. Ahogyan egy ács sem használhatja ugyanarra a munkára a vésőt és a kalapácsot, úgy a tudósoknak is mindig a megfelelő eszközt kell kiválasztaniuk a természet leírására. Amikor Feynman azt mondta, hogy a megfigyelések által nem alátámasztott modell rossz, akkor a megfelelő megfigyelésekre gondolt. A vízmolekulákat egységes golyókként leíró modell nem adna magyarázatot a rádiósugárzásra, mivel nem feltételezné annak lehetőségét. Ha tehát a rádiósugárzást akarjuk vizsgálni, akkor ez egy rossz modell. Ez azonban nem jelenti azt, hogy ugyanezen modell nem helyes, ha a szobában uralkodó légnyomást akarjuk kiszámítani.

BEVEZETÉS • 15

A természettudományokban minden a modellekre és jóslatokra épül, minden azt szolgálja, hogy helyénvaló elképzelések alakuljanak ki bennünk az univerzum működéséről, s olyan számításokat végezhessünk, amelyek bizonyos körülmények között jó előrejelzéseket adnak. A továbbiak során elszakadunk a hétköznapi világtól, hogy parányi és végtelen nagy dolgokat vizsgáljunk meg, s végig olyan analógiákat kell majd használnunk, amelyekben például az atomot biliárdgolyónak, a fekete lyukakat pedig egy gumilepedő mély behorpadásának tekintjük. Ha bármikor is „valódiként" írunk le valamilyen dolgot vagy folyamatot, ez mindig csak azt jelenti, hogy a leglényegesebb vonatkozásokban legmegfelelőbb modellről van szó. Ennek megfelelően, akár a parányi dolgok világát kutatjuk, akár a végtelen határainál kalandozunk, mindig a legmodernebb és legjobbnak tartott modelleket ismerhetjük meg. E modellek mind helytállóak, amennyiben mind megfelelnek a kísérleti eredményeknek, s mindannyian összeillenek, mint egy kirakójáték darabjai, valóban összefüggő képet nyújtva a világegyetem minden alkotóeleméről és működéséről; s mindegyik megérthető - legalábbis nagy vonalakban - egy átlagos emberi agy számára. A természettudományoknak van egy olyan, általam nagyon fontosnak tartott jellemzője, amely e könyv (és egész pályafutásom) alakulását is meghatározta, bár sok tudóstársam nem azonosul vele. Számomra a t e r m é s z e t t u d o m á n y o k fő célja az ember univerzumban elfoglalt helyének vizsgálata, amely a legparányibb szubatomi részecskéktől az univerzum legnagyobb léptékű szerkezeteiig terjed. Nem elszigetelten létezünk. A természettudományok az emberi kulturális tevékenység fontos részét képezik, nem csupán az igazság utáni tárgyilagos, szenvedély nélküli kutatást jelentik. A legfontosabb kérdés, hogy honnan jön s merre tart az ember. És ez a valaha született legizgalmasabb történet. John Gribbin 1997. december

1. Atomok és elemek

1962-ben a Caltechben tartott előadás-sorozatán Richard Feynman az atommodellt helyezte a világ tudományos megismerésének középpontjába: Ha egy hirtelen katasztrófa folytán minden tudományos ismeretünk megsemmisülne, és csak egyetlen mondat maradhatna a jövő generációira, mi volna az állítás, amely a legtöbb információt tartalmazza a világról a legkevesebb szóban? Azt hiszem, az atomok gondolata. Minden anyagi halmaz örökké mozgó és kölcsönható részecskékből épül fel, amelyek közel kerülve egymáshoz kapcsolatba lépnek, de sohasem zsúfolódnak össze túlságosan. Ez az egyetlen mondat, meglátják, rengeteg információt tartalmaz a világról, ha csak egy kicsi képzelőerővel rendelkezünk.1 Feynman szellemében tudományos kalandozásunkat mi is az atomokkal kezdjük. Sokszor rámutatnak arra, hogy az atomok gondolata még az ókori görögöktől származik, az i. e. 5. századból, a milétoszi Leukipposztól és tanítványától, az abderai Démokritosztól. Bár az atom elnevezés valóban Démokritosztól ered (amely szó szerint „oszthatatlant" jelent), elképzelését kétezer éven keresztül senki sem vette komolyan. Az atommodell igazi fejlődése csak akkor kezdődött, amikor a 18. század végén a kémikusok modern módszerekkel kezdték vizsgálni az elemek tulajdonságait.

1

A teljes szöveg megtalálható Feynman Hat könnyed előadás című könyvében.

18 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

Minden komplex anyaghalmaz elemekből épül fel - ez a gondolat úgyszintén a görög filozófusoktól származik. A görög gondolkodók azt hitték, hogy az anyag négy őselem, a levegő, a föld, a tűz és a víz keverékéből áll össze. Elképzelésüknek nem sok nyoma van a modern kémiában, amely Robert Boyle munkásságával vette kezdetét, a 17. század közepén. Boyle volt az első, aki az elemeket alapvető anyagi összetevőkként határozta meg, amelyek más elemekkel keveredve új vegyületeket hozhatnak létre, de nem oszthatók egyszerűbb alkotóelemekre. A víz például olyan vegyület, amely kémiailag szétbontható komponenseire: oxigénre és hidrogénre. Az oxigén és hidrogén már elemek, mert kémiai értelemben nem oszthatók tovább. Ahogy a kémikusok újabb technológiákat fedeztek fel, amelyek segítségével különböző vegyületeket sikerült szétbontani, egyre növekedett az ismert elemek száma. A 19. század végére nagyjából világossá vált, mely anyagok bizonyulnak oszthatatlannak, és melyek hasíthatok alkotóelemekre. Az igazi áttörés azonban csak akkor következett, amikor a 19. század közepén John Dalton, az elemek és a vegyületek tulajdonságait vizsgálva, újra felelevenítette az atomok ötletét. Abból a felfedezésből indult ki, hogy a kémiai vegyületekben az összetevő elemek súlyának aránya mindig ugyanannyi. A vízben például az oxigén és a hidrogén 8:1 súlyarányban oszlik meg, a kalcium-karbonátban (mészkőben) a kalcium, a szén és az oxigén súlyának aránya mindig 10:3:12. Dalton elmélete szerint ez úgy lehetséges, hogy minden elem egy bizonyosfajta atomból épül fel, és az atomok természete dönti el az elemek tulajdonságait. A legfontosabb tulajdonság, amely alapján különbséget tehetünk az egyes atomok fajtái között, a súlyuk. Amikor két vagy több elem reakcióba lép, valójában az atomok kapcsolódnak össze, és molekulákat hoznak létre. Minden vegyület molekulái egyforma számú atomot tartalmaznak, az őket alkotó különféle atomok közül éppen ugyanannyit. A vízmolekula például két hidrogén- és egy oxigénatomból áll (H 2 0), a kalcium-karbonát molekula egy kalcium-, egy szén- és három oxigénatomot tartalmaz (CaC0 3 ). Néhány elem atomjai nemcsak más elemekkel léphetnek reakcióba, hanem egymással is összekapcsolódhatnak. A levegő, amelyet belélegzünk, kétatomos oxigénmo-

MUTATÓ • 19

lekulákat tartalmaz - bár ezeket nem tekintjük igazi vegyületeknek. Dalton atommodellje a kémia nagy sikere volt, ám a 19. század során sok tudós csupán egy hasznos trükknek vélte, amellyel kiszámítható, hogyan viselkednek az elemek a kémiai reakciókban, és nem tekintette önmagában megfelelő bizonyítéknak arra, hogy az atomok valóban léteznek. Közben azonban más tudósok egyre meggyőzőbb eredményeket mutattak fel, amelyek azt sugallták, hogy az atomokat valóságos, apró, m e r e v golyócskáknak l e h e t elképzelni, a m e l y e k kölcsönhatnak, ha megfelelő távolságra kerülnek egymástól, és visszapattannak, ha összeütköznek. Ilyen eredményt hozott Amadeo Avogadro munkája (ő volt az a tudós, aki kimutatta, hogy a vízmolekula atomjai nem HO, hanem H 2 0 szerkezetet alkotnak). Avogadro 1811-ben publikálta eredményeit, amelyben feltételezte, hogy egyforma hőmérsékleten és nyomáson ugyanannyi térfogatú gáz egyforma számú atomot tartalmaz. Még azelőtt jutott erre a feltételezésre, hogy a molekulák fogalma kialakult volna a kémiában. Ma így fogalmaznánk meg gondolatát: ugyanannyi térfogatú gáz ugyanakkora hőmérsékleten és nyomáson egyforma számú molekulát tartalmaz. Lényeg azonban, hogy a modelljében Avogadro apró, gömb alakú részecskéket képzelt el, amelyek egy dobozba zárva repkednek és ütköznek egymással. Teljesen mindegy, milyen gáz van a dobozban (oxigén, szén-dioxid vagy bármi más), azonos feltételek mellett (azonos nyomáson, hőmérsékleten, térfogaton) ugyanannyi részecskének kell a gázban repkednie. Egy doboz gázban nagyrészt üres tér van. Ebben a térben kicsi, kemény golyók cikáznak, egymással és a doboz falával ütközve. Ha a gáznak a dobozra kifejtett nyomását vizsgáljuk, nem fontos, miből vannak a golyók. Csak a sebességük számít, és az, hogy milyen gyakran ütköznek a doboz falának. A golyócskák sebességét a gáz hőmérséklete határozza meg (magasabb hőmérsékleten a részecskék gyorsabban mozognak), a másodpercenkénti ütközések száma pedig attól függ, mennyi részecske van a dobozban. Ezért ugyanazon hőmérsékleten, nyomáson és térfogaton a részecskék számának meg kell egyeznie. Ez a modell megmagyarázza azt is, mi a különbség a gázok, a folyadékok és a szilárd anyagok között. A gázban nagyrészt üres

20 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

tér van, amelyben a molekulák szabadon mozognak, ütközhetnek. A folyadékban nincs üres tér: a molekulák mégis állandó mozgásban vannak, egymáshoz érve, összetapadva, alaktalan tömegekben csúszkálhatnak. A szilárd anyagban a részecskék mozgása teljesen megállt, kivéve egy csekély imbolygást, és a molekulák be vannak zárva a helyükre. Avogadro ötletét kortársai nem vették komolyan (még maga Dalton sem), ám az 1850-es évek végére Stanislao Cannizzaro újra felhasználta a gondolatát. Felismerte, hogy Avogadro modellje jó lehetőséget teremt arra, hogy megmérjük az egyes atomok és molekulák súlyát. Ha ugyanis ki tudjuk számítani a molekulák pontos számát egy adott térfogatú gázban, valamekkora hőmérsékleten és nyomáson (általában 0°C hőmérsékletet és egységnyi légköri nyomást használunk), akkor a gáz teljes súlyát elosztva a molekulák számával pontosan egyetlen részecske súlyát kapjuk meg. Vegyünk 0°C hőmérsékleten és egységnyi légköri nyomáson 2 gramm hidrogéngázt! (Ez nagyjából 13 liter térfogatot tölt ki.) Ebben az anyagban a molekulák számát Avogadro-számnak nevezik. Ugyanennyi részecskéből álló oxigéngáz 32 grammot nyom. Kémiailag bizonyított, hogy az oxigén és hidrogén egyaránt kétatomos molekulákból áll. Mivel az általunk vizsgált 32 grammos oxigén ugyanannyi molekulát tartalmaz, mint a hidrogén két grammja, azonnal tudjuk, hogy egy oxigénatom tizenhatszor nehezebb, mint egy hidrogénatom. Ezzel a módszerrel a tudósok könnyen meghatározhatták az elemek relatív atom- és molekulasúlyait, de hogy valóságos, konkrét súlyértékeket kapjanak, meg kellett mérniük magát az Avogadro-számot is. Ez már nehezebb feladatnak bizonyult. Több irányból meg lehet közelíteni a problémát. Mi csak egyetlen lehetőséget említünk meg: Johann Loschmidt 1860-as évek közepén használt módszerét. Emlékezzünk vissza, hogy a gázban sok üres tér van a molekulák között, a folyadékban viszont a részecskék összezsúfolódnak. Loschmidt ki tudta fejezni egy dobozba zárt gáz nyomását az Avogadro-számból - amely meghatározza, hogy egy molekula átlagosan mekkora távolságot tesz meg két ütközés között (mean free path) - és a gázban lévő „üres" tér térfogatából. Hogy megállapítsa, mennyi üres tér van a részecskék között, Loschmidt csepp-

MUTATÓ • 21

folyósította a gázt, és megmérte, mennyi folyadék keletkezett. (Pontosabban, felhasználta a folyékony oxigén és nitrogén sűrűségadatait, amelyet más tudósok mértek meg.) A folyadékban összeérnek a részecskék, ezért a cseppfolyósított gáz térfogatának összezsugorodásából meg lehet határozni, mennyi üres tér volt a gáz molekulái között. Loschmidt összevetette az Avogadro-számból kifejezett nyomásértéket a gáz valódi, műszerekkel mért nyomásával, és megkapta, hogy pontosan mennyi molekula van a gázban. Mivel Loschmidt a modern méréseredményekhez képest pontatlan sűrűségadatokat használt a számításaiban, az eredmény is pontatlan lett: 0,5 * 1023. Albert Einstein más technikát alkalmazva határozta meg az Avogadro-állandót, és 1911-ben 6,6 * 1023 értéket kapott. A ma ismert legpontosabb érték 6,022045 * 1023, tehát több mint hatszázezer milliárdszor milliárd. Ennyi atom van egyetlen gramm hidrogénben vagy tizenhat gramm oxigénben. Ebből nem nehéz kiszámolni: 0,17 * 10 2 3 gramm egy hidrogénatom tömege. A levegő molekulái néhány százmilliomod centiméter átmérőjű részecskék. 0 °C hőmérsékleten és egységnyi légköri nyomáson egyetlen cm3 levegő 4,5 * 10 19 molekulát tartalmaz. A levegőmolekulák mean free path-ja nem nagyobb tizenhárom-milliomod méternél. Egy oxigénmolekula a levegőben 0 °C hőmérsékleten 461 métert repül másodpercenként (nagyjából 17 000 lem/órás sebességgel), miközben minden másodpercben több mint 3,5 milliárd ütközésen megy keresztül. Ezek az ütközések okozzák azt az egyenletes légnyomást, amelyet a bőrünkön érzékelünk. Valójában a kinetikus gázelmélet először 1738-ban jelent meg, Daniel Bernoulli munkájában, akit a 17. század közepén Robert Boyle eredményei ösztönöztek. Boyle felfedezte, hogy ha egy gázt összenyomunk (például dugattyúval), akkor térfogatának változásával fordított arányban változik a nyomása - fele akkora térfogaton kétszer akkora nyomású gázt kapunk. Bernoulli a jelenséget a kinetikus gázelmélettel magyarázta (tehát az anyag atomjainak, molekuláinak mozgásával), és arra is rájött, hogy a gáz hőmérséklete és nyomása közti kapcsolat (a gázt felmelegítve nő a nyomás), szintén megmagyarázható a gázrészecskék mozgási energiájának segítségével. Ha ugyanis a gáz felmelegedik, gyorsabban kezdenek mozogni a gázrészecskék, és nagyobb nyomást fejtenek ki az edény falára. Azonban Bernoulli ezekkel a gondolataival jó-

22 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

val megelőzte korát. Abban az időben a legtöbb tudós a hőt valamilyen folyadéknak képzelte el, amely az egyik anyagból a másikba áramlik. Bernoulli kinetikus elméletének nem volt komoly hatása korának tudományára. A kinetikus elméletet kétszer fedezték fel újra (először 1820ban John Herapath, majd 1845-ben John Waterston), de mindkétszer elutasításra talált. Végül az 1850-es években a tudósok nagy része elfogadta, elsősorban James Joule munkásságának köszönhetően. Az elmélet teljes matematikai változata az 1860as években készült el: Rudolf Clausius, James Clerk Maxwell és Ludwig Boltzmann munkája eredményeként. A modell nagyszámú részecske átlagos, statisztikus viselkedésével számol, amelyek apró golyókként ütköznek egymással, Newton mechanikai törvényei alapján ugrálnak, pattognak, repkednek a dobozban - az elméletet ezért statisztikus mechanikának nevezik. íme, egy hatásos példa arra, hogyan lehet a fizikai törvényeket más helyzetben alkalmazni, mint amelyben eredetileg felfedeztük őket. Ráadásul a példa rávilágít a természeti törvény és a modell közti fontos különbségre. Egy fizikai törvény, mint Newton gravitációs törvénye, univerzális igazság. Newton felfedezte, hogy az univerzum bármely két tömeggel rendelkező objektuma erőt fejt ki egymásra. A két test között fellépő erő fordítottan arányos távolságuk négyzetével: ez a híres „inverz négyzetes szabály". Ahogy Newton rámutatott, törvénye segítségével meg lehet magyarázni, miért esik le az alma a fáról, de azt is, miért kering a Hold a Föld körül. Mindkét jelenséget a Föld gravitációs hatása eredményezi. A gravitáció törvénye alapján le lehet írni azt az erőt, amely a Földet a Nap körüli keringési pályán tartja, és azt a hatást, amely folyamatosan lassítja a világegyetem tágulását. Habár a törvény egy abszolút, univerzális igazság, Newton maga sem tudta, mivel magyarázza - nem volt modellje a gravitáció működésére. „Hypotheses non fingo" („Nem alkotok hipotéziseket") - hangoztatta Newton, s valóban nem próbálta megfejteni, miért követi a gravitáció törvénye az inverz négyzetes szabályt. Einstein általános relativitáselmélete azonban olyan modellt állított a gravitáció működéséről, amelyből ez automatikusan következik. Ahelyett, hogy az általános relativitáselmélet megdöntötte volna Newton gravitációról alkotott elképzeléseit (ahogy sokan gondolják),

MUTATÓ • 23

Einstein megerősítette Newton elgondolásait, mert meg tudta magyarázni a gravitációs erőtörvényt. (Ráadásul túlmutatott az eredeti newtoni elképzeléseken, hiszen elmélete szélsőséges körülmények között is le tudja írni a gravitáció viselkedését; lásd később.) Bármely modellnek, ha meg akarja magyarázni a gravitáció jelenségét, meg kell jósolnia az inverz négyzetes erőtörvényt. Ez azonban még nem jelenti, hogy egy ilyen elmélet végérvényesen igaz: a fizikusok bíznak benne, hogy egy nap kifejlesztik majd a gravitáció kvantumelméletét, amely már túl fog mutatni Einstein elméletén is. Egyben biztosak lehetünk: ennek az új modellnek ugyancsak meg kell majd jósolnia az inverz négyzetes szabályt. Bármilyen új elmélettel és modellel állnak elő a fizikusok, a bolygók Nap körüli keringése nem változik meg, és az alma sem fog visszahullani a fára. A gravitáció valójában nagyon gyenge erő - hacsak nem nagyon nagy tömeg fejti ki. Az egész Föld gravitációs hatására szükség van ahhoz, hogy egy alma leessen a fáról a földre, de már egy kétéves gyerek fel tudja venni az almát a földről, leküzdve a bolygó gravitációjának vonzóerejét. Egy molekulákkal és atomokkal töltött gázzal teli dobozban a részecskék közti gravitációs hatások olyan gyengék (a részecskék csekély tömege miatt), hogy gyakorlatilag teljesen elhanyagolhatók. A statisztikus mechanika kutatói már a 19. században rájöttek, hogy a gázrészecskék viselkedésében Newton további mechanikai törvényei játszanak fontos szerepet. Három Newton-törvény van, s ezek mai ésszel maguktól értetődőnek tűnnek - mégis az egész fizikai alapját képezik. Az első törvény kimondja, hogy bármely test áll, vagy egyenes vonalú, egyenletes mozgást végez, amíg nem hat rá semmilyen erő. Ha jobban belegondolunk, ez nem egy mindennap tapasztalt jelenség, mert valahányszor a Földön egy testet mozgásba hozunk (például elrúgunk egy labdát), előbb-utóbb meg fog állni a súrlódás miatt. Newton érdeme az volt, hogy helyesen ítélte meg, hogyan viselkednek a dolgok, ha nem lép fel súrlódás - hogyan mozog egy sziklatömb a világűrben, hogyan repkednek az atomok egy gázzal teli dobozban. (Bár nem Newton dolgozta ki a gázok kinetikus elméletét, lelkes híve volt az atommodellnek, s egyszer azt írta, hogy az anyag „primitív részecskékből épül fel... amelyek min-

24 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

den belőlük összeállt porózus anyagnál összehasonlíthatatlanul keményebbek; olyannyira kemények, hogy soha nem kopnak el, és nem esnek szét darabokra.") Newton második törvénye szerint, ha egy testre erő hat, akkor az felgyorsítja, s mindaddig, amíg az erőhatás érvényben van, a test gyorsul. (A gyorsulás azt jelenti, hogy a test sebessége vagy mozgásának iránya, vagy mindkettő megváltozik; a Hold például gyorsulva mozog a Föld körül, mert bár keringési sebessége változatlan, a keringés következtében mozgásiránya állandóan más és más.) A test gyorsulása a testre ható erő és a test tömegének hányadosával egyenlő (vagy fordítva: az erő nagysága megegyezik a gyorsulás és a tömeg szorzatával). Ez a szabály egyezik a tapasztalatainkkal is - nagyobb tömegű testet nehezebben lehet mozgásba hozni. Végül, Newton harmadik törvénye azt mondja ki, hogy ha egy objektum erőt fejt ki egy másikra, akkor ugyanakkora, ám ellenkező irányú erőhatás is fellép, amellyel a másik test hat az elsőre. Amikor elrúgunk egy labdát (vagy egy szikladarabot) az erő, amelyet a lábunk kifejt a labdára (illetve a szikladarabra), elmozdítja a testet, de közben a test ellenkező irányú erővel hat a lábunkra, amelyet mi is érzékelünk. Ahogy a Föld vonzza a gravitációs erejével a Holdat, úgy vonzza a Hold is Földet, ellenkező irányú erővel. Ahelyett, hogy azt mondanánk, a Hold kering a Föld körül, azt kellene mondanunk, hogy mindkét égitest egy közös gravitációs középpont körül mozog - igaz, a Föld jóval nagyobb tömegű a Holdnál, és ezért az egyensúlyi pont a Föld felszíne alatt található. Az akció és reakció egyenértékűsége szerint, amikor egy alma leesik a földre, valójában a Föld is elhanyagolhatóan kicsit „esik" az alma felé. Newton harmadik törvénye arra is magyarázatot ad, miért rúg vissza a puska, amikor elsül, illetve milyen elven működnek a rakéták: üzemanyagot löknek ki magukból, s a kidobott anyag löki őket el az ellenkező irányba. E három törvény az univerzum egészére alkalmazható: akár a bolygók keringését lehet velük magyarázni, ahogy Newton is tette, akár mindennapi világunk mechanikai jelenségeit. Ellenőriz-

MUTATÓ • 25

hetjük őket kísérletekkel; például megmérhetjük egy lejtőn guruló labda sebességét, vagy golyókat ütköztethetünk egymással. Mivel a Newton-törvények univerzális szabályok, alkalmazhatónak kell lenniük az atomok és molekulák mérettartományában is, hogy a statisztikus mechanika és a gázok kinetikus elméletének alapjai legyenek - bár a modern kinetikus elméletet majdnem két évszázaddal azután dolgozták ki a fizikusok, hogy Newton a mechanika három alapszabályát leírta. Meg kell jegyeznünk, hogy ezeket a törvényeket nem Newton találta ki; ő csak felfedezte őket. Az említett szabályok a világegyetem törvényei, és azelőtt is működtek, mielőtt Newton észrevette volna őket, olyan tartományokban is, ahol eredetileg nem is vizsgálta a mechanikai jelenségeket. Jó oka volt annak, hogy a kinetikus gázelméletet és a statisztikus mechanikát a 19. század közepén kezdték elfogadni a tudósok. Az ipari forradalom Európájában, a gőzenergia korszakában egyre fontosabbá vált a termodinamika tudománya. A termodinamika fő gondolatai szintén összefoglalhatók három szabályban. Ezek az összefüggések nemcsak a hatékony gőzgépek tervezésében és megépítésében váltak a tudósok hasznára, hanem a természettudományok teljes területén nagy fontossággal bírnak. A termodinamika első törvényét sokan az energia megmaradásának törvényeként ismerik. Kimondja, hogy egy zárt fizikai rendszer összes energiája időben állandó marad. A Nap nem számít zárt rendszernek, mert energiát szór szét az űrben, és a Föld sem zárt rendszer, mert energiát kap a Naptól. De ha egy elszigetelt laboratóriumi kémcsőben kémiai reakciókat tanulmányozunk, akkor a folyamatok során a rendszer összes energiája állandó. Ugyanez a helyzet egy dobozba zárt gáz esetében, ahol a gázrészecskék energiájának összege nem változik. Ha egy nagy sebességű, sok mozgási energiát szállító részecske nekiütközik egy lassú, kevés mozgási energiájú részecskének, valószínűleg a gyors részecske energiát veszít, lelassul, a lassú pedig energiát nyer, felgyorsul. De a két részecske által vitt összes energia az ütközés előtt és az ütközés után azonos mennyiségű lesz. Amióta Einstein a 20. század elején megalkotta a speciális relativitáselméletet, tudjuk, hogy a tömeg voltaképpen az energia egyik formája, és megfelelő körülmények között (egy nukleáris erőmű belsejében vagy a Nap központjában) az energia és a tömeg át tud

26 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

alakulni egymásba. Ezért a termodinamika első tételét ma nem csupán az energia-megmaradás törvényének, hanem az energiaés a tömeg-megmaradási törvénynek is nevezik. A termodinamika második törvénye kétségtelenül az egész természettudomány legfontosabb elvét mondja ki: a dolgok elkopnak és pusztulnak. Maradjunk a hő példájánál, hiszen a gőzgép idején is ezzel kapcsolatban fedezték fel a tudósok az összefüggést. A második törvény azt állítja, hogy a hő saját magától soha nem fog a hidegebb helyről a melegebb helyre áramlani. Ha egy jégkockát belepottyantunk egy csésze forró teába, a jég megolvad, és a tea lehűl. Fordítva soha nem tapasztaljuk. Olyan nem történik, hogy a langyos tea felforrósodik, és közben egy jégkocka formálódik a csésze közepén, bár ez a folyamat nem sértené az energia megmaradásának törvényét. A törvény másik megnyilvánulása: ha magára hagyunk egy téglából épített falat, az előbb-utóbb lepusztul, elmállik, kőhalom lesz belőle, de fordítva nem zajlik le a folyamat, a magára hagyott kőhalom nem alakul rendezett téglafallá. 1920-ban az asztrofizikus, Arthur Eddington így foglalta össze a második törvény jelentőségét a The Nature of the Physical World című könyvében: Úgy vélem, a termodinamika második törvénye a természet összes törvénye közül a legfontosabb. Ha kedvenc elméleted az univerzumról összeegyeztethetetlen a Maxwell-egyenletekkel - talán éppen a Maxwell-egyenletekben van a hiba. Ha az elméleted nem egyezik a kísérleti megfigyelésekkel - nos, a kísérleti fizikusok gyakran melléfognak. De ha az elméleted a termodinamika második törvényével ellenkezik, akkor nem sok reményt adhatok; nincs más hátra, mint alázatosan elvetni az egészet.

A termodinamika második törvénynek sok köze van az entrópia nevű mennyiséghez, amely a világegyetem rendezetlenségét méri. (Pontosabban: egy zárt fizikai rendszerben, például egy laboratóriumi kémcsőben fellépő rendezetlenségét.) Mivel egy zárt rendszer entrópiája nem csökkenhet, minden folyamat magasabb entrópiájú állapot felé viszi a rendszert. Egy csésze teában lebegő jégkocka rendezettebb (alacsonyabb entrópiájú), mint a langyos tea. A jég megolvad, a tea kihűl, mert a rendszer a rendezett állapotból a rendezetlen felé halad.

MUTATÓ • 27

Mivel az egész világegyetem egy zárt fizikai rendszernek tekinthető, az univerzum összes entrópiája szükségképpen növekszik. Bolygónk, mint már említettük, nem zárt rendszer, hiszen folyamatosan energiát kap a Naptól. A rendszeren kívülről érkező energia teszi számunkra lehetővé, hogy rendezetlenségből rendezettséget hozzunk létre (például házat építsünk egy halom téglából); a földi életfolyamatokkal járó entrópia-csökkenést a Nap belsejében végbemenő folyamatok entrópia-növekedése kompenzálja. Ha esetleg csodálkozna az olvasó, ugyanez a jelenség megy végbe kisebb méretekben, amikor lehűtjük a frizsider belsejét, hogy jégkockákat készítsünk. Ilyenkor arra kell energiát használnunk, hogy hőt pumpáljunk ki a frizsiderből, és ez a folyamat jobban megnöveli a világegyetem entrópiáját, mint amennyire a hűtőszekrény belsejében az entrópia lecsökken. Ha egy zárt szobában magára hagyunk egy frizsidert, amelynek nyitva van az ajtaja, és a motorja is működik, a szoba nem hűl le, ahogy elsőre gondolnánk, hanem egyre melegebb és melegebb lesz, hiszen a felforrósodó motor elpazarolt energiája jobban melegíti, mint amennyire a nyitott frizsider hűti. A hőről és a hőmérsékletről alkotott hétköznapi szemléletünkkel a termodinamika harmadik törvénye is egyezik. Habár eddig csak általánosságban esett szó a hő és az entrópia kapcsolatáról, van a két mennyiség között egy pontos matematikai összefüggés, amely azt mutatja, hogy ha egy test lehűl, egyre nehezebb belőle energiát nyerni. Ez a tény mindennapi tapasztalataink alapján nyilvánvaló, és megmagyarázza, miért voltak az ipari forradalom alatt a gőzgépek olyannyira fontosak. A forró gőzt hasznos munkára lehetett befogni, dugattyúkat működtetett, kerekeket hajtott. Egy játékmotor, amelynek a dugattyúit hidegebb gáz hajtja, ugyanúgy működik, de nagyon kicsi hatékonysággal. 1840-ben William Thomson (akit késó'bb Lord Kelvinnek neveztek) kitalálta az abszolút hőmérsékleti skálát, amelyen az a hőmérséklet számít nulla-pontnak, ahol már nem lehet hőt (vagy más energiát) elvonni a rendszertől. A termodinamika törvényei pontosan meghatározzák ezt a nulla hőmérsékletet, így Thomson ki tudta számítani, annak ellenére, hogy nem sikerült ennyire lehűtenie semmilyen testet. Az abszolút nulla hőmérséklet -273 °C körül van. Ezt ma már 0 kelvinnek is nevezzük. A Kelvin-skála

28 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

pontosan ugyanakkora egységekkel van beosztva, mint a Celsiusskála, így a jég olvadáspontja 273 kelvin hőmérsékletre esik. A termodinamika harmadik törvénye szerint soha nem lehet egy testet 0 kelvinre hűteni, bár ha elég intenzíven hűtjük, tetszőlegesen megközelíthetjük az abszolút nulla hőmérsékletet. Ha egy objektum hőmérséklete elérné az abszolút nullát, a lehető legalacsonyabb energiaállapotba kerülne, és nem lehetne rávenni, hogy munkát végezzen. Tréfásan tehát így lehetne összefoglalni a termodinamika három alaptörvényét: 1. Nem győzhetsz. 2. Még a döntetlenre sincs esélyed. 3. Nem szállhatsz ki a játékból. A kinetikus gázelmélet és a statisztikus mechanika sikere sok fizikust meggyőzött, hogy az atomok tényleg léteznek. Ám egészen a 19. század végéig számos kémikus még mindig gyanakvással fogadta az atomok koncepcióját. Ez meglehetősen furcsának tűnhet számunkra: az 1860-as évek végére ugyanis (amikor a kinetikus elmélet szintén nagy sikereket ért el) a tudósok olyan szabályosságokat fedeztek fel a különböző elemek tulajdonságaiban, amelyeket ma teljes egészében az atomok sajátosságaival magyarázunk. Az első próbálkozás, hogy a tudósok atomsúlyuk szerint sorba állítsák az elemeket (a legkönnyebb elem, a hidrogén súlyát egységnyinek tekintve), az 1820-as években Jöns Berzelius nevéhez fűződik, de nem járt nagy sikerrel. (Berzelius egyébként nem fogadta el Avogadro hipotézisét.) Az igazi áttörés 1860 után következett, amikor Cannizzaro újra felhasználta Avogadro ötletét, és meggyőzte sok munkatársát, hogy az atomsúly hasznos koncepció a kémiában. Ám még ezután is sok időbe telt, hogy az új elképzeléseket elfogadják a tudósok. A nagy felfedezés az volt, hogy ha az elemeket atomsúlyuk szerint sorba rendezzük, akkor a hasonló tulajdonságú elemek szabályos távolságnyira szerepelnek egymástól a listán - a 8-as, a 16-os és a 24-es atomsúlyú elemeknek hasonló tulajdonságaik vannak, ahogy a 17-es és a 25-ös elemeknek is és így tovább. A következő lépés magától értetődő volt: az elemeket táblázat-

MUTATÓ • 29

ba foglalják a kutatók, amelyben a hasonló tulajdonságú anyagok egymás alatt, egy oszlopban szerepeltek. Az 1860-as évek elején a francia kémikus, Alexandre Beguyer de Chancourtois és a brit kémikus, John Newlands egymástól függetlenül a táblázat különböző változatait dolgozta ki, munkájukat azonban elutasították. Ami még ennél is rosszabb, Newlands ötletéből a kortársai gúnyt űztek, mondván, hogy az atomsúlyuk alapján listát írni az elemekből nincs több értelme, mint ábécérendbe állítani őket. Ez persze értelmetlen és arrogáns tréfa volt; amíg az ábécé önkényes emberi konvenció, addig az elemek atomsúlya alapvető, létező fizikai tulajdonság. Ebből is jól látszik, milyen távol álltak a kémikusok az 1860-as évek közepén attól, hogy az atomokat valóságos részecskeként fogadják el. Az 1860-as évek végén a német Lothar Meyer és az orosz Dimitrij Mengyelejev egymástól függetlenül és Beguyer de Chancourtois és Newlands munkáját nem ismerve kidolgozták, hogyan lehetne a kémiai elemeket egy periodikus táblázatba rendezni (amely leginkább egy sakktáblára emlékeztetett). Az elemeket ők is atomsúlyuk alapján állították sorba, és így a hasonló kémiai tulajdonságú elemek egymás alatt szerepeltek a táblázatban. A táblázatot ma Mengyelejev periodikus rendszerének nevezzük, a legtöbb könyv Meyer és a másik két tudós úttörő munkáját csupán mellékesen említi meg. Mengyelejev ugyanis elég bátor volt ahhoz, hogy átrendezze az elemek eredeti sorrendjét, hogy biztosan hasonló kémiai tulajdonságú elemek kerüljenek egy oszlopba, még ha ezzel az eredeti atomsúly alapján vett elrendezés egy kicsit össze is keveredett. A változtatások csak kicsit módosították a táblázatot. Például a tellurnak 127,61 az atomsúlya, a jódnak valamivel kevesebb, 126,91. A két elemet felcserélve Mengyelejevnek sikerült a jódot a kémiailag nagyon hasonló bróm alá helyeznie, a tellurt pedig a szelén alá, amely kémiai szempontból ugyancsak közeli rokona. Ma már tudjuk, hogy Mengyelejevnek igaza volt, amikor ezeket a módosításokat megtette. Egy atom súlya ugyanis attól függ, hány proton és neutron van a magjában, kémiai tulajdonságait viszont egyedül a protonjainak száma határozza meg (lásd a következő fejezetben) - a 19. században azonban sem a protont, sem a neutront nem ismerték, így Mengyelejev fizikailag nem magyarázhatta meg, miért kellett az eredeti, atomsúly szerinti sorrendet átrendeznie.

30 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

Mengyelejev legbátrabb lépése végül egyértelműen bebizonyította, hogy a periodikus rendszer az elemek alapvető tulajdonságairól szól, nem pedig egy önkényes konvenció. Kihagyott helyeket a táblázatában ott, ahol nem talált arra a helyre illő, ismert elemet. 1871-re elkészített egy táblázatot, amely az akkorra felfedezett 63 elemet tartalmazta, és meglepő periodikusságot mutatott: azok az elemek, amelyek atomsúlya a 8-nak (vagyis 8 hidrogénatom súlyának) többszörösei voltak, egyező kémiai tulajdonságokkal rendelkeztek. Hogy fenntartsa a szabályosságot, Mengyelejev amellett, hogy felcserélte a tellur és a jód helyét, három helyet kihagyott a táblázatban. Azt állította, hogy rövidesen új elemeket fedeznek majd fel a kémikusok, amelyek beillenek a táblázat kihagyott helyeire. A három elemet, amelyek pontosan a megjósolt tulajdonságokkal rendelkeztek, a következő tizenöt évben valóban felfedezték: a galliumot 1875-ben, a szkandiumot 1879-ben és a germániumot 1886-ban. Mengyelejev jóslatai beváltak, s ez végképp meggyőzte a kutatókat a periodikus táblázat hasznáról. A kémikusok újabb és újabb elemeket fedeztek fel, amelyek mind beleillettek Mengyelejev rendszerébe, és így egyre többen lelkesen fogadták az elképzeléseit. Jelenleg 92 elemet ismerünk, amely a Földön természetes körülmények között előfordul, és több mint 20 nehezebb elemet, amelyeket a kutatók mesterséges úton, részecskegyorsítókban hoztak létre. A 20. század során, ahogy a tudósok az atomok struktúráját is megismerték, a periodikus táblázat elrendezése tovább tökéletesedett. Csakhogy Mengyelejev periodikus rendszerének a 19. század utolsó harmadában való nagy sikere ellenére még mindig nem bizonyosodott meg mindenki az atomok létezéséről. Az „atomhipotézis" - ahogy Feynman nevezte - végső diadala csak a 20. század első évtizedében történt - leginkább annak az embernek köszönhetően, akinek munkája az egész 20. századi fizika egyik legnagyobb teljesítménye: Albert Einsteinnek. Einstein biztosan egyetértett volna Feynmannak azzal a véleményével, hogy az atom-hipotézis a tudomány egyik legfontosabb gondolata. Korai tudományos kutatásait szándékosan annak szentelte, hogy különböző módszerekkel bebizonyítsa az atomok és molekulák valódiságát. Különösen 1905-ben befejezett doktori értekezésében foglalkozott a problémával, majd a kérdést külön-

MUTATÓ • 31

böző oldalakról vizsgálta sorra megjelenő tudományos dolgozataiban, és módszereket fejlesztett ki, hogyan lehet az Avogadroszám pontos értékét megállapítani. Ez is jól mutatja, mennyire idegenkedtek a tudósok, hogy elfogadják az atomok gondolatát: egy olyan éles látású fizikus, mint Einstein, a 20. század elején még mindig fontosnak tartotta, hogy ezzel a kérdéssel foglalkozzon. Nem kétséges, mi járt a fejében, amikor a munkáját végezte. Ahogy később maga írta Max Bornnak: „Legfőbb célom az volt, hogy tényeket találjak, amelyek bizonyítani tudják az atomok létezését." Einstein doktori értekezésében megpróbálta kiszámítani azoknak a vízben oldott cukormolekuláknak az arányát, amelyek keresztülfolytak egy féligáteresztő membránon, majd összehasonlította a kalkulációit más tudósok által végzett kísérletek eredményeivel. Ahogy annak idején Loschmidt, most ő is felhasználta a számításaiban a gázok mean free path-ját, a molekulák méretét, és így próbálta kitalálni az Avogadro-számot. Ám Einstein soha nem volt kísérleti fizikus, mindig megbízott a más tudósok által elvégzett kísérleti eredményekben. 1905-ben az Avogadro-számra kapott értéke 2,1 * 10 23 volt - nem azért, mert hiba csúszott a számításaiba, hanem mert a mérési adatok, amelyeket felhasznált, nem voltak elég pontosak. Ugyanez a számítás, pontosabb mérési eredményekből kiindulva, 1911-ben az Avogadro-számra már 6,6 * 10 23 értéket eredményezett. 1905-ben Einstein egy másik úton is megpróbálta bizonyítani az atomok létezését. Ehhez felhasznált egy jelenséget, amelyet Brown-mozgásnak neveznek, Robert Brown, skót botanikus után. Brown 1827-ben mikroszkópjában észrevette, hogy a vízben lebegő pollenszemcsék kiszámíthatatlan cikcakkmozgást végeznek. A meglepő felfedezést először úgy értelmezték a tudósok, hogy a pollenszemcsék apró, élő szervezetek, de hamarosan világossá vált, hogy ugyanilyen furcsa cikcakkban mozognak a levegőben szállingózó porszemek is, amelyek nyilván nem lehetnek élőlények. Az 1860-as években néhány fizikus úgy gondolta, hogy az apró szemcséket a folyadék molekulái lökdösik, és ez eredményezi a Brown-féle mozgást. (Ezért mozognak hasonlóan a levegőben lebegő cigarettafüst részecskéi is.) De elképzelésüknek nem volt sikere abban az időben, mert feltételezték, hogy a szemcsék elmozdulását egyetlen molekula lökése okozza. Ha így volna, akkor a

32 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

molekulának nagyon nagy méretűnek - a meglökött szemcsével összemérhető nagyságúnak - kellene lennie, amely nyilvánvalóan nem igaz. Einstein más oldalról közelítette meg a problémát. Meg volt győződve, hogy az atomok és molekulák léteznek, és másokat is igyekezett meggyőzni ugyanerről. Rájött, hogy a folyadék molekulái a lebegő részecskét egyfolytában lökdösik, és megpróbálta kiszámolni a mozgást, amelyet egy szemcse végezhet a lökdösések eredményeképpen. Nem sokat tudott a Brown-mozgás problémájának történetéről. Munkái során soha nem olvasott eleget a szakirodalomban azokról a kérdésekről, amelyek őt érdekelték, jobban szerette maga kidolgozni az alapvető elvekből kiindulva a fontosabb eredményeket. E témával foglalkozó első dolgozatában kiszámolta, hogyan kellene mozognia a folyadékban lebegő szemcséknek, és óvatosan így fogalmazott: „Lehetséges, hogy az itt tárgyalt mozgás megfelel az ún. Brown-féle molekuláris mozgásnak." Munkatársai, akik elolvasták a dolgozatát, megerősítették, hogy a részecskék mozgása, amit matematikailag sikerült leírnia, pontosan megfelel a Brown által megfigyelt jelenségeknek. Einsteint leginkább az ragadta meg a jelenséggel kapcsolatban, hogy ha mikroszkópon keresztül megfigyeljük az apró, folyadékban lebegő szemcséket, közvetlenül, saját szemünkkel láthatjuk a molekulák hőmozgásának bizonyítékát. Ahogy 1905-ben írta: „A hő molekuláris-kinetikus elmélete szerint a folyadékban lebegő szemcsék olyan mozgásokat végeznek, amelyek könnyen megfigyelhetők mikroszkóp segítségével." Einstein arra alapozta a számításait, hogy még egy olyan apró objektumot is, mint egy pollenszemcse, minden oldalról, minden pillanatban nagyszámú molekulának kell lökdösnie. Amikor a pollen az egyik irányba elmozdul, az nem azért van, mert egyetlen nagy, erőteljes lökést kapott abba az irányba, hanem ideiglenes egyenlőtlenség lépett fel a lökdöső molekulák számában abban a pillanatban egy kicsit több molekula lökte az egyik oldalról, mint a másikról. Einstein elegáns matematikai módszerrel kidolgozta a molekulák lökdösésének statisztikáját, és kiszámolta a cikcakk-pályákat, útvonalakat, amelyeket a pollenszemcséknek követniük kell a lökdösődések következtében. Eszerint minden apró mozgás véletlenszerű irányban történik, de ha megnézzük, hogy egy részecske milyen messze került el a kiindulási helyétől, akkor

MUTATÓ • 33

a távolság arányosan növekszik az eltelt idő négyzetgyökével. Négy másodperc alatt kétszer, tizenhat másodperc alatt négyszer messzebbre vándorol el a szemcse, mint egyetlen másodperc alatt. Az irány, amerre elsodródik, véletlenszerű. Ezt a jelenséget ma „véletlen vándorlásnak" nevezzük, és sok más tudományterületen felbukkan - például az elbomló radioaktív atomokról szóló elméletekben. Einstein számára világos volt, mi a kapcsolat a Brown-mozgás és az Avogadro-szám között. Ki is dolgozott néhány módszert, hogyan lehetne kísérletileg tanulmányozni a folyadékban lebegő részecskék pontos mozgását, és ezek alapján meghatározni az Avogadro-állandót. Ám mint mindig, most sem ő végezte el a kísérleteket, hanem egy francia fizikus, Jean Perrin. Perrin azt tanulmányozta, hogyan helyezkednek el a folyadékokban lebegő részecskék, és úgy találta, hogy rétegek alakulnak ki: a szemcsék többsége az edény aljára süllyed, de néhány közülük feljebb emelkedik. A részecskék, amelyek a gravitáció vonzó ereje ellenére magasabban helyezkednek a folyadékban, azért tudnak fent maradni, mert Brown-mozgást végeznek, és a folyadék molekulái felfele lökdösik őket. A magasságot, amelyet egy-egy ilyen szemcse elérhet, az alulról érkező lökések száma határozza meg - ez viszont a molekulák számától, tehát az Avogadro-állandótól függ. 1908-ban Perrin ezzel a technikával meghatározta az Avogadroszám értékét, és a más módszerekkel megállapított értékekhez nagyon közeli eredményt kapott. Kísérletei és Einstein számításai végképp eldöntötték a vitát: az atomok létezéséhez többé nem férhetett kétség. Einstein ezt írta Perrinnek 1909-ben: „Azt hittem, lehetetlen ilyen precízen tanulmányozni a Brown-mozgást." Perrin ugyanabban az évben így válaszolt: Szerintem az a lehetetlen, hogy egy elme, minden előfeltevéstől mentesen fel tudja tárni a jelenségek végtelen változatosságát, amelyek végül ugyanarra az eredményre vezetnek. Úgy gondolom, a molekuláris hipotézissel szemben tanúsított ellenséges magatartást mostantól igen nehéz lesz ésszerű érvekkel megindokolni. Reméljük, már az olvasó is meggyőződött arról, hogy az atommodell helyes. Ám mielőtt továbblépünk, hogy bepillantsunk az ato-

34 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

mok belsejébe, még egy érdekes jelenséget megemlítünk, amelyből ugyanezt a következtetést lehet levonni. Miért kék az ég? Először John Tyndall foglalkozott a problémával, az 1860-as években, de Albert Einstein adta meg a végső magyarázatot. Tyndall rájött, hogy a jelenségnek egyszerű az oka: a kék fény könnyebben szóródik az égbolton, mint a vörös. A Napból érkező fénysugarak a szivárvány minden színét tartalmazzák (a fény egész látható spektrumát). A látható tartomány egyik oldalán a vörös szín található, a másikon a kék, az indigó és az ibolya. A különböző színek összekeveredve adják a fehér fényt. Mivel a vörös fénynek hosszabb a hullámhossza, mint a kéknek, nem szóródik olyan könnyen a kis részecskéken. Tyndall eredeti ötlete szerint azért kék az égbolt, mert a Napból származó fénysugarak kék színű összetevői jobban szétszóródnak a levegőben található porszemeken és folyadékcseppeken, mint a vörös összetevők. Tyndallnak nem volt teljesen igaza. Az ilyen típusú fényszóródás megmagyarázza, miért vörös az égbolt naplementekor és napfelkeltekor - a vörös fény könnyebben áthatol a horizonthoz közeli por- és ködrétegen. Ám azoknak a részecskéknek, amelyek az egész égbolton szétszórják a kék fényt, a porszemcséknél is jóval kisebbeknek kell lenniük. A 19. század végén és a 20. század elején már sok fizikus gondolt arra, hogy a szóródást maguk a levegő molekulái okozzák, de Einstein volt az, aki elvégezte a végső számításokat, és egy 1910ben írt dolgozatában bebizonyította, hogy valóban erről van szó. Ezzel egy újabb módszert talált, amellyel meg lehet határozni az Avogadro-számot. Nem kell tehát mikroszkópba néznünk, hogy bizonyítékot találjunk a molekulák és az atomok létezésére - elég csak egy felhőtlen délután a kék égre pillantanunk. Nehéz elképzelni az atomok parányi méreteit. Emlékezzünk vissza; néhány grammnyi anyagban a molekulák számát az Avogadro-állandó fejezi ki. Csupán 32 gramm oxigén több mint 6 * 1023 oxigénmolekulát tartalmaz. Könyvünkben később szó esik majd az univerzum nagy léptékű szerkezetéről. A Nap és a naprendszer egy korong alakú galaxis, a tejútrendszer része, amely néhányszor százmilliárd (10 11 ) csillagot tartalmaz - e csillagok nagy része hasonlít a Napra. Távcsöveink segítségével az egész világegyetemben szintén néhányszor

MUTATÓ • 35

százmilliárd galaxist láthatunk. Egy kutatási program, amelyben a Sussex University kutatójaként én is részt vettem, megmutatta, hogy galaxisunk valamivel kisebb, mint egy átlagos korong alakú galaxis. Akkor hát hány csillag világít összesen az univerzumban? Összeszorozva a számokat 10 22 -10 23 értéket kapunk. Ez a szám még mindig kevesebb, mint az Avogadro-állandó, ami azt jelenti, hogy csupán 32 gramm oxigénben több molekula található, mint ahány csillag van az egész látható világegyetemben. Az emberi tüdő maximális kapacitása nagyjából hat liter. Ha veszünk egy mély levegőt, több molekula kerül a tüdőnkbe, mint ahány csillag található a kozmoszban. Ahhoz, hogy ilyen sok molekula elférhessen ilyen kis mennyiségű anyagban, a molekuláknak (és az atomoknak) nagyon kicsinek kell lenniük. Több módszerrel ki lehet számítani az atomok és molekulák méreteit: a legegyszerűbb, ha megmérjük egy Avogadroszámú részecskét tartalmazó szilárd anyag vagy folyadék (például 32 gramm cseppfolyósított oxigén) térfogatát, és elosztjuk a benne található részecskék számával. Ez az eljárás Cannizzaro kutatására emlékeztet, igaz, ma már sokkal pontosabb kísérleteket is végezhetünk. Ha elvégezzük a számításokat, azt kapjuk, hogy minden atom nagyjából ugyanakkora méretű; a legnagyobb közülük a 0,0000005 mm átmérőjű cézium. Ha egymás mellé helyeznénk tízmillió atomot, csak egy postai bélyeg két csipkéje közötti rést töltenék ki. A 20. század elejére a tudósok elfogadták az apró részecskék gondolatát. Sőt a következő néhány évtizedben a fizika fontosabb eredményei már nem az atomok viselkedéséről szóltak, hanem a részecskék belső szerkezetéről. A fizikusok feltárták az atomi méreteknél tízezerszer kisebb mérettartományokat is, hogy megvizsgálják az atommagot, majd még apróbb és belsőbb tartományokba hatoltak, hogy a természet alapvető részecskéit tanulmányozzák - a 20. század végén ezeket az objektumokat hisszük a világ legalapvetőbb építőelemeinek. Mi zajlik hát az atom belsejében? Ahhoz, hogy megfelelő képet kapjunk erről, először megvizsgáljuk, hogyan rendeződnek az elektronok az atom külső területein, és hogyan hatnak kölcsön a fény részecskéivel.

2 Az atom belsejében

Mielőtt az atomok gondolatát elfogadták volna a fizikában, a tudósok a 19. század második felében az „oszthatatlan részecskék" belső szerkezetét is elkezdték felderíteni - bár sokáig nem tudták, hova vezetnek majd a kutatásaik. Az első eredményeket az elektromosság jelenségének tanulmányozása hozta. A fizikusok kezdettől fogva igyekeztek az elektromos jelenségeket tisztán, önmagukban vizsgálni, hogy pontos képet kapjanak a háttérben működő természeti törvényekről. Amikor áram folyik egy fémvezetékben, az áram viselkedése a vezeték tulajdonságától is függ. Ha két töltött fémlemez között elektromos kisülés megy végbe, a lemezek közé szorult levegőréteg tulajdonságai is befolyásolják a folyamatot. A kutatóknak olyan módszerre volt szükségük, amely segítségével légüres térben lehetett tanulmányozni az elektródák közti kisüléseket. Ez csak az 1880-as évek közepén vált lehetővé, amikor Johann Geissler kifejlesztett egy vákuumszivattyút, amely a tengerszinti légnyomás néhány tízezred részére ritkította a levegőt a tartály belsejében. A kutatók azt vizsgálták, hogy egy ilyen ritkított nyomású tartályban milyen elektromos jelenségek tapasztalhatók. Az üvegcső két végén egy-egy drótot (elektródát) helyeztek el, majd az egyiket, az anódot, pozitív elektromos forrásra kötötték (például egy telep pozitív csatjára), a másikat, a katódot, negatív forrásra kapcsolták (ugyanazon telep negatív csatjára). Hamar világossá vált, hogy a feszültség hatására valami kilép a katódból, és az üres téren keresztül az anód felé terjed. Ez a valami láthatóvá is válik: a csőben maradt levegő felizzik, és egy fénysugár figyelhető meg a két elektróda között. (A berendezés a mo-

AZ ATOM BELSEJÉBEN • 37

dern neoncsövek előfutárának tekinthető.) A kutatók akkor is fényjelenségeket tapasztaltak, amikor a katódból kilépő sugár a cső üvegfalának ütközött. William Crookes részletesen megvizsgálta a kísérletet, és arra a következtetésre jutott, hogy a katódsugarakat valószínűleg a csőben maradt levegő molekulái alkotják. A molekulák a katódtói elektromos töltés vesznek fel, s mivel a negatív töltésű elektróda taszítja, a pozitív elektróda vonzza a negatív részecskéket, ezért azok a katódtói az anód felé mozognak. Crookes elmélete azonban nem bizonyult helyesnek. Egy egyszerű számítás megmutatja, hogy olyan kis nyomáson is, amely a csőben uralkodott, az átlagos távolság, amelyet egy molekula megtehet, két ütközése között csupán fél centiméter. A katódsugarak viszont a nagyobb kísérleti berendezésekben akár egyméteres úton is egyenes vonalban mozogtak az egyik elektródától a másikig. Annak ellenére, hogy Crookes elmélete nem volt helyes, a katódsugarak apró részecskék áramának tűntek. 1895-ben Jean Perrin (akiről már olvashattunk az 1. fejezetben) kimutatta, hogy a titokzatos sugarakat mágneses mező segítségével ugyanúgy el lehet téríteni oldalirányban, mint a negatívan töltött részecskéket. Megfigyelte, hogy ha a katódsugarak fémlemezbe ütköznek, akkor a lemez is negatívan feltöltődik. Perrin olyan kísérleteket tervezett, amelyekkel meg lehetett határozni a katódsugár részecskéinek tulajdonságait. Ám már megelőzte őt Angliában J. J. Thomson, aki elsőként végezte el ezeket a méréseket. Thomson egy zseniális kísérleti berendezést épített, amellyel sikerült megragadni a katódsugarak természetét - maga azonban közismerten kétbalkezes ember volt, így a méréseket a nála ügyesebb kezű kollégái végezték. A tudósok a kísérlet során a katódsugarak útját az egyik irányban mágneses, a másik irányban elektromos térrel befolyásolták, és így sikerült meghatározniuk, milyen erősségű térre van ahhoz szükség, hogy a sugarak továbbra is egyenes vonalban mozogjanak. Ebből az adatból Thomson kiszámította a katódsugárban mozgó részecskék fajlagos töltését, tehát a töltésük és tömegük hányadosát (röviden: e/m). Ez az érték a sugárnyaláb minden részecskéjére érvényes kell legyen, hiszen a részecskék teljesen együtt mozognak a mágneses és elektromos térben. Az első pillanatra nem tűnhet fontos eredménynek, hogy Thom-

38 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

son meghatározta a fajlagos töltést. Ha a katódból kilépő részecskéket azonosítani szeretnénk, a töltésükre és a tömegére különkülön szükségünk van. A felfedezésnek mégis óriási jelentősége volt; Thomson 1897-ben rájött, hogy a részecskék fajlagos töltése nagyjából ezerszerese az abban az időben ismert legkönnyebb töltött részecske, az ionizált hidrogénatom fajlagos töltésének. A hidrogénatom akkor ionizálódik, ha elveszti egyegységnyi elektromos töltését (ma már tudjuk, hogy ez azt jelenti, hogy elveszíti egy elektronját). Thomson felfedezte, hogy a katódsugár részecskéinek éppen ugyanakkora (de ellentétes) töltése van, mint amekkora egy pozitív hidrogénionnak. Ebből az következik, hogy a vizsgált nyalábok részecskéinek tömege csupán ezredrésze lehet a hidrogénatom tömegének. J. J. Thomson 1897-ben, Londonban, a Royal Institutionban jelentette be az eredményeit, és így kommentálta saját felfedezését: „Feltételezni, hogy az anyagnak az atomoknál elemibb, kezdetlegesebb állapota is létezik, egészen megdöbbentő." Két évvel később, 1899-ben, a tudósok további kísérletek során meggyőző bizonyítékokat találtak arra, hogy az apró, negatívan töltött részecskék, az elektronok, valóban léteznek. Néhány éve, 1997-ben a fizikusok világszerte megünnepelték az elektron felfedezésének százéves évfordulóját. A 20. század elején, amikor néhány fizikus (köztük Einstein is) még mindig azon munkálkodott, hogy végső bizonyítékot találjon az atomok létezésére, más kutatók már megpróbálták kidolgozni, milyen lehet az atomok belső struktúrája, és választ kerestek arra a kérdésre, hogyan szabadulhatnak ki elektronok egy olyan rendszerből, amelyről sokáig azt hitték, hogy oszthatatlan. A kutatások egyik fő irányvonala olyan kísérletekből állt, amelyek pozitívan töltött ionok tulajdonságait vizsgálták. Thomson kutatócsoportja kimutatta, hogy ezek az ionok valóban úgy viselkednek, mintha egy-két egységnyi negatív töltésüket elvesztett atomok volnának. A negatív töltések hiánya következtében válik az atom pozitív ionná - pontosan úgy, mintha egy-két elektron lépett volna ki belőle. A 20. század második évtizedében a tudósok felfedezték, hogy a kémiai elemek atomjainak nem feltétlenül ugyanakkora a tömege. Thomson munkatársai egyforma elektromos töltéssel rendelkező ionok fajlagos töltését mérték meg, és a két adatból még ha-

AZ ATOM BELSEJÉBEN • 39

tározták a részecskék tömegét. Kimutatták például, hogy a neon két változatban is létezik a természetben: az egyik változatának hússzor nagyobb a tömege a hidrogénatomnál, a másiknak huszonkétszer. Egy kémiai elem különböző változatait izotópoknak nevezzük. A különféle izotópok létezése megmagyarázza, hogy néhány elem átlagos atomsúlya miért nem pontosan a hidrogén atomsúlyának többszöröse. Az izotópok adnak magyarázatot arra is, hogy Mengyelejev periódusos táblázatának bizonyos elemei kémiai értelemben miért nem illenek a helyükre, ha az elemeket atomsúlyuk alapján állítjuk sorba. Ennek ellenére minden tiszta izotóp atomsúlya a hidrogénatom súlyának többszöröse. Ez az alapvető felfedezés nagyon sokat segített az atomok belső szerkezetének meghatározásában. A fizikusok olyan elméleti modelleket próbáltak kitalálni, amelyek magyarázatot adnak Thomson felfedezésére: az atomok elektronokból és még valami másból épülnek fel. Az első atommodellt Lord Kelvin alkotta 1902-ben. (Kelvin eredeti neve William Thomson volt, de nem volt köze J. J. Thomsonhoz.) Az ő elképzelése szerint az atomok apró, tized nanométer (0,1 * 10"9 méter) átmérőjű gömbök, amelyekben a pozitív töltés egyenletesen oszlik szét, és az elektronok úgy vannak e gömbbe beágyazva, ahogyan a cseresznyék egy cseresznyés süteménybe. Az atomok belsejében azonban energetikai folyamatok zajlanak - ez 1895-ben vált nyilvánvalóvá, amikor Wilhelm Röntgen felfedezte a röntgensugarakat. Sok kortársához hasonlóan Röntgen is katódsugarakkal kísérletezett, és észrevette, hogy ha a sugarak egy testnek ütköznek (például a katódcső üvegfalának), akkor a test ennek hatására új, ismeretlen fajta sugárzást bocsát ki. Röntgen egyik kísérletében egy fluoreszkáló ernyőt használt, amelyet a laboratóriumi asztalán tartott, nem messze a katódcsőtől. Megfigyelte, hogy amikor a katódcső működésben van, a fluoreszkáló ernyőn felvillanások láthatók. A villanásokat, mint később kiderült, a titokzatos röntgensugarak okozzák. Ma már tudjuk, hogy a röntgensugár a fényhez hasonlóan az elektromágneses sugárzás egy fajtája, de a látható fénynél rövidebb hullámhosszú hullámokból áll. Az atomok belső szerkezetének kutatása szempontjából a röntgensugarak felfedezésének fontos következménye volt: ösztönözte a tudósokat, hogy más ato-

40 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

mokból érkező sugárzásokat is keressenek. 1896-ban Henri Becquerel felfedezte, hogy az urán atomjai egy addig ismeretlen sugárzást bocsátanak ki. Ernest Rutherford két év múlva kimutatta, hogy lényegében két különböző atomi sugárzás létezik, amelyet alfának és a bétának nevezett el. Később a kutatók felfedezték a gamma-sugarakat is. Kiderült, hogy a béta-sugárzás valójában nagyon gyorsan mozgó elektronok áramlata, a gamma-sugarak pedig éppúgy az elektromágneses hullámok fajtái, mint a röntgensugarak, csak még rövidebb a hullámhosszuk. Az atomok szerkezetének felderítésében azonban az alfa-sugaraknak jutott a legfontosabb szerep. A 20. század elején az alfa-sugárzásról annyit tudtak a tudósok, hogy részecskékből áll, amelyek kétegységnyi pozitív elektromos töltést szállítanak. Rutherford bebizonyította, hogy ezeknek a részecskéknek pontosan akkora a tömege, mint a héliumatomnak (a hélium 4-es izotópjának). Az alfarészecske tehát nem más, mint egy héliumatom, amely elvesztette két elektronját. Rutherford rájött, hogy ha az atomokat gyors részecskékből álló alfasugárzással bombáznák, segítségükkel talán feltérképezhetnék a belső szerkezetüket. 1909-ben Rutherford két munkatársa, Hans Geiger és Ernest Marsden megdöbbentő felfedezést tett: amikor alfarészecskékből álló sugarat nekilőnek egy vékony aranyfóliának, a legtöbb részecske keresztülhatol a fólián, ám néhány mégis visszapattan, szinte ugyanabba az irányba, ahonnan érkezett. Rutherford később így emlékezett vissza: „A leghihetetlenebb esemény volt, amely valaha megtörtént velem... Majdnem annyira lehetetlennek tűnt, mintha egy tizenöt hüvelykes lövedék visszapattanna egy fátyolpapírról." Ezt a jelenséget már nem lehetett az atomok „cseresznyés sütemény" modelljével megmagyarázni. Ha ugyanis Kelvin elképzelése igaz volna, az egész aranyfóliának egyenletes sűrűségűnek kellene lennie. A fóliának ütköző részecskék az egymáshoz illeszkedő atomok falán átfúródnának és lelassulnának - mint ahogy a puskagolyó is lelassul, ha keresztülhatol egy víztartályon - de a fóliában nem szabadna keményebb gócoknak és csomósodásoknak lenni, amelyről visszapattanhatnak az alfarészecskék. Ernest Rutherford 1911-ben egy új atommodellt alkotott. Az új modellben az atom csaknem teljes tömege az apró, köz-

AZ ATOM BELSEJÉBEN • 41

ponti atommagban sűrűsödik össze, amely pozitív elektromos töltésű. Az atommag körül keringenek a negatív töltésű elektronok úgy, ahogy a bolygók is keringenek a Nap körül. Amint a naprendszer nagyobb részét, az atom térfogatának nagyobb hányadát is „üres" tér alkotja. A legtöbb alfarészecske, amelyet egy szilárd anyagra lövünk, akadálytalanul hatol át az elektronfelhőn. Ha viszont egy részecske pontosan eltalál egy atommagot, mozgásának iránya az ütközés következtében eltérül. Az eltérülések gyakoriságából Rutherford ki tudta számítani az atommag nagyságát az atom méretéhez viszonyítva. Egy atom körülbelül 10 8 cm átmérőjű, de a magjának átmérője csak 10 1 3 cm, az egész atom átmérőjének százezred része. Olyan, mintha egy gombostű feje lenne az atommag, és a londoni Szent Pál-székesegyház kupolája lenne az atom. Mivel a térfogat a sugár harmadik hatványával arányosan változik, az atommag és a teljes atom térfogatának aránya 1:10 15 . Az atom egymilliárdod részének milliomod részét tölti ki csupán szilárd atommag. Mivel a Földön minden atomokból épül fel, saját testünk és a szék, amelyen ülünk, millió-milliárdszor több „üres" teret tartalmaz, mint szilárd anyagot. Ennek ellenére testünk és a szék szilárdnak és áthatolhatatlannak tűnik, mert az apró anyagi csomókat a töltött részecskék között ható elektromos erők összetartják. Rutherford 1919-re felfedezte, hogy amikor gyorsan mozgó alfarészecskék ütköznek egy nitrogénatom magjának, az néha egy oxigénatommaggá változik, és közben egy hidrogénatommag keletkezik. Ebből és más kísérletekből arra lehetett következtetni, hogy az atommagok olyan részecskéket tartalmaznak, amelyek azonosak a hidrogénatom magjával. A részecskéknek a proton nevet adták. Mivel minden protonnak pontosan akkora pozitív elektromos töltése van, mint amekkora negatív töltése egy elektronnak, s az atom egészében véve elektromosan semleges, minden atomban ugyanannyi számú proton van az atommagban, mint ahány elektron a mag körüli elektronfelhőben - a töltések így kiegyenlítődnek. Ez volt az első pillanat, amikor lehetővé vált az anyag kémiai tulajdonságait az atomok belső struktúrájával magyarázni (lásd a 4. fejezetben). Volt azonban egy kérdés, amely Rutherford atommodelljével kapcsolatban felmerült. Hogyan lehetséges, hogy az atommagban található pozitív protonok együtt maradnak, ahelyett hogy elta-

42 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

szítanák egymást és szétrobbannának? A „cseresznyés sütemény" modellben legalább a negatív és a pozitív töltések össze voltak keveredve az atomon belül, és így egyensúlyban voltak. Nyilvánvaló, hogy az atommagban lennie kell valamilyen semleges részecskéknek, amely segít együtt tartani a pozitív töltéseket. Ezeket a részecskéket, a neutronokat, csak 1932-ben azonosították a tudósok. Amellett, hogy a neutronok segítenek összetartani az atommagot, megmagyarázzák az izotópok létezését is. A neutronoknak majdnem pontosan ugyanakkora tömege van, mint a protonoknak, így nagy részét adják az atom súlyának. Ahogy majd a 4. fejezetben látni fogjuk, az elemek kémiai tulajdonságai szinte teljesen az elem atomjaihoz tartozó elektronok számától függ. Ez éppen ugyannyi, mint ahány proton található az atom magjában. Egy elem atomsúlyát azonban a magban lévő protonok és neutronok együttes száma határozza meg, így a különböző számú neutront, de ugyanannyi protont tartalmazó atomok különböző izotópokat jelentenek, amelyeknek különböző az atomsúlyuk, de egyforma a kémiai tulajdonságuk. Béta-sugárzás akkor keletkezik, ha egy atommag kibocsát egy elektront. Eközben egységnyi pozitív töltésre tesz szert. Pontosabban szólva, az elektront kibocsátó atommagban az egyik neutron protonná változik, s ennek hatására az atom egy elektront sugároz ki. Mivel a folyamat során megnövekszik a protonok száma az atommagban, a mag egy másik elem magjává változik. Az alfasugárzás során hasonló a helyzet: egy instabil atommag egy két protonból és két neutronból álló részecske-„csomagot" bocsát ki magából, amelyek együtt alfarészecskévé kapcsolódnak össze. A maradék atommag így egy másik,elem atommagjává változik. Bár a neutronok jelenléte az atommagban segít összetartani a részecskéket, még mindig túl sok pozitív töltés található a magban ahhoz, hogy együtt maradhasson. A fizikusok rájöttek, hogy léteznie kell egy ismeretlen erőnek, magerőnek, amely az egész atommagot egyben tartja. A magerő teljesen különbözik a mindennapi világunkban tapasztalt két erőhatástól, a gravitációtól és az elektromágnesességtől. Ezek ugyanis nagy távolságba ható erők - egy mágnes egy távoli fémdarabot is képes megmozdítani, a Föld gravitációs hatása pedig keringési pályán tartja a Holdat, sőt annál sokkal messzebb

AZ ATOM BELSEJÉBEN • 43

is érzékelhető. A magerő viszont csak rövid hatótávolságú. Olyan vonzóerő, amely a neutronokra és a protonokra hat, és összepréseli őket. Kis távolságokon (bár az atommag térfogatánál azért nagyobb mérettartományban is) majdnem százszor erősebb, mint az elektromágneses erő, s így legyőzi a pozitívan töltött protonok taszító hatását. Ám hatása az elektromos erőtől eltérően bizonyos távolság után hirtelen lecsökken. A protonok és a neutronok (együttes néven nukleonok) akkor érzik az erőhatást, ha érintkeznek egymással. Így például, ha valamilyen oknál fogva egy pozitívan töltött alfarészecske kimozdul az atommagból, a magerő hatékonysága megszűnik, és az atommag maradék pozitív protonjai ellökik maguktól. A helyzet ahhoz hasonlít, mintha egy megfeszített rugót tartanánk a kezünkben, összenyomva, legyőzve az erőt, amely szét akarja repíteni. Ha egy pillanatra elengedjük, a rugó elpattan. A következő fejezetben több szó lesz majd a természetben működő erőkről. Azt azonban érdemes itt megemlíteni, hogy a bétasugárzás létrejöttében szintén egy erőhatás játszik fontos szerepet, amelyet gyenge kölcsönhatásnak nevezünk. Rutherford munkájának eredményeképpen tehát az atomról határozott képünk kezdett kialakulni: egy olyan részecskéről van szó, amely egy apró, pozitív töltésű atommagot tartalmaz, és e körül keringenek az elektronok. Az 1930-as évekre sikerült a neutront önálló részecskeként is azonosítani, s a tulajdonságait tanulmányozni. A normális hidrogénatom magjában azonban csak egyetlen proton található, amely körül egyetlen elektron kering. Létezik a hidrogénnek egy izotópja, a deutérium vagy nehézhidrogén, amelyben a proton mellett van egy neutron is. Ennek is egyetlen elektron található a magja körül. A soron következő elem a hélium, amelynek két proton van a magjában. Ha a héliumatommag nem tartalmazna neutront, a magerő nem tudná összetartani a rendszert. így a legegyszerűbb héliumatomban is található egy neutron a két proton mellett, valamint két elektron a magon kívül. Ezt a rendszert a hélium 3-as izotópjának nevezzük. A hélium 4-es izotópjában két proton és két neutron is található a magban, amely megfelel egy alfarészecskének, és nagyon stabil objektum. Így következnek egymás után az elemek. A szén leggyakoribb, 12-es izotópja hat neutront és hat protont tartalmaz, amely körül hat elektron kering. A szimmetriának kö-

44 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

szönhetően, s miután a szénnel könnyebb dolgozni, mint a hidrogénnel, a relatív atomsúlyokat a mai fizikában úgy határozzák meg, hogy a szén 12-es izotópjának súlya pontosan 12 legyen. Ha valakinek nem számítanak a részletek, nyugodtan gondoljon továbbra is az atomsúlyra mint a hidrogén egységnyi súlyának a többszörösére. A két definíció között kicsi az eltérés, ám létezik, mert a hidrogénatomnak csak proton található a magjában, a neutronok és a protonok súlya pedig parányit eltér egymástól. A rendre nehezebb elemeknél megfigyelhető, hogy több neutront tartalmaznak, mint protont. A neutronokra szükség van ahhoz, hogy a növekvő mennyiségű pozitív töltés együtt maradhasson. A vas 56-os izotópja például 26 protont és 30 neutront tartalmaz, amíg az uránium 238-as izotópja 92 protont és nem kevesebb mint 146 neutront. Az urán esetében azonban az atommag már olyannyira nagy, hogy a magerő alig tudja összetartani az atommagot, még a sok neutron segítségével is. Minden nukleon csak azt a vonzóerőt érzi, amelyet a szomszédai fejtenek ki rá - de egy protonra a magban található összes 91 másik proton elektromos taszítóereje hat. Ez az oka annak, hogy nem létezik a természetben stabil, 92 egységnyi atomsúlynál nehezebb elem. A fizikusoknak sikerült a részecskegyorsítókban nehezebb elemeket is előállítani, de ezek annyira instabilak, hogy rövid időn belül elbomlanak. Eddig az atommaggal foglalkoztunk. Van azonban egy másik kérdés, amely a Rutherford-atommodellel kapcsolatban felmerül, s ez már azelőtt világos volt, hogy a tudósok megismerték az atommagban található neutronokat. Hogyan lehetséges, hogy az elektronok (sőt akár a hidrogénatomban lévő egyetlen elektron) keringési pályán maradnak a mag körül? A probléma a következő: ha egy elektromos töltés gyorsul, elektromágneses hullámok formájában energiát sugároz ki magából. Említettük az 1. fejezetben, hogy az egyenletes körmozgás is gyorsulás hatására megy végbe, mert a körben mozgó részecskék sebességének iránya állandóan változik. Ezt a gyorsulást mi is érezzük, amikor a nagy sebességgel kanyarodó autó falához nyomódunk. A laboratóriumi kísérletek megerősítik, hogy ha egy elektromos töltést körpályára állítunk, akkor az energiát sugároz. Ám az energiamegmaradás törvényének következtében, ha az atom-

AZ ATOM BELSEJÉBEN • 45

ban keringő elektron energiát bocsát ki, akkor energiát kell vesztenie. Mivel folyamatosan csökken a mozgási energiája, csökken a sebessége is, és így egyre közelebb kényszerül az atommaghoz. Beljebb és beljebb kerülve előbb-utóbb a magba zuhanna. A 20. századig kidolgozott fizika (ún. klasszikus fizika) törvényei szerint az atomoknak pillanatok alatt össze kellene omlania, sugárzássá kellene válnia. Az egyetlen lehetőség arra, hogy a kutatók megoldják a problémát, egy új atommodell, egy új fizika kifejlesztése volt. Ám mint mindig, a fizikusok most sem adták fel a régi modelleket. Világos volt, hogy az atomok mérettartományában valami más történik, mint a makroszkopikus szinten, de a klasszikus fizika továbbra is tökéletesen le tudta írni, mi történik, ha egy elektromos töltést a laboratóriumban körpályán mozgatunk. Niels Bohr, az Angliában - Rutherforddal egy időben - dolgozó dán fizikus munkája volt az első lépés az új atommodell felé. Ő vezette be a kvantumok fogalmát az atomfizikába. Ahogy Bohr visszatért Dániába, 1913-ban megjelentette az új elméletét. Modellje a klasszikus és a kvantumos fizikai elvek keveréke volt, és nagyon jól működött. Nemcsak hogy megmagyarázta, miért nem hullanak bele az elektronok az atommagba, de megmagyarázta a különböző elemek színképvonalait is - különösen a hidrogénszínkép spektrumát. Az 1920-as években a fizikusok sokkal pontosabban és részletesebben leírták ezeket a jelenségeket, kiépítve az atomok és sugárzások teljes kvantummechanikai elméletét, ám egyszerűsége és szemléletessége miatt még ma is Bohr modelljét tanítják az iskolában. A kvantumfizika alapötlete Max Plancktól származik; Berlinben, 1900-ban tette közzé. Addig a tudósok úgy gondolták, hogy a fény az elektromágneses hullámok egyik formája. A 19. századi kutatások megmutatták, hogy a változó elektromos mező mágneses mezőt hoz létre, és fordítva: a változó mágneses mező elektromos mezőt indukál. A következő fejezetben részletesen lesz szó a mezőkről, mert nagyon fontos szerepük van a fizikában. De a szemlélet mindenkinek ismerős: a mágnes mezeje az a mágnes körüli terület, ahol a mágneses erő kifejti a hatását. James Clerk Maxwell felfedezte az egyenleteket, amelyek leírják a két váltakozó mező együttes mozgását - a változó elektromos tér változó mágneses teret okoz, a változó mágneses tér elekt-

46 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

romos teret, és ez a hatás terjed a térben lépésről lépésre. A két mező együtt alakítja ki az elektromos hullámot. A fény, a rádióhullám és az elektromágneses hullámzás más formái mind leírhatók Maxwell egyenleteivel. A hullám energiáját az az energia szolgáltatja, amelyet a rendszerbe a hullám kiindulási helyén fektetünk bele - például az elektromos áram egy vezetéken keresztülfolyva felforrósítja a villanykörte izzószálát. A Maxwell-egyenletek a 19. századi fizika legnagyobb diadalának számítottak. Mégis volt egy probléma. Ha a fényt a hullám egyik formájának tekintjük, akkor ezzel nem tudjuk megmagyarázni azt a sugárzást, amelyet a forró testek bocsátanak ki. Ha egy testben megrángatjuk az elektromos töltéseket, felgyorsítjuk az elektronokat, akkor a test elektromágneses sugárzást bocsát ki. Ha a klasszikus fizikában szokásos statisztikai szabályokat alkalmazzuk a jelenségre - amelyek például jól leírják, milyen hanghullámok keletkeznek, ha megpendítjük egy gitár húrját -, kiderül, hogy a felgyorsított elektronoknak kevés nagy hullámhosszú és sok rövid hullámhosszú hullámot kellene kibocsátaniuk. A valóságban viszont nem ezt tapasztaljuk. Planck rájött, hogy lehet megoldani a kérdést: a sugárzást úgy kell tekintenünk, mintha csak határozott méretű energiaadagokat, kvantumokat tudna szállítani. A sugárzás kvantumjaiban lévő energia fordítottan arányos a sugárzás hullámhosszával, így egy rövidebb hullámhosszú kvantum több energiát jelent, mint egy hosszú hullámhosszú. A kvantum energiája és a hullámhossz közötti teljes kapcsolatot a Planck-állandónak nevezett szám adja meg, amelyet kísérletileg meg lehet határozni. Egy kvantum energiája megegyezik a Planck-állandó és a hullámhossz hányadosával. Ha egy anyagot felmelegítünk, és ezáltal az elektronokat felgyorsítjuk benne, akkor csak kevésnek lesz elég energiája ahhoz, hogy nagy energiájú, rövid hullámhosszú kvantumokat bocsásson ki. Planck arra jutott, hogy egy forró test a legtöbb energiáját közepes hullámhosszú sugárzás formájában sugározza ki, hiszen a hosszabb és a rövidebb hullámhosszokon egyaránt kevesebb energiát sugároz. (Rövidebb hullámhosszon kevés kvantumot, nagy hullámhosszon sok kvantumot, de ezek egyenként kevés energiát szállítanak.) Ha egy test melegebbé válik, több elektronjának lesz elegendő energiája ahhoz, hogy rövidebb hullámhosszú sugárzást bocsás-

AZ ATOM BELSEJÉBEN • 47

son ki. Ezért a hullámhossz, amelyen a test a maximális energiát sugározza ki, a hőmérséklete növekedésével a rövidebb hullámhossz felé tolódik. Pontosan ezt tapasztaljuk a valóságban: egy vörösen izzó piszkavas hidegebb, mint a narancssárgán izzó, mert a vörös fénynek hosszabb a hullámhossza a narancssárgánál. Planck elmélete tökéletesen megmagyarázta a forró testek hősugárzásának természetét s azt, hogy milyen színűvé változik egy test, ha felforrósodik. 1 Ennek ellenére a fénynek elektromágneses sugárzásként történő leírása nagyon megalapozottnak tűnt a fizikusok számára, így kezdetben nem fogadták el, hogy a fény valóságos részecskékből, kvantumokból, ún. fotonokból áll. Inkább azt gondolták, hogy valami történik az atomokon belül az elektronokkal, amely meggátolja őket, hogy folytonosan sugározzanak ki energiát, és nem hitték, hogy az energia maga is csak diszkrét adagokban valósulhat meg. Kedvenc analógiám a banki készpénz-automatákhoz hasonlítja a sugárzó atomokat. Egy készpénz-automata csak 10 fontos címletekben ad ki pénzt. Kivehetünk belőle 20 fontot, 60 fontot, vagy bármilyen összeget, amely tíz fontnak egész számú többszöröse (feltéve, hogy van elég pénz a számlánkon). Ám 27,43 fontot soha nem lehet belőle felvenni, még akkor sem, ha található ennyi pénz a folyószámlán. Bár létezik az összeg, de a gép működése nem engedélyezi, hogy hozzájussunk. A fizikusok a 20. század elején azt gondolták, hogy bár az elektromágneses sugárzás az összes hullámhosszhoz tartozó összes energián létezhet, az atomoknak csak az „engedélyezett", hogy bizonyos csomagokban, adagokban bocsássanak ki fényt, s e csomagok minden hullámhosszhoz meghatározott mennyiségű energiát tartalmaznak. A következő huszonöt év során mégis világossá vált, hogy bizonyos körülmények között a fény kvantumait - a fotonokat - önálló, létező részecskéknek kell tekintenünk, és az elektromágneses hullámok szemlélete nem alkalmazható minden esetben. Az előbbi hasonlatnál maradva nemcsak a készpénz-automata működése miatt nem folytonos a pénz felvétele - a fizetőeszköz maga is 1

Ezt a fajta sugárzást a fizikában „feketetest-sugárzásnak" is szokták nevezni, mert a modell arra is magyarázatot ad, hogyan nyeli el egy tökéletesen feketetest a rá érkező sugárzást. Egy forró, sugárzó test azonban, ha megfelelő a hőmérséklete, a „feketetest-sugárzás" minden színét kibocsátja magából.

48 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

kvantált: legalapvetőbb egysége a penny. Soha nem lehet valaki készpénzben 241,378 penny tulajdonosa, mert csak 241, vagy 242 penny létezik. Igaz persze, hogy a penny, a pénz egysége olyan kicsi, jelentéktelen összeg, hogy szinte minden mennyiséget ki lehet belőle pontosan fizetni. Keveseknek tűnne fel, ha mondjuk 2,41 font helyett 2,42 font van a zsebükben. A fény fotonokból álló modellje hasonló képet mutat. Egy fénysugárban olyan sok foton van, és ezek a kvantumok olyan parányi energiamennyiséget szállítanak, hogy a sugárzás egyenletesnek, folytonosnak tűnik. Egy napos délután körülbelül ezermilliárd (10 12 ) fotonon érkezik a napfényből egyetlen másodpercben egy gombostű fejére; ha az égbolton egy gyenge csillagra pillantunk, minden másodperc alatt néhány száz foton érkezik a csillagból a szemünkhöz. A felfedezés, hogy a fény részecskék áramaként is viselkedik, nagy megdöbbenést okozott egy ideig a fizikusok körében. Ám a tudósok hamar megtanulták, hogy a fényhez hasonló jelenségeket részecskének és hullámnak egyszerre kell tekinteni. Néha egyik arcát mutatja a természetben, néha a másikat. Egy kvantumos mennyiség, például a foton, valójában sem részecske, sem hullám. Mindennapi tapasztalatainkat leíró fogalmainkkal nem tudjuk pontosan meghatározni, hogy micsoda. Bizonyos helyzetekben a részecskeanalógiát használjuk, hogy megmagyarázzuk a tulajdonságait, más helyzetekben viszont a hullámanalógiát. Azt tanácsolom az olvasónak, ne gondolkozzon sokat ezen. Feynmant idézve: Ha folyton csak azon a kérdésen töröd a fejed: „hogyan lehet mégis ilyen a foton?", el fogsz veszni a gondolatok útvesztőjében, és olyan sötét sikátorokba kerülsz, ahonnan még senki sem szabadult ki. Senki sem tudja, hogyan lehet olyan.2 Bohr atommodellje szempontjából azonban csak annak volt jelentősége, hogy az atomok kvantálva nyelik el és bocsátják ki a sugárzást (nem kell feltétlenül a sugárzásnak magának is kvantáltnak lennie). Ez már önmagában is elég ahhoz, hogy megmagyarázzuk, miért nem zuhannak az elektronok az atommagba. Bohr tovább gondolta Rutherford naprendszer-atommodelljét. Feltételezte, hogy az elektronok csak olyan meghatározott stabil 2

A fizikai törvények jellege, Magvető, 1984.

AZ ATOM BELSEJÉBEN • 49

keringési pályákat foglalhatnak el a mag körül, amelyekhez konkrét energiamennyiség tartozik. Egy-egy pályához tartozó energia az alapkvantum egész számú többszöröse. A stabil pályák között nincs átmeneti állapot, mert ehhez az energiakvantum tört része tartozna. Egy elektron az egyik pályáról a másikra ugorhat, ha az atommaghoz közelebb kerülve kibocsát egykvantumnyi energiát, vagy ha a magtól távolabbi pályára lépve elnyel egy energiakvantumot. De spirálisan nem hullhat bele az atommagba. Mi akadályozza meg a negatív elektront, hogy leadva kvantumokban az energiáját, egyetlen ugrással rögtön a pozitív atommagba zuhanjon? Bohr feltételezte, hogy a mag körül minden stabil keringési pálya csak bizonyos számú elektront tartalmazhat. Ha a pálya telített, akkor egy újabb elektron már nem tud az elfoglalt helyre ugorni. Ugyanígy tilos az elektronoknak a legalsó energiájú pályáról az atommagba zuhannia. Ám ha van hely egy alacsonyabb energiájú pályán az elektron számára, akkor a meghatározott hullámhosszú fotont kisugározva lejjebb léphet egy energiaszintet. Ahhoz, hogy alacsonyabb szintű pályáról magasabbra ugorjon, pontosan akkora kvantumot kell elnyelnie, amennyi a két energiaszint különbsége. Talán úgy lehet könnyen elképzelni ezt a jelenséget, mintha az elektronok egy lépcső valamely lépcsőfokán ülnének, és egy teljes lépcsőfokot tudnának fel és le ugrálni. (Két lépcsőfok között nincs köztes megállóhely, ahol meg lehet pihenni.) A helyzet azonban ennél bonyolultabb, mert az elektronok energiaszintjei közti „lépcsőfokok" nem azonos magasságúak. Mivel minden elem atomjai azonosak, az energiaszintek a tiszta elem összes részecskéjében megegyeznek. Egy forró testből érkező sugárzást az anyag atomjainak „energialépcsőin" lépkedő elektronok okozzák. Ha megfigyeljük az atomok sugárzási színképét, akkor a spektrum világos vonalakból álló sorozatnak látszik. Ezek a sávok meghatározható hullámhosszaknál jelennek meg a színképben. Az energiakvantumok segítségével már meg lehetett magyarázni, mi okozza a színképvonalakat. Minden vonalhoz tartozó hullámhossz egy olyan energiakvantum hullámhosszának felel meg, amelyet az atom kibocsát, ha egy elektronja lejjebb ugrik egy szintet az energialépcsőn. Ez a sávokból álló minta minden elem esetében

50 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

különböző és jellemző az elemre. Egy ujjlenyomathoz hasonlít, amely alapján azonosítani lehet, milyen elemek alkotják a sugárzó testet. Például a forró hidrogéngáznak jellegzetes színkép-„ujjlenyomata" van, amely minden más elemnek, még a legközelebbi rokonának, a héliumnak a sugárzási spektrumától is jól megkülönböztethető. Ha fény hatol keresztül egy hideg gázon, a spektrumban azonosítható sötét sávok jönnek létre, amelyek azokat a hullámhosszakat, energiákat képviselik, ahol a fotonok elnyelődnek a gáz atomjaiban. A fotonok energiája ekkor arra fordítódik, hogy az elektronok egy magasabb energiaszintre ugorjanak. 3 Annak a lehetőségét, hogy spektroszkópiai módszerekkel különböző elemek jelenlétét azonosítani lehet egy sugárzó anyagban, a 19. században fedezték fel a tudósok, és olyan kutatók fejlesztették ki, mint Joseph Fraunhofer, Gustav Kirchoff és Robert Bunsen. A híres Bunsen-égő (amelyet valójában nem Bunsen talált fel) fontos eszköz volt a kutatómunkában. Amikor egy anyagot a Bunsenégő lángján felmelegítenek (például fémhuzalt porba vagy folyadékba mártva a láng fölé tartanak), az anyag jellegzetes színű fényt bocsát ki, amely igazodik a vizsgált elem sugárzási spektrumának világos sávjaihoz. Erre a jelenségre egy példa, hogy az utcai lámpák narancssárgás-sárgás színben világítanak, amit a nátrium jelenléte okoz. A gázon keresztülfolyó elektromosság energiája juttatja el a nátriumatomok elektronjait magasabb energiaszintre. Amikor az elektronok lépésről lépésre visszazuhannak az eredeti pályájukra, jellegzetes hullámhosszú kvantumokat sugároznak, amelyek két világos sávot alakítanak ki a színképben. Ugyanígy látható a nátrium sárga színe, ha konyhasót (nátrium-kloridot) a Bunsen-égő lángjában felmelegítünk, vagy ha sót szórunk a tűzre. Minden elemnek megvan a maga vonalas színképmintája, és bár a vonalak intenzitása csökken, a minták ugyanazok maradnak, még ha a hőmérséklet változik is. 3

Amikor az elektron magasabb energiaszintű, ún. gerjesztett állapotban van, és több lehetősége van arra, hogy alacsonyabb energiájú pályára ugorjon, teljesen véletlenszerűen választ a pályák között. Ez a jelenség az ún. kvantumugrás sajátossága. Egy-egy ilyen „ugrás" csak kicsi energiaváltozást jelent, amelyet egyetlen foton elnyelése vagy kibocsátása kísér.

AZ ATOM BELSEJÉBEN • 51

A Napból és a csillagokból érkező fény spektrumát összehasonlítva a laboratóriumban mért spektroszkópiai vonalakkal a tudósoknak sikerült azonosítaniuk a Nap és a csillagok környezetében a Földön is megtalálható elemeket. (Ez a kutatás 1859-ben kezdődött, amikor Kirchoff kimutatta, hogy a Nap légkörében nátrium található.) Vagy éppen fordítva: a brit csillagász, Norman Lockyer olyan sávokat talált a szoláris spektrumban, amelyek egyetlen ismert földi elemhez sem voltak társíthatok. Az újonnan felfedezett elemet elnevezte héliumnak (a görög héliosz = Nap szó után). A héliumot később a Földön is felfedezték, és kiderült, hogy pontosan olyan a színképe, amely a szoláris vonalakhoz illik. A hidrogén a legegyszerűbb elem, egyetlen protonból és elektronból áll, ezért a spektruma egyszerű mintát követ. Színképvonalait Johann Balmerről, egy svájci iskolai tanárról nevezték el, aki 1884-ben kidolgozott egy matematikai képletet, amely pontosan leírta a hidrogén spektrumát. Balmer képlete olyan egyszerű volt, hogy nyilvánvalónak tűnt, valamilyen mély igazságot állít a hidrogénatom szerkezetéről. De senki sem tudta, hogy pontosan mit - egészen Niels Bohr színre lépéséig. Bohr nem volt a spektroszkópia specialistája, s bár egyetemi éveiben foglalkozott színképelemzéssel, nem gondolt arra, hogy a Balmer-sorozat adhatja a kulcsot hidrogénatom szerkezetének megértésében. Csak amikor egy kollégája rámutatott a Balmerformula egyszerűségére, akkor kezdte értékelni a fontosságát. Mindez 1913-ban történt, és innen egyenes út vezetett a Bohrféle atommodellhez. Bohr hidrogénatomjában egyetlen elektron ugrál a különböző energiapályák között. Az energiaszintek különbsége a Planck-állandó nagyságától függ, és ez közvetve meghatározza a Balmer-sorozat sávjai közti távolságot is. A színképvonalak megfigyelt távolságából Bohr ki tudta számítani az energiaszintek közti különbségeket, és a Balmer-formulát át lehetett írni úgy, hogy immár a Planck-állandót is tartalmazza. Ez a munka döntötte el véglegesen a kérdést a 19. században: a hidrogénatomban valóban pontosan egy elektron található. Bohr atommodellje egyaránt megmagyarázta az elemek sugárzási spektrumában a világos vonalak feltűnését, és ugyanezeken a hullámhosszokon az elnyelési spektrumban látható sötét vonalakat. A modell működött. A különböző pályák közti ugrásokkal si-

52 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

került megmagyaráznia a legegyszerűbb atom, a hidrogén sugárzási színképét. Ám a Planck-állandó nagyon kicsi. Ugyanabban az egységrendszerben, amelyben a tömeget grammban mérjük, a Planck-állandó értéke 6,55 * 10-27. A kvantumhatások így csupán azokra a részecskékre jelentősek, amelyek tömege grammban mérve nagyjából ezzel megegyező, vagy kevesebb. Egy elektron tömege 9 * 10-28 gramm, így e részecske esetében fontosak a kvantumeffektusok. Ahogy egyre nagyobb és nagyobb objektumokat vizsgálunk, egyre jelentéktelenebbé válnak a kvantumos hatások: egy atomnál sokkal nagyobb anyaghalmazra már egyáltalán nem számítanak. (Kivéve természetesen abban az értelemben, hogy egy nagyobb test is atomokból épül fel, amelyek kvantumfolyamatokban vesznek részt.) Nehéz átérezni, milyen kicsi mérettartomány a kvantumvilág. Ha egy objektum 10-27 cm átmérőjű volna, akkor 1027 darabot kellene belőle egymás mellé rakni, hogy egyetlen centimétert, egy kockacukor oldalhosszát beterítsünk vele. A 1027 kb. 1016-szor több a tejútrendszerben világító csillagok számánál. Ha a galaxisunkban található csillagok nagy számát megszoroznánk önmagával, majd még százezerrel, akkor 1027-t kapnánk. 1027 darab kockacukor egymás mellé rakva egymilliárd fényév távolságra érne el - ez körülbelül az ismert univerzum méretének tizede. Nagyjából elmondhatjuk (ilyen óriási számoknál nem sokat változtat tíznek néhány hatványa, lehet kerekíteni), hogy a méretskála, amelyen a kvantumfolyamatok érvényesek, annyival kisebb egy kockacukor méreténél, mint amennyivel a kockacukor kisebb a világegyetemnél. Az emberi lények világának mérettartománya körülbelül középúton található a kvantumvilág és az univerzális méretskála között. Annak ellenére tehát, hogy Bohr modellje kitűnően működött, és jól magyarázta a színképvonalak keletkezését, nem meglepő, hogy mint a kvantumvilág leírására tett első kísérlet, hamar korrigálásra szorult. Új felfedezések születtek; a fizikusok sikeresen leírták az elektron természetét. A 20. század első negyedében az elektronnak több rejtélyes viselkedését fedezték fel a tudósok, amelyek az atomba zárt elektron-

AZ ATOM BELSEJÉBEN • 53

nal kapcsolatban is felmerülnek. A Rutherford-Bohr-modell olyan, mint egy kisebb naprendszer, amelyben az elektronok apró golyókként keringenek a mag körül, ahogy a bolygók is a Nap körül. Feltételezve, hogy az energiaszintek között ugráló elektronoknak kvantumtulajdonságaik vannak, a modell sikeresen megmagyarázta a színképvonalakat. Ám maguk az atomok kívülről sima, kemény gömbökként viselkedtek, és ütközve, pattogva létrehozták a gáz nyomását egy doboz falán. Hogyan tud néhány mag körül keringő elektron egyenletes, kemény atomfelületet létrehozni? Ha például egy másik csillag bolygórendszere megközelítené a mi naprendszerünket, s összeütköznének, nem pattannának vissza a külső bolygók találkozásakor. Az idegen csillag keresztülgázolna a naprendszeren, ellökve magától a bolygókat, és valószínűleg frontálisan összeütközne a Nappal. Ugyanígy nehéz elképzelni néhány kicsi mag körül keringő elektront, amelyek egyenletes, szilárd határt alkotnak az atomok összeütközésekor. Az uránnál még talán működik, mert annak 92 elektronja van. De a hidrogén is úgy viselkedik, mintha az egyetlen elektronja teljesen körülvenné a magját, és az elektromos töltés egyenletesen oszlana el körülötte, egy pajzsot alkotva. Hogy lehetséges ez? A válasz az 1920-as évek elején kezdett felsejleni, amikor a francia fizikus, Louis de Broglie rájött, hogy az egyenlet, amely a Planck-állandóval kapcsolja össze a fény hullámhosszát és az energiakvantum (foton) energiáját, megfordítható és általánosítható. Szinte ugyanazzal az egyenlettel egy részecske, például egy elektron energiáját megfeleltethetjük egy neki megfelelő kvantumhullámhossznak. De Broglie a doktori tézisében feltételezte, hogy az elektronokat ugyanúgy hullámoknak lehet tekinteni bizonyos körülmények között, ahogyan a fény is részecskék áramlata bizonyos helyzetekben. De Broglie tanácsadója, Paul Langevin nem tudta eldönteni, hogy zseniális-e tanítványának a feltételezése, vagy teljesen értelmetlen, így elküldte értékelésre a dolgozatot Albert Einsteinnek. Einstein pont abban az időben próbálta bebizonyítani, hogy a fény valóban fotonok árama, és hogy az atomok csak meghatározott mennyiségű sugárzási adagokat tudnak elnyelni és kibocsátani, az azért van, mert a fény ténylegesen csak ezekben a kvantumokban létezik. (Ugyanúgy kvantált, ahogy a pénz is csak diszkrét

54 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

egységekben, pennyben számítható. Az elektron ráadásul egyszerre csak egy fotont tud kibocsátani vagy elnyelni.) Tehát Einstein már jó ideje azon töprengett, hogy a kvantumvilág objektumai részecskéknek és hullámoknak is egyaránt tekinthetők, ezért Langevinnek írt válaszában kijelentette, hogy de Broglie elképzelését komolyan kell venni. De Broglie ötlete és a fotonok valódiságát igazoló egyre több kísérleti eredmény az 1920-as évek második felében arra ösztönözte a fizikusokat, hogy kifejlesszenek egy teljes kvantumfizikai elméletet, kvantummechanikát, amely a hullámrészecske-kettősség gondolatára épül. Eszerint minden kvantumos objektum ugyanabban a skizofréniában szenved, mint a fény. A kettősség elméletileg mindenre érvényes - az íróasztalnak, amelynél ülök, szintén van hullámtermészete, sőt a saját testemnek is. Mivel azonban az asztal tömege és az én tömegem grammban mérve sokkal nagyobb, mint 6 * 10-27, a hozzá tartozó hullámhossz elhanyagolhatóan kicsi. Ezért van az, hogy nem látom az asztalom szélét kontúrtalanul elkenődni, hullámként szétterülni a szobában. Az olyan kis tömegű részecskék esetében viszont, mint az elektron és a foton, a hullámállapot és a részecskeállapot egyaránt fontos. Ez mindjárt megmagyarázza a rejtélyt, hogyan hozhat létre az atom egy-két elektronja olyan egyenletes felületet, amely hatására az egész atom kemény golyóként viselkedik. A mag körül található elektronokat nem úgy kell tekinteni, mintha apró golyók lennének, hanem hullámok, amelyek kiterjednek, és az atommag körül egyenként egy gömb alakú felhőt hoznak létre. A magasabb energiaszinten lévő elektronok bonyolultabb alakú felhőt alakítanak ki: néhánynak például súlyzó alakú lebenyei vannak az atommag mindkét oldalán. Végeredményben az atommagot mindig teljesen körülöleli az elektronfelhő. A más-más energiaszintekhez tartozó elektronfelhők már nem egy naprendszerhez hasonlítanak, ahogy az elektronok a mag körül keringenek, hanem inkább egy hagyma héjaira. A felhők az egész atommagot körülveszik, s közel kerülnek egymáshoz. Az atom energiaszintjeinek változását, amikor a részecske kibocsát vagy elnyel egy fotont, nem úgy lehet elképzelni, mintha egy lépcsőn egy labda pattogna, hanem mintha egy gitárhúron különböző hangokat játszanánk úgy, hogy különböző felhangot rezegtetünk rajta.

AZ ATOM BELSEJÉBEN • 55

1927-ben az újonnan kidolgozott kvantumfizika elméletét igazolták a kísérletek. Két kutatócsoport egyértelműen kimutatta, hogy ha az elektronok egy kristály atomjain diffrakciót szenvednek, valóban hullámként viselkednek. Az egyik kutatócsoport vezetője George Thomson volt, a már említett J. J. Thomson fia. 1906-ban J. J. Thomson Nobel-díjat kapott azért, mert felfedezte az elektront, és bebizonyította, hogy egy részecskéről van szó. 1937-ben fia, George Thomson megosztott Nobel-díjat kapott, mert bebizonyította, hogy az elektron nem részecske, hanem hullám. Mindkettőjüknek igazuk volt, mindketten megérdemelten kaptak Nobel-díjat - ennél jobban semmi sem mutatja a kvantumvilág furcsaságát. Emlékeznünk kell, hogy a modelljeink csak egy szemléletet nyújtanak a valóságról, és nem végérvényes igazságok. Legjobb, ha úgy gondolunk a hullámrészecske-kettősségre, hogy egy kvantumos objektum hullámként terjed, és részecskeként hat kölcsön. Magára maradva egy elektronhullám marad, de ha megmérjük a pozícióját, részecskeként azonnal egy meghatározott helyre koncentrálódik - a fizikusok azt mondják, hogy összeomlik a hullámfüggvénye. Amikor aztán újra magára hagyjuk, megint szétterjed hullámként. A hullámrészecske-kettősségre épülő kvantummechanika fontos következménye a fizika egyik leghíresebb gondolata, a bizonytalansági elv, amelyet Werner Heisenberg fedezett fel 1926-ban. A hullámok jellegzetes tulajdonsága, hogy soha nem koncentrálódnak a szó szoros értelmében egy helyre, hanem kiterjednek és elterülnek a térben. Ugyanez igaz az elektronokra is. Bár pontosan meg lehet határozni a helyzetüket - például amikor a tévéképernyőn végigpásztázó elektronsugár egy elektronja megüti a képernyőt, és ez egy felvillanást okoz - de a matematikusok által definiált nulla dimenziójú pontban, végtelen pontossággal nem lehet behatárolni a helyüket. Az elektron hullámtermészete azt jelenti, hogy mindig van valamekkora bizonytalanság a helyzetében. Ugyanez igaz minden más kvantumszintű objektumra. Heisenberg felfedezte a matematikai kapcsolatot, amely kifejezi ezt a bizonytalanságot. Kiderül, hogy minél konkrétabb helyre kényszerül az elektron, minél szűkebben van összepréselve a hullám, annál bizonytalanabb a későbbi helyzete, a részecske sebessége. Megfordítva: minél határozottabb egy objektum sebessége, annál bizonytalanabb a helyzete - annál inkább „hullámszerűvé" válik.

56 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

Ami a legfontosabb: nem mérőeszközeink pontatlansága és ügyetlenségünk miatt nem tudjuk pontosan meghatározni ugyanabban a pillanatban az elektron helyét és sebességét. A bizonytalanság olyan tulajdonság, amely a kvantumos objektumok természetéhez tartozik. Az elektronnak nincs pontosan meghatározott helye és pontosan meghatározott sebessége ugyanabban az időpontban, maga sem „tudja", hogy hol van és hova tart egyidejűleg. Ennek a furcsaságnak érdekes következményei vannak a részecskefizikában, amelyekről a következő fejezetben esik majd szó. A kvantumbizonytalanság azt jelenti, hogy az elektront képviselő „hullámcsomag" mindig nagyobb egy meghatározott méretnél, még az atommag méreténél is. Ezért van az, hogy az atom egyetlen elektronja sem tud belehullani a magba - nincs számára elég hely az atommagon belül. Két elektron fér el az első energiaszinten, a maghoz legközelebb, nyolc a következőn, majd újabb nyolc az azt követőn és így tovább. (A 4. fejezetben majd látjuk, hogy ennek komoly következménye van a kémia számára.) Kívülről az atom pontosan úgy viselkedik, mint ahogyan a gázelméletben leírtuk. Az atommag egy pozitív töltésű golyócska, amelyet a negatív töltésű elektronfelhő vesz körbe, és ez egyensúlyozza az atommag pozitív töltését. Képzeljük el, mi történik, ha két atom találkozik. Az egyik a másik elektronfelhőjének csak a felét érzékeli, amely az atommag pozitív töltéseinek felét semlegesíti. A maradék pozitív töltés vonzza az atom negatív elektronfelhőjét. Ugyanígy a másik atom elektronfelhője vonzza az egyik atom magját. Az atomok kapcsolatba lépnek, vonzóerő működik köztük. Ám amikor két atom annyira közel kerül egymáshoz, hogy az elektronfelhők már-már összeérnek, a negatív elektronok széttaszítják egymást. A két atommag nem találkozik össze, mert mindkettőt dupla elektronpajzs védi az ütközéstől. A mindennapi élet szempontjából nem annyira fontos, mi történik mélyen az atomok belsejében, az atommagon belül. Az igazán lényeges az, milyen vonzóerők alakulnak ki az atomok között, amelyek molekulákká kapcsolják össze a részecskéket. Ha az olvasót nem érdekli részletesen, milyen folyamatok mennek végbe a természet belsőbb szintjein, nyugodtan ugorjon a 4. fejezetre, mert már eleget tud ahhoz, hogy megnézze, hogyan kapcso-

AZ ATOM BELSEJÉBEN • 57

lódnak össze az atomok, és hogyan alkotnak molekulákat, beleértve az élet molekuláit is. Ha már betekintettünk az atomok belsejébe, és bemutattuk a kvantumfizika alapvető gondolatait, kár volna nem vetni egy pillantást a világegyetem legmélyebb szintjére, amelyet a fizikusoknak eddig sikerült felderítenie. Ezekben a mérettartományokban részecskék, mezők és kvantumeffektusok uralkodnak.

3. Részecskék és mezők

Amikor a fizikusok megkísérlik leírni a természet alapvető jelenségeit, gyakran használják a mezők és az erőterek fogalmát. Mindannyian emlékszünk az iskolai kísérletre: ha egy papírlap alá rúdmágnest helyezünk, és a lapra vasreszeléket vagy bármilyen más mágneses anyagot szórunk, a papírt megrázogatva a vasreszelékek a mágnes északi és déli pólusai között összefüggő vonalakba rendeződnek. A mágnesesség és az elektromosság tanulmányozása vezette rá a 19. századi úttörő kutatót, Michael Faradayt is, hogy bevezesse a fizikába a mezők és az erőterek fogalmát. Faraday története olyan, mint egy mese. Egy szegény kovácsmester fia volt, aki - miután részesült a legalapvetőbb oktatásban -, könyvkötőnek tanult Londonban. Először akkor találkozott a tudom á n n y a l , a m i k o r m e g r e n d e l é s r e b e k ö t ö t t e az Encyclopedia Britannica egyik kötetét, és munka közben elolvasta az enciklopédiában a „kémia" címszót. Faraday szorgalmasan tanult, és erőfeszítései jutalmául 1813-ban (huszonegy évesen) a Royal Institutionban Sir Humphry Davy mellett asszisztensi állást kapott. Ez volt a legalsó lépcsőfok a tudományos ranglétrán. Kezdetben gyakran olyan feladatokkal bízták meg, mint például palackok tisztítása, de hosszú és kitartó munka eredményeképpen sikerült Davy örökébe lépnie, és az intézet vezetője lett. Victoria királynő lovagi címet adományozott neki, amelyet nem fogadott el, majd kétszer elutasította a Royal Society elnöki posztját is. Szerény, egyszerű, mélyen vallásos ember volt, aki nem tartotta helyénvalónak az efféle személyes kitüntetéseket. Bár kémikusként kezdte pályafutását, Faraday h a m a r érdeklődni kezdett az elektromosság és a mágnesesség természete iránt e két furcsa jelenséget az 1820-as évek elején kezdték tanulmá-

RÉSZECSKÉK ÉS MEZŐK • 59

nyozni. A legfontosabb ilyen kísérletet Hans Christian Oersted végezte el Dániában. Kimutatta, hogy ha mágneses iránytűt egy olyan vezeték mellé helyezünk, amelyben elektromos áram folyik, az iránytű (amely tulajdonképpen egy apró rúdmágnes) eltérül, és beáll a vezetékre merőleges irányba. Az elektromos áram mágneses erőt hoz létre, s ez hatással van az iránytűre. A haladás lassú volt, több hamis indulás akadályozta. Faraday 1831-ben az elektromosság és a mágnesesség közti kapcsolatot tanulmányozta, és felfedezte, hogy egy mozgó töltés mágneses erőt hoz létre maga körül. A vezetékben folyó elektromos áram a vezetékben mozgó töltések (ma már tudjuk, elektronok) árama, s a mozgó töltés mindig mágnesességet gerjeszt, ami eltéríti az iránytűt. Faraday rájött, hogy hasonló módon, ha egy vezeték mentén mágnest mozgatunk, vagy egy tekercs belsejébe mágnest tolunk, akkor a vezetékben elektromos áram keletkezik. A mozgó mágnes elektromos erőt gerjeszt, amely elmozdítja az elektronokat. E két felfedezés képezte az elektromos generátor (dinamó) és az elektromos motor alapját. A dinamó belsejében a forgó mágnesek elektromosságot indukálnak egy tekercsben. Az elektromos motor éppen fordítva működik: a tekercsben folyó elektromos áram egy mágneses forgórészt pörget meg. 1831-ben, nem sokkal azután, hogy Faraday felfedezte a dinamóhatást, Robert Peel angol miniszterelnök meglátogatta a Royal Institution intézetét, és bemutatták neki a jelenséget. Amikor Peel megkérdezte Faradayt, hogy milyen haszna van a találmányának, a tudós így válaszolt: Jelenleg egyet sem tudok mondani, uram, de fogadni mernék, hogy egy nap a kormányuk még adót fog kivetni rá.

Faraday kutatásainak gyakorlati jelentőségét itt nem kell értékelni. Találmánya csakugyan nagy állami bevételeket hozott. Ötven évvel azután, hogy az indukció jelenségét felfedezte, elektromos vonatok futottak Németországban, Nagy-Britanniában és az Egyesült Államokban. Ha semmi egyebet nem tett volna, akkor is úgy emlékeznénk rá, mint a 19. század legnagyobb tudósainak egyikére. Ám 1831 után, ahelyett hogy találmányának gyakorlati alkalmazásain dolgozott volna, Faraday érdeklődni kezdett az elektromosság és a mágnesesség kapcsolatának mélyebb természete iránt. Vajon miként gyakorolhat hatást egy test egy olyan másik

60 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

testre, amellyel nincsen közvetlen érintkezésben? Faraday kezdettől fogva felismerte, hogy a gravitáció is hasonlóképpen működik: a Nap gravitációs hatása az „üres" téren keresztül tartja keringési pályájukon a bolygókat. Amikor vasreszeléket szórunk a papírlapra, a szemcsékből kialakult vonalak azokat a pályákat rajzolják ki, amelyeket egy apró mágneses pólus járna be, ha szabadon mozoghatna a mágnes pólusai között. Faraday arra kezdett gondolni, hogy a mágnes pólusaiból mágneses erővonalak indulnak ki, és hasonlóan az elektromosan töltött részecskékből elektromos erővonalak erednek. A vasreszelékek az erővonalak mentén rendeződnek. E modell szerint ha a mágneshez képest mozgatni kezdünk egy vezetéket, a vezeték keresztülszeli az erővonalakat, s ennek hatására elektromos áram folyik benne. A természetben működő erőhatásokat a fizikusok sokáig távolban is érzékelhető hatásoknak képzelték el. Azt gondolták, hogy a Nap és a Föld, illetve a többi bolygó között kialakult gravitációs vonzerő késlekedés nélkül, pillanatszerűen jelentkezik, tehát nincs szükség időre ahhoz, hogy a hatás a téren keresztül terjedve eljusson a Naptól a Földig. Faraday volt az első, aki az elektromos és mágneses jelenségekkel kapcsolatban gondolt már arra, hogy időbe telhet, amíg az erővonalak szétterjednek a térben, és felépül a tekercs körül a teljes mágneses erőtér. Egy megfelelően elrendezett elektromos áramot hordozó huzaltekercs olyan mágneses teret hoz létre, ami tőle nagy távolságra megkülönböztethetetlen egy mágnesrúd erőterétől. Amíg nem folyik áram, mágneses mező sem érzékelhető. Faraday meg volt győződve arról, hogy amikor a tekercsben bekapcsoljuk az áramot, a tekercshez közelebbi iránytű hamarabb kitér, mint a távolabbi, mert a mágneses tér folyamatosan terjed kifelé. Ma már tudjuk, e hatás fénysebességgel terjed, tehát sokkal gyorsabban annál, hogy a 19. századi laboratóriumi kísérletekkel kimutathatták volna az időkülönbséget. Faraday mégis helyesen gondolkodott. Ötlete azonban olyan szokatlannak tetszett abban az időben, hogy eleinte nem merte publikálni. 1832-ben egy lepecsételt feljegyzést helyezett el a Royal Society széfjében, s meghagyta, hogy csak halála után nyissák fel. Ebben többek között ez állt:

RÉSZECSKÉK ÉS MEZŐK • 61

Amikor egy mágneses test erőt gyakorol egy távolabbi mágnesre vagy vasdarabra, a hatás fokozatosan halad a mágnestől a másik testig, és időre van szüksége, hogy a teljes utat megtegye... úgy képzelem el a mágneses pólusokból szétszóródó erővonalakat, ahogy a megzavart víz felszíne is remeg és hullámzik, vagy ahogy a levegő rezeg, amikor a hanghullámok kialakulnak. Úgy gondolom, a rezgés elmélete, amely a hangot és esetleg a fényt meg tudja magyarázni, talán leírhatja ezt a jelenséget is.

Tizenkét évvel később Faraday mégis publikálta elképzeléseit, és ötletei kitűnő alapul szolgáltak az 1860-as években James Clerk Maxwell elektromágnesességgel és a fény természetével kapcsolatos kutatásaihoz. Maxwell egy egyenletrendszert talált, amely leírja, hogyan hat egymásra az elektromos és mágneses mező. Az egyenletrendszer négy egyenlete mindent elmond az elektromágnesességről, feltéve, hogy nem lépünk a kvantumfizika birodalmába. Az összes klasszikus jelenség, amely az elektromossággal és a mágnesességgel kapcsolatos, leírható a Maxwell-egyenletekkel. Ezek az egyenletek többek között azt is megmagyarázzák, hogyan terjednek az elektromágneses hullámok. Képzeljünk el egy elektromos hullámot, amelyet egy vezetékben rezgő elektron hoz létre. Ahogy az elektromos hullám fel és le mozog, folyamatosan változik. Ezért mágneses hullámot hoz létre, amely az elektromos hullám mentén terjed. Közben ez a mágneses hullám is változik, mert az őt keltő elektromos hullám változásban van. A változó mágneses hullám újabb elektromos hullámot gerjeszt, ami a mágneses hullám mentén terjed. Végeredményben egy összetett elektromágneses hullám jön létre, amely végighalad a térben, lépésről lépésre, elektromos és mágneses hullámok kölcsönhatása révén. A Maxwell-egyenletek ezt a hullámterjedést nagyon pontosan leírják, sőt meghatározzák a hullámok terjedési sebességét is. Ha megmérjük külön-külön az elektromos és a mágneses mező tulajdonságait, a hullám terjedési sebessége a kísérletekből kiszámítható. Kiderült, hogy pontosan megegyezik a fény sebességével. Maxwell tehát felfedezte, hogy az elektromágneses hullámok a fény sebességével terjednek, és rájött: a fény talán maga is az elektromágneses hullámok egy fajtája. Ez akkor vált bizonyossá, amikor Heinrich Hertz az 1880-as években felfedezte a Maxwell el-

62 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

mélete által megjósolt rádióhullámokat is, amelyek szintén fénysebességgel terjednek. Érthető tehát, miért lepődtek meg a fizikusok a 20. század elején, amikor kiderült, hogy a kvantumok világában a fény néha nem hullámként, hanem részecskeként viselkedik. Ám Michael Faraday talán nem lepődött volna meg ezen. Faraday először 1844-ben és 1846-ban, a Royal Institutionban tartott két előadásában hozta nyilvánosságra elképzeléseit az erővonalakkal és a mezőkkel kapcsolatban, ám ötletei messze megelőzték a korát. Abban az időben széles körben elfogadott volt a nézet, hogy az „üres teret" egy titokzatos közeg, az éter tölti ki, amely a fény hullámait, fodrozódásait közvetíti, éppen úgy, ahogy a hullámok terjednek a tó vizében. Az 1846-ban tartott előadásában Faraday, Maxwell matematikáját nélkülözve, kifejtette az imént vázolt modellt, és ezt mondta: „Az a célom, hogy megcáfoljam az éter koncepcióját, de a hullámok elképzelését továbbra is megtartsam." Arra gondolt, hogy a hullámok esetleg az elektromos és mágneses tér erővonalaival kapcsolatosak, és az erővonalak terjedése nagyon hasonlít a fény terjedésére. Meg volt győződve arról, hogy a gravitáció is hasonlóképpen működik. Az 1844. január 19-én tartott előadásában azonban még ennél is csodálatosabb kijelentést tett. Faraday elvetette az éter elméletét, de ugyanígy az atomokét is - még mielőtt az atomok gondolatát teljesen elfogadták volna a fizikában. Az atommodellnek az előző fejezetben ismertetett nagy sikerét látva ez nyilvánvalóan őrültségnek tűnik. Ám a 20. századi modern kvantum térelmélet alapján ez valóban ésszerű elképzelés, feltéve, hogy az atomok 19. századi értelmezését a „részecske" modern fogalmára cseréljük. Íme, egy újabb példa arra, hogy más-más modellre van szükségünk, ha ugyanazt a dolgot különböző körülmények között szeretnénk megmagyarázni. Faraday úgy érvelt, hogy nincsen valóságos különbség az erőtér és az erőtérben található atomok („részecskék") között. Úgy gondolta, az atomok (részecskék) pusztán az erőtér sűrűsödésének tekinthetők, és ahelyett hogy egy atomra (részecskére) a mező forrásaként gondolnánk, amelyből erővonalak indulnak ki, maga az erőtér az alapvető fizikai realitás, és a részecskék e tér, mező, háló csomópontjai. Hogy ötleteit érzékeltesse, arra kérte a hallgatóságát, végezzenek el gondolatban egy kísérletet. Tegyük fel, hogy a Nap az egyetlen égitest a kozmoszban. Mi történne, ha a Földet hirtelen, vala-

RÉSZECSKÉK ÉS MEZŐK • 63

milyen varázslat folytán a megfelelő távolságba helyeznénk a Naptól? Vajon időbe telne az erőnek, amíg a Napból kiindulva elérné a Földet? Vagy azonnal érezné a bolygó a Nap gravitációs hatását? Faraday szerint még ha a Nap az egyetlen égitest volna is az egész kozmoszban, gravitációs hatása mindenhova kiterjedne. így, mivel a Földet nem az „üres térbe", hanem egy valóságos erőtérbe helyeznénk bele, a gravitáció rögtön éreztetné a hatását. A Föld számára nem az erőtér forrásának (tehát a Napnak) a tulajdonsága fontos, hanem a mező azon pontjának tulajdonsága, ahol a bolygó éppen található. Faraday számára a mező volt az egyetlen realitás. Az anyag csak a mezőnek egy területe, ahol az erőtér összesűrűsödött és becsomósodott - állította. Két előadásában elvetette az éter és a valóságos anyagi részecskék gondolatát, és olyan képet festett az univerzumról, amelyben semmi más nem szerepel, mint a világegyetem terét kitöltő, kölcsönható erőterek, amelyek helyenként összesűrűsödnek és csomósodnak. Egy kvantumtérelmélettel foglalkozó fizikus ma pontosan így írná le a világegyetemet. A klasszikus példa természetesen a foton. A fény „részecskéit", a fotonokat az elektromágneses mező csomósodásaiként kell elképzelni, amelyek kis gubancok elektromágneses hullámokból. De emlékezzünk, a fizikusok a 20. században felfedezték, hogy még a valóságos anyagi részecskéknek vélt dolgok is - mint például az elektron - hullámtulajdonságokkal bírnak. A kvantumtérelméletben minden részecskének külön-külön mező felel meg. Létezik például elektronmező, amely kitölti a világegyetem terét. Mi ebből a mezőből csak a kis összesűrűsödött „gubancokat", az elektronokat érzékeljük, ugyanúgy, ahogy a fotonok az elektromágneses tér csomósodásai. Nehéz elképzelni, hogy az egész univerzumot egy elektronmező tölti ki, amelyet nem tudunk érzékelni. Még ennél is furcsább arra gondolni, hogy minden részecskének külön-külön, az elektromágneses térhez hasonló mező felel meg. Úgy tűnik, egy olyan univerzumban élünk, amely zsúfolásig megtelt erőterekkel. Nehéz ezt elhinni, de emlékezzünk vissza, hogy a környezetünkben található elektromágneses erőteret sem érzékeljük, pedig minden pillanatban tucatnyi rádió- és televízióállomás kisugárzott szignálja hatol át a testünkön. Az, hogy nem érzékeljük a térben kiterjedt anyagmezőket, hasonlít ahhoz, ahogy érzékeljük, vagy nem érzékeljük a Föld lég-

64 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

körét sem. Egy csendes, nyugodt időjárású délutánon nem vesszük észre, hogy levegő vesz minket körül. Ha a légkör mindenhol egyforma és nem mozog, még azt is nehéz megállapítani, hogy létezik-e egyáltalán. Csak akkor észleljük a minket körülvevő levegőréteget, ha mozgásban van. A légmozgást különböző egyenetlenségek, irregularitások okozzák, például kisebb örvények, vagy nagyobb viharok, forgószelek. Egy anyagi részecske hasonló fuvallatnak, örvénynek számít az anyagmezőben. Nem érzékeljük a teret kitöltő egyenletes, mozdulatlan mezőt, csak a benne található irregularitásokat. Ha tovább folytatnánk a gondolatmenetet, bizarr képet festhetnénk a világegyetemről, de célunkhoz elég annyit tudnunk, hogy a kvantumtérelmélet tudósai így látják az univerzumot, Faraday meglátásait követően. Amennyiben le akarjuk írni, mi történik az atomok belsejében, kitűnően alkalmazhatjuk a régi modellünket is, amely a mezőkkel és részecskékkel egyaránt számol: például az elektron és az elektromágneses mező kölcsönhatásának mintájára leírhatjuk a részecskék világában működő kölcsönhatásokat. A részecskék fogalma ezentúl is hasznos lesz a fizikában, akár mezők csomósodásainak képzeljük el őket, akár nem. Amikor két elektron közel kerül egymáshoz, azonos (negatív) elektromos töltésük lévén, taszítják egymást. De hogyan működik a köztük ható erő? Ha az elektront részecskének tekintjük, és a körülötte lévő elektromágneses mezőre alkalmazzuk a kvantumelméletet, áttekinthető képet kapunk a jelenségről. A kölcsönhatás a fotonok közvetítésével történik. A fotonok az elektromágneses erő közvetítő részecskéi, amelyek a két egymásra ható elektron között cikáznak: az elektromágneses kölcsönhatás közben a két elektron között kicserélődnek. Érdemes úgy elképzelni ezeket a fotonokat, mint egy gépfegyversorozat töltényeit. Mindkét elektron fotonokat lő a másik felé. A „töltények" folyamatos lökdösése következtében a két elektron taszítja egymást. Kicsit nehezebb elképzelni, miért vonzzák egymást az ellenkező töltésű részecskék, például a protonok és elektronok. Képzeljük el ebben az esetben, hogy a részecskék tréningező atlétákhoz hasonlítanak, akik azt a feladatot kapták az edzésen, hogy futás közben medicinlabdát dobáljanak a társuknak. Az atléták kénytelenek lesznek közeledni egymáshoz, mert nehezen tudják messzi-

RÉSZECSKÉK ÉS MEZŐK • 65

re eldobni a labdát. De néha hasonló jelenség játszódik le a részecskék világában, annak ellenére, hogy az elektron és a proton könnyű részecskéket, fotonokat cserél ki egymás között. Az elektronokból a protonok felé érkező fotonok árama nem széttaszítja, hanem éppen ellenkezőleg, összetartja a protont és az elektront. Az elektromágneses erőhatás nagy távolságban is érzékelhető. Ennek az az oka, hogy bár a fotonok szállítanak valamennyi energiát, egy foton létrehozásakor nem kell fedezni a tömegének megfelelő energiamennyiséget, mert az elektromágneses tér kvantumának egyáltalán nincs nyugalmi tömege. Így a részecskék (elektronok, protonok) könnyen kibocsáthatják a fotonokat anélkül, hogy sok energiát vesztenének. Egy foton elvileg bármekkora távolságot megtehet, örökké mozoghat a térben. így az elektromágnesesség nagy távolságra ható erő, amely akár az egész világegyetemen átnyúlva érzékeltetheti a hatását. (A gravitáció közvetítő részecskéjének, a gravitonnak, szintén nulla a nyugalmi tömege, ezért a gravitációs erő is nagy távolságokban érzékelhető.) Valójában azonban az elektromos és mágneses erő hatótávolsága korlátozott, mert az ellenkező előjelű töltések és ellentétes pólusok kiegyenlítik egymást. Minden elektronra jut egy proton az atomban, így az egész részecske elektromosan semleges: a benne található töltéseknek nincs hatása az atom környezetére. A helyzet teljesen megváltozik, ha az atommagot vizsgáljuk. A protonokat és neutronokat az erős nukleáris kölcsönhatás, a magerő tartja össze. Ez az erő teszi lehetővé, hogy nagy mennyiségű pozitív töltés tartózkodjék kis helyen, és az elektromos taszítás ne robbantsa szét az atommagot. Ám a magerő nem közvetlenül a neutronok és a protonok között hat, hanem az anyag még alapvetőbb építőelemei, a kvarkok között. Sok bizonyítékot találtak a kvarkok létezésére, de a legközvetlenebb mégis az 1960-as és az 1970-es években végzett kísérletekből származik. A kutatók az atommagot nagy energiájú elektronsugarakkal bombázták, és az elektronok szóródásából az atommagban lévő részecskék szerkezetére következtettek. A kísérlet nagyon hasonlított Ernest Rutherford csapatának egykori kísérletéhez, amelyben alfarészecskék szóródtak az atommagon. A mostani kutatások azonban, amelyeket legfőképpen a kaliforniai Stanford Egyetem kutatói végeztek, feltárták a protonok és neutronok belső struktúráját is.

66 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

A protonok és a neutronok kvarkokból épülnek fel - mindegyikük három kvarkból. Mégis csak két különböző fajtájú kvarkra van szükség, hogy megmagyarázzuk a stabil anyag felépítését. Az egyiket u-kvarknak, a másikat d-kvarknak nevezték el a tudósok (az elnevezés az „up" és a „down" angol szóból ered). Az u-kvark pozitív töltést szállít: pontosan az elektron egységnyi töltésének kétharmad részét. A d-kvarknak egyharmad egység negatív elektromos töltése van. Egy protonban két u-kvark és egy d-kvark található, amelyek együtt kiadják a proton egységnyi pozitív töltését (⅔ + ⅔ - ⅓ = 1). Egy neutron viszont két d-kvarkból és egy u-kvarkból áll, így az elektromos töltése semleges (⅔ -⅓ - ⅓ = 0). A kvarkok legfurcsább tulajdonsága az, hogy soha nem fordulnak elő magányosan, mindig csak párokban vagy hármas csoportokba rendeződve. A kvarkokból álló párokat (amelyek valójában kvark-antikvark 1 párok) mezonoknak nevezik. Ahogy az elektromágneses erőt a foton közvetíti, az atommagot összetartó erő közvetítő részecskéi a mezonok; a protonokra és neutronokra ható vonzóerő során kvark-párok cserélődnek ki a részecskék között. A fotonokkal ellentétben azonban a mezonoknak van tömege, ezért a részecskéknek nagy energiaveszteségébe kerül létrehozni őket. A protonok és neutronok azért gyárthatnak mégis kvark-antikvark párokat, mert a folyamatba beleszól a kvantumbizonytalanság. A kvantumbizonytalanság ebben az esetben a protonok és neutronok energiájával kapcsolatos. Ahogy egy kvantumos objektum helye és impulzusa (sebessége) ugyanabban az időben nem határozható meg pontosan, az energiája sem adható meg teljes határozottsággal. Ez a bizonytalanság nem a mi mérőeszközeink pontatlanságából származik, hanem az univerzum „maga sem tudja", hogy egy adott pillanatban pontosan mennyi energia tartozik a részecskéhez. Elegendően rövid időre energia keletkezhet a „semmiből", feltéve, ha az energia a megadott időn belül újra eltűnik. (Ez az időtartam a Planck-állandótól függ, tehát tényleg nagyon rövid.) Minél több energia jelenik így meg, annál hamarabb tűnik el. A „semmiből" keletkezett energia általában részecskék képét ölti. 1

Az antirészecske egy valóságos részecske tükörképe, amely vele ellentétes tulajdonságokkal bír, így ellentétes elektromos töltést is hordoz. Az anti-elektronnak (vagy más nevén pozitronnak) például egységnyi pozitív töltése, de az elektronéval megegyező tömege van.

RÉSZECSKÉK ÉS MEZŐK • 67

Így jönnek létre az atommagot összetartó mezonok is. Tulajdonképpen a semmiből keletkeznek, a kvantummezők vákuumfluktuációiból. Minden részecske egy antirészecskével párban jön létre. Ahelyett, hogy különálló kvarkok válnának ki a vákuumból, kvarkantikvark párok, mezonok keletkeznek. De ezek a mezonok csupán nagyon rövid ideig m a r a d h a t n a k életben. Éppen annyi ideig, amennyit a kvantumbizonytalanság megenged nekik. Ha az idő eltelt, a vákuumnak visszatérül az energia, és a mezon eltűnik. Éppen csak annyi ideje marad, hogy két szomszédos nukleon (proton vagy neutron) között kicserélődjön. Ez a hatás viszont elég ahhoz, hogy összetartsa az atommagot. (Itt segíthet a medicinlabdás hasonlat.) A mezonok rövid élettartama miatt a magerő csak korlátozott távolságra hat, s az atommagon kívül semmi sem érzékeli. Miért rendeződnek a kvarkok kettes vagy hármas csoportokba? Egy eddig ismeretlen térkvantum kicserélődése tartja őket össze. Amikor a részecskék elnevezésére került sor, a fizikusok egy kis tréfát engedtek meg maguknak, és a részecskéket gluonoknak nevezték, mert ezek ragasztják (angolul: glue) össze a kvarkokat. A gluonok egy mező sűrűsödései, és ugyanúgy működnek, ahogy az eddig tárgyalt többi erőhatás közvetítő részecskéi. Van azonban egy alapvető különbség. Ez az erő annál erősebb, minél távolabb helyezkedik a két kvark egymástól. A gluonok kicserélődését érdemes úgy elképzelni, mintha egy nagyon erős gumiszalag kötné össze a kvarkokat. Amikor a kvarkok közel vannak egymáshoz, a gumiszalag ellazul. Ha a kvarkok megpróbálnak eltávolodni, a gumiszalag megfeszül, és visszarántja őket. Így egy kvark csak akkor szabadulhat ki egy nukleonból vagy mezonból, ha egy nagy energiájú részecske ütközik a rendszerbe, amely elszakítja a „gumiszalagot". Ez történik akkor, amikor egy közel fénysebességgel mozgó elektron csapódik a protonba, a már említett kísérletekben. A becsapódó elektron energiájának két újonnan keletkező kvark (pontosabban, egy kvark-antikvark pár) tömegét kell fedeznie. Amikor a gumiszalag elszakad, mindkét vége hozzákapcsolódik egy-egy új kvarkhoz. Így megint egy proton keletkezik, és az eredeti protonból kilépett kvark, ahelyett hogy önállóan kisugározódna a rendszerből, egy antikvarkkal együtt me-

68 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

zont hoz létre. Soha semmilyen körülmények között nem figyelhetünk meg önálló kvarkrészecskéket. Ez az erő tehát az igazi erőhatás, amely összetartja az atommagot - a nukleonokat és a kvark-antikvark párokat. A nukleonok között működő magerő valójában csak gyenge maradványa ennek az erőnek, így a két erőt nem is tartják különböző erőhatásnak. Az elektromágnesességgel és a gravitációval együtt eddig három kölcsönhatást említettünk, amely a részecskék világában működik. Már csak egy maradt hátra, az ún. gyenge kölcsönhatás (nevét onnan kapta, hogy gyengébb a magerőnél). A fizikusok gyakran utalnak e négy erőre, mint a természet négy alapvető kölcsönhatására. A gyenge kölcsönhatás nem annyira összetartja, mint inkább széttöri a dolgokat. Főként a neutronokra hat, s protonná változtatja őket. Ezt a folyamatot béta-bomlásnak nevezzük. Eredményeképpen a neutron egy elektront és egy eddig nem említett részecskét, neutrínót (egészen pontosan, antineutrínót) sugároz ki. A folyamat során a neutron kölcsönhatásba kerül a gyenge erő mezejével; a mező kvantumát bocsátja ki magából. E térkvantumokat vektor bozonoknak nevezik, és akkora tömeggel bírnak, hogy a gyenge kölcsönhatás hatótávolságát szintén a kvantumbizonytalanság korlátozza. Végül ez a bozon egy elektronra és egy antineutrínóra bomlik. (Van más módja is, hogy a gyenge mező kölcsönhatásba kerüljön a részecskékkel, de erre most nem térünk ki.) Összefoglalva elmondhatjuk, hogy a fizikusok egy nagyon különleges szimmetriát fedeztek fel a részecskék világában. Négy különböző alapvető kölcsönhatás létezik, s négy különböző alapvető részecske (az u- és a d-kvark, az elektron és a neutrínó). Ez minden, amire szükség van, hogy elmagyarázzuk, amit a világegyetemben láthatunk. Sajnos, eddig még fel nem derített okok miatt a kísérletekben, részecskék ütköztetésekor, a kutatók két másik részecskecsaládot is felfedeztek, amelyek az eddig megismerteknél nagyobb tömegű részecskéket is tartalmaznak. Ezek nem az ismert részecskék „belsejéből" származnak (ahogy például a kvarkok a nukleonok belsejében találhatók), hanem a kísérlet során felszabaduló tiszta energiából jöttek létre (hasonlóan ahhoz, ahogy kvark-antikvark párok keletkeznek a „gumiszalag" felszakadása-

RÉSZECSKÉK ÉS MEZŐK • 69

kor). Különleges esetben így olyan részecskék is születhetnek, amelyek az Ősrobbanás óta nem léteztek a világegyetemben. Kiderült, hogy az elektronnak, valamint u- és d-kvarkoknak léteznek nehezebb hasonmásai is, és mintha ez még nem lenne elég, van mindenből egy még nehezebb is. Az alapvető részecskék nagyobb tömegű változatai nem játszanak szerepet az univerzum mai működésében (habár fontos szerepet játszhattak az Ősrobbanáskor; lásd a 12. fejezetet). E részecskék instabilak, hamar elbomlanak könnyebb változataikra, s közben energiát sugároznak. A részecskefizikusok egy sor izgalmas elméletet dolgoztak ki, hogy e furcsa részecskék viselkedését megmagyarázzák. Ebben a könyvben azonban nem említünk egyet sem, mert arra törekszünk, hogy bemutassuk, milyen valójában a világegyetem, s nem azt vizsgáljuk, hogy milyen lehetne, ha ezekből az egzotikus részecskékből épülne fel. Mielőtt a szubnukleáris fizikában tett rövid kirándulásunk után visszatérnénk a molekulák világába, még egyszer áttekintjük a természetben működő négy alapvető kölcsönhatás jellegzetességeit, és megnézzük, hogyan próbálják a fizikusok egy egyesített elméletben összefoglalni az erők, erőterek és a négyfajta részecskék tulajdonságait. A gravitáció a leggyengébb erőhatás a természetben, de mindennapi életünkre ez van a legnagyobb hatással. Nem véletlen, hogy tudományosan is ezt vizsgálták először. Mivel a hatása összeadódik, nagy tömegek esetén már számottevő lehet. A hatótávolsága végtelen. Ha ki akarjuk számítani, mekkora gravitációs erő hat egy anyaghalmazra, külön-külön összegeznünk kell az anyaghalmaz részecskéire ható erőket. A gravitáció hatását nem lehet úgy semlegesíteni, ahogy például az elektromos erő esetén a pozitív és negatív töltések kiegyenlítik egymást. Hatótávolságát, mint az elektromágnesességét is, azért tekinthetjük végtelennek, mert a gravitációs tér kvantumainak, a gravitonoknak nincs nyugalmi tömegük, ahogy a fotonoknak sincs. Ám ez nem jelenti azt, hogy egy anyaghalmaztól számítva a gravitációs erő minden távolságban ugyanakkora. Tudjuk, hogy az erőhatás a híres „távolság négyzetével fordítva arányos" szabályt követi: egy testtől mérve az erő a távolság négyzetével fordított arányban csökken. Az elektromágneses erő sokkal erősebb a gravitációnál, de min-

70 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

dennapi életünkre nincs olyan jelentős hatása, mint az előbbinek. Ennek egyszerű a magyarázata: az elektromosságnak és a mágnesességnek kétfajta forrása is létezik a természetben (pozitív és negatív töltések, északi és déli pólusok), s ezek semlegesítik egymás hatását. De a gravitációhoz hasonlóan az elektromosság és a mágnesesség is egy „távolság négyzetével fordítva arányos" szabály szerint működik. A Maxwell-egyenletek megmutatják, hogy e két erő csak két különböző megnyilvánulása ugyanannak a jelenségnek, az elektromágnesességnek, amelyet a kvantumtér-elmélet szerint a nyugalmi tömeg nélküli foton közvetít. Talán azzal lehet érzékeltetni leginkább a gravitáció és az elektromágnesesség közti különbséget, ha belegondolunk, mi történik akkor, amikor egy alma leesik a fáról. Az erő, amely az ágon próbálja tartani az almát, nem más, mint a szárában található atomok között fellépő elektromágneses hatás. Eközben az almát a Föld atomjainak gravitációs ereje húzza lefelé. Bolygónknak csaknem 6 * 1024 kg a tömege. Ilyen nagy tömeg gravitációs hatása épphogy el tudja szakítani az alma szárában lévő néhány atom között ható elektromos vonzást. A természet négy alapvető kölcsönhatásának relatív erőssége kifejezhető az erős kölcsönhatás segítségével. Az elektromágneses kölcsönhatás erőssége ekkor kb. 10 -2 egység (egy százaléka az erős kölcsönhatás erősségének), a gyenge kölcsönhatás erőssége 10-13 egység (egy százmilliárdod százaléka az erős kölcsönhatás erejének), a gravitáció erőssége pedig 10-38. Az erős kölcsönhatás százmilliárdszor milliárdszor milliárdszor milliárdszor erősebb a gravitációnál. Még a gyenge kölcsönhatás is tízmilliószor millárdszor milliárdszor erősebb a tömegvonzásnál. Ennek ellenére tudjuk, hogy a gyenge- és az erős kölcsönhatás hatótávolsága korlátozott, s csupán az atomi méreteknél sokkal kisebb mérettartományokban érvényesül. Az univerzum másképp festene, ha e két erőnek ugyanakkora hatótávolsága lenne, mint a gravitációnak és az elektromágnesességnek. A kutatók szerint azonban pontosan ilyen állapot uralkodott az Ősrobbanás után az újszülött világegyetemben. A fizikusok megpróbálják a természet alapvető erőhatásait tárgyaló elméleteket egy matematikailag egységes elméletté, egy egyesített térelméletté összefoglalni. Nagyjából félúton vagyunk egy ilyen nagy elmélet felé. Sikerült

RÉSZECSKÉK ÉS MEZŐK • 71

az 1960-as években az elektromágneses és a gyenge kölcsönhatást matematikailag egyesíteni. Az új elméletet elektrogyenge elméletnek nevezték el, s azóta is mintául szolgál egy még teljesebb egyesített térelmélet megkonstruálásához. Az elektrogyenge elméletnek az az alapja, hogy az elektromágneses mező kvantuma (a foton) és a gyenge kölcsönhatás kvantuma (a vektorbozon) nagyon hasonló szerepet játszik a két kölcsönhatásban. Az elektromágnesesség matematikailag viszonylag egyszerűen leírható erő, mert a kölcsönhatásban csak egyetlen térkvantum játszik szerepet, a foton, és ennek sincs nyugalmi tömege vagy elektromos töltése. A gyenge kölcsönhatás közvetítő részecskéjének, a vektor bozonnak viszont három változata is létezik. E három részecske közül az egyik pozitív töltésű, a másik negatív, a harmadik elektromosan semleges, és ráadásul mindhármuknak van tömege. E tulajdonságaiktól eltekintve teljesen hasonlítanak a fotonokra. Ha nem korlátozná a hatótávolságukat a kvantumbizonytalanság (a nagy nyugalmi tömegük miatt), akkor pontosan úgy viselkednének, mint az elektromágneses tér kvantumai. Egy forró világegyetemben azonban a vektor bozonok élettartama nem függene a kvantumbizonytalanságtól. Az univerzum háttérsugárzása elegendő energiát adna a részecskéknek, hogy azok valóságos vektor bozonokká váljanak, s nagy távolságokra elrepülhessenek, akár a fotonok. A gyenge kölcsönhatás hatótávolsága ilyen szélsőséges körülmények között szintén végtelen lenne. Az elektrogyenge elmélet leírja, hogyan viselkednének a részecskék, ha a fotonok és a bozonok teljesen azonosak volnának mintha egy egységes elektrogyenge kölcsönhatás működne. Arra is magyarázatot ad, hogy ez az egységes kölcsönhatás hogyan vált szét két különböző hatássá, amikor a világegyetem elegendően lehűlt és kitágult az Ősrobbanás után, és miért éppen a most tapasztalható különbség alakult ki a két erőhatás között; miért kapott a vektor bozon tömeget. Az 1980-as évek elején a CERN részecskegyorsítóiban sikerült tiszta energiából előállítani a vektor bozonokat, és a kísérletek kimutatták, hogy a részecskéknek pontosan akkora a tömege, mint amekkorát az elektrogyenge elmélet megjósolt. A következő lépés az lehetne, hogy a fizikusok találnak egy elméletet, amely magába foglalja az erős kölcsönhatást és az egye-

72 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

sített elektrogyenge kölcsönhatást is. Ehhez természetesen arra l e n n e szükség, hogy a gluonokat azonos alapra hozzák a vektorbozonokkal és a fotonokkal. Elvileg működnie kellene a máibevált módszernek. Sajnos azonban a gluonoknak a vektor bozonoknál is nagyobb tömegük van, így a két kölcsönhatás egyesülése csak különlegesen nagy hőmérsékleten mehetne végbe. Ilyen körülmények az Ősrobbanás legkorábbi időszakában uralkodtak. Az újonnan alkotott elméleteket csak megfelelő kísérletekkel lehetne ellenőrizni. Ha a részecskegyorsítók belsejében rövid időre reprodukálni tudnák a szélsőséges fizikai körülményeket, megfigyelhetnék, hogy a részecskék ütköztetésekor valóban összeolvadnak-e az erőhatások. Így tesztelték az elektrogyenge elméletet is: meggyőződtek arról, hogy pontosan leírja a részecskék viselkedését. Csakhogy olyan nagy energiájú részecskegyorsítót nem lehet építeni, amellyel próbára tehetnének egy erős kölcsönhatást is tárgyaló Nagy Egyesített Elméletet. Hipotéziseket alkotni nem nehéz feladat, de egy olyan elmélet, amely kísérletileg nem ellenőrizhető, teljesen haszontalan. Ráadásul ebben az esetben nyolc különböző gluon létezik, amelyet mind számításba kellene venni az elmélet tesztelésekor. A fizikusok egy egész sor Nagy Egyesített Elméletet hozhatnak létre, amelyek egytől egyig más előrejelzéseket adnak, miképpen viselkedik az anyag szélsőségesen nagy energiákon. Hogy leellenőrizzük ezeket az elméleteket, és eldöntsük, melyik helyes közülük (ha egyáltalán helyes valamelyik), olyan részecskegyorsítóra lenne szükségünk, amely ezermilliárdszor (10 12 -szer) erősebb hatást ér el, mint az elektrogyenge elmélet teszteléséhez az 1980-as években használt berendezés. Egy naprendszer méretű gyorsítógyűrű kevésnek bizonyulna ehhez a feladathoz. A 12. fejezetben látni fogjuk, hogy a részecskefizikusok ma már inkább kozmológiai problémákkal foglalkoznak. Megpróbálják megmagyarázni elméleteikkel, mi történt a világegyetemben az Ősrobbanást követő időszakban. Következtetéseiket összehasonlítva az univerzum jelenlegi képével, leellenőrizhetik elképzeléseiket. És még ekkor sem foglaltuk bele a csomagba a gravitációt! Az elméleti fizika Szent Grálja egy olyan Szuper Nagy Egyesített Elmélet lehetne, amely mind a négy alapvető kölcsönhatást, beleértve a gravitációt is, egyetlen kölcsönhatássá olvasztaná. Sajnos, bár a gravitonnak nincs nyugalmi tömege, ez nem látszik könnyű

RÉSZECSKÉK ÉS MEZŐK • 73

feladatnak: még az eddig említett hatalmas energiáknál is nagyobb energiára van szükség ahhoz, hogy a gravitáció erőssége a többi kölcsönhatás erősségével megegyezzen. A gravitáció hihetetlenül gyenge kölcsönhatás, nehezen elképzelhető, hogy valaha is képesek leszünk kísérletekkel ellenőrizni egy ilyen elméletet. De talán létezik égy másik út, amelyen eljuthatunk a megoldásig. Ez az út a szuperhúrok elmélete. A húrelmélet a részecskéket térkvantumok helyett apró, vibráló húroknak képzeli el. A hagyományos kvantum térelméletben az alapvető részecskéknek, mint például a kvarkoknak és az elektronoknak, nincs térbeli kiterjedésük. A szuperhúrok mérete viszont nem egy matematikai pont, hanem egy nagyon kicsi véges érték. Átmérőjük nagyjából 10-33 cm, így abba a mérettartományába esnek, ahol fontossá válik a kvantumbizonytalanság hatása. Egy szuperhúr annyiszor kisebb egy atomnál, ahányszor kisebb az atom a naprendszernél. Bár nincsen arra lehetőség, hogy közvetlenül leellenőrizzük a szuperhúrelmélet elképzeléseit - hiszen nem létezik kísérleti eszköz, amellyel ilyen apró mérettartományokba tartozó struktúrákat vizsgálhatnánk - két dolog miatt sok fizikus mégis azt gondolja, hogy a szuperhúrok jelentik a végső igazságot, és az anyag legalapvetőbb építőelemeinek tekinthetők. A húrelmélet segítségével első lépésként sikerül megszabadulni a fizikában nagyon kellemetlen végtelen mennyiségektől, amelyek már régóta bosszantják a tudósokat. E végtelen mennyiségek általában abból származnak, hogy a régi elméletek pontszerű objektumokként képzelik el a részecskéket. Ha a részecskéknek valóban nulla térfogata van, akkor elkerülhetetlenül nullával kell osztani a különböző számítások során. Például az elektromos erő a távolság négyzetével fordítva arányos. A forrástól mért távolságban az erő nagysága a távolság négyzetével fordított arányban áll. Ha közeledünk az elektromos mező forrásához, a távolság csökken, a térerősség növekszik. Ha a forrásnak nulla a kiterjedése, a távolság akár nullára is lecsökkenhet. Egy pontszerű elektron így végtelen nagyságú erőhatást érez, mert az erő képletében nullával (nulla négyzetével) kell osztani. Ezt a problémát elkerülhetjük, ha a renormálás matematikai trükkjét alkalmazzuk. Amennyiben egy végtelen nagy számot elosztunk egy másik végtelen nagy számmal, véges számot kaphatunk. Elsőre azt gondolhatjuk, hogy végtelen osztva végtelennel

74 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

eredményként mindig 1-et ad, ahogy például a 2 / 2 , vagy az 5 1 2 3 4 / 5 1 2 3 4 tört értéke is 1. Valójában azonban a végtelen nagyon furcsán viselkedik: ha egy végtelen értéket elosztunk egy másik végtelennel, a végeredmény bármilyen szám lehet. Képzeljük el például azt a számot, amely az összes pozitív egész szám összege (1 + 2 + 3 +...). Ez természetesen végtelen. Most duplázzuk meg az összeg minden tagját, és adjuk újra össze. Nyilvánvaló, hogy eredményként így is végtelent kapunk. De hogyan aránylik ez az érték az előző végtelenhez? Azt gondolhatjuk, hogy mivel az összegben minden tagot megszoroztunk kettővel, az eredmény is kétszer akkora lesz, mint az előző sorozat összege. Ám gondolkozzunk tovább! A második sorozatban csupán páros számok szerepelnek (2 + 4 + 6 +...). Ez az összeg nem tartalmazza a páratlan számokat, vagyis éppen fele az első sorozat összegének, amely minden egész számot, párost és páratlant is egyaránt tartalmaz. Ha tehát elosztjuk a második végtelent az első végtelennel, a kapott eredmény 0,5 lesz, nem pedig 2 (és biztosan nem 1). A klasszikus térelméletekben ezt a matematikai trükköt alkalmazva végtelen értékekből olyan véges értékeket lehet létrehozni, amelyeket kísérleti mérésekkel már ellenőrizhetők. Ám ezt az eljárást sok fizikus ki nem állhatja. A szuperhúrelméletben azonban a végtelennel való bajlódás végleg fölöslegessé válik, mert az elmélet nem nulla kiterjedésű objektumokkal számol. Nem kell többé pontszerű forrásokkal (szingularitásokkal) foglalkozni, s így nincs szükség a renormalizációra sem. A második nagy előnye a szuperhúrok elméletének, hogy igazolja a gravitáció létezését. Említettük, hogy csaknem lehetetlennek tűnik a gravitációs kölcsönhatást összeházasítani a másik három kölcsönhatással egy Szuper Nagy Egyesített Elmélet keretében, mert a gravitáció sokkal gyengébb a többi erőhatásnál. Amikor a kutatók foglalkozni kezdtek a szuperhúrok elméletével, és megpróbálták leírni az ismert részecskék és kölcsönhatások természetét, feltételezték, hogy a gravitáció itt is éppoly engedetlennek bizonyul majd, mint a kvantumtér-elméletben. Ezért kezdetben, az 1970-es években, meg sem próbálták számításba venni az elmélet kidolgozásakor.

RÉSZECSKÉK ÉS MEZŐK • 75

Az elméletben azonban nem különböző szuperhúrként képzelnek el minden egyes részecskét, térkvantumot, hanem azt gondolják, hogy az összes részecske ugyanannak a húrnak más-más vibrációjaként jön létre, ahogy egyetlen hegedűhúron is több különböző hang szólalható meg. Az 1970-es évek közepén, amikor néhány elméleti fizikus eljátszogatott a szuperhúrok absztrakt gondolatával, rádöbbentek, hogy a húrok vibrációiként az összes ismert részecske (kvark, foton stb.) viselkedése leírható. A fotonnak és az elektronnak más-más vibráció felel meg, mintha ugyanazon a hegedűhúron más-más hang szólalna meg. Csakhogy tudósok matematikailag levezették, hogy a szuperhúrok olyan vibrációkat is képesek létrehozni, amelyeket egyetlen ismert részecskéhez és mezőhöz sem lehet társítani. A fizikusok először igyekeztek megszabadulni ezektől a lehetőségektől, de aztán rájöttek, hogy a h ú r o k e különös vibrációi p o n t o s a n megfelelnek a gravitonnak, a gravitációs mező kvantumának. A szuperhúrelmélet tehát magában foglalja a gravitációs kölcsönhatást is! Ez persze még nem jelenti azt, hogy a fizikusoknak sikerült létrehozni a „mindenség elméletét". A húrelmélet matematikai szempontból rendkívül bonyolult, így nagyon nehéz teljes, részletes elméletet felépíteni belőle. Ráadásul nem csökkent a fizikusok aggodalma, hogy egy ilyen elmélet kísérletileg nem ellenőrizhető. Néhányan attól félnek, hogy a szuperhúrelmélet zsákutcába vezethet. Rutherford óta a kutatók felderítették az atomok belső struktúráját, felfedezték a természet alapvető részecskéit. Elméleteket dolgoztak ki, amelyek kitűnően megmagyarázták a kísérletek tapasztalatait. A húrelmélet azonban tiszta matematikából fejlődött ki: a tudósok matematikai konstrukciókat hoztak létre, szuperhúrokat, de nem tudják, milyen kísérleteket kellene végezniük. Még soha nem tapasztalták a fizikusok, hogy a részecskék úgy viselkednének, összeütköznének és visszapattannának, hogy ebből egyértelműen a szuperhúrok létezésére lehetne következtetni. Sokak szerint a szuperhúrelmélet a 21. századi fizika darabja, amely a 20. századi fizikusok ölébe hullott. Ennek ellenére nagyon sok tudós úgy gondolja, hogy az új elmélet járható alternatívája lehet a régi modellnek, amely a részecskéket pontszerű térkvantumokként ábrázolja. Egy teljes, leellenőrizhető, gravitációt is magába foglaló kvantum térelmélet megvalósulhatatlan álomnak tetszik a fizikusok a számára.

76 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

Ám bármerre fejlődnek majd az elméletek a következő században, egy dologban biztosak lehetünk. A 20. század végén, a 21. század elején idáig tudtuk elkalauzolni az olvasót az anyag szerkezetének titka felé vezető úton. Akármilyen lenyűgözőnek is tetszenek az imént vázolt elméletek, mindennapi életünkre nincsenek nagy hatással. Ahhoz, hogy megértsük a minket körülvevő világot, elég csupán az atomokkal foglalkoznunk, és az atomok alkotóelemeit, a protonokat, neutronokat, elektronokat elemi részecskéknek tekintenünk. A természet négy alapvető kölcsönhatása közül is elég lesz kettőt számításba venni: a gravitációt és az elektromágnesességet. Hogy folytassuk a körülöttünk lévő világ vizsgálatát, a következő fejezetben újra az atomokkal foglalkozunk: megvizsgáljuk, hogyan kapcsolódnak egymáshoz ezek az apró részecskék, miként hoznak létre egyre nagyobb és összetettebb objektumokat. Vizsgálódásunk végső célja az lehet, hogy az univerzum létezését megmagyarázzuk, és megfejtsük, hogyan vált a világegyetem olyanná, amilyennek ma látjuk. A természet legalapvetőbb részecskéi és a világegyetem nagy léptékű méretei között félúton meg fogjuk találni saját létezésünk magyarázatát is. Amikor az atomok belsejébe pillantottunk, és megvizsgáltuk az anyag legalapvetőbb építőelemeit, a természet egyre kisebb és kisebb mérettartományaiba hatoltunk be. A következő fejezetben az ellenkező irányba indulunk el: megnézzük, vajon az atomok mely tulajdonságai teszik lehetővé, hogy a részecskék komplex struktúrákat, anyaghalmazokat - hozzánk hasonló emberi lényeket - építsenek fel. Ehhez legelőször megvizsgáljuk, miként kapcsolódnak az atomok molekulákká, és rövid látogatást teszünk a kémia titokzatos birodalmába.

4. Kémia

A kémia egésze megmagyarázható az 1930-as évek fizikai eredményeivel, s egy egészen egyszerű modell elég ahhoz, hogy megérthessük, milyen módon kapcsolódnak össze az atomok molekulákká. Nem kell foglalkoznunk a neutrínókkal, s nyugodtan feledkezzünk meg az erős és gyenge magerőkről is. Végképp figyelmen kívül hagyhatjuk a gravitációt, amely sokkal gyengébb annál, semhogy beleszólhatna a kémiai reakciókba. S ugyanígy - legalábbis első megközelítésben - nem kell foglalkoznunk a részecske-hullám kettősséggel sem. Szinte alig kell tekintetbe vennünk azt a tényt is, hogy az atommagokat kétféle részecsketípus, a proton és a neutron építi fel. Minden, amit tudnunk kell a kémiai folyamatok magyarázatához az, hogy az atomokban negatív töltésű, a kvantummechanika törvényeinek megfelelően elhelyezkedő és viselkedő elektronok vannak jelen, bizonyos távolságra a pozitív töltésű atommag körül; s hogy a két rész között elektromágneses erők hatnak. A kémia alapjai hihetetlenül egyszerűek; ugyanakkor bámulatos, hogy ezen egyszerű szabályok által milyen sokféle és bonyolult molekula felépülése válik lehetővé. Az elemek periódusos rendszerének első sikeres magyarázata valójában 1922-re tehető, amikor Niels Bohr a klasszikus fizika régi elgondolásainak (például hogy az elektron egy apró részecske) és a kvantumfizika új gondolatainak vegyítésével olyan alapvető atommodellt alkotott, amely ma is az iskolai tananyag részét képezi, s amelyet a 2. fejezetben már bemutattunk. Az atomok rendszáma (amely, mint azt ma már tudjuk, egyenlő az atommagban lévő protonok számával) határozza meg, hány elektron tartózkodhat az atom elektronhéjaiban. Minden egyes protonhoz tartozik egy-egy elektron, amely azért szükséges, hogy

78 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

az atom elektromos szempontból semleges legyen. Bármi is legyen a rendszáma, az atomhoz tartozó első elektron az elérhető legkisebb energiaszinten tartózkodik - ez megfelel annak az energiaszintnek, amelyet a legegyszerűbb atom, a hidrogén egyetlen elektronja is elfoglal. A következő elektron is ugyanezen az energiaszinten tartózkodik, de spinje ellentétes az első elektronéval. Ezen az energiaszinten csak ez a két hely található. Az atommagtól távolabb, a következő energiaszinten már több hely áll az elektronok rendelkezésére. Így a következő nyolc elektron körülbelül ugyanakkora „távolságra" tartózkodik az atommagtól - tehát ez jellemző a következő nyolc rendszám, vagyis a következő nyolc elem esetében. Ezután ez a mintázat ismétlődik (néhány finom eltéréssel, amelyek főleg a specialistáknak fontosak). Az atommag körüli, az elektronok által elfoglalt különböző energiaszinteket elektronhéjaknak is nevezik. Ez egy kicsit szerencsétlen elnevezés, mivel azt sugallja (helytelen módon), hogy a külső héjakról „nem lehet látni" az atommagot, csak a következő, eggyel beljebb eső héjat. Az elnevezés azonban még az 1920-as évek elejéről származik, s most már rajtunk maradt. A fent említett, általunk most részletesen nem vizsgálandó finomságok egyike, hogy mivel az egész atom energiaszintje változik, miközben az elektronhéjak sorban feltöltődnek, elkövetkezik egy olyan állapot, amikor lehetővé válik egy „létszámon felüli" elektron bepréselése a belső héjak egyikére. Ennek eredményeképpen egy egész sor olyan elem létezik (az ún. ritkaföldfémek), amelyek igen hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkeznek (tekintettel arra, hogy egymással megegyező külső elektronhéjaik vannak), ugyanakkor atomsúlyuk és rendszámuk eltérő. Ezeknél az elemeknél a magban lévő protonszám emelkedésével az ennek megfelelően szintén gyarapodó elektronok nem formálnak új elektronhéjakat, hanem a belső héjakon vannak „elrejtve". Bohr magyarázata a periódusos rendszerre (s a színképelemzés a 2. fejezetben ismertetett részleteire) magában foglalta azt a feltevést, hogy az egyre magasabb és magasabb rendszámú atomok felé haladva minden elektronhéj fokozatosan feltöltődik. Bohr legfontosabb felismerése - amely a kémiát egyszer és mindenkorra összekapcsolta a fizikával - az volt, hogy az atomok külvilággal (vagyis az ő esetükben más atomokkal) való kölcsönhatását egyedül az határozza meg, hogy hány elektron tartózko-

KÉMIA • 79

dik a legkülső elektronhéjon, az ún. vegyértékhéjon. Minden más, az atom belsejében, mélyebben történő dolognak csak másodlagos jelentősége van. Ez az oka annak, hogy a hidrogén, amely egyetlen elektronnal rendelkezik, a három elektront birtokló lítiumhoz hasonló kémiai tulajdonságokkal bír - a lítium első két elektronja a legbelső elektronhéjon tartózkodik, míg a harmadik az atommagtól távolabb, a következőn. Ez az oka annak, hogy a fluor - amelynek szintén két elektron van a legbelső, hét pedig a következő elektronhéján - a klórhoz hasonló kémiai tulajdonságokkal rendelkezik; a klórnak két teljesen feltöltött elektronhéja van (a legbelsőn két, a következőn nyolc elektronnal), a harmadik, legkülső héjon pedig a fluorhoz hasonlóan további hét elektron helyezkedik el. Lehetne még sorolni a példákat. A belső héjak (az ún. atomtörzs) szerepét természetesen nem hagyhatjuk teljesen figyelmen kívül, ahogyan az atom tömegét sem - hiszen éppen ezek a dolgok azok, amelyek miatt nem tehetünk egyenlőségjelet a fluor és a klór, vagy a lítium és a hidrogén közé. A hasonlóságok azonban kémiai szempontból minden esetben messze fontosabbak, mint az eltérések. Bohr nem tudta magyarázni, hogy egy nyolc elektront tartalmazó elektronhéj miért telített (vagy zárt, ahogyan ő nevezte); a kémia megértéséhez azonban ez nem is fontos. A fontos az, hogy az atomok - bármilyen okból is - „szeretik" a zárt elektronhéjakat. Később, a kvantummechanikai ismeretek használatával lehetővé vált ennek magyarázata: a zárt elektronhéjak az atom számára alacsonyabb energiaszintet jelentenek, s az alacsonyabb energiaszint mindig kedvező, elérése kívánatos. Ezzel azonban most nem kell foglalkoznunk, ahogyan Bohr sem foglalkozott vele 1922-ben. Bohr felismerése közvetlenül megmagyarázza, miért szeretnek egyes atomok egymással összekapcsolódva molekulákat formálni, s miért „vonakodnak" ettől mások. Legcélravezetőbb, ha az egészet egy példával világítjuk meg. A hidrogén egyetlen elektronnal rendelkezik a legbelső elektronhéjon, s „szeretne" még egyet, hogy lezárhassa a héjat. A szén hat elektronja közül kettő a legbelső héjon van (ami ezáltal zárt), négy pedig a következőn. A szén további négy elektront „szeretne", hogy a második héjat is lezárhassa. Ennek eléréséhez az egyik lehetőség, hogy reakcióba lép négy hidrogénatommal, aminek következtében a metán (CH4) nevű molekula alakul ki.

80 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

Képzeljük el, hogy az elektromágneses erő segítségével minden hidrogénatom (vagyis inkább hidrogén-atommag) „megragadja" a szén külső elektronhéjának egy-egy elektronját, míg a szénatom a négy hidrogénatom elektronjaival teszi ugyanezt. Ennek következtében az atommagok közötti, közös elektronpárok alakulnak ki, amelyek létrehozásában minden hidrogénatom elektronjai, illetve a szén négy elektronja vesznek részt. Az elektronhéjak így „közös erővel" lezáródnak, s az atomok számára sokkal alacsonyabb energiaállapot alakul ki - a hidrogén- és szénatomok sokkal stabilabbá válnak, mintha szabadon lennének. Ugyanilyen logikával az is megérthető, hogy az olyan anyagok, mint a hélium (amelynek egyetlen elektronhéja két elektronnal zárt) vagy a neon (amelynek belső héja szintén két elektronnal, a külső pedig nyolc elektronnal telített állapotú), miért „vonakodnak" mindenféle kémiai reakciótól. Nem is kell erőlködniük - ők már elérték a nirvána kémiai megfelelőjét. A kémiai kötéseknek ezt a típusát, amelyben közös, ún. kötő elektronpárok vesznek részt, kovalens kötésnek nevezik. Egy kötő elektronpár egy kovalens kötést létesít. Létezik azonban egy másik módszer a „kémiai nirvána" eléréshez, ahogyan azt már Bohr is felismerte. Képzeljünk el egy olyan atomot, amelynek egyetlen elektronja tartózkodik a legkülső elektronhéjon - ilyen például a nátrium, amely két lezárt héjjal rendelkezik (kettő, illetve nyolc elektronnal), s van egy „felesleges" elektron, legkívül. Nyilvánvaló, hogy a zárt elektronhéjak állapotának eléréséhez a legegyszerűbb az lehetne, ha valamiképpen meg lehetne szabadulni ettől az elektrontól. Most képzeljünk el egy olyan atomot, amelynek viszont éppen egyetlen elektron hiányzik ahhoz, hogy legkülső elektronhéja lezáruljon - ilyen például a klór, két lezárt héjjal (ugyancsak kettő, illetve nyolc elektronnal), míg a legkülső, harmadik héjon hét elektron tartózkodik. Nyilvánvaló, hogy a héj lezárásának legegyszerűbb módja, ha „betömjük ezt a rést", vagyis kerítünk valahonnét egy elektront. Ha tehát a nátrium és a klór reagál egymással, minden nátriumatom leadhat egy elektront a klóratomoknak, s így mindkét atomtípus a „kémiai nirvánába" kerül. Ezzel azonban az atomok semleges töltése megszűnik: a negatív töltésű elektron távozásával a nátriumatomok egyszeresen pozitív, míg az elektront átvevő klóratomok egyszeresen negatív töltésűvé válnak (az elektron egység-

KÉMIA • 81

nyi negatív töltést képvisel). Az ellentétes töltések vonzzák egymást, a töltéssel rendelkező atomok - más néven ionok - összekapcsolódnak, s a jól ismert, közönséges vegyületet, a nátrium-kloridot (konyhasót), illetve annak kristályait alakítják ki. Az összekapcsolódás ún. ionos kötéssel történik. Ezek különösen egyértelmű és világos példák voltak, de számos esetben jellemző, hogy egy adott vegyületen belül kovalens- és ionos kötéseket is találunk. De nem kell bajlódnunk ilyen részletekkel. Ami a lényeg, hogy a fenti logikával minden kémiai reakció magyarázható: elektronok megosztása vagy cseréje (vagy mindkettő) az atomok között a célból, hogy zárt elektronhéjakat, így stabilabb állapotot alakítsanak ki. Mint a legjobb tudományos hipotézisek mindegyike, Bohr modellje is adott olyan jóslatokat, amelyek kísérletileg ellenőrizhetők. A jóslatok eredményeit a kísérletek adataival összehasonlítva kiderült, hogy Bohr modellje nagyszerűen megállja a helyét. Még 1922-ben is akadt néhány rés a periódusos rendszerben. Az akkoriban ismeretlen elemek a következő rendszámmal bírtak: 43, 61, 72, 75, 85 és 87. Bohr modellje részletesen megjósolta a felfedezésre váró elemek tulajdonságait, mint ahogyan Mengyelejev is tett hasonló jóslatokat az előző évszázadban. Különös jelentőséggel bír, hogy Bohr modellje a 72-es elem (a hafnium) esetében eltérő tulajdonságokat jósolt, mint a rivális elképzelések. Kevesebb mint egy évvel az elméleti előrejelzések után felfedezték és elnevezték a hafniumot, s kiderült, hogy tulajdonságai éppen a Bohr-féle modell jóslatainak felelnek meg (ez a többi „hiányzó" elem esetében is beigazolódott, bár ezeknél a többi modellhez képest kevésbé voltak feltűnőek az eltérések). Mindezt úgy sikerült elérni, hogy nem használták az elektron hullámtermészetének modelljét, amelyet akkoriban még nem ismertek. Egy olyan molekulánál, mint például a hidrogén (H 2 ), úgy gondolták, hogy a hidrogénatomok elektronjai nagyjából a két atommag között helyezkednek el, így mindkét atommag magához láncolhatja mindkét elektront. Az elektron mint hullám figyelembevétele azonban olyan új megvilágításba helyezi a molekulákban lévő kötéseket, amelyet bizonyos szempontból könnyebb megérteni - feltéve, hogy elfogadjuk: az egyes elektronok valójában egy akkora térrészre terjedhetnek ki, amely megfelel az atom vagy a molekula méretének, s nem egyszerűen az atommag körül

82 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

keringő pontszerű részecskék. Egy elektron által az atomban vagy molekulában elfoglalt térrészt egyfajta görbült felületnek foghatjuk fel, s a hidrogén esetében ez lényegében az atommag körüli gömbfelület. Minden felületen maximum két elektron tartózkodhat, de ellentétes spinnel. Ma tehát másképpen tekintünk a hidrogénmolekulára, mint Bohr 1922-es modelljében. Ahelyett, hogy a két atommag közötti résben ülő, két pontszerű elektronról gondolkodnánk, inkább azt tartjuk, hogy mindkét elektron körülöleli mindkét atommagot. Képzeljük el, amint a két atommag egymástól kis távolságra helyezkedik el. Az a felület, amely a két elektron számára „benépesíthető", egy igen vékony összekötő résszel rendelkező homokórára hasonlít, amelynek mindkét kiöblösödésében egy-egy atommag foglal helyet. Mindkét atommagot teljesen körülveszi az elektronfelület, s mindkét atommag érzi mindkét elektron jelenlétét ezáltal zárul be az első elektronhéj. Ez olyasmi, mintha a hidrogénmolekula két atommagot tartalmazó hidrogénatom lenne. A molekula kialakulásának oka, hogy ebben az állapotban a két elektron energiaszintje kisebb, mint amikor külön-külön, hidrogénatomokban léteznek. Erről szól az egész kémia: az elektronok energiaszintjének minimalizásáról. 1 A felszabaduló energia természetesen nem tűnik el, amikor két hidrogénatom egyesül és elektronjaik elfoglalják ezt a helyzetet. Az energia egy része elektromágneses hullámok (vagy ha jobban tetszik, fotonok) formájában szabadul fel, más része pedig a kialakuló molekula mozgási (kinetikus) energiájává alakul - ami egyben azt jelenti, hogy a gyorsabb mozgás miatt a hőmérséklet is emelkedik. Amikor én egy hegy tetején állok, gyönyörködve a kilátásban, akkor magasabb energiaállapotban vagyok, mintha a hegység egyik völgyének fenekén tartózkodnék (mivel távolabb vagyok a Föld középpontjától, vagyis a gravitációs centrumtól). Ha feltételezzük, hogy nem fogok lezuhanni, végül is addig maradhatok ebben az állapotban, amíg nekem tetszik. A molekulákat formáló hidrogénatomok esetében nagyon könnyű elérni az alacsonyabb ener1 Arra is lehetőség van, hogy a kémiai reakciók ezzel ellentétes módon menjenek végbe, amelynek végén így az elektronok magasabb energiaállapotba kerülnek. Ez azonban valamilyen külső energiaforrást igényel. Az ilyen reakciók különösen fontosok az élőlények biokémiai reakcióiban, amelyek alapvetően a napenergiára épülnek.

KÉMIA • 83

giaállapotot (vagyis legurulni a hegyről), s a szobahőmérsékleten történő ütközések majdnem mindegyike során létrejön az elektronok új elrendeződése, vagyis a molekulák. Hasonló elven az oxigénatomok is igen könnyen kombinálódnak egymással, oxigénmolekulákat (O2) alakítva ki. Ebben az esetben azonban van egy árnyalatnyi különbség. Az oxigénatomok külső elektronhéján hat elektron tartózkodik, így kettőre lenne szükség a héj lezárásához. Ebből következően - Bohr modelljét használva - az oxigénmolekulában két pár elektron (vagyis összesen négy elektron, mindkét atomból 2-2-re) van megosztva az atomok között, így két kötő elektronpár, vagyis kettős kovalens kötés alakul ki. Még kvantumfizikai megközelítésben is kiderült, hogy a belső, lezárt elektronhéjak (akárhány legyen is belőlük) csak csekély szerepet játszanak a kötésben. Ezért a hullámmodellben úgy képzelhetjük el az oxigénmolekulát, hogy a két központi magot az atommagok és az első, két elektront tartalmazó lezárt héjak alkotják, a magokat övező „homokóra" pedig egy elég vaskos képződmény, tizenkét elektronból felépülve. Ha hidrogén- és oxigénmolekulákat akarunk „összeilleszteni" azzal a céllal, hogy elektronjaikat a lehető legkedvezőbb energiaállapotba hozzuk, akkor vízmolekulákat (H2O) kell „készítenünk". Emlékezzünk arra, hogy minden oxigénatomnak két elektron kell a külső elektronhéj lezárásához, míg a hidrogénatomoknak csak egy. Így ha egy oxigénatom két hidrogénatommal létesít kötést, akkor az elektronhéjak mindhárom atomban telítődnek, s mint kiderült, energetikai szempontból ez még kedvezőbb, mint az oxigén- vagy hidrogénmolekulák kialakulása. A hullámmodell alapján a következő kép tárul elénk: a három atommag V alakban helyezkedik el (a V alján az oxigén-atommaggal), s ezt övezi egy nyolc elektronból álló héjszerkezet, amelynek hat elektronja az oxigéntől, a maradék kettő pedig a két hidrogéntől származik. Mind a hidrogén-, mind az oxigénmolekulák elég stabilak ahhoz, hogy szobahőmérsékleten ne reagáljanak egymással, s nem alakulnak ki vízmolekulák - annak ellenére, hogy energetikai szempontból ez kedvezőbb lenne az atomok elektronjainak. Ahhoz, hogy ezt megérthessük, képzeljük el, hogy egy „energetikai hegyoldal" lejtőjének üregeit különféle molekulák népesítik be. Mind a hidrogén-, mind az oxigénmolekulák által „lakott" üregek magasabban helyezkednek el, mint azok az üregek, amelyekben a vízmo-

84 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

lekulák tartózkodnak. Ha a hidrogén- és oxigénmolekulákat kimozdítanánk üregeikből, akkor a vízmolekulák üregeibe gurulnának le. A kimozdításhoz azonban egy kezdőlökés szükséges - a molekulákat alkotó atomoknak szét kell válniuk, hogy újrakombinálódva vízmolekulákat alkothassanak. Ez igen látványosan bekövetkezik, ha a szobahőmérsékleten lévő hidrogén- és oxigéngáz keverékét egy szikrával vagy lánggal meggyújtjuk. A szikra vagy láng hője elég ahhoz, hogy néhány molekula „kimozduljon az üregéből", s „beguruljon" az alacsonyabb energiaszintű „vizes üregbe". Az ekkor felszabaduló energia viszont a közeli hidrogén- és oxigénmolekulákkal teszi ugyanezt, s egyfajta láncreakció indul be. Ez a kémiai aktivitás robbanásszerűen söpör végig a gázelegyen, s végeredményben néhány cseppnyi vizet hagy maga után. Mivel minden hidrogénmolekulában két hidrogénatom van (H 2 ), s minden oxigénmolekulában két oxigénatom (O 2 ), a vízmolekulákban viszont csak egy oxigénatom a két hidrogénatom mellett (H 2 O), a robbanás akkor a leghatékonyabb, ha gázkeverékben kétszer annyi hidrogén van, mint oxigén - így minden oxigénatom felhasználásra kerül, maradék nélkül. A robbanás ez esetben valóban igen látványos - kérem, semmiképpen ne próbálja ki otthon! A kvantumfizika egyik legnagyobb diadala az volt, amikor az elektronok hullámtermészetére alapozva sikerült megérteni a kémiai kötések természetét. A nagyszerű e r e d m é n y főképp Linus Pauling nevéhez fűződik, az 1920-as évek végén, illetve az 1930as évek elején. A kémia kvantummechanikai megközelítésének legnagyobb eredménye, hogy lehetséges (legalábbis a legegyszerűbb molekulákban) kiszámítani azt az energiaváltozást, amely az atomok molekulákba rendeződéséből következik. A számításokból pedig éppen akkora energiaváltozást jósoltak, mint amilyeneket a kémiai reakciók tényleges lezajlása során lehetett mérni. Erwin Schrödinger 1926-ban publikálta az elektron hullámelméletét, s egy éven belül két német fizikus, Walter Heitler és Fritz London ennek egyenleteit használta ahhoz, hogy kiszámítsa azt az energiaváltozást, ami egy hidrogénmolekula kialakulásakor következik be. Eredményeik igen közel jártak a kísérletekből adódó értékekhez. Későbbi számítások - Pauling finomításaival - még közelebb hozták egymáshoz az elméleti jóslatokat és a kísérleti

KÉMIA • 85

eredményeket. 1927-ben ez drámai előrelépésnek számított. Ezt megelőzően a kémikusok csak annyit mondhattak, hogy valamilyen ismeretlen okból az atomban lévő elektronok párokat alkotnak, s az atomok kedvelik a lezárt elektronhéjakat. Az egyenletek azonban elárulták számunkra, hogy ez miért van így - azért, mert ezek az elrendeződések alacsonyabb energiaállapotok elérését jelentik, méghozzá olyan módon, hogy az előre számítható - a számítások pedig remekül illeszkednek a kísérleti eredményekhez. Ilyen számítások elméletileg minden molekula esetében alkalmazhatók, bár a gyakorlatban ez egyre nehezebbé válik, ahogyan egyre bonyolultabb molekuláknál használják őket. A kémikusok így különféle közelítő eljárásokat alkalmaznak, ami egyfajta visszalépést jelent. Ezekkel azonban most nem kell foglalkoznunk. A lényeg, hogy a molekulák viselkedését leíró elméletek igen szilárd lábakon állnak. Ahelyett, hogy egyre több és több kémiai reakció részleteibe mennénk bele - amelyek valójában a fenti témák variációi - a kémia legérdekesebb ága felé vesszük az irányt - azon terület felé, amely az élőlények, így saját magunk szempontjából a legfontosabbak. Előtte azonban meg kell ismerkednünk az atomok és molekulák közötti kémiai kötések néhány újabb, az eddigieknél kisebb erősségű típusával. Néhány vegyületben egész atomcsoportok viselkednek kémiai szempontból egységesen, akárcsak egy egyedi atom egy egyszerű anyagban, a már bemutatott konyhasóban (NaCl). Erre egy klasszikus példa a kalcium-karbonát, köznapi nevén mész (CaCO 3 ). Itt az egész CO 3 atomcsoport olyan atomként viselkedik, amely két negatív töltést (két többlet elektront) hordoz - ezt a csoportot karbonát-ionnak nevezik. A mészben a kalcium ugyanazt a szerepet tölti be, mint amit a nátrium a konyhasóban - azzal a különbséggel, hogy nem egy, hanem két pozitív töltéssel bír (amiből Ön nagyon helyesen arra következtethet, hogy a kalciumatom külső elektronhéján két elektron tartózkodik, s ezek leadásával képes lezárni és stabilizálni a héjat). A kalciumatom tehát „felajánlja" két elektronját a karbonát-ionnak, amelyben a szénatomhoz ezekkel és kovalens kötésekkel három oxigénatom kötődik. A kvantumszámítások - amelyekbe nem megyünk bele részletesen - megerősítik, hogy ez egy viszonylag alacsony energiaszintű elrendeződés. Valójában ez csak annyira stabil szerkezet, hogy a karbonát-iont viszonylag könnyű elválasz-

86 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

tani partnerétől. Az ionok egy másik, hasonló módon viselkedő képviselője az ammónium-ion (NH 4 ), amelyben egy nitrogénatom kovalens kötésekkel kötődik négy hidrogénatomhoz, azonban megosztja egyik elektronját, így egyszeres pozitív töltés alakul ki rajta. Annak oka, hogy egy ilyen szerkezet létezhet - a semlegesség elvesztése ellenére -, megint csak az, hogy különösen kedvező energiaállapotot jelent. Az atomok és molekulák között fellépő vonzóerők leggyengébbike egy atom atommagjának (vagy egy molekula több atommagjának) az elektronhéjak általi tökéletlen letakarása következtében jön létre. Ezt van der Waals-erőnek nevezik, Johannes van der Waals holland fizikus után, aki a 19. század végén tanulmányozta e kölcsönhatási módot. A van der Waals-erő azért lép fel, mert a tökéletlen takarás miatt egy adott atom negatív töltésű elektronfelhője „érezheti" a közelben lévő atomok vagy molekulák pozitív töltésű atommagjának jelenlétét, s az elektromágneses erő hatására vonzódhat hozzá - annak ellenére, hogy ha elég közel kerülnek egymáshoz az elektronfelhők, akkor már taszító hatás lép fel közöttük. Magáról a van der Waals-erőről nem is szükséges többet mondanunk; létezik azonban még egy fontos erő, amelyről még nem beszéltünk. Ez a kötés különösen lényeges az élet molekuláinak történetében, s egyfajta szupererős van der Waals erőnek tekinthető (bár gyengébb, mint a kovalens vagy ionos kötések ereje). A neve hidrogénkötés - mivel csak olyan molekuláknál működik, amelyek hidrogént tartalmaznak. A hidrogénatom azért különleges, mert az egyetlen olyan, kémiai reakciókban szereplő atom, amelynek nincs lezárt elektronhéja az alatt a héj alatt, ami részt vesz a reakciókban. Csak egyetlen elektronhéja van, a legbelső. Ez természetesen a héliumra is igaz, de a héliumnál a héj zárt, így nem egykönnyen reagál - nem kombinálódik más atomokkal, hogy molekulák felépítésében vegyen részt. A hidrogénhez kémiai szempontból legjobban hasonlító elem, a lítium esetében pedig - bár szintén egy elektron van a „világ számára látható" elektronhéjon, alatta egy lezárt héj helyezkedik el, ami megvédi az atommagot néhány külső hatástól. Egyetlen elektronja nélkül tehát a hidrogén-atommag teljesen „csupasz" maradna. Semmi sem rejthetné el egyszerűségét, s képtelen lenne elrejteni pozitív töltésének erejét.

KÉMIA • 87

A hidrogénkötés ereje és szerepe a kémiában a víz példáján érthető meg a legjobban. A víz, amely az általunk ismert élethez nélkülözhetetlen, néhány olyan különleges tulajdonsággal rendelkezik, amelyek mindegyike a hidrogénkötésnek köszönhető. Annak meghatározásához, hogy egy anyag szobahőmérsékleten szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotban mutatkozik-e, általában a molekulasúlyt kell tekintetbe vennünk, amely az atomsúlyok összeadásával számolható ki. Minél nehezebb egy molekula, annál több energia (annál magasabb hőmérséklet) kell ahhoz, hogy folyékony, illetve még több, hogy gáz halmazállapotba kerüljön. Minden vízmolekula két hidrogénatomból - egyenként egységnyi, azaz 1 atomsúllyal - és egy oxigénatomból áll - az oxigén atomsúlya 16. Az atomsúly egy olyan skálán alapul, amelyben a szén 12-es izotópja 12 egységnyi atomsúllyal rendelkezik (ezeket az egységeket daltonnak is nevezik, John Dalton, a modern kémia egyik úttörője iránti tiszteletből.) A víz molekulatömege tehát 18 dalton. A víz szobahőmérsékleten folyékony halmazállapotú, annak ellenére, hogy nagyobb molekulasúlyú anyagok - például a szén-dioxid (44 dalton), a nitrogén-dioxid (46 dalton) vagy akár az oxigénmolekula is (32 dalton) - gáz halmazállapotban léteznek. Vegyünk ki egy oxigénatomot egy oxigénmolekulából, s tegyünk a helyére két hidrogénatomot - ezzel a molekulasúlyt csaknem felére csökkentettük, s mégis: ahelyett, hogy gázként létezne tovább, folyékony fázisba megy át. Az, hogy miként felelős ezért a hidrogénkötés, úgy érthető meg a legjobban, ha tekintetbe vesszük a vízmolekula geometriai viszonyait és az elektronok hullámmodelljét. A vízmolekula már említett V betűje valójában egy elég széles V; a szárak közötti szög 104,5 fok. A közös elektronburkot a víz esetében úgy képzelhetjük el, hogy a lezárt belső elektronhéjjal rendelkező oxigén-atommag és a hozzá kötődő két hidrogén-atommag körül egy olyan (egyébként nyolc elektronból álló) gömböt formáz, amelyen két kidudorodás helyezkedik el. Az oxigénatom magjában azonban nyolc proton foglal helyet, s jóval nagyobb hatást gyakorol az elektronburokra. Az egy protonból álló hidrogén-atommagok ezzel nem tudnak versenyezni, így a közös elektronfelhő a V csúcsa, vagyis az oxigén felé tolódik el, oda koncentrálódik. Ez nem is lenne olyan fontos, ha a hidrogén-atommagok (vagyis a protonok) körül létezne egy lezárt elektronhéj - de nem létezik.

88 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

Egy vízmolekula megjelenési formája, illetve egy másik, közeli vízmolekula rá gyakorolt hatása attól függ, melyik oldala felől szemléljük. Amennyiben az oxigént tartalmazó vég látható, akkor egy másik molekula azt „látja" („érzi"), hogy egy elektronfelhő van jelen, enyhe negatív töltéssel. Ha a hidrogénatomok felől közelítünk, akkor vékonyka elektronfelhővel körülvett protonpár tűnik elő, kis pozitív töltéssel. 2 A vízmolekulák mozgása során fellépő „lökdösődés" közepette tehát természetes eseménynek számít, hogy egy adott molekula oxigént tartalmazó része összekapcsolódjon egy másik molekula egyik hidrogénatomjával, olyan kötést létesítve, amely gyengébb a molekulákban lévő kovalens kötéseknél, de erősebb a van der Waals-erőknél. Mivel a vízmolekulában a hidrogénatomok közötti szög elég nagy, mindkét atomnak elég hely áll rendelkezésre ahhoz, hogy összekapcsolódjon más molekulák oxigénatomjaival anélkül, hogy zavarnák egymást. A folyékony vízben ezek a kötések csak átmeneti állapotnak számítanak - a molekulák mozgása miatt állandóan széttörnek és újraformálódnak. Ahhoz azonban elég e hatás, hogy a vízmolekulák „ragadósak" legyenek - s bár állandóan izegnek-mozognak, nem képesek (legalábbis szobahőmérsékleten, illetve egészen 100 Celsius-fokos hőmérsékletig) arra, hogy megszökjenek a vízből, s gáz halmazállapotba kerüljenek. Amikor a víz megfagy, fellép a hidrogénkötés egy másik fontos hatása. Ahogyan a vízmolekulák mozgása lassul - egészen addig, míg egy olyan kristályrácsot képesek formálni, amelyben minden molekula egy meghatározott helyen tartózkodik, s csak egy helyben rezeg a hidrogénkötés lesz az, amely meghatározza a kristályrács szerkezetét. A hidrogénatomok közötti szög a vízmolekulában pontosan megfelel ahhoz, hogy a molekulák egy igen nyitott, laza szerkezetű rácsot alkothassanak, amelyben az egyes oxigénatomok nem csupán saját molekulájuk hidrogénatomjaival kapcsolódnak össze, de a hidrogénkötések által két másik vízmolekulával is; ugyanakkor minden hidrogénatom - ugyanilyen módon - „sajátján" kívül egy másik oxigénatommal is kötést, pontosabban hidrogénkötést létesít. 2 Ez jó példa a kvantumhatások működésére. Hogy egy protont ilyen módon „láthatóvá tegyünk", az elektronburoknak „vékonyabbnak" kell lennie egy pontszerű elektronnál. Ugyanakkor elég vastagnak is ahhoz, hogy egyfajta elektromos pajzsot képezzen, máskülönben a proton erősebb kötést létesítene. Mindez úgy valósulhat meg, ha egy pontszerű elektront „elnyújtunk", s részben „átlátszóvá" teszünk.

KÉMIA • 89

Az így kialakuló szerkezet hasonlít a gyémánt kristályrácsához, bár közel sem olyan erős. Nagyon nyitott kristályrácsról van szó, amelyben rengeteg tér van az atomok között. A rács szabályos mintázata alakítja ki például a hópelyhek gyönyörű és változatos, de szintén szabályos szerkezetét. A rács nyitottsága miatt igen kicsi a sűrűsége, így egy ugyanakkora térfogatú jég mindig könnyebb a folyékony víznél. Ezzel magyarázható, hogy a jég úszik a víz felszínén. Ez olyan közönséges, mindennapi jelenség, hogy teljesen természetesnek tekintjük. De álljunk meg és gondolkodjunk el ezen egy pillanatra. Igen bizarr jelenség lene, ha az olvadt acélba beledobott vasdarab, ahelyett hogy lemerülne a kohó aljára, úszni kezdene a felszínen. A legtöbb anyag szilárd állapotban nagyobb sűrűségű, mint folyékony fázisban, mivel szilárd halmazállapotban az atomok és molekulák mozgása lelassul, így közelebb kerülhetnek egymáshoz. A vízmolekulákban azonban éppen ez a lelassuló mozgás az, amely lehetővé teszi, hogy a viszonylag törékeny hidrogénkötések erősebben hassanak, s egy igen laza szerkezetű állapotban tartsák a kristályrácsot. Ha a víz esetében is sűrűbb lenne a szilárd halmazállapotú forma, a jégkockák a pohár aljára süllyednének, s a jégtáblák a tavak és tengerek aljára merülnének. A Jeges-tengeren például nem alakulhatna ki jégborítás, s így nem lenne képes befolyásolni az éghajlatot olyan módon, ahogyan azt a 8. fejezetben láthattuk. A hidrogénkötésnek köszönhető, hogy ez nem így van; a hidrogénkötésnek, amely lehetővé teszi a megfelelő erősségű és szögtávolságú kapcsolódások kialakulását, s amelynek létezése kielégítően magyarázható a kvantumfizika törvényeivel. A hidrogén különleges atom, mivel az egyetlen, amelynek csak egy elektronja van, s az egyetlen, amely pozitív töltésű partnerként képes viselkedni, amikor a fent leírt módon kémiai kötések formálódnak. Több olyan atom is létezik azonban, amely a negatív töltésű partner szerepét töltheti be, az oxigénhez hasonló módon. Az oxigén mellett a legfontosabb ilyen atom a nitrogén. A hidrogénatom (illetve atommag) képes összekapcsolni két olyan atomot, amelyek különböző molekulákban helyezkednek el - például két oxigénatomot vagy két nitrogénatomot (vagy éppen egy oxigén- és egy nitrogénatomot is). Ilyen módon képes két, egyébként önálló molekula összetartására, bár nem olyan erősen, mint a kovalens kötés. A hidrogénkötés nélkül - amint az a következő

90 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

fejezetben majd kiderül - mi sem lehetnénk itt. Az életünkhöz nélkülözhetetlen víz alapvető tulajdonságait meghatározó hatása mellett a hidrogénkötés az élethez szükséges egyik legfontosabb óriásmolekula, a DNS szerkezetét is meghatározza. De mik azok a tulajdonságok, amelyek az élet molekuláit - köztük a DNS-t is olyannyira különbözővé teszik az „élettelen" molekuláktól, például a víztől vagy a szén-dioxidtól? A kémiának e legalapvetőbb felosztása - élő és élettelen molekulákra - már az alkimisták számára is ismert volt, de egészen a 19. századig nem találtak rá magyarázatot. Némely anyagok például olyan közönséges vegyületek, mint a különféle sók vagy a víz - tetszés szerint felmelegíthetők és lehűthetők, de lényegében mindig ugyanolyanok maradnak. 3 A sókat a vörösizzásig hevíthetjük, de sók maradnak; a vizet elpárologtathatjuk, és lehűtve újra cseppfolyósíthatjuk, de ettől víz marad - és így tovább. Létezik azonban az anyagoknak egy olyan csoportja, amelyek felmelegítés után már nem lesznek ugyanolyanok. Gondoljunk például a cukorra vagy a fára. Ha a cukrot felhevítjük - még ha ezt igen óvatosan tesszük is -, elszenesedik, s nem „szenesedik vissza", ha lehűtjük. S mindannyian tudjuk, mi történik akkor, ha egy darab fával ugyanezt csináljuk. A két anyagcsoport közötti különbségeket 1807-ben írta le részletesen a svéd vegyész, Jöns Berzelius, aki John Dalton atomelméletének egyik legkorábbi támogatója volt. Megállapította, hogy az első vegyületcsoport tagjai mindannyian élettelen anyagokhoz kapcsolódnak, míg a másik csoport tagjai - közvetlenül vagy közvetve - élő rendszerből származtathatók. Így az első vegyületcsoportot szervetlen, míg a másodikat szerves vegyületeknek nevezte el. A szerves anyagok jóval bonyolultabbnak mutatkoztak a szervetleneknél, sokkal több atommal minden egyes molekulában; s először azt gondolták róluk, hogy csak az élő szervezetek képesek őket előállítani, valamilyen titokzatos életerő segítségével. Csak 1828-ban fedezte fel (véletlenül) a német kémikus, Freidrich Wöhler, hogy az akkoriban szervetlen anyagnak tekintett, viszonylag egyszerű szerkezetű ammónium-cianát melegítésével képes karbamid (a vizelet egyik alkotórésze) előállítására. 3 Persze bizonyos határokon belül. Ma már tudjuk, hogy ha valamit eléggé felmelegítünk, akkor az alapvető alkotórészeire esik szét. Jelen esetben mérsékelt, néhány Celsius-fokos hőmérséklet-növekedésről beszélünk.

KÉMIA • 91

A 19. század második felében fokozatosan világossá vált, hogy valójában ugyanazok az alapvető törvényszerűségek állnak mind a szervetlen, mind a szerves kémiai folyamatok hátterében, s hogy a két vegyületcsoport közötti különbségek teljes egészében a szerves anyagok (legalábbis többségük) összetettségének köszönhető. Áz is kiderült, hogy a szerves anyagoknak van egy fontos közös tulajdonsága: mindegyikük szenet tartalmaz. A szerves anyagokat ezután úgy határozták meg, hogy minden olyan molekula ide tartozik, ami szenet tartalmaz - s minden olyan, amely nem, szervetlennek számít. Ezt szigorúan véve még egy olyan egyszerű molekula is szervesnek számít, mint a szén-dioxid, bár néhány kémikus ezt „tiszteletbeli" szervetlen vegyületnek tartja. A legfontosabb az, hogy a szervetlen és szerves molekulák elkülönítése - és az a módszer is, ahogyan elnevezik őket - arra utal, hogy a szénatom valamilyen különleges tulajdonsággal rendelkezik. A szénatomok valóban az élet molekuláinak alapját képezik de nem valamilyen természetfeletti életerő, hanem ma már jól ismert fizikai-kémiai tulajdonságaik eredményeképpen. A szénatom legfontosabb jellemzője - ami a szerves kémiát oly bonyolulttá teszi -, hogy külső elektronhéjában négy elektronnal, vagyis félig lezárt állapottal rendelkezik (ezenkívül van egy belső, lezárt héj is, két elektronnal). Ez pedig azt eredményezi, hogy adott időpillanatban maximális számú, azaz négy kovalens kötés kialakítására képes. Ha ennél kevesebb elektronja lenne, akkor kevesebb kötést tudna létesíteni; ha több, akkor a külső elektronhéj olyan zsúfolttá válna, hogy ez akadályozná meg a kötések kialakulását. Négy elektron azonban maximális kötési lehetőséget ad a szénatom számára - többek között más szénatomokhoz való kötődésre is. A magasabb rendszámú elemek között vannak más atomok is, amelyek külső elektronhéján négy atom tartózkodik. Ezek azonban egynél több lezárt elektronhéjjal rendelkeznek, így az atommag külső elektronhéjra kifejtett hatása gyengébb, s nem képesek olyan erős kémiai kötéseket kialakítani, mint a szén. A szén a legkisebb olyan atom, amely négy, erős kötést alakíthat ki egyszerre. S ez az élet kulcsa. Mielőtt konkrétan is megvizsgálnánk az élet molekuláit, szemügyre kell vennünk még egy olyan tulajdonságot, amelynek révén a szénatom kötést létesít más atomokkal. Ehhez szem előtt kell

92 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

tartanunk azt a tényt, hogy az atomok és molekulák háromdimenziós objektumok; s ismét csak olyan jelenségről lesz szó, amelyet kvantumfizikai keretekbe kell ágyaznunk. Ez fontos lépés az élet működésének megértéséhez, s ismét azt sugallja számunkra, hogy létezésünk és a kvantumvilág törvényei között igen bensőséges összefüggések vannak. A kvantumfizika alaptörvényeinek megfelelően a szénatom külső elektronhéjában az elektronok által elfoglalt pályáknak különbözőeknek kell lenniük. Létezik egy gömb alakú pálya (amely hasonló az egyetlen belső, lezárt pályához), s három olyan másik pálya, amelyek mindegyike egy vaskos homokórához hasonlítható. E pályáknak megfelelő szöget kell bezárniuk egymással. A négy elektron tehát négy önálló pályán helyezkedik el, de minden egyes pályán van még hely egy másik, ellentétes spinű elektron számára is - ez az, amiért a szénatom négy kötés kialakítására képes. E kép alapján, amikor a szénatom kötéseket létesít, három kötésnek kitüntetett irányba kellene mutatni, a negyediknek azonban nem. S mégis, például a kristályszerkezeti vizsgálatok azt mutatják, hogy nem ez a helyzet. Anélkül, hogy a részletekbe belemennénk, elfogadhatjuk, hogy egy kristály (például egy hópehely) alakja és szerkezete a kristályt alkotó molekulák alakját tükrözheti. A kristályszerkezeti vizsgálatok megmutatták, hogy amikor egy szénatom négy kötést létesít más atomokkal (vegyük a legegyszerűbb esetet, amikor négy hidrogénatommal kapcsolódva metánt hoz létre), akkor a kötések mindannyian egyformák. A kötések geometriája pedig úgy alakul, hogy egy olyan tetraédert kell elképzelnünk, amelynek közepén a szénatom, négy csúcsában pedig a négy hidrogénatom helyezkedik el. Mindennek magyarázata teljes egészében az elektron hullámtermészetének részletes megértésén alapul, amelyet Linus Pauling publikált 1931-ben, a kémiai kötések természetéről írt alapvető munkájában. A gömb alakú pályát nevezzük s-pályának, a másik három pályát p-pályáknak. Pauling felvetette, hogy két, egymástól függetlenül működő pályatípus helyett képzeljük el, hogy a különbség elmosódik közöttük, s az s-pálya valamilyen módon összekeveredik a p-pályákkal, aminek következtében négy önálló hibridpálya alakul ki (ún. sp 3 -pályák). Az elképzelés az elektron kettős természetén alapul, amely szerint az elektron részecske és

KÉMIA • 93

hullám is egyben. Az sp 3 -pályák tehát nem s- vagy p-pályák, hanem ezek 1:3 arányú keverékei. Természetesen Pauling többet is tett annál, hogy pusztán elgondolkodott ezen a lehetőségen. Számításokat végzett, s a kvantumtörvények alkalmazásával megjósolta az sp3-pályák esetében jellemző kémiai kötések erősségét - a számítások pedig szépen illeszkedtek a kísérleti eredményekhez. Ha pedig arra keresünk magyarázatot, hogy ez az állapot miért részesül előnyben más lehetséges állapotokhoz képest, akkor azt mondhatjuk, hogy az sp3-szerkezet képes a szénatom legkülső elektronhéjának négy elektronját a legnagyobb távolságban tartani egymástól, ami megfelel a számukra elérhető legkisebb energiaszintű állapotnak. Az elektronpályák e hibridizációja csak olyan pályák esetében valósul meg, amelyek ugyanolyan energiájúak. A hibridizáció az elektronok egyenletes megosztása az elérhető azonos energiaszintek között, ami a szerves kémia egyik alapvető sajátossága - ahogyan azt Pauling megállapította. 4 A hibridizáció még az ammónium-ionban is működik, ahogyan azt fent leírtuk. A nitrogén a szén után következik a periódusos rendszerben, így külső elektronhéján öt elektron helyezkedik el. Ezáltal három kötést „kell" létesítenie, három elektront befogadva más atomoktól. Ez játszódik le például az ammónia (NH3) kialakulásakor is. Ha a nitrogénatom elveszti egyik elektronját, olyanná válhat, mint egy szénatom, csak egyszeres pozitív töltéssel. Ezután képessé válik négy, tetraédergeometriájú kötés létesítésére, ahogyan ez meg is történik az ammónium-ionban (NH4). Ez az oka annak, hogy az ammónium-ion önálló egységként szerepel vegyületekben, ahol ionosan kötődik más atomokhoz. A hibridizálódás képessége az ún. rezonancia-elmélethez kötődik, mely szerint egy molekula szerkezete két vagy több határszerkezet közötti állapotokat vehet fel - a molekula e szélső értékek közötti állapotban létezhet. Ezen állapotok egyfajta átlagértékeként értelmezhetők a hibridpályák is. Mindez csak akkor lehet4

Ez azt is megmagyarázza - a szabályt erősítő kivételként hogyan képes egy foszforatom egyszerre öt kémiai kötést létrehozni. A foszfor rendszáma 15, vegyértékhéján pedig 5 elektron helyezkedik el. Tulajdonképpen négy kovalens kötést alakíthat ki, ötödik elektronját pedig egy ionos kötés kialakításához használja fel. A kvantumhatások miatt azonban mind az öt kötés egyenértékű, mivel az így kialakult állapot az egyötödnyi ionos és a négyötödnyi kovalens kötés keveréke.

94 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

séges, ha ezek a különböző állapotok lényegében azonos energiájúak, s a legalacsonyabb energiájú állapot különféle változatai. Erre a legegyszerűbb példa a hidrogénmolekula. Korábban említettük, hogy a hidrogénmolekulában kovalens kötés létesül a két hidrogénatom között. A legegyszerűbb, elsőként bemutatott elképzelés szerint az atommagok között megosztott elektronpár egyszeres kötést alakít ki. Ezután egy másféle változatot is szemügyre vettünk, amelyben az atommagokat egy közös elektronfelhő övezi. 1928-ban Pauling egy harmadik modellt javasolt, amelyben az atomok közötti kötés ionos, de rezonancia lép fel. Ha az egyik hidrogénatom teljesen átadja elektronját a másiknak, akkor egyszeresen pozitív töltésűvé válik, míg a másik atom egyszeresen negatív töltésűvé - a két atom (ion) így ionos kötéssel kapcsolódik össze (H + H - ). De ugyanez a dolog történhet meg, ha a szerepek (töltések) felcserélődnek - ha a példánkban második hidrogén adja át elektronját az elsőnek (H - H + ). Pauling rámutatott, hogy a kötés kialakulása a két állapot gyors váltakozásának - vagyis a rezonanciának - köszönhető. Lássunk néhány további példát a rezonancia-állapotokra, mielőtt ezt - és más elméleteket - az életfolyamatok leírásánál alkalmaznánk. Idézzük fel magunk előtt a karbonát-iont. Kétszeresen negatív töltéssel rendelkezik, mivel két elektronra tett szert attól az atomtól, amelyhez ionoson kötődött. Így - csak a külső elektronhéjakat tekintve - a karbonát-ionban négy elektron van jelen a szénatomtól, hat-hat a három oxigénatomtól s két „extra" elektron - összességében 24 elektron, méghozzá energetikai szempontból a legkedvezőbben elosztva az atomok között. Hogyan rendeződnek el ezek az elektronok? Emlékezzünk arra, hogy kémiai szempontból azok a legalacsonyabb energiaszintű állapotok, amelyekben minden atomnak lezárt a külső elektronhéja (a második héj esetében 8 elektronnal), vagy legalábbis ennek valamiféle „illúziója" valósul meg. A karbonátionban ennek egyik megvalósulási módja, ha a két „extra" elektron mindegyike egy-egy oxigénatomhoz kapcsolódik - így két oxigénatom már hét elektront tudhat magáénak a külső elektronhéjon. E két oxigénatom egyszeres kovalens kötéssel kapcsolódik a szénatomhoz, s ezzel megvan a nyolc elektronja - azaz telített lesz a külső elektronhéj. A szénatomnak még két kötésre képes elektronja van, így lehetőség adódik arra, hogy ezekkel a karbonát-ion har-

KÉMIA • 95

madik oxigénatomjához kapcsolódjon, kétszeres kötést alakítva ki vele. Így minden atom számára meglesz a lezárt elektronhéj illúziója. Nem csoda, ha a karbonát-ion stabil szerkezetű. Ha a történet itt véget érne, a karbonát-ion nem lehetne szimmetrikus molekula. Egyik végén negatív töltés halmozódna fel, s a dupla szén-oxigén kötés rövidebb lenne a másik kettő, szimpla szén-oxigén kötésnél (mivel egy dupla kötés természetesen erősebb egy szimplánál). A karbonát-ionban azonban három lehetőség van arra, hogy a töltések ezen eloszlása kialakuljon, mivel mindhárom oxigénatom betöltheti azt a szerepet, hogy kettős kötést alakítson ki a szénnel. Mivel a három különböző elrendeződés pontosan ugyanolyan energiaszintet jelent, rezonancia lép fel, s a karbonát-iont úgy tekinthetjük, mint e három állapot között gyors változásait - három variációt egy témára. Az eredő hatás az lesz, hogy a kétszeres negatív töltés egyenletesen oszlik el a molekulában, a szénatom és az oxigénatomok közötti kötések erőssége és hossza pedig szintén azonos lesz, ami megegyezik egy egyszeres kötés 1 és 1/3-szorosával. Az oxigénatomok így egyenletesen rendeződnek el a szénatom körül. Mindez pontosan kiszámítható Pauling kvantumkémiai modelljének alkalmazásával, s a számítások eredményei igen jól illeszkednek a spektroszkópiával és más technikákkal szerzett kísérletek adataihoz. A rezonancia-állapotok létezése valóban jó modellnek tűnik, és sehol nem játszott fontosabb szerepet, mint a benzolgyűrű szerkezetének meghatározásában. Már említettük, hogy a szénatomok más szénatomokkal is összekapcsolódhatnak. Emiatt hosszú szénláncok is kialakulhatnak, amelyekben minden szénatom két másikkal létesít kötést (kivéve a lánc végén lévőket), s mindegyiknek még két kötési lehetősége marad más atomokkal vagy molekulákkal. A kötések közötti szög lehetővé teszi például, hogy hat atomból álló zárt szerkezet, úgynevezett benzolgyűrű jöjjön létre, amely a Michael Faraday által 1825-ben felfedezett benzolról kapta a nevét. A benzolgyűrű felépítésében hat szén- és hat hidrogénatom vesz részt. A vegyészek ezzel már jóval azelőtt tisztában voltak, hogy bármi komolyabbat tudtak volna a kémiai kötésekről, pusztán azáltal, hogy megmérték, mennyi hidrogén és mennyi szén egyesüléséből alakul ki egy bizonyos mennyiségű benzol. Első pillantásra a kétféle atom egyenlő mennyisége meglepőnek tűnhet. Mint tudjuk, minden szénatom négy másik atommal képes kapcsolódni (s ez már az 1820-as évek

96 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

óta világos volt). Egy hat szénatomból álló nyílt lánc tehát 14 hidrogénatom megkötésére lenne képes - amint az meg is történik a hexán nevű molekula kialakuláskor. Hol vannak tehát a „hiányzó" hidrogének? A válasz a német származású vegyész, Friedrich Kekule látomása során született meg, amint egy omnibuszon utazott Londonban, 1865-ben. Látomásában táncoló, kavargó szénláncok tűntek elő, amelyek egyike hirtelen begörbült, s a két vége összekapcsolódott, körré záródva. Ez a látomás adta Kekulének az ötletet, hogy a benzolmolekulák voltaképpen gyűrűt (kört, vagy még inkább hatszöget) formálnak. A gyűrűben minden szénatom három kötéssel vesz részt: az egyik szomszédjával egyszeres, a másikkal kétszeres kovalens kötést létesít. Ezért marad csak egy kötési lehetőségük, amellyel egy-egy hidrogénhez kapcsolódnak. Ez valóban nagyszerű meglátás volt, de felvetett egy rejtélyes dolgot is - egészen addig, míg színre nem lépett a kvantumfizika. A Kekule által leírt benzolgyűrűben egyszeres és kétszeres kötések váltakoztak egymással. Mint láttuk, egy kétszeres kötésnek rövidebbnek kell lennie egy egyszeres kötésnél. A kétszeres kötésekben ráadásul viszonylag könnyű megszüntetni az egyiket, s az így felszabaduló elektron más kölcsönhatásokban vehet részt. A benzolgyűrű azonban az aszimmetria semmilyen jelét nem mutatja, s egyik kötés „feltörése" sem könnyebb a másiknál. A magyarázat természetesen a rezonanciaelméletből következik. Az előzőek után ez már nem is lehet meglepő: a benzolgyűrű szénatomjai közötti kötések egyenlő erősségűek, s egy szimpla kötés másfélszeresének felelnek meg. A benzolgyűrű igazi szerkezete két határérték közötti hibridállapot, amelyben az egyszeres és kétszeres kötések „váltogatják" egymást. Ennek eredményeképpen egy nagyon stabil molekula jön létre, amely számos további és bonyolultabb molekula kiindulópontját képezi - ezekben a szénatomokhoz kötődő hidrogénatomokat egy- vagy többféle atomra, vagy akár atomcsoportra (például metilcsoportra, CH3) cserélődik ki. Ezenkívül maguk a gyűrűk is kombinálódhatnak, egyik oldaluk mentén összekapcsolódva. Ez azonban már valóban túlmutat az „egyszerű" kémia határain, s az élet molekuláinak birodalmába vezet bennünket.

5. Az élet molekulái

A szénatomok képessége, hogy hosszú láncokat és gyűrűket, illetve ezek kombinációit hozhatják létre, alapvető fontosságú azon molekulák kialakulásában, amelyekre a földi élet alapul. E szénláncok valóban igen tekintélyes hosszúságúak lehetnek, a létrejöttükhöz szükséges kémiai folyamatok azonban néhány egyszerű példával is megvilágíthatok. A láncok gerincét alkotó szénatomok - a kémiai kötések szögei miatt - egy cikcakkos mintázatot mutatnak, amelynek „kiszögelléseihez" más atomok vagy egész atomcsoportok kapcsolódnak. Ennek egy meglehetősen egyszerű és közérthető példája egy olyan molekula, amelynek lánca hat szénatomot tartalmaz, s ezek mindegyikéhez két hidrogénatom kapcsolódik. A láncok végeit alkotó szénatomokhoz ezenkívül egy-egy ún. aminocsoport is csatlakozik. Az aminocsoport egy nitrogén- és két hidrogénatomból áll (NH 2 ). Ezt a m o l e k u l á t d i - a m i n o - h e x á n n a k ( m á s n é v e n hexametilén-diaminnak) nevezik, amelyben a „di-amino" tag a két aminocsoportra, míg a „hexán" a hat szénatom jelenlétére utal. Egy ehhez hasonló szerkezetű, de kissé rövidebb molekula csak négy szénatomot tartalmaz, s mindkét végéhez ún. karboxilcsoport (COOH) csatlakozik. Ezt a vegyületet adipinsavnak nevezik. Ha egy adipinsav egy di-amino-hexánnal reagál, akkor az előbbi karboxilcsoportjából egy hidroxilcsoport (OH) szabadulhat fel, míg az utóbbi egyik aminocsoportjából egy hidrogénatom (H). A két molekula - egy oxigén- és egy szénatomon keresztül - összekapcsolódik, míg az eltávozott atomok pontosan egy vízmolekulát adnak ki (H 2 O). Mindez azért történhet meg, mert így mindkét molekula alacsonyabb energiaállapotba kerül. Végeredményben tehát egy új, 11 atomos lánc jön létre, amelyben az eredeti négy,

98 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

illetve hat szénatomos láncok egy oxigénatomon keresztül kapcsolódnak össze. Ha sok adipinsav és di-amino-hexán molekulát vegyítünk egymással, akkor e fent leírt folyamatok többször egymás után ismétlődnek, mindig a megfelelő egységet hozzáadva a molekula egyes végeihez. Végül egy igen hosszú lánc alakul ki, amelyben szabályosan - és akár több ezerszer is - ismétlődnek a 11 atom hosszúságú egységek. Mindez nagyszerű példa a polimereknek nevezett hosszú molekulaláncok kialakulására, ráadásul olyan anyagról van szó, amelyet a mindennapi életben is rendszeresen használunk, s amelyet általában nylonként (nylon-66) ismernek. Mint látható, szerkezete viszonylag egyszerű, mivel a szénatomok többségéhez csak hidrogénatomok csatlakoznak - ezek azonban lecserélhetők jóval összetettebb szerkezetekre, például aminocsoportokra, benzolgyűrűkre vagy más szénláncokra is. Maga a benzolgyűrű meglehetősen lapos szerkezet, bár a szénatomok közötti kötések szögének geometriája enyhe „hullámokat" hoz létre benne. E kötésszögekkel magyarázható az is, hogy a gyűrűhöz csatlakozó atomok vagy atomcsoportok - amelyek megkötődése a gyűrűben lévő kettős kötések felbomlása miatt lehetséges - a gyűrű síkja alatt, illetve felett helyezkednek el, s ezáltal egy háromrétegű, szendvicshez hasonló szerkezet jön létre. Lehetséges, hogy a gyűrűt alkotó szénatomok egyike egy másféle atomra cserélődjön ki. A legegyszerűbb ilyen variációk némelyikében aztán a gyűrűben maradó szénatomokhoz egy-egy hidrogén, illetve hidroxilcsoport (OH) csatlakozik, amelyek az egymást követő atomoknál egymással ellentétes irányokban „lógnak ki" a gyűrű síkjából. Mivel a hidrogén és a hidroxilcsoport együttesen természetesen egy vízmolekulával egyenlő, az ilyen vegyületeket szénhidrátoknak nevezik. Az egyik legfontosabb szénhidrát a glükóz (szőlőcukor). Hat atomot tartalmazó gyűrűjében - a fent leírt módon - öt szénatom és egy oxigénatom helyezkedik el. A gyűrűben négy szénatomhoz egy-egy hidrogén és hidroxilcsoport csatlakozik, az ötödikhez azonban a hidrogén mellett egy jóval bonyolultabb atomcsoport (CH 2 OH). Az ilyen gyűrűknek igen könnyű összekapcsolódniuk. Ha két glükózmolekula egy-egy hidroxilcsoportja szembekerül egymással, akkor az egyik leszakad, míg a másikból csak egy hidrogén

AZ ÉLET MOLEKULÁI • 99

távozik, így egy vízmolekula jön létre. A második hidroxilcsoport maradék oxigénjének ezáltal felszabadul egy kötési lehetősége, s ezen keresztül össze tud kapcsolódni azzal a szénatommal, amelyről az első hidroxilcsoport levált. Az így kialakuló, két glükózt tartalmazó molekulát maitóznak nevezik. A glükózhoz hasonló, gyűrűs szerkezetű molekulát kialakíthatunk öt atom felhasználásával is: az egyik szénatomot és a hozzá kapcsolódó atomokat „kihagyjuk". Így jön létre a ribóz. Ehhez igen hasonló molekula a dezoxiribóz, amely mindössze abban különbözik a ribóztól (s ezt elnevezése is sugallja), hogy a ribóz egyik hidroxil(OH) csoportjából eltávozik az oxigén, s csak a hidrogén marad vissza. Ez a molekula adja a nevét az élethez szükséges molekulák legfontosabbikának, a dezoxiribonukleinsavnak (DNS-nek). 1 Ha a testünket alkotó anyagokat a tömeg függvényében vizsgáljuk (s most tekintsünk el a víztől, amely az élő szervezetek, így a mi testünk tömegének is több mint háromnegyed részét teszi ki), a legfontosabbak a fehérjék. Számos fehérje igen nagy méretű és bonyolult szerkezetű molekula, azonban - mint az élet minden komplex molekulája - egyszerű egységekből és alegységekből épül fel, mint ahogyan azt a nylon vagy a maltóz esetében már megfigyelhettük. A fehérjékhez hasonló biomolekulák szerkezetének összetettsége s az életfolyamatokban betöltött szerepe évmilliárdokig tartó evolúciós folyamatok eredményeképpen alakult ki. A természetes kiválogatódás során e molekulák különféle szerepekhez alkalmazkodtak, kémiai szerkezetüktől függően. Az evolúcióról rövidesen bővebben is olvashatnak. Itt most arra szeretnénk koncentrálni, milyen szerkezetekről van szó, s hogyan végzik működésüket. A legfontosabbnak számító szénatom mellett a biomolekulákban gyakran szerepel a nitrogén, amely szintén számos fontos kötést (rendszerint egyszerre hármat) tud kialakítani más atomokkal. A földkéreg leggyakoribb elemei az oxigén (47 tömegszázalékkal), a szilícium (28%) és az alumínium (8%). Az emberi test szárazanyagtartalmának fele szén, az oxigén részaránya 25%, míg a nitrogéné 1

A savak olyan anyagok, amelyek a kémiai rea hidrogénjüktől. A bázisok viszont olyanak, amelyek hidroxilcsoportjukat (OH) adják le ugyanilyen könnyen. Amikor egy sav és egy bázis egymással reagál, akkor víz keletkezése közben egy olyan vegyület jön létre (legalábbis a szervetlen kémiai reakciókban), amelyet sónak nevezünk.

100 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

is majdnem eléri a 10%-ot. A fehérjék a szervezet egészére jellemző aránynál még több (16%-nyi) nitrogént tartalmaznak. Ennek oka, hogy minden fehérjemolekula aminosavaknak nevezett alegységekből épül fel, s minden aminosavban van nitrogén. Az aminosavak alapszerkezete megegyezik: egy központi helyzetű szénatomhoz négy atom, illetve atomcsoport kapcsolódik. Ezek egyike egy aminocsoport (NH2) - innét származik az aminosavak elnevezése. Egy másik kapcsolódó atomcsoport egy karboxilcsoport (COOH), amely a molekula savas tulajdonságaiért felelős. A szénatom harmadik kötésével egy egyszerű hidrogénatomhoz csatlakozik. A negyedik kötési lehetőséghez azonban számos különféle atomcsoport kapcsolódhat, s ez adja az egyes aminosavak különbözőségét. A vegyészek már jóval azelőtt tisztában voltak vele, hogy a fehérjék aminosavakból épülnek fel, mielőtt bármi komolyat is tudtak volna e bonyolult molekulák részletes szerkezetéről. Erős szervetlen savak és lúgok, 2 illetve felmelegítés hatására ugyanis az aminosavak közötti kötések felszakadnak, s az így létrejövő „aminosav-leves" hagyományos - bár néha fáradságos - kémia módszerekkel is vizsgálható. A közönséges aminosavakat azokról az anyagokról nevezték el, amelyekből kinyerték őket, illetve elnevezésük kémiai szerkezetükre utal. Az első aminosavat a spárgában (aszparáguszban) fedezték fel 1806-ban, s aszparaginnak nevezték el. Egy másik aminosav - amelyet zselatinból állítottak elő 1820-ban - édes ízűnek bizonyult, így az édes szó görög megfelelőjéből a glicin nevet kapta (egyébként ez a legegyszerűbb szerkezetű aminosav, mivel a központi szénatomhoz negyedikként egy egyszerű hidrogénatom kapcsolódik). Elméletben az aminosavak rengeteg variációja létezik, s a kémikusok sokukat már ténylegesen is előállították. Az élet szempontjából azonban csak 23 fontos van közöttük. Ezekből is csak 20 található meg minden fehérjében, további kettő pedig csak néhány fehérjében fordul elő. A 23. pedig valójában az első 20 egyikének különleges változata. A cisztein nevű molekula esetében a központi szénatomhoz egy újabb szénatom csatlakozik, ehhez pedig két hidrogén- és egy kén2 Ezzel tulajdonképpen energiát közölnek a rendszerrel, így az atomok és molekulák kimozdulhatnak a legalacsonyabb energiaszintről.

AZ ÉLET MOLEKULÁI • 101

atom kötődik. A kénatom szabad végén ugyancsak egy hidrogén található. Két cisztein-molekula reakciója esetén a kénatomokon lévő hidrogének könnyen leválnak, s együttesen egy hidrogénmolekulaként távoznak. A két kénatom között emiatt kötés alakulhat ki: ezt diszulfid-hídnak nevezik. Az így létrejövő molekulát cisztinnek nevezték el. Hasonló kapcsolódások más, sőt egymástól különböző aminosavak között is létrejöhetnek. A cisztin esetében két aminosav ugyanolyan atomcsoportjai kapcsolódtak össze; más esetekben azonban az aminosavak aminó- és karboxilcsoportjai (NH2 és COOH) reagálnak egymással. A folyamat során víz lép ki (egy H az aminő-, egy OH pedig a karboxilcsoportból), s a két aminosav között egy ún. peptidkötés alakul ki, egy nitrogénatomon keresztül. Ugyanez az eset az aminosavak másik végein is megismétlődhet, s végeredményben egy sok aminosavból álló polipeptid-, vagy más néven fehérjemolekula jöhet létre. Ennek gerincét hasonló sorrendben ismétlődő atomok alkotják (két szén, egy nitrogén, újabb két szén, újabb nitrogén stb.). A lánc teljes hosszában atomok és atomcsoportok nagy változatosságban kapcsolódhatnak a gerinchez (köztük gyűrűs szerkezetek is), attól függően, milyen aminosavakból áll össze a fehérjelánc. A fehérjeláncok egyik legfeltűnőbb tulajdonsága, hogy a peptidkötés - amelyben az egyik aminosav nitrogénatomja (a hozzá kapcsolódó hidrogénatommal), illetve a másik aminosav szénatomja (a hozzá kettős kötéssel kapcsolódó oxigénnel) vesz részt - igen merev struktúra, amelyet a kvantummechanikai rezonanciák stabilizálnak. A lánc alkotórészei más kötések körül elfordulhatnak, a peptidkötés körül azonban nem. Ennek eredményeképpen egy fehérjemolekula tömörebb állapotba történő felcsavarodása csupán bizonyos szabályok szerint mehet végbe. 3 Linus Pauling a kvantummechanikai elvek alkalmazásával volt képes megmagyarázni a fehérjék felcsavarodásának módját, s elemezni szerkezetüket. Ez más kutatások számára is utat nyitott a bonyolult biomolekulák tanulmányozásához. A fehérjelánc legfontosabb sajátságait úgy lehetne szemléltetni, hogy a molekula gerincét alkotó atomokat (amelyek egyhangúan, CCN CCN CCN stb. sorrendben ismétlődnek) egy elnyújtott vonal3

Aki elég idős ahhoz, hogy emlékezzen a Rubik-kígyóra, az beláthatja, hogy akárcsak a kígyónak - egy fehérjeláncnak is végesek a felcsavarodási lehetőségei.

102 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

nak képzeljük el. Egy konkrét fehérjemolekula egyedi sajátságaiért e gerincből kinyúló molekularészletek felelősek. Ezek az atomcsoportok (vagy gyökök) a különböző aminosavak részei. Ezen atomcsoportok sorrendje - vagyis tulajdonképpen az aminosavak sorrendje -határozza meg az egyes fehérjemolekulák egyedi tulajdonságait és összetettebb szerkezetét, így a felcsavarodás módját is. Az ily módon kialakuló szerkezet az, amely lehetővé teszi a molekulák számára, hogy bizonyos kémiai reakciókban vegyenek részt ugyanakkor azonban távol tartja őket más kémiai folyamatoktól. A huszon-egynéhány aminosavból is igen sokféle fehérjemolekula építhető fel. Jó példa erre az angol ábécé huszonhat betűje, amelyek kombinációival rengeteg szót lehet alkotni (például e könyv eredeti változatának összes szavát is). Ha minden egyes aminosavat az ábécé egy-egy betűjének feleltetünk meg, akkor sokkal több „szót" kapunk, mint amennyi a legnagyobb szótárakban szerepel - a „fehérje-szavak" ugyanis általában jóval hosszabbak, mint az átlagos angol kifejezések (például az átlagos méretű hemoglobin molekulatömege 67 000 dalton). Az általunk ismert életfolyamatokhoz azonban e variációknak csupán kis hányada szükséges. A fehérjék szerkezetének nyomozása két alapvető szálon futhat. Az egyik, hogy meghatározzuk a fehérjeláncot felépítő aminosavak sorrendjét. A másik, hogy meghatározzuk a molekula fizikai tulajdonságait, vagyis megvizsgáljuk, hogyan tekeredik fel a lánc. Elsőként Lawrence Bragg használta a röntgensugarakat kristályok szerkezetének tanulmányozására, 1912-ben. Kezdetben igen egyszerű vegyületeket, például sókristályokat vizsgált. Az elektromágneses hullámok formájában terjedő röntgensugarak a kristályokban lévő atomokon szóródva, illetve azokról visszaverődve interferencia-mintázatot hoznak létre, amely feltárja a kristály szerkezetét. E röntgen-krisztallográfiának nevezett eljárás kidolgozásáért Bragg és apja, William Bragg 1915-ben fizikai Nobeldíjat kaptak, közös erőfeszítéseik jutalmaképpen. Az 1920-as években a fiatalabb Bragg egy sor szabályt állított fel a bonyolultabb kristályok röntgen-mintázatának értelmezésére - s ugyanezt tette az Atlanti-óceán másik partján Linus Pauling is, aki 1929-ben tette közzé eredményeit. Ez volt a kezdete annak a sokszor nem éppen barátságos rivalizálásnak, amely Bragg és Pauling kutatócsoportja között zajlott.

AZ ÉLET MOLEKULÁI • 103

A következő nagy lépés az volt, hogy a röntgentechnikát a biomolekulák vizsgálata során alkalmazták. Természetesen a fehérjékkel kezdték a munkát, amelyek - mint azt már láthattuk jóval gyakoribbak bármely más biomolekulánál. A fehérjemolekulák két alapvető szerkezeti változatban fordulnak elő: hosszú, vékony formában, amelyek az elnyújtott polipeptid-láncok szerkezetét tükrözik (erre jó példa a hajszál), illetve gömbszerű struktúrákként, amelyekben az eredeti fehérjeláncok alaposan feltekeredtek. A szálas vagy fonalas szerkezetű fehérjék első röntgen-diffrakciós felvételeit (keratinmolekulákról) William Astbury (William Bragg egykori tanítványa) készítette el az 1930-as évek első felében a Leeds Egyetemen. Keratinmolekulák találhatók például a gyapjúban, a hajban és a körömben is. Astbury egy szabályos, ismétlődő mintázatot fedezett fel a képeken, ami azt jelentette, hogy a keratinnak szabályos, ismétlődő egységekből álló szerkezete van - sőt az is kiderült, hogy valójában két mintázat ismétlődik, amelyek egyike egy kevésbé megnyújtott szálnak (ő ezt alfa-keratinnak nevezte el), a másik pedig egy elnyújtottabb, feszesebb szálnak (béta-keratin) felel meg. Bár a technológia akkoriban még nem volt elég fejlett a keratin valódi molekuláris szerkezetének feltárásához, mégis behatárolta a lehetséges változatokat, kizárva számos más lehetőséget. Az eredmények további vizsgálatokra ösztönöztek néhány kutatót (különösen Lawrence Bragg csapatát a Cambridge Egyetemen, illetve Linus Paulingét a Caltechen). A munka még nagyon hosszú időt vett igénybe. Egyrészt azért, mert a kutatásoknak egészen az alapoknál kellett kezdődnie, szemügyre véve az egyes aminosavak közötti kötések szerkezetét, amelyek alapján meg lehetett állapítani, hogyan tudnak (vagy nem tudnak) elfordulni a lánc elemei. Másrészt a kutatások szinte teljesen leálltak a II. világháború ideje alatt. A háború után azonban a röntgen-technológia sokkal pontosabbá vált, s ez lehetővé tette, hogy a végső lépéseket is megtegyék a fehérjék szerkezetének meghatározásában. Pauling volt az, aki megnyerte a versenyt, meghatározva az alfa-keratin valódi szerkezetét. 1951-ben számos publikációban számolt be arról, hogyan kapcsolódnak össze a fehérjemolekulák olyan szemmel láthatóan is különböző szerkezetek kialakításához, mint a haj, a tollak, a selyem vagy a szaru. A kutatócsoport által felfedezett spirális, csigavonalszerű

104 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

(ún. helikális) szerkezet az alfa-hélix nevet kapta, s kulcsfontosságú tulajdonsága volt az aminosavak közötti peptidkötések viszonylagos merevsége. Az alfa-hélixben a polipeptidlánc az óramutató járásával megegyező irányban, csavarmenetszerűen tekeredik fel. Egy csavarmenetre 3,6 aminosavrész esik, s a hélix stabilitását hidrogénkötések biztosítják. A hidrogénkötések azért jöhetnek létre, mert a peptidkötés merevségének köszönhetően egy adott peptidkötésben részt vevő nitrogén hidrogénatomja egy olyan oxigénnel kerül szembe, amely négy központi helyzetű szénatomnyi távolságra van tőle. A keratin különböző típusainak kialakulása azoknak az apró különbségeknek az eredménye, amelyek a fehérjeláncban szereplő aminosavak elrendeződéséből adódnak. Példaképpen a köröm felépítésében szereplő kemény keratinban sok ciszteinmolekula található. Amint már láthattuk, két cisztein-molekula között egy diszulfid-híd, egy valódi kovalens kötés alakulhat ki. A merev szerkezetű fehérjékben az egymás mellett futó alfahélixek ily módon szilárdan összekapcsolódnak, valóban kemény anyagrétegeket alakítva ki. A haj esetében a diszulfid-hidak kissé különbözően működnek, s hármasával kapcsolják össze az alfa-hélixeket, ahhoz hasonlóan, ahogyan az egyes kenderszálak tekerednek egymás köré, hogy erős kötelet formáljanak. Amikor a hajat olyan kémiai anyagokkal kezelik, amelyek megszüntetik a diszulfid-hidakat, akkor lággyá változik, s könnyen rendezhető más formába is. Ha egy újabb kémiai kezelés hatására a diszulfid-hidak ismét kialakulnak, új mintázat jön létre - a fodrászok ezt tartós hullámnak nevezik. A béta-keratinban a fehérjeláncok nem formálnak hélixeket, hanem egy cikcakkos, hullámszerű szerkezetet alakítanak ki. A hidrogénkötések ez esetben nem az egyes fehérláncokon belül, hanem a szomszédos láncok között jönnek létre, s egy jóval lágyabb szerkezetet eredményeznek. Ennek egyik legjobb példája a puhaságáról híres selyem. Pauling kutatásainak sikerei után sok tudós képzeletét gyújtotta lángra az az elgondolás, hogy más biomolekulákban is hasonló spirális szerkezetek létezhetnek. Az ezek felfedezésére irányuló vizsgálatok legnagyobb eredménye a DNS szerkezetének meghatározása volt, amelyről akkoriban (az 1950-es évek elején) már

AZ ÉLET MOLEKULÁI • 105

tudták, hogy e molekulában adódik át a genetikai információ a következő nemzedékre. A DNS a sejtek magjában helyezkedik el (a mag latin neve nucleus), enyhén savas tulajdonságokat mutat, s dezoxiribóz vesz részt a felépítésében - innen kapta a dezoxiribonukleinsav (DNS) nevet. A DNS életfolyamatokban játszott központi szerepének kutatása az 1920-as évek végén kezdődött meg igazán, a tüdőgyulladást okozó baktériumok működésének vizsgálatával. Rengeteg és igen alapos munkával 1944-re kiderült, hogy a különböző baktériumtörzsek közötti eltérésekért a sejtjeikben lévő DNS felelős. Más szavakkal: a DNS tette különbözővé a baktériumokat. Mivel minden élőlény sejtje tartalmaz DNS-t - azt pedig már régóta tudták, hogy bármi is teszi különbözővé a fajokat, az a sejtjeikben keresendő -, s a DNS a legtöbb élőlény esetében a sejtmagba zárva található, világossá vált, hogy ez a molekula hordozza az élet nagy titkait. De mi valójában a DNS? Hogyan tekeredik fel a sejtmagban? Hogyan adja tovább a genetikai információkat nemzedékről nemzedékre? A nagy áttörést Bragg laboratóriumának két kutatója, Francis Crick és James Watson hozta meg, s ezzel végre Cambridge is utolérte Paulingékat - ami akkoriban nagy megelégedettséget okozott (legalábbis Cambridge-ben), bár ma már csak apró tudománytörténeti lábjegyzetnek számít. Watson és Crick ugyanazt a megközelítést alkalmazta, mint Bragg és Pauling a fehérjék szerkezetének vizsgálatakor: a röntgen-diffrakciós felvételekre alapozva próbálták meghatározni a molekulaszerkezetet, s különböző modelleket dolgoztak ki arra, hogyan kapcsolódhatnak össze az egyes alkotórészek egy ilyen szerkezetben. Az 1930-as évek szerves kémiai kutatásai során már meg tudták állapítani a DNS anyagi összetételét, bár abban az időben még messze nem voltak tisztában biológiai jelentőségével. A 20. század első három évtizedében általános feltételezés volt, hogy a sejtmagban lévő DNS egyfajta szerkezeti elemként szolgál egyes fehérjék számára, amelyeket az élet legalapvetőbb molekuláinak tekintettek. Egy DNS-molekula felépítésében mindössze háromféle alegység vesz részt, bár ezek a legegyszerűbb molekulában is igen nagy számban vannak jelen. Az egyik egy dezoxirobóz, a DNS névadója; egy öttagú gyűrűbe záródó szénhidrát (cukor), amelyet korábban már bemutattunk. A másik egy ún. foszfátcsoport,

106 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

amelyben egy foszforatomot négy oxigénatom vesz körül. 4 A harmadik pedig egy ún. szerves bázis, amelynek a DNS-ben négy különböző típusa lehet jelen (adenin, citozin, guanin és timin; ezeket gyakran csak kezdőbetűikkel - A, C, G, T - jelölik). Az 1930-as évek közepére nyilvánvalóvá vált, hogy a DNS olyan alegységekre bontható, amelyek mindegyike egy cukormolekulát, egy foszfátcsoportot és egy szerves bázist tartalmaz. Ezt az alegységet nukleotidnak nevezték el. Logikusnak tűnt, hogy a DNSláncok a nukleotidok egymáshoz kapcsolódásával alakulnak ki, ahhoz hasonlóan, ahogyan az aminosavak építik fel a fehérjéket. Itt azonban nagyon hosszú láncokra kell gondolnunk - ma már tudjuk, hogy egy viszonylag rövid DNS-molekulában is több millió atom van; igaz, hogy mindössze ötféle atomról van szó (szén, nitrogén, oxigén, hidrogén és foszfor). De hogyan fűződnek fel a nukleotidok a DNS-láncban? Az 1940-es évek végén cambridge-i biokémikusok Alexander Todd vezetésével kimutatták, hogy a nukleotidok különleges módon állnak össze láncokká. A lánc gerincét az egymással összekapcsolódó cukor- és foszfátcsoportok képezik, a cukormolekulákhoz pedig e gerincből kiálló szerves bázisok csatlakoznak. Ez az információ volt alapvetően szükséges Watson és Crick számára ahhoz, hogy a röntgen-diffrakciós képek használatával 1953-ban meghatározzák a DNS általános szerkezetét. A DNS első röntgen-diffrakciós felvételeit William Astbury készítette 1938-ban. Ezután azonban hosszabb szünet következett (részben ismét csak a II. világháború miatt), míg folytatódhattak a hasonló jellegű vizsgálatok - a folytatást a londoni King's College kutatóinak munkája jelentette; az 1950-es évek elején. A Watsonék számára kulcsfontosságú felvételeket egy fiatal kutatónő, Rosalind Franklin készítette el. Franklin valószínűleg egyedül is rájött volna a DNS szerkezetére, ha Watson és Crick nem előzi meg. 5 Mivel igen fiatalon (1958-ban) meghalt, nem osztozhatott

4

A foszfátcsoportok negatív töltése miatt (lásd a 4. fejezet 4. lábjegyzetét) az egész DNS negatív töltést hordoz, s szigorúan mondva molekuláris ionnak kellene nevezni. De most nem törődünk az elnevezések szépségével, hiszen alig érdeklődik utánuk valaki. 5 Tekintettel arra, hogy Circk és Watson nem tudta volna megoldani a rejtélyt az ő felvételei nélkül.

AZ ÉLET MOLEKULÁI • 107

a két másik kutatóval az 1962-es Nobel-díjban, s így a történetben játszott szerepe nem annyira ismert. A röntgenfelvételek azt mutatták, hogy a DNS-nek spirális szerkezetűnek kell lennie. A döntő felfedezés, amely a cambridge-i csapatnak meghozta a Nobel-díjat, két részből állt. Az első, hogy a diffrakciós mintázat alapján egy kettős spirálról volt szó, amelynek két szála egymás köré csavarodik (ezt a felfedezést Franklin jegyzeteiben is megtaláljuk). A második, hogy a két lánc között olyan a szerves bázisok elrendeződése, hogy közöttük természetes módon hidrogénkötések jöhetnek létre - s a fehérjék alfahélixéhez hasonlóan ezek stabilizálják a molekulát. A részletes szerkezetet a szerves bázisok egymáshoz kapcsolódása határozta meg. A timin és a citozin hattagú gyűrűből álló molekulák, amelyekben négy szén- és két nitrogénatom helyezkedik el. A gyűrűt alkotó atomokhoz különféle atomok és atomcsoportok kapcsolódnak (például hidrogénatom és metilcsoport). Az adenin és a guanin nagyobb molekulák: egy hattagú gyűrű egyik oldalához még egy öttagú gyűrű is csatlakozik, s akárcsak az előbbi esetben, itt is számos függeléke lehet a gyűrűknek. Durván fogalmazva, az adenin és a guanin kétszer olyan szélesek, mint a citozin és a timin. Ha a DNS kettős spiráljának láncait gondolatban elkülönítjük, és úgy fektetjük egymás mellé, hogy a szerves bázisok egymás mellé kerüljenek, akkor azt tapasztaljuk, hogy ahol az egyik láncon timin van, ott a másikon (vele szemben) adenin; ahol pedig az egyiken citozin, ott a másikon guanin (mindez persze fordítva is igaz). Mivel mindig egy kisebb bázis helyezkedik el egy nagyobbal szemben, az általuk elfoglalt tér is hasonló nagyságú, s a molekulában nem alakul ki feszültség. 6 Az adenin és a timin szerkezete miatt a két bázis között két hidrogénkötés jöhet létre, a citozin és a guanin között pedig három. A DNS-molekula két láncát a szerves bázisok közötti hidrogénkötések tartják össze: adeninnel szemben mindig timin, citozinnal szemben mindig guanin áll. Az A-T kapcsolat ugyanolyan térigényű, mint a C-G. Az egész szerkezetet a vasúti sínekhez is hasonlíthatjuk. Már csak egy kicsit tekernünk kell rajta, s létrejön a DNS-molekula valódi szerkezete, a híres kettős spirál. 6

Természetesen mindkét szálon előfordul mind a négy bázis. Ezért a bázispárosodás e szabálya mindkét láncból kiindulva igaz.

108 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

Persze mindez nem véletlenül alakul így. Egy DNS-molekula nem úgy képződik, hogy két véletlen bázissorrendű lánc szerencsésen egymásra talál, hanem nukleotidok folyamatos hozzáadásával képződik oly módon, amely biztosítja, hogy adeninnel szemben mindig timin, citozinnel szemben pedig mindig guanin álljon. Ezt a legkönnyebben úgy érthetjük meg, ha megvizsgáljuk a DNS megkettőződését a sejtek osztódásakor. A megfelelő enzimek számára nem jelent ördöngös feladatot a DNS két lánca közötti hidrogénkötések felbontása (amelyek, mint tudjuk, viszonylag gyengék) . A folyamat a molekula egyik végén indul meg, miközben a DNS szépen letekeredik. A DNS két lánca így elválik egymástól, s a bázisok szabadon mutatkoznak. Ezután a sejtekben rendelkezésre álló nukleotidokból mindkét eredeti lánc mellé új, kiegészítő szálak szintetizálódnak. Ahol az eredeti szálakon például adenin van jelen, ott az enzimek timint építenek be az új láncba; ahol például citozin, ott guanint (ez ugyanígy fordítva is igaz). Az eredeti szál tehát mintaként szolgál, amelynek szétváló szálai mentén új szálak épülnek fel, meghatározott nukleotid-sorrenddel. 7 Végeredményben két új DNS-molekula jön létre, amelyek egymással és az eredeti DNS-molekulával is azonosak. Amikor a sejt kettéosztódik, mindkét utódsejtbe egy-egy, az eredeti DNS-sel azonos DNS jut be - s az élet megy tovább. Watson és Crick eredményei után azonnal nyilvánvalóvá vált, hogy a DNS-lánc szerves bázisainak sorrendje (az A, C, G és T „betűk" mintázata) ugyanúgy információt hordozhatnak, mint az ábécé igazi betűi, vagy mint a fehérjemolekulák aminosav-szekvenciája. Első látásra egy négy betűből álló ábécé igen szűk lehetőségeket rejt. Gondoljunk azonban a morzejelek vagy a számítógépek ún. bináris nyelvezetére, amelyek mindössze két jelet használnak (pont és vonás, illetve igen-nem). Bármilyen információt lefordíthatunk ilyen jelrendszerekre. Egy egyszerű sejt magjában lévő DNS hatalmas mennyiségű információt hordoz - esetünkben például az egész emberi szervezet felépítésének és működésének információit. A DNS működése abban nyilvánul meg, hogy információkat nyújt a sejt számára a fehérjék elkészítéséhez. Kiderült, hogy az ehhez szükséges genetikai kód hárombetűs (azaz három bázis hosszúsá7 Ez egy kissé egyszerűsített kép. Valójában az új szálak szintézise egyszerre több helyen is megkezdődik, s az így képződő szakaszok a végén összekapcsolódnak.

AZ ÉLET MOLEKULÁI • 109

gú) szavakból áll, amelyek majdnem mindegyike egy-egy aminosavat határoz meg. Vegyük például a DNS-lánc következő, rövid szakaszát: ACG TCG TCA GGC CCT. A sejtek ezen információ alapján öt meghatározott aminosavat építenek be egy készülő fehérjeláncba. Mivel egy négybetűs ábécéből 64 különböző hárombetűs szó képezhető, ez bőven elég a huszon-egynéhány aminosav kódolásához, s a fontosabb (gyakrabban előforduló) aminosavakat több szóval is kódolhatjuk. Ezenkívül még olyan speciális jelzésekre is van lehetőség, mint a start- és stopjelek, amelyek a fehérjeszintézis kezdetét és végét jelzik. A stopjel olyan fontos jelzés, hogy három szó is ezt kódolja - UAA, AUG és UGA (az „U" betű az uracil nevű szerves bázist jelöli; ennek magyarázata később következik). A sejtek tehát a DNS-ben kódolt információknak megfelelően állítják össze a polipeptid-láncokat (vagyis a fehérjemolekulákat) az aminosavakból - e fehérjeszintézisnek nevezett folyamat azonban igen bonyolult, s számos részlete még ma sem pontosan tisztázott. A legfontosabb lépéseit viszont egészen világosan értjük. Amikor egy bizonyos fehérje elkészítésére szükség van (az egyik rejtély éppen az, honnan tudják ezt a sejtek), akkor a sejtmagban felcsavarodott DNS megfelelő részlete letekeredik, és hozzáférhetővé válik a másolást végző enzimek számára. A DNS egyik szála mintaként szolgál, amelynek alapján az enzimek egy kiegészítő nuldeinsav-szálat készítenek. Ez azonban nem DNS-, hanem RNSszál. Az RNS (ribonukleinsav) a DNS-hez igen hasonló molekula, de dezoxiribóz helyett ribóz szerepel benne (innen a neve), s a szerves bázisokban is eltérést tapasztalunk: az RNS-ben a timint uracil (U) helyettesíti. A többi bázis ugyanolyan, tehát az RNSben is négyféle szerves bázis szerepel. Mivel a genetikai kódot a DNS-ről másolódó RNS-molekulákra határozták meg, így a kódban „U" betű szerepel „T" helyett (lásd előbb). A DNS-ről másolódó RNS-szál - amelyet hírvivő RNS-nek (messenger RNS, mRNS) neveznek - elhagyja a sejtmagot, s a sejt nagy részét kitevő sejtplazmába jut, ahol az ún. riboszómák találhatók. A riboszómákon zajlik a fehérjeszintézis: itt kerülnek leolvasásra az mRNS hárombetűs szavai. A riboszómák végighaladnak az mRNS-molekulákon, s mint egy magnetofon feje a szalagot, leolvassák annak információtartalmát, hogy az aminosavak nyelvére fordítsák át. A riboszómákhoz szállítódó aminosavak az mRNS kódjainak megfelelő sorrendben kapcsolódnak össze

110 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

fehérjelánccá. A fehérjék elkészültével az mRNS lebomlik, s alkotórészei újrafelhasználásra kerülnek. Míg a molekuláris biológusok egy része a genetikai kód és a fehérjeszintézis folyamatának megfejtésén dolgozott (nagy meglepetésre ez egészen az 1960-as évekig tartott), addig mások egyre bonyolultabb fehérjék szerkezetét próbálták meghatározni, köztük a gömb alakú, ún. globuláris fehérjékét, amelyek a polipeptid-láncok feltekeredésével alakulnak ki. A szervezet minden életfolyamatában részt vesznek a fehérjék, csakúgy, mint szerkezetének kialakításában. Ami az életfolyamatokat illeti, a legfontosabb fehérjék az enzimek, amelyek mindegyike globuláris fehérje. Az enzimek olyan molekulák, amelyek lehetővé teszik más molekulák egymással való reagálását - kémiai kifejezéssel ún. katalizátorok. Az enzimek jelentőségét egy egyszerű példával szemléltethetjük. Képzeljünk el egy nagy, nagyjából gömb alakú molekulát (egy enzimet), amelynek felületén két szabálytalan, különböző alakú bemélyedés található. A két bemélyedés éppen olyan alakú, hogy mindegyikükbe egy-egy meghatározott szerkezetű kisebb molekula illik bele (mint a kulcs a zárba). Amikor a két molekula elfoglalja helyét az enzim bemélyedéseiben, éppen úgy helyezkednek el, hogy kémiai kötések alakulhatnak ki közöttük. így aztán összekapcsolódnak, s egyetlen molekulaként hagyják el az enzimet, hogy részt vegyenek valamilyen sejtfolyamatban. Nagyon lényeges, hogy ezalatt az enzim nem változik meg, így újra és újra katalizálhatja a fenti folyamatot. Az enzimeket olyan egyszerű „robotoknak" képzelhetjük el, amelyek vég nélkül ismétlik ugyanazt a kémiai folyamatot. Egyesek molekulákat kapcsolnak össze (s például polipeptid-láncokat építenek), mások molekulákat vágnak szét, felbontva a bennük lévő kémiai kötéseket. Egyesek molekulákat szállítanak a felhasználási helyükre, mások molekulákból energiát állítanak elő. Az enzimek tehát igen fontosak, de a szervezetnek csak egyik molekulacsoportját képezik, s mint minden fehérje, az enzimek szerkezetét is a sejtmagba zárt DNS genetikai információja határozza meg. Mielőtt az élet következő mérettartományát kezdenénk vizsgálni, mielőtt azt tanulmányoznánk, milyen kapcsolatban vannak egymással és környezetükkel az élő szervezetek, egy rövid pillantást kell vetnünk a DNS másik szerepére. Hogyan történik a genetikai információ másolása (az előbb vázoltnál kissé

AZ ÉLET MOLEKULÁI • 111

részletesebb megközelítésben), s hogyan adódik tovább a következő generációra? Egészen eddig úgy beszéltünk a sejtmagról és az azt körülvevő sejtplazmáról, hogy nem bocsátkoztunk részletekbe a sejtek szerkezetét illetően. Ennek ellenére - mivel az atom szerkezetének leírásánál is hasonló módon használtuk a mag kifejezést - e részletek nélkül is nyilvánvaló a sejtmag szó jelentése. Valójában Ernest Rutherford azért vezette be az atommag elnevezést, mivel a mag kifejezést már hasonló összefüggésben használták a biológiában. Annak érdekében, hogy a reprodukció kérdésével foglalkozhassunk, fel kell vennünk a fonalat, kissé világosabban elmagyarázva, hogyan is működik a sejt. A sejt az élet szerveződési és működési egysége. Egyetlen sejt is magában hordozza az élet minden sajátosságát, a szaporodás képességét is beleértve; az élőlények minden bonyolult szerve, akármi is a funkciója, sejtekből áll. Egy állat megtermékenyített petesejtje, vagy egy növényi mag - bár egyetlen sejtről van szó - képes egy teljes szervezet létrehozására. Ehhez azonban rengeteg osztódás szükséges - egy emberi test százezer-milliárd sejtből áll, ami körülbelül ezerszer több, mint a tejútrendszer összes csillagának száma (lásd a 10. fejezetben). Minden sejtet egy membrán (sejthártya) vesz körül, amely elhatárolja környezetétől, s szabályozza a kémiai anyagok be- és kijutását. A sejtek belsejét egy kocsonyaszerű anyag, a citoszol tölti ki, amelyben számos különféle sejtalkotó található - például a növényi sejtek esetében a zöld színtestek (kloroplasztiszok), amelyek a fotoszintézishez szükséges zöld színanyagot, a klorofillt tartalmazzák. A sejt szívében pedig, saját membránnal határolva, a sejtmag található. Minden, ami a sejtmagon kívül található, a sejtplazma (citoplazma) része, ahol a különféle sejtfolyamatok zajlanak - például bonyolult szerves molekulák felépítése egyszerű alkotóelemekből, a sejtmagban kódolt utasításoknak megfelelően. Ezekkel azonban most részletesen nem foglalkozunk, s figyelmünket a sejtmag DNS-ére összpontosítjuk, amely ún. kromoszómák formájában van jelen. 8 8

A sejtek e leírása csak az úgynevezett eukarióta szervezetekre, vagyis a sejtmaggal rendelkező élőlényekre vonatkozik. A baktériumok esetében nem igaz, ugyanis ezek prokarióták (nincs sejtmagjuk és sejtszervecskéik sem). A DNS-állomány általában egyetlen, gyűrűszerű alakzatot alkot. A prokarióták az élet alacsonyabb szerveződési szintjét képviselik, ám ma is igen elterjedtek és fontosok a Föld élővilágában.

112 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

Amikor az élőlények növekednek, akkor sejtjeik osztódnak, s a sejtek száma nő. A sejtosztódás során a sejtmagban lévő minden kromoszómáról egy másolat készül. Ezt követően a sejtmagot övező hártya lebomlik, s a kromoszómák a sejt két ellentétes pólusára vándorolnak. Itt új maghártya képződik körülöttük, végül pedig maga a sejt is két utódsejtre válik szét. Végeredményben mindkét utódsejtben teljes kromoszómakészlet található, amelyekről nem lehet megállapítani, hogy melyik az „eredeti" (e kifejezésnek már csak azért sincs értelme, mert mint korábban láttuk, a másolás mechanizmusa miatt nincs különbség a két kromoszómakészlet között). Ami korábban egyetlen sejt volt, az most már kettő, s mindketten ugyanolyan idősek (illetve fiatalok). A sejtosztódás e típusát mitózisnak nevezik. Lélegzetelállító az a könnyedség, amellyel a sejtek legombolyítják és lemásolják a kromoszómák DNS-tartalmát. Az ivarosan szaporodó fajok sejtjeiben két kromoszómakészlet van jelen - egyik az anyától, másik az apától származik -, amelyek a megtermékenyítés pillanatában egyesültek. Az emberi faj esetében például 23 pár kromoszómát találunk a sejtmagokban, amelyek minden, a szervezet felépítésére és működésére vonatkozó információt tartalmaznak a DNS értelmes szakaszai, vagyis gének formájában (a génekről és az evolúcióról a következő fejezetben olvashatnak részletesebben). Ennek a rengeteg információnak kromoszómákban való eltárolása a csomagolási technika magasiskoláját jelenti. Egy kromoszóma valójában DNS és fehérjék keveréke - s a korábbi elgondolásokkal szemben a fehérjék azok, amelyek egyfajta vázat szolgáltatnak a DNS tárolásához. A kromoszómákban jelen lévő különleges fehérjéket hisztonoknak nevezik. Nyolc ilyen molekula összekapcsolódásával egy gömbszerű szerkezet alakul ki, amelyre a DNS kettős spirálja másfél fordulattal tekeredik fel, s a tekercset egy további, a gömbhöz kapcsolódó hiszton rögzíti. E szerkezetet hívják nukleoszómának. Mivel a két nukleoszóma közötti, azokat összekötő rövid DNS-szakaszok hajlékonyak, a nukleoszómák alkotta gyöngysorszerű szerkezet még tömörebb formába tekeredhet fel, sőt még az így kialakuló kötegek is önmaguk köré tekeredhetnek. Az emberi szervezet minden sejtje (a petesejtek és a hímivarsejtek kivételével) 46 darab ilyen tömör szerkezetű alakzatot, vagyis kromoszómát tartalmaz. Ha mind egymás mögé helyeznénk őket,

AZ ÉLET MOLEKULÁI • 113

akkor 0,2 milliméteres távolságra nyújtóznának ki. Amennyiben azonban letekernénk DNS-tartalmukat, s ezt mérnénk meg ugyanilyen módon, akkor 1,8 méter lenne az eredmény - több, mint sok ember testmagassága! A DNS-állomány tehát valódi hosszának kb. egy tízezred részére van összecsomagolva. S mégis, e roppant szorosan összetekert állapotban is képesek megtalálni a sejtekben működő enzimek azt a szakaszt, amely az éppen szükséges fehérjék legyártásához való kódot tartalmazza; képesek ezt letekerni, információtartalmát RNS-re másolni, majd mindent gondosan „visszacsomagolni" - s mindezt igen rövid idő alatt. A mitózis során például az egész kromoszóma-állomány „kicsomagolása", a DNS lemásolása és új kromoszómákba rendezése mindössze néhány percet vesz igénybe. Amikor azonban a szaporodásban szerepet játszó különleges sejtek képződnek, a sejtek még lenyűgözőbb fortélyhoz, az ún. rekombinációhoz folyamodnak. Az ivarsejtek, vagyis a petesejtek és hímivarsejtek egy másik típusú sejtosztódás, a meiózis során képződnek. Most csak az emberi sejtekben lejátszódó esetre összpontosítunk, bár a folyamat gyakorlatilag minden ivarosan szaporodó faj sejtjeinek esetében ugyanaz. 9 A meiózis folyamata során nem egyszerűen a kromoszómák megduplázódásáról és a két utódsejt közötti elosztásáról van szó. Amikor a kromoszómák megduplázódnak, akkor az egymásnak megfelelő (homológ) kromoszómák egymás mellé rendeződnek; az „egymásnak megfelelő" kifejezés alatt az eredeti apai és anyai kromoszómák egymás mellé kerülését értjük. A homológ kromoszómapárok szorosan összetapadnak, s lehetőség nyílik egyes szakaszaik kölcsönös kicserélődésére. Ennek eredményeképpen a genetikai anyag kissé „megkeveredik": olyan kromoszómák jönnek létre, amelyek az aktuális személy (akiben éppen a meiózis zajlik) eredeti apai és anyai genetikai információit is vegyíthetik. Ezt a folyamatot nevezik rekombinációnak. Ezután a sejt két utódsejtre hasad, amelyek mindegyikében 46 darab (23 pár) kromoszóma van jelen, akárcsak a mitózis végén. A meiózis esetében azonban egy újabb sejtosztódás következik (ame9 Az egyetlen lényeges különbség a kromoszómák számában van. Az ember esetében például 23 párba rendeződnek. A kromoszómák száma és az adott élőlény szervezetének bonyolultsága között nincs összefüggés: például a zöldborsóban 7, a paradicsomban 24 (eggyel több az emberénél!), a folyami rákban pedig nem kevesebb mint 100 kromoszóma van.

114 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

lyet már nem előz meg a kromoszómák megkettőződése), így végső soron négy utódsejt képződik, amelyek mindegyikében 23 darab, a rekombináció során megújult kromoszóma van jelen. A férfiakban így kialakuló négy sejtből három általában hímivarsejtté (spermiummá) fejlődik; a nőkben azonban három elsorvad, s csak az egyikből lesz petesejt. A legfontosabb dolog, hogy a petesejtekben és spermiumokban csak egyszeres kromoszómakészlet (23 darab kromoszóma) van, de e kromoszómák mindegyike a sejt gazdájának mindkét eredeti szülőjétől hordoz genetikai információt. Amikor egy férfi hímivarsejtje és egy nő petesejtje egyesül, akkor az így létrejövő megtermékenyített petesejtben (ún. zigótában) már 23 pár (azaz 46 darab) kromoszóma lesz, s ebből alakulhat ki a teljes emberi szervezet. A 23 pár kromoszóma egy része tehát az apától, másik része az anyától származik. Az apai kromoszómákban az apai nagyszülők-, míg az anyai kromoszómákban az anyai nagyszülők genetikai anyagának keveréke van jelen. A zigótából kialakuló minden utódsejt genetikailag azonos értékű: az ivarsejtek kivételével 46, minden sejtben ugyanolyan információt hordozó kromoszómát tartalmaznak. Az emberi kromoszómaállomány körülbelül 75 000 gént tartalmaz, amelyek nem egyenletesen oszlanak el a kromoszómák között - egyes kromoszómákon több, másokon kevesebb gén található. (A fordító megjegyzése: az emberi genetikai állomány szinte teljes feltérképezése és az adatok első, nyers analízise alapján a gének száma ennél jelentősen kisebb lehet: mindössze 26-40 ezer.) Az ivaros szaporodás során lejátszódó rekombináció tehát a gének keveredésének nagy lehetőségét biztosítja. Ezzel magyarázható, hogy nem találunk két ugyanolyan embert (az egypetéjű ikrek kivételével, akik annak köszönhetik létüket, hogy a megtermékenyített petesejt első osztódása után a két utódsejt teljesen szétválik, s mindegyikükből teljes szervezet fejlődik ki). Mivel minden sejtben kétszeres kromoszómakészlet van jelen (vagyis minden kromoszómából van egy apai és egy anyai példány), a gének mindegyike is két példányban van meg - ami újabb fordulatot ad történetünknek. Tételezzük fel, hogy egy gén valamelyik testi tulajdonságot például a szem színét - határozza meg. Ez persze egyszerűsítés, mivel egy-egy tulajdonság (az ún. fenotípus) általában több gén kölcsönhatása során alakul ki (a tulajdonság genetikai hátterét

AZ ÉLET MOLEKULÁI • 115

nevezik genotípusnak), de példánkhoz most megfelel. Tegyük fel, hogy egyik szülőnktől örökölt, a szem színéért felelős génünk azt „mondja", hogy a szem színe legyen kék. A másik szülőnktől származó ugyanezen génünk azonban barna szemszínt „szeretne" kialakítani. Kissé szakszerűbben: a szemszínért felelős génnek két változata, idegen szóval allélja van jelen. E konkrét esetben, vagyis kék-barna allélpár esetén a szem színe barna lesz. Kék szemszín csak abban az esetben alakulhat ki, ha mindkét alléi kék színt kódol. Gyakorlatilag minden génnek vannak alléljai (sokszor kettőnél több is), amelyek állandóan keverednek a rekombináció során. A természet tulajdonképpen folyamatosan új és új genotípusokat (s ezáltal mindig más fenotípusokat) próbál ki, s közben a régi gének új kombinációja mellett ténylegesen új géneket is tesztel. Az új gének akkor keletkeznek, amikor a DNS-állomány megkettőződése során hibák lépnek fel. A meiózis során például egyes kromoszómák darabjai letörhetnek és elveszhetnek, vagy rosszul, illetve rossz helyre forrhatnak vissza. Ezek az ún. kromoszómamutációk általában rossz hírnek számítanak. Egy sérült DNS-sel rendelkező sejt rendszerint nem működik megfelelően, s még jóval azelőtt elpusztul, hogy beleszólhatna a fenotípus kialakításába. Amennyiben azonban a változás kismértékű, akkor hatása is ugyanilyen lehet (akár rossz, akár jó), s megmaradhat az egyed genetikai állományában. Egy ilyen változás például azzal járhat, hogy a szervezet egyik fehérjéjének megváltozik a szerkezete, mivel a mutáció hatására megváltozik a fehérje aminosav-sorrendje. Tegyük fel, hogy ez a fehérje éppen a hemoglobin, amely az oxigént szállítja a vérben. A kis szerkezeti változás miatt két lehetőség adódik: vagy a korábbinál hatékonyabban, vagy kevésbé hatékonyan képes ellátni feladatát. Amennyiben az első eset valósul meg, akkor egy ilyen (új) alléllal rendelkező szervezet előnyhöz juthat, mivel hatékonyabb légzésre, ezáltal pedig hatékonyabb energiatermelésre képes - ez pedig túlélési, sőt szaporodási esélyét is segítheti. Ez esetben viszont az utódok felében is ott lesz az új alléi. Ha viszont az új alléi kevésbé hatékonynak bizonyul, akkor hordozójának élettani problémákat okozhat, s gazdája valószínűleg még azelőtt elpusztul, hogy ivadékokat hagyhatna hátra.

116 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

Ez már valóban evolúció, illetve annak molekuláris szintje. A DNS-molekula kis változásai (már egyetlen szerves bázis megváltozása is elegendő lehet egy új fehérje kialakulásához) a szervezet tulajdonságainak megváltozását okozhatják, s az egymástól kissé különböző egyedek igen egyszerű alapon ítéltetnek meg: melyikük képes több ivadék létrehozására, azaz melyikük képes génjeinek minél hatékonyabb továbbadására. Az ivaros szaporodás és a mutációk tehát állandóan új fenotípusokat hoznak létre, új génekkel és új alléikombinációkkal. Úgy tűnik, hogy a szerves óriásmolekulák - amelyek már az élet megjelenése előtt jelen voltak - csak arra használják az élő szervezeteket, hogy minél több példányban „gyártassák le" magukat. Egy biológus-mondás szerint a tyúk csupán a tojás eszköze arra, hogy még több tojás jöjjön létre. Ehhez hasonló módon nem kizárt, hogy egy szervezet (például az emberé) csak a gének sokszorozódását elősegítő szerkezet. Ez a szemlélet az evolúció egészen sajátságos megközelítése, s a korábbi nézetektől gyökeresen eltérően ítéli meg az ember helyzetét. Arra azonban megfelel, hogy a dolgokat könyvünk következő perspektívájába helyezzük, s az egyedi élő szervezetek (köztük az emberé is) kikerüljenek a reflektorfényből. Az élet molekuláinak vizsgálatát itt befejezzük, s átlépünk egy következő méretskálára. Az evolúció működésének megértéséhez meg kell ismernünk, milyen kölcsönhatásban vannak az élő szervezetek egymással és a környezetükkel.

6. Evolúció

Az evolúció a gének szintjén működik. Nyilvánvaló, hogy kell léteznie valamiféle evolúciónak a sejtszintű folyamatok terén, és amennyire ma tudjuk, a gének ennek eredményeképpen alakultak ki. Itt azonban nem bocsátkozunk ilyen részletekbe. Ha tudni akarjuk, hogy az egyik embernek miért kék a szeme, a másiknak pedig miért barna; hogy miért különbözik az ember minden más főemlőstől, miért különböznek a főemlősök a gyíkoktól, vagy miért jelennek meg több változatban a borsónövények, a génekre kell összpontosítanunk. Az egyedi szervezetek szintjén zajló evolúció az öröklődésen alapul - vagyis azon, hogy a gének hogyan másolódnak le és adódnak tovább a következő generációnak. E másolási folyamat (amint azt megfigyelhetjük) majdnem teljesen, de mégsem egészen tökéletes. A „majdnem" teszi lehetővé, hogy az ivadékok szüleikre hasonlítsanak, s ugyanazon faj tagjai lehessenek; a „nem egészen" pedig utat enged az evolúciónak, a változásoknak, s néha egészen új fajok kialakulásához vezet. Gregor Mendel, egy morva szerzetes volt az első ember, aki megértette az öröklődés alapvető törvényszerűségeit. Mendel Charles Darwin kortársaként akkor végzett örökléstani kutatásokat (borsónövényeken vizsgálta az egyes tulajdonságok továbbadódásának törvényszerűségeit), amikor Darwin éppen az evolúcióval kapcsolatos elméletének végső finomításán dolgozott. Sajnálatos, hogy Darwin soha nem hallott Mendel munkájáról, 1 Mendel pedig csak akkoriban szerzett tudomást a nagy angol biológus gondolatairól, amikor éppen fel kellett adnia tudományos 1 Mendel élete során ezt kevesen tehették meg, mivel nem tartozott a tudományos élet központi szereplőihez, s eredményeit is egy viszonylag ismeretlen szaklapban (a Brünni Természettudományi Társulat közleményeiben) publikálta.

118 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

tevékenységét, hogy 1868-as apáttá választása után hivatali kötelezettségeire koncentrálhasson. A modern evolúciós gondolat két alapvető összetevője így csak a 20. század elején találkozhatott, amikor újra felfedezték Mendel munkásságának jelentőségét, s néhány más kutató egymástól függetlenül is hasonló következtetésekre jutott az öröklődés természetével kapcsolatban. Maga a gén kifejezés is csupán a 20. század első évtizedében született meg - mi azonban akkor is ezt fogjuk használni az öröklődés alapegységének meghatározására, amikor Mendel és Darwin 19. századi munkásságát tárgyaljuk. Fontos hangsúlyozni, hogy Mendel nem mindennapi szerzetes volt. Szegény családból származott, de igen okos gyermekként valamilyen tudományos pályára vágyott. A legmélyebb és legalaposabb ismeretek elsajátításának egyetlen útja az volt számára, ha csatlakozik a papsághoz, s tanárnak készül. Különösen a fizika érdekelte, aminek hatása örökléstani vizsgálataiban is megmutatkozott: nagy gondossággal és körültekintéssel tervezte meg kísérleteit, eredményeit pedig statisztikus módszerekkel dolgozta fel olyan módszerrel, amellyel a 19. század közepén még csak a fizikusok bajlódtak, s a biológusok számára csaknem ismeretlen volt. Az ironikus ebben az, hogy néhány évvel ezelőtt statisztikusok egy csoportja - újra feldolgozva Mendel adatait - azt állította, hogy az adatok „túl jók ahhoz, hogy igazak legyenek". Szerintük tehát Mendel egy kicsit „babrált" az adatokkal, vagyis meghamisította őket. Kiderült, hogy e modern statisztikusok nem értelmezték helyesen a biológiai vonatkozásokat, s nem vették figyelembe, hogy körülbelül minden tizedik, Mendel által ültetett borsónövény nem biztos, hogy kicsírázott! E történet fényesen bizonyítja, hogy Mendel a biológiában és a statisztikában egyaránt otthonosan mozgott. Tudománytörténeti tény, hogy Mendel minden biológiai kísérletét szabadidejébe zsúfolta, hiszen fő állásában Brünnben (Brnóban) tanított; kísérletei pedig szó szerint is összezsúfolódtak abban az apró parcellában, amit az apátság kertjében különítettek el számára. Amikor pedig apáttá választották, s elvileg már jóval nagyobb helyen is ültethette volna növényeit, túl elfoglalttá vált ahhoz, hogy bármilyen kutatómunkát végezzen. Mendel kutatásai során nem csupán borsónövényekkel foglalkozott, de ezek voltak a legfontosabb kísérletek, amelyeken Mendel

EVOLÚCIÓ • 119

mai hírneve és elismertsége alapul. Körülbelül 28 000 növénnyel dolgozott, amelyek közül 12 835 - saját szavaival élve - „gondos tanulmányozás alá esett". A nagy munka java részét az 1850-es évek második felében végezte el, amikor harmincas éveit taposta. Korábban más kutatók nagy számban tenyésztettek növényeket, utódaik tulajdonságait vizsgálva; ezt azonban többé-kevésbé „összevissza" tették, hagyva, hogy a növények természetes úton szaporodjanak, s így próbálták értelmezni a kereszteződések során kialakuló változatokat. Mendel viszont minden egyes növényt egyedi példányként kezelt, s minden példánynak saját száma volt jegyzeteiben. Elkülönítve tartotta őket, a megporzást saját kezűleg végezte, apró kis kefével begyűjtve a virágport az egyik növényen, majd elhelyezve a másik virágán. Így minden esetben tudta, hogy egy adott növény melyik két szülőtől származik. Az így megszülető adatok kincsesbányájából elégséges egyetlen klasszikus példát kiemelnünk ahhoz, hogy megértsük az öröklődés alapvető törvényszerűségeit. A kísérletekben használt borsónövények nagy előnye (és Mendel tudta ezt, mielőtt nekikezdett a munkának), hogy jól megfigyelhető tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyeket jól lehet követni a generációk során. Így például egyes borsónövények magjai sárgák, míg másoké zöldek; egyes magok sima felszínűek, míg mások ráncosak. Számos kísérletének egyik sorozatában Mendel olyan borsónövényeket keresztezett, ahol a szülők egyikének magja sima, míg a másiké ráncos volt. Az így kialakuló első utódnemzedék növényeinek mindegyike sima magokkal rendelkezett, s a ráncos tulajdonság látszólag eltűnt. Amikor azonban Mendel az első utódnemzedék növényeit keresztezte egymással, azt tapasztalta, hogy a második utódnemzedékben (vagyis az eredeti szülők „unokáiban") a növények 75%-ának sima, míg 25%-ának ráncos magja volt (Mendel konkrét adatai 5474 sima, illetve 1850 ráncos magú egyedről számolnak be). Genetikai értelemben mindennek igen egyszerű a magyarázata (persze igen sok kísérletet kellett elvégezni ahhoz, hogy ez az egyszerűség nyilvánvalóvá váljon). Az eredeti, sima magvú növények mindegyike egy gén két olyan, egyforma változatát (ún. alléiját) hordozta, amelyek sima magot határoztak meg. A ráncos magvú növények viszont ugyanennek a génnek két olyan, szintén egyforma változatát, amelyek viszont a mag ráncosságát kódolták. Egyik esetben sem kérdéses, hogy milyen volt a mag megjelenése, hi-

120 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

szen a két gén közül bármelyik is fejeződik ki, ugyanolyan a hatás, vagyis a tulajdonság megjelenése (fenotípusa). Mikor e kétféle genotípusú (genetikai tulajdonságú) szülőket keresztezték egymással, az első utódnemzedék egyedeinek mindegyike egy „sima" és egy „ráncos" alléit örökölt. Mivel mindegyik utód magja sima volt, a „simaság" uralkodó, idegen szóval domináns tulajdonságként szerepelt. A „sima" alléi elnyomta a „ráncos" hatását. Az olyan alléit, amely jelen van ugyan a génkészletben, de domináns alléi jelenlétében nem mutatkozik meg a hatása, bujkáló, idegen szóval recesszív alléinak nevezik. A második utódnemzedék esetében (vagyis az eredeti növények „unokáinál") az allélok keveredése már kissé bonyolultabb. Az első utódnemzedék soraiból származó szülők mindegyikének egy „sima" és egy „ráncos" allélja volt - ezek egyikét adta tovább a szaporodás során. Ha a „ráncos" alléit R betűvel, a „sima" alléit pedig S betűvel jelöljük, akkor az első utódnemzedék minden egyedének genotípusa röviden RS jelzéssel írható le. Mivel vagy az R-t, vagy az S-t örökítette tovább, a második utódnemzedék minden tagjába 50-50%-os valószínűséggel kerülhetett be a két különböző alléi. A második utódnemzedék esetében így négy kombináció alakulhat ki: RR, RS, SR, SS. Természetesen az RS és az SR ugyanolyan genotípus, mivel a jelölés sorrendje nem számít. Mivel az S alléi domináns az R felett, az utódok 75%-ának fenotípusa (azaz külső megjelenése) sima lesz. Csak egyetlen variáció esetében - vagyis az utódok 25%-ában -, két recesszív alléi összekerülésekor alakul ki a ráncos tulajdonság, hiszen itt nincs, ami elnyomja az alléi hatását. Ezek az öröklődés alapvető törvényszerűségei, de a helyzet általában jóval bonyolultabb. Az olyan összetett élőlényekben, mint például az ember is, sok ezer gén számos allélja adódik tovább különféle variációkban az öröklődés során, nemzedékről nemzedékre. Sok tulajdonságot, főleg a mennyiségi jellegeket nem is egyetlen gén határozza meg, hanem több gén együttes hatása. A lényeg azonban az, hogy az ivaros szaporodásnál általában nem arról van szó, hogy a szülők tulajdonságai teljesen összevegyülnének és átlagolódnának, s valamiféle köztes tulajdonság alakulna ki (bár mint később látjuk, erre is van példa). Amikor például egy magas apának és egy alacsony anyának közepes magasságú a gyermeke lesz, akkor sem a gének valamiféle összeolvadásáról van

EVOLÚCIÓ • 121

szó, hanem sok egyedi gén egymásra hatásáról. Olyan ez, mint egy pontokból álló festmény: a sok egyedi pontocska messziről egyetlen képnek látszik, de közelről látszik, hogy apró pontok alkotják. Időnként, egy gén hibás másolódása miatt új alléi alakulhat ki. Ha az új alléi által kialakított fenotípus előnyös az egyedek számára, akkor gyorsan elterjedhet; ellenkező esetben eltűnhet. 2 Ez az, ami a természetes szelekción alapuló evolúciót működteti, amint azt Charles Darwin felfedezte - bár ő még nem tudta pontosan, hogyan adódik tovább az információ egyik generációról a másikra. Gregor Mendelhez hasonlóan Charles Darwin sem mindig kapta meg azt az elismerést, amit megérdemelt, bár Mendellel ellentétben nevét már életében megismerte a világ. A Darwin munkásságát bemutató népszerűsítő kiadványok némelyike egy gazdag család aranyifjú sarjaként mutatja be a nagy biológust, aki HMS Beagle fedélzetén tett világ körüli utazása során legalább annyira szerencsés volt, mint amilyen jó szakember. Ez azonban a tények elferdítése. Tény, hogy Darwin gazdag és kiváltságos családból származott. Az is tény, hogy elhanyagolta egyetemi tanulmányait. Ezeket a tanulmányokat azonban kezdetben az orvostudomány területén folytatta (apja, egy sikeres orvos parancsára), amelyet állandó rosszullétei miatt kellett feladnia (szó szerint kimenekült az első műtétről, amit meg kellett tekintenie - ez kevésbé meglepő, ha tudjuk, hogy akkoriban még nem volt érzéstelenítés). Ezután teológiát tanult, ami akkoriban egy fiatal úriember végső menedéke volt, de ezt is feladta, mivel - bár csendes és nyugodt életet biztosított volna neki vidéki plébánosként - semmi olyat nem nyújtott számára, ami érdekelte volna. Darwint olyan dolgok érdekelték, amelyet senki nem feltételezett róla: a geológia és a botanika. S ezek valóban jobban mentek neki, mint például a teológia - cambridge-i tanítói szerint mindkét területen az élvonalba tartozott. Így aztán Robert FitzRoy, a Beagle kapitányának figyelmébe ajánlották mint útitársat és természettudóst. 2 Természetesen egy új alléi semleges hatású is lehet, így sem előnyt, sem hátrányt nem jelent az általa kialakított fenotípus. Egy ilyen alléi stabilan megmaradhat a genetikai állományban, s arra is van esély, hogy egyszer - a környezeti változások miatt - előnyössé válik a faj számára, s megkezdődhet elterjedése.

122 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

Az utazás 1831. december 27-től 1836. október 2-áig tartott. Darwin mindössze 22 évesen kezdte meg élete nagy kalandját, s 27 volt, amikor visszatért Angliába. A világ körüli utazás lehetővé tette számára, hogy megfigyelhesse a geológiai folyamatok hatásait, s láthassa, hogyan alakítják a Föld felszínét. Világossá vált számára, hogy ezek a folyamatok nagyon hosszú időt igényelnek - jóval hosszabbat, mint akkoriban az emberek többsége gondolta. 1830 körül a világ - így a Föld - teremtését a Bibliára alapozva Krisztus előtt 4004-re helyezték, s ez a nézet széles körben elfogadásra talált. Az utazás alatt megtapasztalhatta az élőlények csodálatos változatosságát is, számos különféle élőhelyet tanulmányozva. Darwin előtt is sokan láttak már hasonló dolgokat, de az ő tehetsége kellett hozzá, hogy a sok információt összerakva megalkossa az élővilág pazar sokszínűségét magyarázó elméletet. Ez az elmélet viszont nagyon hosszú földtörténetet igényelt, s ezt a geológiai bizonyítékok alá is támasztották. A geológia megajándékozta Darwint azzal az idővel, amelyre az élővilág evolúciójának magyarázatára szüksége volt. Volt egy másik ember is, aki észrevette az evolúció bizonyítékait, s megfelelő képességekkel rendelkezett ahhoz, hogy összerakja a képet. Darwin fejében már az 1830-as évek vége előtt világosan összeállt az evolúció elmélete, s ennek jó részét le is jegyezte. S bár szűk baráti körének fokozatosan kiszivárogtatott néhány részletet, a nagyközönség elé nem állt ki vele, nem utolsósorban azért, mert aggódott, milyen hatással lesz ez feleségére, Emmára. Emma ugyanis erősen vallásos keresztény volt, míg Darwin egyre inkább ateistává vált. Az 1850-es években azonban egy Alfréd Wallace nevű természettudós, aki a Távol-Keleten folytatta kutatásait, ugyanazokra a következtetésekre jutott az evolúcióval kapcsolatban, amelyeket Darwin már húsz évvel korábban felismert, s majdnem ugyanolyan elméletet állított fel a természetes kiválogatódásra, az evolúció hajtóerejére vonatkozóan. Darwin ekkorra már kiemelkedő tudósnak számított, akivel Wallace levelezés útján kapcsolatban állt. Wallace elküldte elméletének vázlatát Darwinnak. Ez volt az a levél, amely végül arra sarkallta a nagy angol biológust, hogy előbújjon dolgozószobájából, s megírja korszakalkotó művét, A fajok eredetét. A könyv először 1859-ben jelent meg, s azóta is folyamatosan kiadják. Ezzel Darwin vált az evolúciós elmélet első megalkotójává, ahogyan azt Wallace is elfogadta; ugyanakkor Darwin az-

EVOLÚCIÓ • 123

zal méltányolta t u d ó s t á r s á n a k teljesítményét, hogy az elmélet együttes megalkotójának ismerte el. Az elmélet írásos formában való megjelenése igen fontos lépés volt. Az 1850-es évekre bőséges, kövületek formájában előkerülő bizonyítékok támasztották alá azt a nézetet, mely szerint a fajok fejlődésének időtartama csak geológiai időskálán mérhető. Bár néhányan még fennakadtak azon, hogy az ember kialakulását is evolúciós keretek között szemléljék, maga az elmélet nem volt többé meglepő, s a legtöbben nem botránkoztak meg rajta. Darwin és Wallace legnagyobb érdeme, hogy magyarázni tudták az evolúció alapvető működésének okát, a természetes szelekció elméletével. Az evolúció létezése tény - mint ahogyan például az is, hogy az almák lefelé hullanak a fáról. A természetes szelekció elmélete (amely mögött bizonyítékok gazdag tárháza állt) az evolúció tényét magyarázza, akárcsak Newton gravitációs elmélete (szintén bizonyítékok tömkelegével alátámasztva), amely az alma lehullását magyarázza. Darwin és Wallace számára egyaránt nagy segítséget jelentett az evolúciós elmélet megalkotásában, hogy olvasták Thomas Malthus tisztelendő munkáját, amely először (név nélkül) 1798ban jelent meg, Tanulmány a népesség alapvető jellemzőiről címmel. (A későbbi bővített változatot már a szerző nevével adták ki). Malthus szerint bármely populáció - így az emberi is - olyan képességgel bír, hogy egyedszáma exponenciálisan nőhetne, egységnyi idő alatt mindig megduplázódva. Amennyiben például egy szülőpárnak négy utódja születik, s ezek megérik az ivarérett kort, hogy aztán ők is utódokat hozzanak létre, akkor a populáció egyedszáma minden generáció alatt megkettőződik. Amikor Malthus tanulmánya megszületett, az amerikai kontinensen valóban ehhez hasonló dolgok zajlottak az emberi népességben: a telepesek egyre csak terjeszkedtek, „új" földeket foglalva el. Észak-Amerika népessége minden huszonöt évben megduplázódott, s főképp nem a bevándorlás, hanem a nagyarányú természetes szaporulat miatt. Az óvilági társadalmak lélekszáma azonban nagyjából egyensúlyban volt, legalábbis a városokon kívül. Miért? Ugyanilyen kérdés nem csupán az ember, hanem bármilyen faj esetében feltehető. Még az elefántok, a leglassabban szaporodó szárazföldi emlősök esetében is 19 millió egyed jönne létre egyetlen szülőpár utódaiként, mindössze 750 esztendő alatt. Az 1790-

124 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

es években azonban a világ nem volt túlzsúfolt az elefántoktól. Körülbelül annyi példány élt a Földön, mint mondjuk 1050-ben. Ugyanez mondható el például a tölgyfákra vagy a békákra; a rózsákra vagy a kolibrikre; minden, a Földön élő fajra. Malthus mutatott rá arra, hogy egy populáció egyedszámát a ragadozók, a betegségek (főleg a járványok) és a rendelkezésre álló erőforrások - főleg a táplálék-korlátozott mennyisége határozza meg. Szinte minden faj, növények és állatok egyaránt több ivadékot hoznak létre, mint amennyi boldogulni tud. Általában az utódok nagy része nem éri meg az ivarérettséget, így szaporodni sem képes. Malthus mindezt nyomasztó hangulatban tálalta, s kifejtette, hogy Nagy-Britannia iparosodott vidékeinek elkeserítő körülmények között élő lakossága, amelyet éhínség és betegségek sújtanak, természetes folyamatok áldozata, amelyek egyensúlyban tartják a népesség számát. Ha az életkörülmények javulnának, a népesség csak addig tudna növekedni, míg a betegségek és az élelemhiány nem lépne fel újra. A végkövetkeztetés tehát az, hogy ha meghagyjuk a jelenlegi állapotokat, s a természetes folyamatok tehetik a dolgukat, akkor kevesebb ember éhezik és szenved különféle betegségektől. 3 Darwin és Wallace azonban messzebbre tekintett e felületes okoskodásnál. Rájöttek, hogy egy faj fiatal egyedeinek száma mindig nagyobb azokénál, akik végül valóban szaporodni képesek, így nagy harc folyik a természetes erőforrásokért, harc a túlélésért, amely a faj egyedei között zajlik. Amint Darwin írta egyik jegyzetében, 1838 őszén, amikor először olvasta Malthus művét: Az átlagot tekintve minden fajnál évről évre hasonló számú egyed pusztul el a ragadozók, a hideg stb. miatt. E megpróbáltatások mindegyike azért történik, hogy kiválogatódjanak a legjobb szervezetek... ezek az erők próbálják átpréselni az élő szervezeteket a túlélési esélyek résein, vagy sokkal inkább olyan réseket formálnak, amelyeken keresztül kihullanak a gyengék. 3 Megdöbbentő, hogy kétszáz évvel Malthus esszéjének megjelenése után is hasonló érveléssel állnak elő olyan emberek, akik ezen az alapon vonják kétségbe a szegényebb országokon való segítés létjogosultságát. Pedig Malthus csapdájából ma már egyszerű szabadulni - a hatékony fogamzásgátló módszerek lehetőséget nyújthatnak arra, hogy a lélekszám ne növekedjen olyan szint fölé, amelyet már nem képesek eltartani az adott erőforrások.

EVOLÚCIÓ • 125

A fajok úgy próbálnak megfelelni e kihívásoknak - amit Darwin a természet ökonómiájának nevezett -, hogy alkalmazkodnak élőhelyükhöz, az ún. ökológiai fülkékhez. Egy ponty például jó a vízhez való alkalmazkodásban, míg egy medve a szárazföldön sikeresebb. A medve és a ponty azonban annak ellenére sincsenek egymással versengésben, hogy a medve időnként kifog és elfogyaszt egy-egy pontyot. Egymás számára mindössze környezetük egyik alkotórészét jelentik, akárcsak például az időjárás. Egy olyan hipotetikus ponty azonban, amely jó érzékkel rendelkezik a mélyebb vízbe való lemerüléshez, amikor a medve a parton vadászik, máris előnybe kerül azon fajtársával szemben, amely a part közelében marad, s elfogyasztásra kerül. Egy olyan medve pedig, amely különösen ügyesnek bizonyul a pontyvadászatban, előnybe kerül kevésbé ügyes és éhen maradó fajtársaihoz képest. Mindkét esetben igaz, hogy azok a gének, amelyek a sikeres példányokban vannak jelen, elterjedhetnek a populációban, mivel az életképesebb egyedek nagyobb eséllyel tudnak szaporodni, s utódokat hagyni maguk után, mint a kevésbé rátermett egyedek. A darwini megközelítésben ez a rátermettség a meghatározó elem. Nem atletikus képességekről van szó - például az erőről és a gyorsaságról (bár ezek is szerepet kaphatnak) -, hanem a beilleszkedés képességéről, egy kirakójáték darabjának egészbe való beilléséről. Az egyes fajok, illetve a fajok egyes egyedei mindannyian megpróbálnak a leghatékonyabban alkalmazkodni környezetükhöz, élőhelyükhöz. A földi élet történetének nagy részében ez azt jelentette, hogy az evolúció főleg a fajok környezethez való alkalmazkodásán keresztül működött. Az evolúció nyersanyagát az öröklődés során kialakuló variációk szolgáltatták, amikor a gének - sokszor tökéletlen másolása és összekeveredése miatt különbségek alakultak ki az egyes generációk egyedei között. Mivel a DNS átírása valóban nem mindig hiba nélküli, az evolúció állandóan zajlik a fajokban, még a jórészt ivartalanul szaporodó fajok, például a baktériumok esetében is. Az egyedek közötti versengés azonban lehetővé tesz egy természetes kiválogatódást, egy természetes szelekciót, amelynek során csak a környezethez legjobban alkalmazkodó, legrátermettebb egyedek maradnak életben, s hagynak utódokat maguk után. Ha például egy kolibri hosszabb csőrrel születik, s emiatt több nektárt tud gyűjteni, akkor túlélési és szaporodási esélye is nagyobb lesz.

126 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

Minden következő generációban a hosszú csőrű madarak kerülnek előnyösebb helyzetbe a rövidebb csőrűekhez képest, még ha nagyon lassan is történik meg ez a váltás. Így aztán sok nemzedék múlva az egész faj átlagos csőrhosszúsága megnő. De hogyan alakulnak ki új fajok? A természetes kiválogatódáson keresztül ható evolúció teljes hatékonyságában akkor mutatkozik meg, amikor valamilyen környezeti változás következik be, vagy egy faj egyedei új élőhelyre vándorolnak. A klasszikus példa, amelyet Darwin is tanulmányozott a Galápagos-szigeteken, s amely elősegítette evolúciós elméletének tökéletesítését, a különböző szigeteken élő különböző pintyfajok esete. A különböző szigeteken talált madarak mindannyian pintyek voltak, de minden sziget populációja remekül alkalmazkodott az adott életkörülményekhez. Számos sziget s számos pintyfaj létezik, számunkra azonban elegendő, ha két fajt hasonlítunk össze. Az egyik szigeten elérhető táplálék különbözik a másik szigetétől. Az egyik szigeten a vékony, hosszú csőr a legmegfelelőbb a táplálék megszerzésére. A másik szigeten elérhető magvak feltörésére azonban egy rövid, masszív csőr a legalkalmasabb eszköz. Mindkét szigeten igaz, hogy a pintyek csak a táplálék megszerzéséhez illő csőrrel rendelkeznek. Darwin számára nyilvánvaló volt (és ezt a későbbi genetikai vizsgálatok is alátámasztották), hogy a Galápagos-szigetek pintyfajai közeli rokonságban állnak egymással, s mindannyian annak a néhány alapítónak a leszármazottai, amelyek a dél-amerikai szárazföldről érkeztek a szigetekre. Számos generáció elteltével azonban a különböző természeti erőforrásokhoz való alkalmazkodás során különböző fajokká fejlődtek. Még több idő alatt, ahogy azt Darwin feltételezte, minden földi élőlény hasonló módon fejlődhetett ki (köztük az ember is), egy közös ősből kiindulva. Még ma is vannak, akik szerint az evolúció nem több puszta feltételezésnél. Hol van a bizonyíték? - kérdezik. Nos, bizonyíték van bőven, csak nagy része szakfolyóiratokban és szakkönyvekben eltemetve, ami nem könnyen érthető az átlagember, köztük a hitetlen Tamások számára. Van azonban egy olyan könyv, J o n a t h a n Weiner A pinty csőre című műve, amely pontosan úgy írja le az evolúció működését, ahogyan azt Darwin elképzelte, szó szerint az egykori nagy biológus nézőpontján keresztül. Az ebben szereplő

EVOLÚCIÓ • 127

pintyek azok a galápagosi fajok, amelyeket elsőként maga Darwin tett híressé. Az evolúció munkáját feltáró húszéves kutatómunka története egész egyszerűen lenyűgöző. Rosemary Grant férjével és kollégáival 1970 óta minden évben visszatértek a szigetekre, s szó szerint látásból ismerték az egyes pintyfajok egyedeit. A madarakat rendszeresen befogták, mérték és fényképezték, mielőtt szabadon engedték volna őket. Teljes családfákat készítettek erre az időszakra, s tudták, melyik madárnak sikerült szaporodni, s melyiknek nem. Látták a népesség hanyatlását a száraz és ínséges időszakokban, vagy felvirágzását a bőséges periódusokban. S látták, hogy egy adott faj egyedeinek csőrében meglévő apró különbségek hogyan vezetnek oda, hogy egyes egyedek jól boldogulnak és szaporodnak, míg mások elpusztulnak, mielőtt erre esélyük lehetne. Csak a legnagyobb testű és legerősebb csőrű madarak boldogultak a legkeményebb magok feltörésével, ami a túlélést biztosította számukra a legnehezebb időszakokban is. A sztori a legutóbbi időkben is folytatódott, Peter Boag kutatásainak köszönhetően. Ő volt az, aki a pintyek vérmintáiból kinyert DNS-t tanulmányozta, s megtalálta a különbségek valódi, genetikai okait - azokat a géneket, amelyek meghatározzák a csőr alakját, s eldöntik, hogy magtörésre vagy nektárgyűjtésre legyen alkalmas. Weiner könyvében kitért a darwini gondolatokat elutasító nézetekre, amelyek gyakran bukkannak fel a - főleg nem biológiával foglalkozó - tudósok között is. A kémikusok például meglepődhetnek, amikor az általuk kifejlesztett új rovarölő szerrel szemben ellenálló egyedek fejlődnek ki. Evolúciós nézőpontból azonban azt mondhatjuk, hogy minden új, pusztításra kitalált módszerhez - hacsak az nem irtja ki az egész populációt - előbb-utóbb képesek alkalmazkodni az élőlények. Az Egyesült Államok gyapotföldjein dolgozó farmerek - azon államok polgárai, amelyek az evolúciós gondolat legnagyobb ellenségei voltak - minden évben komoly küzdelmet folytatnak az evolúció következményeinek elhárításáért. A kórházakban a betegségeket okozó baktériumok ugyanezen oknál fogva válnak egyre ellenállóbbá a penicillin-készítményekkel szemben. Az antibiotikumok elpusztítják a sebezhető baktériumokat, a szerre nem fogékonyak azonban életben maradnak és

1 2 8 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

elszaporodnak. Minél több baktériumot pusztítunk el, annál nagyobb esélyt adunk a rezisztens törzsek kialakulására - a baktériumok pedig jóval gyorsabban szaporodnak az embernél, s olyan evolúción mennek keresztül, amit természetes körülmények között csak hosszú ideig, az ivaros szaporodást is felhasználva érhetnének el. Egy evolúcióbiológus számára nem az a meglepő, hogy a baktériumok egyre ellenállóbbá válnak a penicillin-készítményekkel szemben, hanem az, hogy a penicillin még fél évszázados használat után is működik valamelyest. De miért ilyen ellenségesek az emberek az evolúciós gondolattal szemben? Talán nem is az elmélet az, ami ellen tiltakoznak. Weiner egyik könyvében leírja, hogy egy evolúcióbiológus egy hosszú repülőút alatt szomszédjával beszélgetve részletesen elmesélte munkájának eredményeit. „A repülőút alatt útitársam egyre izgatottabb és izgatottabb lett. 'Micsoda elegáns elmélet! Micsoda elegáns elmélet!' - mondta. Végül, amikor a gép leszállt, elmondtam neki, hogy ezt az elméletet evolúciónak nevezik. Erre egészen elvörösödött." A pinty csőre nem a legmegfelelőbb evolúciós olvasmány azok számára, akik valóban nyitott gondolkodásúk - nekik inkább Richard Dawkins könyveit ajánlanám. Ideális könyv azonban a kétkedők legfőbb kérdésének megválaszolására: hol vannak az evolúció bizonyítékai? Ugyanakkor egy igen olvasmányos és szórakoztató leírás az elmúlt évtizedek biológiai kutatásainak egyik legfontosabb területéről - ezért is foglalkoztam vele ilyen sokat ezeken az oldalakon. A szó szoros értelmében működés közben mutatja be az evolúciós folyamatokat, azokkal a módszerekkel, amelyeket Darwin és Wallace alkottak meg. A Galápagos-szigeteken azért fejlődtek ki új fajok, mert őseik új környezeti feltételekkel rendelkező élőhelyekre vándoroltak. A földtörténet több milliárd éve alatt azonban időnként előfordult, hogy az új környezeti feltételek „jöttek el" az élőlényekhez, egyes fajokat kihalásra, míg másokat változásra kényszerítve. A Föld története során időnként olyan események zajlottak, amelyek során számos faj örökre eltűnt az élet színéről, s az így megüresedett élőhelyeket (ökológiai fülkéket) a túlélők felvirágzó és szétterjedő populációi népesítették be. A leghíresebb s időben hozzánk legközelebb álló globális kihalás 65 millió évvel ezelőtt következett be, s majdnem bizonyos, hogy egy nagyméretű kozmi-

EVOLÚCIÓ • 1 2 9

kus test becsapódása okozta. A katasztrófa véget vetett a hüllők köztük a dinoszauruszok - uralmának, s lehetővé tette az emlősök elterjedését és gyors evolúcióját, amely végül az ember, a homo sapiens kialakulásához vezetett. Az emlősök már több mint 100 millió évvel azelőtt megjelentek, hogy a kozmikus katasztrófa pontot tett volna a kréta időszak végére. Akkoriban azonban a hüllők, különösen a dinoszauruszok olyan sikeresek voltak, hogy a korai emlősöknek igencsak szűkösek voltak a lehetőségeik. A dinoszauruszok szinte minden szárazföldi élőhelyet benépesítettek: voltak köztük növényevő és ragadozó fajok egyaránt. Az akkori emlősök apró termetű, cickányszerű lények voltak, akik az aljnövényzetben matatva főként rovarokkal táplálkoztak. A kréta végi nagy esemény azonban eltörölte a nagy testű fajokat, s ezek élőhelyei egy csapásra megüresedtek. Volt tehát tér az emlősök szétterjedéséhez, vagy kissé tudományosabban, átvehették a dinoszauruszok ökológiai szerepkörét. 65 millió évvel ezelőtt felgyorsultak az események: egyes emlősfajoknak mindössze 3 millió évbe telt, hogy cickány méretű élőlényekből kutya nagyságú fajokká fejlődjenek. Denevérek, rágcsálók és patások jelentek meg, 50 millió évvel ezelőtt pedig már mai disznókhoz hasonló méretű ősi elefántok is felbukkantak. Az emlősök e korai szétterjedésének és alkalmazkodásának nagy sebessége tehát nagyrészt azoknak a tág lehetőségeknek köszönhető, amelyek a hüllők nagy pusztulása miatt adódtak. Az emlősök különösen az ember kialakulásához vezető főemlősök - evolúcióját azonban geológiai és éghajlati hatások is befolyásolták, például a kontinensek helyzetének változása, vagy a klíma ingadozásai. Ezekről a következő két fejezetben olvashatnak részletesebben. Az evolúciós törzsfán elfoglalt helyzetünket s különösen legközelebbi rokonainkhoz, az afrikai emberszabású majmokhoz való kapcsolatainkat nem csupán az ősmaradványok bizonyítják, de a DNS-állományok összehasonlításából is kiolvasható. Ebből kiderül, hogy az ember, a csimpánzok és a gorillák genetikai állománya több mint 98%-ban megegyezik - mindössze a maradék, alig 2% az, ami emberré tesz bennünket. A DNS-vizsgálatok - amelyek alapján az is megállapítható, milyen gyorsasággal zajlottak az evolúciós változások - arra is rávilágítanak, hogy az emberfélék, a csimpánz és gorilla közös fejlődési vonalának szétválása mintegy 5 millió évvel ezelőtt történhetett. Ekkoriban Kelet-Afri-

130 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

ka erdőségei a szárazabbá váló éghajlat miatt megritkultak és visszahúzódtak, arra kényszerítve az ott élő fajokat - köztük őseinket -, hogy életben maradásuk érdekében alkalmazkodjanak az új körülményekhez. 4 Az emberi faj nem véletlenül „jelent meg" a világegyetem tudományos áttekintéséről beszámoló könyvünk közepén. Ez annak eredménye, hogy az események bemutatását különböző méretskálákon közelítjük meg, a kicsitől a nagyobb felé haladva. Egy atommag sugara körülbelül 10-15 méter, míg az emberi szervezet a méteres nagyságrendbe tartozik. Egy emberi egyed tehát 10 15 -szer nagyobb egy atommagnál. Egy fényév körülbelül 10x10 15 méter. Amikor tehát olyan távolságokba pillantunk, amely összevethető az atommag és az emberi szervezet méretkülönbségével, akkor már az univerzum nagy léptékű tartományaiba, a csillagok birodalmába jutunk. Ebben az értelemben az ember mintegy félúton helyezkedik el az atommagok és a csillagok világa között. Az emberi mérettartomány éppen megfelelő arra, hogy fennakadás nélkül létezzen és aktívan tevékenykedjen bolygónk felszínén. Ne feledjük, hogy az egész Föld gravitációs ereje szükséges ahhoz, hogy elszakítsa a fán lógó almában működő kötéseket, hogy az lehulljon a talajra. Ehhez hasonlóan, amikor valaki leesik a fáról, és eltöri egyik végtagját, akkor ez annak következménye, hogy a Föld felszínén ható gravitációs erő képes leküzdeni az illető csontjában lévő atomokat és molekulákat összetartó erőket. A kisgyerekek gyakran elesnek, de csak ritkán sérülnek meg komolyan - testük ugyanis alacsonyan van a felszín felett, így nem tudnak nagyot zuhanni. Minden azonban, ami két méternél magasabban helyezkedik el, komolyan károsodhat, ha leesik. Az emlősök számára ennél nagyobb méret csak úgy biztonságos, ha igen erőteljesek és masszívak (mint például egy elefánt), vagy a vízben élnek (mint például a bálnák). Létezik egy másik megközelítés arra, hogy az ember méretét elhelyezzük az univerzumban. A legfontosabb dolog, hogy az ember a legösszetettebb rendszer az univerzumban, amiről eddig tudomásunk van. S ez megint csak a gravitáció és a többi természeti erő speciális viszonyának köszönhető. Amint már említettük, egy emberi testben több ezer milliárd sejt található, amelyek 4

A kormeghatározás e módszere jó egyezést mutat a fosszilis bizonyítékokkal.

EVOLÚCIÓ • 131

csodálatos együttműködése alakítja ki az élő szervezetet. A sejtek hatalmas száma teszi lehetővé a nagyfokú komplexitást és a specializációt, amelynek következtében a különféle sejtek másmás feladatok elvégzésére szakosodnak, például egy nagy és bonyolult agy létrehozására. A sejtek csodálatos működését lehetővé tevő kémiai folyamatok azonban elektromágneses erőkön alapulnak. Amint hamarosan látni fogjuk, nagyobb méretskálákon például a bolygók és csillagok szintjén - a gravitáció már szinte mindent összeroppant, lehetetlenné téve az igazán kifinomult elektromágneses struktúrák létezését. Egy bolygó például jóval több atomot tartalmaz, mint az egész emberi faj együttvéve, mégsem rendelkezik olyan összetett szerkezettel. Az atommagok és elemi részecskék méretskáláján a dolgok még viszonylag egyszerűek, mivel adott időben csak néhány részecske vesz részt egy-egy kölcsönhatásban. Az emberi méretskálán az események már jóval bonyolultabbak és érdekesebbek, mivel lehetővé válik olyan kifinomult és összetett szerkezetek működése, mint egy DNS-molekula, vagy a több ezer milliárd sejtből álló szervezet egysége. De az olyan dolgok, mint például a bolygók és a csillagok megint csak igen egyszerűek. A bolygók méretskáláján a gravitáció már elpusztítja a bonyolultabb szerkezeteket, s legjobb esetben a szervetlen kémia bonyolultságának szintjére jutunk vissza. Egy csillag belsejében még ilyen komplexitás sem lehetséges, s megérkezünk a részecskefizika legegyszerűbb sémáihoz. A legtöbb dolog tehát a helyére került. Először áttekintettük azokat az alapvető kölcsönhatásokat, amelyek szerepet játszanak az ismert univerzum legbonyolultabb rendszere, az ember létrehozásában. Az ember azonban jóval összetettebb annál, hogy leírható legyen olyan egyszerű fizikai törvényekkel, amelyekkel például a Hold Föld körüli keringését magyarázzuk. Nem lehetséges pontosan megjósolni, hogyan reagál egy tudatosan gondolkodó emberi lény valamilyen környezeti hatásra - sokkal egyszerűbb megmondani, mi történik a fáról lehulló almával. Ennek ellenére az evolúciós elmélet nagyszerű eszköz arra, hogy viselkedésünk alapelemeit megmagyarázzuk, olyan kérdésekre válaszolva, mint például hogyan választják ki az emberek szexuális partnerüket, miért lehet sikeres evolúciós értelemben az önfeláldozó viselkedés, s miért lép fel számos faj esetében konfliktus a szülők és az ivadékok között. Charles Darwin volt az első, aki evolúciós alapon próbálta ma-

132 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

gyarázni az emberi viselkedés mozgatórugóit. 1839-ben, egy akkoriban még nem kiadott írásában a következőket mondja: Ha az embert egy természettudós szemével vizsgáljuk, akkor - akárcsak a többi emlősállat esetében - azt láthatjuk, hogy szülői, szexuális, szociális és talán más ösztönökkel is rendelkezik. - Az ember története is ezt támasztja alá, ha a többi állathoz hasonlóan szokásai alapján ítéljük meg. Ezen ösztönökhöz tartozik a szerelem érzése (és a szimpátia) vagy a jóindulat egy szóban forgó ügyben. Ha származásuktól eltekintünk, akkor más állatoknál is egészen emberszerű jelenségeket látunk: néha magukat háttérbe helyezve segítenek és védelmeznek másokat, a saját kockázatukra.

Az ember természettudományos, más emlősállatokhoz hasonló vizsgálatának szemlélete jelenti a modern evolúciós szemlélet lényegi elemét. Az ember az állatvilág része, s ugyanazok az evolúciós folyamatok alakították, mint a többi állatfajt. Az állatok köztük az ember - szociális viselkedését vizsgáló tudományágat nevezik szociobiológiának, s az evolúciós elmélet egyik legnagyobb diadala, hogy a genetika modern eredményei, a természetes szelekció gondolatával kombinálva képesek voltak megmagyarázni az önfeláldozó (altruista) viselkedés eredetét, amelyet már Darwin is pedzegetett 1839-ben. Nincs elég terünk arra, hogy elmerüljünk a szociobiológia részleteiben, de remélhetőleg Ön is meggyőződik arról, hogy „van valami" ebben a tudományban. 5 Az altruizmus számos helyen felbukkan a természetben, de most csak két példát szeretnénk felhozni. Először: miért ad le egy madárraj egyik tagja vészjelzést, amikor ragadozó közeledik? Hiszen azt gondolhatnánk, hogy ezzel magára irányítja a figyelmet, megölik és megeszik, így nem tudja továbbörökíteni génjeit. Másodszor: miért kockáztatják az emberek az életüket idegenekért - például amikor valaki beugrik a vízbe, hogy kimentsen egy fuldoklót. Ez a viselkedés megint csak nem tűnik olyan dolognak, ami nagyban elősegíti génjeink továbbadását. Egy madárkolóniában azonban az egyedek egymás közelebbitávolabbi rokonai, így számos olyan gén, amely egy adott egyedre 5

L. M. Gribbin - J. Gribbin: Being Human (Phoenix, 1995).

EVOLÚCIÓ • 133

jellemző, más egyedekben is jelen van. Ha ezek közül egy - vagy több, egymással együttműködő gén - arra sarkall egy egyedet, hogy vészjelzésével másokat megmentsen (még ha ő áldozatul is esik), akkor a közös gének sokasága menekül meg, amikor a többi madár elmenekül. A fuldokló ember kimentésének esete - egy tőle függetlenül ott tartózkodó másik ember által - egy kissé bonyolultabb, de jól példázza, hogy viselkedésünk elemeit még ma is evolúciós gyökerek befolyásolják, bármennyire is rájuk rakódtak a társadalmi hatások. Evolúciós értelemben egészen az utóbbi időkig a legtöbb ember törzsi társadalmakban élt. Így aztán, ha meglátunk egy fuldokló gyermeket, jó esély van arra, hogy felrémlik az együvé tartozás gondolata. 6 Egy olyan géncsoport, amely az életmentési ösztönünket bátorítja, annak idején elterjedhetett az adott populációban, mivel a várható haszon (tekintve, hogy a gének jobban elterjednek, ha a gyermek életben marad) meghaladja a kockázat költségeit. A módszer akkor működik a legjobban, ha a fuldokló és az életmentő valóban közeli rokonok, s így valóban számos közös génjük van - köztük az „életmentő" gének is. De mi erre az esély? Rengeteg olyan gén van - például a kék szemszínért felelős amelyet igen sok ember hordoz. Ha egyedi szinten vizsgálódunk, akkor - mivel génjeink felét az anyától, a másik felét pedig az apától örököljük - 50-50% az esély arra, hogy az egyik szülőnkben lévő gén bennünk is jelen van. Ugyanígy 50-50% az esélye annak is, hogy egyik génünk a testvérünkben is megvan. Annak esélye, hogy ez ugyanígy legyen első unokatestvéreink (szüleink testvéreinek gyermekei) esetében is, már csak 12,5% (1/8) és így tovább. Ez késztette J. B. S. Haldane-t egy érdekes kijelentésre az 1950-es években. Kollégáival egy kocsmában sörözve éppen az altruizmus problémáján töprengtek, amikor megkérdezték tőle, feláldozná-e magát egy testvéréért. Haldane pillanatnyi gondolkodás után így válaszolt: „egy testvérért nem - de kettőért, vagy nyolc unokatestvérért igen." Ebből a szempontból tehát - nagy átlagban - minden olyan viselkedésforma, ami biztosítja két testvér vagy nyolc unkatestvér túlélését, az egész génkészletünket menti meg! A valódi életben 6 Talán ezzel egyenértékű, hogy ha egy kis közösség tagja ilyen módon segít valakinek, akkor jó esélye van arra, hogy ezt a későbbiekben viszonozzák. Ez erősítené az itt vázolt érvelést.

134 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

persze általában nem kell feláldozni magunkat rokonainkért vagy idegenekért, még akkor sem, ha beugrunk egy fuldoklóért. A kockázati arány ugyan változó, de jó esély van arra, hogy mindketten életben maradunk. Statisztikai értelemben, ha 50%-nál jobb esélyünk van az életben maradásra, akkor megéri a kockázat, hogy kimentsük testvérünket. Nos, senkinek nem szeretnénk azt sugallni, hogy a víz partján állva arról kezdjen számításokat végezni, hogy a fuldokló mennyire közeli rokona, s mekkora a mentési akció kockázatának mértéke. Ebben a krízishelyzetben az emberi reakciók széles spektruma lép működésbe, mint a legtöbb esetben. Néhány ember elfordítja a fejét, néhányan haboznak, míg mások gondolkodás nélkül beugranak. Az egész viselkedési mintázat hátterében azok a genetikai tényezők állnak, amelyek akkor fejlődtek ki, amikor az emberiség még kisebb csoportokban élt. Az egyedeket meggondolatlanul vakmerővé tevő gének természetesen eltűntek, de bizonyos fokig azok is, amelyek az embereket túlzott óvatosságra késztették. Az ily módon előálló egyensúlyi helyzet lényegi eleme, hogy a legtöbb megtörtént mentési akció esetében a mentést végzőnek jó esélye van a túlélésre, míg a fuldoklónak segítség nélkül igen kevés. így az egyensúly azon gén (vagy gének) elterjedése érdekében működik, amelyek elősegítik az altruizmus ezen formáját. Az altruizmus valójában ragyogó példája annak, amit Richard Dawkins önző gén elméletnek nevez. Az önzés ez esetben azt jelenti, hogy a gének másolatai továbbadódnak, a gének „életben maradnak", s nem számít, hogy ez milyen szervezetben történik. Valójában a gének szintjén történő önzés az, amely bizonyos körülmények között egyedi szinten önzetlenné tesz bennünket. E genetikai önzés nélkül teljesen természetellenesnek tűnne számunkra, hogy bárki kockáztassa az életét egy fuldokló megmentése érdekében. Mi a helyzet a szexualitással? Mivel magyarázható, hogy az ember és még sok más emlősfaj esetében a nőstények és hímek aránya közel 1:1-hez? Végtére is egyetlen hím, legalábbis elvben, számos nősténnyel tud párzani és ivadékokat létrehozni. A fajoknak „nem kellene" annyi hím, mint amennyi nőstény, hogy biztosítsa a következő generáció egyedszámát. De vizsgáljuk meg a kérdést a gének szemszögéből. Képzeljünk el egy olyan populációt, amelyben minden sikeres hím tíz nőstényből álló háremet tart, s más hímek nem tudnak szaporodni (egyébként ehhez igen hasonló a helyzet a szar-

EVOLÚCIÓ • 135

vasok esetében). Azt gondolhatnánk, hogy ennek az aránynak a következő generációban is ilyennek kell lennie, így az anyáknak nem kell energiát pazarolni olyan hímek felnevelésére, amelyek soha nem fognak szaporodni. Biztos, hogy az anyák jobban tennék, ha több nőstényt nevelnének fel? Hiszen ezek - az ivarérettséget elérve - biztosan továbbadják majd génjeiket a következő generációnak! Azonban minden hím, amely szaporodáshoz jut, tízszer annyi ivadékot hagy maga után, mint egy nőstény. Így aztán, minden olyan valaha létezett populációban, ahol minden nőstény tíz nőstényt és egy hímet szült, igen előnyös lehetett egy olyan mutáció, amelynek következtében egy nősténynek a szokásosnál több hímnemű utóda született. Ezek ugyanis igen sikeresen szaporodhattak - sikeresebben, mint nőnemű testvéreik. A mutáns gének elterjedhettek, s a természetes szelekció biztosíthatta azon mintázatok kialakulását, amilyet például ma is megfigyelhetünk a szarvasok esetében. Minden generáció újszülötteinél közel azonos a hímek és nőstények száma, mert bár a hímek szaporodási esélye csak 1:10-hez (elméleti példánk esetében), minden szaporodni képes hím tízszer annyi ivadékot hagy hátra (s így tízszer annyi saját gént), mint a nőstény egyedek. Nyilvánvaló okok miatt ezt nevezik evolúciósan stabil stratégiának (ESS); minden olyan mutáció, amely miatt a nőstények folyamatosan több nőstényt vagy hímet szülnek, előnytelen és pusztulásra van ítélve. A megtermékenyítéskor egyaránt 50% az esélye annak, hogy hím vagy nőstény utód alakuljon ki. Ez nem jelenti azt, hogy egy adott nőstény nem szülhet sorozatban nőstényeket vagy hímeket - az 50-50% csak hosszú távon és statisztikai értelemben igaz, akárcsak a fej vagy írás esetében. 7 Hasonló érvekkel magyarázhatók azok a csatározások, amelyek oly sok családban zajlanak az egyes generációk között. Mivel minden szülő génjeinek felét örökíti át egy-egy utódjának, a párok7

Az ember és a hozzá evolúciósan közel álló fajok esetében az egyed nemét az ivari kromoszómákon lévő gének határozzák meg. A nőstények két egyforma ivari kromoszómát hordoznak (XX), míg a hímek két különbözőt (XY). Egy nőstény tehát mindenképpen X-kromoszómát ad tovább utódának, míg egy hím vagy X-et, vagy Y-t, méghozzá véletlenszerűen és 50-50%-os eséllyel. Evolúciós szempontból szemlélve a dolgot, könnyen kialakulhatna olyan mutáció, hogy a hímek vagy csak X-, vagy csak az Y-kromoszómát adhassák tovább. Az a tény, hogy egy ilyen mutáció nem volt képes elterjedni, megerősíti, hogy az 50-50%-os szexarány evolúciósan stabil stratégia.

136 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

nak átlagban két, az ivarérettséget is megérő ivadékra van szükségük, hogy biztosítsák összes génjük továbbadását. Nyilvánvaló, hogy az önző gének szempontjából jobb ennél több utódot nemzeni, hiszen ez egyfajta „tartalékot" jelent arra az esetre, ha az első kettővel bármi történik. Ez azonban csak akkor eredményes stratégia, ha a több utód nemzésével és gondozásával járó erőfeszítések nem merítik ki annyira a szülőket, hogy azok nem tudnak törődni megfelelően elsőszülött ivadékaikkal, amelyek aztán ezért még az ivarérettség előtt elpusztulnak. Evolúciós értelemben tehát minden szülőpár csak saját génjeinek továbbéléséről gondoskodik. Amint az első utódok idősödnek, kevesebb energiát kell rájuk fordítani, s kisebb az esélye annak is, hogy az ivarérettség előtt elpusztulnak, ha a szülők új ivadékokra koncentrálják energiáikat. Amint egy utód képes lesz a maga megvédésére, a szülők evolúciós sikere szempontjából a legjobb dolog megszabadulni tőle, s új utódokat létrehozni. Az utódok szempontjából viszont előnyösebb a szülőkkel maradni, s továbbra is igénybe venni segítségüket. Mindez így történik például madaraknál, és így történik az embereknél is, különösen a „primitívebb" társadalmakban. A modernebb társadalmakban azonban már csak egyfajta ösztönös konfliktusként láthatók ezek a dolgok, még akkor is, ha a szülők - a kulturális hatásoknak köszönhetően - nem szándékoznak több utódot létrehozni. A szociobiológia eredményeinek emberre történő alkalmazása igen nehéz, s gyakran igen vitatott. Ennek oka, hogy a természetes evolúciós mintázatokra ma már vastagon rárakódtak a társadalmi hatások. Meggondoljuk cselekedeteinket (legalábbis időnként), ahelyett hogy mindig ösztönösen viselkednénk; a gondolkodás azonban hosszú fejlődés eredménye, s evolúciós szempontból nyilvánvalóan sikeres dolog - így aztán elvben rá is érvényesek a szociobiológia vizsgálati módszerei. Mint már említettük, az emberek igen összetett teremtmények - a legkomplexebb egyedi rendszerek az összes ismert dolog között. Most, hogy az elemi részecskék egyszerűségétől eljutottunk a komplexitás e csúcsára, ideje továbbállnunk, s szemügyre venni nagyobb méretű dolgokat: elsőként bolygónkat és a kozmoszban elfoglalt helyzetét. A jó hír az, hogy amint egyre nagyobb dolgok felé haladunk, úgy lesz ismét egyszerűbb az ezek megértéséhez szükséges tudás. Albert Einstein egyszer azt mondta, hogy a világmindenség leg-

EVOLÚCIÓ • 137

nagyobb titka éppen az, hogy megérthető - Einstein ezt valóságos csodának tartotta. Most már láthatjuk, hogy a világmindenség megérthetőségének oka a részek egyszerűségében rejlik. Ezen egyszerűség persze továbbra is igen rejtélyes maradhat, de mivel maga a világ valóban egyszerű, egy olyan összetettségű szervezet, mint az ember, képes lehet megérteni (a dolgokat persze bonyolítja, hogy az ember is a világmindenség része). A világűr felé vezető utazásunkat azzal kezdjük, hogy megvizsgáljuk a lábunk alatt lévő szilárd földet - amely nem is mindig olyan szilárd, mint azt gondolnánk.

7. Változó bolygónk

Emberi léptékkel mérve a Föld nagy. Átmérője közel 12 800 km, egyenlítői kerülete pedig megközelítőleg 40 000 km. A legtöbb dolog azonban, amely közvetlen hatással van ránk, egy nagyon vékony rétegre összpontosul, a Föld felszínének közelében - a szilárd földkéregre és az atmoszféra vékony rétegére. Hogy az életnek ezt a vékony zónáját kellő megvilágításban szemlélhessük, képzeletben készítsünk keresztmetszetet a Földről, mint amikor a szakács félbevágja a hagymát, és feltárulnak a felszín alatti rétegek. A Föld belső szerkezetéről némi információt szolgáltatnak a földrengéshullámok - ezek keresztülhatolnak a kőzeteken, megtörnek és visszaverődnek a különböző rétegek határairól, ugyanúgy, ahogy a fény megtörik és visszaverődik az üveg felszínén. Ahogyan a fénytörés vizsgálatával a fizikusok megállapíthatják az üveg különböző tulajdonságait, úgy a földrengéshullámok tanulmányozásával a geofizikusok is adatokat nyerhetnek a Föld belsejének szerkezetéről. (A földrengéshullámokat a világszerte elhelyezett szeizmográfok (földrengésjelző készülékek) fogják fel - a ford). Ez azonban egy elég nyers „röntgenátvilágítás", amely a természetesen előforduló földrengésekre alapul - amelyek viszont nem állnak emberi irányítás alatt. Való igaz, hogy számos tekintetben többet tudunk az égbolt csillagairól, mint saját bolygónk belsejéről - de a csillagokat legalább láthatjuk! A legmélyebb pont, ahová ember lejutott, alig 4 kilométerrel fekszik a felszín alatt, egy afrikai aranybányában; az eddigi legmélyebb fúrás, amit a Föld kérgébe mélyítettek, nem egészen 20 kilométerre hatolt a felszín alá. Habár a Föld gravitációs és mágneses mezejének tanulmányozása további információkat nyújt

VÁLTOZÓ BOLYGÓNK • 139

bolygónk belsejének történéseiről, a legtöbb tudásunk még mindig a földrengéshullámokon alapul. A földrengéshullámok megmutatták, hogy a Föld belseje réteges szerkezetű. A rétegek egy szilárd belső mag köré épülnek, amelynek sugara kb. 1600 km (a sugár pontos értéke kissé bizonytalan, ami a földrengéshullámokon alapuló vizsgálatok nehézségét tükrözi; így nem kell meglepődnünk, ha különböző könyvekben kissé eltérő értékeket találunk). A szilárd belső magot egy folyékony külső mag övezi, amelynek vastagsága alig több mint 1800 km. Mindkét mag igen sűrű, s vasban gazdag; hőmérsékletük kb. 5000 °C. A külső mag elektromosan vezető anyagában létrejövő anyagáramlások felelősek a Föld mágneses terének kialakulásáért, bár eddig még senkinek nem sikerült kidolgozni a folyamat kielégítő modelljét. A mag magas hőmérséklete részben a Föld kialakulásakor lezajlott folyamatoknak köszönhető, amikor a fiatal naprendszerben számos kisebb objektum összeütközésével és összeforrásával kialakult az a forró, olvadt gömb, amelyet ma Földnek neveznek (részletesen lásd a 9. fejezetben). A földkéreg megszilárdulásával egy hőszigetelő réteg jött létre, amely csapdába ejtette és a továbbiakban csak lassan engedte megszökni a bolygónk testébe zárt hőt. Ennek ellenére napjainkban, több mint 4 milliárd évvel keletkezése után, bolygónk belseje nem lehetne ilyen forró folyamatos hőutánpótlás nélkül. E többlethő (az egykor haldokló csillagokban keletkezett) radioaktív anyagok bomlásának köszönhető, amelynek során stabil elemek alakulnak ki és energia szabadul fel. A számítások szerint a radioaktív hőtermelés még mintegy 10 milliárd évig folytatódhat - ezután bolygónk fokozatosan lehűl, s egyetlen rideg anyaghalmazzá dermed. Ekkora azonban már napunk is el fog pusztulni, így a Föld belsejének megdermedése feltehetően a legkevésbé sem fogja érdekelni az akkor intelligens életformákat. A Föld térfogatának legnagyobb részét a mag fölötti réteg, a köpeny teszi ki. A köpeny vastagsága mintegy 3000 km, és a földrengéshullámok eltérő viselkedése alapján általában két részre osztják: a mintegy 2300 km vastag alsó, és a 630 km vastag felső köpenyre. A köpeny a Föld térfogatának 82%-át, tömegének kétharmadát adja. A köpeny fölött található a vékonyka földkéreg. Vastagsága a szárazföldek területén 30-40 km, az óceánok terüle-

140 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

tén azonban csak 10 km. Ha 20 km-es átlagértéket veszünk figyelembe, akkor körülbelül azt mondhatjuk, hogy a kéreg vastagsága a Föld sugarának kevesebb mint 0,3%-át teszi ki. A geofizikusok jóval többet tudnak a felszínközeli rétegek szerkezetéről, mint a Föld magjáról (ez a jóval több azonban még mindig nem valami sok). 75 és 250 km-es mélység között egy olyan réteg húzódik a köpenyben, amelyben a földrengéshullámok egy kissé jobban lelassulnak, mint az e fölötti és az ez alatti rétegekben. Ezt a gyengeségi zónát, amelynek anyaga részlegesen olvadt állapotban van, asztenoszférának nevezik (az alatta fekvő köpenyrész a mezoszféra elnevezést kapta). A kőzetek részleges megolvadását az ebben a rétegben uralkodó nyomás- és hőmérsékleti viszonyok okozzák (ugyanezen okokkal magyarázható, hogy a külső mag miért folyékony, holott a belső szilárd). Bár a kőzetek a köpeny mélye felé forróbbak, a nyomás is nagyobb, így halmazállapotuk szilárd; az asztenoszféra felett pedig ugyan kisebb a nyomás, de a hőmérséklet is alacsonyabb, így a kőzetek megint csak szilárdak. Az asztenoszférában viszont a kb. 1100 °Cos hőmérséklet (amely egy kazán belsejéhez hasonló), és a nyomásviszonyok éppen kedvezőek a megolvadáshoz. Az asztenoszféra fölötti rétegeket kőzetburoknak (litoszférának) nevezzük. A kőzetburok mintegy 100 km átlagos vastagságú darabjai az asztenoszféra gyengesége miatt oldalirányban elmozdulhatnak. A kőzetburok darabjainak, a kőzetlemezeknek e mozgási szabadsága teszi lehetővé a kontinensek vándorlását a Föld felszínén, amely bár nagyon lassan történik, de földtörténeti léptékkel mérve állandóan és drámai módon átszabja bolygónk arculatát. A kontinensek mozgásának okait csak a legutóbbi időkben értettük meg - ez olyannyira igaz, hogy a geológusok és geofizikusok többsége ugyan elfogadja ennek bizonyítékait, néhány ember azonban még mindig kételkedik abban, hogy e hatalmas földtömegek vándorolhatnak bolygónk felszínén. A kontinensvándorlás gondolatának felvetődése azokra az időkre nyúlik vissza, amikor az első megbízható térképek készültek a Földről. 1620-ban, alig több mint egy évszázaddal Kolumbusz útjai után egy Francis Bacon nevű angolnak feltűnt, hogy Dél-Amerika és Afrika partjai milyen szépen összeillenek. Ezt írta:

VÁLTOZÓ BOLYGÓNK • 141

A félszigetek és fokok hasonlósága nem lehet véletlen egybeesés. Az Ó- és Újvilág partjai szépen összeillenek, s mindkét világ széles és kiterjedt észak felé, de összeszűkül délre.

Nincs,bizonyíték arra, hogy Bacon feltételezte volna: e hasonlóság annak eredménye, hog y a két kontinens egykor egyetlen hatalmas szárazulatot alkotott, amely aztán szétszakadt és elvált egymástól; tény azonban, hogy ha Dél-Amerikát gondolatban elmozdítjuk (vagy ezt számítógépen szimuláljuk), akkor a Brazíliánál lévő kidudorodás szépen beleillik a Guineai-öböl területére. Észak-Amerika pedig - ha képzeletben egy kicsit elfordítjuk majdnem ugyanilyen jól összeülik Európával, a kettő közötti rést pedig Grönland szigete tölti ki. Először egy Párizsban dolgozó amerikai, Antonio Snider tett közzé 1858-ban olyan térképet, amely a fenti elképzelést ábrázolta. Elgondolása szerint a Föld lehűlésekor egyetlen hatalmas szárazföld formálódott a bolygó egyik oldalán, s mivel nem volt elég stabil, darabokra töredezett. A darabok gyorsan elmozdultak egymástól, s elfoglalták mai helyzetüket egy olyan katasztrofális folyamat során, amelyet Snider a bibliai özönvíz történetével kapcsolt össze. A következő évtizedekben néhány ember között csendesen folyt ezen elmélet megvitatása. 1 Az a személy azonban, akit jogosan megillet „a kontinensvándorlás elméletének atyja" elnevezés, az osztrák Alfred Wegener lett, aki az elméleti spekulációkkal ellentétben részletes vizsgálatokat végzett a témában. Elgondolása ugyan nem volt teljesen helyes, de óriási előrelépést jelentett abban, hogy a kontinensvándorlás elmélete ne tűnjön el lassan a süllyesztőben. Wegener 1880-től 1930-ig élt, s a kontinensvándorlásról való első írását 1915-ben közölte Németországban. Az I. világháború miatt a könyv Németországon kívül jobbára ismeretlen maradt, s csak a harmadik, jelentősen bővített kiadás, amely 1922-ben jelent meg, és 1924-ben fordították angolra, irányította a figyelmet a területre. A kontinensek összetartozásának bizonyítékait a geológiai és őslénytani vizsgálatok adták. Így például a nyugat-afrikai és bra1 Köztük Charles Darwin egyik fia, a csillagász George Darwin is. Ne felejtsük el azonban, hogy az evolúciós elmélet már jóval a kontinensvándorlás megfelelő modellje előtt megszületett.

142 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

zíliai kőzetformációk olyan világosan összeillenek, mint egy kettétépett újságlap mondatainak betűi. A széttépett újságlapot is pontosan összeilleszthetjük, ha megkeressük az összetartozó szavakat és mondatokat. Ehhez hasonlóan a „geológiai újságlapok" is összeolvashatok, s ennek segítségével pontosan össze lehet illeszteni a kontinenseket. E bizonyítékok ellenére a kontinensvándorlás elmélete további 40 évig csak érdekesség maradt, s a legkevésbé sem azért, mert senki nem tudta megmagyarázni, hogyan szakadhattak szét e földtömegek. A fő gond az volt, hogy enyhén szólva valószínűtlennek tűnt az a lehetőség, hogy a kontinensek valóban elmozdulnak, s közben mintegy felszántják az óceáni kőzetágyat; s még ha el is képzelnénk, hogy a kontinensek szétszakadnak az egész bolygó tágulása következtében, vajon mi képes előidézni ilyen tágulást? így - bár az elméletet széles körben megvitatták a 20-as és 30-as években, csak a 60-as években vált általánosan elfogadottá. Ekkor derült ki ugyanis az, hogy az Atlantióceán tágul. Modern értelmezésében a kontinensvándorlás elméletét egy tágabb összefüggésbe, a lemeztektonika elméletébe illeszthetjük bele. A lemeztektonika az óceáni kéreg földrengéshullámokkal való részletes vizsgálatának köszönhette születését az 50-es években. Ezekhez a vizsgálatokhoz nem kellett természetes földrengésekre várni, mivel a kutatók robbanásokkal keltettek hanghullámokat a kéregben. A robbantások során fedezték fel, mennyire vékony az óceáni kéreg: egyes helyeken az 5-7 km-es vastagságot is alig éri el. Meglepetésként hatott az óceánfenék változatos domborzata is, hegységekkel, kanyonokkal s mind közül a legfontosabb felfedezéssel, az óceánközépi hátságokkal. E hátságok sok ezer kilométer hosszan futnak, s pár kilométerrel emelkednek az óceáni aljzat fölé. A klasszikus példaként ismert Atlanti-hátság az Atlanti-óceán közepén, a partokkal párhuzamosan fut. Középvonalában egy hasadékvölgy helyezkedik el, amelynek számos területén víz alatti vulkáni tevékenység zajlik. 1960-ban a Princeton Egyetem tudósa, Harry Hess megalkotta az óceánfenék szétterülésének elméletét, amely jól magyarázta a hátságok létét, illetve a többi új felfedezést. Az elképzelés a kontinensvándorlás elméletét is új összefüggések közé helyezte. Az óceánfenék szétterülésének modellje szerint az óceánközépi hátságok hasadékvölgyeiben állandóan forró, folyékony anyag nyomul fel a

VÁLTOZÓ BOLYGÓNK • 143

földköpenyből. 2 E kőzetolvadék a hasadékvölgy két oldalán szétterül és megszilárdul, oldalirányban széttolva a hátság területét. A megszilárduló kőzetanyagból új óceánfenék képződik. Hogyan fér el az új óceánfenék a Föld felszínén? Ahhoz, hogy a Föld mérete ne növekedjék, más területeken az óceáni kéregnek el kell pusztulnia, méghozzá többé-kevésbé olyan mértékben, ahogyan a hátságok területén keletkezik. Hess felhívta a figyelmet a más óceánokban található mélytengeri árkok jelentőségére, különösen a Csendes-óceán nyugati részén. Azt állította, hogy ezeken a helyeken az óceáni kéreg lesüllyed, a kontinensek pereme alá bukik, s végül beleolvad az asztenoszférába. Ezáltal a köpenyben lévő anyagáramlás bezárul. Ezzel a folyamattal ráadásul kitűnően magyarázhatók a mélytengeri árkok környékét kísérő földrengések és a vulkáni tevékenység is. Az előbb elmondottak szerint tehát az Atlanti-óceán szélesedik, évente mintegy 2 centimétert, ugyanakkor azonban a Csendes-óceán szűkül. Emiatt Észak-Amerika lassan Ázsia felé tart. Az óceánfenék szétterülésének elmélete azonban nem aratott azonnal elsöprő sikert - ez nem afféle „heuréka jellegű" felfedezés volt. A végső bizonyítékok csak néhány évvel később érkeztek, amikor a geológusok egy új technikával az óceánfenék kőzeteinek mágneses tulajdonságait kezdték vizsgálni. A kőzetek mágnesességének vizsgálata alapvető a geológiai kutatások szempontjából. A Föld mágneses tere nem állandó, hanem geológiai időléptékkel mérve változik: időnként erősödik és gyengül, néha pedig teljesen átfordul - ennek következtében a mágneses pólusok helyet cserélnek egymással, tehát a mai északi mágneses sarok a múltban néha déli mágneses sarok volt. Ezt a folyamatot még ma is igen kevéssé értjük, bár csaknem bizonyos, hogy a Föld külső magjának anyagáramlásaival áll kapcsolatban. A pólusátfordulás folyamatát sajnos sokan félremagyarázzák, s a rémhírterjesztők szerint a Föld egyszerűen „felborul" az űrben, az egész földkéreg megemelkedik és körbefordul (miközben a mágneses pólusok a helyükön maradnak), például Ausztrália és Európa helyet cserélnek egymással. De nem ez történik! A pólusátfordulás során a Föld külső magjában zajlik le valamilyen változás, 2 Bár a köpeny anyaga szilárd, nagyon lassú áramlások azért kialakulhatnak benne. Ezek áramlási cellákat formálnak.

144 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

aminek következtében a mágneses pólusok átfordulnak, míg a kontinensek ott maradnak, ahol addig is voltak - s mindez egy aránylag rövid időskálán. Amikor a szárazföldeken egy új kőzetréteg keletkezik (pl. egy új vulkáni takaró képződésekor), az új réteg általában az idősebbek tetejére települ. A kőzetben lévő mágnesezhető ásványok a mindenkori mágneses tér irányának megfelelően állnak be. A jól megőrződött rétegsorokban ezért a Föld mágneses terének változásai kitűnően követhetők, ha megvizsgáljuk az egymás alatt fekvő rétegeket. A kőzetrétegek sorrendje azonban gyakran megváltozhat, összekeveredhet, például a hegységképződések során. Ilyen esetekben a megbolydult rétegeket a nyugalomban maradt rétegsorok adataihoz lehet igazítani, s ennek segítségével lehet megállapítani helyes sorrendjüket. Amikor a mágneses tér mérésére alkalmas műszereket (a magnetométereket) először fordították az óceánfenék felé, egy egészen másfajta, de nagyon izgalmas mintázat bontakozott ki. Az Atlanti-óceán aljzatának kőzetei mágneses szempontból egymással párhuzamos, észak-déli irányban futó sávozottságot mutattak. A sávok egy része a mai mágneses tér irányának megfelelő tulajdonságokkal bírt, míg a többi ezzel pont ellentétes volt. Ráadásul e sávozott mintázat az Atlanti-hátság tengelyére nézve tükörszimmetriát mutatott. A következtetés egyértelmű volt - az óceánfenék kőzetei gigászi magnetofonként rögzítették a Föld mágneses terének átfordulásait. Egy-egy sáv kőzeteinek mágnesezhető ásványai több százezer éven keresztül a mai mágneses tér irányának megfelelően álltak be. Ezután, geológiai léptékkel mérve egy szempillantás (néhány ezer év) alatt a mágneses tér átfordult, s a következő néhány százezer évben egy ellentétes mágneses tulajdonságú sáv keletkezett. Ez a mintázat a hátság közelében lévő legfiatalabb kőzetektől a partok mentén fekvő legidősebb kőzetekig jellemző, s mivel a kőzetek a hátság mindkét oldalán keletkeznek, a szimmetria is jól magyarázható. Valójában ez volt az a felfedezés, amely először tárta fel, hogy a Föld mágneses tere állandóan átfordul. Az azóta eltelt évtizedek során az óceánfenék kőzeteinek mágneses mintázatait a szárazföldi kőzetrétegek mintázataival is összeillesztették. Minden gyönyörűen a helyére került.

VÁLTOZÓ BOLYGÓNK • 145

E nagyszerű új felfedezések fényében a lemeztektonika elmélete általánosan elfogadottá vált. Igen fontos mozzanat volt - amikor a kutatók többsége átpártolt az új elmélet mellé - amikor a Royal Society által 1964-ben szervezett találkozón Edward Bullard, a Cambridge-i Egyetem kutatója bemutatta az első számítógépes rekonstrukciót a kontinensek egykori összetartozásáról. Az igazat megvallva ez nem sokkal volt több (de nem is kevesebb), mint Snider kézzel készített rekonstrukciója 1858-ból. Bullard azonban a kontinensek aktuális partvonalai helyett a selfek (kontinentális párkányok) határait illesztette össze, és a számítógépek 1964ben még igen misztikus dolognak számítottak. A modellhez az óceánfenék kutatásának minden addigi adatát felhasználták. 1964 volt az az esztendő, amikor a mozgó kontinensek Csipkerózsikaálmát alvó elmélete feléledt, és széles körben elfogadottá vált. Az 1970-es években pedig, amikor a műholdak segítségével végrehajtott lézeres mérések bebizonyították, hogy az Atlanti-óceán valóban szélesedik évi pár centiméterrel, minden további vita okafogyottá vált. A lemeztektonika kifejezést elsőként Dan McKenzie és R. L. Parker használták a Nature című tudományos folyóirat hasábjain, mindössze három évvel Bullard számítógépes térképének megjelenése után, hogy egységes keretbe foglalják a geofizika új eredményeit. A 60-as évek végére az elmélet gyakorlatilag teljesen elkészült. Megmagyarázta, hogy a kőzetburok miként tagozódik hatalmas darabokra, kőzetlemezekre. Megmagyarázta, hogy a kőzetlemezek közepén miért viszonylag kicsi, a szélükön pedig miért nagy a geológiai aktivitás. A geológia addig rendezetlennek tűnő, szétszórt ismeretei egy csapásra egységes keretbe kerültek, egy kirakós játék darabjaihoz hasonlóan. Kiderült, hogy hét nagyobb kőzetlemez létezik, amelyek több tucat kisebb társukkal együtt az egész földfelszínt lefedik. Geológiai szempontból meghatározóak azok a folyamatok, amelyek a lemezszegélyeken mennek végbe. A lemezszegélyeknek három fő típusa létezik. Az épülő lemezszegélyek azok a területek, ahol új óceáni kéreg születik az óceánközépi hátságoknál, s ennek megszilárdulása következtében a két kőzetlemez távolodik egymástól. A pusztuló lemezszegélyek a mélytengeri árkok területén fordulnak elő, ahol a vékony óceáni kéreg átlagosan 45 fokos szögben a kontinentális kéreg alá bukik: ez a közeledő lemez-

146 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

szegélyek területe. Végül egy harmadik lehetőség, ahol sem épülés, sem pusztulás nem jellemző: ha két kőzetlemez elcsúszik egymás mellett. Egy adott kőzetlemez hordozhat tisztán óceáni kérget, tisztán szárazföldi kérget, vagy a kettő keverékét; az épülő és pusztuló lemezszegélyek területe azonban mindig óceáni kéreghez kötött. A kontinentális kéreg a lemeztektonikai folyamatok jellemzői miatt ma nem pusztul, s jelentős mértékében nem is gyarapszik bár utóbbira a hegységképződés ún. Andok-típusánál, amikor a mélytengeri árkokkal övezett partokon nagy tűzhányóláncok épülnek - van lehetőség. Senki nem tudja biztosan megmondani, hogyan alakultak ki maguk a kontinensek - mi formálta meg a szárazföldek első darabjait, amelyek aztán folyamatosan híztak. A legvalószínűbb magyarázatnak az tűnik, hogy amikor a fiatal Földet hatalmas meteoritbecsapódások bombázták, akkor az első „mini kontinensek" ezek sebhelyei fölött alakultak ki. Bárhogyan is keletkeztek, tény, hogy ha egy kontinentális terület egy pusztuló lemezszegély környékére kerül, akkor sem tud megsemmisülni, maga a lemezszegély pedig hamarosan inaktívvá válik. Az óceáni kéreg a hátságok területén képződik, nagyjából ugyanolyan ütemben, ahogyan a mélytengeri árkoknál elpusztul. Ha egy mélytengeri árok működését az odakerülő kontinentális anyag leállítja, ennek hatásai az egész lemeztektonikában érezhetőek lesznek, s valahol az óceánfenék szétterülése is lassul, majd teljesen leáll. Úgy tűnik, hogy a lemeztektonika történései igen dinamikus, kiegyensúlyozott rendszert alkotnak. A fentiek megvilágítására néhány példa következik. A Vörös-tenger és a Kelet-afrikai árokrendszer területe a földkéreg egyik nagy hasadékvölgy-rendszeréhez tartozik. A kéreg széthasadása itt a geológiai közelmúltban kezdődött, a köpenyből felemelkedő, és a kérget feldomborító kőzetanyag hatására. A Vörös-tenger egy születő óceán, amelynek saját hátsága is kialakulóban van. S bár ma még nehéz megmondani, hogy a Kelet-afrikai árokrendszer mely ága fejlődik tovább a jövőben, valószínűnek tűnik, hogy egyik része összekapcsolódik a Vörös-tengerrel, s egyesülve olyan óceánná fejlődnek, amely Afrika nagy részét eltávolítja majd Ázsiától. Ezzel ellentétben Észak-Amerika nyugati része az Atlanti-óceán szélesedése miatt nyugat felé mozog, s rátolódott egy olyan

VÁLTOZÓ BOLYGÓNK • 147

korábbi hasadékvölgy területére, amely ma már ugyan kevéssé aktív, de azért még érezteti hatását. Mindez azért történhetett, mert az Atlanti-hátság aktivitása és „tolóereje" erősebb, mint a Csendes-óceán északi részében lévő hasonló képződményé. Az észak-amerikai kontinens gyorsabban mozgott nyugat felé, mint amilyen ütemben a csendes-óceáni hátság az új kérget állította elő, így a csendes-óceáni kéreg fokozatosan eltűnt a mélyben az Észak-Amerikát kísérő mélytengeri árkok területén. Ha a folyamatot egy mozgólépcső működéséhez hasonlítjuk, akkor azt a fura helyzetet látjuk, hogy a letűnő lépcsők gyorsabban fogynak, mint ahogyan a felbukkanok keletkeznek. A mozgólépcső két vége ezért fokozatosan egyre közelebb kerül egymáshoz. A hátságok azonban dél felé még aktívabbak, s végső soron ez okozza majd a Kaliforniai-félsziget Amerikáról való leválását, illetve napjainkban is ez a felelős a Szent András-törésvonal aktivitásáért. Mindezek ellenére az észak-amerikai kőzetlemez (amely az Atlanti-óceán északnyugati medencéjét is hordozza) és a csendes-óceáni kőzetlemez közötti határ se nem pusztuló, se nem épülő, hanem egymás mellett elcsúszó lemezszegély. A csendes-óceáni lemez egy kissé elfordulva és észak felé nyomulva mozog. A geológiai közelmúltban ennek az összedörzsölődésnek hatására keletkezett a Sziklás-hegység; napjainkban pedig ez felelős az egész partvidéket kísérő földrengésekért és vulkáni aktivitásért (valójában ehhez hasonló kőzetlemez találkozások magyarázzák az ún. csendes-óceáni tűzgyűrű kialakulását). A lemezszegélyek elcsúszása magyarázza Kalifornia észak felé mozgását is, kb. évi 6 cm-es sebességgel. A Kaliforniai-félsziget tulajdonképpen a kontinens testéről letört szilánk, a Szent-András-törésvonaltól nyugatra, s elszakadása a kontinens alatt fekvő ősi hátságok utolsó aktivitásával magyarázható. A mai San Francisco területe 30 millió évvel ezelőtt több mint ezer kilométerrel délebbre helyezkedett el, amikor a hátságok és árkok rendszerei elkezdték megsemmisíteni egymást (az ezer kilométer akkor igaz, ha ez a folyamat állandóan végbement). Ez az észak felé történő mozgás azonban nem folyamatos; egyes helyeken a két kőzetlemez évtizedeken, sőt évszázadokon keresztül is mozdulatlanul feszül egymásnak, majd egy hirtelen elmozdulással szabadítják fel a bennük rejlő energiát. Ez az, ami miatt Kalifornia nagy földrengéseknek lehet kitéve - ha a Los Angeles

148 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

körüli terület száz évekre „beragad", akkor a kőzetlemezek megmozdulásakor akár hatméteres eltolódás is bekövetkezhet, ami katasztrofális következményekkel járó földrengéseket okozhat. A világ számos részén vannak ma már nem működő törésvonalak. A skóciai Nagy Glen-völgy például nagyon hasonló a kaliforniai egymás mellett elcsúszó lemezszegélyek területéhez, de ebben az esetben a kontinentális kéreg két darabja találkozik egymással. E lemezhatár aktivitása mára lecsendesedett (bár kisebb földlökések még mindig kipattannak a területéről), és a két lemezdarab összeforrott; az egykor két különálló kontinensrészlet határa azonban nagyszerűen látható magának a völgynek a képében. Léteznek jóval bonyolultabb lehetőségek is, például három kőzetlemez találkozása, vagy egy épülő és egy pusztuló lemezszegély összeütközése. De nem kell ilyen részletekbe mennünk. Egy adott kőzetlemez lehet bármilyen alakú, s bármilyen kombinációja határolhatja a pusztuló, épülő vagy egymás mellett elcsúszó lemezszegélyeket, a kőzetburok anyagának mennyisége nagyjából állandó marad. Lehetséges például, hogy a kontinentális kérget egyáltalán nem tartalmazó csendes-óceáni kőzetlemez egy napon teljesen megsemmisül, így Észak-Amerika és Ázsia egy hatalmas szuperkontinenssé forr össze. Ennek következtében az Atlanti-óceán a mai Csendes-óceán szélességére tágulhat, Afrikát pedig egy olyan óceán fogja elválasztani az Arab-félszigettől, mint amilyen ma az Atlanti-óceán. A kontinensek összeütközése és összeforrása, illetve az így létrejövő szuperkontinens kisebb darabokra való újbóli széttöredezése valószínűleg már többször lejátszódott a Föld történetében. Amikor a kontinensek összeütköznek, hegyláncok tolódnak a magasba. A napjainkban is emelkedő Himalája például Eurázsia és India összeütközésének eredménye; Ciprus hegyei pedig az egymás felé tartó európai és afrikai kontinens találkozásaként emelkedtek a magasba, a Földközi-tenger ezzel párhuzamos összeszűkülésével. A pusztuló lemezszegélyek mentén is keletkezhetnek hegyláncok. Ha a napjainkban működő lemezszegélyektől távoli hegyláncokat találunk, biztosak lehetünk benne, hogy a régmúltban aktív lemezhatárokat jeleznek. Éppen ezért, ha a kontinenseket e hegyláncok mentén gondolatban szétszakítjuk, és a darabokat eltávolítjuk egymástól, arról nyerhetünk képet, hogyan helyezkedtek el a szárazföldek a múltban. Minél idősebb egy ilyen

VÁLTOZÓ BOLYGÓNK • 149

hegylánc, annál több idő telt el azóta, hogy geológiailag aktív területen feküdt. A kontinensek egykori alakjáról és elhelyezkedéséről további információk is rendelkezésünkre állnak. A kőzetekben talált ősmaradványok elárulják, hogy az adott terület egykor milyen éghajlaton feküdt. Ugyanilyen információkat nyerhetünk az egykori gleccserek mozgásának nyomaiból, illetve üledékeiből is. A kőzetek ősi mágnesezettsége (paleomágneses adatok) pedig megmutatják, hogyan mozgott a kontinens a Föld koordináta-rendszerében. A kőzetben lévő mágnesezhető ásványok ugyanis mindig észak-déli irányban állnak be, ha azonban a kőzettömeg a kontinenssel együtt elmozdul, akkor ezek az ásványok ma már más irányokba mutatnak - ebből lehet következtetni mozgásukra. Mindezen módszereknek köszönhetően legalábbis nagyvonalakban fel lehet vázolni, hogyan változott bolygónk arculata az elmúlt 600 millió év során - persze minél mélyebben tekintünk a múltba, annál vázlatosabb eredményeket kapunk, míg időben ennél távolabb szinte egyáltalán nem lehetséges a rekonstrukció. A geológiai bizonyítékok szerint mintegy 600 millió évvel ezelőtt a mai Dél-Amerika, Afrika, India, Antarktisz és Ausztrália egyetlen nagy szuperkontinensbe, a Gondwanába tömörült. Hogy a hatalmas időtávlatot némileg érzékelhetővé tegyük, az első halak csak mintegy százmillió évvel e z u t á n j e l e n t e k meg. A Gondwana nagyjából az Egyenlítőt kísérte. Az akkori óceánközépi hátságok aktivitásának köszönhetően lassan dél felé sodródott, s mintegy 450 millió évvel ezelőtt az északi pólus fölé került. Ekkor alakultak ki rajta azok a gleccserek, amelyek nyomait ma is láthatjuk a Gondwana széttöredezésével létrejött különálló kontinenseken. Eközben az Egyenlítőtől északra is zajlottak a lemeztektonikai kirakójáték történései. A mai Észak-Amerika és Grönland abban az időben egymással összefüggő földtömeget alkotott. Mintegy 400 millió évvel ezelőtt, amikor az első növények megjelentek a szárazföldeken, ez a kontinens ütközött össze a mai Európa egy részével (főleg a skót és skandináv területekkel), s létrejött a Kaledóniai-hegységrendszer, amelynek egyik jellemző kőzete az öreg vörös homokkő. A Gondwana közben áthaladt a déli pólus fölött, s észak felé vette az irányt - ez alatt a gerincesek meghódították a szárazföldet, s kifejlődtek az első hüllők. Mintegy 250

150 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

millió évvel ezelőtt a Gondwana összeütközött és összeforrott a nagy északi kontinenssel. Nem sokkal ezután a mai Ázsia ősi területei is csatlakoztak az így kialakuló földtömeghez, s az ütközés következtében felgyűrődő Urál-hegység kialakulásával egyetlen hatalmas szuperkontinens jött létre. Minden mai kontinens egyesült ebben a Pangeának nevezett alakzatban, amely a déli pólus környékétől az Egyenlítőn keresztül a magas északi szélességekig húzódott. A Pangea kialakulása utáni lemeztektonikai folyamatokról jóval többet tudunk, mint az azt megelőző korszakokéról, mivel a szuperkontinens kialakulása jórészt eltörölte a korábbi események nyomait. A Pangea magas déli és északi szélességein egyaránt gleccserek voltak jelen, az óceánok vizének körforgása pedig jelentősen lassult, mivel a hatalmas földtömeg nem engedte számukra megkerülni a Földet. A Pangea kialakulását követően, a perm időszak végén hatalmas fajkihalás sújtotta az élővilágot. Ennek oka még ma sem tisztázott pontosan - lehetséges, hogy a lehűlés és a tengerszint csökkenése vagy egy hatalmas meteorit becsapódása okozta. Az élővilágot sújtó válság olyan drámai volt, hogy ezt az eseményt joggal tekinthetjük a földtörténeti óidő végső mozzanatának. A geológiai időskála legtöbb intervallumát őslénytani alapon határozták meg, vagyis a fosszíliákban látható változásokat keresték. A legnagyobb időegységeket általában a legnagyobb fajkihalások választják el egymástól, míg a kisebb időszakokat az élővilág történetének kisebb eseményei jelölik ki. A földtörténeti óidő után, 250 millió évvel ezelőtt a középidő köszöntött be. A Pangea fokozatos széttöredezésével párhuzamosan az élővilág lassan magához tért, az éghajlat felmelegedett. A legkorábbi emlősök már a középidő elején megjelentek, de még több száz millió évig háttérbe szorultak - mivel a földtörténeti középidőt a hüllők különféle csoportjai uralták. A Pangea hasonló gyorsasággal kezdett feldarabolódni, mint ahogyan létrejött. Az első nagy törésrendszer a mai Földközi- és a Karib-tenger vonalában jött létre, így a Gondwana levált a nagy északi földtömegről, Laurázsiáról, majd maga is kisebb darabokra kezdett töredezni. Laurázsia sem maradt azonban egységes. A mai Észak-Amerika és Európa között létrejövő törésvonal először csak egy tengeröblöt hozott létre, majd kialakult a mai Atlanti-óceán

VÁLTOZÓ BOLYGÓNK • 151

északi medencéjének elődje. Észak-Amerika és Európa azonban Grönlandon keresztül még 65 millió évvel ezelőtt is, vagyis a dinoszauruszok kihalásának idejéig összefüggött egymással. Az északi kontinens utolsó nagy széthasadása egybeesik azzal az eseménnyel, ami a mai Ausztráliát és Antarktiszt szétválasztotta egymástól. Ettől kezdve már az összes kontinens nagyjából az általunk ismert alakkal rendelkezett, s lassan megkezdték mai helyzetük elfoglalását. 65 millió évvel ezelőtt, a dinoszauruszok kihalásával egy új földtörténeti idő, az újidő (cenozoikum) vette kezdetét. Az újidő az emlősök kora. A korábban említett időszakok hosszúságának fényében ez a 65 millió év akár rövidnek is tűnhet, mint ahogy geológiai léptékkel mérve valóban az is. Ne felejtsük el azonban, hogy e 65 millió év alatt érte el az Atlanti-óceán mai szélességét, miközben a Föld óceáni aljzatának fele megsemmisült, illetve újraképződött. Az óceánok és tengerek a Föld felszínének kétharmadát borítják. Ez azt jelenti, hogy a dinoszauruszok kihalása óta a földfelszín egyharmada teljesen kicserélődött. Ma is a lemeztektonikai folyamatok azok, amelyek a Föld egyes területeit igen veszélyes helyekké teszik, rengeteg földrengést és tűzhányókitörést okozva. A szeizmikus aktivitás általában a lemezhatárokon jellemző, mindenféle formában. A tűzhányókitörések különösen gyakoriak azokon a területeken, ahol az óceáni aljzat a kontinensek alá bukik (vagyis a mélytengeri árkok mentén), s megolvadásával hatalmas magmatömegek indulnak el fölfelé, amelyek aztán heves, általában nagy robbanással járó vulkáni tevékenységet okoznak. 3 Amint azt a Pangea és a Gondwana sorsa is bizonyítja, hosszú távon sehol sem lehetünk biztonságban a Földön. Igen hosszú idő alatt ugyanis bárhol képződhetnek új hasadékvölgyek, még a kontinensek közepén is, s ugyanúgy szétszakíthatják a szárazföldet, mint ahogy ma az afrikai Nagy-hasadékvölgyben. S még 3 A Csendes-óceán vulkáni szigetei, például a Hawaii-szigetek kivételnek számítanak. Ezek ugyanis távol a lemezhatároktól, az ún. forrópontos vulkanizmussal jöttek létre, ahol a köpenyből felfelé törő forró kőzetanyag átlyukasztotta a kérget. Amint a forró pont felett a kőzetlemez elmozdul, vulkáni szigetek sora alakul ki, amelyek elhelyezkedéséből a lemezmozgások irányának változásaira is következtethetünk. A Pacifikus-kó'zetlemez például észak helyett északkeleti irányba kezdett mozogni, körülbelül 40 millió évvel ezelőtt. Ez akkor történt, amikor Észak-Amerika rátolódott az óceán északi részében működő óceánközépi hátságokra, s oldalirányú (nyugati irányú) lökést adott a kőzetlemeznek.

152 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

az olyan helyeken is, mint a Skót-felföld, az Appalache-hegység vagy az Urál vonulatai is történhetnek olyan folyamatok, amelyek a korábbi ütközési sebhelyeket egy kicsit „szorosabbra húzzák". E geológiai folyamatok mindegyike közvetlen és lényeges hatással volt és van a földi élet fejlődésére, és e könyv központi témájára, az emberiség és az őt körülvevő világ kapcsolatára is. Az élet szinte azonnal felbukkant a Földön, miután a földkéreg lehűlt és megszilárdult - baktériumok kövületeit több mint hárommilliárd éves kőzetekben is megtalálták már. Az élet kialakulásának módját még ma is rejtély övezi, de a geológiai aktivitás nagy szerepet játszhatott benne. A klasszikus elmélet szerint az egykori sekélytengerekben (vagy ahogy Darwin nevezte, a meleg kis pocsolyákban) felhalmozódó kémiai anyagokból jöttek létre - a napfény és a villámlások energiájának segítségével - az első, önmagukat másolni képes molekulák. Egy másik (de megfontolandó) nézet szerint az első ilyen molekulák valahol a világűrben keletkeztek, talán a csillagközi felhőkben, s üstökösök becsapódásai szállították őket a Földre. Az utóbbi elmélet érdeme, hogy magyarázatot adhat az élet Földön való megjelenésének gyorsaságára: eszerint ugyanis már a Föld kialakulása előtt évmilliárdok álltak rendelkezésre ahhoz, hogy ezek a molekulák kialakulhassanak. Egy újabb elmélet szerint az élet ugyan a Földön jött létre, de nem a napsütötte sekélytengerekben, hanem éppen ezzel ellentétes környezetben, az óceánok mélyén, a Föld belső hőjéből táplálkozva. Az óceáni aljzaton ma is léteznek olyan életközösségek, amelyek teljesen elszigetelten és a naptól függetlenül állnak fenn. A mélytengeri füstölgőknek nevezett alakzatok környékén számos kemoszintetizáló - például hidrogén-szulfidot felhasználó - baktérium s az ezeket fogyasztó alsórendű állat él. Két alapvető oka van annak, hogy nagyon keveset tudunk a földi élet legkorábbi időszakairól. Az egyik, hogy az első élőlények lágytestűek voltak, s nem rendelkeztek olyan csontvázzal vagy más szilárd testrészekkel, amelyek pusztulásuk után megkövülhettek volna. Másrészt az élet egy ideig teljesen a tengerekre korlátozódott, s a tengerfenékre kerülő maradványok a lemeztektonikai mozgások miatt általában megsemmisültek - kivéve, amikor a hegységképződés folyamán a tengerfenék egy része a kontinens részévé vált, ahogyan az ma is megtörténik a Földközi-tenger térségében.

VÁLTOZÓ BOLYGÓNK • 153

A geológiai korok határait a földi élővilág kövületeinek változásai jelzik, amelyek közül az egyik legjelentősebb az a változás, amely a prekambrium végét jelzi, mintegy 600 millió évvel ezelőtt. Egészen addig, az evolúció több mint hárommilliárd éve alatt, az élet a tengerek egysejtű vagy többsejtű, de lágytestű életformáira korlátozódott, amelyek csak kevés nyomot hagytak maguk után. (A többsejtű életformák a prekambrium vége felé kezdtek megjelenni, medúzák, férgek, szivacsok formájában, amelyek maradványai már kis számban fennmaradtak.) Ezután következett az ún. kambriumi 4 robbanás - amely a többsejtű életformák felvirágzását és az ősmaradványok számának hirtelen növekedését hozta magával. 600 millió évvel ezelőtt az élőlények először fejlesztettek szilárd vázakat maguknak, például könnyen fosszilizálódó kagylóhéjakat. Ez azonban még jóval a szárazföldek benépesülése előtt történt, amelyeket ekkor még csak csupasz sziklák borítottak. Bár az élet a későbbiekben átalakította a szárazföldeket, maguk a kőzetek is nagy szerepet játszottak a földi élet evolúciójában, mivel az őket hordozó kőzetlemezek állandóan átszabták azt a környezetet, amelyben az élet fejlődött. S mindez még azelőtt történt, hogy az élet meghódította volna a szárazföldeket. Mintegy 440 millió évvel ezelőtt egy tömeges fajkihalás játszódott le a Földön, amelyben számos faj tűnt el. A katasztrófa nyomai az ősmaradványokban annyira nyilvánvalók, hogy ezt az eseményt az ordovícium nevű földtörténeti időszak végének meghatározására használják. A kövületek tanúsága alapján ez volt a második legnagyobb fajkihalás az élet történetében. A kihalás akkor következett be, amikor az ordovíciumban megformálódott Gondwana lassan a déli pólus fölé sodródott, és megkezdődött eljegesedése. Egy jégkorszak beköszöntekor nem csak a Föld sarki területei változnak meg. A jégtakarók messze túlnyúlhatnak a sarkvidékeken, ha például a trópusi területek felől érkező meleg tengeráramlatok valamilyen oknál fogva leállnak, vagy a pólus fölött egy nagy szárazföld terpeszkedik. 5 A szárazföld felszíne ugyanis kitűnően alkalmas a nagy hó- és jégtömegek felhalmozódására. Évszáza4 A kambrium a földtörténeti óidő első időszaka, amely mintegy 100 millió évig tartott. 5 Mindkét pólus felett lehetnek egyszerre kontinentális területek, az ordovíciumban azonban csak a déli pólus felett voltak.

154 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

dok alatt - ahelyett, hogy a tengerbe nyomulna és elolvadna - a hóból és a jégből jégtakarók és jégárak formálódnak. Ezek aztán tovább fokozzák a lehűlést, mivel világos felszínük a beérkező napsugárzás nagyobb részét veri vissza. Végeredményben az egész bolygó éghajlata megváltozik, a légkörzés és a tengeráramlások módosulásának köszönhetően. Mint a későbbiekben látni fogjuk, a szárazföldi élővilág számára is kritikus körülményeket hozhat egy jégkorszak kialakulása. Az éghajlat lehűlésével ugyanis csökken a párolgás mértéke az óceánokból, így a szárazföldi területek kevesebb csapadékot kapnak és szárazabbá válnak. Az ordovícium végén ez még nem jelentett problémát, mivel akkoriban az élet még kizárólag a tengerekre korlátozódott. Az ordovícium végi kövületekben azt láthatjuk, hogy a hidegebb éghajlathoz és tengervízhez alkalmazkodó fajok az Egyenlítő felé nyomultak, amelyek azonban a meleg vizeket kedvelték korábban egy idő után eltűnnek a kőzetekből. Kihaltak. E kihalást követően azonban az élet nem csupán magához tért, de meghódította a szárazföldeket is. A kontinensvándorlás ebben ismét nagy szerepet játszott. Amint a Gondwana elmozdult a déli pólus fölül, a hó- és jégtakarók olvadásnak indultak. A magas déli szélességek vizei is melegebbé váltak, s a jégkorszak véget ért. Ugyanabban az időben - s még jó néhány tízmillió évig - az Északi-sarkvidéket óceánok borították, a mai Észak-Amerika, Európa és Ázsia szárazföldi területei pedig az Egyenlítőt kísérték, s köztük sekélytengerek hullámzottak. A 440 milliótól 360 millió évvel ezelőttig tartó időszak (amely két geológiai kort, a szilurt és a devont öleli fel) különlegesen meleg volt, talán azért, mert a kontinensek mozgását kísérő vulkáni aktivitás jelentősen megemelte a légkör szén-dioxid szintjét, ami köztudottan üvegházhatású gáz. Az élet felvirágzott. Saját nézőpontunkból azonban a legfontosabb környezetnek azok a sekélytengerek számítottak, amelyek az akkori kontinensek partjait mosták. Hatalmas árapályzónák alakultak ki, amelyeket dagály idején víz borított, apálykor viszont teljesen szárazra kerültek. A bolygót felmelegítő szén-dioxid többlete igen fontos volt a szilur időszak növényei számára - a növények a fotoszintézis során kötik meg a szén-dioxidot, és saját szerves anyagaikat építik fel belőle. Ahogyan Carl Sagan egyik legemlékezetesebb mondásában megjegyezte: „egy fa jobbára levegőből áll". A megemelke-

VÁLTOZÓ BOLYGÓNK • 155

dett szén-dioxid-szintben a növényzet növekedése felgyorsult. A szilur árapályzónákban és torkolatvidékeken élő növények apálykor teljesen szárazra kerültek, így a kiszáradás veszélye fenyegette őket; ugyanakkor azonban így még több napfényhez jutottak, amely a fotoszintézis elengedhetetlen feltétele. Azok a fajok, amelyek megoldották a kiszáradás problémáját, hihetetlen előnyre tettek szert, amikor a zsúfolt árapályzónákból a szárazföldre terjeszkedtek - ahol aztán akadálytalanul vehették fel a napfényt. Az első növényeket hamarosan az állatok is követték a szárazföldekre, ugyanazon nyilvánvaló okok miatt: a sekélytengerek túlzsúfolttá váltak, s a szárazföld, ahol a lábukat megvető növények már bő táplálékforrást nyújtottak, kitűnő menekülési útvonalnak látszottak. Álljunk itt meg egy pillanatra. A legsikeresebb életformák azok, amelyek minden szempontból tökéletesen alkalmazkodnak környezetükhöz, és soha nem kell megváltozniuk. Számos ma élő baktériumfaj szinte semmiben nem különbözik hárommilliárd évvel ezelőtti őseitől. Ők a nagy túlélők, az evolúció igazi sikerei. Amikor azonban az egyedek között versengés indul meg a táplálékért és egyéb erőforrásokért, akkor szó szerint új „földek" után kell nézniük. 6 A legsikeresebb halak halak maradtak, mint ahogy mai leszármazottaik is halak. Voltak azonban olyan halak is, amelyek nem boldogultak jól a tengerekben, így azok peremére, az iszapos árapályzónákba szorultak, ahol kétéltűekké kellett fejlődniük, s a szárazföldre kellett hatolniuk, hogy azokat a rovarokat egyék, amelyek a növényvilágot követték a kontinensekre. Ehhez hasonlóan, később a legkevésbé sikeres kétéltűeknek kellett továbbállniuk, hogy a száraz körülményekhez alkalmazkodva hüllőkké fejlődjenek és így tovább. Mi olyan élőlények hosszú sorának leszármazottai vagyunk, amelyek nem voltak a legjobbak a saját szerepükben, így alkalmazkodniuk kellett, vagy kihaltak. Evolúciós értelemben tehát egy hosszú „hibasorozat" eredményeképpen fejlődtünk ki (persze nem végzetes hibákból, mivel akkor nem is léteznénk). E felfogásból szemlélve a dolgokat még kínosabb, hogy nem a mi leszármazási vonalunk hódította meg első6 Ez csak abban az esetben járható út, ha az új élőhelyek még nincsenek elfoglalva. Ezért nem terjeszkedik például napjainkban is az élet a tengerekből a szárazföldekre: a kontinensek már élettől hemzsegnek, s bármilyen feltételezett, újabb kétéltű-ős elég hamar pórul járna.

156 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

ként a kontinenseket. Az úttörők, a szárazföldek első meghódítói szelvényezett testű, kemény páncéllal borított élőlények, az ősi ezerlábúak voltak. A svábbogarak pedig már 300 millió évvel ezelőtt is remekül elboldogultak a kontinenseken - akkor, amikor a mi őseink még alig kezdtek kitocsogni a tengerekből. Való igaz, hogy közvetlen őseink, a gerincesek csak egy újabb nagy kihalást követően - amely a devon időszak végét jelzi -, mintegy 360 millió évvel ezelőtt hódították meg a szárazföldet. Az újabb kihalásért ismét csak a Gondwana mozgását hibáztathatjuk, amely lassan visszasodródott a déli pólus fölé. A devon végi katasztrófa sok szempontból annak megismétlődése volt, ami az ordovícium végén történt. A krízis különösen a tengeri élővilágot érintette, s a hidegtűrő fajok ismét az Egyenlítő felé nyomultak, míg a melegkedvelők újra csak eltűntek a Föld színéről. Számos jel utal arra, hogy az újra kialakuló jégkorszak során egy nagy test csapódott be a Földbe, egy kisbolygó vagy egy üstökösmag formájában. A becsapódás miatt a légkörbe kerülő és szétterülő por- és kőzetanyag hatékonyan blokkolta a napsugárzást, így a bolygó további lehűlését okozta. Bármi is volt a lehűlés igazi kiváltója, nem vitás, hogy a devon végén a Föld ismét jégkorszakba zuhant, s ennek eredményeképpen számos faj halt ki. A kihalási hullámot követően a túlélők benépesíthették a megüresedett ökológiai fülkéket, s ez a lehetőség nagy szerepet játszott abban, hogy a gerinces állatvilág (kétéltűek) is kiléphetett a szárazföldre. Ez volt a karbon kezdete - azé a földtörténeti időszaké, amikor hatalmas mocsárerdők borították az alacsonyan fekvő vizenyős területeket. E mocsárerdők elpusztult, betemetődő és összenyomódó maradványai hosszú időn keresztül kőszénné alakultak át. A karbon időszak 360 millió évvel ezelőtt kezdődött, és 286 millió évvel ezelőtt ért véget. A világon ma elégetett kőszén zöme, amely nagymértékben felelős az üvegházhatás fokozódásáért, a karbon időszaki mocsárerdők üledékeiből származik. E hatalmas szénkészletek felhasználása a globális felmelegedés egyik előidézője, amint azt a következő fejezetben kifejtjük. A karbon időszakban olyan sok széndioxidnak kellett megkötődni a növényekben, hogy a maival ellentétes hatás alakult ki, s a bolygó hőmérséklete csökkenni kezdett. Sajnos azonban nem tudjuk pontosan, hogyan hatott ez az élővilág fejlődésére, mivel nincsenek adataink arra, hogy mennyi

VÁLTOZÓ BOLYGÓNK • 157

szén-dioxid volt a levegőben a karbon kezdetén, s milyen ütemben gyengült az üvegházhatás. Ezt követően az ember kialakulásához vezető evolúciós események már a szárazföldön folytatódtak. A karbont a perm időszak követte, amely mintegy 248 millió évvel ezelőttig tartott, s az időszak közepe felé, kb. 270 millió évvel ezelőtt léptek színre az első melegvérű állatok - az emlősök elődei. A perm időszak második felében majdnem az összes szárazföldi terület egyetlen hatalmas szuperkontinenssé, a Pangeává egyesült, amely pólustól pólusig terpeszkedett, s aminek következtében hideg időszakok alakultak ki. A melegvérű teremtmények jóval sikeresebben alkalmazkodtak ezekhez a körülményekhez, mint hidegvérű riválisaik. Éppen hogy megkezdődött felvirágzásuk, amikor a földi életet egy olyan katasztrófa érte, amely a fosszíliák alapján az eddigi legnagyobb kihalást okozta. Az esemény jelentőségét jól mutatja, hogy a geológusok nemcsak a perm időszak, hanem az egész földtörténeti óidő (paleozoikum) végének, utolsó mozzanatának tekintik. A perm időszak végének kihalási eseményei a tengeri élőlények 90 százalékát eltörölték, egy mindössze 10 millió éves, vagy még rövidebb időszak alatt. A szárazföldeken már nehezebb megbecsülni a kihalt fajok számát, de bizonyosan ez volt az első és legnagyobb kihalás, amely a szárazföldi gerinceseket, köztük az emlősök őseit, vagyis a felénk vezető evolúciós vonalat is komolyan érintette. A Pangea kialakulása miatti globális lehűlés sok millió évre megnehezítette az életet; szinte bizonyosnak tűnik, hogy néhány további katasztrófa - majdnem bizonyosan kozmikus becsapódás - volt az, amely az amúgy is nehéz szituációt még tovább súlyosbította a szárazföldi élővilág számára is. A permet követő triász időszakban, amely 248 milliótól 213 millió évvel ezelőttig tartott, a hüllők és nem az emlősök voltak azok, akik a krízishelyzetből magukhoz térve szétterjedtek és megtöltötték az elérhető ökológiai fülkéket. Mintegy 230 millió évvel ezelőtt a dinoszauruszok is megjelentek az evolúció színpadán. Olyan sikeresnek bizonyultak (részben azért, mert feltehetően melegvérűek voltak), hogy két egész földtörténeti időszak alatt uralkodtak: a jurában (213-144 millió évvel ezelőttig) és a krétában (144-65 millió évvel ezelőttig). A dinoszauruszok uralma tehát 150 millió évig tartott (összehasonlításképpen: az emberfélék családjának egész története mindössze 5millió évre tekint vissza).

158 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

A dinoszauruszok kora alatt a Pangea kettéhasadt, s két, tengerekkel elválasztott kisebb szuperkontinens, Laurázsia és Gondwana alakult ki. Ezek később további részekre szakadtak, s a darabok megkezdték mai helyzetükbe való sodródásukat. A pólusok környékén nem voltak kontinensek, így nagy jégkorszakok sem alakultak ki, s nem zajlottak nagy hegységképződési folyamatok sem. Geológiai értelemben tehát egy nyugodt időszakról beszélhetünk, s ez magyarázza, miért maradt fenn annyi kőzet és ősmaradvány a jura és a kréta időszakokból. Ezt a nyugalmat megzavaró, a jura és a kréta határán bekövetkezett kisebb fajkihalás bizonyos szempontból rejtélyesnek számít, mivel az akkori kontinensvándorlási és lemeztektonikai folyamatok alapján nem találunk nyilvánvaló okot arra, hogy mi okozhatott nagy környezeti változásokat. Mind a tengeri élőlények, mind pedig a dinoszauruszok (illetve más szárazföldi állatok is) bizonyosan komolyan megsínylették a jura végi katasztrófát, amelyet minden bizonnyal (legalábbis részben) egy kozmikus becsapódás okozhatott. S bár számos dinoszauruszfaj halt ki, a helyüket más fajok foglalták el, így a dinoszauruszok szárazföldi uralma nem tört meg. A megváltozó körülményekre alkalmazkodással és továbbfejlődéssel reagáltak. A környezeti változások közé tartozik a fűfélék és a virágos növények elterjedése a szárazföldeken, amely a kréta közepe felé, alig több mint 100 millió évvel ezelőtt történt. Ekkoriban a dinoszauruszok már több mint 100 millió éve léteztek. A dinoszauruszok megjelenése és a virágos növények felbukkanása között tehát nagyjából ugyanannyi idő telt el, mint a virágos növények megjelenése és az ember kialakulása között. A jura dinoszauruszainak pedig egyike (még a gyerekek kedvenceiként ismert Stegosaurus vagy a Diplodocus) sem láthatott virágokat, és nem sétálhatott a füvön. Még a dinoszauruszok sem élhették túl azonban azt a katasztrófát, amely a kréta időszak végén, 65 millió évvel ezelőtt sújtotta bolygónkat. A környezeti változások már a katasztrófa előtt megkezdődtek, s megint csak geológiai változásokkal hozhatók összefüggésbe. A kréta időszak vége felé már létezett a mai Atlantióceán elődje, amelynek két partján Észak- és Dél Amerika, illetve Eurázsia és Afrika helyezkedtek el. Ugyanakkor a mai Gibraltáriszorostól egészen a mai Indonézia területéig egyetlen hatalmas óceán, a Tethys húzódott, amely Eurázsiát választotta el a déli

VÁLTOZÓ BOLYGÓNK • 159

földrészektől. A kontinensvándorlás következtében azonban a Tethys egyre szűkült (a Földközi-tenger a Tethys mai maradványa), az óceáni áramlatok mintázata megváltozott, ami befolyásolta az éghajlatot. A Tethys fokozatos beszűkülése és megsemmisülése miatt számos élőhely szűnt meg, ami igen rosszul érintette a tengeri fajokat. Ma már meggyőző bizonyítékaink vannak arra, hogy a kréta végi nagy katasztrófát és az ebből következő fajkihalásokat egy kozmikus test becsapódása okozta, amely a mai Mexikó területén, a Yucatán-félszigeten következett be. A becsapódással kialakult krátert már sikerült azonosítani, s ez alapján a becsapódó test átmérője több mint 10 km lehetett. A puskagolyó sebességének tízszeresével száguldó test mozgási energiája a becsapódás pillanatában hővé alakult, s legalább 100 millió megatonnányi TNT felrobbanásával egyenértékű energiát szabadított fel. A becsapódás miatt a Föld kérgéből kirobbanó kőzetanyag egy része a világűrbe került, ahonnét aztán részben visszazuhant. Ezek újabb becsapódásai további katasztrófákat okoztak. A szárazföldek számos élőlénye - köztük a legtöbb dinoszaurusz - élve megsült, mivel olyan hatalmas erdőtüzek alakultak ki, hogy a fák elszenesedett maradványainak rétege még ma is világosan látható a 65 millió éves kőzetekben. Miután a forróság mérséklődött, a becsapódás miatt a légkörbe került por és hamu megakadályozta, hogy a napfény elérje a földfelszínt, így globális lehűlés következett be. A napfénytől függő, fotoszintetizáló növények heteken belül elpusztulhattak; ezután pedig a növényevő állatoknak sem volt mit elfogyasztaniuk. A vegetáriánusok kihalása után viszont a húsevők maradtak élelem nélkül. Végül is a földi élőlényfajok több mint 70 százaléka pusztult el a kréta végi nagy katasztrófában, így megint csak érthető, hogy a geológusok ezt nemcsak a kréta időszak, hanem az egész földtörténeti középidő (mezozoikum) végének, illetve az újidő (cenozoikum) kezdetének tekintik. A túlélők között ott voltak azok az apró termetű, cickányszerű emlősök, amelyek már több tízmillió éve éltek a dinoszauruszok árnyékában. Ezek a kis állatok a mi őseink. Az újidőben történő elterjedésük és különböző élőhelyekhez való alkalmazásuk megint csak nagyszerű példája a darwini evolúciós folyamatnak, s magyarázatot ad arra, miért lehetünk ma itt. Az újidő során - a 65 milliótól 2 millió évvel ezelőttig tartó

160 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

harmadidőszakban, s az ezt követő (és napjainkban is tartó) negyedidőszakban - a Föld geográfiai arculata már csak kevéssé változott, bár e változások fontos szerepet játszhattak saját evolúciónkban. Itt az idő azonban, hogy befejezzük a szilárd Föld folyamatainak vizsgálatát, s ennél jóval gyorsabb, a bolygónkat körülvevő légkörben zajló változásokat vegyük szemügyre - olyan változásokat, amelyek következményei igen fontosak az ember múltjára, jelenére és jövőjére nézve is.

8. A változások szele

Bolygónk légköre alapvető feltételét jelenti létezésünknek - hiányában valószínűleg nem is lehetne élet a Földön -, pedig planetáris nézőpontból alig több mint geológiai folyamatok jelentéktelen következménye. A szilárd Föld átmérője 12 756 km, a légkör pontos vastagságának meghatározása azonban nem könnyű feladat, mert nincs éles pereme, hanem fokozatosan ritkulva megy át a világűrbe. A Mount Everest csúcsának meghódítói valamiként még lélegezhetnek, 8848 m-rel az átlagos tengerszint felett, mivel a troposzférának nevezett légköri réteg (ahol az időjárási folyamatok zajlanak) felső határa átlagosan 15 km-es magasságban húzódik. Ha bolygónkat kosárlabda méretűnek képzeljük el, a légkör nem lenne vastagabb negyed milliméternél, vagyis olyan, mint egy alig észrevehető hártya a labda felszínén. Gondoljuk csak meg! Tíz kilométer megtétele a Föld felszínén igen kis utazás - bárhonnan is indulunk el, joggal várhatjuk, hogy tíz kilométerrel távolabb ugyanolyan környezet fogad majd bennünket. Azonban ha függőlegesen felfelé haladunk ugyanennyit, és ott próbálunk meg lélegezni, kísérletünk biztosan halállal végződik. És mégis, a rendkívül vékony levegőréteg elengedhetetlen feltétele annak, hogy a Föld kellemes otthonául szolgáljon az életnek. A légkör történetének kezdetei a távoli múltban keresendők, amikor bolygónk kialakult. Nem sokat tudunk ugyan a felszín akkori viszonyairól, de geológiai ismereteink azt jelzik, hogy üledékes kőzetek már 3,8 milliárd éve is képződtek, egyes 3,5 milliárd éves kőzetek pedig életnyomokat rejtenek. Az üledékek jellegzetességei arra utalnak, hogy vízben jöttek létre, tehát 3,8 milliárd éve - kevesebb mint 1 milliárd évvel bolygónk összeállása után már biztosan nagy mennyiségű folyékony víz volt a felszínen. Ez

162 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

rendkívül izgalmas, mivel az asztronómusok számításai szerint (10. fejezet) abban az időben napunk csak 75%-át produkálta mai energiatermelésének. Minden más tényezőt változatlannak tekintve ez azt jelenti, hogy történetének korai szakaszában bolygónk egy élettelen jéggolyó volt, jóval a víz fagyáspontja alatti átlaghőmérséklettel. S mivel a jég jó fényvisszaverő, a Nap fejlődésével és melegedésével sem változhatott sokat a helyzet, az extra hőmennyiség nem nyelődhetett el a felszín anyagaiban, hogy melegítse s megolvassza azt, hanem visszasugárzódott a jégborításról. Felmerül hát a kérdés, miként lehetett elég meleg a korai Föld ahhoz, hogy folyékony óceánok legyenek a felszínén, amelyekben aztán kifejlődhetett az élet? Majdnem bizonyos, hogy mindez az üvegházhatásnak köszönhető. Ennek révén egy bolygólégkör ugyanis képes arra, hogy magasabb felszíni átlaghőmérsékletet alakítson ki annál, mint ami egyébként légkör hiányában várható lenne. Az elnevezés alapja, hogy egy üvegházban hasonlóképpen melegebb a levegő, mint amilyen az üvegház nélkül lenne - bár az üvegház valójában egy kissé másként működik. A valódi üvegházak átlátszó burka szilárd határfelület, s ezzel képesek a bejutott hőmennyiség csapdába ejtésére. A napsugarak felmelegítik a talajt és minden mást is az üvegházban, hőjük átadódik a talajközeli levegőnek, amelynek mozgása minimális, és a határfelület miatt nem tud eltávozni az üvegházból. A légköri üvegházhatás esetén a Napból főként látható fény formájában érkező energia majdnem akadálytalanul hatol át az atmoszférán, és folyamatosan melegíti a szárazföldek, valamint a tengerek, óceánok felszínét, így ezek is energiát sugároznak ki, ám nagyobb hullámhosszakon, az infravörös tartományban (mivel jóval hidegebbek, mint a Nap felszíne). A légköri gázok, főként a szén-dioxid és a vízgőz pedig képesek az infravörös sugárzás jelentős részének felfogására. Így végeredményül az atmoszféra alsó rétegei felmelegszenek, áramlási rendszerek alakulnak ki bennük, működésbe hozva az időjárási folyamatokat. Nem sokkal összeállása után azonban a Föld tulajdonképpen csak egy légkör nélküli olvadt kőzetgolyó volt. Ám a kéreg képződése és a kőzetek hűlése folytán, vulkáni és tektonikus folyamatok során jelentős mennyiségű gáz jutott a bolygó belsejéből a felszínre, s megkezdődött a légkör kialakulása. Kezdeti összetétele biztosan megegyezett a tűzhányókból napjainkban kibocsátott gázokéval.

A VÁLTOZÁSOK SZELE • 163

Többek között vízgőzt is tartalmazott, amely kicsapódva a felszínre hullott, és létrehozta az óceánokat. Ezenkívül biztosan volt benne nitrogén és ammónia is, amelyet a napfény hidrogénre és további nitrogénre bontott szét. A hidrogén nagy része - alacsony molekuláris tömege miatt - távozott az űrbe, a nitrogén azonban stabil, ritkán reakcióba lépő és viszonylag nehéz gáz, ezért beépült a légkörbe, amelynek ma is 78%-át teszi ki. Továbbá jelentős mennyiségű szén-dioxid is volt az atmoszférában, amelynek egyik legfontosabb tulajdonsága, hogy hatékony üvegházhatású gáz. Az egykori szén-dioxid mennyiségét ismerjük, annak köszönhetően, hogy szinte teljes egészében megőrződött karbonátos kőzetek formájában, amelyek képződéséhez nélkülözhetetlen a vízben oldott szén-dioxid jelenléte (hasonlóan a sztalaktitok és sztalagmitok, vagyis a barlangi függő- és állócseppkövek fejlődéséhez). A jelenlegi légkör által a felszínre gyakorolt nyomás értéke pontosan egy atmoszféra, vagy másként egy bar, ám ha Földünk összes karbonátos kőzetének szén-dioxid-mennyisége a légkörbejutna, ez az érték 60 barra emelkedne. Figyelembe kell vennünk, hogy ez a hatalmas szén-dioxid-mennyiség nem egyidejűleg volt jelen a légkörben, múltbeli szerepe mégis kielégítő válasszal szolgál arra a kérdésre, hogy mitől lehetett elég meleg a korai Föld a víz létezéséhez még úgy is, hogy a Nap a jelenleginél hidegebb csillag volt. Kezdetben ugyanis a nagy mennyiségű szén-dioxid volt az, amely üvegházhatása által melegen tartotta a felszínt, ám később fokozatosan óceánok és tengerek alján formálódó üledékes kőzetekbe épült be, az üvegházhatás gyengülését eredményezve. Közben azonban a Nap egyre jobban melegedett, úgy formálva a Földet, hogy az alkalmassá lett az élet kihordására már több mint 3 milliárd évvel ezelőtt. Kozmikus szomszédaink esetén keresztül meg is vizsgálhatjuk e folyamat különböző állapotait, a légkör nélküli Holdra, a Vénuszra (a Föld belső bolygószomszédja) vagy a Marsra (a Föld külső bolygószomszédja) tekintve. Az égitesteket körülvevő légrétegek egyik alapvető hatása, hogy hőszállító folyamataik által kiegyenlítik a felszín hőmérsékleti különbségeit. A Holdon ez nem történhet meg, ezért a napsütötte oldal akár 100 °C-nál is forróbb lehet, miközben az éjszakai oldalon -150 °C körüli a hőmérséklet. Ugyancsak a légkör hiányával magyarázható Holdunk átlagosan -18 °C-os felszíne annak ellenére, hogy durván a Földdel azonos távolságra van a Naptól, te-

164 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

hát bolygónkéval megegyező hőmennyiséghez jut. Összehasonlításképpen a Földön +15 °C az átlaghőmérséklet, kb. 33 °C-kal több annál, ami légkör nélkül lenne várható. Vagyis az üvegházhatás annak ellenére is jelentős mértékű, hogy az atmoszférának csak 0,035%-a szén-dioxid (s hogy 150 éve még kevesebb, csupán 0,028%-a volt az, főként a fosszilis tüzelőanyagok felhasználásának és az ezzel járó szén-dioxid-kibocsátásnak az akkor még minimális aránya miatt). A valóságos mérésekkel egyező eredményt hozó számítások is azt mutatják, hogy a légköri vízgőz és széndioxid által okozott üvegházhatás kb. 35°C-kal emelheti bolygónk átlaghőmérsékletét ahhoz az állapothoz képest, amely légkör hiányában vagy üvegházhatással nem bíró nitrogénlégkör esetén alakulna ki. S hogy milyen mértékű üvegházhatást okozna egy 60 bar nyomású szén-dioxid-légkör? A kérdés igen ravasz, mivel sűrűbb atmoszféra esetén is ugyanannyi infravörös sugárzás hagyja el a Föld felszínét és nyelődik el a légköri gázok részecskéin. Vagyis egy foton, amelyet elnyelt egy szén-dioxid-molekula, nem tud elnyelődni még egyszer, akármennyi szén-dioxid-molekula áll is rendelkezésre. Ha adott feltételek mellett minden infravörös foton elnyelődik, hiába van jelen többlet szén-dioxid, semmit nem változtat a helyzeten. Viszont jóval azelőtt, hogy az elképzelt légköri nyomás elérte volna a 60 bart, biztosan sokkal vadabb volt az üvegházhatás, rendkívül forróvá változtatva bolygónkat. Pontosan ez történt a Vénuszon. Belső szomszédunk mérete majdnem megegyezik a Földével, ám közelebb van a Naphoz, így erősebb hősugárzás éri. Légkör nélkül 87 °C lenne a felszíni hőmérséklete, amely már minimális üvegházhatás mellett is 100 °C fölé emelkedne. Bár a Vénusz életútja hasonlóan indult Földünkéhez, a többlet-energia és a természetes üvegházhatás együttes eredményeként a felszín hőmérséklete soha nem volt annyira alacsony, hogy a víz folyékony formában kicsapódhatott volna a légkörből. így a bolygó belsejéből kigázolgott összes szén-dioxid a légkörben maradt, nem tudván beleoldódni az óceánok vizébe. Fokozódott az üvegházhatás, és a hőmérséklet tovább emelkedett, valamint lassan a Nap is melegedett. Ma a Vénusz felszíni hőmérséklete több mint 500 °C, ami jóval a víz forráspontja felett van. Mekkora a sűrű vénuszi légkör szén-dioxid-tartalma? Közelítőleg 60 atmoszférányi, vagyis a Föld ikerbolygójának belsejéből ugyanakkora mennyiségű

A VÁLTOZÁSOK SZELE • 165

szén-dioxid került a légkörbe, mint magából a Földből. A sorsdöntő különbség tehát a folyékony víz jelenlétében keresendő, mivel ennek hiányában a vénuszi szén-dioxid teljes mennyisége az atm o s z f é r á b a n maradt. Így lehetséges, hogy míg a Vénusz egy perzselő sivatag, addig Földünk egy kellemes hely az élet számára. A Mars, amely kisebb Földünknél, és távolabb is van a Naptól, csak egy vékony, szén-dioxidból álló légkörrel büszkélkedhet, s tulajdonképpen nem más, mint egy hideg, élettelen sivatag. A felszín legnagyobb részén a hőmérséklet minden éjjel -140 °C alá süllyed, s napközben is csak kevéssel emelkedik 0 °C fölé, ráadásul csak a déli féltekén, a nyári félévben. Mégis, a felszínen számos jele látható annak, hogy egykor, a bolygó múltjában folyékony víz alakította formakincsét. Ma úgy gondoljuk, hogy kezdetben a Mars is a földihez hasonló fejlődési útvonalon haladt, kellően hatékony üvegházhatással ahhoz, hogy a felszíni hőmérséklet egész évben 0 °C feletti lehessen. Ám kis mérete miatt (tömege nem sokkal több, mint a földtömeg egytizede) gravitációs vonzása túl gyenge volt ahhoz, hogy megtartsa légkörét, ezért annak nagy része elszökött az űrbe. A kis tömeg további következménye, hogy ezt követően nem is tudott pótlódni a légkör, mivel a bolygó kevés belső hőtartaléka is gyorsan kimerült, ez pedig a tektonikai folyamatok, valamint a hozzájuk kapcsolódó vulkáni tevékenység és szén-dioxid-produkció hiányával járt. A Mars jelenlegi üvegházhatása tehát csak halvány emléke egykori önmagának. Ezzel magyarázható, hogy míg külső szomszédunk ma egy fagyott sivatag, nálunk virágzik az élet. A Föld kezdeti légkörének tehát alapvető szerepe volt bolygónk lakhatóvá tételében. Az egyre jobban terjeszkedni és fejlődni képes élet pedig hamarosan vissza is hatott az atmoszférára. A fotoszintézis napenergia által hajtott kémiai reakciói során összetett szerkezetű szénhidrátok jönnek létre szénből, hidrogénből és oxigénből (korábbi szóhasználattal élve ezek az anyagok előrehaladtak a kémiai energiaszinteken). Az első fotoszintetizáló baktériumok hidrogén-szulfidból nyerték a hidrogént (ezért gondolja sok szakember, hogy a földi élet vulkáni hasadékok hőfeltöréseinek környezetében alakult ki), szénés oxigén-szükségletük forrása pedig szén-dioxid volt. Mivel ezek az organizmusok vízben éltek, csak oldott szén-dioxidot hasznosíthattak, további légköri szén-dioxid óceánba oldódását segítve

166 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

elő. Hosszú távon mindez stabil környezeti feltételekhez vezetett, a túlzott mértékű üvegházhatás veszélye nélkül. Később elterjedt a fotoszintézis egy másik, klorofillra és vízbontásra épülő típusa, lehetővé téve a növényi szervezetek ma ismert működését. Ezek a napenergiát vízből történő hidrogén-előállításra használták, s függetlenek voltak a hidrogén-szulfidtól. Ám mivel az oxigént továbbra is szén-dioxidból nyerték, a hidrogénért elbontott vízmennyiség oxigénje melléktermékként felhalmozódott. Végül természetesen az atmoszférába került, így lassan, de jelentős mértékben megváltoztatta annak összetételét. Az oxigén igen reakcióképes anyag, amely oxidációs folyamatok során rendkívül sokféle elemmel kapcsolódhat össze (az égés a gyors, a rozsdásodás pedig a lassú oxidációs folyamatok ismert példái). Bár a fotoszintetizáló élőlények számos különböző anyagot bocsátottak ki, amelyekkel a veszélyesen reaktív oxigén kombinálódhatott, leginkább mégis vas-ionokhoz kapcsolódott hozzá, vizes környezetben. Ennek eredményei a sekélytengerekben kialakult hatalmas vasoxid-telepek, amelyek kora 1,5-2,5 milliárd év közötti. Ha azóta felszínre kerültek, hematit nevű ásványukat bányásszák is, például Ausztrália nyugati részén, a Labrador-félszigeten vagy Ukrajnában. Később e fotoszintetizáló szervezetekben kifejlődtek bizonyos enzimek, amelyek megvédték őket az oxidációtól. így képessé váltak felhalmozódó oxigénjük környezetbe bocsátására anélkül, hogy vasvegyületek formájában kellett volna eltárolniuk azokat. Ennek azonban katasztrofális következményei voltak az ilyen védekezési eszközzel nem rendelkező élőlények számára, a rájuk ható oxidációs folyamatok fokozódása miatt. Bár lágy, egysejtű szervezeteik nem őrződhettek meg kőzetekbe zárt fosszíliák formájában, mégis biztosak lehetünk abban, hogy a földi élővilág történetének egyik legnagyobb kihalási eseménye zajlott le, amikor a fotoszintetizáló organizmusok e harmadik generációja elterjedt bolygónkon (ami mintegy kétmilliárd éve történhetett). Hiszen a légkör oxigénnel való „szennyezésének" következményeként számtalan, korábban versenytársnak számító élőlény életfeltételei szűntek meg, teret hagyva az oxigént kibocsátani képes fajok számára. Ez az oxigén aztán reakcióba lépett a légköri gázokkal is, metánnal kombinálódva szén-dioxidot és vizet hozott létre, illetve a vulkáni tevékenységből származó szabad hidrogénnel való összekapcsolódása ugyancsak

A VÁLTOZÁSOK SZELE • 167

vizet eredményezett. Miután pedig minden anyag elfogyott, amelyekkel az oxigén reagálni tudott, elkezdett felhalmozódni a légkörben. Végül, kb. egymilliárd éve a Föld atmoszférájának összetétele elkezdett hasonlítani a most belélegzett levegőére, amelynek 78%a nitrogén, 21%-a oxigén és az összes többi alkotórész (köztük a szén-dioxid is) alig 1%-ot tesz ki.1 A szabad oxigén felhalmozódása rendkívül előnyös volt az állati szervezetek számára is, mivel belélegzése után, pl. hidrogénnel vagy szénnel keverve olyan lassú égési folyamatokat indított be, amelyekből kinyerhető volt az életműködéshez szükséges energia. Vagyis az állatok jelentős mennyiségű oxigént belélegző és kémiai energiát hasznosító életmódja csak az ehhez szükséges mennyiségű légköri oxigén felhalmozódását követően terjedhetett el. A légzés, ahogy ezt az oxigén-égetési folyamatot egyszerűen nevezni szoktuk, akkora előnyt jelentett minden korábbi energiaszerzési módszerhez képest, hogy az egysejtű élet másfélmilliárd éve után alig százmillió év leforgása alatt megjelentek az első többsejtű állatok az evolúció színpadán. Mindez nem egészen kétmilliárd évvel ezelőtt történt. Sikerük titka abban rejlik, hogy a légzéssel gyorsan és könnyen juthatnak kémiai energiához - ám ez kizárólag azért lehetséges, mert a fotoszintetizáló növények a napfényből történő energianyerés lassabb és bonyolultabb útját járják, miközben szabad oxigént is termelnek. (Igazán figyelemre méltó, hogy a mai növények a fotoszintetizálás mellett lélegeznek is, de nem a fotoszintézis során képződő saját oxigénjüket hasznosítják, hanem azt továbbra is kibocsátják és saját oxigénszükségletüket a légkörből elégítik ki. Szép példa ez az evolúció egyik alapelvére, amely szerint egy már létező fejlődési vonal tagjai alapvető átalakulások helyett csak meglévő adottságaikhoz mérten, lassú alkalmazkodással idomulhatnak a változó környezethez.) A szárazföldi élet felbukkanása ugyancsak a légkör oxigéntartalmának köszönhető, de teljesen más okok miatt. Amíg nem volt oxigén a légkörben, addig a Napból érkező mindenfajta sugárzás elérte a földfelszínt. Ennek pedig jelentős része az ultraibolyasugárzás életre káros hullámhossz-tartományába esik. (Az ultra1 Ám ne feledjük, hogy mintegy 60 légkörnyi szén-dioxidot rejtenek a földi karbonátos kőzetek, vagyis figyelembe véve a Föld belsejéből kigázolgott anyagok teljes mennyiségét, jelenlegi légkörünk csupán 1,6%-a a vénuszi fejlődési útra jellemző értéknek.

168 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

ibolya-sugárzás fotonjai képesek a DNS-molekula kémiai kötéseinek szétroncsolására, s így rákos megbetegedést idézhetnek elő ezért okozhat az ultraibolya-sugárzás bőrrákot is.) Ám szerencsére az ultraibolya-sugárzás részecskéi a légköri oxigénnel is reagálnak, amelynek eredményeként háromatomos oxigénmolekulák, másként ózonmolekulák jönnek létre (alapesetben kétatomos oxigénmolekulákból) 2 A folyamat lényege, hogy az ultraibolya-sugárzás atomokra szakítja a normál molekuláris oxigént, így az oxigénatomok molekulákhoz kapcsolódhatnak hozzá. Végeredményeként az atmoszféra 15 és 50 km közötti magasságában, a sztratoszférának nevezett rétegben egy ózonban dúsabb szint alakul ki. (Senkit ne tévesszen meg ez a tág magassági tartomány, fontos ugyanis figyelembe venni a sztratoszféra rendkívül alacsony légsűrűségét, amelyet jól érzékeltet, hogy a teljes légköri ózonmennyiség a tengerszinten csupán három milliméter vastagságú réteget képezne!) Az ózon maga is elnyeli az ultraibolya-sugarakat, amelynek hatására atomos és molekuláris oxigénre esik szét, vagyis az ózon képződése és bomlása dinamikus egyensúlyban van - hasonlóan egy fürdőkádhoz, amelybe folyamatosan víz folyik a nyitott csapból, de mivel a dugó nincs bedugva, a víz szintje nem emelkedik tovább egy egyensúlyi értéknél, miközben újabb és újabb vízmolekulák érkeznek a korábbiak helyére. Az élet tehát csak a védelmet nyújtó ózonréteg kialakulása után léphetett ki a szárazföldre, amelyet később persze már saját maga tartott fenn, a növényi fotoszintézis által (annak ellenére, hogy a légzés és más oxidatív folyamatok, pl. erdőtüzek jelentős mennyiségű oxigént használnak el a légkörből). A 20. század végére azonban komoly aggodalmak merültek fel azzal kapcsolatban, hogy egyes ipari tevékenységhez kapcsolódó, természetes úton sehol nem keletkező gázok (CFC-k) kibocsátása jelentős mértékben ké2

Annak oka, hogy miért a kétatomos molekula az oxigén normál formája, a kvantumrezonanciákban keresendő, hasonlóan a karbonát-ion 4. fejezetben bemutatott esetéhez. Ha egy oxigénatom elektront ad át egy másik oxigénatomnak, marad egy egységnyi pozitív töltése és öt külső elektronja. Így három kovalens kötés kialakítására képes: egyre azzal az atommal, amelyiknek átadta elektronját, és amelynek így hét külső elektronja van, valamint kettőre egy normál oxigénatommal. A rezonanciák okozzák, hogy minden oxigénmolekulán belüli kötés másfél normál kötésnek felel meg, a kvantumrezonanciák nélkül tehát nem létezhetne ózonréteg és sok más dolog, többek között mi sem!

A VÁLTOZÁSOK SZELE • 169

pes károsítani az ózonréteget. Ezek a gázok ugyanis rendkívül közömbösek, így szinte semmilyen felszínközeli folyamat nem hat rájuk, nem pusztítja el őket, lehetővé téve lassú feljutásukat a sztratoszférába. Ott pedig az ultraibolya-sugárzás hatására elbomlanak (ez is jelzi az ultraibolya-sugárzás pusztító erejét), és az ózont lebontani képes klór képződik belőlük. A közismert ózonlyuk az Antarktisz, illetve az Északi-sark felett is a légkörbe került CFC-k következménye. Bár e káros anyagok kibocsátása mára szerencsére jelentősen csökkent, már olyan nagy mennyiség került belőlük a légkörbe és mozog a sztratoszféra felé, hogy akkor is több évtizedig tart majd az ózonlyuk regenerációja, ha minden CFC-kibocsátás azonnal megszűnne. Ahogy korábban már volt szó róla, az élőlények visszahatása a légkörre, a légkör jelenlegi gázösszetételének fenntartására teljesen nyilvánvaló. Ennél talán meglepőbb, hogy ilyen visszacsatolási mechanizmus a földi élet, illetve bolygónk tektonikai folyamatai között is kimutatható. Ennek lényege, hogy a légköri szén-dioxid oldódik az esővízben, szénsavat hozva létre, amely hatékonyan képes a kalcium-, szilícium- és oxigéntartalmú kőzetek (röviden kalcium-szilikátok) oldására. A felszabaduló kalcium- és hidrogénkarbonát-ionok (olyan karbonát-ion, amelyhez egy hidrogénatom is kapcsolódik) végül a világtenger vizébe jutnak, ahol planktonikus élőlények kalcium-karbonát anyagú vázába épülnek be. Később, az élőlények halála után meszes vázuk az óceánok alján felhalmozódik, és karbonátos üledékek képződnek belőlük. Ezzel párhuzamosan a légköri szén-dioxid mennyisége folyamatosan csökken. Ám a kőzetlemez-mozgások következtében az említett üledékekkel fedett óceáni lemezek lassan a vastagabb kontinentális lemezek alá buknak, s egyre mélyebbre jutva megolvadnak. A körfolyamat utolsó lépéseként, magas hőmérsékleti és nyomásviszonyok között új szilikátos kőzetek képződnek belőlük, miközben a felszabaduló szén-dioxid vulkánkitörések során talál utat magának a felszín felé. A bemutatott körforgás időtartama természetesen csak geológiai skálán mérhető, de különböző adatok azt jelzik, hogy időben egyenletesen zajlik, mivel az utóbbi néhány évezred vulkáni széndioxid-produkciója közelítőleg azonos mértékű volt, amely hosszú távon elegendő a légköri szén-dioxid geológiai és biológiai folyamatok miatti csökkenésének pótlására. De mi történik akkor, ha

170 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

megváltozik bolygónk átlaghőmérséklete? Hőmérséklet-csökkenés esetén kevesebb víz párolog el az óceánok felszínéről, kevesebb csapadék képződik, kisebb mértékű a kőzetek mállása, tehát kevesebb szén-dioxid kerül ki a légkörből. Változatlan vulkáni gázprodukcióval számolva ez azt jelenti, hogy nő a légkör szén-dioxid koncentrációja, erősítve az üvegházhatást és a felmelegedést. Ez pedig növeli a párolgást és a csapadékmennyiséget, amíg újra elő nem áll az egyensúlyi helyzet. Hasonlóképpen, ha valamilyen ok miatt megnőne bolygónk átlaghőmérséklete (pl. felerősödne a Nap sugárzása), a növekvő mennyiségű csapadék hatására fokozódna a kőzetek mállása, ami több szén-dioxidot vonna ki a légkörből, lecsökkentve az üvegházhatást. Jó példája ez a negatív visszacsatolási mechanizmusoknak, amelyek stabilizálják a földi környezeti feltételeket. A Nap hőmérsékletének emelkedése végeredményben a légköri üvegházhatás csökkenéséhez vezet. S nem lehet véletlen, hogy az életnek fontos szerep jut ebben az alapvetően geológiai stabilizációs folyamatban. Bolygónk éghajlatának és a földi életnek a fejlődése annyira szoros kapcsolatban áll egymással, hogy néha az éghajlat és az élet közös evolúciójaként értelmezik ezt a jelenséget. James Lovelock még tovább merészkedett, amikor azt állítja, hogy a legjobban úgy érthetjük meg bolygónk működését, ha azt egy hatalmas élőlényként kezeljük, amelynek a geológiai és biológiai folyamatok egyaránt részét képezik. Ezt az organizmust Gaiának nevezte el. Bár elméletét az 1970-es években alkotta meg, még ma is komoly tudományos viták tárgyát képezi. Mégis, anélkül hogy szó szerint értelmeznék bolygónk élőlény voltát, a planetáris tudományok szakemberei úgy találták, Lovelock megközelítése azáltal, hogy a biológiai folyamatokat is figyelembe veszi a geológiai és éghajlati mechanizmusok vizsgálata során, rendkívül hasznos szemléletmód annak megértéséhez, hogy bolygónkon miként alakulhatott ki a környezeti feltételek ilyen mértékű összehangoltsága és egyensúlya. Ma már kétségek nélkül állíthatjuk, hogy a Gaia-hipotézis gyengébb formájában bizonyosan megállja a helyét, vagyis hogy nem pusztán a fizikai környezet van hatással a földi életre, hanem geológiai időskálán mérve az élet is befolyásolja a fizikai környezetet, általában a „saját maga számára" minél kedvezőbben alakítva azt. Az élő és élettelen közötti rejtélyes kapcsolat egyik legfonto-

A VÁLTOZÁSOK SZELE • 171

sabb eleme a szén-dioxid körforgásának egyensúlya, amelyet az emberi tevékenység egyre jobban veszélybe sodor - akár a fosszilis energiahordozók kitermelése és elégetése, akár a trópusi esőerdők kivágása által, amely beavatkozások jelentősen növelik a légköri szén-dioxid mennyiségét. Ez pedig könnyen felboríthatja bolygónk természetes hőszabályozását. 3 Mielőtt egy kicsit részletesebben megvizsgáljuk az emberi (másképpen antropogén) üvegházhatás jellemzőit, talán hasznos lehet egy gyors pillantást vetni az emberi beavatkozások előtti éghajlati adottságokra. Korábban már volt róla szó, hogy Földünk éghajlatát hogyan befolyásolták a kontinensvándorlás lassú folyamatai, főként hogy a jégkorszakok akkor alakultak ki, amikor szárazföldek kerültek legalább az egyik, vagy mindkét pólus térségébe. Most viszont bolygónk néhány millió évvel ezelőttől máig tartó időszakára próbálunk koncentrálni, amelynek során, az evolúciós folyamatok eredményeként megjelent a homo sapiens. Az időjárás fő hajtóereje természetesen a Nap, ám a belőle érkező energia először nem a légkör tetején, hanem alsó részén fejti ki hatásait. A napsugárzás nagy része ugyanis akadálytalanul halad át a légkörön, s a földfelszínt kezdi melegíteni. Majd ez a melegedő felszín (szárazföld vagy óceán) adja át hőjét a légkör alsó rétegeinek, így ezek a legmelegebb részei atmoszféránknak, amelyben a hőmérséklet felfelé haladva fokozatosan csökken. A felszíni átlag 15 °C, ám ez az érték gyorsan csökken, és a troposzféra tetején, kb. 15 km-es magasságban már csípős hideg, mintegy -60 °C van. A sztratoszférában függőlegesen emelkedve a hőmérséklet újra növekedni kezd, főként az ózonréteg miatt, mivel itt történik a Nap ultraibolya-sugárzásának elnyelődése. Tehát a sztratoszféra felső határán, kb. 50 km-rel a tengerszint felett, a levegő hőmérséklete 0 °C körüli értéket vesz fel. Majd következik a mezoszféra, amely kb. 80 km-es magasságig tart, s benne újra csökken a hőmérséklet. Még magasabban, az egyre ritkuló gázok molekulái a Napból származó töltött részecskékkel, valamint az űrből érkező kozmikus sugárzással állnak kapcsolatban, ez a környezet tehát szinte egyáltalán nem hasonlít a légkör felszínközeli viszonyaira. 3 Mivel a Földön kifejlődött élőlények vagyunk, kedeteink is természetesnek tekinthetőek, de a megkülönböztetés ez esetben sajnos indokolt.

172 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

Az időjárási folyamatok szempontjából a troposzférának, valamint a felette lévő sztratoszférának van jelentősége. A sztratoszféra bizonyos szempontból olyan, mint egy fedőréteg a troposzférán, mert a magassággal együtt a hőmérséklet is növekszik benne. A közhelynek számító mondás, hogy „a meleg levegő felemelkedik", csak abban az esetben igaz, ha az emelkedő meleg levegő felett lévő közeg is hidegebb annál. A napsugárzás hatására tehát, amely a földfelszínt melegíti fel először, a légkör melegebb, alsó rétegei felfelé indulnak, át a troposzférán, miközben kitágulnak és lehűlnek. Így természetes, hogy nem juthatnak fel a sztratoszférába, ahol a hőmérséklet magasabb, mint a troposzféra felső részén. 4 A Napból érkező sugárzás mennyisége a trópusi övezetben a legnagyobb, ahol a Nap delelési magasságai a legnagyobbak. Magasabb szélességeken a Nap nem emelkedik ennyire a horizont fölé, ezért a besugárzott hőmennyiség kisebb. Ugyanezen összefüggéssel indokolható az a minden szélességen tapasztalható jelenség is, hogy reggel és este közel sincs annyira meleg, mint délben, amikor a Nap legmagasabb helyzetében jár az égen. Az ok igen egyszerű: alacsonyabb beesési szög esetén egységnyi besugárzás nagyobb területet fed le. Könnyen kipróbálható ez akár egy elemlámpa és egy kartonpapír segítségével is. Ha a lámpa fénye merőlegesen esik a lapra, egy kisméretű, de fényes folt válik láthatóvá. Ám minél meredekebb szögben döntjük meg a lapot, a folt annál elnyúltabb és halványabb lesz, mivel ugyanannyi fénysugárzás most nagyobb területen oszlik el. A trópusokon - pontosabban az egyenlítői övben - felszálló meleg levegő igen nedves, jelentős mennyiségű vízgőz-tartalma miatt, amely a térség óceánjainak felszíni párolgásából származik. A felfelé történő mozgás közben ez a vízgőz-tartalom kicsapódik és visszahull a felszínre, kialakítva a trópusok jellemzően nedves éghajlatát. A felfelé áramló légtömegek a troposzféra felső részében végül távolodni kezdenek az Egyenlítőtől, lehűlnek, s újra a felszín felé veszik útjukat. A leszálló légtömegek pedig fokozatosan melegszenek, a mögöttük érkező (felettük lévő) levegő 4

Ez az oka annak, hogy nagy mennyiségű, egységes légtömegek ugyan nem juthatnak túl a troposzférán, egyedi molekulák viszont átléphetik felső határát. Ezt diffúziónak nevezünk, ami révén az ózont pusztító CFC-molekulák is behatolnak a sztratoszférába.

A VÁLTOZÁSOK SZELE • 173

nyomása miatt - hasonlóan a biciklipumpák melegedéséhez, amely szintén a kerékbe préselés céljából kifejtett nyomóerő miatt melegszik fel. A melegedő levegő relatív páratartalma pedig csökken, ezért az egyenlítői övre szimmetrikusan sivatagi zónák alakulnak ki - amelyre a legjobb példa talán a Szahara. A leereszkedett légtömegek egy része újra az Egyenlítő felé indul (miközben páratartalmuk emelkedik), kialakítva a passzátszeleket. Fennmaradó részük a légkör más cirkulációs celláiba kerül, amelyek együtt v a l ó s í t j á k meg a trópusok felől a pólusok felé történő globális hőszállítást, s felelősek a magasabb szélességek uralkodóan nyugati szélirányáért is (ezért uralják például Nagy-Britannia éghajlatát az Atlanti-óceán felől érkező légtömegek). Az éghajlat tulajdonképpen nem jelent mást, mint egy terület átlagos időjárását, amely hosszú időszakot tekintve is jellemző a térségre. Természetes azonban, hogy az éghajlat folyamatosan változik, bármely időskálán is vizsgáljuk állandóságát, mivel az időjárást befolyásoló tényezők is egyfolytában módosulnak, akár évről évre is. Mégsem tekintünk úgy ezekre a jelenségekre, mintha éghajlatváltozások lennének. A Föld lényegében egy óriási kőgolyó, felszínén egy vékony légkörrel és vízburokkal, amely mindennap megfordul saját tengelye körül, és minden évben megkerüli a Napot. Ám forgástengelye (az északi és a déli pólust összekötő képzeletbeli vonal) szöget zár be keringési síkjával, amely szög értéke éves skálán mérve nem változik, s a tengely vége mindig ugyanabba az irányba mutat. Fontos azonban látni, hogy a csillagunk körüli keringés során bolygónk a Nap egyik, hat hónappal később pedig a másik oldalán jár. Tehát a forgástengely északi vége hol a Nap felé, hol pedig a Nappal ellentétes irányba dől, s ennek fordítottja igaz a tengely déli végére is. Így a Nap felé eső félteke többlet-meleghez jut, a másik pedig lehűl, a napsugárzás beesési szögének már részletezett következményei miatt. Mindezt figyelembe véve könnyen érthető az évszakok váltakozása a Földön, továbbá az is, hogy miért látjuk nyáron magasabban a Napot az égen, mint a téli időszakban. Éves hosszúságú időszakokat vizsgálva úgy tekinthetünk tehát a Föld tengelyferdeségére, mint amelynek értéke állandó, ám bolygónk valójában pörgettyűként imbolyog forgása közben, mint egy búgócsiga. Érzékletesen ez azt jelenti, hogy ha a forgástengely bármely végpontját továbbvetítjük az égre, az egy körpályát rajzol ki a

174 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

csillagok között. Az imbolygás legfőbb okát a Nap és a Hold gravitációs vonzása jelenti, amelyek tulajdonképpen folyamatosan rángatják bolygónkat. A jelenség neve precesszió, amely sokkal lassabban zajlik, mint az évszakok váltakozása a Földön, a forgástengely égre vetített végpontja több mint húszezer év alatt tesz meg egy teljes kört. A precesszió fontos következménye, hogy a forgástengely irányával együtt változik a csillagok égi helyzete is - természetesen csak a Földről nézve. További hatás az évszakok kezdetének lassú eltolódása és persze az is, hogy például tízezer éve a tájékozódásra, illetve az északi irány közelítő kijelölésére használatos Sarkcsillag igen távol esett volna a földi észak irányától. Emellett a Föld tengelyferdesége is finoman változik, amelynek mértéke Newton törvényei alapján könnyen kiszámítható. A függőlegestől való eltérés 21,8 fok és 24,4 fok közötti lehet, amely érték periodikusan alakul, mintegy 41 ezer évenként ismétlődve. A tengelyferdeség jelenlegi értéke 23,4 fok, és a változás iránya lassú csökkenés. Minden mást változatlanul figyelembe véve ez azt jelenti, hogy napjainkban kisebb mértékű a különbség az éghajlat nyári és téli szélsőségei között, mint amekkora néhány ezer éve volt. A nyarak valamivel hűvösebbek, a telek pedig kissé enyhébbek, mint amilyenek akkor lehettek. Végül, harmadik csillagászati hatásként nyilvánulnak meg a földi éghajlat szempontjából a Nap és a bolygók gravitációs erői is azáltal, hogy módosítják a földpálya elnyúltságát. Ezért bolygónk hol elliptikusabb, hol pedig a körhöz közelebb álló pályán halad a Nap körül. Az elnyúltság változása százezer évnél valamivel hosszabb periódusok szerint zajlik. A következmények igen egyszerűek: ha a pálya közel áll a kör alakhoz, a Föld napi energiabevételei egész évben közel azonosak. Ám minél elliptikusabb a keringés, az éven belüli szélsőségek annál nagyobbak, s ha a Föld közel van a Naphoz, jelentősen több besugárzás éri, mint az év azon szakaszában, amikor pályája Naptól távol eső részeit járja be. Mindezek ellenére hangsúlyozni kell, hogy az év során a Napból a teljes földfelszínre érkező összes energiamennyiség állandó. Ezek a folyamatok tehát a teljes bolygó szempontjából kizárólag az energiabevétel időbeli eloszlását változtathatják meg. Mégis lehetséges, hogy e kis hatások jelentős mértékben módosítsák bolygónk éghajlatát, jelenlegi földrajzi képe miatt. A Föld történetében különleges helyzet, hogy jégsapka fedi be mindkét

A VÁLTOZÁSOK SZELE • 175

pólus térségét. Többször előfordult már, hogy valamelyik pólus egy kontinens (napjainkban épp az Antarktisz) területére esik, amely megakadályozza, hogy az alacsonyabb földrajzi szélességek nyílt víztömegei eljussanak a pólus közelébe, s így ott jég halmozódhat fel. Az északi jégsapka esete azonban különleges, talán egyedinek is nevezhető bolygónk történetében. Az északi jégképződésnek ugyancsak fontos feltétele, hogy a térség földrajzilag el legyen zárva a délebbi, melegebb vizektől a Jeges-tengert majdnem teljesen körülvevő szárazföldek által. Ám itt nem kontinensfelszínt fed be a jégsapka, hanem tulajdonképpen a tenger vizén úszik. Ezért az északi félteke különösen érzékeny a leírt csillagászati jellegű változások, főként a forgástengely-kilengések hatásaira. A csillagászati okokra visszavezethető éghajlat-ingadozások lehetőségét először Scot James Croll írta le az 1860-as években, amelyet később a jugoszláv Milutin Milankovics finomított tovább, ezért gyakran Milankovics-elméletnek is nevezik. Valódi modellé csak az 1970-es években válhatott, amikor a számítógépek fejlődése már lehetővé tette az elmélet számításainak nagy részletességű elvégzését, az utóbbi néhány százezer évre vonatkozóan. A tudományos erejű igazolás pedig mélytengeri üledékekből vett kőzetminták segítségével volt lehetséges, amelyek dokumentálják a geológiai múlt éghajlatváltozásait s az ezekből kiolvasott adatok nagyon jól egyeztek a modellszámítások eredményeivel. Az elmélet és a megfigyelések alapján azt mondhatjuk tehát, hogy a Föld jelenlegi helyzetében (a kontinensek napjainkban jellemző elhelyezkedése mellett) akkor alakulnak ki jégkorszakok, ha az északi félteke nyarai hűvösebbek az átlagosnál. Ez elsőre talán furcsán hangzik, hiszen ahogy láttuk, a hűvös nyarak a szokásosnál enyhébb telekkel járnak együtt. Az északi féltekén történő jégfelhalmozódásnak és előrenyomulásnak azonban biztosan elengedhetetlen feltételét jelentik a hideg telek és az intenzív havazás - hangzik a logikus feltételezés. Ám nem szabad elfelejteni, hogy a Földre jutó energiamennyiség éves szinten állandó. Vagyis a hideg telek forró nyarakkal járnak együtt, amelyek az átlagosnál nagyobb mértékű hóolvadáshoz vezetnek. Továbbá fontos figyelembe venni, hogy a Föld mai állapotában minden feltétele adott a téli hóhullásnak az északi poláris régióban. Így könnyen belátható, hogy a hófelhalmozódás kulcsát az enyhe nyarak jelentik, amikor a télen

176 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

hullott hócsapadék csak részben olvadhat el, s évről évre növekedhet a megmaradt hó, illetve a hóval fedett területek mennyisége. Ám mindez nem tartana túlságosan hosszú ideig, ha nem indulnának be további folyamatok. A nagyobb régiókra kiterjedő jégborítás ugyanis megnöveli a felszínről visszaverődő besugárzás arányát, amely alapesetben melegítené a bolygót. Így a következő év telén a felszín hűvösebb, mint különben lenne, s a friss hó könnyebben megmaradhat rajta. A természetes egyensúly tehát igen gyorsan felborul, ezért ha a Milankovics-elméletben leírt feltételek adottak, bolygónkon hirtelen, már néhány száz év vagy egy évezred során kialakulhatnak jégkorszakok. Az ellentétes folyamat, a felmelegedés és visszatérés a jégkorszakok közötti normálisnak nevezhető feltételekhez sokkal lassabban zajlik, akár több ezer évig is tarthat, a jégmezők már említett nagyobb arányú sugárzás-visszaverése miatt. Az eddigiekben leírt folyamat természetesen hangzik azok számára, akik a jelenlegihez hasonló, viszonylagosan meleg periódusban élnek a Földön. Ám bolygónk mostani állapotában a jégkorszak tekinthető normálisnak, az pedig csak a mi szerencsénk, hogy a Milankovics-féle periódusoknak éppen olyan szakaszában vagyunk, amikor a viszonylagosan nagy mennyiségű sugárzás egy kis enyhülést tesz lehetővé a globális éghajlatban, s jelentősen visszaszoríthatja az északi területek jégborítását. Nem szabad azonban elfelejteni, amit korábban már említettünk, hogy a nyarak egyre hidegebbek a Földön. A három említett csillagászati tényező eltérő mértékben és másmás periódus szerint módosítja bolygónk éghajlatát, ezért a változások nem szabályosan ismétlődnek. Durva közelítéssel élve mégis azt mondhatjuk, hogy az utóbbi ötmillió év során valamivel hosszabb, mint százezer éves jégkorszakok váltakoztak rövidebb, tíz-húszezer évig tartó melegebb szakaszokkal, amelyeket interglaciálisnak neveznek. Jelenleg is egy ilyen interglaciálisban élünk, amely tíz-tizenötezer éve kezdődött. Azonban abból, hogy jég található mindkét pólus térségében, amely a Föld teljes történetét tekintve igen különleges állapot, jól látszik, hogy bolygónkon még mindig hidegebb van, mint a hosszú távú átlag. Tovább gondolkodva, nem lehetetlen, hogy ez az interglaciális teremtette meg jelenlegi civilizációnk kialakulásá-

A VÁLTOZÁSOK SZELE • 177

nak feltételeit, amelyről tudjuk, hogy az utóbbi tizenötezer éven belül indult fejlődésnek. Elképzelhető ugyanis, hogy a szárazság indította el őseinket Kelet-Afrika erdőiből más vidékekre, s ezzel együtt az emberré válás útján is. Ez pedig úgy függ össze a megnövekedett földi jégborítással, hogy a vízkörforgásból kifagyó jég csökkenti az elérhető vízmennyiséget, illetve hogy az alacsonyabb átlaghőmérséklet miatt kisebb mértékű az óceánfelszínek párolgása, így csak kevesebb csapadék hullhat a szárazföldekre. Attól az időszaktól tehát, amikor a jégkorszakok és interglaciálisok ritmikus váltakozása kialakult, őseink életformája kényelmessé és persze sikeressé vált Kelet-Afrika fás és füves szavannaterületein, amelyről a fosszíliák is tanúskodnak. Majd megkezdődött a különböző időszakok azóta tartó s a földtörténetben egyedinek tűnő egymásra következése. A jégkorszakok elején az erdőket aszály sújtotta, visszaszorultak, a füves puszták szárazsága pedig fokozódott. Ezek a változások fontos lépéseit jelenthették a természetes kiválogatódásnak, hiszen számos, kis alkalmazkodóképességű faj számára kemény és végzetes feltételeket jelentettek, míg mások életben maradtak. Az interglaciális időszakokban viszont a melegedés és az éghajlat nedvesebbé válása miatt a növényzet megújult, így a nehezebb időszakok „nyertesei", túlélői a kedvezőbb feltételek között gyorsan elterjedhettek. A száraz időszakokat tehát csak a legalkalmasabbak élték túl, így utódaik a következő nedves periódusban elterjedtek. Ilyen feltételek mellett az evolúciós alkalmazkodás két útja látszik járhatónak őseink számára. Az egyik lehetőség minél jobban alkalmazkodni az erdei életmódhoz, s visszahúzódni a száraz időkben is megmaradó erdők belső részébe. Ez a fejlődési vonal vezet el a mai csimpánzokhoz és gorillákhoz. A másik, szinte ellentétes utat a száraz pusztákhoz való minél jobb alkalmazkodás jelenti, amelyek területe minden száraz periódusban kiterjedt. Ahogy az az evolúciós fejlődés során gyakran megtörtént, itt is a korábban kevésbé sikeres élőlényeknek jutott a nehezebb feladat, akik kiszorultak a zsugorodó erdőkből, és kénytelenek voltak a pusztákon boldogulni, legjobb tudásuk szerint. Ha a szárazság például egymillió évig tartott, a puszták „kényszerlakói" akár teljesen ki is halhattak. Ám százezer eves száraz periódusok esetén, az esők visszatérése után a szavannák túlélőinek esélye nyílt az átrendeződésre és a szaporodásra,

178 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

akárcsak egy hadsereg tagjainak, akik mindig visszavonulhatnak a frontvonalról egy kis pihenésre az újabb csata előtt. Nyilvánvaló, hogy ilyen körülmények között, ahol a változó feltételekhez való alkalmazkodás képessége a túlélés kulcsa, az intelligencia fejlődése különleges mértékű lehetett. A fosszíliák mellett persze más is alátámasztja ezt a bevallottan spekulatív, mégis hihető elképzelést. Fontos felismerés, hogy az emberi DNS több mint 98%-ban megegyezik a csimpánzok és a gorillák DNS-állományával (továbbá hogy két emberi lény DNS-e 99,8%-ban azonos). Vagyis csak kb. 1%-nyi genetikai anyagunk tesz bennünket emberré, a többi 99% pedig az emberszabású majmokkal rokon. Molekuláris biológiai módszerekkel meghatározható, hogy milyen mértékű változásokon esett át a DNS az elmúlt generációk során, továbbá különböző rokonságú élőlények DNS-ének bizonyos azonosságai alapján az is, hogy mikor élt az a közös ős, amelyben a közös tulajdonságok megjelentek. Saját fajunk és az afrikai emberszabású majmok közötti különbségek alapján úgy tűnik, hogy egy közös ős után háromfelé ágazott az evolúciós fejlődés vonala, mintegy ötmillió évvel ezelőtt. Ez hozzávetőlegesen egybeesik azzal az időponttal, amikor az általunk normálisnak ismert, de a földtörténetben különlegesnek nevezhető éghajlati körülmények kialakultak. Az időpont annyira a közeli múltba esik, hogy a közös ős inkább nevezhető emberszerűnek, mint majomszerűnek, amely leginkább felegyenesedett járásában nyilvánulhatott meg. A csimpánz és a gorilla pedig az erdei életformához való, szárazság miatti alkalmazkodás kényszerétől vált olyanná, amilyennek ma ismerjük őket. Azért különböznek tehát az embertől, mert fejlődésük során eltávolodtak tőle, pontosabban eltávolodtak a közös őstől (nem pedig az ember távolodott el az emberszabású majmoktól). 5 Létezésünket tehát azon folyamatoknak köszönhetjük, amelyek 5 Ezt a lehetőséget először John Gribbin és Jeremy Cherfas vetették fel az 1980as évek elején, s a „The Monkey Puzzle" című könyvükben fejtették ki részletesen. A szakemberek akkor még vad spekulációként kezelték, ám a molekuláris biológiai módszerek fejlődésével, az 1990-es évek közepére egyre elfogadottabbá vált. Ekkor főként Simon Easteal és Genevieve Herbert, az Ausztráliai Nemzeti Egyetem kutatói foglalkoztak vele, akik szerint ma már biztosan mondhatjuk, hogy „az ember és a csimpánz közös őse két lábon járt, és jellemvonásai inkább elvesztek a csimpánzokban, mintsem hogy felerősödtek volna az emberekben". (Journal of Molecular Evolution, 1997. február)

A VÁLTOZÁSOK SZELE • 179

kialakítják a klímaváltozások ritmikus rendjét. A természetes most az lenne, ha a következő néhány ezer év során bolygónk visszajutna a Milankovics-elmélet alapján jósolt jégkorszak-állapotba. Ám az emberi tevékenység ma már jelentős befolyásolója az időjárási, folyamatokat, s úgy tűnik, hogy - véletlenül vagy szándékosan, de - a jégkorszakba való visszatérés egyre inkább halasztódik, egyelőre meghatározhatatlan ideig. A szén-dioxid, mint meghatározó üvegházhatású gáz légköri koncentrációja 0,03%, másként 300 ppm (parts per millión). Pontosabban a 19. században lezajlott ipari forradalom óta eltelt idő során ez az érték 280 ppm-ről 350 ppm-re emelkedett, szinte kizárólag az emberi tevékenység eredményeként - a fosszilis tüzelőanyagok fokozott mértékű felhasználása és az erdőirtások miatt. A 25%-os növekedés már észrevehető mértékben megváltoztatta a globális éghajlatot. Az 1880-as évek óta a Föld hőmérséklete átlagosan 1 °C-kal melegedett, a légkörbe jutó szén-dioxid mennyisége gyorsuló mértékben nő. A további felmelegedés szempontjából pedig egyáltalán nem lényegtelen, hogy a jövőben milyen gyorsan és milyen mértékben változik majd a légkörbe juttatott szén-dioxid mennyisége. Egyes mértéktartó becslések szerint a következő húszéves periódusban újabb 1 °C-os melegedés várható, amelynél hosszabb távra tudományosan megalapozott előrejelzések ma még nem készíthetők. Mégis, e mérsékelt ütem ellenére a Föld hőmérséklete magasabb lesz bármely, a jelenlegi interglaciális során tapasztalt értéknél, s így a földtörténet utóbbi százezer évének bármely időszakánál. Biztos, hogy a 21. század időjárása különbözni fog minden korábbi, civilizációnk fennállása óta eltelt időszakétól. Első felében a felmelegedés mintegy másfélszer olyan gyors lesz, mint a legutóbbi jégkorszak végén, amikor az interglaciálisba való átmenettel járó 8 °C-os melegedés kb. ötezer év alatt zajlott le. S hogy milyen hatással lehet a fizikai környezet ilyen intenzitású változása a bioszférára? Nos, erről még elképzelésünk sincsen. Ezért aztán kissé gyáva módon meg sem kíséreljük prognosztizálni bolygónk éghajlatának jövőbeli változásait, hanem inkább teszünk egy nagy lépést kifelé, az univerzum irányába, hogy megbirkózzunk a Nap és a többi csillag működésének valamelyest egyszerűbb problémáival, illetve arra a kérdésre keressük a választ, hogyan szerezte a Nap bolygócsaládját.

9. A Nap és családja

A Nap egy csillag. Teljesen átlagos csillag - se nem túl nagy, se nem túl kicsi, se nem túl fényes, se nem túl halvány, amely életének körülbelül felénél jár. Az egyetlen ok, amiért másképpen fest, mint az égbolt többi csillaga, hogy egészen közel vagyunk hozzá a közepes Föld-Nap távolság 150 millió kilométer, s bolygónk egy év alatt tesz meg egy teljes keringést körülötte. A legtöbb csillagászati könyvből (és a legtöbb tanártól) megtudhatjuk, hogy a Nap családjába kilenc bolygó tartozik, amelyek közül egyik a Föld. Ez az állítás azonban nem teljesen felel meg a valóságnak, mivel a legtávolabbi planéta, a Plútó jelentősen különbözik a többi nyolctól - sokkal jobban hasonlít az üstökösökre és a jeges kisbolygókra, s inkább gigantikus aszteroidának tekinthető, semmint valódi bolygónak. A többi bolygóval összehasonlítva a Plútó egyik legfeltűnőbb sajátossága, hogy igen elnyúlt ellipszispályán kering. Ezért - bár valóban a legtávolabb helyezkedik el a Naptól - keringése során időnként a nyolcadik planéta, a Neptunusz pályáján belülre kerül (mint az utoljára 1979 és 1999 történt). Egyetlen másik bolygó sem keresztezi szomszédja pályáját. A csillagászok a közepes Nap-Föld távolsággal mérik a távolságokat a naprendszerben, amelyet csillagászati egységnek (CSE) neveznek. A Plútó átlagos naptávolsága 40 CSE, de pályájának napközeipontja 30, naptávolpontja 50 CSE. A legtávolabbi helyzetében tehát ötvenszer messzebb van a Naptól, mint a Föld. Átmérője 2320 km (a Hold átmérőjének kétharmada), tömege pedig a Földének mindössze 0,3%-a. A Plútó holdja a Charon, 1300 km-es átmérővel (ez majdnem fele a Plútóénak). A Charon mindössze 19 400 kmre kering bolygójától. Mindkét égitest nagy részét fagyott víz és

A NAP ÉS CSALÁDJA • 181

metán építi fel, átlagos sűrűségük a víz sűrűségénél alig kétszer nagyobb. Felszíni hőmérsékletük 50 K (kb. -220 °C), s 248 év alatt kerülik meg a Napot. A Plútó „lerendezése" után most már a Nap családjának igazi tagjaiba, a másik nyolc nagybolygóra koncentrálhatunk, s közelebbről szemügyre vesszük a naprendszerben keringő törmeléket is. A bolygók családja két négyes csoportra osztható: a belső bolygórendszerben négy kicsi kőzetbolygó, a külsőben négy nagy gázbolygó kering. A két csoportot a Mars és a Jupiter között elhelyezkedő aszteroida-övezet választja el egymástól. Minden csillagnak saját fénye van, így a Napnak is, mivel belsejükben az atommag-fúziónak nevezett folyamat során energiát termelnek. Ezzel szemben a bolygók csak azért láthatók, mert a Nap fényét verik vissza. Ennek eredményeképpen jóval halványabb égitestek, s ez az oka annak, miért nincs eddig közvetlen bizonyítékunk naprendszeren kívüli bolygók létezésére - a csillagászok biztosak létezésükben, de túl halványak ahhoz, hogy láthassuk őket. A 90-es évektől azonban közvetett bizonyítékokkal már rendelkezünk, amely a csillagok mozgásának vizsgálatával kapcsolatos. A csillag körül keringő bolygók ugyanis gravitációs hatásuknál fogva befolyásolják a csillag mozgását is, amely a jelenlegi műszerekkel már kimutatható. Bár egyelőre csak a nagy tömegű (a Jupiterhez hasonló vagy annál nagyobb) planéták jelenlétét tudjuk ily módon észlelni, logikus következtetésnek tűnik, hogy ahol Jupiter-szerű bolygók vannak, ott - legalábbis némely esetben - a Földhöz hasonló égitestek is lehetnek. A 90-es évek másik fontos eredménye volt, hogy közvetlenül figyeltek meg fiatal csillagok körüli lapos anyagkorongokat, amelyek gázból és porból állnak. Már azelőtt, hogy közvetlenül észlelték (és a Hubble-űrtávcsővel, illetve más műszerekkel lefényképezték) volna őket, a csillagászok egy használhatónak tűnő modellt fejlesztettek ki a naprendszer ilyen anyagkorongból való születésének és fejlődésének magyarázatára. A modell megerősítéséhez szükséges megfigyelések, melyek szerint a fiatal, az ősi Naphoz hasonló csillagok körül valóban léteznek ilyen anyagkorongok, nem sok kétséget hagynak afelől, hogy valóban megértettük a naprendszer születésének alapvető lépéseit. Bár való igaz, hogy ez nem hasonlítható össze a laboratóriumi kísérletekkel - nem

182 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

építhetünk egy másik naprendszert azért, hogy teszteljük, miként jött létre a mostani. Ez jól példázza az egyik fontos különbséget a csillagászat és a legtöbb tudomány között, amit eddig könyvünk hasábjain bemutattunk. A csillagászati modellek bizonyos szempontból mindig kevésbé kielégítők, mint a földi folyamatokat leíró társaik. Ez azonban nem jelenti azt, hogy a csillagászati modellek nem többek vad spekulációknál (néhány valóban az, de ezekkel itt nem kívánunk foglalkozni!). A modelleket a valódi univerzum folyamatainak állandó megfigyelésével, számítógépes szimulációkkal és számos esetben (például a csillagok energiatermelésének vizsgálatakor) földi, a csillagászati folyamatok egyes kulcslépéseit utánzó kísérletekben nyert adatokkal ellenőrzik, és folyamatosan finomítják. A legjobb modellünk, amely a Nap és családjának (a bolygóknak és az egyéb kisebb égitesteknek) a keletkezését magyarázza, egész csillagvárosunk, a tejútrendszer szerkezetének ismeretében értelmezhető. A tejútrendszerrel a 10. fejezetben ismerkedhetünk meg részletesebben, most elég annyit tudnunk, hogy egy lapos, korongszerű képződményről van szó, amelynek átmérője mintegy 100 ezer, vastagsága pedig néhány ezer fényév. 1 E korongban néhány százmilliárd csillag ragyog, amelyek közül Napunk csak egyetlenegy. A Nap a tejútrendszer középpontjától körülbelül 30 000 fényévnyire helyezkedik el (tehát a központ és a korong széle közötti távolság kétharmadánál), s akárcsak a többi csillag, a központ körül kering. Mintegy 250 km/s-os sebességgel 225 millió év alatt végez el egy teljes keringést - ezt nevezik egy galaktikus évnek. Számos más csillagvároshoz hasonlóan a tejútrendszer is ún. spirálgalaxis, amelynek centrumából hatalmas spirálkarok indulnak ki.2 A karokat a bennük lévő hidrogéngáz rádiócsillagászati vizsgálatai tárták fel. Ez a mintázat a korongban végighaladó sűrűséghullámok miatt alakult ki, amelyek összenyomják az útjukba kerülő anyagot. A többi galaxis spirálkarjai fényesnek látsza1

A fényév az a távolság, amit a fény egy év alatt megtesz. A fényév tehát a távolság, és nem az idő mérésére szolgál. Egy fényév körülbelül 9,46 billió kilométerrel egyenlő. Összehasonlításképpen: a fény 499 másodperc alatt érkezik a Napból a Földre (ezt úgy is mondhatjuk, hogy a Föld-Nap távolsága 8,3 fényperc). 2 A tejútrendszerünkhöz hasonló galaxisok spirális mintázata a kávéban elkevert tejszín mintázatához hasonló.

A NAP ÉS CSALÁDJA • 183

nak, mivel sok fiatal és forró csillagot tartalmaznak, mert a sűrűséghullámok által összepréselt anyagban a csillagkeletkezés ideális feltételei teremtődnek meg. Ehhez még hozzájárulnak a legnagyobb tömegű csillagok szupernóva-robbanásai, amelyek tovább sűrűsítik a por- és gázanyagot. A korong csillagainak egy része halmazokba tömörül. Az egyes halmazok csillagai ugyanabból a por- és gázfelhőből születtek. Először úgynevezett nyílt halmazokat formálnak, amelyekből a Nap 8 ezer fényéves környezetében mintegy 700 található. A nyílt halmazokban azonban nem elég erős a gravitációs összetartó erő, így a halmaz tagjai idővel szétszóródnak - a keletkezés után néhány millió évvel már nem lehet megmondani, mely csillagok születtek ugyanabból az anyagfelhőből. A mi Napunk - és több társa, amelyek mára szétszóródott nyílt halmaz részei - is egy ilyen por- és gázfelhőből jött létre mintegy 5 milliárd évvel ezelőtt, s azóta is a tejútrendszer középpontja körül kering. Eddigi élete során 12 keringést tehetett meg. A felhő anyaga majdnem teljes egészében hidrogénből (közel 75%) és héliumból (közel 25%) állt, amelyek nagy része még az Ősrobbanás során jött létre (részletesen lásd a 11. fejezetben). A felhő anyagának kb. 1%-a azonban nehezebb elemekből állt - ezek az elemek kivétel nélkül egykori csillagok belsejében keletkeztek, s azok felrobbanásakor szóródtak szét az űrbe, ahogyan azt a következő fejezetben részletesen olvashatják. Mintegy 5 milliárd évvel ezelőtt a felhőnek az a része, amelyből a naprendszer kialakult, sűrűsödni kezdett, és saját tömege miatt megkezdte összeomlását. Az így felszabaduló gravitációs energia miatt hőmérséklete egyre növekedett. (Ha két test a gravitáció miatt közeledik egymáshoz, akkor energiát kell befektetnünk, hogy eltávolítsuk őket; ha ismét közeledni kezdenek, akkor ugyanez az energia felszabadul - ez a törvényszerűség az egykori anyagfelhő minden gázmolekulájára és atomjára is igaz volt.) Végső soron az összesűrűsödő góc belsejének hőmérséklete elérte a 15 millió fokot, s megindulhatott az atommagfúzió: a hidrogénmagok héliummagokká alakulása, ami energiafelszabadulással jár. Megszületett az ősi Nap. Az atommagfúzió folyamata során négy proton (hidrogén-atommag) egyesül egy alfarészecskévé (hélium-atommaggá). Az alfarészecske tömege 0,7%-kal kisebb a négy proton össztömegénél, s ez a tömegfelesleg alakul át energiává. Ahhoz, hogy a Nap ne

184 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

roskadjon össze a saját tömege miatt, másodpercenként 5 millió tonnányi tömegfeleslegnek (nagyjából egymillió elefántnyi tömegnek) megfelelő energia kell hogy keletkezzék, s az így létrejövő sugárzási nyomás áll ellen a gravitációnak. Annak ellenére, hogy Napunk már 5 milliárd éve végzi e folyamatot, eddig eredeti hidrogénkészletének csak 4%-át használta el, s ennek csak 0,7%a sugárzódott ki az űrbe energiaként. Azt is mondhatnánk, hogy a Nap eddig 100 Föld nyugalmi energiáját alakította át tiszta energiává. Újabb 5 milliárd év múlva vagy később a Napnak számos problémával kell majd szembenéznie, mivel ekkorra már teljesen elfogyasztja magjának hidrogénkészletét. Bár külső rétegei még mindig bőségesen tartalmazzák majd a legkönnyebb elemet, a mag már szinte teljesen héliumból, a hidrogén „elégetésének" salakanyagából fog felépülni. Ekkor a Nap magja összezsugorodik és felforrósodik, s ez lehetővé teszi újabb atommag-reakciók beindulását, amelyek mintegy 100 millió fokos hőmérsékleten szén-atommagokká alakítják a hélium-atommagokat. Az eközben a magban keletkező energia miatt a Nap külső burkai kitágulnak, s központi csillagunkból vörös óriáscsillag válik, amely elnyeli a legbelső bolygót, a Merkúrt. Végül aztán, körülbelül újabb évmilliárd elteltével a mag héliumkészlete is kimerül, az energiatermelés leáll, s a Nap egy Föld méretű, forró felszínű és roppant sűrű égitestté, egy fehér törpévé zsugorodik. A Napnál nagyobb tömegű csillagoknak jóval gyorsabban kell „égetniük" nukleáris fűtőanyagukat, hogy az ebből keletkező sugárzási nyomás ellen tudjon állni a nagyobb tömegből adódó nagyobb gravitációs erőnek; az ilyen csillagok életük vége felé sokkal érdekesebb dolgokat művelnek, ahogyan azt majd a 10. fejezetben olvashatják. A naprendszer bolygói, és így a saját szemszögünkből vizsgálva a dolgot, a Nap (mint általában a hozzá hasonló csillagok) mintegy 10 milliárd éven át többé-kevésbé egyenletesen sugároz, miközben a körülötte keringő bolygók saját fejlődési útjukat járhatják, beleértve (legalábbis egy bolygón bizonyosan) az élővilág evolúcióját is. De miért különböznek a bolygók annyira egymástól? A naprendszer egyes bolygóinak természetét - amint megformálódtak az ősi Nap körüli por- és gázkorongból - elsősorban e korong forgása és a Napból érkező sugárzás mennyisége határozta meg. Bármely olyan anyagtömeg, amely összetömörül és forog-

A NAP ÉS CSALÁDJA • 185

ni kezd, nem maradhat változatlan állapotban. Ahogy a korong összetömörült, egyre gyorsabban kezdett forogni (ahhoz hasonlóan, amikor egy korcsolyázó is felpörög, ha behúzza karjait). Ez a jelenség az úgynevezett impulzusmomentum megmaradásának köszönhető. Egy körmozgást végző anyagtömeg impulzusmomentumának nagysága a tömegtől, a forgástengelytől mért távolságtól és a mozgás sebességétől függ. A naprendszerré formálódó ősi por- és gázfelhő anyagának legnagyobb része a középpontban tömörödött össze, létrehozva a Napot. 3 Ez azonban csak azért volt lehetséges, mert a felhő impulzusmomentumának döntő hányada az ősi Nap körüli anyagkorongba, a felhő „maradék" részébe jutott, amely gyors forgása miatt ezt képes volt tárolni. A felhő tömegének nagy része tehát a Napba, míg impulzusmomentumának nagy része a korongba jutott. A naprendszer bolygói és holdjai e gyorsan forgó korongból alakultak ki, s megőrizték annak eredeti impulzusmomentumát. Minden bolygó ugyanabban az irányban kering a Nap körül, s majdnem az összes holdnak is ugyanez a bolygók körüli keringési iránya. A bolygók forgási iránya is ugyanez, a Vénusz és az Uránusz kivételével (e két égitest talán egy hatalmas becsapódás miatt viselkedik másképp), s a Nap is ugyanebben az irányban végzi lomha, átlagosan 25,3 napos időtartamú forgását. Fontos továbbá, hogy a bolygók keringési síkjai alig térnek el egymástól. A naprendszer tehát gyakorlatilag egy azonos irányban forgó/keringő rendszer, amely nagyszerűen bizonyítja, hogy anyaga egy forgó anyagfelhőből alakult ki, s a Nap nem úgy „lopkodta össze" a bolygóit a galaxisból. Ha ez lenne a helyzet, akkor a bolygók keringési síkjai a véletlenek miatt sokkal nagyobb szöget zárnának be egymással, s a keringési irányuk is sokkal változatosabb lenne. Amellett, hogy ma már közvetlen megfigyelésekkel rendelkezünk fiatal csillagok körüli anyagkorongokra, a fentieket a naprendszer két kis „naprendszere", a Jupiter és a Szaturnusz esete is alátámasztja - e két bolygó népes holdrendszerére gyakorlatilag ugyanilyen jellemzők mondhatók el. A két óriásbolygó holdrendszerei ugyanolyan módon formálódtak, mint az egész naprendszer, csak kisebb méretekben, egy egész részeiként. A körülöttük egykor létezett 3

Az eredeti tömeg egy része a születő Nap pólusai mentén, hatalmas anyagkilövellések formájában távozott, és sok anyagot vittek el a mágneses mezők is - ezáltal az eredeti impulzusmomentum nagy része is elszökött.

186 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

anyagkorongokból jöttek létre a holdak és a gyűrűk, amelyek ugyanúgy az impulzusmomentum nagyobb részét tartalmazzák. A bolygókeletkezés folyamata még azelőtt megindulhatott, hogy a központi gázgömbben, vagyis az ősi Napban megkezdődött volna a nukleáris fúzió. Az anyagkorongban lévő apró porszemcsék összeütköztek, s néhány milliméteres csomócskákká tapadtak össze, majd ezek összeütközései még nagyobb szemcséket formáltak. E folyamat kezdeti fázisában e csomókat gázanyag vette körül, amelynek részecskéi folyamatosan bombázták őket, s részben ezek az ütközések biztosíthatták, hogy az impulzusmomentum nagy része a korongba kerüljön. Ez még valószínűbbé tette az anyagcsomók közötti ütközéseket, s amikor a korong gázanyagának nagy részét a felforrósodó Nap csillagszele kisöpörte, még akkor is képesek voltak kölcsönhatásra lépni egymással. A bolygókeletkezés e kezdeti folyamata, az ún. akkréció egészen addig folytatódhatott, míg a mai kisbolygókhoz hasonló égitestek nem keletkeztek (alaktalan sziklák, pár száz méteres átmérővel). Ettől kezdve azonban a gravitáció vált meghatározóvá, amely rajokba tömörítette a sziklákat, ahol aztán azok még nagyobb alakzatokká forrtak össze ütközéseik során. A legnagyobb méretű - így a legnagyobb tömegű és tömegvonzású - objektumok magukhoz vonzották kisebb társaikat, így méretük is tovább növekedett, s megindultak a bolygóvá növekedés útján. Ebben a fázisban a sorozatos ütközések energiája, az összehúzódás és a radioaktív anyagok hőtermelése megolvasztotta ezen ősi bolygók anyagát, amely így sűrűség szerint tudott elkülönülni: a vas és más fémek lesüllyedve kialakították a magot, illetve létrejött egy olyan gömbhéjas szerkezet, amelyet ma a Föld esetében tapasztalhatunk. Mindezek alapján könnyű megmagyarázni, miért különülnek a bolygók két nagy csoportra, s miért van annyi törmelék a naprendszerben. A Naphoz közeli tartományokból a fiatal, forró csillag intenzív sugárzása valósággal kisöpörte a gázokat és az egyéb, kis sűrűségű, illetve könnyen elpárologtatható anyagokat. Azok a szemcsék, amelyek túlélték e „tisztítótüzet", olyan anyagokban voltak gazdagok, amelyeket nem volt könnyű elpárologtatni: főleg fémeket és szilikátokat tartalmaztak. Ezek lettek az építőkövei a belső bolygóknak, amelyek viszonylag kisméretűek, főleg fémekből és kőzetekből épülnek fel, s jó esetben is csak vékonyka, a „túlélő" gázokból álló légkörrel rendelkeznek.

A NAP ÉS CSALÁDJA • 187

A fiatal Naptól távolabb, a hidegebb tartományokban a bolygóképződés nyersanyagaként szolgáló szemcséket jóval több vízjég, fagyott metán és ammónia boríthatta (illetve minden olyan anyag, amelyet a színképelemzés révén megismertünk a csillagközi gázfelhőkben). A belső tartományokból kisöpört legkönnyebb anyagokat, a gáz halmazállapotú hidrogént és héliumot ráadásul bármely bolygócsíra könnyen magához vonzhatta. A Naptól távoli hidegebb zónában kialakuló bolygók így - bár kialakulásuk kezdeti lépései hasonlatosak lehettek a belső bolygókéhoz - majdnem teljes egészében gázból állnak, s csak viszonylag kis kőzetmaggal rendelkeznek. A bolygókeletkezés fontos jellemzője, hogy befejeződése után nagy mennyiségű „nyersanyagnak" kellett megmaradnia. E „maradék" legnagyobb része ma a Mars és a Jupiter között, a kisbolygó-övezetben kering. A Jupiter állandó, zavaró gravitációs hatása miatt ezek ma már nem állhatnak össze nagybolygóvá. A Naptól távolabb, a hidegebb zónákban pedig jeges törmelékek vannak, jeges kisbolygók és milliárdnyi üstökösmag formájában. A fiatal naprendszerben, a bolygók megformálódása utáni egymilliárd év során mindenhol hemzsegtek a kozmikus törmelékek, s a fiatal planéták felszínét állandóan becsapódások bombázták. A Hold és a Merkúr kráterekkel szabdalt felszíne e forrongó korszak drámai bizonyítéka, de a Vénusz és a Mars, sőt a Föld is őrzi ezen időszak nyomait. S bár a belső bolygók intenzív bombázása mintegy 4 milliárd éve véget ért, még napjainkban is megesik, hogy egy-egy törmelék összeütközik egy bolygóval. Ennek egyik drámai példája volt 1994-ben a Shoemaker-Levy 9 üstökös becsapódása a Jupiterbe. Mint korábban kifejtettük, kevesen vitatják, hogy az ilyen kozmikus katasztrófák meghatározó szerepet játszottak a földi élővilág fejlődésében, kipusztítva például a dinoszauruszokat 65 millió évvel ezelőtt, a kréta időszak végén. Bár a naprendszer napjainkra igen stabil állapotba került - ahol a Napnak és minden kísérőjének megvannak az egyedi jellemzői -, még igen messze van attól, hogy csendes és nyugalmas hely legyen. A Nap a naprendszer abszolút meghatározó égiteste. A naprendszer teljes tömegének 99,86%-át tartalmazza, s hatalmas tömegvonzásánál fogva mindent magához láncol - a bolygók a holdakkal, az üstökösök, a kisbolygók, a bolygóközi anyag por- és gázrészecskéi mind körülötte keringenek. A maradék tömeg két-

188 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

harmada a Jupiterben összpontosul, így - kissé túlozva - Földünk is csak az „egyéb maradékok" kategóriájába tartozik. Mégis természetes - saját emberi nézőpontunkat tekintve -, hogy a naprendszer égitestjeit saját bolygónkkal összehasonlítva vizsgáljuk. Kerekített adatokkal a Nap tömege 330 ezer földtömegnek felel meg, 1,4 millió kilométeres átmérője pedig 109-szerese bolygónkénak. Ez azt jelenti, hogy 109 Földet lehetne egymás mellé rakni a napkorongra, 4 mivel azonban egy gömb térfogata az átmérő harmadik hatványával arányos, a nap térfogata több mint 1 milliószor nagyobb, mint a Földé. A Nap átlagos sűrűsége azonban csak egyharmada a Földének - 1,4 g/cm 3 , vagyis csak 1,4-szer sűrűbb a víznél. A Nap magjában azonban, ahol az energiát termelő atommag-reakciók zajlanak, az óloménál 12-szer nagyobb sűrűség uralkodik, a hőmérséklet pedig körülbelül 15 millió °C. A Nap belsejében uralkodó állapotokra számos vizsgálat kombinációjából következtethetünk. Először is, az asztrofizikusok kiszámították (egészen egyszerű, alapvető fizikai törvényeket alkalmazva), milyen forrónak kell lennie a Nap belsejének ahhoz, hogy az általunk mért energiát kisugározhassa, illetve ellenállhasson saját gravitációjának. Ezt kiegészítve, a földi részecskegyorsítókban végzett kísérletek kombinációjával és a kvantumelmélet alapján leírható, hogyan termeli a Nap az energiát - ennek legfontosabb lépése, hogy 15 millió fokon a hidrogén-atommagok egyesülhetnek egymással. A csillagfejlődési modellek (részletesen lásd a következő fejezetben) a részecskefizikai elmélettel kombinálva jól behatárolják azokat a fizikai körülményeket (például a sűrűséget és a hőmérsékletet), amelyeknek a Nap különböző rétegeiben kell uralkodnia. A legutóbbi évtizedekben a csillagászoknak sikerült megfigyelniük olyan jelenségeket a Nap felszínén, amelyek naprengésekről, a földrengések ottani megfelelőjéről tanúskodnak. A napszeizmológia segítségével ugyanolyan módszerrel vizsgálható a nap belseje, mint a földrengéshullámokkal bolygónké. Kiderült, hogy az így kapott eredmények valóban megfelelnek a csillagfejlődési modellek jóslatainak. Mindez jó példa a tudományos módszer egyik legfontosabb elemére: az elméletek kísérletekkel való bizonyítására. A Nap magjában uralkodó szélsőséges körülmények között az elektronok leszakadnak az atomokról, így csupasz hidrogén- és 4

Ehhez hasonló példa, hogy a Föld-Nap távolságra (tehát a földpálya sugarára) 107 Napot helyezhetnénk rá.

A NAP ÉS CSALÁDJA • 189

hélium-atommagok maradnak vissza (azaz protonok és alfarészecskék). Mivel az atommagok jóval kisebbek az atomnál, a nap magja tökéletes gázként viselkedik, ahol atommagok ütköznek össze nagy sebességgel. A Nap magja - bár térfogatának mindössze 1,5%-át teszi ki - a teljes tömegnek körülbelül felét tartalmazza. A Nap magjában megtermelt energia zöme nagy energiájú fotonokból álló gamma-sugárzás formájában szabadul fel. Az ott uralkodó szélsőséges sűrűségviszonyok között azonban e fotonok csak igen kis távolságot tehetnek meg anélkül, hogy kölcsönhatásba ne lépjenek egy töltött részecskével (protonnal, elektronnal, alfarészecskével). E kölcsönhatások fokozatosan csökkentik a fotonok energiáját, s a gamma-sugárzás kisebb energiájú röntgen-sugárzássá alakul át. A fotonok egyik töltött részecskétől a másikig „pattannak", akár egy őrült flipperjáték megvadult golyói, miközben megpróbálnak kifelé haladni a nap belsejéből. S bár minden foton a fény sebességével halad, a rengeteg ütközés és kölcsönhatás miatt mindegyikük számára tízmillió évbe telik, míg eléri a Nap felszíni rétegeit. Ha akadály nélkül hatolnának ki a magból, akkor ez az út mindössze 2,5 másodpercig tartana; valójában azonban ez a fény jóval tovább utazik - a 25 fénymásodperc hosszú utat 10 millió fényév hosszúságú cikcakk vonalban teszi meg. Mindezek egyik következménye, hogy a Nap mai állapota valójában a magban mintegy tízmillió évvel ezelőtt végbement folyamatok „lecsendesedett" kivetülése. A Nap fényét vizsgálva nem azt tudhatjuk meg, mi történt a magban tegnap, hanem hogy mi történt tízmillió évvel ezelőtt. A Nap belsejéből érkező hanghullámok azonban néhány perc alatt érik el a felszínt (naprengéseket okozva), így a napszeizmológia a mag jelenlegi állapotába enged betekintést, így kétszeresen alkalmas az elméleti modellek tesztelésére. A Nap magját a sugárzási zóna övezi, a fotonok itt haladnak kifelé. Ez a zóna a Nap középpontjától egymillió kilométerig tart, a sugár 85%-áig. A hőmérséklet itt 500 ezer °C-ra esik vissza, a sűrűség pedig 1%-a a vízének. Az itt uralkodó körülmények között néhány atommag már képes elektronok megtartására, a kifelé haladó fotonok pedig a sorozatos ütközések miatt egyre kisebb energiájúak, ezért egyre nagyobb hullámhosszúak lesznek. Mindezek következtében a röntgensugárzási zóna felső határánál a részlegesen ionizált anyag képes megkötni a sugárzási energiát (vagyis

1 9 0 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

a fotonokat). Az így keletkező forró anyagcsomók áramlási, ún. konvekciós cellákban emelkednek a felszín felé, s a felszínig még hátralévő 150 ezer kilométeren (kevesebb, mint fél Föld-Hold távolságon) már ők szállítják kifelé a magban megtermelt energiát. Amikor a felszálló anyagtömegek elérik a Nap 5 500 °C-os felszínét, látható fény formájában kisugározzák energiájukat. E fénynek aztán már csak 8,3 perc kell ahhoz, hogy leküzdje a Nap és a Föld közötti 150 millió kilométeres távolságot. Az összes általunk érzékelhető fény a Nap felső, 500 km vastag rétegéből érkezik, ami a sugár 1%-át teszi ki. A Nap hatása azonban ennél jóval messzebbre terjed a világűrben, légkörének kromoszféra nevű részén keresztül, ami után a napkorona következik. A napkorona sok millió kilométerre terjed ki, s belőle áramlik ki a részecskéknek az a híg áradata, amit napszélnek nevezünk. A Naphoz a legközelebbi bolygó a Merkúr. Naptávolsága 0,39 csillagászati egység, és 88,97 földi nap alatt végez egy teljes keringést a Nap körül. Mivel tengelyforgási ideje 58,64 nap, ezen a bolygón két év csak három napból áll. Bár a Merkúr szabad szemmel is látható (természetesen ez az égitest is a Nap fényét veri vissza), s bár már az ókorban is ismerték, az igen közeli Nap ragyogása miatt nagyon nehéz megpillantani. A legtöbb információ, amit a Merkúr felszínéről gyűjtöttünk, a Mariner-10 űrszondának köszönhető, amely 1974 és 1975 során háromszor repült el mellette. A Mariner-10 által visszaküldött képek a Hold felszínéhez hasonló, erősen kráterezett területeket mutattak. Ez akkoriban nagyon meglepte a csillagászokat, ma azonban már jól beilleszthető abba a modellbe, amely a bolygók kialakulását írja le: miután a planéták nagyjából elérték mai méretüket, még több száz millió évig tartott a felszín meteoritbombázása. Igen lényeges, hogy a Merkúrnak lényegében nincs légköre; emiatt a napsütötte oldalán +190 °C, míg az éjszakai oldalon akár -180 °C is lehet. 4880 km-es átmérőjével a Merkúr átmeneti méretet képvisel a Hold és a Föld között, s tömege mintegy 5%-a a Földének. Mint az előző fejezetben említettük, a Naptól számított második bolygó, a Vénusz fizikai szempontból a Föld ikertestvére. Tömege 82%-a a Földének, átmérője pedig 12 104 km (a Földé 12 756 km). A Vénusz légkörében lévő sűrű felhőréteg miatt még a legjobb földi teleszkópok sem képesek megfigyelni a felszínét, így korábban a

A NAP ÉS CSALÁDJA • 1 9 1

Vénusz és a Föld közötti nagy hasonlóság arra késztette a sci-fi írókat (sőt néhány tudóst is), hogy feltételezzék: a vastag felhőréteg élettől hemzsegő dzsungeleket takar. Ma azonban már tudjuk, hogy a Vénusz túlszaladt üvegházhatása miatt az egész bolygó egy forró sivatag, a felszíni hőmérséklet megközelíti az 500 °C -ot, a légköri nyomás kilencvenszerese a földiének, a felhőrétegből savas eső hullik, s erős szelek tépázzák a felszínt. Ezen információk nagy részét az orosz Venyera űrszonda sorozatmegfigyeléseiből szereztük, amelyek közül néhány leereszkedett a Vénusz légkörébe az 1960as és 1970-es években. Kettő a felszínt is elérte, s mielőtt a zord körülmények végeztek volna velük, adatokat továbbítottak a Földre. A Vénusz légkörének 98%-a szén-dioxidból áll, a maradék gázok nagy része pedig nitrogén. A sűrű felhőréteg ellenére nagy részletességgel sikerült feltérképezni a Vénusz felszínét, olyan radartérképezési technikákkal, amelyeket már néhány Venyera űrszondán is alkalmaztak. A legnagyobb előrelépést e tekintetben azonban az amerikai Magellán űrszonda jelentette, amely 1990 augusztusában állt Vénusz körüli pályára, s majdnem az egész felszínt feltérképezte. Bár a Vénusz felszíne is sűrűn kráterezett, mégis sokkal változatosabb, mint a Merkúré. A bolygó területének csaknem kétharmadán hatalmas síkságok terpeszkednek (amelyek kiszáradt óceáni medencékhez hasonlóak), ezekből pedig a földi kontinensekhez hasonló hatalmas felföldek emelkednek ki. A Vénusz legmagasabb hegységei nyolc kilométerrel nyúlnak a felszín fölé, s a rengeteg becsapódási kráter mellett tűzhányók, völgyhálózatok és lávafolyások láthatók. A kráterek nagy számával együtt az ún. krátersűrűség (az egységnyi területre jutó kráterek száma) jóval kisebb, mint a Merkúron vagy a Holdon. A három égitest krátersűrűségének összehasonlításából a csillagászok úgy számítják, hogy a Vénusz egész felszíne mintegy 600 millió évvel ezelőtt megújult, valószínűleg a heves vulkáni tevékenység következtében. A felszínt megfiatalító, ehhez hasonló események többször is lejátszódhattak a bolygó történetében, bár ma már nyilvánvaló számunkra, hogy ezek a folyamatok különbözhettek a földi lemeztektonikától. A Vénusznak számos érdekes tulajdonsága van. Nagyon lassan forog, ráadásul a Nappal és a bolygók többségével ellentétes irányban. A Vénusz tengelyforgási ideje 243 földi nap. Lehetséges, hogy e furcsa forgás egy hatalmas kisbolygó becsapódása miatt jött lét-

192 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

re, még a naprendszer ifjú korában. Bármi is okozta azonban, e rendhagyó forgás miatt igen furcsán alakulnak a nappalok és éjszakák a bolygón. Mivel a Vénusz Nap körüli keringési ideje 225 földi nap, a forgási és keringési jellemzők következményeképpen a Vénusz egyenlítőjéről szemlélve 116,8 földi nap telik el a Nap két delelése között, s egy vénuszi év során csak két ilyen esemény lehetséges. A naprendszer Naptól számított harmadik bolygójáról, a Földről már igen részletesen beszéltünk, hiszen ez a különleges hely a mi otthonunk. A Föld azonban - vagy inkább az ún. Föld-Hold rendszer - más szempontból is különleges a naprendszer bolygói között. A Hold átmérője kb. egynegyede a Földének, így bolygójához viszonyítva messze ez a legnagyobb hold a naprendszerben (kivéve a Plútó Charon nevű holdját, bár mint említettük, ma már a Plútót nem tekintjük teljes értékű bolygónak). A Hold átmérője 3476 km, átlagos földtávolsága pedig 384 400 km (a fény 1,3 másodperc alatt teszi meg ezt az utat). A Hold a naprendszer égitestjei közül leginkább a Merkúrra emlékeztet, amelynek átmérője 38%-a a Földének. A Föld-Hold rendszert érdemes olyan kettős bolygónak tekinteni, amely valamilyen különleges úton alakult ki a naprendszer fiatal korában. A Föld-Hold rendszer különlegessége még feltűnőbb, ha tekintetbe vesszük, hogy sem a Merkúrnak, sem a Vénusznak nincs holdja, a Naptól számított negyedik bolygó, a Mars pedig két apró kísérővel bír, amelyek minden bizonnyal befogott aszteroidák, nem pedig a bolygó eredeti holdjai. Hogyan alakult ki hát a Hold? Az Apolló űrhajók által visszahozott holdkőzetek vizsgálata, illetve számítógépes szimulációk segítségével a csillagászok modelleket fejlesztettek ki arra, milyen folyamatok vezethettek egy kettősbolygó kialakulásához. Az egyik legelfogadottabb modell szerint a Hold anyaga a Földből szakadt ki a bolygóképződés utolsó fázisának idejében, egy legalább Mars méretű égitest becsapódásának következtében. Ezt azonban nem úgy kell elképzelnünk, mintha egy nagy kőzettömbből lecsippentenénk egy darabot. A csillagászok inkább „nagy loccsanásnak" nevezték el az eseményt, s ez igen találó arra nézve, ami valójában történhetett. A modell szerint a Mars méretű test becsapódása a fiatal Földbe olyan hatalmas hőt termelt, hogy a bolygó egész felszíne mintegy ezer kilométeres mélységig megolvadt. A becsapódó test teljesen

A NAP ÉS CSALÁDJA • 193

megsemmisült az esemény során, s anyaga beolvadt a felszíni lávatengerbe. Ha a becsapódott testnek volt fémes magja, akkor ez is megolvadt, s a szintén megolvadó kőzetrétegeken keresztül lefelé szivárgott, hogy aztán összeolvadjon a Föld vasmagjával. A becsapódó test kőzetanyaga azonban egyszer és mindenkorra szétválaszthatatlanul beleolvadt a Föld kérgének és köpenyének kőzetanyagába. E kettős származású kőzetkeverék egy része azonban a becsapódás energiája miatt Föld körüli pályára állhatott. E forró törmelék egy gyűrűt formálhatott a Föld körül, amelyből minden víz, illetve más illékony anyag elpárologhatott és elveszhetett az űrben. Amint azonban a gyűrű anyaga lehűlt, szemcséi összeütközhettek és összetapadhattak egymással, így végső soron ugyanolyan módon formálódott meg belőlük a Hold, mint maguk a bolygók a fiatal Nap körüli anyagkorongból. A hatalmas becsapódás „mellékhátásai" bolygónk egyes tulajdonságait is meghatározták. A becsapódás a lehetséges oka annak, hogy a Föld ilyen gyorsan forog, és a nap mindössze 24 óráig tart. A becsapódás miatt alakulhatott ki a Föld eredeti tengelyferdesége is, amelynek következtében létrejöttek az évszakok (sőt nagyon valószínű, hogy e nélkül jégkorszakok sem jöhettek volna létre a földtörténet során). Mindezek miatt tehát az ősi becsapódás hatásai még ma is érintenek bennünket, négymilliárd évvel az esemény után. Sőt, mivel a jégkorszakok jelentős szerepet játszottak az emberi evolúcióban, kis túlzással azt mondhatjuk, hogy létünket is részben e becsapódásnak köszönhetjük. Természetesen nincs lehetőségünk arra, hogy ezt a modellt igazi kísérletekkel pontosítsuk - nem irányíthatjuk pl. a Marsot a Vénuszba, csak hogy megnézzük, mi történik. Számos közvetett bizonyíték szól azonban a modell helyessége mellett, s a becsapódási események komputeres szimulációja is jelentős megerősítést jelent. Tény például, hogy a Hold kőzetei az eddigi vizsgálatok alapján nem tartalmaznak vizet, vagy más illékony anyagokat. A belső naprendszer öt nagy égiteste (Merkúr, Vénusz, Föld, Hold és Mars) közül a Hold az egyetlen, amelynek nincs fémes magja. A Hold felszínén nemrégiben kimutatott vízjég sem elsődleges eredetű, hanem minden bizonnyal üstökösmagok szállították a felszínre. A Mars az első bolygó, amelynek Földünkről való eléréséhez már távolodni kell a Naptól. A Mars és a Föld közötti távolság a két bolygó keringési viszonyai miatt állandóan változik: legközelebbi helyze-

194 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

tében a Mars mindössze 56 millió kilométerre van tőlünk. A Marsot már bolygókutató űrszondák egész hada kereste fel, s az általuk visszaküldött hatalmas mennyiségű információ már messze felülmúlja a földi megfigyelésekből szerzett tudásunkat. 5 A Mars Nap körüli keringési ideje 686,98 földi nap, naptávolsága pedig 1,38 és 1,67 csillagászati egység között változik. Egy marsi nap 24 óra 37 per 23 másodpercig tart, ami kb. egy földi napnak felel meg. A Marsnak csak igen vékony légköre van (a felszíni légnyomás mindössze 0,7%-a a földi tengerszinti értéknek), amely zömében szén-dioxidból áll. A felszíni hőmérséklet igen tág határok között változik: -140 °C -tól egészen fagypont fölé emelkedhet - ez azonban ritkán, s csak igen kevés helyen történik meg. A Mars átmérője 6795 km (ez kb. fele a Földének); tömege azonban alig több, mint a Föld tömegének egytizede. Akárcsak a többi kőzetbolygó esetében, a Mars felszíne is sűrűn kráterezett. A felszínt számos helyen kiterjedt folyóvölgyhálózatok, kanyonok és szakadékok tarkítják - ezekben azonban több százmillió, sőt valószínűleg több milliárd éve folyhatott utoljára víz, mivel a Mars elvesztette eredeti légkörének nagy részét, így az üvegházhatás gyengülése miatt a bolygó lehűlt. A jelenlegi marsi vízkészlet legnagyobb része fagyott állapotban a talajban, illetve a sarki jégsapkákban van. A talajba zárt vízjég időnként és megfelelő körülmények között átmenetileg megolvadhat és kiszabadulhat, így rövid időre felszíni vízfolyások alakulhatnak ki. A Mars a Földhöz igen hasonló bolygó, s nyilvánvaló, hogy ma is lehetnének rajta óceánok, ha mérete legalább megközelítené bolygónkét. A Vénusz ugyancsak sokkal „földszerűbb" lehetne, ha egy kicsit is messzebb keringene a Naptól (vagy ha a Nap lenne egy kissé hűvösebb), így azonban a víznek nincs esélye arra, hogy megmaradjon a felszínén. Mindezek alapján a naprendszer ún. életzónája, vagyis az a terület, ahol lakható bolygók keringhetnének, nem sokkal a Vénusz pályája után kezdődik, s legalább a Mars pályájáig tart. Ha mindezeket figyelembe vesszük, akkor azt mondhatjuk: tulajdonképpen balszerencsések vagyunk, amiért a naprendszerben nem kering legalább két földszerű bolygó. 5 A Vénusz még közelebb, 42 millió kilométerre is kerülhet a Földhöz. De még ha nem is borítaná sűrű felhőréteg, akkor is lehetetlen lenne megfigyelni a felszínét, egyrészt a ragyogó Nap, másrészt amiatt, hogy ilyenkor az éjszakai oldalát fordítja felénk.

A NAP ÉS CSALÁDJA • 195

A Mars mai képe jelentősen eltér mind a Földétől, mind pedig a Vénuszétól. A nagy krátersűrűség alapján nyilvánvaló, hogy a bolygó nagy részét még ma is az eredeti felszín borítja, s az utóbbi néhány milliárd évben már nem játszódtak le olyan vulkáni folyamatok, amelyek - mint pl. a Vénusz esetében - megújították volna a domborzatot. Ennek ellenére a Mars a geológiai múlt nagy részében aktív lehetett, sőt valószínűleg ma is az. A Mars legnagyobb tűzhányója az Olympus Mons, amelynek átmérője 500 km, s 23 km-rel emelkedik a környező síkságok fölé. Összehasonlításképpen: a Föld legnagyobb tűzhányója, a Hawaii-szigeteki Mauna Kea mindössze 9 km-el emelkedik a tenger aljzata fölé, s csak 200 km átmérőjű. Mint már említettük, a Marsot két aprócska hold kíséri. Mindkettő szabálytalan, „krumpli" alakú égitest. Közülük a nagyobb a Phobos, amely 28x20 km-es méretű, s 9380 km-es bolygótávolságban 0,3 földi nap alatt kerüli meg a Marsot. A másik a Deimos, amely 1 6 * 1 2 km-es, marstávolsága 23 460 km, keringési ideje pedig 1,3 nap. Mindkét hold sűrűn kráterezett (a Phobos legnagyobb krátere 10 km átmérőjű - egy mindössze 28 km széles égitesten), s mindkettő olyan befogott kisbolygó lehet, amelyet a Mars a szomszédos aszteroida-övből szerzett magának gravitációs vonzása révén. A kisbolygók vagy aszteroidák kisméretű, kőzetekből és fémekből felépülő égitestek (jóval kisebbek a bolygóknál), amelyek többsége a Mars és a Jupiter közötti sávban, az ún. aszteroida-övben kering. Kis méretük miatt csak kevés napfényt vernek vissza, így első képviselőjüket csak a 19. század elején fedezték fel. Napjainkban már több ezer, katalógusba vett kisbolygóról tudunk, amelyek 2,2 és 3,3 csillagászati egység közé eső naptávolságban keringenek. Számos más kisbolygót is sikerült már megfigyelni, de nem lehetett elég ideig követni őket ahhoz, hogy pályájukat pontosan kiszámíthassák. Az aszteroida-övben több százezer olyan égitest keringhet, amely elég nagy ahhoz, hogy komolyabb földi távcsövekkel megfigyelhessük őket. Ennek ellenére mindössze öt ismert képviselőjük rendelkezik 300 km-nél nagyobb átmérővel, s csak 250 átmérője haladja meg a 100 km-t. A legtöbb ismert aszteroida átmérője 1 km körül van. Az aszteroida-öv ismert égitesteinek együttes tömege a Hold tömegének mintegy egynegyede

196 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

lehet; keringési idejük 3 és 6 év között változik, naptávolságuk függvényében. Az aszteroida-öv tagjainak nagyobb égitestté való összeállását a közeli Jupiter zavaró gravitációs hatása akadályozza meg, ami miatt az aszteroida-öv tagjainak összeütközései általában túlságosan nagyok ahhoz, hogy együtt maradhassanak és összetapadjanak. A különböző modellszámítások alapján az aszteroida-övben akár annyi anyag is lehetett, hogy négy Föld-méretű kőzetbolygót is létrehozhatnánk belőlük (illetve egy négy földtömegű bolygót). Az aszteroida-övből származó meteoritok egy része főképp fémes elemekből áll (vasmeteoritok), ami alapján arra következtethetünk, hogy e meteoritok egykor egy nagyobb égitest fémes magjához tartoztak. Az egyik legnépszerűbb jelenlegi modell szerint (amit persze megint csak nincs esélyünk tesztelni) az aszteroida-öv anyaga egykor mintegy nyolc Mars méretű égitestbe tömörült, amelyek később széttöredeztek, a Jupiter gravitációs hatására történő összeütközések miatt. A modell szerint ez a folyamat több százmillió évig tarthatott. Az egyik égitest olyannyira kimozdulhatott pályájáról, hogy a belső naprendszer mélyebb területére hatolva összeütközött a Földdel: ez lett volna a Holdat létrehozó „nagy loccsanás". A modell szerint az egyik objektum még ma is létezik: ez maga a Mars bolygó. Az összeütközött és összetört, széttöredezett égitestek anyagának egy része alkotja ma az aszteroida-övet, a törmelék nagy része azonban vagy a Napba zuhant, vagy elhagyta a naprendszert. Mindezek fontossága nyilvánvaló. Bár az aszteroidák többsége viszonylag stabil pályákon kering (mivel a nem ilyen pályákon keringők már rég kihajíttattak az övből), a Jupiter még mindig munkában van, s gravitációjával „lökdösi" őket. Az aszteroidák között ma is zajlanak összeütközések, s az ezekből származó törmelék időnként olyan pályára kerülhet, ami keresztezi a Föld pályáját. A naprendszer fiatal korában a belső bolygók felszínét intenzíven bombázó meteoritzápor még mindig nem ért véget, mindössze elcsendesedett - de egy több kilométeres test becsapódása például elég volt ahhoz, hogy véget vessen a dinoszauruszok uralmának. Szerencsére az ilyen események viszonylag ritkák; hosszú tá-

A NAP ÉS CSALÁDJA • 197

von, civilizációnk túléléséhez azonban szükség van arra, hogy megtanuljunk védekezni a kozmikus katasztrófák ellen. Az aszteroidák felségterülete és a naprendszer következő nagy öve között a legnagyobb kontrasztot találjuk a naprendszerben az apró, alaktalan szikladarabok birodalmából a naprendszer legnagyobb bolygójához, a Jupiterhez érkezünk, amelynek átmérője 143 000 km (ez egytizede a Nap átmérőjének), tömege pedig 318szorosa Földünkének (ez a Nap tömegének 0,1 százaléka). Ez a bolygók között hatalmasnak számító tömeg az, ami a Jupitert oly fontossá teszi, mivel gravitációs hatása az egész naprendszerben érezhető. Hatalmas tömegét annak a ténynek köszönheti, hogy a Naptól már viszonylag nagy távolságban benne tömörülhetett össze az eredeti anyagkorong gázanyagának jelentős része a naprendszer formálódásakor. A Jupiter anyagának 90 százaléka hidrogén, a maradék 10 százalék pedig szinte teljes egészében hélium, míg más gázok - pl. a metán és az ammónia - ehhez képest csak nyomokban fordulnak elő. A Jupiter átlagos naptávolsága 5,2 csillagászati egység, keringési ideje 11,86 év. A Jupiterről csak felsőfokon lehet beszélni. Felszíne sávos mintázatú, amelyet a légköri örvények alakítanak ki (ezek a Föld felső légkörében lévő futóáramlásoknak - ún. jet-streameknek - felelnek meg). A Jupiter legnagyobb vihara azonban a Nagy Vörös Folt, amely már legalább 300 éve van jelen a légkörben, s elég nagy ahhoz, hogy Földünket többször is betakarhatná. A Jupiter rendszerének esetében talán a legérdekesebb, hogy maga is apró kis naprendszerként működik, kiterjedt holdcsaládjának köszönhetően. Négy legnagyobb kísérőjét (Io, Europa, Ganymedes, Callisto) Galileo Galilei fedezte fel a 17. század elején. Ez a felfedezés - amely közvetlen bizonyíték volt arra, hogy nem minden a Föld körül kering-jelentős szerepet játszott a geocentrikus világkép megdöntésében. A Jupiternek ezenkívül több mint 20 apró kísérője van (ez a szám a felfedezések miatt folyamatosan emelkedik), amelyek közül jó néhány befogott aszteroida. A négy nagy, ún. Galilei-hold önmagában is csodálatos égitest. Az Iót kutató űrszondák megmutatták, hogy a vöröses, narancssárgás anyagokkal borított égitest a naprendszer vulkanikusan legaktívabb égiteste. A tűzhányó-tevékenységet a Jupiter árapályereje működteti, amely belső súrlódásokat kelt a hold anyagában. Az Europa ezzel ellentétben teljes egészében jéggel borított égi-

198 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

test, amelynek felszínét bonyolult törésrendszerek szabdalják. Az Europa anyagát szintén a Jupiter árapály-ereje melegíti, így a jégpáncél alatt minden valószínűség szerint folyékony vízóceán található, amely talán életnek is otthont adhat. A Jupitertől már távolabb keringő Callistót már nem melegíthetik ilyen mértékben az árapály-erők, s vastag jéggel borított felszíne a naprendszer legnagyobb krátersűrűségével büszkélkedhet. A Ganymedes, amely abszolút értelemben az egész naprendszer legnagyobb holdja, szintén jeges felszínnel bír, amely csak részben kráterezett. Egyes területeken sima, kevés krátert tartalmazó, friss jégfelszínek vannak, amelyek a nem túl távoli múltban keletkezhettek. A Jupiteren túli bolygók esetében a legtöbb szempontból egyfajta „leszálló ágat" tapasztalhatunk. A Szaturnusz már jóval kisebb a Jupiternél, átmérője már csak 9,4-szerese a Földének, tömege pedig 95-szerese. A Szaturnusz naptávolsága 9 és 10 csillagászati egység között változik, Nap körüli keringési ideje 29,46 év. A Szaturnusz rendszere azonban két szempontból igen figyelemre méltó - az egyik a híres gyűrűrendszer, amely miatt sokan a naprendszer legszebb bolygójának tartják, a másik gazdag holdrendszere, amely a naprendszer egyik legizgalmasabb holdját, a Titánt is tartalmazza. A Titán 5150 km-es átmérőjével csak egy kicsit kisebb a Ganymedesnél (amelynek átmérője 5262 km). A Titán fő jellegzetessége azonban az a vastag légkör, amely főként nitrogénből és metánból épül fel. A Titán felszíni légnyomása 1,6-szerese a földi értéknek, a hőmérséklet pedig -180 °C. Felszínét folyékony metántavak vagy metánóceánok boríthatják, a felhőkből pedig metáneső hullhat. A Titán olyan, mint a korai Föld kisebb és fagyott változata. Amikor Napunk élete vége felé majd vörös óriássá változik, a belső bolygók, pl. a Föld is igen barátságtalan hellyé válnak. A Titán azonban ekkor eléggé felmelegedhet ahhoz, hogy egy második esélyt adjon az élet kialakulásához a naprendszerben (a harmadik lehetőség az, hogy amennyiben az Europán valóban van élet, az ekkor virágzásnak indulhat). Mindez azonban még a távoli jövőbe vész. Ennél már sokkal előbb, 2004-ben bekövetkezik az, hogy az 1997 végén indított Cassini űrszonda egy leszállóegységet indít a Titán légkörébe, s a remények szerint ennek megfigyeléseiből következtethetünk a korai Föld légkörének összetételére, sőt talán magának az életnek az eredetére is. A Szaturnuszon túl további két óriásbolygó található. Az Urá-

A NAP ÉS CSALÁDJA • 199

nusz minden 84,01 évben kerüli meg a Napot, naptávolsága 18,31 és 20,07 csillagászati egység között változik. Tömege mindössze 14,5-szerese a Földének, átmérője pedig négyszerese. A Neptunusz, a legtávolabbi a nyolc valódi bolygó között, 164,79 év alatt kerüli meg központi csillagunkat, 30,06 csillagászati egység távolságban. Tömege kissé nagyobb az Uránusznál (17,2 földtömeg), átmérője viszont mintegy egy százalékkal kisebb. A Neptunusz, az utolsó nagy bolygó, csak harmincszor van messzebb a Naptól, mint a Föld. Ezt a csillagok közötti távolsággal összehasonlítva azt mondhatjuk, hogy a naprendszerben keringő bolygók gyakorlatilag szoros gyűrűben helyezkednek el a Nap körül. Ha az időbeli viszonyokat vizsgáljuk, akkor azt találjuk, hogy a fény 4,2 óra alatt érkezik el a Napból a Neptunuszra; ugyanehhez azonban a legközelebbi csillag esetében már 4,2 évre van szükség. A Neptunusz és a legközelebbi csillag között azonban még számos olyan égitest van, amely a Nap családjához tartozik. A Jupiter pályáján túl a Nap melegítő hatása már olyan elenyésző, hogy a naprendszer keletkezésekor visszamaradt törmelékek nem csupán kőzetekből és fémekből álló kisbolygókként, hanem jeges égitestekként is létezhetnek (bár e hatalmas jégtömbökbe is rengeteg kőzetanyag ágyazódik). E kozmikus jéghegyek a fagyott vízen kívül számos más anyagot tartalmaznak - szilárd halmazállapotú szén-dioxidot, metánt és ammóniát. Némelyikük pályája időnként úgy módosul, hogy behatol a belső naprendszer területére is, s közel kerül a Naphoz. A napsugárzás hatására anyaga szublimálni kezd, s emiatt először egy ködös burok (ún. kóma), majd a napszél hatására egy hosszú csóva alakul ki mellette, amelynek anyaga visszaveri a napfényt - a jeges csomó így gyönyörű üstökössé változik. A Naptól távolodva aztán a csóva eloszlik, elhalványul, a burok anyaga pedig visszafagy a felszínre, s az objektum ismét egy jellegtelen, jeges törmelékké válik. Az üstökösök pályáinak elemzése alapján megállapították, hogy a jeges csomók, vagyis az üstökösmagok egy olyan anyagfelhőből erednek, amely gömbszimmetrikusan veszi körül a Napot. E felhő mintegy félúton van a legközelebbi csillaghoz vezető úton, kb. százezer csillagászati egység, vagyis két fényév távolságban. Egy tipikus üstökösmag kb. 100 m / s sebességgel kering e felhőben a Nap körül, s ezt akár 4 milliárd éve, a naprendszer kialakulása óta teheti. Időnként azonban valamilyen külső hatásra, például egy

2 0 0 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

mellettünk elhaladó csillag gravitációja miatt az üstökösmagok némelyike a belső naprendszer felé veheti útját. Bár némileg felgyorsul, így is millió évekig tarthat, míg eléri a Nap közelebbi környezetét. A belső naprendszerbe látogató égitestek némelyikét a nagybolygók (főleg a Jupiter) gravitációs hatása egy rövidebb, elnyúlt ellipszispályára állíthatja, s így - mint például a Halley-üstökös esetében - periodikus üstökös válik belőle: néhány évtizedenként vagy évszázadonként újra meg újra felbukkanhat a Nap közelében. A gyakori látogatások miatt aztán anyaga teljesen elszublimál, s csak a pályáján szétterülő kőzet- és poranyag marad vissza belőle. Amikor Földünk keresztülhalad egy ilyen, üstökösökből kiszóródott anyagfelhőn, az égbolton hullócsillagok sokasága tűnik fel. Ezek valójában meteorok, s a homokszemcsénél nem nagyobb porszemcsék légkörbe kerülése okozza a jelenséget. Ha azonban egy üstökösmag érné el Földünket, egy nagyobb aszteroida becsapódásához hasonló pusztítást okozhatna - sőt még annál is nagyobbat, mivel nagyobb sebességgel halad, s több mozgási energiája van, mint egy ugyanolyan tömegű aszteroidának. Valószínűnek tűnik, hogy a kréta végi nagy kihalást előidéző becsapódást nem egy kisbolygó, hanem egy üstökösmag okozhatta. Főképpen a Jupiternek köszönhető, hogy az üstökösök a mai helyükre kerültek, vagyis messze, a naprendszer határára. A bolygókeletkezés ideje alatt ugyanis hatalmas mennyiségben kellett keringeniük a Jupiter és a Neptunusz mai pályája között, később azonban - akárcsak a kisbolygó-öv eredeti törmelékanyagát - a Jupiter és más óriásbolygók gravitációs hatása kisöpörte őket a bolygórendszerből: pályáik úgy változtak meg, hogy vagy a Napba zuhantak, vagy a csillagközi tér felé vették útjukat. Egy jeges törmelékgyűrű azonban így is visszamaradt, közvetlenül a Neptunusz pályáján túl. Az itt keringő égitesteket csak az utóbbi évek során fedezték fel, de az eddig felhalmozódott bizonyítékok alapján rengeteg lehet belőlük. E második kisbolygó-övnek is nevezett tartomány a Kuiper-öv. A keresztmetszetben inkább súlyzóra emlékeztető öv összefüggésben lehet a gömb alakú, messzebb elhelyezkedő, az imént már említett anyagfelhővel, az ún. Oort-felhővel is. Összességében tehát több százmilliárd üstökösmag létezhet, össztömegük azonban még így is csak néhányszorosa lehet a Földének. Az eddig észlelt legnagyobb kozmikus jéghegyek átmé-

A NAP ÉS CSALÁDJA • 2 0 1

rője néhány száz kilométer. A legnagyobb közülük azonban a Kuiper-öv eddig ismert legnagyobb objektuma, a Plútó. A naprendszer e tartományában végső soron minden égitest pályáját befolyásolja a Jupiter gravitációja. Az égitest ezáltal vagy a naprendszer belső részének tagjává válik, vagy kihajítódik a naprendszerből. Ha az előbbi eset valósul meg, valószínű, hogy a hő miatt feldarabolódik, s a belső naprendszerben hasonló pályákon mozgó üstökösök alakulnak ki belőle. Még ha ezen üstökösök egyike sem találja el a Földet, akkor is nagy hatást gyakorolhatnak bolygónk éghajlatára: a belőlük kiszóródó finom poranyag elég ahhoz, hogy jelentős mértékben gátolja a Napból a Földre érkező sugárzást. Néhány csillagász szerint a földi jégkorszakok egy részét ilyen hatások váltották ki. Ha ez valóban így van, akkor az élővilág és a civilizáció fejlődését a csillagok közvetlenül is befolyásolhatják, bár teljesen más módon, mint ahogyan azt az asztrológusok állítják. Egy átvonuló csillag ugyanis kilökhet egy-egy nagyobb üstökösmagot az Oort-felhőből, amely a belső naprendszerben feldarabolódik, s a kiszóródó poranyag miatt jégkorszak következhet be. Ezek az elképzelések azonban igen spekulatívak, s valószínűleg soha nem tudjuk majd ellenőrizni, hogyan zajlanak az ilyen események valójában. Ennek ellenére arra emlékeztetnek bennünket, hogy naprendszerünk nem elszigetelt terület, hanem egy jóval nagyobb alakzat, a tejútrendszer egyik alkotórésze. Ahhoz, hogy saját csillagrendszerünket megfelelő perspektívából tanulmányozhassuk, meg kell vizsgálnunk a csillagok alapvető tulajdonságait, születésüket, életüket és halálukat.

10. A csillagok életútja

Az egész természettudomány egyik legfantasztikusabb eredménye, hogy jó modellekkel rendelkezünk arra, mi megy végbe a csillagok belsejében - miképpen születnek, milyen az életútjuk, és hogyan pusztulnak el. Számunkra a csillagok nem tűnnek többnek az égbolton pislákoló fénypontoknál, amelyek olyan hatalmas távolságokban vannak, hogy még a fénynek is igen sokáig olykor több száz vagy több ezer évig - tart, míg elér tőlük hozzánk. (Az, hogy egyszer pontosan meg tudjuk majd határozni a csillagok távolságát, kevesebb mint kétszáz évvel ezelőtt még alaposan meglepte volna a csillagászokat). A csillagokban végbemenő folyamatokat éppen ezért nem tanulmányozhatjuk közvetlenül. Bár az atomok és részecskék világa is kívül esik hétköznapi tapasztalatainkon (mivel például nem láthatjuk őket a saját szemünkkel), földi laboratóriumokban közvetlenül vizsgálhatjuk őket bizonyos kísérleti körülmények között, s számos rájuk vonatkozó modellt ellenőrizhetünk. Az irdatlan távolságokban lévő csillagokkal más a helyzet. Még ha ezt meg is tehetnénk, akkor sem élnénk meg a kísérletek végeredményét - nem csupán azok veszélyessége miatt, hanem azért sem, mert az öregkor jóval előbb utolérne bennünket. A csillagfejlődési modellek szerint a legtöbb csillag milliárd évekig él. Egy ember átlagos élettartama jóval száz esztendő alatt van, sőt egész civilizációnk teljes időtartama sem több körülbelül száz emberöltőnél, vagyis kevesebb, mint tízezer év. Hogyan is gondolhatja valaki komolyan, hogy megvizsgálhatjuk egy milliárd évekkel ezelőtt létrejött csillag keletkezési körülményeit, vagy megtudhatjuk, mi lesz a sorsa évmilliárdok múlva?

A CSILLAGOK ÉLETÚTJA • 2 0 3

A csillagok szerkezetét és evolúcióját 1 leíró modellek a modern tudomány legnagyobb teljesítményei közé tartoznak, s nagy pontossággal ellenőrizték őket. E modellek a csillagok közvetlen és számos módszerrel (köztük a színképelemzéssel) történő megfigyelésén, számítógépes szimulációkon (amelyek a fizika ismert törvényei segítségével próbálják meg leírni a csillagok belsejében végbemenő folyamatokat) és olyan konkrét kísérleteken alapulnak, amelyek a csillagokban uralkodó körülmények között lejátszódó részecskefizikai eseményeket vizsgálják. E módszerek mindegyike tudományos alapokon nyugszik. A kulcsfontosságú elem azonban - ami nélkül az egész szinte semmit nem érne - a színképelemzés, vagyis a spektroszkópia. Mint azt a 2. fejezetben már kifejtettük, a színképelemzés lehetővé teszi az asztrofizikusoknak, hogy a csillagok fényének elemzésével megállapítsák a csillagok felszínének (pontosabban légkörének) kémiai összetételét. A Nap fényének színképelemzésével azonosított Norman Lockyer több mint száz évvel ezelőtt egy korábban ismeretlen elemet, a héliumot (amely éppen ezért a Nap görög elnevezéséről - héliosz - kapta a nevét). A csillagok fényében lévő különböző energiaszintű - ezért különböző színű - fotonok a hőmérsékletről is információkat szolgáltatnak, az abszolút fekete test sugárzási görbéjének alkalmazásával, ami oly fontos volt, amikor Max Planck az első lépéseket tette a kvantumfizikában. Ha ismerjük a csillag felszíni hőmérsékletét és tömegét, akkor alapvető fizikai törvények (mint például egy gáz nyomása és hőmérséklete közötti összefüggés) és számítógépes modellek alkalmazásával a csillag belső hőmérsékletére, nyomására, sűrűségére stb. is következtethetünk. (Azt, hogy hogyan tudjuk meg egy csillag tömegét, a későbbiekben röviden megmagyarázzuk.) Ha pedig ismerjük a csillagok belsejében uralkodó hőmérsékletet és nyomást, ha ismerjük a csillag kémiai összetételét, akkor tudjuk, milyen atommag-reakciók mehetnek végbe ilyen körülmények között. Földi laboratóriumi kísérletek alapján megállapítható, hogy ezek a reakciók mennyi energiát termelnek. Ez összevethető a csillag által kisugárzott energiával, s a modellek úgy finomíthatok, hogy az elmélet és a valós megfigyelések minél inkább megfelel1

A csillagászok az evolúció kifejezést egy égitest fejlődésének leírásakor alkalmazzák. Ez nem azonos a darwini evolúcióval - a csillagok vagy galaxisok egyes típusait nem cserélik le más „kozmikus fajok".

204 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

jenek egymásnak. Minden gyönyörűen összeáll, s közben a fizikai ismeretek legszélesebb skálája kerül alkalmazásra, olyan alapvető dolgoktól, amelyekre a fizikusok nem is gondoltak (mint például a hőmérséklet-nyomás összefüggés) a legbonyolultabb magfizikai kísérleti eredményekig. Az asztrofizika sikere sok szempontból a számos tudományos módszer összegződésének eredménye, s igen szépen bizonyítja, hogy az egymástól elkülönítve megismert fizikai folyamatok és jelenségek a természetben egymással összefüggésben, egységes egészként jelentkeznek. S mindeme folyamatok a legkönnyebben természetesen a legközelebbi csillagon, a Napon tanulmányozhatók. Az asztrofizika megszületésének időpontja egészen pontosan meghatározható, s egy olyan előadáshoz köthető, amelyet az asztrofizika egyik úttörője, Arthur Eddington mondott el Cardiffban, a Brit Társaság a Tudományos Haladásért éves közgyűlésén 1920 augusztusában. A 20. század kezdetéig nagy rejtély volt a csillagászok számára, hogyan termeli a Nap az energiát. Az akkoriban már többé-kevésbé elfogadott geológiai bizonyítékok, továbbá Darwin evolúciós elmélete szerint a Földnek - és ebből következően a Napnak is - igen idősnek kellett lennie. Azonban egyetlen ismert energiatermelő folyamat (mint például a szén elégése) sem magyarázhatta, hogyan volt képes a Nap olyan hosszú ideig sugározni, amit a geológiai és evolúciós folyamatok megkívántak. A helyzetet a radioaktivitás - ami az atommag-reakciók energiatermelésének módját tárta fel - változtatta meg. Albert Einstein híres képlete pedig - amely az anyag és az energia közötti ekvivalenciát (egymásnak való megfelelést) írta le - meghatározta ezen energia mértékét is. Kezdetben azonban a legtöbben húzódoztak attól, hogy elfogadják az új elméletek következtetéseit. Egy dolog volt elfogadni, hogy az atommag-reakciók miatt érezzük melegnek a kezünkben lévő rádiumot; de nagy lélektani ugrás kellett ahhoz, hogy hasonló folyamatokkal magyarázzuk a nap hihetetlen mértékű energiatermelését, amely - Einstein egyenlete szerint - 5 millió tonna anyag nyugalmi energiáját alakítja át tiszta energiává másodpercenként. Egy jó ideig még sokan kapaszkodtak abba a 19. századi elméletbe, hogy a csillagok - például a Nap is - egész életükben elég energiát nyerhetnek pusztán abból, hogy saját tömegük miatt igen lassan összehúzódnak, s a gravitációs (helyzeti) energia szabadul

A CSILLAGOK ÉLETÚTJA • 205

fel hő formájában. Az igazság azonban az, hogy ebben az esetben központi csillagunk csak néhány tízmillió évig ragyoghatott volna. Eddington volt az, aki e teóriát végleg megcáfolva a helyes útra terelte a csillagászokat, így szólva kollégáihoz a fent említett konferencián: Az összehúzódási (kontrakciós) elméletet csupán a hagyományok tehetetlensége tartja életben, bár valójában egy elföldeletlen hulláról van már szó. Ha elföldeljük ezt a hullát, szabadon megvizsgálhatjuk azt a helyzetet, amiben most vagyunk. Egy csillag olyan hatalmas mennyiségű energiát termel, hogy ennek forrása egyeló're ismeretlen számunkra. Ez az energiaforrás azonban aligha lehet más, mint a szubatomi energia, amely minden anyagban bőségesen létezik. Néha arról álmodozunk, hogy az ember egy napon majd megtanulja felszabadítani és saját céljaira fordítani ezt az energiát. Ez a forrás kiapadhatatlan - csak meg kellene csapolnunk. A Napnak mindenesetre elégséges ahhoz, hogy már 15 milliárd éve sugározzon...

A következő években Eddington bebizonyította, hogyan alkalmazhatók még a legegyszerűbb fizikai törvények is a csillagok természetének megértéséhez. Ha egy csillag egyensúlyban van - nem tágul és nem is húzódik össze -, akkor a befelé ható gravitációs erőt egy kifelé ható erőnek, a forró csillaganyag nyomásának kell ellensúlyoznia. A fizika törvényei szerint egy meghatározott mennyiségű anyagot tartalmazó, belső nyomással rendelkező gázgömbnek meghatározott méretűnek és belső hőmérsékletűnek kell lennie, s bizonyos mennyiségű energiát kell kisugároznia - akárhonnét is származik ez az energia. A Nap tömegét egészen pontosan ismerjük, a körülötte keringő bolygókra gyakorolt gravitációs hatásából számítva. Számos csillag tömege kiszámolható hasonló módszerrel, mivel sokuknak van tárcsillaga, amelyekkel együtt kettős vagy több tagból álló rendszert alkotnak. Ha e csillagrendszerek elég közel vannak hozzánk, a rendszer tagjainak pályajellemzőit meghatározhatjuk, amelyből kiszámítható a tömegük (ebben megint a színképelemzés siet segítségünkre, mivel a csillagok színképvonalainak ún. Doppler-eltolódása információt nyújt keringési sebességükről). A csillagok által kibocsátott energiamennyiség szintén megbecsülhető, ha meghatározzuk látszólagos fényességüket, s ezt össze-

206 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

vetjük távolságukkal. Ez az, amiért a távolság-meghatározás nagyon fontos. Az első pontos távolságméréseket még a legközelebbi csillagok esetében is csak az 1830-as évek végén sikerült elvégezni. Ehhez az ún. parallaxis módszert használták - ez a földi háromszögelési távolságmérésekhez hasonlatos, amikor egy távoli objektumot két különböző álláspontról veszünk szemügyre, megmérve a két látóirány közötti szögtávolságot. Ennek és a két mérési pont távolságának (az ún. bázisvonalnak) ismeretében trigonometriai számításokkal megadható a vizsgált objektum távolsága. A módszer csillagászati alkalmazásánál a földpálya átmérőjét - vagyis a közepes Föld-Nap távolság kétszeresét - használják bázisvonalként. 2 A méréseket így hat hónapos időkülönbséggel kell elvégezni, amikor a Föld pályájának két átellenes pontján tartózkodik. E mérési módszer azonban csak viszonylag közeli csillagok esetében alkalmazható: csak néhányuk helyzete változik meg érzékelhetően a távolabbi csillagok háttere előtt. E hatás neve parallaxis, s a következőképpen érzékeltethető: ha kinyújtott karunk végén egyik ujjunkat felváltva nézzük jobb és bal szemünkkel, akkor a háttérhez képest elmozdulni látszik. Ha a mért szög fele éppen egy ívmásodperc-vagyis a földpálya fél nagytengelye az adott csillagról ilyen szög alatt látszik-, akkor a csillag egy parszekre van tőlünk (a parallaxis és a szekundum (másodperc) kifejezések összevonásából). Egy parszek körülbelül 3,26 fényév távolsággal egyenlő, amely kissé több mint a közepes Nap-Föld távolság 206 000-szerese. Az első csillagok, amelyek távolságát alig több mint másfél évszázada ilyen módon meghatározták, a 61 Cygni (3,4 parszek, kb. 11 fényév), az Alfa Lyrae (8,3 parszek, 27 fényév) és az Alfa Centauri voltak. Az utóbbiról ma már tudjuk, hogy egy hármas rendszer, amelynek egyik tagja, a Proxima Centauri a Naphoz legközelebbi csillag (távolsága 1,3 parszek, vagyis 4,24 fényév). Ez azt jelenti, hogy a hozzánk legközelebbi csillag mintegy 7000-szer van messzebb, mint a Plútó a Naptól. Az elmúlt évtizedben számos kevésbé közeli csillag távolságát mérték meg a parallaxis módszerrel és nagy pontossággal, de a világűrben keringő Hipparcos műholdról, kiküszöbölve a légkör zavaró hatásait. Más geometriai módszerek használatával - amelyekkel például a csilla2

A földpálya átmérőjét is hasonló technikával határozták meg a naprendszerben.

A CSILLAGOK ÉLETÚTJA • 207

gok sajátmozgását vizsgálták - további, még messzebb lévő csillagok és csillaghalmazok távolságát sikerült megállapítani. Mindezek a technikák már elég adatot szolgáltattak azoknak a csillaghalmazoknak a távolságáról, amelyekben a csillagászati távolságmérési eljárások során használt legfontosabb objektumokat, az ún. cefeida-változócsillagokat találjuk. A cefeidák legcsodálatosabb tulajdonsága - amiért valóban csillagászati mérföldkövekként használhatjuk őket -, hogy igen szabályosan változtatják fényességüket, s hogy a fényességváltozások periódusa (azaz a csillag váltakozó kifényesedésének és elhalványulásának üteme) minden esetben a valódi átlagos fényesség függvénye. Ha tehát megmérjük egy cefeida fényességváltozási periódusát, és meghatározzuk látszólagos fényességét, aztán a látszó fényességet összevetjük a periódus-fényesség kapcsolatból (relációból) meghatározott valódi (abszolút) fényességgel, akkor meghatározhatjuk a távolságát. Ez éppen olyan, mintha egy 100 wattos izzó távolságát abból a tényből állapítjuk meg, hogy az adott távolságban milyen fényesnek látszik: nyilvánvaló, hogy minél halványabb, annál messzebb kell lennie. Ez a módszer kevés adaton alapulva bár, de mégiscsak működött; a Hipparcos eredményei előtt szó szerint csak egy maroknyi cefeida távolsága volt ismeretes. Ez volt az a néhány csillag, amelyre a periódus-fényesség relációt alapozták. Ezután vált lehetővé, hogy meghatározzák a tejútrendszer cefeidákat tartalmazó csillaghalmazainak távolságát, sőt ugyanezt elvégezzék a legközelebbi szomszédos galaxisokban is (részletesebben lásd a következő fejezetben). Ugyancsak ebből tudtuk meg, hogy a tejútrendszer lapos korongjának átmérője mintegy 30 kiloparszek (98 000 fényév), hogy a korong legnagyobb vastagsága (a mag körüli kidudorodásnál) mintegy 4 kiloparszek (azaz 13 000 fényév), s hogy a korongot körülvevő gömb alakú térrész, a gömbhalmazokat tartalmazó ún. halo kiterjedése 150 000 fényévnél is nagyobb lehet. Kiderült az is, hogy a Nap, ez a teljesen közönséges csillag a galaxis egyik spirálkarjában, a centrumtól körülbelül 9 kiloparszeknyi (mintegy 30 000 fényévnyi) távolságban helyezkedik el. A tejútrendszer korongjában lévő csillagok fejlődését viszonylag könnyen tanulmányozhatjuk, mivel (legalábbis számos esetben) képesek vagyunk megmérni távolságukat és fényességüket, meghatározhatjuk tömegüket, illetve a színképelemzés segítségé-

208 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

vei kémiai összetételüket. Van azonban még egy igen jól használható eszközünk: a statisztika. A csillagok száma oly nagy, hogy a csillagfejlődés minden állapotában megfigyelhetjük őket, majd az észlelt jellemzőket összevethetjük elméleti modelljeink jóslataival - ez esetben ez a hipotézis kísérletekkel történő ellenőrzésének csillagászati megfelelője. Ez ugyanolyan módszer, mintha egy fa életének különböző állomásait úgy próbálnánk megérteni, hogy csak néhány hetet töltünk az erdőben. Bár egy fa teljes kifejlődését nem figyelhetjük meg, a fák életének minden állomását tanulmányozhatjuk: csírázó magvakat, facsemetéket, felnőtt, életerős fákat és korhadó rönköket. A csillagok belsejében történő folyamatok leírásához használatos fizikai törvények igen egyszerűek (sokkal egyszerűbbek, mint amelyek a fák életfolyamatainak megértéséhez szükségesek). Mint azt már említettük, a magas nyomáson és hőmérsékleten az elektronok leszakadnak az atommagokról, amelyek így egy tökéletes gáz alkotóelemeiként viselkednek. Ebben az elektromosságot jól vezető csillaganyagban, az ún. plazmában a gyorsan mozgó töltött részecskék mozgási energiájának egy része sugárzássá alakul, másfelől e sugárzás lép kölcsönhatásba más töltött részecskékkel, s végső soron egy olyan belső nyomás jön létre, amely részben a plazma saját nyomásából, részben az ún. sugárnyomásból tevődik össze, s amely ellenáll a csillag saját tömegéből származó gravitációnak. Egy felnőtt, stabil állapotú csillag méretét e nyomás és a gravitáció kettőse határozza meg. Amennyiben azonban egy ilyen plazmagömb egy bizonyos tömegnél több anyagot tartalmaz, akkor belsejében a körülmények olyan szélsőségessé válnak, hogy a gyorsan mozgó részecskék által kibocsátott hatalmas mennyiségű elektromágneses sugárzás energiája szétvetheti a csillagot. Eddington rájött, hogy három és csak három sors lehetséges egy saját tömege alatt összetömörülő űrbeli gázgömb számára. Ha tömege, így a belső hőmérséklete nem elégséges ahhoz, hogy plazmaállapot alakuljon ki benne, akkor egy hideg gázgömb marad, ahol csak a gáz nyomása áll ellen a további gravitációs összehúzódásnak, mint például a Szaturnusz esetében. Ha valamivel nagyobb tömegű, akkor csillag válhat belőle, amelyet a plazma nyomása és a sugárzási nyomás együtt tart stabil állapotban. Ha viszont egy bizonyos tömegnél nagyobb, akkor rövid ideig ragyogó forró gömb válik belőle, mielőtt szétveti a hatalmas sugárzási nyomás. Ezen egy-

A CSILLAGOK ÉLETÚTJA • 209

szerű megfontolásokból kiindulva Eddington meghatározta, hogy milyen tömeghatárok között jöhetnek létre csillagok egy összetömörülő gázanyagból. E számítások eredményei attól függenek, hogy a modellben szereplő csillagnak milyen kémiai összetételt tételezünk fel - ettől függ ugyanis az atommagokról leszakadó elektronok mennyisége. Emiatt Eddington korabeli számításainak eredményei nem pontosan egyeznek a módszer mai alkalmazásából nyert adatokkal. A lényeg azonban annak ellenére változatlan maradt, hogy ma már sokkal többet tudunk a csillagok felépítéséről, mint Eddington az 1920-as években. Eddington arra kérte olvasóit, hogy képzeljenek el különböző tömegű gázgömböket: a sorozat első tagjának tömege legyen 10 (10 1 ) gramm, a másodiké 100 (10 2 ) gramm, a harmadiké 1000 (10 3 ) gramm és így tovább, egészen az n-edik gömbig, amelynek tömege 10n gramm. Az alapvető fizikai törvényeket figyelembe véve Eddington azt találta, hogy stabil csillagok csak a sorozat 32-35. tagjai lehetnek, tehát olyan gázgömbök, amelyek tömege 10 32 -10 35 gramm. Nézzük, mi a helyzet, ha e feltételezést a valódi égitestek megfigyelésével ellenőrizzük! A sorozat 31. tagja, 10 31 gramm tömeggel olyan objektum, amelynek tömege durván ötször nagyobb a Jupiterénél. Elég nyilvánvaló, hogy a Jupiter hideg óriásbolygó, nem pedig egy fénylő csillag. A sorozat 32. tagjának tömege (10 32 gramm) körülbelül a Nap tömegének egytizede. Az ilyen objektumok között már törpecsillagokat találunk. Vagyis ahhoz, hogy egy gázgömb csillaggá váljék, tömegének jó néhányszor meg kell haladnia a Jupiter tömegét, s meg kell közelíteni a 0,1 naptömeget. 3 A Nap a sorozat közepe felé foglal helyet (10 33 gramm), léteznie kell viszont százszor nagyobb tömegű (10 35 gramm) csillagoknak is. Valóban, a legnagyobb tömegű ismert csillagokra ez jellemző. Egy másik igen fontos megállapítás, ami Eddington vizsgálataiból kiderült, hogy a csillagok belsejének hőmérséklete - fényességüktől és tömegüktől függetlenül - közel azonos kell hogy legyen. Eddington ezt a hőmérsékletet 40 millió °C-ra becsülte, mivel túl sok elektron jelenlétét tételezte fel; a modern számítások, a pontosabb összetétel ismeretében ezt az értéket 15-20 millió °Cra csökkentették. Eddington egyik főművében, A csillagok belső 3

van jelen.

Egy minimális tömeggel rendelkező csillagban is k

210 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

összetételében (The Internal Constitution of the Stars, CUP, 1926) összegezte megállapításait, azelőtt, hogy a kvantumfizikai alaptételeit lefektették volna. Különleges, ismert fényességű és tömegű csillagok példáján keresztül, egyszerű fizikai törvények alkalmazásával jött rá a dolog lényegére. Annak oka, hogy minden csillag belső hőmérséklete ugyanolyan, egy negatív visszacsatolási, vagyis önszabályozó folyamat. Ha egy csillag egy kissé összehúzódik, a belseje a felszabaduló gravitációs energia miatt forróbbá válik. Emiatt viszont kitágulhat, visszaállítva eredeti méretét. Vagy tételezzünk fel egy folyamatosan táguló csillagot. A táguláshoz felhasznált energia elvesztése miatt hőmérséklete, ezért a belső nyomása is csökken, így a gravitáció előbb-utóbb megint összehúzza. A csillagok tehát egy „beépített termosztáttal" rendelkeznek, amely folyamatosan az atommagreakciókhoz megfelelő hőmérsékleten tartja magjukat. Ennek az önszabályozásnak az ismerete segíthet annak a kérdésnek a megválaszolásában, amellyel a csillagászat oktatóinak generációi tették már próbára új hallgatóikat. A kérdés úgy szól, hogy az atommag-reakciók milyen hatást gyakorolnak a csillag belsejének hőmérsékletére. A nyilvánvalónak tűnő válasz, hogy ezek a folyamatok emelik a csillagmag hőmérsékletét - ez a válasz azonban hibás. Az atommag-reakciók nélkül, amelyek energiát és ezáltal a gravitációnak ellenálló belső nyomást állítanak elő, a csillag magja fokozatosan zsugorodna, így hőmérséklete is emelkedne. Az atommag-reakciók tehát tulajdonképpen hűtik a csillagmagot, viszonylag alacsony hőmérsékleten tartva azt. Az 1920-as évek elején a fizikusok Eddington egész elméletét elvetették és abszurdnak tartották. Ennek oka, hogy akkor már tudták, mennyi mozgási energia szükséges ahhoz, hogy a protonok - leküzdve a közöttük ható elektromos taszítóerőt - olyannyira megközelítsék egymást, hogy összeolvadva hélium-atommagot hozzanak létre; s feltételezték, hogy az Eddington által a csillagok magjában feltételezett hőmérséklet ennek eléréséhez nem elegendő. Eddington felhívta a figyelmet arra a tényre, hogy az általunk ismert héliumkészletnek valahol és valamikor létre kellett jönnie, majd kissé fanyar humorral azt tanácsolta, hogy aki szerint a csillagok belseje sem elég forró ilyen eseményekhez, azokkal vitatkozni sem hajlandó, s azt javasolja nekik, hogy keressenek még melegebb helyet. E szavakat értelmezik általában úgy,

A CSILLAGOK ÉLETÚTJA • 211

hogy Eddington a pokolba kívánta e kritikusait. S miközben a fenti szavakat tartalmazó könyvet éppen nyomda alá rendezték, a fizikában egy új korszak vette kezdetét a kvantummechanika forradalmával. Néhány éven belül, George Gamow munkája nyomán, aki a kvantummechanika alapelveit alkalmazta az atommagok fúziójára, kiderült, hogyan lehetséges a hidrogén-atommagok egyesülése hélium-atommagokká a csillagok belsejében uralkodó hőmérsékleteken. Az asztrofizika diadala volt ez, amely végképp megalapozottá, s következő negyven év egyik legizgalmasabb tudományágává vált. Nem mehetünk bele a kutatások minden apró részletébe, de reméljük, hogy az előbbiekben megismert dolgok alapján - amelyek leírják, mi megy végbe az olyan egyszerű dolgok, mint például a csillagok belsejében - a kedves Olvasó is elhiszi, hogy az asztrofizikusok valóban tudják, miről beszélnek, amikor a csillagok életútját taglalják. Nos, lássuk tehát ezt az életciklust részletesen, felvértezve az Eddington óta gyűjtött legfontosabb információkkal, no meg a legjobb és legutolsó számítógépes szimulációkkal. Egy, a mai tejútrendszerhez hasonló galaxisban a csillagkeletkezés folyamatosan zajlik, újra és újra feldolgozva a csillagközi por- és gázfelhők anyagát. A felhőkbe ágyazódó fiatal, forró csillagok körül porkorongok keringenek (ezekből formálódnak majd a bolygók). A korongokra merőlegesen, a fiatal csillagok poláris területeiről anyagkilövellések indulnak, amelyek a csillag sugárnyomása miatt alakulnak ki. A csillagközi felhők (nebulák) anyaga elég hideg ahhoz, hogy stabil molekulák létezhessenek bennük (például szén-monoxid), így molekulafelhőknek is nevezik őket. A tejútrendszer központi síkjában fekszenek, átmérőjük néhány fényév, sűrűségük pedig igen kicsi: köbcentiméterenként csak 100010 000 molekulát (atomot) tartalmaznak. A felhők anyaga szinte teljesen hidrogénből és héliumból áll (közel 75, illetve 25%), a nehezebb elemek csak nyomokban fordulnak elő. A csillagkeletkezés akkor indul meg, ha a felhők anyaga valamilyen külső hatásra összesűrűsödik, s megkezdi összeomlását. Az összeomlás egy bizonyos sűrűség (tömeg) felett már a felhő anyagának saját gravitációja miatt folytatódik, s a felhő anyaga csomókra tagolódik, amelyekből egyedülálló csillagok, illetve kettős vagy többes rendszerek jönnek létre. A ma lejátszódó csillagkeletkezési folyama-

212 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

tok a tejútrendszer, illetve más spirálgalaxisok esetében is közvetlenül a spirálkarokhoz kapcsolódnak (a csillagvárosok másik nagy típusa, az elliptikus galaxisok esetében nem figyelhetünk meg spirális szerkezetet a korongban, s ezekben a galaxisokban ma nem is zajlanak csillagkeletkezési folyamatok). A tejútrendszer korongjában lévő csillagok - csakúgy, mint sok más galaxis korongjában - spirális mintázatba tömörülnek; ez igen hasonló ahhoz, amit egy csésze kávéba öntött tejszín megkeverésével látunk kialakulni. A spirális mintázat a galaxisok korongjában végighaladó sűrűséghullámok miatt jön létre. Ez hasonló ahhoz, mint amikor a hanghullámok összenyomják a levegőt, de annak egyes molekuláit többé-kevésbé ugyanazon a helyen hagyják, s nem mozdítják el jelentős mértékben. Ugyanezen az elven, a galaxisok korongján áthaladó sűrűséghullámok miatt a csillagok és csillagközi anyagfelhők összetorlódnak, de a hullám áthaladása után nagyjából eredeti helyükön maradnak. Az összenyomódás hatására a csillagközi felhők anyagában sűrűsödések keletkeznek, s megkezdődik anyaguk részleges összeomlása, amely csillagkeletkezéshez vezet. Az így kialakuló nagy tömegű csillagok igen gyorsan (néhány millió év alatt) élik le teljes életciklusukat, amit általában hatalmas szupernóva-robbanással végeznek be. A rövid életidő miatt e csillagok nem tudnak jelentősen eltávolodni keletkezési helyüktől, így a robbanások ahhoz a területhez közel történnek, ahol a sűrűséghullámok is éppen kifejtik hatásukat. A szupernóva-robbanások lökéshullámai így további anyagfelhőket préselnek össze, s további, úgynevezett másodlagos csillagkeletkezési folyamatokat váltanak ki. Így, bár maga a galaxis korongján végighaladó sűrűséghullám láthatatlan, útját az aktív csillagkeletkezési területek forró, fényes, fiatal csillagainak tömege szegélyezi, amelyek közvetlenül vagy közvetve, de a hullám áthaladásának köszönhetik létrejöttüket. Az ilyen „csillagbölcsődék" egyik klasszikus példája az Orion csillagkép területén figyelhető meg. Itt található az Orion-köd néven ismert hatalmas por- és gázfelhő, amelyet a belsejében ragyogó fiatal csillagok fénye világít meg. A tejútrendszernek abban a részében, ahol Napunk helyezkedik el, a csillagok néhány parszeknyi távolságban fekszenek egymástól, s körülbelül egy-egy csillag jut egy köbparszeknyi térfogatra; az Orion-köd csillagbölcsődéjében azonban a csillagok közti távolság mindössze egyti-

A CSILLAGOK ÉLETÚTJA « 213

zed parszek, s ugyanekkora térfogatba tízezernyi fiatal csillag zsúfolódik. E nagy csillagsűrűség tipikusnak mondható a csillagkeletkezési területeken, bár létrejöttük után azonnal megkezdik szétszóródásukat, amint mindegyikük saját pályáján kering a tejútrendszer központja körül. Nézzük azonban, mi történik egy csillaggal megszületése után. Az alapvető probléma, amivel egy csillaggá formálódó összeomló anyagfelhőnek szembe kell néznie, hogy miképpen szabadulhat meg az impulzusmomentumától. Mint már korábban láttuk, ezért formálódnak anyagkorongok, ezekben pedig bolygók a fiatal csillagok körül. Sok impulzusmomentumot szállítanak el az anyagkilövellések is. Gyakran előfordul továbbá, hogy az összeomló felhő magja két darabra esik szét, s két, egymás körül „tisztes" távolságban keringő protocsillag alakul ki - ez a keringés szintén impulzusmomentumot tárolhat, méghozzá olyan módon, ami nem akadályozza a csillaggá fejlődés folyamatát. S még az sem szokatlan, hogy a két protocsillag tovább darabolódik, dupla kettős rendszert alakítva ki. Egy Naphoz hasonló csillag magjában akkor indulnak meg az atommag-reakciók, amikor a hőmérséklet eléri a 15 millió fok körüli értéket. Ezután, ameddig a magban lévő, héliummá átalakuló hidrogénkészlet kitart, a magreakciók megakadályozzák a csillag belsejének további összeomlását és felforrósodását. A stabil hidrogénégetési (ún. fősorozati) fázis hosszúsága a csillag eredeti tömegétől függ. Minél nagyobb tömegű egy csillag, annál rövidebb ez az időszak, mivel annál gyorsabban kell elfogyasztania magjának hidrogénkészletét, hogy megakadályozza a saját tömege miatti összeomlást. Ez nem jelenti azt, hogy a nagy tömegű csillagoknak forróbb a magja, de ugyanazon hőmérsékleten gyorsabban zajlanak az atommag-reakciók. A Napnál huszonötször nagyobb tömegű csillagok mindössze 3 millió évet töltenek a fősorozaton; a Nap körülbelül 10 milliárd évig lehet ebben a fázisban; a Nap tömegének felét kitevő csillagok pedig akár 200 milliárd évig is kihúzhatják csekélyke hidrogénkészletükkel. Napunk jelenleg fősorozati életszakaszának szinte pontosan a felénél jár. Amikor a Nap magjában lévő összes hidrogén héliummá alakul át, külső rétegeiben még mindig rengeteg, az eredeti tömeg mintegy felét kitevő hidrogén lesz jelen. Az energiaforrást kime-

214 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

rítő mag viszont zsugorodni kezd, s a felszabaduló gravitációs energia miatt hőmérséklete egyre emelkedik. E hő hatására a külső burkok kitágulnak, s a napból vörös óriáscsillag fejlődik. A külső rétegekben megindul a hidrogén-hélium fúzió, ami tovább fokozza a felfúvódást. A vörös óriás fázisban lévő csillagok igen sok anyagot veszítenek, mivel ledobják külső burkaikat. A Nap azonban ennek ellenére is akkorára hízik majd, hogy bekebelezi a Merkúrt, s felszíne majdnem a Vénusz pályájáig terjed ki. Az anyagledobások miatti tömegvesztés miatt a nap gravitációs hatása gyengülni fog, így a bolygók egy kicsit távolabb kerülnek tőle - a Vénusz így nem jut a megsemmisülés sorsára, csupán a mainál is jobban „megsül". Jóval mindezek előtt azonban a csillag összeomló magjában a hőmérséklet eléri a 100 millió °C körüli értéket, ami lehetővé teszi az atommag-reakciók új szakaszának megindulását. Ezek során a hélium szénné alakul át, miközben energia szabadul fel. Később ez teszi lehetővé, hogy a csillag mérete ismét stabilizálódjon, de immár a vörös óriás fázisban. Ez az életszakasz viszonylag rövid - a Nap esetében körülbelül 1 milliárd évig tart majd. A vörös óriás fázis végét a magban lévő összes hélium szénné való átalakulása jelzi. A „fűtőanyag" elfogytával a csillag belseje ismét megkezdi összehúzódását. Ez annyi hőt szabadít fel, hogy a hidrogénfúziós zónák még külsőbb rétegekbe tolódnak, s a csillag mérete olyannyira kiterjed, hogy eléri a földpálya távolságát. A csillag nagyon instabillá válik; „felpüffedt" légköréből rengeteg anyag áramlik ki az űrbe, majd összehúzódik, aztán ismét kitágul, s ez sokáig így folytatódik. Ez a folyamat nagy szerepet játszik a környező csillagközi anyagfelhők szénnel és nitrogénnel való feldúsításában. Végül az egész csillagból egy hideg, főleg szénből álló belső mag marad vissza, amelynek további összeomlását a benne lévő elektronok nyomása állítja meg. A visszamaradó csillagmag sűrűsége akkor ér el egy határértéket, s akkor áll meg az összeomlás, amikor a kvantummechanikai hatások már megakadályozzák az elektronokat abban, hogy még közelebb kerüljenek egymáshoz (emlékezzünk arra, hogy két elektron nem foglalhatja el ugyanazt a kvantumállapotot). Ez akkor következik be, amikor a csillagmaradvány, amelynek tömege általában mintegy kétharmada a Napénak, Föld méretű égitestté zsugorodik össze. Az ilyen égitesteket nevezik fehér törpének.

A CSILLAGOK ÉLETÚTJA - 2 1 5

Sűrűségük mintegy egymilliószor nagyobb a vízénél - anyaguk egy köbcentimétere a Földön körülbelül egy tonnát nyomna. 4 A Napnál nagyobb tömegű csillagok magjában egyre növekvő hőmérsékleteken az atommag-reakciók további fázisai mehetnek végbe, s olyan elemeket „gyárthatnak le", mint például az oxigén és a neon (szénből), s ezeket a csillagközi felhők anyagába juttathatják. A hidrogén és a hélium egy részének kivételével az univerzum minden eleme, köztük a Föld vagy akár a mi testünk összes építőanyaga csillagok belsejében keletkezett. A Napnál körülbelül tizenegyszer nagyobb tömegű csillagok esetében - az összes anyagveszteség ellenére is - egy naptömegnél jóval nagyobb tömegű csillagmag maradhat vissza. Ezen a ponton a dolgok még érdekesebb fordulatot vesznek. Ha a visszamaradó, atommag-reakciókat már nem üzemeltető csillagmag tömege 1,4 naptömegnél nagyobb, akkor már az előbb bemutatott kvantum-hatások sem menthetik meg a további összeomlástól. Azok az elektronok, amelyek a fehér törpék esetében egy belső nyomást fejtenek ki, ebben az esetben az atommagokkal való egyesülésre kényszerülnek, aminek következtében neutronok jönnek létre. Ez tulajdonképpen egy fordított béta-bomlás - annak a folyamatnak az ellentéte, amely a Földön ma is megtörténik, s amelynek során egy neutron spontán módon elektronra és protonra (meg egy ún. anti-neutrínóra) bomlik. A csillagmag anyaga egy hatalmas neutrongömbbé alakul át, vagyis a lehető leghatékonyabb módon tömörül össze, s végső soron egy Naphoz hasonló tömegű gigászi atommag alakul ki az űrben. Míg egy Naphoz hasonló tömegű fehér törpe körülbelül Föld méretű, addig egy neutroncsillag - a Napnál nagyobb tömeggel - mindössze néhány tíz kilométer átmérőjű, vagyis egy nagyobb hegység kiterjedését éri el. Egy neutroncsillag minden köbcentimétere a Földön körülbelül 1 milliárd tonnát nyomna. A csillagmag fehér törpe állapotból (vagy kevésbé tömör állapotokból) neutroncsillaggá történő összeomlása során nagy mennyiségű gravitációs energia szabadulhat fel, amelyet a protonok és neutronok egyesülése során keletkező neutronok szállítanak el (neutrínó szabadul fel, amikor egy proton és egy elektron neutronná épül össze). 4 Hogy ezt megfelelően értékelhessük, emlékezzünk arra, hogy a Nap mai állapotában a Föld térfogatának körülbelül egymilliószorosát teszi ki.

216 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

Ezzel azonban még mindig nincs vége a csillagmag összeomlásáról szóló történetnek. A neutroncsillag anyagát kvantumhatások mentik meg a további gravitációs összeomlástól - az itt fellépő kvantumhatások ereje azonban véges, míg a gravitáció nem az. Egy olyan összehúzódó, üzemanyagából kifogyott csillagmag összeomlását, amelynek tömege legalább 2,5-3-szor nagyobb a Nap tömegénél, semmi sem állíthatja meg. Ilyen tömegű neutroncsillagok az elméletek szerint nem létezhetnek (s az elméleti csillagászok megnyugtatása végett: eddig valóban nem észleltünk ennél nagyobb tömegű neutroncsillagokat, ahogyan 1,4 naptömegnél nagyobb tömegű fehér törpéket sem). Egy ilyen égitest esetében a gravitáció minden kvantumerőt felülmúl, s a csillagmag egy végtelen sűrűségű pontba, egy ún. szingularitásba omlik össze. Az így létrejövő objektum olyan hatalmas gravitációjú, hogy semmi, még a fény sem hagyhatja el a felszínét (vagyis a szökési sebesség meghaladja a fénysebességet). Ezért fekete lyuknak nevezik. Neutroncsillagok és fekete lyukak tehát az előbbiekben ismertetett módon napjainkban is keletkeznek tejútrendszerünkben, amikor tizenegy naptömegnél nagyobb tömegű csillagok életük utolsó felvonásához érkeznek. Miért nem lehet az atommag-reakciókkal folyamatosan ellensúlyozni a csillagmag összeomlását? Az atommag-reakciók egy bizonyos szint után már nem folytathatók. Nevezetesen, amikor létrejönnek a vascsoport elemei (maga a vas, a nikkel stb.), akkor ezek magjainak egyesítése már több energiát igényelne, mint amennyi a fúziós során felszabadulhatna. Ez azért van így, mert az 56-os rendszámú vas magja energetikailag a lehető legstabilabb állapot az atommagban lévő protonok és neutronok számára (ún. energiagödör). Ezen a ponton túl tehát az atommagreakciókból nem nyerhető több energia, nehezebb elemek ilyen módon már nem jöhetnek létre. Az ennél nehezebb elemek, például az arany, platina, urán létrehozása már energia-befektetést igényel. Ha egy közérthető példával szeretnénk megvilágítani a helyzetet, akkor képzeljük el, hogy a vascsoport elemei egy völgy fenekén ülnek, míg a vasnál könnyebb elemek a völgy egyik, a nehezebbek pedig a másik falán helyezkednek el. Minden elem a völgy aljára szeretne jutni, vagyis az energetikailag legkedvezőbb állapotba. A könnyebb elemek ezt egyesüléssel (fúzióval) érhetik el,

A CSILLAGOK ÉLETÚTJA • 217

amennyiben elég magas termikus energiaállapotba kerülnek ahhoz, hogy az atommagok legyőzzék a közöttük fellépő elektromos taszítóerőt, vagyis végbemehessenek az atommag-reakciók. A vasnál nehezebb elemek ugyanezt a célt bomlással valósíthatják meg, bár számos elem viszonylag stabil („fennakad" a völgyfal hepehupás felszínén). Ennek ellenére azonban továbbra is igaz, hogy a nehéz elemek létrejöttének első lépései a csillagok belsejében történtek, a Nap magjában zajló folyamatokénál sokkal nagyobb energiákon. Mint már említettük, egy csillag belsejében zajló atommag-reakciók négy hidrogén-atommag (vagyis proton) egyesülésével veszik kezdetüket, amelynek során hélium-atommag (alfarészecske) keletkezik - ennek magja két protonból és két neutronból áll (a két neutron két protonból, fordított béta-bomlással jön létre). A hélium-atommag igen stabil képződmény, így meghatározó szerepet játszik a további, nehezebb elemek kialakulásában. Úgy alakult, hogy a folyamat következő, nyilvánvalónak tűnő lépése, vagyis két hélium-atommag egyesülése berillium atommaggá (négy proton és négy elektron) - nem igazán működik. A berillium-atommag ugyanis nagyon instabil, s azonnal két hélium-atommagra hasad szét. Az alfarészecskék fúziójából fő „égéstermékei" ezért a szén-atommagok, amelyek mindegyike három alfarészecske egyesülésével jön létre. A szén-12 magjai (hat proton és hat neutron) három alfarészecske viszonylag ritkának mondható találkozásai során születnek meg. Ezután, amennyiben a csillag magja elég nagy tömegű és elég magas hőmérséklet jön létre az egyes összehúzódási fázisokban, a szénnél nehezebb elemek jórészt további alfarészecskék már meglévő atommagokhoz történő hozzáadódásával alakulnak ki. Ezzel magyarázható az olyan gyakori elemek, mint például a szén és oxigén (8 proton és 8 neutron) atommag-szerkezete. Időnként egyedülálló proton (vagy két proton) megkötése történik, de pozitronok kilökése is lejátszódik, amelynek következtében egy protonból neutron válik (s kialakul például a nitrogén 7 protont és 7 neutront tartalmazó magja). Egy nagy tömegű csillag élete vége felé anyagi szempontból réteges szerkezetet mutat: magjában a vascsoport elemei vannak jelen, míg kifelé haladva egyre könnyebb elemek héjai következnek: szilíciumban, szénben, oxigénben, neonban és magnézium-

218 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

ban gazdag rétegek váltják egymást, majd következik a héliumburok, s legvégül a jórészt még mindig hidrogénből álló legkülső réteg, a csillag légköre. A csillag aktivitásának ezen utolsó, igen rövid szakaszában akár minden rétegben egyszerre folyhatnak atommag-reakciók (kivéve a magot). A csillagászok nagyon pontosnak tartják azokat az elméleti modelleket, amelyek azt írják le, mi történik egy nagy tömegű csillag belsejében, mielőtt bekövetkezik a szupernóva-robbanás. Ennek oka, hogy 1987-ben sikerült alaposan tanulmányozniuk egy ilyen objektum végső haláltusáját. Abban az esztendőben a tejútrendszer egyik kísérőgalaxisában, a Nagy Magellán-felhőben szupernóva-robbanást figyeltek meg. 5 Az objektum megfigyeléséből származó eredmények szépen illeszkedtek a szupernóvák viselkedését leíró elméleti modellek jóslataihoz. Nagyon fontos, hogy a szupernóva elődcsillagát is sikerült korábbi felvételeken azonosítani, így a drámai esemény előéletét is tanulmányozhatták. Az elméletek és a megfigyelések együttese alapján kiderült, hogy ez az 1987-ben felrobbant csillag mintegy 11 millió évvel ezelőtt kezdte pályafutását, körülbelül 18 naptömegnyi hidrogén- és héliumkészlettel. Hogy ellenálljon a saját tömegéből adódó összeroppanásnak, hatalmas mennyiségű energiát kellett termelnie, s 40 000-szer volt fényesebb a Napnál. Tízmillió év alatt elpazarolta magjának hidrogénkészletét, majd további majdnem egymillió évig a hélium fúziójából tartotta fenn magát. Az események ezután egyre gyorsabban peregtek. Ahogyan a mag tovább zsugorodott, a szén oxigénné, neonná és magnéziummá történő fúziója már csak 12 ezer évre tudta fékezni a további összeomlást. A neonatommagok egyesülése már csak 12 évig tartott, az oxigéné öt évig, a fúziós események utolsó mozzanata, a szilícium „elégetése" pedig mindössze egyetlen hetet vett igénybe - ezután azonban már semmi nem állíthatta meg a mag összeroppanását. További belső energiaforrás hiányában a csillagmag belseje hirtelen, a fénysebesség körülbelül egyharmadával összeomlott, egy mindössze néhányszor tíz kilométeres gömbbe zsúfolva saját anyagát, amelynek protonjai és elektronjai neutronokká egyesültek. A felszabaduló gravitációs energia miatt a hőmérséklet 10 milliárd 5

Ez a csillag mintegy 160 000 fényévnyire van tőlünk, azaz a robbanás fénye 160 000 évig utazott az űrben. A csillag robbanása tehát nem 1987-ben, hanem 160 000 évvel korábban történt.

A CSILLAGOK ÉLETÚTJA • 219

fokra szökött fel. Ezalatt a csillag külső, néhány naptömegnyi anyagot tartalmazó burkai „alátámasztás" nélkül maradtak, ezért megkezdték behullásukat a mag irányába. Maga az összeomló csillagmag egy kifelé tartó lökéshullámot produkált, mivel a mag külső része valósággal visszapattant a neutroncsillaggá szilárduló belső tartományokról. Ez a lökéshullám találkozott szembe a befelé hulló külső burkokkal, s megpróbálta elsöpörni azok anyagát. Az, hogy a lökéshullám végül is elérte célját, s szétvetette a csillag külső burkait, a hatalmas mennyiségű kifelé tartó neutrínónak volt köszönhető, amelyek a neutronok kialakulása során jöttek létre az eredeti mag területén. A neutrínók tanulmányozása némi információval szolgálhat a szupernóva lökéshullámának anyagsűrűségéről. A neutrínók alig lépnek kölcsönhatásba a közönséges anyaggal; a Föld - vagy akár testünk - minden négyzetcentiméterén körülbelül 70 milliárd, a Napban létrejött neutrínó halad át másodpercenként, anélkül hogy hatásuk érzékelhető lenne. Egy neutrínó számára az ólom olyan átlátszó, mint a fénynek az üveg. A szupernóva lökéshullámában azonban olyan nagy volt az anyag sűrűsége (valóban elképzelhetetlen: százezermilliárdszor nagyobb a vízénél), hogy még a neutrínók is megállásra kényszerültek: körülbelül akkora eséllyel tudtak áthatolni ezen az anyagon, mint egy pingponglabda egy téglafalon. A neutrínók nyomása volt tehát az, ami a lökéshullámot életre keltve mintegy 10 000 km/s-os sebességgel szétfújta a csillag külső burkait, s szétszórta anyagukat az űrben. Az ebben lévő nehéz elemek nem csupán a csillag élete során, az atommag-reakciókban jöttek létre - a vasnál nehezebbek a szupernóva-robbanás szélsőséges körülményei közepette is keletkeztek, ekkor „kapaszkodtak fel a vas-völgy aljáról a lejtőre". Csodálatos belegondolni abba, hogy testünknek olyan elemei, mint például a szén és az oxigén átlagos, a Napnál nem sokkal nagyobb csillagok belsejében keletkeztek; még lenyűgözőbb azonban elgondolni, hogy például az arany, amelyet sok ember az ujjain visel, nem csillagkohókban, hanem szupernóvák katlanában jött létre - olyan esemény során, amikor egy egyedülálló csillag fénye rövid időre egy egész csillagvárost túlragyoghat. Amint a csillag külső burkainak anyaga szétszóródik és megritkul az űrben, a neutrínók áthatolhatnak a rajta, s közel fénysebes-

220 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

séggel folytatják útjukat. Az 1987-es nagy szupernóva-robbanás egyik legdrámaibb mozzanata az volt, hogy a számtalan, a Nagy Magellán-felhőből már 160 000 éve felénk tartó neutrínóból néhányat - egészen pontosan 19-et - sikerült érzékelni a földi műszerekkel. Ebből kiindulva az asztrofizikusok úgy becsülték, hogy a szupernóva-robbanás során 1058 neutrínó keletkezhetett. Mivel minden irányban egyenletesen szóródtak szét, a számítások szerint 160 000 fényéves távolságban egy-egy detektoron „mindössze" 300 000 milliárd részecske hatolhatott keresztül. A Japánban lévő berendezés - egy hatalmas föld alatti tartály, amely 2000 tonna vizet tartalmaz, 11 neutrínót mutatott ki, amint azok kölcsönhatásba léptek a közönséges anyag elektronjaival oly módon, hogy „otthagyták" nyomaikat. További 8 neutrínót egy másik detektor jelzett az Egyesült Államokban. 6 A neutrínók közönséges anyagtól való „idegenkedése" miatt, bár 1987 februárjában az Ön testén is körülbelül 10 milliárd ilyen szupernóva-neutrínó hatolt át, mégsem érzett semmiféle hatást! Bár a detektorok csekély számú neutrínót voltak képesek észlelni, ez az előre megjósolt eredmény, az elmélet és a megfigyelés remek összeillése az asztrofizika egyik legnagyobb diadala. De nem csupán az asztrofizika, hanem minden olyan tudományág magáénak tudhatja e dicsőséget, amely szerepet játszott egy szupernóvarobbanás modelljének megalkotásában- a klasszikus fizika (a csillagok belsejében uralkodó hőmérséklet- és nyomásviszonyokat leíró egyenletekért), a mag- és kvantumfizika (azon folyamatok leírásáért, amelyek az energiát termelik a csillagok belsejében, s amelyek végső soron a robbanáshoz vezettek). Tulajdonképpen azt mondhatjuk, hogy a fizika szinte minden ága szerephez jutott egy szupernóva modellezésében, így a dicsőség is az egész fizikát illeti meg. 160 000 évvel azelőtt, hogy e 19 neutrínót kimutatták a Földön, a Nagy Magellán-felhőben, miközben e részecskék sokmilliárdnyi társukkal együtt éppen megpróbálták magukat átverekedni a felrobbant csillag egykori külső burkainak anyagán, a csillag magjának közvetlen környezetében lévő összenyomott anyagban 6 Ezeket a detektorokat természetesen a földi folyamatokban keletkező, vagy a Napból származó neutrínók vizsgálatára építették. Nagy szerencse azonban, hogy már működtek, amikor a szupernóva neutrínói megérkeztek. E neutrínókat érkezési idejük és igen nagy energiájuk miatt könnyű volt megkülönböztetni a többitől.

A CSILLAGOK ÉLETÚTJA • 2 2 1

tombolva folytak tovább az atommag-reakciók, ahol a hőmérséklet - a mag összeomlásakor felszabadult gravitációs energia hővé alakulása miatt - elérte a 200 milliárd fokot. Minden olyan atommag, amely eredetileg alfarészecskék sorozatos egyesülésével keletkezett (s ezért egyenlő számú protont és neutront tartalmazott), most további egyesülésekkel hatalmas mennyiségű (körülbelül egy naptömegnyi) 56-os tömegszámú nikkel-atommaggá alakult, 28 protonnal és 28 neutronnal. Az 56-os nikkel azonban instabil, s természetes módon bomlik: a magból egy pozitív töltésű könnyű részecske, egy pozitron távozik, aminek következtében egy pozitív töltésű proton semleges neutronná, maga a nikkel pedig ezért 56-os tömegszámú kobalttá alakul át. Az 56-os kobalt aztán további, hasonló folyamatokon megy keresztül, s bomlásával végül stabil elem, az 56-os tömegszámú vas keletkezik, magjában 26 protonnal és 30 neutronnal. Ezekben a bomlási folyamatokban, a radioaktív elemek stabil vassá történő átalakulásában felszabaduló energia az, amely a kezdeti robbanás után hetekkel is fényessé teszi a szupernóvát. Mivel maga az 56-os nikkel az összeomlás során felszabadult gravitációs energia segítségével keletkezett, e későbbi ragyogás tulajdonképpen egy átmenetileg eltárolt gravitáció energiamennyiség felszabadulása. A bomlás során keletkező vas mennyiségének körülbelül egytizede szétszóródik a csillagközi térben, s később más csillagok, bolygók részévé válhat (illetve eddigi tudásunk alapján legalább egy bolygón késpengékbe és autókarosszériákba is beépülhet). Mindezek alatt az eredeti csillag belső magja neutroncsillaggá változik - ha pedig tömege három naptömegnél is nagyobb (ami az 1987-es szupernóva esetében nem állt fenn), akkor semmi nem mentheti meg attól, hogy fekete lyuk legyen belőle. Van egy másféle módszer is, hogy szupernóva-robbanást láthassunk - talán kevésbé különleges, de ez is fontos szerepet játszik a csillagközi anyag nehéz elemekkel való feldúsításában. Számos csillag kettős rendszer tagja, s előfordul, hogy egyikük már eléri a fehér törpe állapotot, amikor a másik még csak vörös óriás fázisban van. Ilyen körülmények között a jóval tömörebb fehér törpe gravitációs hatásánál fogva elszívhatja az óriáscsillag kiterjedt külső burkainak (légkörének) anyagát, s ezzel lassan növelheti saját tömegét. Ne felejtsük el azonban, hogy egy stabil állapotú fehér törpe tömege nem haladhatja meg az 1,4 naptömeget.

222 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

Ha mégis ez történik, akkor az égitest neutroncsillaggá omlik össze, s majdnem annyi gravitációs energia szabadul fel, mint a szupernóvák előzőekben bemutatott típusánál. Ha egy adott kettős rendszer fehér törpéje kicsi is ezekhez a folyamatokhoz, akkor is juttathat anyagot a csillagközi térbe. A társáról elszívott anyag először korongba gyűlik körülötte, majd a korong anyaga a felszínére zuhan, összenyomódva felforrósodik, s heves nukleáris reakciók indulnak be. Emiatt a csillag fényereje jelentősen megnő, s anyagot szór ki az űrbe. A szupernóva-robbanásokkal ellentétben egy ilyen esemény - amelyet egyébként nóvakitörésnek neveznek - nem zavarja össze a rendszert, így később újra és újra lejátszódhat. E folyamatok mindegyike állandóan visszaforgatja a csillagok anyagát a csillagközi térbe, köztük a csillagok belsejében keletkezett nehéz elemekkel. Ez az anyag szolgálhat később nyersanyagként új csillagok például a Nap, bolygók, a Föld, sőt élőlények, például az ember számára. Nem létezhetnénk, ha a csillagok előző generációinál nem játszódtak volna le ezek a folyamatok. A csillagok legelső nemzedéke (mintegy 10 milliárd évvel ezelőtt) az Ősrobbanás során létrejött ősanyagból alakult ki, amely gyakorlatilag 75%-ban hidrogénből, 25%-ban pedig héliumból állt, s csak nyomokban tartalmazta a harmadik legkönnyebb elemet, a lítiumot. A Nap 5 milliárd évvel ezelőtt már egy olyan csillagközi felhőből született, amelyet a korábbi csillagok nehéz elemekkel dúsítottak fel, s ahol már minden ezredik atom nehezebb volt a lítiumnál. Galaxisunk legidősebb csillagainak vastartalma például mindössze egy százezrede Napunk vastartalmának. A csillagok életciklusával kapcsolatban azonban még bőven maradt megértenivalónk - senki nem talált eddig ugyanis olyan csillagot, amely nem tartalmaz a lítiumnál nehezebb elemeket. A legelső csillagok, amelyekben először alakultak ki a nehezebb elemek, mára eltűntek a színről, s mi nem tudhatjuk biztosan, milyen események indították be az egész csillagfejlődési folyamatot. Az eddigi legjobb feltevés, hogy kezdetben igen nagy tömegű „szupercsillagok" alakultak ki, igen gyorsan leélték életüket, s elegendő nehéz elemmel dúsították fel azt az anyagfelhőt, amelyből kialakult a tejútrendszer, s amelyben már lejátszódhattak az előzőekben ismertetett folyamatok.

A CSILLAGOK ÉLETÚTJA • 2 2 3

Ez azonban már igazán nagy tér- és időbeli távlatokba vezet bennünket, a tejútrendszeren túlra, az időben pedig egészen a kezdetekhez, az univerzum születéséhez. Történetünk már majdnem teljesnek mondható - a vég azonban a kezdetek felé mutat, a nagy és a kicsi kibogozhatatlanul egymásba fonódik, ok és okozat pedig úgy kapcsolódik össze, akár a saját farkába harapó kígyó.

11. Parányi és végtelen

Az univerzum nagy léptékű szerkezetének megismerése csak az 1920-as években kezdődött - mivel az ezt megelőző időkben senki sem tudta, mekkora is valójában. Az akkoriban elfogadott kozmológiai modellek szerint az univerzumot magával a tejútrendszerrel (vagyis saját galaxisunkkal) azonosították, amelyben az egyes csillagok megszülethetnek és elpusztulhatnak ugyan, a tejútrendszer általános képe azonban változatlan és örökkévaló. De léteztek ettől eltérő nézetek is - egészen 1755-ig visszamenőleg, amikor Immanuel Kant már azt feltételezte, hogy az égbolton megfigyelhető ködös foltok (nebulák) talán a tejútrendszerhez hasonló „szigetuniverzumok" lehetnek; az efféle gondolatokat azonban csak nagyon kevés ember vette komolyan, egészen a 20. század kezdetéig. A tejútrendszer és az univerzum közötti összefüggés feltárása akkor vette kezdetét, amikor a tejútrendszert részletesen sikerült feltérképezni, a 20. század második évtizedének végére. Ebben a munkában a kaliforniai Mount Wilson Obszervatórium fiatal kutatója, Harlow Shapley járt az élen, aki az akkori idők egyik legjobb csillagászati műszerével, egy 60 hüvelyk (kb. 1,5 m) átmérőjű tükrös távcsővel dolgozhatott. E teleszkóp használatával Shapley képes volt elemezni a tejútrendszer különböző területein lévő cefeida-változócsillagok fényét, s meghatározhatta távolságukat. A Shapley által mért értékek egy kissé nagyobbak voltak a valódinál, mivel nem vette figyelembe azoknak a porfelhőknek a hatását, amelyek egy kissé elhomályosítják a csillagok fényét. Ennek ellenére Shapley volt az, aki egy 1918 és 1919 között publikált dolgozatsorozatban kimutatta, hogy a Nap és a naprendszer a tej-

PARÁNYI ÉS VÉGTELEN • 225

útrendszer központjától távol helyezkedik el, s nem foglal el speciális helyzetet még a saját „szigetuniverzumunkban" sem. Mivel a Galaxis méretét egy kicsit túlbecsülte, Shapley a Magellán-felhőket is a tejútrendszeren belül lévő, viszonylag kis rendszereknek tekintette, s nem független csillagvárosoknak. Ebből arra következtetett, hogy az égbolton látható minden nebula 1 a tejútrendszer kísérő alakzata, amelyeket csillagaik ragyogása világít meg. Más csillagászok azonban kételkedtek ebben. Egyre több nebulát fedeztek fel és tanulmányoztak részletesen, egyre jobb teleszkópok segítségével, s amint ezek közül egyre többről derült ki, hogy lapos spirálkarokkal rendelkező struktúrák, úgy egyre erősödött az a nézet, miszerint a ködök egy része a mi tejútrendszerünkhöz hasonló, nagy távolságban lévő önálló galaxis. 1920-ban nyílt vita bontakozott ki Shapley és Heber Curtis, a Lick Obszervatórium tudósa között, aki azt feltételezte, hogy a spirális ködök a mi tejútrendszerünkhöz igen hasonló, nagy csillagvárosok. A vitát az amerikai Nemzeti Természettudományos Akadémia rendezte Washingtonban. Bár a kérdés nem dőlt el, az esemény mégis fordulópontot jelentett a kozmológiában: azt a pillanatot, amikor komolyan felmerült a tejútrendszeren túli galaxisok gondolata. Tíz éven belül a vita Curtis javára dőlt el, az akkori idők legmodernebb teleszkópja, a Mount Wilsonon lévő száz hüvelyk átmérőjű reflektor segítségével. A végső bizonyíték Edwin Hubble munkájával és megfigyeléseivel érkezett, aki az új teleszkóppal képes volt néhány közelebbi spirálköd változócsillagait tanulmányozni. Egy cefeida fényességváltozásainak nyomon követéséhez természetesen hosszú időn keresztül végzett megfigyelésekre és fényképezésekre van szükség. A Hubble által végzett megfigyelések mindegyikéhez több óra volt szükséges, s a távcsövet végig a kiszemelt objektumon kellett tartani, hogy a fotólemez elkészülhessen. Kétévi munka kellett hozzá (1923-24-ben), hogy Hubble 50 jó minőségű felvételt készíthessen az egyik ködös alakzatról (ezt az objektumot jelenleg egy szabálytalan galaxisként ismerjük), de az erőfeszítések őt igazolták. A cefeidák vizsgálata megmutatta, hogy e ködös folt hét1

A nebula kifejezés mögött többféle csillagászati objektum rejtőzhet: a tejútrendszeren belüli csillaghalmazok és gázfelhők csakúgy, mint a tejútrendszeren kívüli, önálló nagy galaxisok. Esetünkben ez utóbbiakra kell összpontosítanunk.

226 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

szer messzebb van tőlünk, mint a Kis Magellán-felhő, így nem lehet a tejútrendszerhez tartozó alakzat. Körülbelül ugyanebben az időszakban Hubble az Androméda-köd névre hallgató nagyméretű nebula cefeidáit is lefényképezte, s távolságát kb. egymillió fényévnyinek becsülte (ezt a becslést azóta kétmillió fényév fölé korrigálták, a cefeidákról szerzett ismereteink gyarapodásának köszönhetően). A mérés eredményeképpen az Andromédaködöt a tejútrendszerhez hasonló, azzal egyenrangú csillagvárosnak kezdték tekinteni. Kezdetben e felfedezések valódi jelentőségét nem ismerték fel. Bár világossá vált, hogy a tejútrendszer csak egy a galaxisok között, mivel a cefeidák távolságát rosszul becsülték meg, a többi galaxis jóval közelebbinek, ezért jóval kisebbnek tűnt, mint azt a mai, modern becslések alapján láthatjuk. Egészen az 1950-es évekig úgy festett, hogy a tejútrendszer valóságos óriás a galaxisok között valószínűleg a legnagyobb -, amelyen kívül még számos kisebb galaxis létezik. A távolságmérési eljárásokban bekövetkező fejlődés azonban világossá tette, hogy a többi galaxis távolabb van és nagyobb, mint azt korábban gondolták. Ez tovább csökkentette az univerzumban saját magunknak tulajdonított jelentőséget. Egy 1997-es vizsgálatsorozatban, amelyben jómagam is részt vettem, számos közeli galaxis cefeidáit vizsgáltuk a Hubble-űrtávcső segítségével. Az eredmények megmutatták, hogy tejútrendszerünk egy átlagos - sőt az átlagnál valamivel kisebb - méretű spirálgalaxis, ha összehasonlítjuk azokkal a galaxisokkal, amelyek elég közel vannak hozzánk ahhoz, hogy a cefeida technikával megmérhessük távolságukat. Becslések szerint a Hubble-űrtávcsővel legalább százmilliárd galaxis lenne látható - legalábbis elvben -, bár eddig csak néhány ezer képviselőjüket tanulmányozták valamilyen részletességgel. A Föld egy olyan átlagos csillag körül kering, amely csak egyike a tejútrendszer néhány százmilliárd csillagának, maga a tejútrendszer pedig csak egy átlagos spirálgalaxis, egyike a látható világegyetem százmilliárd (vagy még több) galaxisának. A legdrámaibb felfedezés azonban az volt - amely szintén Hubble nevéhez fűződik -, hogy az univerzum nem örökkévaló és változatlan. Története során állandóan fejlődött és átalakult. Egy kozmológus számára egy galaxis néhány százmilliárd csillagával együtt sem több egyszerű „vizsgálati egységnél", amely-

PARÁNYI ÉS VÉGTELEN • 227

nek viselkedése segít megérteni az univerzum mint egész változásait. A galaxisoknak különböző formái léteznek, amelyeket Hubble osztályozott először. Az olyan korong alakú galaxisok, mint a mi tejútrendszerünk (amelyek a forgás miatt laposodtak el, és spirálkarokkal rendelkeznek) az univerzum galaxisainak 30%-át teszik ki, míg a galaxisok 60%-a ún. elliptikus galaxis (mint nevük is mutatja, egy háromdimenziós ellipszoidhoz hasonlítanak) - ezeknek nincsenek spirálkarjaik. Sok elliptikus galaxis jóval kisebb a tejútrendszernél, ám számos nagyobb is akad nála - az ismert univerzum legnagyobb galaxisai hatalmas elliptikusok, amelyek néhány ezer-milliárd csillagot tartalmaznak. A spirál- és elliptikus galaxisokon kívül a maradék 10%-ot szabálytalan galaxisok adják, amelyeknek nincs meghatározott alakjuk. A kozmológusok számára azonban mindez jelentéktelen részletnek számít - számukra az a fontos, hogy a galaxisok mozgásban vannak, ami fényük vöröseltolódásából mutatható ki. Még mielőtt Hubble színre lépett volna, korábbi csillagászok is észrevették, hogy számos ködös alakzat fénye vöröseltolódást mutat. Ezt az ún. Doppler-hatással magyarázták, feltételezve, hogy ezek az objektumok távolodnak tőlünk az űrben. Ez egészen az 1920-as évek közepéig nagy zavart okozott, mivel néhány objektum igen gyorsan, 600 km/s-os sebességgel, vagy még gyorsabban mozgott. A vöröseltolódást könnyű megmérni, ha a színképelemzéshez elég fényes galaxist tanulmányozunk. Hubble nagy eredménye nem a vöröseltolódás, hanem a távolságmérés volt - azután pedig a vöröseltolódási és a távolsági értékek összevetése. Hubble cefeidákon alapuló távolságmérései azonban még a 100 hüvelykes teleszkóppal is csak néhány közeli galaxis esetében működtek. Ahhoz, hogy jóval távolabbi galaxisok távolságát is meg lehessen becsülni, más „kozmikus mérföldköveket" kellett használni, mint például a csillagvárosokban felragyogó szupernóvák fényét. Első lépésben jó megközelítésnek tűnik, hogy minden nóva és szupernóva aktivitásának csúcsán ugyanolyan, vagy hasonló fényességű, így alkalmas lehet távolságbecslésre. Ezek a távolságmérési eljárások azonban csak megközelítő eredményeket hoztak, mivel minden olyan galaxis esetében, amely nem a tejútrendszer közvetlen szomszédságába tartozik, igen megbízhatatlanul

228 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

működtek - valójában ez egészen a Hubble-űrtávcső munkába állításáig igaz volt. Mindezen nehézségek ellenére Hubble és munkatársa, Milton Humason az 1920-as évek végén bizonyítékot talált arra, ami valószínűleg az eddigi legnagyobb felfedezés a csillagászatban - sőt talán az egész természettudományban. A felfedezés lényege, hogy egy galaxis vöröseltolódása arányos a tőlünk mért távolságával. Ez viszont azt jelenti, hogy távolodási sebessége is arányos a távolságával. Ebből következően az egész világegyetem tágulóban van, így a múltban jóval sűrűbb állapotúnak kellett lennie - sőt valamikor el kellett kezdődnie e tágulásnak. Az univerzumnak tehát volt kezdete. Hubble felfedezése annyira meglepő volt (s a tisztesség kedvéért tegyük hozzá, hogy kezdetben csak néhány galaxis távolságmérésén alapult), hogy hosszú időnek kellett eltelnie, amíg kollégái is elfogadták. Végtére is miért kellene az univerzumnak tágulnia? Erre a kérdésre azonban már létezett a válasz, akárcsak a táguló univerzum egész viselkedését leíró komplett elmélet. Ez az elmélet az általános relativitáselmélet volt, amelyet Albert Einstein dolgozott ki 1916-ban, s egy évvel később ő maga vonta le belőle a kozmológiai következtetéseket, 1917-ben. Az általános relativitáselmélet a tér és idő, pontosabban a téridő elmélete, amely az időt a téridő negyedik dimenziójaként értelmezi, és egyenletek sorával írja le az összefüggést tér, idő és anyag között. Hogy képet alkothassunk az univerzum ily módon való leírásáról (anélkül, hogy bonyolult matematikai levezetéseket alkalmaznánk), képzeljük el, hogy a téridő négy dimenzióját most egy kétdimenziós gumilepedővé alakítjuk át. Az általános relativitáselmélet szerint a tömeg jelenléte meggörbíti a téridőt, amelyet példánkban egy, a gumilepedőbe helyezett vasgolyó körül kialakuló árokkal, bemélyedéssel szemléltethetünk. A kisebb tömegek a nagyobbak felé közelednek, mint ahogyan a gumilepedőn lévő árok felé gurított kisebb golyók útja is eltérül. A kisebb golyók eltérülése a nagyobbak körüli árokban felel meg annak az erőnek, amit mi gravitációnak nevezünk. Szélsőséges esetekben egy igen nagy tömeg olyan mély árkot formálhat, hogy ez teljesen átüti a lepedőt egy fekete lyuk jön létre, amelynek gravitációs ereje olyan hatalmas, hogy semmi, még a fény sem tud elszökni tőle. Einstein általános relativitáselmélete a tudományok egyik legdicsőbb teljesítménye, amelyet számos úton próbáltak ellenőriz-

PARÁNYI ÉS VÉGTELEN • 229

ni. Az elmélet megmagyarázza, hogy a távoli csillagból érkező fény útja miért hajlik el a napkorong széle mellett (ez a hatás napfogyatkozások alkalmával tanulmányozható, mikor a napfényt a Hold korongja eltakarja). Einstein elmélete megmagyarázza, hogy a Nap tömegénél milliószor nagyobb tömegű fekete lyukak hogyan gyűjtik be a környezetükben lévő anyagot, hogy aztán annak behullása során a felszabaduló gravitációs energiát elektromágneses sugárzássá változtassák, amely a világegyetem legfényesebb objektumait, a kvazárokat hozza létre. Az általános relativitáselmélet képes a tér és idő minden tulajdonsága, az egész univerzum magyarázatára. Einstein természetesen matematikai módszerekkel akarta leírni az univerzum viselkedését. Amikor azonban 1917-ben ezzel kísérletezett, azt találta, hogy az egyenletek nem teszik lehetővé egy statikus, változatlan univerzum létezését. Csodálatos, új elméletéből kiindulva a téridőnek vagy tágulnia, vagy összehúzódnia kell, de semmiképpen nem maradhat ugyanolyan állapotban. Ne felejtsük el, hogy ebben az időben azt gondolták, hogy az univerzum egyenlő a tejútrendszerrel, és változatlan állapotú (ahhoz hasonlóan, ahogyan egy erdő is változatlan). Einstein - aki tudatában volt annak, hogy ha valami ellentmond a tapasztalatnak, akkor az helytelen - egy új tagot vezetett be egyenleteibe, hogy biztosítsa egy stabil univerzum létezését. Ez a tag a híres kozmológiai állandó, amelyet később élete legnagyobb tévedésének nevezett; ez azonban kissé szigorúnak tűnik, hiszen ő csak megpróbálta az akkoriban rendelkezésre álló kísérleti (vagyis megfigyelési) bizonyítékokhoz igazítani elméletét. Körülbelül 10 év múlva, az univerzum tágulásának felfedezésével a kozmológiai állandó szükségtelenné vált. Einstein eredeti kozmológiai egyenletei megjósolták a vöröseltolódás-távolság összefüggést, habár maga Einstein nem hitte, hogy ez igaz lehet. Az elmélet azonban végül is megfelelt a tapasztalatoknak. Még nagyszerűbb, hogy az elmélet képes megmagyarázni a vöröseitoldás-távolság összefüggés legnyilvánvalóbb rejtélyét. Miért tűnik úgy, hogy az univerzumban minden tőlünk távolodik? Bizonyos, hogy nem mi vagyunk az univerzum középpontjában? Nos, valóban nem. A távolsággal arányos vöröseltolódás törvényszerűsége, amelyet az általános relativitáselmélet megjósolt, s amelyet Hubble felfedezett, az egyetlen olyanfajta törvény (elsza-

230 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

kadva a statikus univerzum gondolatától), amely bármely galaxisból ugyanolyannak látszik. Ennek szemléltetésére a legjobb módszer, ha gondolatban visszatérünk a téridőt jelképező gumilepedőhöz, vagy egy még gyakrabban használt analógiával egy lassan felfúvódó léggömböt képzelünk magunk elé. Képzeljük el, hogy a léggömb felszínére apró pontokat festünk, amelyek mindegyike egy-egy galaxist jelképez. Ahogy a léggömb egyre nagyobb lesz, a pontok mindegyike távolodik egymástól nem azért, mert a pontok elmozdulnak a ballon felszínén, hanem azért, mert maga a ballon (a téridő) tágul, s ez a folyamat távolítja egymástól a pontokat. Ha a ballon olyan mértékben tágul ki, hogy két szomszédos pont között kétszeresére nő a távolság, akkor minden pont között kétszeresére nő a távolság. Bármelyik pontot is választjuk ki a ballon felszínén méréseinkhez, az a pont, amely ehhez képest egy centiméterre volt, most két centiméterre lesz (tehát egy centimétert mozdult el), amelyik pedig két centiméterre volt tőle, az már négy centiméteres távolságban látható s ez utóbbi kétszer olyan gyorsan látszott távolodni. Minél messzebb van egy pont a kiválasztott pontunktól, annál gyorsabb a távolodása (vagyis annál nagyobb a vöröseltolódása). A galaxisok vöröseltolódása nem a szó szerinti értelemben vett Doppler-effektus hatása - nem azért jön létre, mert a galaxisok mozognak az űrben. Azért alakul ki, mert maga a tér tágul, ami a távolodni látszó galaxisokból érkező fény színképvonalait a nagyobb hullámhosszak felé tolja el. A ballonos hasonlat azért is kiváló, mert ahogyan a ballon táguló felszínének sincs középpontja, úgy a táguló univerzumnak sincs. Az űrben minden pont helyzete egyenrangúnak számít (kivéve azokat a helyi téridő-zavarokat, amelyeket az igen közeli galaxisok gravitációs hatása okoz). Az általános relativitáselmélet azt is elárulja számunkra, hogy ha az univerzum tágulását képzeletben visszafelé játsszuk le, akkor végül az egész látható univerzumnak egyetlen, kiterjedés nélküli pontba kell összesűrűsödnie - egy ún. szingularitásba -, méghozzá a múlt egyik meghatározott pillanatában. Ma már a fizikusok nem gondolják, hogy az általános relativitáselmélet egészen a kezdet pillanatáig alkalmazható, mivel a szingularitáshoz közel a kvantumhatások válnak meghatározóvá. Az azonban világos, hogy az általunk ismert univerzum egy igen sűrű, a szingularitáshoz

PARÁNYI ÉS VÉGTELEN » 231

igen közeli állapotból fejlődött ki, a múlt meghatározható pillanatában. A nagy kérdés: mikor és hogyan történt mindez? A „mikor" megválaszolható az univerzum tágulásának ütemét vizsgáló legutóbbi kutatásokból, azaz a vöröseltolódás-távolság összefüggések legutóbbi méréseiből. Akárcsak Hubble idejében, a kulcsfontosságú lépés most is a távolságmérés - a vöröseltolódást ugyanis könnyű meghatározni. Ha mind a távolság, mind a vöröseltolódás értékei rendelkezésünkre állnak, akkor finomíthatjuk a kettő közötti összefüggéseket leíró törvényeket, s ezt Einstein egyenleteivel kombinálva megbecsülhetjük a kezdet időpontját. Egy gyors ütemben táguló univerzumnak kevesebb idő kellett ahhoz, hogy az Ősrobbanás, a „nagy bumm" óta elérhesse mai méretét. A tágulás ütemét az ún. Hubble-állandóval (H) fejezzük ki. A H értékét a ma látott galaxisok vöröseltolódásának és távolságának méréséből próbáljuk meghatározni - minél kisebb a H értéke, annál magasabb korú univerzumot kell feltételeznünk. Számos kozmikus távolságmérési eljárás áll rendelkezésünkre, és szerencsére úgy tűnik, hogy nagyjából ugyanazokat az eredményeket adják. Az egyik legegyszerűbb módszer (amelyet Simon Goodwinnal és Martin Hendryvel jómagam is használtam), abból a technikából eredeztethető, amelyet saját galaxisunk relatív méretének meghatározására is felhasználtunk. Mivel ez az eljárás a mi galaxisunkhoz hasonló méretű, átlagos spirálgalaxisok méretét adja meg, néhány ezer ismert vöröseltolódású, cefeida-módszerrel már nem mérhető spirálgalaxis esetében könnyű meghatározni, hogy milyen távolságban kell lenniük ahhoz, hogy ezzel a vöröseltolódással a méretük megfeleljen a hozzánk közelebbi spirálgalaxisok átlagos méretének. A vöröseltolódás-távolság összefüggés bizonyos értékeinél a távoli galaxisok valódi távolságuknál messzebb mutatkoznak, így aztán a Földről nézve nagyobbnak látszanak, mint amilyennek lenniük kellene; más értékeknél viszont pont fordított a helyzet. Egy bizonyos értéknél azonban pontosan megfelelő méretűnek tűnnek ahhoz, hogy átlagos méretük megegyezzen a tejútrendszerével és annak szomszédaival. A Hubble-törvény ezen alapuló kalibrációja szerint - ahogy azt ma tudjuk - az univerzum kb. 13 milliárd éves. A kerek számok nyújtotta kényelem miatt számos kozmológus 15 milliárd éves univerzumról beszél, s igazából senki nem akad fenn ezen a különbségen. Ami fontos, hogy bizonyos: az univerzum tör-

232 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

ténetének valaha el kellett kezdődnie - de nem egymilliárd s nem is százmilliárd évvel ezelőtt, hanem valamikor 15 milliárd éve. Megint csak fontos hangsúlyozni a tudományos szemlélet jelentőségét. Vannak modelljeink, amelyek Einstein általános relativitáselméletén alapulnak, és vannak megfigyeléseink - nemcsak a galaxisok fényének vöröseltolódása, de egy olyan gyenge rádiózaj megfigyelése is, amely az egész univerzumot kitölti, s amely annak a hatalmas tűzgömbnek a „hagyatéka", amelyben az univerzum megszületett. Az elméletek és a megfigyelések pompásan megfelelnek egymásnak. De hol ér véget a megbízható tudomány? Már említettük, hogy a tudósok nem hiszik, hogy az univerzum története tényleg egy végtelenül sűrű szingularitásban vette kezdetét - a végtelen paraméterek világos jelei annak, hogy túl messzire mentünk az értelmezésben. Milyen közel mehetünk tehát a kezdetekhez az általunk ismert tudományos módszerekkel? A válasz meglepheti Önöket. A legsűrűbb állapot, amelyet a fizikusok a Földön megpróbálhatnak megérteni, az atomok magjában létezik. A protonok és neutronok, az atommagok tulajdonságait már alaposan megismertük, s az anyag viselkedését ilyen sűrűségi állapotban számtalan kísérletben tanulmányoztuk, például a részecskegyorsítókban. Az atommagra jellemző sűrűségen tehát igen jó modellekkel rendelkezünk az anyag viselkedéséről. Milyen messzire kell visszamennünk az időben ahhoz, amikor az egész ma ismert univerzum még olyan kisméretű volt, hogy sűrűsége a mai atommag sűrűségével volt egyenlő, amint kiemelkedett az Ősrobbanás poklából? A feltételezett szingularitást nulla időpontnak tekintve - ez az az időpont, amikor az univerzum története elkezdődött - egy tízezred másodpercnek kellett eltelnie, hogy az anyag már az atommaghoz hasonló állapotban létezzen. Minden, ami ezután történt - akár 13, akár 15 milliárd éve zajlik - ugyanazokkal a fizikai törvényekkel magyarázható, amelyeket már számos földi kísérletben kipróbáltunk és ellenőriztünk. Az univerzum történetének elsöprő részében tehát kitűnően alkalmazhatók az általunk ismert tudományos módszerek, mindazokkal a követelményekkel, amelyeket velük szemben támasztunk: a modellnek igazodnia kell a megfigyelésekhez. Azonban sokkal kevésbé világos számunkra, hogyan jutott az univerzum a kezdeti esemény után egy tízezred másodperccel fennálló állapo-

PARÁNYI ÉS VÉGTELEN • 233

tába, s hogy mi történt ezt megelőzően. Mint azonban rövidesen látni fogjuk, az itt lejátszódott események is lehetnek komoly tudományos vizsgálódás tárgyai. Ami bizonyos, hogy minden, ami a kezdeti esemény utáni egy tízezred másodpercet követően történt, jól magyarázható Newton vagy Maxwell törvényeivel, s az általános relativitáselmélet törvényei is kitűnően működnek ebben az időszakban. Kissé kerekítve azt mondhatjuk, hogy az Ősrobbanás és a belőle közvetlenül következő folyamatok egy tízezred másodperctől körülbelül félmillió évig tartottak, egészen addig a pillanatig, amíg anyag és sugárzás elváltak egymástól. Az elektromágneses sugárzás uralkodó szerepet játszott a korai univerzumban, mivel igen nagy energiájú volt. Ha biciklipumpával összenyomjuk a levegőt, akkor az felmelegszik; ha azonban egy palackból engedjük ki a gázt, akkor lehűl. Ugyanezen az elven kezdeti, sűrű állapotában az univerzum igen forró volt, s ezt a hőmérsékletet ki is számíthatjuk, Einstein egyenleteit és az univerzum mai állapotának megfigyeléseit alkalmazva. Az atommaghoz hasonló sűrűségű állapotában az univerzum hőmérséklete kb. ezermilliárd fok lehetett (hogy °C vagy kelvin, az ilyen nagy számoknál teljesen mindegy), sűrűsége pedig százezer-milliárdszorosa volt a víz sűrűségének. E tűzgolyóban a fotonok olyan hatalmas energiát hordoztak, hogy a részecske-antirészecske párok (pl. egy proton és egy antiproton) folyamatosan, tiszta energiából keletkeztek, illetve folyamatosan megsemmisítették egymást, és újra fotonokká, vagyis elektromágneses energiává alakultak. Kezdetben a protonok és neutronok száma egyenlő lehetett (és rengeteg elektron-pozitron pár volt jelen). Amint azonban az univerzum tágult és hűlt, néhány dolog megváltozott. Először is a hőmérséklet csökkenése miatt a fotonok már nem tudtak proton-antiproton vagy neutron-antineutron párokká alakulni, így e részecskék száma állandósult. A fizikai törvényekben jelen lévő szimmetriahibák miatt a részecskék és antirészecske-párjaik száma nem teljesen egyezett meg, így minden egymilliárd antiprotonra egymilliárd és egy proton, illetve minden egymilliárd antineutronra egymilliárd és egy neutron jutott. A részecskék és antirészecskék milliárdjai megsemmisítették egymást (nagy energiájú fotonokat hozva létre), minden egymilliárd részecske után egy azonban megmaradhatott. A ma látható univerzumban tehát minden anyag e

234 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

kevés túlélő részecskéből épül fel, s minden nukleonra (protonra vagy neutronra) egymilliárdnyi foton jut. Abban az állapotukban azonban a fotonok még messze álltak attól, hogy komoly hatást gyakoroljanak az anyagra. Bár többé már nem volt elég energiájuk új protonok és neutronok előállításához, hevesen kölcsönhatásba léptek a megmaradó részecskékkel, s a neutronok protonokká bomlását idézték elő: a neutronokból egy elektron és egy antineutrínó kilépésével protonok alakultak ki. Az idő múlásával tehát a kezdeti ősanyag neutronmennyisége fokozatosan csökkent. Mindössze egy másodperccel a kezdeti esemény után az univerzum hőmérséklete tízmilliárd fokra esett le, a sűrűsége pedig már csak 380 000-szerese volt a vízének. Ebben az állapotban 24 neutron jutott 76 protonra, tizennégy másodperccel a kezdeti esemény után pedig már csak 17 neutron 83 protonra. Az univerzum lehűlésével azonban a változások üteme is drámai módon csökkent. Mintegy három perccel a kezdet után az univerzum hőmérséklete már csak egymilliárd fok volt, a Nap belsejében uralkodó érték mintegy hetvenszerese, és 14 neutron jutott 86 protonra. Ha a maradék neutronok szabad részecskeként folytatták volna pályafutásukat, néhány perc alatt természetes módon protonokká bomlottak volna (még a korábbi nagy energiájuk fotonok hatása nélkül is). Az univerzum azonban akkoriban már elég alacsony hőmérsékletű volt ahhoz, hogy néhány proton és neutron egyesülhessen, és stabil hélium-atommagot (alfarészecskét) alkosson. Az univerzum negyedik percének végére az összes neutron keresztülment ezen a folyamaton, és az anyagnak egy olyan összetétele alakult ki, amely 74 százalékban hidrogén-atommagokból (protonokból), 26 százalékban pedig hélium-atommagokból (alfarészecskékből) állt. Ezzel az univerzum életének egy következő szakaszába lépett. Mint már említettük, az egész történet földi kísérletekkel alátámasztott fizikai törvényeken alapul, amihez hozzávehetjük az univerzum észlelt tágulását, és az általános relativitáselmélet kozmológiai egyenleteit. A kozmológiai modellek egyik legnagyszerűbb sikere, hogy megjósolták az anyag ezen összetételét (26% hélium és 74% hidrogén), amely a kezdeti anyagból felépülő legősibb csillagok összetételére jellemző. A hélium-atommagok kialakulása utáni évszázezredekben az univerzum tágulása csendesebben zajlott. Még mindig túl forró

PARÁNYI ÉS VÉGTELEN « 235

volt ahhoz, hogy az elektronok az atommagokhoz kapcsolódva atomokat alkossanak. Az elektronok szabadon száguldoztak az atommagok körül, az anyag plazmaállapotát alakítva ki, amelynek minden töltött részecskéje (elektronok és egyedülálló atommagok) kölcsönhatásban volt az univerzumot még teljesen kitöltő elektromágneses sugárzással. A fotonok egyik részecskétől a másikig vándoroltak, ahogyan azt cikcakk vonalban ma is teszik a Nap belsejében. A következő drámai változás 300-500 ezer évvel az Ősrobbanás után történt, amikorra az univerzum már kb. 6000 fokra (a napfelszín mai hőmérsékletére) hűlt le. 2 Ezen a hőmérsékleten az elektronok és az atommagok egyesülhettek egymással, s elektromosan semleges atomokat alkottak, amelyek már nem léptek kölcsönhatásba az elektromágneses sugárzással. Az univerzum hirtelen átlátszóvá vált a sugárzás számára. A fotonok milliárdjai szabadon száguldhattak az űrben, míg az atomok megkezdték egymással való csoportosulásukat, és hatalmas anyagfelhőket formáltak. E felhők később saját tömegük alatt összeomolva az első csillagok és galaxisok megszületését tették lehetővé. Az a sugárzás, amely a hélium-atommagok születésekor még mintegy egymilliárd fokos volt, az anyagtól való elválásakor pedig 6000 fokos - kb. 300-500 ezer évvel a kezdet után -, az elméleti modellek jóslatai szerint napjainkra mintegy 3 K hőmérsékletűre hűlt le (ez -270 °C-nak felel meg). Az Ősrobbanás-elmélet második nagy diadala volt, amikor valójában is felfedezték e sugárzást, méghozzá a világűr minden irányából egyenletesen érkezve. Kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásnak nevezték el. Az először a 60-as években észlelt sugárzás majdnem teljesen egyenletes intenzitású; az 1990-es években azonban a COBE műhold, majd később más műszerek is felfedezték, hogy a sugárzásban apró hőmérséklet-ingadozások mutatkoznak. E kis eltérések egyfajta kövületek, amelyek akkor vésődtek a sugárzásba, mikor az utoljára került kölcsönhatásba az anyaggal. Így aztán elárulják számunkra, hogyan oszlott el maga az anyag az univerzumban 2 Az Ősrobbanás tanulmányozása során ez az első hőmérsékleti érték, amelyet már saját tapasztalataink alapján is elképzelhetünk. Végtére is mindannyian látjuk a Nap felszínét, s 150 millió kilométeres távolságból is bőrünkön érezzük melegét. 300-500 ezer évvel ezelőtt az egész univerzum a nap mai felszínéhez hasonló állapotban lehetett. Még e fantasztikusan magas hőmérséklet eléréséhez is körülbelül félmillió évig kellett fokozatosan hűlnie.

2 3 6 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

abban az időben, amikor kölcsönhatott a sugárzással, s mielőtt megkezdte volna összeomlását csillagokká, galaxisokká és galaxishalmazokká. Ezek a hőmérséklet-ingadozások pontosan olyan mértékű sűrűségingadozásokra utalnak, amelyekből - a gravitációs hatások miatt megnövekedve - napjainkra kialakulhattak az univerzum ma ismert szerkezetei. Hogyan jöttek létre ezek az apró ingadozások? Mi vetette el a csíráikat magában az Ősrobbanásban? E kérdés megválaszolásához egy kissé ingoványosabb területre kell merészkednünk, s a kozmológia mellett a részecskefizika eredményeit kell felhasználnunk. Mint a legtöbb új, fejlődő tudományterület esetében, itt is számos modellel rendelkezünk arra, hogy a dolgokat megmagyarázzuk. Az egyszerűség kedvéért én most csak egyet, a kedvencemet fogom bemutatni. A különböző elméletek ugyanis nagyjából ugyanazt a képet szolgáltatják, bár a részletek kissé különböznek. A nagy kérdés - a filozófiában és a vallásban ugyanúgy, mint a tudományban -, hogy az univerzum egyáltalán miért létezhet? Miért több valamivel a semminél? A kvantumfizika és az általános relativitáselmélet kombinációjából adódó válasz szerint az univerzum valóban a semmivel lehet egyenlő. Kissé precízebben, az univerzum teljes energiája a nulla körül mozoghat. Ez valóban meglepőnek tűnhet, hiszen tudjuk, hogy milliárdnyi galaxis létezik, amely mindegyike több százmilliárd csillagot tartalmaz, s Einstein arra tanított bennünket, hogy a tömeg voltaképpen az energia erősen koncentrált formája. Einstein azonban arra is rávilágított, hogy a gravitáció (a görbült téridő) az energia egyik formája - s bár bizarrnak tűnik, de a gravitációs mező valójában negatív energiát tárol. Igen valószínűnek tűnik, hogy az univerzum összes, tömegbe zárt pozitív energiája pontosan egyenlő saját gravitációs mezőjének negatív energiájával. Az univerzum talán nem több - vagy kevesebb - mint egy kvantumingadozás. Hogy a negatív gravitációs energia gondolatát jobban megérthessük, képzeljünk el az univerzumnál jóval kisebb objektumot - például egy csillagot. Képzeljük el, hogy a csillagot alkotórészeire szakítjuk szét, amelyeket aztán a lehető legnagyobb - végtelen - távolságra szórunk szét. Teljesen mindegy, milyen részekre bontjuk a csillagot - atomokra, atommagokra vagy elemi részecskékre - az érvrendszer ugyanaz. A gravitációs erő a távolság négyzetével fordítottan arányos. Így két, egymástól végtelen távolságban lévő ré-

PARÁNYI ÉS VÉGTELEN » 237

szecske között a gravitációs erő gyakorlatilag nullának tekintendő. Az egymástól végtelen távolságban elhelyezkedő részecskék közötti gravitációs energia mennyisége szintén nullának tekintendő. Most képzeljük el, hogy lehetővé tesszük a részecskék újbóli összeállását. (Természetesen, ha valóban végtelen távolságra lennének egymástól, ez soha nem történne meg, de most tegyük fel, hogy gondolatban erre kényszerítjük őket.) Az egyik legfontosabb dolog, amit a gravitációról tudunk, hogy egy anyaghalmaz összeállásánál energia szabadul fel, s a részecskék felmelegszenek. Mint már láttuk, ez tette lehetővé, hogy a Nap, illetve más csillagok is eléggé felmelegedjenek ahhoz, hogy meginduljanak bennük az atommag-reakciók. A gravitációs energia e felszabadulása nélkül mi sem lehetnénk itt. A részecskék szintjén a következő történik: a gravitációs mező energiájából mozgási energia lesz (kinetikus energia), így a részecskék egyre gyorsabban zuhannak össze. Amikor a részecskék egymással összeütköznek, az egyes részecskék kinetikus energiája hőként jelenik meg. Ez azonban igen különös dolog, hiszen az egész folyamatot nulla energiával kezdtük el. Amint azonban a részecskék egymáshoz közeledtek, a gravitációs mező adott energiát számukra. Ami azt jelenti, hogy a folyamat megindulása után nullánál kisebb, vagyis negatív energiával rendelkezett. A valódi univerzum összes valódi objektuma számára a gravitációs mezőhöz kapcsolódó energia negatív! Itt azonban nincs vége a dolognak. Ha elképzeljük, hogy a gravitációs összeomlás tovább folytatódik, akkor egy olyan szingularitás jön létre, amelyet az általános relativitáselmélet az univerzum születésével kapcsolatban is megjósolt. A gravitációs mezőből felszabaduló energia teljes mennyisége pontosan ugyanannyi, mint az összeálló részecskék tömegében rejlő energia. Ha egy Naphoz hasonló csillag egyetlen pontba sűrűsödne, gravitációs mezőjének negatív energiája pontosan kiegyensúlyozná a tömegében lévő pozitív energia mennyiségét. Összes energiája tehát a nullával lenne egyenlő. Ugyanez az érvelés az egész univerzumra alkalmazható. Ha születése egyetlen pontból indult ki, akkor az univerzum anyagában lévő energia hatalmas mennyisége pontosan kiegyenlítődne a gravitációs mező negatív energiájával, s az átlagos energiaszint nullára jönne ki. Az univerzum születésekor fellépő kvantumhatások azonban egy kissé összezavarták a szingularitást, illetve a gravitációs mező ez-

238 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

zel kapcsolatos viselkedését. E kvantumhatásokat azonban jelenleg még sok bizonytalanság övezi - egy valódi szingularitás nem is létezhet a kvantumfizikában, mivel a téridő egy precízen meghatározott pontján nem tudjuk pontosan meghatározni az energia mennyiségét. A kvantumbizonytalanságok, amint arról a 3. fejezetben beszámoltunk, lehetővé teszik az „üres tér" életben maradását olyan energiacsomagokkal, amelyek végül is a semmiből bukkannak fel, majd a kvantumtörvények által meghatározott időn belül eltűnnek. Minél kevesebb az energia, annál hosszabb ideig létezhet a virtuális energiacsomag - mielőtt az univerzum ezt megérezné - s azután el kell tűnnie. Így az a kvantumfluktuáció, amelynek összes energiája pontosan nulla volt - ami a kvantumvilágot illeti - végtelen hosszú ideig eltarthat. Az 1970-es években néhány kozmológus eljátszott a gondolattal, hogy az egész univerzum egy kvantumfluktuáció eredménye lehet - valami olyan dolog, amely minden ok nélkül kiugrott a vákuumból, egyszerűen azért, mert ezt nem tiltják a fizika törvényei. E kvantummodellek szerint ez az esemény nem történhetett egy szingularitásban. A kvantumtörvények kimondják, hogy létezik egy lehetséges legkisebb lehetséges időintervallum, az ún. Planck-idő, egy lehetséges legnagyobb sűrűségérték (a Planck-sűrűség) és egy lehetséges legkisebb távolságtartomány (a Planck-hossz). E korlátokat együtt alkalmazva az univerzumnak egy olyan fázisban kellett megszületnie, mikor a kora 10-43 másodperc volt (Planck-idő), kezdeti sűrűségének pedig 1094 g/cm 3 -nek kellett lennie. Az egész látható világegyetem egy ilyen Planck-részecskéből születhetett, amelynek átmérője 10-33 cm (a Planck-hossz) volt, ami mindössze század-milliárdod része egy proton átmérőjének. Az elmélet nagy problémája, amint az már a 70-es években nyilvánvalóvá vált, hogy egy efféle Planck-részecske igen rövid életidővel rendelkezik, bármit is engednek meg a kvantumtörvények. Emellett gigantikusan nagy gravitációs mezővel kell rendelkeznie, amely valószínűleg már felbukkanása pillanatában szétszakítaná. A kozmológia azonban az 1980-as években nagy átalakuláson ment keresztül, a részecskefizikának köszönhetően - ebben az alapvető természeti erők nagy energiákon való egyesülésének kutatása játszotta a főszerepet. Amint a 3. fejezetben már leírtuk, az általunk ismert négy alapvető erő nagyon nagy energiákon egyet-

PARÁNYI ÉS VÉGTELEN » 239

len közös erővé áll össze. Mindezt a különféle részecskék és erők kölcsönhatásának legjobb modelljeiből állapítottuk meg. Ez lehetett a helyzet a Planck-részecskék idejében, az univerzum születésénél is. De szinte rögtön a kezdeti pillanat után, a Planck-idő elteltével a gravitáció elvált a többi erőtől, és saját életre kelt. Rövidesen a többi erő is követte ezt az utat. Az elméletek szerint az alapvető erők szétválása olyan hatalmas, kifelé ható energiát termelt, hogy az univerzum a másodperc törtrésze alatt drámai táguláson ment keresztül - ennek segítségével kerülte el, hogy a gravitációs erő hatása miatt összeomoljon. Az ily módon felszabaduló energiát gyakran hasonlítják a látens hőhöz, ami akkor szabadul fel, amikor a vízgőz folyékony vízzé csapódik le. Amint a víz magasabb energiaállapotból alacsonyabb energiaállapotba kerül, látens hő termelődik. Ez a hajtóereje például egy hurrikánnak, ahol olyan sok vízpára csapódik le, hogy ez óriási légörvények mozgásban tartásához is elegendő. A hurrikánban a szelek a Föld forgása miatt örvénylenek, az univerzum azonban nem forog. Az univerzum születése egy olyan kozmikus hurrikánnak tekinthető, amelyben a szelek minden irányban kifelé fújtak. Ez az elgondolás a felfúvódási (inflációs) modell nevet kapta, amelynek egyik legfontosabb jellemzője, hogy exponenciális - vagyis gyorsulva változó - folyamatról volt szó. Az univerzum mai tágulásának üteme többé-kevésbé egyenletes - ha két galaxis között a távolság 5 milliárd év alatt megduplázódott, akkor a következő 5 milliárd évben is meg fog duplázódni (valójában ez nem egészen így van, mivel a tágulás mai üteme a gravitációs hatás miatt egy kissé lassul). Az exponenciális tágulás során két részecske közötti távolság egy pillanat alatt megkétszereződik, a következő pillanatban megnégyszereződik, a következőben megnyolcszorozódik és így tovább. A nagyon korai univerzumban ez a „pillanat" mindössze 10-34 másodpercnek felelt meg, ami azt jelenti, hogy 10-32 másodperc alatt az univerzum mérete százszor volt képes megduplázódni. Ez elegendő volt ahhoz, hogy a proton méretének töredékét (század-milliárdodmilliárdod részét) kitevő világegyetem körülbelül grépfrut nagyságúra fúvódjon fel, még jóval azelőtt, hogy elérte volna a 10-31 másodperces kort. Ezen a ponton a négy alapvető erő elvált egymástól, s a felfúvódás befejeződött. Ennek ellenére a grépfrut nagyságú univerzum (amely az egész látható univerzum összes

240 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

anyagát és energiáját tartalmazta) olyan gyorsan folytatta tágulását, hogy azt a gravitáció még évszázmilliárdokig nem lesz képes megállítani. 3 A csillagászokat lenyűgözte a felfúvódás elmélete, mivel segítségével jól magyarázhatták az Ősrobbanás környékén uralkodó viszonyokat. A részecskefizikusok is izgalomba jöttek, mivel a modell lehetőséget nyújtott egyéb elméletek tesztelésére, méghozzá jóval nagyobb energiákon, mint amilyenek a Földön valaha is elérhetők. S mindkét tábort boldogság töltötte el, mivel a felfúvódási modell - mint minden jó tudományos teória - ellenőrizhető jóslatokat nyújtott, amelyet ez esetben az univerzum nagy léptékű szerkezetének megfigyelésével lehetett elvégezni. A felfúvódási modell megfelelt e teszteknek - bár ma is számos olyan kérdés létezik, amire nem tudunk válaszolni a világegyetem születésével kapcsolatban. A legmélyebb benyomást keltő megfigyelési próba azoknak az apró egyenetlenségeknek a felfedezése volt a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásban, amelyekről már az előzőekben beszámoltunk. Ezek az apró fodrozódások akkor keletkeztek, amikor az univerzum még nem egészen félmillió éves volt, s elárulják számunkra, hogy már az akkori világegyetem anyagában is jelen voltak azok a sűrűségingadozások, amelyekből éppen a mai méretű galaxishalmazok fejlődhettek ki. A felfúvódási modell szerint abban az időben, amikor az egész ma látható univerzum egy mindössze 10-25 cm átmérőjű térrészbe volt beszorítva (ez már a Planck-hossz százmilliószorosa), akkor a „közönséges" kvantumfluktuációk (mint amilyeneket könyvünk 3 Nem lehet nem megemlíteni, hogy ennek az elméletnek egy másik izgalmas variációja is létezik. Ahogyan már említettük, az univerzum megszületéséhez vezető kvantumingadozás a semmiből, a szingularitás kvantummechanikai megfelelőjéből pattanhatott elő. Pontosan ugyanilyen kvantumszingularitásokat képzelnek el a fekete lyukak középpontjaiban, ahol az anyag egyetlen pontba sűrűsödik össze. Néhány kozmológus komolyan felvetette, hogy a kvantumhatások megfordíthatják az ilyen összeomlásokat, s felfúvódást idézhetnek elő, amelyek aztán új világegyetemeket hoznak létre, azok saját téridejével együtt. Lehetséges, hogy univerzumunk minden fekete lyuka kapuként szolgál más univerzumokba. Lehetséges, hogy saját univerzumunk egy másik univerzum anyagának fekete lyukká történő összeomlása során jött létre. Lehetséges, hogy számos, egymással párhuzamos univerzum létezik, amelyekben nem azonosak a természeti törvények. S mivel az összes energiamennyiség mind az összeomlás, mind a felfúvódás során nulla, nem számít, mennyi (illetve milyen kevés) anyag van egy-egy fekete lyukban - a „másik oldalon" teljes értékű és méretű univerzum jöhet létre.

PARÁNYI ÉS VÉGTELEN • 241

elején is bemutattunk) létrehozhatták ezeket az apró fodrokat az univerzum szerkezetében. A világegyetem tágulása során ezek a fodrok is exponenciálisan növekedtek, s lenyomatukat az univerzum mai szerkezetében is hátrahagyták, az anyagsűrűség helyről helyre változó értékeinek formájában. A COBE és más műszerek által a kozmikus mikrohullámú háttérsugárzásban észlelt egyenetlenségek pontosan megfelelnek azoknak a fodroknak, amelyek kialakulását a kvantumfluktuációk kiterjedésével várhatjuk. Ha tehát modelljeink helyesek, akkor ismét csak a kvantumhatásoknak köszönhetjük létezésünket; az elsődleges kvantumfluktuációk nélkül maga az univerzum sem létezhetne, míg a másodlagos kvantumfluktuációk nélkül minden tökéletesen sima és egyenletes eloszlású lenne, így nem létezhetnének csillagok - s emberek sem, akik a kezdetek problémáin gondolkodnak. Egyelőre nincs más elfogadható elméletünk arra, hogy miért oly egységes az univerzum nagy léptékű szerkezete (a felfúvódásnak köszönhetően), ugyanakkor miért tartalmaz pontosan olyan méretű egyenetlenségeket, amelyek a mai galaxishalmazok létét magyarázzák (ugyancsak a felfúvódásnak köszönhetően). Milyen valóban ellenőrizhető jóslatokat ad a felfúvódási modell? Tesztelhető bármelyikük is földi körülmények között? Igen. Az elmélet egyik kulcsfontosságú követelménye, hogy az univerzum anyagmennyisége valóban ellensúlyozni tudja a gravitációs mező negatív energiáját. Ez a precíz egyensúly szükséges ahhoz, hogy az univerzum egy végtelen állapotig tágulhasson, majd ott is maradhasson anélkül, hogy megindulna összehúzódása - egy olyan folyamat, amelyben fordítva játszódnának le az Ősrobbanás óta eltelt események, s idővel minden ismét egyetlen kezdeti állapotba omlana össze. Az általános relativitáselmélet nyelvén ez úgy fogalmazható meg, hogy a téridőnek összességében laposnak kell lennie, jelentős görbületek nélkül. 4 Egy kicsit egyszerűbben fogalmazva ez azt jelenti, hogy a ma általunk észlelt tágulási folyamat nem tart örökké, de nem is fordulna vissza a gravitáció hatására, az univerzum összeomlásához vezetve. Ez az állapot akkor valósulhat meg, ha az univerzum anyagsűrűsége egy ún. kritikus sűrűségnek felel meg. Ennek eléréséhez 4 Az elgondolásnak persze több finom módosítása is létezik, amelyek például megengedik egy majdnem, de mégsem egészen lapos univerzum létezését.

242 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

azonban körülbelül százszor több anyagnak kell léteznie annál, amit mi fénylő anyagként, galaxisok formájában észlelünk. Más szavakkal: a felfúvódási elmélet megjósolja, hogy a világegyetem anyagának nagy része ún. sötét anyag formájában van jelen. A csillagászok örömmel fogadták e feltételezést, mivel már tudták, hogy az univerzumban több anyag van jelen, mint ami látható. A galaxisok forgásának és mozgásának tanulmányozásából nyilvánvalóvá vált, hogy valamilyen láthatatlan tömeg gravitációs hatást fejt ki rájuk, amelynek mennyisége legalább tízszerese, de akár százszorosa is lehet a fénylő anyagnak. Azok a számítások azonban, amelyek leírják az Ősrobbanás során végbemenő anyagkeletkezési folyamatokat (s amelyeket a fejezet korábbi részében bemutattunk), korlátokat szabnak annak az anyagmennyiségnek (legyen az akár fénylő vagy sötét), amely protonokból és neutronokból állhat (vagyis együttesen az ún. barionos anyagnak, amelyből mi is felépülünk). Az Ősrobbanás során lejátszódó folyamatokat - protonok, neutronok, elektronok és neutrínók kölcsönhatásait - ugyanis az első másodpercek anyagsűrűsége döntően befolyásolta. Ahhoz, hogy a hidrogén és hélium ma észlelt, 74-26%-os arányát magyarázni tudjuk, el kell fogadnunk, hogy az összes anyagnak csak néhány százaléka létezhet barionos formában. Ezek szerint a többi anyag csak olyan formában létezhet, amely nem vehetett részt az univerzum eredeti héliumkészletének kialakulását eredményező atommag-reakciókban. A részecskefizikusok standard modelljei - ugyanazok a modellek, amelyek alapján megjósolták legelőször az inflációt - megjósolják olyan gyengén kölcsönható részecskék létezését, amelyek alapvetően különböznek a barionos anyagtól. Ezek a részecskék nem érzik sem a magerők, sem az elektromágneses erő, de még a gyenge erők hatásait sem, s még soha nem sikerült őket detektálni. Az univerzum többi alkotóelemével csak a gravitáción keresztül kerülhetnek kölcsönhatásba. Valójában a gravitáció és a többi alapvető erő szétválásakor, gyakorlatilag az univerzum születésénél válhattak le minden más anyagról. Bár e részecskék kimutatása még a jövő feladata, elméletileg megjósolhatjuk tömegüket és egyéb tulajdonságaikat, sőt még nevet is kaptak: ezek a fotinók. A részecskék e különleges családja az angol elnevezés kezdőbetűiből a WIMP nevet kapta (Weakly Interacting Massive Particles, azaz gyengén kölcsönható nagy tömegű elemi részecskék) - mivel

nagy tömeggel rendelkeznek, de nem lépnek kölcsönhatásba a közönséges anyaggal. A WIMP-eknek elméletben számos típusa létezhetett, amelyek az igen korai univerzum nagy energiájú körülményei között nagy számban jöhettek létre. Valószínű azonban, hogy csak legkönnyebb képviselőjük (talán az ún. fotino) maradhatott stabil, s hogy az összes többi, nagyobb tömegű formának ebbe az állapotba kellett lebomlania, szintén az igen korai univerzumban. Természetesen mind a csillagászok, mind a részecskefizikusok nagyon szeretnék közvetlenül is észlelni e részecskét, s a következő néhány év során ez talán be is következik. Most, hogy gyanítjuk jelenlétüket, viszonylag könnyen elcsíphetnénk egyet, hiszen feltételezett tömegük a protonéhoz fogható, s az elméletek szerint a WIMP-ek valóságos óceánja vesz körül bennünket. Ha a WIMP-ek tömege valóban a protonokéhoz és a neutronokéhoz hasonló, ugyanakkor a sötét anyag mennyisége akár százszorosa is lehet a fénylő anyagénak, akkor százszor annyi WIMPnek kellene léteznie, mint amennyi barion (vagyis proton és neutron) van jelen az univerzumban. A barionokkal ellentétben, amelyek csillagokba és galaxisokba koncentrálódnak, a WIMP-eknek sokkal egyenletesebben kellene eloszlani az univerzumban (erre létezik egy indirekt bizonyíték, a galaxishalmazok eloszlási mintázatának formájában; a számítógépes szimulációk szerint e mintázatok csak úgy magyarázhatók, ha a halmazokban lévő fénylő anyag egy jóval egyenletesebb sötét anyagba ágyazódik). Egyszerű számítások azt sugallják, hogy egy köbméternyi térrészben akár 10 000 WIMP is jelen lehet - s nem csupán a világűrben, hanem körülöttünk mindenhol, a közönséges anyagokban is - a levegőben, amit belélegzünk, a földkéregben, vagy akár a Nap magjában. (Ez a szám persze kevésbé hatásos, ha felidézzük, hogy 0 °C-os hőmérsékleten a tengerszintben lévő levegő minden köbmétere 45 milliárdszor milliárd molekulát tartalmaz.) A WIMP-ek kozmikus méhrajként, pár száz km/s-os sebességgel száguldhatnak át a kimutatásukra létrehozott laboratóriumokon is, s legtöbbjük anélkül hatolhat át bármely ember nagyságú objektumon, hogy bármiféle nyomot hagyna maga után. Az összes WIMP közül csak néhány az, amely összeütközik egy atom magjával, s visszapattan róla (vegyük tekintetbe, hogy amint Rutherford felfedezte, egy atom jobbára üres tér, aprócska kis maggal a központjában). Egy kilogrammnyi (bármilyen) anyag-

244 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK

ban mintegy 1027 (milliárdszor milliárdszor milliárd) barion van jelen. Néhány és néhány száz között lehet azoknak a WIMP-eknek a száma (pontos tulajdonságaiktól függően, amelyeket még nem ismerünk), amelyek ekkora anyagmennyiséggel egy nap leforgása alatt kölcsönhatásba léphetnek. Ezekre alapozzák a WIMP-detektorok működését. Ha egy WIMP valóban összeütközne egy atommaggal, akkor az elméletileg kimutatható lenne (a WIMP által leadott energia egy kissé felmelegítené a detektor anyagát). Hétköznapi körülmények között azonban az atommagok állandó „zaklatásnak" vannak kitéve, az űrből érkező kozmikus sugárzás, saját hőmozgásuk stb. miatt. E zavaró hatásokat ki kell küszöbölni, amennyiben valóban szeretnénk kimutatni egy WIMP érkezését. Ezért a WIMP-detektorok igen tiszta anyagból készülnek, s igen alacsony hőmérsékletre hűtve, föld alatti laboratóriumokban (bányák aknáiban, alagutakban) helyezik el őket, hogy minimálisra csökkentsék a többi környezeti hatást. Itt figyelik - mindössze néhány K hőmérsékleten - egy WIMP becsapódásának következményeit. A részecskefizika Nagy Egyesített Elmélete által megjósolt tulajdonságokkal rendelkező WIMP-ek kimutatására alkalmas detektorok csak néhány éve működnek. Néhány esetben már felröppent a WIMP-ek észlelésének híre, de rendre kiderült, hogy elhamarkodott bejelentésekről van szó. A bizonyító erejű megfigyelések a 21. század elejére várhatók: ha a WIMP-ek valóban léteznek, akkor már valóban látni fogjuk őket. Az emberiség történetében először lépünk közvetlen kapcsolatba azzal a részecskével, amely az univerzum tömegének akár 99%-át is alkothatja. Az észlelési kísérletek negatív eredménye azonban azt jelenti majd számunkra, hogy a WIMP-ek nem léteznek - az elméletünk tehát rossz. Ez igen sajnálatos lenne, mivel az egész történetben az a legizgalmasabb, hogy a WIMP részecskefizika által megjósolt tulajdonságai pontosan olyanok, mint amire a csillagászoknak szüksége van az univerzum kritikus sűrűségének, így tömegének sötét anyaggal való magyarázatához. Lenyűgöző összefüggés ez a tudomány olyan területei között, amelyek látszólag egymással ellentétes irányokban vizsgálódnak: egyikük az univerzum végtelenül apró, másikuk mérhetetlenül hatalmas szerkezeteit kutatja. Amennyiben a WIMP-eket valóban felfedezik a következő né-

PARÁNYI ÉS VÉGTELEN « 245

hány év során, s valóban az általunk megjósolt tulajdonságokat mutatják, úgy a mikro- és makrovilág közötti kapcsolat e nagyszerű feltárása a tudományos módszer legnagyobb diadala lesz. Ha mégsem fedezzük fel őket, akkor ismét el kell gondolkodnunk a dolgokon - nem a tudományos módszer helyességén, csak egyes elméleteinken. Akárhogy is alakul, most már páholyból nézhetjük az egyik legfontosabb és legtávolabbra mutató elmélet próbáját, amelyet a tudomány valaha is megalkotott. De bármi is lesz a kísérletek eredménye, semmi sem változtathatja meg a legalapvetőbb és legfontosabb igazságot, amire a tudomány tanít bennünket: lehet bármilyen ragyogó az elméletünk, lehet benne bármennyi szép összefüggés - ha ellentmond a megfigyelési tapasztalatoknak, akkor helytelen.

Irodalomjegyzék

Dawkins, Richard, River out of Eden (Weidenfeld & Nicolson, London, 1995), magyar kiadas: Folyam az Edenkertbol, 1999, Vince Kiado Eddington, Arthur, The Nature of the Physical World (Folcroft Library Editions, Folcroft, Pennsylvania, 1935). Emiliani, Cesare, The Scientific Companion (Wiley, New York, 2nd edn, 1995). Feynman, Richard, The Character of Physical Law (Penguin, London, 1992). Feynman, Richard, Six Easy Pieces (Addison-Wesley, Boston, 1995), magyar kiadas: Hat konnyed eloadas, 1999, Akkord/Park Feynman, Richard, Six Not So Easy Pieces (Penguin, London, 1998), Fortey, Richard, Life: An unauthorised biography (HarperCollins, London, 1997). Fritzsch, Harald, Quarks (Allen Lane, London, 1983). Gribbin, John, Companion to the Cosmos (Weidenfeld & Nicolson, London, and Little, Brown, New York, 1996). Gribbin, John, Q is for Quantum (Weidenfeld & Nicolson, London, 1998). Gribbin, John and Mary, Richard Feynman: A life is science (Viking, London, and Dutton, New York, 1997). Gribbin, Mary and John, Being Human (Phoenix, London, 1995). Mason, Stephen, Chemical Evolution (Oxford UR 1992). Murdin, Paul and Lesley, Supernovae (Cambridge UI> 1985). Scott, Andrew, Molecular Machinery (Blackwell, 1989). Trefil, James, From Atoms to Quarks (Scribner's, New York, 1980). Watson, James, The Double Helix (Critical edition, ed. Gunther Stent, Weidenfeld & Nicolson, 1981). Weiner, Jonathan, The Beak of the Finch (Jonathan Cape, London, 1994).

A Talentum Tudományos Könyvtár kapcsolódó kötetei Gribbin, John, Az idő születése Gribbin, John, Schrödinger macskája Feynman, Richard, A dolgok értelme Feynman, Richard, A felfedezés öröme

IL

Mutató

abszolút nulla hőmérséklet 28 Afrika 129, 138, 140, 146, 148, 149, 151, 158, 177 afrikai emberszabású majmok 129, 178 agy 11, 15, 131 akkréció 186 alfarészecske 40, 41, 42, 43, 65 alfa-sugarak 40 alfa-sugárzás 40 alléi 115, 116, 119, 120, 121 altruizmus 132, 133, 134 ammónia 93, 163, 187, 197, 199 ammónium-ion 86, 93 Androméda-köd 226 anód 36, 37 Antarktisz 149, 151, 169, 175 antibiotikum 127 antineutrínó 68, 233, 234 Apolló űrhajó 192 Asimov, Isaac 9 Astbury, William 103, 106 asztenoszféra 140, 143 aszteroida 180, 192, 195, 196, 197, 200 aszteroida-övezet 181, 195, 196 Atlanti-hátság 142, 144, 147 Atlanti-óceán 102, 142-151, 158, 173 atmoszféra 138, 162-168, 171 atom 14, 17, 21, 29, 30, 35-42, 49, 52, 54, 56, 65, 70, 73, 77-81, 85, 86, 89, 91, 94, 95, 98, 99, 100, 106, 111, 222, 243 atommag 41, 42, 43, 44, 54, 56, 77-83, 86-91, 111, 130, 181, 183, 184, 188, 189, 203, 204, 210, 213-221, 232, 237, 242

atommag-fúzió 181 atommodell 17, 19, 23, 33, 39, 40, 41, 44, 45, 48, 51, 62, 77 atomsúly 28, 29, 30, 39, 42, 44, 78, 87 Ausztrália 143, 149, 151, 166 Avogadro, Amadeo 19, 20, 28 Avogadro-állandó 33, 35 Avogadro-szám 8, 20, 21, 31-35 Ázsia 146, 148, 150, 154, 158, 143 Bacon, Francis 140, 141 baktérium 105, 125, 127, 128, 152, 155, 165 Balmer, Johann 51 Balmer-formula 51 barionos anyag 242 Becquerel, Henri 40 Beguyer, Chancourtois, Alexandre 29 belső mag 139, 214, 221 Bernoulli, Dániel 21, 22 Berzeulis, Jöns 28, 90 béta-sugárzás 40, 42 Boag, Peter 127 Bohr, Niels 45, 48-52, 77-83 Boltzmann, Ludwig 22 Born, Max 31 borsókísérletek 117, 118, 119 botanika 31, 121 Boyle, Róbert 18, 21 bozon 68, 71 bőrrák 168 Bragg, Lawrence 102, 103, 105 Bragg, William 102, 103 Brown, Róbert 31 Brown-mozgás 31, 32, 33 Brünn (Bmo) 118

250 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK bujkáló alléi 1. 120 Bullard, Edward 145 Bunsen, Róbert 50 Bunsen-égő 50 Callisto 197, 198 Cannizarro, Stanislao 20 Cassini űrszonda 198 cefeidák 207, 224-227, 231 cenozoikum 151, 159 Charon 180, 192 cisztin 101 Clausius, Rudolf 22 Crick, Francis 150, 106, 108 Croll, James 175 Crookes, Wiliam 37 Curtis, Hebber 225 Csendes-óceán 143, 147, 148 csillagászati egység 180, 190, 194-199 csillagfejlődési modellek 188, 202, 222 csóva 199 dalton 87, 102 Dalton, John 18, 19, 20, 87, 90 Darwin, Charles 11, 117, 118, 121-132, 152, 159, 204 Davy, Sir Humphry 58 Dawkins Richárd 128, 134 de Broglie, Louis 53, 54 Deimos 195 Dél-Amerika 126, 140, 141, 149 Démokritosz 17 devon 154, 156 dinamó 59 dinamóhatás 59 dinoszaurusz 129, 151, 157, 158, 159, 187, 196 d-kvark 66, 68, 69 DNS 90, 99, 104-116, 125, 127, 129, 131, 168, 178 doppler-eltolódás 205, 227, 230 Eddington, Arthur 26, 204, 205,

208-211

egyedszám 123, 124, 134 Egyenlítő 138, 149, 150, 154, 156, 172, 173, 192 egyszeres kötés 94, 95, 96 Einstein, Albert 11, 21, 22, 23, 25,

30-34, 38, 53, 54, 136, 137, 204, 228, 229, 231, 232, 233, 236 elektromágneses erő 43, 63-66, 69, 77, 80, 86, 131, 242 elektromágneses hullámok 40, 44-47, 61, 63, 82, 102 elektromágneses mező 63, 64, 71 elektromágnesesség 42, 61, 65, 68, 69, 70, 71, 76 elektromos áram 14, 46, 59, 60 elektromos töltés 37, 38, 40, 41, 44, 45, 46, 53, 64, 66, 71 elektron 38, 41, 43, 44, 45, 49, 51-56, 61-68, 73, 77-86, 91-96, 209, 214, 215, 217, 233, 234 elektron hullámelmélete 84 emberi viselkedés 132 energia 10, 25, 26, 27, 46, 47, 49, 66, 67, 82, 84, 87, 139, 162, 164, 167, 171, 174, 183, 184, 189, 204, 205, 210, 214-218, 221, 222, 236, 237, 238, 244 energia- és tömegmegmaradási törvény 26 energiaszint 49-56, 78, 79, 82, 84, 85, 93, 94, 95, 165, 203, 237 enzim 108, 109, 110, 113, 166 erő 22, 23, 24, 43, 45, 64-73, 80, 86, 130, 183, 236-239, 242 erőhatás 24, 43, 65, 67, 68, 69, 71 erőtér 60, 62, 63 Észak-Amerika 123, 141, 143, 146-151, 154 Európa 197, 198 Európa 197, 198 evolúció 9, 10, 11, 99, 112, 116-136, 153, 155, 157, 159, 160, 167, 170, 171, 177, 178, 184, 193, 203, 204 evolúciós elmélet 11, 122, 123, 126, 131, 132, 204 évszakok váltakozása 173, 174, 193 faj 112, 113, 117, 123, 124, 126-131, 153, 156, 177 Faraday, Michael 58-64, 95 fehér törpék 184, 214, 215, 216, 221, 222 fehérje 99, 102, 109, 110, 115, 116 fekete lyuk 15, 216, 221, 228, 229 fekete test 203

MUTATÓ « 2 5 1 felfúvódás elmélete 240 fenotípus 114, 115, 116, 120, 121 fény 13, 14, 34, 35, 45-51, 53, 54, 61, 62, 63, 138, 162, 189, 190, 192, 199, 216, 228, 229, 230 fényév 52, 130, 182, 189, 199, 206, 207,, 211, 226 fénykibocsátás 14 Feynman, Richárd 12, 14, 17, 30, 48 FitzRoy, Róbert 121 fosszília 150, 157, 166, 177, 178 fotonok 47-50, 53, 54, 63-66, 69-72, 75, 82, 164, 168, 169, 189, 190, 203, 233, 234, 235 fotoszintézis 111, 154, 155, 165-168 Föld 22-25, 42, 60, 63, 70, 82, 122, 128, 130, 131, 138-144, 148-153, 156, 159-167, 173-180, 184, 186, 187, 190-199, 206, 214, 215, 219, 222, 226, 239 földkéreg 99, 138, 139, 143, 146, 152, 243 Földközi-tenger 148, 152, 159 földrengés 138, 143, 147, 148, 151, 188 földrengéshullámok 138, 139, 140, 142 futóáramlások 197 Gaia 170 galaktikus év 182 Galilei-hold 197 Galileo, Galilei 11, 197 gamma-sugárzás 189 Ganymedes 197, 198 gáz 19, 20, 21, 25, 27, 50, 53, 87, 88, 154, 162, 163, 170, 179, 187, 203, 208 , Geiger, Hans 40 Geissler, Johann 36 gének 114, 118-121, 132, 133, 134 génkészlet 120, 133 genotípus 115, 120 geocentrikus világkép 197 geológia 121, 122, 123, 129, 141-158, 161, 169, 170, 175, 195, 204 gerincesek 149, 156, 157 gleccserek 149, 150 globális lehűlés 157, 159 gluon 67, 72

gondolkodás 128, 133, 134, 136 Gondwana 149-154, 156, 158 Goodwin, Simon 231 gőz 25, 26, 27, 162, 163, 164, 172, 239 Grant, Peter 127 Grant, Rosemary 127 gravitáció 22, 23, 33, 60, 62, 63, 65, 69, 70, 73, 74, 130, 131, 183, 186, 208, 210, 216, 221, 236, 239, 240, 241, 242 graviton 65, 69, 72, 75 Grönland 141, 149, 151 gyorsaság 125, 129, 150, 152 gyorsulás 24, 44 halak 149, 155 Haldane, J. B. S. 133 Halley-üstökös 200 Heisenberg, Werner 55 Heitler, Walter 84 hematit 166 Hendry, Martin 231 Herapath, John 22 Hertz, Heinrich 61 Hess, Harry 142, 143 hidrogén 18, 20, 28, 39, 44, 51, 52, 53, 78-89, 94, 95, 98-101, 106, 152, 163, 165, 166, 183, 184, 188, 197,211,213-218, 234, 242 hidrogén-szulfid 152, 165, 166 Himalája 148 Hipparcos műhold 206, 207 Hold 22, 24, 42, 131, 145, 163, 174, 180, 185, 186, 187, 190-198, 206, 229, 235 homo sapiens 129, 171 hő 26, 27, 32, 201, 205, 214, 239 hőmérséklet 27, 50, 82, 87, 140, 163-165, 170, 171, 172, 188, 189, 191, 194, 198, 204, 210, 213, 214, 217, 218, 220, 221, 233, 235, 236 Hubble, Edwin 225, 226, 227, 229, 231 Hubble-állandó 231 Hubble-törvény 231 Hubble-űrtávcső 181, 226, 228 hullám 46, 48, 55, 61, 77, 81, 93, 212 hullámelmélet 84

252 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK hullámfüggvény 55 hullámhossz 13, 14, 34, 39, 40, 46-54, 162, 167, 189, 230 hullámrészecske 54, 55 Humason, Milton 228 húrelmélet 73, 74, 75 Huxley, Thomas, Henry 11 hüllők 129, 149, 150, 155, 157 impulzusmomentum 185, 186, 213 India 148, 149 interglaciális 176, 177, 179 inverz négyzetes szabály 22, 23 Io 197 ivartalanul szaporodó fajok 125 izotóp 39, 40, 42, 43, 44, 87 jégkorszak 153, 154, 156, 158, 171, 175-179, 193, 201 jód 29, 30 Joule, James 22 Jupiter 181, 185, 187, 188, 195-201, 209 jura 158 kalcium-szilikátok 169 Kaliforniai-félsziget 147 Kant, Immánuel 224 katód 36-39 Kekule, Friedrich 96 Kelet-afrikai árokrendszer 146 kémiai elemek 29, 38, 39 kemoszintetizáló baktérium 152 kétéltűek 155, 156 kétszeres kötés 95, 96 kinetikus gázelmélet 21, 25, 28 Kirchoff, Gustav 50, 51 Kis Magellán-felhő 226 kísérlet 12, 15, 25, 26, 31-41, 44, 46, 52, 54, 55, 58-62, 65-68, 71-75, 81, 84, 85, 93, 95, 118, 119, 161, 181, 182, 188, 193, 202, 203, 204, 208, 229, 232, 234, 244, 245 Kolumbusz Kristóf 140 kóma 199 kontinensvándorlás 140, 141, 142, 154, 158, 159, 171 kovalens kötés 80, 83, 85, 86, 88, 89, 91, 94, 96, 104 köpeny 139, 140, 143, 146, 193

kőzetburok 140, 145, 148 kőzetlemez 140, 145-148, 153, 169 krétakor 129, 158, 159, 187, 200 kristály 55, 92, 102 kromoszóma 111-114 Kuiper-öv 200, 201 külső mag 139, 140, 143 kvantumfizika 9, 45, 54-57, 61, 77, 83, 84, 89, 92, 96, 203, 210, 220, 236, 238 kvantumhullámhossz 53 kvark 66-98, 75 Langevin, Paul 53 Laurázsia 150, 158 légkör 20, 21, 51, 64, 154, 156, 159-173, 179, 186, 190, 191, 194, 197, 198, 200, 203, 206, 214, 218, 221 légnyomás 12, 14, 21, 36, 194, 198 lemeztektonika 142, 145, 146, 149-152, 158, 191 Leukipposz 17 levegő 11, 12, 13, 18, 21, 34, 36, 37, 61, 64, 162, 171, 172, 173, 243 Lockyer, Norman 51, 203 London, Fritz 84 Lord Kelvin, 1. Thomson, William Loschmidt, Johann 20, 21, 31 Lovelock, James 170 Magellán űrszonda 191, 218 magma 151 mágneses erő 43, 45, 59, 60, 63-66, 69, 77, 80, 86, 131, 242 mágneses mező 37, 45, 60-64, 71 mágneses tér 45, 60-65, 71, 144 magnetométer 144 Malthus, Thomas 123, 124 Mariner-10 űrszonda 190 Mars 165, 181, 187, 192-196 Marsden, Ernest 40 Maxwell, James Clerk 22, 26, 45, 46, 61, 62, 70, 233 Maxwell-egyenlet 26, 46, 61, 70 Mckenzie, Dan 145 megfigyelés 12, 14, 26, 175, 181, 182, 185, 191, 194, 198, 203, 209, 218, 220, 225, 229, 232, 233, 240, 244, 245

MUTATÓ « 2 5 3 melegvérű állatok 157 mélytengeri árkok 143, 145-147, 151 Mendel, Gregor 117, 118, 119, 121 Mengyelejev, Dimitrij 29, 30, 39, 81 metán 79, 181, 187, 197 meteorit 146, 150, 190, 196, 200 Mexikó 159 Meyer, Lothar 29 mezoszféra 140, 171 mezozoikum 159 mikrohullámú sugárzás 13 Milankovics, Milutin 175 Milankovics-elmélet 175, 176, 179 modell 11-14, 19, 22, 51, 53, 60, 77, 81, 181, 192, 193, 196, 239, 240, 241 modellkészítés 11 mutáns gének 135 Nagy Glen-völgy 148 Nagy Magellán-felhő 220 Nagy-hasadékvölgy 146 Nap 23, 25, 27, 34, 41, 51, 53, 60, 62, 63, 162, 163, 164, 170, 171-174, 179-200, 203-209, 213-217, 222, 224, 229, 234, 235, 239, 243 napfény 48, 152, 155, 159, 163, 167, 195, 199, 229 napszeizmológia 188, 189 nebula 225, 226 Neptunusz 180, 199, 200 neutrínó 68, 77, 215, 219, 220, 234, 242 neutron 29, 42, 43, 44, 66, 67, 68, 77, 215, 217, 233, 234, 243 Newlands, John 29 Newton törvényei 174 Newton, Isaac 22-25, 123, 174, 233 nitrogén 21, 87, 89, 93, 97, 99, 100, 101, 104, 106, 163, 167, 191, 217 óceánfenék 142-146 Oersted, Hans Christian 59 ókori görögök 17 Olympus Mons 195 Oort-felhő 200, 201 ordovícium 153, 154, 156 oxidáció 166 oxigén 13, 18-21, 34, 35, 83, 84, 87,

89, 95, 97, 99, 106, 165, 166, 167, 215, 217, 219 ökológiai fülke 125, 128, 156, 157 örökléstani kutatások 117 öröklődés 117-120, 125 ősmaradványok 129, 149, 153, 158 Ősrobbanás 9, 10, 69-72, 183, 222, 231-236, 240, 241, 242 Pangea 150, 151, 157, 158 Parker, R. L. 145 Pauling, Linus 84, 92-95, 101-105 Peel, Róbert 59 penicillin 127, 128 periodikus rendszer 29, 30 perm 150, 157 Perrin, Jean 33, 37 Phobos195 Planck, Max 45-47, 203 Planck-állandó 46, 51, 52, 53, 66 Planck-hossz 240 Planck-idő 238, 239 Planck-részecske 239 Planck-sűrűség 238 Plútó 180, 181, 192, 201, 206 populáció 123-128, 133-135 p-pálya 92, 93 precesszió 174 prekambrium 153 proton 29, 41-44, 65, 66, 67, 77, 87, 183, 215, 217, 221, 233, 234, 238, 239, 243 radioaktivitás 204 rákos megbetegedés 168 recesszív alléi 120 rezisztens törzs 128 rezonancia-elmélet 93 rovarok 129, 155 Röntgen, Wilhelm 39, 40 röntgen-sugárzás 39, 102, 103, 105,106, 107, 138, 189 Rutherford, Ernest 40, 41, 43, 45, 48, 65, 75, 111, 243 Rutherford-Bohr-modell 44, 53 Sagan, Carl 154 Schrödinger, Erwin 84 sejt 108, 109, 111-115, 130

254 • A TERMÉSZETTUDOMÁNYOKRÓL MINDENKINEK sekélytenger 152, 154, 155, 166 self 145 Shapley, Harlow 224, 225 Shoemaker-Levy 9 187 Snider, Antonio 141, 145 sp3-pálya 92 s-pálya 92 spektroszkóp 50 spektroszkópia 1. színképelemzés spektrum 34, 45, 49, 50, 51, 134 spirálgalaxisl82, 212, 226, 231 statisztikus mechanika 22, 23, 25, 28 szuperhúrelmélet 73, 74, 75 Szaturnusz 185, 198, 208 szeizmográf 138 szén-dioxid 19, 87, 90, 91, 154-157, 162-171, 179, 191, 194, 199 Szent-András-törésvonal 147 szerves anyag 90, 91, 154 szervetlen anyag 90 Sziklás-hegység 147 szilur 154, 155 szingularitás 74, 216, 230, 231, 232, 237, 238 színképelemzés 51, 78, 187, 203, 205, 207, 227 szociobiológia 132, 136 sztalagmit 163 sztalaktit 163 sztratoszféra 168, 169, 171, 172 szubatomi részecske 15 szupernóva 218-222, 227 szupernóva-robbanás 183, 212, 218, 220-222

tejútrendszer 34, 52, 111, 182, 183, 201, 207, 211, 212, 213, 216, 218, 222-229, 231 tellur 29, 30 természetes szelekció 11, 99, 121-126, 132, 135, 179 termodinamika 25, 26, 27, 28 Tethys 158, 159 Thomson, George 27, 37, 39, 55 Thomson, J. J. 38, 39, 55

Thomson, William 39 titán 198 Todd, Alexander 106 triász 157 troposzféra 161, 171, 172 Tyndall, John 34 u-kvark 66 ultraibolya-sugárzás 167, 168, 169, 171 univerzum 11, 15, 22, 24, 27, 34, 52, 66, 69-72, 76, 130, 131, 179, 182, 215, 223, 224-244 Urál 150, 152 Uránusz 185, 198 utódnemzedék 119, 120 üstökös 152, 156, 180, 187, 193, 199, 200, 201 üvegházhatás 154, 156, 157, 162-166, 170, 171, 179, 191, 194 van der Waals-erő 86, 88 vas 44, 166, 186, 216, 219, 221 Vénusz 164, 165, 185, 187, 190-195, 214 Venyera űrszonda 191 világűr 13, 137, 235 víz 13, 18, 61, 87, 90, 101, 134, 142, 154, 161-164, 168, 170, 180, 181, 193, 194, 233, 239 vöröseltolódás 227, 229, 231 vörösizzás 90 Vörös-tenger 146 Vulkán 142, 143, 144, 147, 151, 154, 162, 165, 166, 169, 170, 191, 195 Wallace, Alfréd 122, 123, 124, 128 Waterston, John 22 Watson, James 105, 106, 108 Wegener, Alfréd 141 Weiner, Jonathan 126, 127, 128 WIMP-ek 242, 243, 244 Yucatán-félsziget 159