Isaac Asimov
ÚTIKALAUZ
Elmélkedések a Föld és az Űr titkairól

(Tartalom)

Bevezetés

A fizikai világ nagy és csodálatos hely, de zavarbaejtő is, s vele kapcsolatban sok az olyan dolog, amit igazából senki nem ért. Sok olyan jelenség is van, amit néhányan egész jól megértünk, mások viszont nem.
Az egyik oka annak, hogy legtöbbünk nem tud annyit a világról, amennyit lehetne, az, hogy nem törődünk azzal, hogy gondolkozzunk róla. Ami nem jelenti azt, hogy egyáltalán ne gondolkoznánk. Mindenki gondolkozik, de általában hajlamos olyan témákra összpontosítani, amelyek közvetlen jelentőségűnek tűnnek. Mi legyen vacsorára? Hogyan fizessem ki a számláimat? Hová menjek szabadságra? Mi módon kaphatnék előléptetést és fizetésemelést? Próbáljak randevúzni XY-nal? Mi ez a furcsa fájdalom, amit az oldalamban érzek?
Ezek olyannyira fontos kérdések számunkra, és az igény a megválaszolásukra olyan erős, hogy egyszerűen nem marad elég idő általánosabb olyan témákon gondolkozni, mint például: milyen alakú a Föld? A természetes válasz egy ilyen kérdésre ez lehet: „Kit érdekel? Miért zaklatsz ilyen hülyeségekkel? Számít ez valamit?”
Pedig számít. Nem lehet például az óceánt úgy áthajózni, hogy célját a lehető legrövidebb úton érje el az ember, vagy kilőni egy lövedéket és azt várni, hagy célba is találjon, anélkül, hogy ismernénk a Föld alakját.
De ettől eltekintve, s ez sokkal fontosabb, az ilyen kérdéseken való gondolkodás izgalmas, s a válasz megtalálása is egészen egyszerű, ha az ember módszeresen keresi. Ennek a könyvnek az a célja, hogy otthonosabbá tegye ezeket a kérdéseket, olyan módon feltárva a rájuk adott válaszokat, hogy az mindenki számára követhető legyen, így teljesen világossá téve a világegyetem összefüggéseit.
Az egyik kérdésből persze rendszerint következik a másik. A világról való tudás nem egyenes vonalú, hanem olyan, mint egy bonyolultan szövött háromdimenziós csipke, így egyetlen kérdés megválaszolása néha egy másik magyarázatát igényli, ami viszont még egy másikét és így tovább. Mindazonáltal megkísérelem a lehető legnagyabb óvatossággal legombolyítani a fonalat, hogy sehol ne kelljen túl sok mindent egyszerre elmagyarázni. Ennek ellenére lehet, hogy egyszer-másszor kénytelen leszek valamelyest nekiszaladni, amiért elnézést kérek.
Azután, ahogy kérdésről kérdésre haladunk, az egyszerű magyarázat sem lesz minden esetben elég, tudnunk kell majd valamit arról, hogy mit figyeltek meg és mire következtettek a tudósok. De meg fogom próbálni ezt a munkát különös gonddal leírni, ahol csak lehetséges, bonyolult matematika és táblázatok nélkül. A gondolkodás mindig további gondolkodáshoz vezet, végeérhetetlenül. Azoknak, akiknek számára a gondolkodás élvezet, ez a tudomány diadala: Azoknak, akiknek számára nem élvezet az olyan dolgokról való gondolkodás, ami őket közvetlenül nem érinti, határtalanul riasztó annak szükségessége, hogy folyamatosan ezt tegyék, ezért elfordulnak a tudománytól. Remélem, ön az első csoportba tartozik.
Kezdjük tehát azzal a kérdéssel, amit feltettem már, s nézzük meg, hová vezet bennünket.

Milyen alakja van a földnek?

Először is, nézzünk magunk köré, és láthatjuk, hogy a Földnek egyenetlen és nehezen leírható alakja van. Ha nem veszünk is tudomást a házakról és az egyéb embercsinálta tárgyakról, és ugyanígy az élőlényekről sem, még mindig egy kövekből, sziklákból és talajból álló egyenetlen felszín marad.
Az első következtetés, amire juthatnánk, hogy a Föld egy göröngyös tárgy hegyekkel és völgyekkel, sziklákkal és szakadékokkal. Olyan tájakon, mint Colorado, Peru vagy Nepál, ahol mérföldekkel emelkednek ki a hegyek, a Föld alakjának szabálytalansága igen szembetűnő. De Kansas vagy Uruguay vagy Ukrajna egyes részein alig találhatóak hegyek vagy völgyek: egészen egyenletesnek tűnő alföldeket lehet látni.
Ha dombokkal és hegyekkel találkozunk, a Föld emelkedik ezek egyik oldalán, de a másik oldalon ismét lefelé tart. A völgyek, vízmosások és szakadékok lejtenek az egyik oldalukon, de emelkednek a másikon. Nincs olyan része a Föld felszínének, amelyen mindig csak felfele vezetne az út, és olyan sincs, ahol csak lefele kellene menni, sohasem felfele. Ésszerűnek tűnik tehát a megállapítás, hogy a Föld, átlagosan, lapos.
Ugyanez a helyzet, ha olyan vizekre evezünk, ahonnan semmilyen irányban nem látszik a szárazföld, és csak a víz felszínét vehetjük figyelembe. Ez a felszín egyenetlen, hiszen tele van hullámokkal. Ha éppen nincs szél, a hullámok nem olyan nagyok, és jól látható, hogy átlagosan a víz felszíne lapos. Valójában a víz felszíne minden időben sokkal inkább lapos, mint a szárazföldé.
Ezek után azt kell feltételeznünk, hogy a Föld lapos, és évezredeken keresztül pontosan ezt is hitték az emberek. Mivel a lapos Föld ezt az érzetet kelti és ez az érzet könnyen és gyorsan kialakul, miért pazarolna bárki is további időt arra, hogy ezen gondolkozzon?
Mindenki állt már hegycsúcson, miközben az alatta elterülő völgyet nézte. A völgy egészen laposnak tűnik és messze el lehet látni, láthatunk házakat, fákat, folyókat és más messzi dolgokat, és minél távolabbról tűnik fel valami, annál kevesebb részletet lehet kivenni. Ráadásul a levegő általában nem egészen tiszta: köd és szmog homályosítja el a legtávolabbi részeket, és kékes párává válik a messzeség, ahol a Föld és az ég mintha találkoznának.
A helyet, ahol a Föld és az ég találkozik, horizontnak hívják, ami görögül határt jelent. Ha körbenézünk a Föld egy lapos részén, a horizont egyenletesen fut jobbról balra, ezért az ilyen vonalat horizontálisnak nevezzük.
Tegyük fel, hogy egy másik irányba nézünk, ahol egy másik hegycsúcs található. Nem nézhetünk a hegycsúcs mögé, mert csak egyenesen lehet nézni. Ezért a hegycsúcs felé nézve csak az ég látható felette, nem a másik oldalon lévő lejtő mögötte. Egy éles vonal látható egészen közel hozzánk, amely elhatárolja a hegyet az égtől. Ezért, ha elnézünk egy táj felett és távoli ködös horizontot látunk, tudjuk, hogy lapos terület van előttünk, de ha közelinek tűnő éles horizontot látunk, akkor éppen egy domb vagy hegy teteje felé nézünk.
Képzeljük el, hogy kint vagyunk az óceánon, egy hajó fedélzetén. Tiszta, ragyogó napos idő van, a tenger nyugodt. A tengeri levegő rendszerint kevésbé poros és ködös, mint a szárazföld levegője, így messze el lehet látni, és a messzi horizont – éles. A tenger egy tiszta horizontális vonatban találkozik az éggel. Mintha csak egy hegyet néznénk.
Hogyan lehet ez? Az óceánon nincsenek hegyek, csak a lapos víz. Az egyetlen lehetséges válasz az, hogy az óceán nem lapos, hanem görbül, és a hajó fedélzetének magasságából csak addig lehet ellátni, ameddig a tekintet nem találkozik a görbület tetejével, mert nem lehet a görbület mögé látni. Ha magasabb fedélzetre megyünk, messzebb elláthatunk, mint az előbb, amikor a görbülettől nem láttunk tovább, és az alacsonyabb fedélzetről nem tekinthetünk olyan messze. Ráadásul, egy helyben állva és körbenézve minden irányban ugyanaz az éles horizont látszik ugyanolyan távolságban: nem elég, hogy görbül az óceán, de minden irányban egyforma távolságban, egyformán görbül – legalábbis annyira egyformán, ahogy ez szabad szemmel megállapítható.
De miért görbül az óceán? Az óceánnak követnie kell a szárazföld felszínét, így a szárazföldnek is görbülnie kell minden irányban. A görbülés kevésbé észrevehető a szárazföld esetében, mert a felszíne egyenetlenebb, mint a tengeré, és a szárazföld felett a levegő ködösebb.
Tudjuk tehát, hogy a Föld görbül, de miféle görbület ez? Ha a Föld minden irányban azonos módon görbül, akkor gömbnek kell lennie, minthogy ez az egyetlen ismert test, amely minden irányban egyenlően görbülő felszínt ad. Így, csak nézelődés és gondolkodás útján, láthatjuk, hogy a Föld egy gömb.
Azt kérdezhetné bárki, hogy miért nem tanulmányozták az emberek a horizontot és jöttek rá ugyanerre néhány ezer évvel ezelőtt. A gond az, hogy egyáltalán alig gondolkozott ezen valaki. Sokkal egyszerűbb volt arra gondolni, hogy a Föld lapos, mivel a lapos felület semmilyen gyakorlati problémát nem vetett fel a régi időkben. Egy gömbölyű Föld, ahogy ezt hamarosan látni fogjuk, problémákat vet fel, amelyek további gondolkozásra késztetnek.
Azt kérdezhetnék: Hihetünk a szemünknek? Elég csak annyi, hogy a horizontot nézzük? A jelen esetben igen, még ha gyakran előfordul is, hogy a szemünk félrevezet minket, ha nem vizsgáljuk meg gondosan, amit látunk.
Például tegyük fel, hogy a tengeren vagyunk és ki tudunk venni a távolban egy hajót, amint a horizont felé tart. Nézzük, ahogy közelít a horizonthoz, s egyszer csak nem látjuk többé az alsó fedélzetet: majd kis idő múlva, már a felső fedélzetet sem. Már csak a kéménye látszik (vagy a vitorlái, ha vitorláshajó), majd az is eltűnik. Mindez nem csak a távolság miatt van, mivel ha lenne távcsövünk, amin keresztül a hajó nagyobbnak és közelibbnek tűnik, akkor is azt látnánk, hogy először az alsó, majd a magasabb, majd a még magasabb részei tűnnek el. Ilyenkor azt látjuk, ahogy a hajó a Föld görbületének tetején át vitorlázik, át a másik oldalra.
Az első ember azok közül, akikről tudjuk, hogy gömbölyűnek tartották a földet, a görög Pitagorász (i. e. 580-500) volt.
Vannak egyéb bizonyítékai is annak, hogy a Föld gömbölyű. Bizonyos csillagok a Föld egyes pontjairól láthatóak, másokról nem, valamint a holdfogyatkozásokkor a Föld árnyéka a holdra esik, és az árnyék görbülete megfelel egy gömb részének. Arisztotelész (i.e. 384-322), görög filozófus, a Föld gömbölyűségének valamennyi bizonyítékát feljegyezte i. e. 340 körül, s noha az idő tájt általánosan nem fogadták el a nézeteit, tanult ember azóta nem kételkedik ezekben. Ma, az űrkorszakban a világűrből készített fotókon láthatjuk, hogy a Föld gömbölyű.

Mekkora a Föld?

Amíg az emberek azt hitték, hogy a Föld lapos, nem volt sok értelme azon gondolkozni, hogy milyen nagy. Elnyúlhatott a végtelenbe, ahogy sokan gondolták, de a végtelen fogalmát nehéz elképzelni. Sokkal könnyebb azt gondolni, hogy a Földnek meghatározott mérete van, és valahol megtalálható a vége. Még ma is mondják azt az emberek, hogy „elutazni a világ végére”, bár manapság ez csak egy szólás, senki nem érti szó szerint.
A Föld szélének gondolata természetesen problémákat vet fel. Tegyük fel, hogy hosszú utazás után elérkezünk a Föld széléhez. Leeshetünk? Ha az óceán kiterjedne a szélekig, addig ömlene lefelé, míg el nem fogy? Akiket ilyen gondolatok gyötörtek, ki kellett hogy dolgozzák annak a módját, hogy ez ne történjék meg. Talán a világ magas hegyekből álló erős gáttal van körülvéve, így olyan, mint egy serpenyő, és semmi nem eshet le róla. Vagy az égbolt kemény anyagból van, és úgy görbül, mint egy lapított félgömb (így is tűnik), és a Föld különböző oldalaival érintkezik. Így a Föld olyan, mint egy lapos tál fedővel, ami szintén a helyükön tartja a dolgokat. Mindkét megoldás kielégítőnek tűnt.
Még mindig fennáll a kérdés, hogy mekkora is volt a lapos világ. A nagyon régi időkben, amikor az emberek csak gyalog tudtak közlekedni és nem utaztak sokat, feltételezték, hogy a világ egészen kicsi, és csak egyes régiók léteztek. Ezért van az, hogy amikor i. e. 2800-ban borzalmas árvíz volt a Tigris-Eufrátesz völgyében, az ott élő sumérek azt gondolták, hogy az egész világot elöntötte a víz, s ez a naiv elképzelés úgy maradt ránk, mint a Noéról és az özönvízről szóló bibliai történet.
Ahogy az emberek megtanultak kereskedni, vagy akár hadseregeket küldtek ide-oda, és lovagolni kezdtek, a világ horizontja kitágult. I.e. 500-ra a Perzsa Birodalom kelet-nyugati irányban több mint 4800 kilométeren terült el. A birodalom nyugati részén volt Görögország, Itália és egyéb országok, de a Föld szélének nyoma sem volt.
Amikor a görög filozófusok rájöttek, hogy a Föld gömbölyű, tudták azt is, hogy meghatározott méretűnek is kell lennie, és nem intézhető el a kérdés azzal, hogy csak annyit mondunk: „nagyon nagy”, vagy hogy „ki tudja meddig” terjed. Ráadásul, a gömb mérete megállapítható volt anélkül, hogy nagyon messze kellett volna menni az otthontól.
Minthogy a lapos Föld a végtelenbe nyúlhat, a gömbölyű Föld görbül, és a görbületnek önmagába kell visszatérnie. A Föld méretének meghatározásához csak azt kell tudnunk, hogy mennyire görbül a Föld: minél nagyobb ívben görbül, annál kisebb a gömb, és minél kisebb ívben görbül, annál nagyobb.
Abban az egy dologban biztosak lehetünk, hogy a görbület íve igen nagy, így a gömb is igen nagy méretű. Ez már abból is látszik, hogy annyi időbe telt kimondani: a Föld gömbölyű. Ha a gömb kicsi lenne, a görbület olyan ívű lenne, hogy lehetetlen lenne nem észrevenni. Minél kisebb ívű a görbület, annál laposabbnak tűnhet a Föld egy kis régiója.
De hogyan állapítjuk meg a Föld görbületének kiterjedését?
Van egy módja. Vegyünk egy vékony fémszalagot és teljesen nyomjuk rá a Földre úgy, hogy minden pontjában érintse a Földet. Tehát úgy alakítjuk a szalagot, hogy kövesse a Föld görbületét. Ezután felvehetjük a fémszalagot és megnézhetjük, hogy mennyit görbül lefelé. Ha a fémszalag egy kilométer hosszú, akkor 12 és fél centimétert kell lefelé görbülnie.
Ezzel a módszerrel az a gond, hogy nehéz lenne találni a Földön egy kilométer hosszú abszolút egyenletes felszínt, és nehéz lenne erre olyan pontosan ráilleszteni egy fémszalagot, hogy a kapott eredményben feltétel nélkül higgyünk. A fémszalag alakjának egy kis hibája nagy hibát eredményezne a Föld méretének kiszámításában. Más szavakkal, néhány kísérlet kitűnően működik elméletben, de alig megvalósítható a gyakorlati valóságban, és az említett módszer is ezek közé tartozik. Valami más után kell néznünk.
Vegyünk egy hosszú egyenes rudat, amely végét úgy szúrjuk a Földbe, hogy a rúd teljesen egyenesen áll. Ha tiszta, napos idő van és a nap éppen felettünk áll, a rúd nem ad árnyékot, mert a nap minden oldalról éri.
De tegyük fel, hogy egy másik rudat úgy szúrtunk a Földbe, hogy a függőlegessel valamilyen szöget zár be. A nap most úgy éri a botot, hogy az árnyékot ad. Ha egész sor botunk van és mindegyik hatlábnyira^* áll ki a talajból, de különböző szögekben, mindegyik különböző méretű árnyékot ad. Minél nagyobb az elbillenés szöge, annál hosszabb az árnyék. [^*A kötetben előforduló angolszász mértékegységek: 1 inch (hüvelyk) = 2,54 cm, 1 láb = 30,48 cm, 1 yard = 91,44 cm, 1 mérföld = 1609,33 m.]
Ezek után, ha összevetjük az árnyékok hosszúságát a botok hosszúságával, kiszámíthatjuk a billenés szögét anélkül, hogy kifejezetten a szöget mértük volna. A matematikának az az ága, amely ezt lehetővé teszi, a trigonometria, amelyet régi görög matematikusok dolgoztak ki egészen korán. Thálész (i. e. 624-546) görög filozófus feltételezhetően már i.e. 580-ban felhasználta a trigonometriát ahhoz, hogy megállapítsa az egyiptomi piramisok magasságát az általuk vetett árnyékok hosszúságából.
De ne mi magunk döntsük meg a rudakat. Legyen egy teljesen egyenes rúd az egyik helyen és egy másik teljesen egyenes rúd néhány száz mérfölddel odébb. A két hely között a Föld görbül, így ha az egyik rudat egyenesnek vesszük, akkor a másik szöget zár be vele, és a szög mérete függ a Föld felszínének görbülésétől.
I.e. 240 körül Eratosztenész (i.e. 276-196) görög filozófus kísérletet tett erre a megfigyelésre. Elmondták neki, hogy az egyiptomi Syene városban június 21-én délben a nap éppen merőlegesen sütött, így egy függőlegesen a földbe szúrt bot nem vetett árnyékot. Ugyanazon a napon, az egyiptomi Alexandriában, ahol Eratoszthenész élt, egy függőleges bot kis árnyékot vetett.
Eratoszthenész megmérte az árnyék hosszát, összehasonlította a bot hosszával, és ebből képes volt kiszámítani, hogy mennyire billentette meg a Föld görbülete az alexandriai botot a syenei bothoz képest. Ismerte a távolságot Syene és Alexandria között, így a távolságra eső görbületből ki tudta számolni, hogy mekkorának kell lennie a görbületnek ahhoz, hogy önmagába visszatérjen és teljessé tegye a gömböt: 40 000 kilométernek megfelelő távolságban határozta meg a Föld kerületét az Egyenlítő körül, és 12 800 kilométernek megfelelő távolságban a Föld egyik oldalától a másikig való méretét, vagyis átmérőjét.
Egészen pontos volt, és figyelemre méltó, hogy ezt a felfedezését huszonkét évszázaddal ezelőtt tette anélkül, hogy elhagyta volna otthonát, mindössze a helyes gondolatai és egyszerű számítások segítségével.
Mindez nem jelenti azt, hogy Eratoszthenész munkáját teljesen elfogadták volna. Mások is csináltak hasonló méréseket és kisebb számokat kaptak. Még Kolumbusz Kristóf (1451-1506) idején is az volt az általános nézet, hogy a Föld kerülete körülbelül mindössze 29 000 kilométer, kevesebb, mint a háromnegyede a valódi kerületnek. Kolumbusz nyugat felé indult 1492-ben, mert azt hitte, Ázsia csak 4 800 kilométerre van. Valójában a távolság 16 000 kilométer, és ha az amerikai kontinens nem esik útba, nem lett volna képes befejezni az utazását, és sohasem hallottak volna újra felőle.
A vitát csak 1522-ben zárták le, amikor egy expedíció, melyet a portugál felfedező, Ferdinand Magellán (1480-1521) kezdett meg, elsőként hajózta teljesen körbe a világot. Magellán nem fejezte be az expedíciót, mert útközben megölték a-Fülöp-szigeteknél, de egy hajó tizennyolc emberrel a fedélzetén visszaérkezett, és ez az utazás bebizonyította, hogy Eratoszthenész számításai helyesek voltak.

Ha a Föld gömb alakú, miért nem csúszunk le róla?

Amikor a gyerekeknek először mondják, hogy a Föld gömbölyű, úgy tűnik, zavarba jönnek. Az emberek a Föld másik oldalán (például Ausztráliában, ha az Egyesült Államokból nézzük) fejjel lefelé, lábbal felfelé kell, hogy sétáljanak, miért nem esnek hát le mindannyian a Földről? Végül is, ha valaki a plafonon próbálna sétálni, leesne.
A helyzet még ennél is rosszabb. Tegyük fel, hogy valaki a gömbölyű Föld legtetején él (ahogy bárkinek tűnhet, mivel a Föld minden irányban egyformán görbül). Ebben az esetben valaki csak addig van biztonságban, amíg ott marad, ahol volt. Bármilyen irányban elindulva, először megcsúszna, majd megindulna lefele a lejtőn. Minél messzebb haladna, annál meredekebb lenne a lejtő, egyre gyorsabban csúszna, egyre reménytelenebb lenne a helyzete, végül teljesen leesne a Földről. Ha ez igaz lenne, már régen eláramlottak volna az óceánok és az összes levegő. Más szavakkal, arra a látszólag ésszerű következtetésre jutunk, hogy lehetetlen gömbölyű Földön élni, s éppen ezért a Föld nem lehet gömbölyű.
De mivel a Föld gömbölyű, kell lennie valami hibának a gondolkodásunkban, és ez abból ered, amit mi úgy hívunk: lent. Amikor állunk és a lent irányát akarjuk mutatni, a lábunkra mutatunk. Amikor így cselekszünk, a Föld középpontja felé is mutatunk, amely kb. 6350 kilométerrel van a lábunk alatt. Feltételezve, hogy a lent mindig a Föld középpontját jelenti, akárhol is vagyunk a Föld felszínén, ha állunk, a talpunk mindig abba az irányba néz. Azok az ausztrálok, akik szintén állnak, talpukat a Föld középpontja felé fordítják, és számukra a lent a lábuk irányába látszik, mint nekünk.
Lefelé húz minket valami, mint mindent, aminek súlya van, ami azt jelenti, hogy a Föld közepe felé húz minket, mint mindent ennek a bolygónak a felszínén, tekintet nélkül arra, hogy hol található. Mivel nem érezzük utazás közben, hogy a Föld gömbölyű, s mivel a felszíne egyre inkább horizontálisnak tűnik és a lent mindig a lábunk irányát jelenti, ha állunk, a Föld laposnak tűnik, és semmi nem esik le róla soha, ami egy másik ok arra, hogy miért került olyan sok időbe kitalálni, hogy gömbölyű. Az első ember, aki világossá tette, hogy a Földön mindenre vonzerő hat a Föld közepének irányában, Arisztotelész volt, és az ezért felelős erőt gravitációnak hívják, a latinul súlyost jelentő szó nyomán.
Képzeljünk el valamilyen nagy mennyiségű anyagot, bármilyen alakja legyen is, amelynek minden része vonz minden részt, így az anyag annyira összesűrűsödik, amennyire csak lehet. Amikor minden részében a lehető legjobban összesűrűsödött és már nem kerülhetnek közelebb egymáshoz a részei, egy gömb alakját veszik fel. Semmilyen más szilárd alakzat részei nincsenek annyira közel egymáshoz átlagban, mint a gömb esetében, amely, akár a Föld, mindent a középpontja felé vonz.

Mozog-e a Föld?

A régi időkben a legtöbb ember számára minden bizonnyal ez tűnt az elképzelhető legostobább kérdésnek: hogy juthat valakinek egyáltalán az eszébe? Láthatjuk, hogy a Föld egész egyszerűen nem mozog. A kérdés feltevése bizonyára már önmagában az elmebaj egy tünetének számított.
Akkor miért tették fel az emberek ezt a kérdést?
Az egyik ok, hogy az égen minden mozog. A nap felkel keleten, áthalad az égbolton és nyugaton leszáll. Ugyanígy tesz a hold is. A csillagok, úgy tűnik, hatalmas köröket írnak le az Északi Csillag körül. Azok a csillagok, amelyek nincsenek közel az Északi Csillaghoz, elég nagy kört írnak le, átszelik a horizontot, így ezek is keleten kelnek és nyugaton szállnak le.
Ez a mozgás az égen a legtöbb embert nem lepte meg. Számukra természetesnek tűnt, hogy a Föld teljesen nyugodt és mozdulatlan marad, és az égi objektumok körülötte forognak, minden nap egy kört leírva. Hiszen így látszott, és miért kételkedett volna bárki is érzékei bizonyosságában? Csak néhány ember volt, aki kitartóan kutatta annak lehetőségét, hogy az égbolt áll mozdulatlanul, és a Föld forog alatta. A legtöbbek számára ez nem tűnt ésszerű alternatívának. Egyszerűen túl nyilvánvaló volt, hogy a hatalmas Föld nem mozog.
Mindannyian ültünk már várakozó vonaton, amikor az éppen mellettünk levő vonat váratlanul megindult lassan hátrafelé. Megdöbbentünk: miért megy ez hátrafelé? Végül annyira hátrament, hogy az eleje az ablakunk mögé került, előtűnt a táj, és lám, a táj is hátrafelé mozog! Amíg a mi vonatunk lassan, csendesen mozgott, nem tudtuk megmondani, hogy melyik vonat mozog és melyik áll mozdulatlanul.
Az elődeink viszont nem voltak abban a szerencsés helyzetben, mint mi: nem szoktak ahhoz, hogy olyan csendesen utazzanak, hogy maguk se tudják, mozognak-e. Gyalogoltak, futottak, göröngyös utakon utaztak szekerekben, és ügető vagy vágtató lovakon ültek. Mindezek a mozgásnak olyan jellegzetességet adtak, hogy fel sem merült, mozognak-e éppen vagy sem. Ezért, mivel a Föld nem keltette azt az érzetet, hogy mozogna, arra következtettek, hogy egyszerűen nem mozog.
Most képzeljük magunkat megint a vonatunkra, ahogy nézzük a mellettünk lassan hátrafelé mozgó vonatot. Hogy leellenőrizzük, az mozog-e vagy a mienk, csak annyit kell csinálni, hogy a másik irányba nézünk. A másik oldal ablakából az állomást vagy egy városi utcát láthatunk. Ha az is hátrafelé mozog, tudhatjuk, hogy mi mozgunk, nem a másik vonat. A Föld és az ég esetében nincs ilyen semleges támpont, amit nézhetünk.
Aki tudomásunk szerint először felvetette, hogy a Föld forog és nem az ég, Herakleidész (i.e. 390-322) görög filozófus volt, i.e. 350 tájékán. Nem vették komolyan. 1609-ben azonban egy olasz tudós, Galileo Galilei (1564-1642) egy igen primitív távcsövet fordított az ég felé. Felfedezései között szerepelt az a tény, hogy sötét foltok vannak a napon.
Ahogy napról napra nézte ezeket, észrevette, hogy a foltok lassan mozognak a nap körül, s arra a következtetésre jutott, hogy a nap lassan forog, egy képzeletbeli vonal körül, mely a tengelye, s közel huszonhét naponta tesz meg egy teljes fordulatot.
Ha a nap forog, gondolta, miért ne foroghatna a Föld is, huszonnégy óránként egyet? Igen erős volt a feltevéssel szembeni ellenállás, és 1633-ban a katolikus egyház arra kényszerítette Galileit, hogy nyilvánosan tagadja meg nézeteit és jelentse ki, hogy a Föld mozdulatlan.
De mindez nem segített a konzervatívokon, és 1655-ben az olasz-francia csillagász Gian Domenico Cassini (1625-1712) meg tudta mutatni, hogy a Mars bolygó minden huszonnégy és fél órában fordul egyet. 1668-ban kimutatta, hogy a Jupiter bolygó minden tíz órában fordul egyet. Ezek után a tudósok sejteni kezdték, hogy a Föld is forog: azt olyan szabályosan és simán teszi, hogy senki sem érezheti. Ráadásul a Föld forgásának azonfelül, hogy más bolygók is forognak, további bizonyítéka is van. Ahogy a csillagászok rájöttek, hogy milyen hatalmas is az univerzum valójában (s ehhez mi magunk is hozzáteszünk később), egyre inkább képtelennek tűnt az a feltevés, hogy a Föld mozdulatlan, és a hatalmas világegyetem forog körülötte.
Mégis, csak 1851-ben sikerült valakinek demonstrálnia a forgást úgy, hogy az emberek lássák is, hogyan történik mindez. Egy francia fizikus, Jean B. L. Foucault (1819-1868) hosszú, nehéz ingát lógatott le egy templom mennyezetéről. Volt egy szög az inga alján, amely barázdákat rajzolt a templom padlóján levő homokba. Az inga órákon át ugyanabban a síkban lengett, de a jel a homokban lassan megváltoztatta az irányát, ahogy a Föld forgott az inga alatt. Ez volt az első alkalom, amikor az ingát néző tömeg láthatta, amint a Föld éppen forog. Napjainkban már embereket küldünk a Holdra, onnan nézzük a Föld forgását.

Ha felugrunk, miért nem esünk máshova vissza?

Amikor a csillagászok kezdtek kitartani amellett, hogy a Föld forog, már az 1600-as években, azok, akik nem hitték ezt, ellenvetéseket tettek. Ha a Föld forogna, mondták, egy egyenesen felfele ugró ember alatt a Föld elfordulna, s ő a kiindulópontjától kissé távolabb érne újra a Földre, ha feldobunk egy labdát, az még távolabb érne vissza, s ha egy madár kirepül a fészkéből, sohasem találná a visszautat. Mivel ezek nem történtek meg, érveltek, a Föld nem mozoghat.
Ezek az ellenvetések logikusaknak tűnnek, s ha valaki éppen csak most tanulta, hogy a Föld forog, könnyen alulmaradhat a vitában, ezért szükséges lehet gondolkozni egy kicsit.
Tegyük fel, hogy ül valaki a vonaton az ülések közti folyosó mentén és egy barátja éppen a folyosó másik oldalán ül. A vonat várakozik az állomáson, s mivel nincs jobb dolguk, az egyikük labdát dob a másiknak, aki elkapja és visszadobja – nincs ezzel semmi probléma. Most képzeljük azt, hogy a vonat nem várakozik, hanem óránként 96 kilométeres sebességgel száguld a sima és egyenes pályán. Ha valaki odadobja a labdát a barátjának – befolyásolja-e a vonat mozgása a labda röptét úgy, hogy az nem a másikhoz repül, hanem a mögöttük ülők közül talál el valakit? Nem, valóban nem. A labda pont ugyanúgy repül keresztül a folyosón, mintha a vonal állna. Ha kicsit is elgondolkozunk ezen, a mindennapi tapasztalataink azt sugallják, hogy a labdával valóban az fog történni, amit leírtam, nem kell ezt külön ki is próbálnunk. (Az ilyen gyakorlatokat, hogy valaki el tud képzelni valamit anélkül, hogy az ténylegesen meg is történne, hívják „gondolati kísérletnek”.)
Miért ugyanolyan könnyű egy robogó vonaton labdát dobni, mint egy álló vonaton? Mert ahogy a vonat száguld a pályáján, minden ami benne van, ugyanazzal a sebességgel mozog – az emberek, a levegő körülöttük és a labda, amelyet átdobtak a folyosón. Ha minden ugyanazzal a sebességgel mozog előre, már nem számít, hogy ez a sebcsség 96 kilométer óránként, vagy nulla.
A Föld forgásának sebessége körülbelül 1600 kilométer óránként az egyenlítőnél, de ezzel a sebességgel mozgunk mindannyian, a levegő is, és bármely eldobott labda is, úgyhogy bárhol a bolygón nyugodtan baseballozhatunk, nem kell aggódnunk a Föld mozgása miatt.
Az elődeinknek természetesen nem voltak vonataik, így Galilei is más gondolati kísérlethez folyamodott. Képzeljünk el egy vitorláshajót, amint széltől hajtva szeli a tengert. A legmagasabb árbocra felmászva leejtünk egy kötélbontó vasat, vagy bármi más szerszámot, amit a tengerészek használnak. A szerszám esik, de amíg esik, a hajó olyan gyorsan mozdul előre, hogy mire a szerszám eléri a hajó fedélzetének szintjét, a hajó talán már elmozdult, s mögötte a szerszám a vízbe esik.
Ezerszám vannak vitorlások, amelyeken a tengerészek ezernyi szerszámot ejtenek le véletlenül az árbocok tetejéről, s azt mindenki tudja, hogy a szerszámok sohasem esnek a vízbe. Minduntalan az árboc tövébe esnek. Amíg esnek, előre is haladnak a hajóval.
Tehát ez a fajta érvelés a Föld forgása ellen nem állja meg a helyét. Valójában még senki soha nem adott elő egyetlen sikeres érvelést a Föld forgása ellen. A Föld forog!

Mitől fúj a szél?

Ha a levegő együtt mozog a Földdel, ahogy az forog, miért van szél? A szél mindenekelőtt mozgó levegő, s talán éppen azért tűnik úgy, hogy mozog, mert valójában nyugodtan áll, csak a Föld mozog alatta.
Sajnos ez a feltételezés rossz.
A Föld nyugatról keletre fordul, emiatt tűnnek úgy az égi tárgyak, mintha keletről nyugatra tartanának, mint ahogy a mellettünk levő vonat látszólag hátrafelé halad, amikor mi elindulunk. Ráadásul a Föld óránként 1600 kilométeres sebességgel forog nyugatról keletre az egyenlítő mentén. Északra és délre eltávolodva az egyenlítőtől a Föld lassabban mozog, mert a Föld felszínének északi és déli pontjai kisebb köröket írnak le ugyanannyi idő alatt. (Az Északi- és Déli-sarkon egyáltalán nincs mozgás.)
Ha a levegő mozdulattan lenne, amíg a Föld forog, igen komoly erősségű, óránként 1600 kilométert száguldó keleti széllel találkoznánk az egyenlítő körül. Máshol a szél kisebb erősségű lenne. Mivel nem ez történik, a szél nem származhat elsődlegesen a Föld forgásából.
Amikor Kolumbusz átszelte az Atlanti-óceánt 1492-ben, erős keleti széllel találkozott (ma ezt passzátszélnek vagy kereskedelmi szélnek hívjuk), amely végig vitte az útján. Visszafelé északnak hajózott, míg nem talált erős nyugati szelet, amely hazavitte. Ez a felfedezés igen fontos volt, mivel addig a nyugati hajósok a szeleket szeszélyes erőknek tartották, amelyek jelenléte, hiánya és iránya isteni lények akaratától függ. Kolumbusz utazása után világossá vált, hogy a szelek bizonyos szabályok szerint fújnak, és ezt ki lehet használni a tengeri kereskedelemben (innen a kereskedelmi szél elnevezés). Amit abban az időben nem tudtak, az, hogy miért viselkedik a szél ilyen rendezett módon.
Az első próbálkozás ennek megválaszolására 1686-ból származik: Edmund Halley (1656-1742) angol tudós rámutatott, hogy ha a Föld atmoszférája egyenletesen meleg lenne, a Föld felszínén a levegő többé-kevésbé nyugodt lenne és nem lehetne szélről beszélni. De a nap melegebb a trópusokon és a levegő melegebb, mint a délre vagy északra fekvő tájakon. A felmelegedett levegő kiterjed, könnyebbé válik és felemelkedik, míg északról és délről hidegebb levegő áramlik be ennek pótlására. Ez a beáramló hidegebb levegő a passzát szél.
Bárki azt gondolhatná, hogy a hidegebb levegő egyenesen északról jön az egyenlítő északi oldalán és egyenesen délről jön az egyenlítő déli oldalán, de ez nem így van. Az északi kereskedelmi szél északkeletről jön, míg a déli passzát szél délkeletről.
Halley nem tudta megmagyarázni ezt a jelenséget, de egy angol ügyvéd, George Hadley (1685-1768) 1735-ben már igen. Az északi hidegebb szél lassabban mozog, mint az egyenlítő levegője, s ahogy ez a hideg szél délre érkezik, megtartja ezt a lassúságot, s kisebb a sebessége, mint a Föld mozgásának, amely nyugatról keletre tart. Ennek eredményeként alakul ki az északkeleti szél. A Föld mozgásának és a délről érkező lassabb szélnek ugyanilyen kölcsönhatásaként alakul ki a délkeleti szél.
Ennek megfordításaként, amikor a levegő az egyenlítőtől észak felé áramlik, gyorsabban halad, mint az északi föld, megelőzi azt, s ettől tűnik úgy, mintha a szél nyugatról jönne. Ezek a nyugati szelek.
Ezt a rendszert matematikai részletességgel egy francia fizikus, Gaspard Gustave de Coriolis (1792-1843) dolgozta ki 1835-ben. Ezért a szél irányának változása és a Föld különböző részeinek forgási sebességei közti összefüggést Coriolis-effektusként ismerjük. Ez az effektus okozhat különböző erősségű forgó szeleket, egyszerű viharokat, hurrikánokat, sőt tornádókat.
A szelek fontos szerepet játszanak. A Szelek biztosítják a Föld légkondicionálását, elosztják a hőt, s így a meleg területek nem annyira melegek, mint egyébként lennének, és a hideg területek sem annyira hidegek. A szelek viszik el a párát az óceánok fölül azzal, hogy felmelegítik a vizet, és a szelek adják vissza a vizet eső formában, amikor lehűlnek, így a kontinensek friss vizet kapnak, amely lehetővé teszi az életet a szárazföldön.
Ha teljesen megértenénk a levegő és a szél mozgását irányító szabályokat, pontosan meg tudnánk jósolni az időjárást, beleértve a meleg és hideg frontokat, az esőt, viharokat, stb. De ezek a szabályok annyira bonyolultak, hogy még ma sincs pontos időjárás.
Valójában talán sohasem leszünk képesek hibátlanul megjósolni az időjárást, mert soha sem lehetünk képesek pontosan felmérni a kezdeti feltételeket, és a legkisebb változás ezekben a feltételekben a legnagyobb eltérést okozhatja a végső kifejletben. Ez a helyzet a káosz, és úgy tűnik, egyre több természeti jelenségnek vannak kaotikus tulajdonságai, amelyeket nehéz előre jelezni, ha egyáltalán lehet. Ez rámutat a tudomány hiányosságaira és az emberi ismeretek korlátaira, de ha van valami, amit ezekkel a korlátokkal lehet csinálni, az, hogy bölcsen tudomást veszünk róluk.

Miért melegebb a nyár, mint a tél?

Az előző fejezetben arra mutattam rá, hogy a trópusokon magasabb a hőmérséklet, mint bárhol másutt a Földön, azért, mert a nap merőlegesen süt a trópusokra, így azok a nap melegét a legkoncentráltabb formában kapják. Északra és délre eltávolodva a nap sugarai ferdén esnek be, és nagyobb területen szóródnak szét, így a meleg kevésbé koncentrált.
Mindamellett azok az emberek, akik északibb területeken élnek, mondjuk az Egyesült Államokban vagy Európában, tudják, hogy az időjárás akkor is melegszik vagy éppen hidegebbé válik, ha nem hagyják el otthonaikat. A július és az augusztus igazán melegebb, mint a január és a február. (A déli féltekén éppen ellenkező a helyzet.) A legegyszerűbb magyarázat az lenne, hogy nyáron a nap közelebb van a földhöz és ezért melegebben süt ránk – de ez nem igaz. A nap közel ugyanannyi meleget ad egész évben.
A napnak az égen elfoglalt helyzete számít. Ha a nap mindig éppen az egyenlítő felett sütne, az egyenlítő minden pontján délben éppen a fejünk felett lenne. Az egyenlítőtőt északra fekvő területekről a nap minden délben a déli égbolton látszana, míg a déli területekről nézve mindig az északin. Minél északabbra vagyunk a Földön, annál délebbre látszana a nap délidőben, és minél délebbre megyünk, annál északabbra lenne a déli nap.
A nap pályája szöget zár be az egyenlítővel. Minden évben március 20-án délidőben a nap merőlegesen süt az egyenlítőre, és ezen a napon a nappal és az éjszaka egyaránt tizenkét órás az egész Földön. Ez a nap úgy ismert, mint a tavaszi napéjegyenlőség, latinul vernal equinox. Ezek után, napról napra, a déli nap észak felé tart, június 21-ig, amikor merőlegesen süt a Ráktérítőre, amely éppen átszeli Havanna északi részét. Ekkor a nap megfordul, és újra dél felé húzódik. Július 21-ének latin neve solstice („a nap még áll”).
A nap, amely újra dél felé tart, szeptember 23-án áll ismét pontosan az egyenlítő felett (őszi napéjegyenlőség) majd megy tovább déli irányba, amíg nem kerül a Rio de Janeirót átszelő Baktérítő fölé december 21-én. Ekkor a nap elkezd visszahúzódni délről, hogy újra északnak tartson, március 20-án keresztezi az egyenlítőt, és évről évre megismétli ugyanazt a ciklust.
Az északi féltekén élő emberek a délidőben sugárzó napot egyre magasabban látják, egészen június 21-ig. Onnantól a nap egyre alacsonyabban jelenik meg, december 21-ig. Minél magasabban van a nap, annál hosszabbak a nappalok, és annál rövidebbek az éjszakák. Június 21-én New Yorkban tizenhat órás a nappal és nyolc órás az éjszaka. De a helyzet megfordul december 21-én, amikor tizenhat órás az éjszaka és nyolc órás a nappal. Az éjszaka és a nappal közötti egyenlőtlenség annál nagyobb, minél északabbra megyünk. A sarkvidéken van egy időszak, centrumában június 21-ével, amikor a nap sehol sem nyugszik le: a nappal – attól függően, hogy milyen közel vagyunk az Északi-sarkhoz – közel hat hónapig tart.
A déli féltekén minden pont fordítva történik. Amikor a déli nap egyre magasabban van északi féltekén, akkor egyre alacsonyabban áll a délin, és vice versa. A nyári napforduló északon megfelel a téli napfordulónak délen, és így tovább.
Természetesen minél magasabban áll a nap az égen, annál többet is tartózkodik ott, és annál több meleget ad, így az északi félteke a nyári napforduló idején több meleget nyer nappal, mint veszít éjszaka. A legnagyobb meleg júliusban és augusztusban van – jóllehet a nap már ismét egyre alacsonyabban áll –, mert ez alatt a két hónap alatt még mindig több meleget nyer, mint veszít ez a régió. Hasonlóan ehhez, több meleg vész el éjszaka, mint amennyit nyer nappal a félteke a téli napforduló idejében, és a leghidegebb idők januárban és februárban jönnek. A déli féltekén mindez fordítva van, a július és az augusztus a hideg hónapok, január és február a melegek.
Az ősi időkben a nap fokozatos süllyedését különleges riadalommal figyelték azok, akik nem értették az emelkedő és süllyedő nap természetét. Minden alkalommal attól féltek, hogy a nap folytatja süllyedését, és végül teljesen eltűnik. Így hát a téli napforduló eljövetele, amikor a nap újra elindult észak felé, a megkönnyebbülés és az örömteli ünnepek ideje volt. Ennek az ünnepnek napjainkban is megvannak a nyomai, a karácsony-újévi időszakban.

Hogyan mérjük az időt?

Az időt több nézőpontból vizsgálhatjuk, amelyek lehetnek pszichológiaiak és fiziológiaiak. Úgy tűnik, az idő sokkal lassabban telik, ha betegek vagyunk, mint amikor jól érezzük magunkat, lassabban, ha szomorúak vagyunk, unatkozunk, valami utálatos dolgot csinálunk, mint amikor vidámak vagyunk, és olyan dolgokkal vagyunk elfoglalva, amiket szeretünk. Függetlenül attól, hogy milyen következetlenül rohan vagy lassan mászik az idő, annyi bizonyos, hogy mindig előre halad. S azzal is mindannyian tisztában vagyunk, hogy az időnek van egy objektív oldala, amelynél nem számít, hogy milyennek tűnik számunkra. Tekintet nélkül a lelki vagy testi állapotunkra, az idő valójában állhatatosan halad előre, változatlan ütemben. Ez az a fizikai idő, amelyet mérni szeretnénk.
Képzeljük el, hogy nincs eszközünk arra, hogy megmondjuk az időt, de nyomon akarjuk követni. Bizonyára az a logikus – és valójában az egyetlen – módja annak, hogy mérjük az idő múlását, hogy találjunk valami változást, ami rendszeresen ismétlődik, és megszámoljuk, hogy hányszor történt ez meg. Egy ilyen változás, amit bizonyára már az ősember is egészen korán észrevett, a nappalok és éjszakák végnélküli váltakozása. A napok könnyen számolhatóak és könnyű utalni rájuk, senki nincs gondban az olyan kifejezések megértésével, mint „ma”, „holnap”, „tegnap”, „tegnap este”, „három nappal ezelőtt” és „öt nap múlva”.
A napok számlálása mégis kényelmetlenné válik, ha hosszú időtartammal akarunk foglalkozni. Túl könnyű összekeverni a számolást. Egy máik, nem ennyire egyértelmű, de már a történelem előtti időkben is jól ismert változás a hold éjszakáról éjszakára változó alakja. A hold egy vékony félholdból teliholddá változik, majd megint vékony félholddá, s ez újra meg újra megismétlődik. (Később még visszatérünk arra, hogy ez miért van.) Egy komplett hold-ciklus huszonkilenc és fél napig tart, amit úgy is nevezünk, hogy holdhónap.
E hónapok sora megszámolható és kalendáriumként használható. A kalendárium szó latin eredetű, kiáltványt jelent. A római papok ugyanis kiáltványokat intéztek az éjszakába, hogy megjelenjen az újhold az égen, jelezve egy új holdhónap kezdetét.
A holdhónap átlagosan huszonkilenc és fél napos: 29 és 30 napos hónapok váltják egymást. Tizenkét ilyen hónap majdnem elegendő volt ahhoz, hogy illeszkedjen az évszakok tavasszal kezdődő, és a nyáron, őszön, télen keresztül újra a tavaszba visszatérő ciklusához.
Az évszakok ciklusa tesz ki egy teljes évet. Az évszak-ciklus egy kicsit zavarosabb, mint az éj-nappal ciklus vagy a holdfázis-ciklus, de a hosszúsága kiszámítható: átlagosan 365 és egy negyed nap.
Tizenkét holdhónap tehát nem ad ki pontosan egy évszak-ciklust: tizenkét holdfázis-ciklus 354 napot tesz ki – 11 nappal kevesebbet, mint egy év. Ez azt jelentette, hogy mindig hozzá kellett adni egy tizenharmadik hónapot is, hogy a holdhónapok ciklusa egybevágjon az évszakok ciklusával. Ez nagyon fontos volt, mert a kalendárium mondta meg az embereknek, hogy mikor van ideje a vetésnek vagy az aratásnak, mikor lehet esős, mikor száraz évszakra számítani, és így tovább. A babiloniak kidolgoztak egy rendszert arra, hogy egy tizenkilenc éves ciklusban bizonyos évekhez hozzáadjanak egy-egy hónapot, s ezzel a hold-kalendárium tökéletesen fedte az évszakokat. Ez a kalendárium ma is használatos vallási célokra a judaizmusban.
A régi Egyiptomban nevezetes eseménynek számított a Nílus áradása, amely új, termékeny talajt terített el a mezőkön, s ez 365 napos intervallumokkal ismétlődött. Ez olyan fontos volt az egyiptomiak számára, hogy meg sem kísérelték a hold változásainak követését, minden hónapot 30 napban határoztak meg. Tizenkét hónap után hozzáadtak még öt napot, majd kezdték elölről az egészet. Ez már nap-kalendárium volt.
Az egyiptomiak kalendáriumát vették át a rómaiak i.e. 44-ben. Az öt extranapot szétterítették az évben és minden negyedik év 366 napos volt, számításba véve azt a tényt, hogy egy év az 365 és egy negyed napos. Néhány apróbb változtatással ugyan, de ezt a kalendáriumot használjuk ma is.

Hogyan mérjük a napnál rövidebb időszakokat?

A természetben nincs olyan rendszeresen ismétlődő változás, amely magára vonná az emberek figyelmét, és gyakrabban kerülne rá sor, mint a napok váltakozása. Ugyanakkor már az ókori ember is szükségét érezte annak, hogy azonosítsa a nappal egyes szakaszait.
A nappal folyamán ez megtehető a Nap égbolton elfoglalt helyzetének megfigyelése révén. Hajnalról beszélhetünk, amikor a Nap felbukkan a hajnali látóhatár felett, reggelről, amikor tovább emelkedik az égbolton, délről, amikor a legmagasabban áll, délutánról, amikor hanyatlani kezd az égbolton, naplementéről, amikor a nyugati látóhatár alá bukik, és alkonyról, amikor a homály megelőzi a tényleges éjszakát. Éjjel mindez kissé nehezebben megy, de azok az emberek, akik kénytelenek ilyenkor dolgozni (különösen a hajósok), viszonylagos fogalmat alkothatnak maguknak az idő múlásáról a csillagok helyzete alapján, amelyek körbejárnak az égen.
Természetesen szeretnénk az időt ennél finomabban mérni, hogy meghatározhassuk a Nap pontos helyzetét. A baj csupán az, hogy a Nap megfigyelése helyzetének meghatározása céljából vakságot okozna.
Ezért a régebbi korok emberének olyan módszert kellett kidolgoznia a Nap helyzetének megállapítására, hogy ne kelljen belenéznie a tüzes korongba, és a megoldás nagyon egyszerű volt. Elvégre a Nap árnyékot vet, és ha egy botot a földbe szúrunk, annak hajnalban lesz a leghosszabb az árnyéka, amikor a Nap a keleti látóhatáron helyezkedik el, és ez az árnyék természetesen nyugati irányba fog mutatni. Ahogy a Nap áthalad az égen, az árnyék fokozatosan rövidül, a legrövidebb és (az északi féltekén) északi irányba mutató pedig pontosan délben lesz. Ezután ismét növekedni kezd, de kelet felé fog mutatni.
Ha szemmel tartjuk ezt az árnyékot, fokról fokra nyomon követhetjük a Napot anélkül, hogy veszélyeztetnénk a szemünket. Ilyen napórákat először Egyiptomban használtak i.e. 3000 évvel. A bot, vagy más nevén a gnomon (a görög kifejezés nyomán, amelynek jelentése: az, aki tudja az időt, természetesen) északi irányba dőlt, úgyhogy az árnyék vége egy félkört rajzolt ki, amelyet tizenkét egyenlő részre osztottak, és ezeket horáknak nevezték (a görög kifejezés után, amely a nap idejét jelenti). Az ókori sumérok elsőként használták a tizenkettőt általános osztószámként. A napóra jól működött Egyiptomban, ahol a nap folyamán szinte sohasem borul be az ég, és a nappalok hosszúsága sem változik számottevően az évszakok során. Észak felé haladva azonban egyre nagyobb eltérések mutatkoznak a nappalok időtartamában, és az eget is gyakran felhők borítják, márpedig a napóra ilyenkor egyáltalán nem működik.
Persze az emberek választhattak más, megbízható folyamatot is, amely nem függött a napfénytől. Például megragadhatták az időt úgy is, hogy szabványméretű, azonos anyagból készült gyertyákat égettek. A gyertya egy bizonyos része, mondjuk, egy óra alatt ég el. Vagy pedig száraz homokszemcséket folyathattak egy szűk nyíláson át egy felső edényből az alsóba, miközben tudták, hogy a teljes mennyiség alácsorgásához, mondjuk, két órára volt szükség. Ezek az eszközök működhettek éjjel-nappal, derült vagy borús időben egyaránt, amellett hordozhatóak is voltak.
Az idő mérésének folytatására is volt lehetőség új gyertyák öntése vagy a homokóra újbóli fejreállítása révén. Azonban ezeknek az eszközöknek is megvolt a maguk hiányossága. Különböző gyertyák eltérő ideig égtek, sőt még az azonosak sem mindig egyforma gyorsan tették ezt, ami nagyban függött a levegő áramlásától. A homok is gyorsabban folyt át a nyíláson, amíg a felső edény tele volt, majd egyre lassabban, amint az ürülni kezdett, úgyhogy csak a teljes homokmennyiség átfolyásának, idejét tudta pontosan mérni, mást nem.
A régebbi korok talán legpontosabb órája a clepsydra, vagyis vízóra volt (innét az angol clock elneverca, amely a francia csengő szóból ered, az órák múlását ugyanis csengőszó jelezte), a vízórában a víz folyt alá egy kicsi nyíláson egyik edényből a másikba. A legelső vízórák eredete i.e. 1400-ig vezethető vissza, i.e. 100-tól pedig még hatékonyabbra készítették őket, ugyanis a felső edénybe, amelyet túlcsorgatóval láttak el, állandóan folyt a víz. Így a felső edényben mindig ugyan-az volt a vízmennyiség, ezáltal a csepegés gyorsasága sem változott. A vízórákat alkalmanként kis lebegőkkel egészítették ki, amelyek mutatókat támasztottak alá, így azok a víz szintjével együtt emelkedtek az alsó edényben. Ezáltal a mutató automatikusan jelezte minden óra elmúlását.
A vízórák viszont piszkosak voltak, időről időre felborultak, kilöttyent belőlük a víz, és fel kellett törölni körülöttük. A középkorban ezért a gravitációs erőt használták. Egy súlyos nehezék zsinórt húzott lefelé, amely tengelyre volt feltekerve. A súlyt a nehézkedési erő húzta lefelé, így az forgásra késztette a tengelyt, amelyhez egy mutató kapcsolódott, és az egy számlapon jelezte az órák múlását. A trükk az instrumentum munkájának beállításában volt, a mutatónak ugyanis tizenkét óra alatt kellett körbejárnia a számlapon, vagyis napjában kétszer, Az 1300-as évek körül feltaláltak valamit, amit meredek rézsűzésnek neveztek el. Ez egy fogakkal ellátott szerkezet volt, amely beleakadt a tengelybe, és csak bizonyos fokig engedte elfordulni azt. Azután kioldotta a tengelyt, hogy a következő fog akadjon bele, ami lehetővé tette, hogy a tengely kellő lassúsággal és állandósággal forogjon ahhoz, hogy egy teljes nap ideje mérhető legyen vele.
De még a legjobb gravitációs órák is siettek vagy késtek legalább egy negyedórát a nap folyamán, úgyhogy állandóan hozzá kellett őket igazítani a napórákhoz. Ekkora pontosság a legtöbb célnak megfelelt, de tudományos kísérletezéshez korántsem volt elég jó, hiszen a tudomány szempontjából döntő, hogy lemérhessük a történések konkrét időtartamát.
1581-ben Galilei (aki akkoriban mindössze tizenhét éves volt) a pisai katedrális istentiszteleteit látogatta, és azon kapta magát, hogy egy himbálódzó csillárt néz, amelyet a légáramlatok mozgattak, hol szélesebb, hol kisebb körívben. Galileinek úgy tűnt, hogy bármekkora legyen is a kilengés szöge, a csillár azonos időközökben lendül előre és hátra. Ezt pulzusának tapintásával ellenőrizte le (ami nem használható megbízható időmérőként, hiszen gyorsasága egyénenként változik a szellemi állapot és a fizikai megterheltség függvényében). Hazafelé menet azzal kísérletezett, hogy zsinegen függő súlyokat hintáztatott kisebb-nagyobb ívekben. Ilyen módon fedezte fel az inga elvét. (az inga latin neve, a pendulum annyit jelent, mint függeni vagy lengeni).
Az ingának olyan a mozgása, amely elvben nagy rendszerességgel képes működtetni egy időmérő szerkezetet. Két hiányossága, hogy mozgásban kell tartani, és hogy lengése nem tökéletesen szabályos.
1656-ban egy holland fizikus, Christiaan Huygens (1629-1695) két hajlított korlát közé helyezte az ingát, amely ennek következtében cikloid típusú ívben kezdett mozogni, a lengés periódusai pedig állandóak lettek. Kidolgozott továbbá egy módszert, amelyben akkora súlyokat alkalmazott, amekkorák az ingának éppen elég erőt adtak ahhoz, hogy korlátlan ideig lengésben maradjon.
Huygens ingaórája volt az első időmérő szerkezet, amely elég pontos volt ahhoz, hogy tudományos célokra is megfeleljen. Mérni tudta az óra hatvanad részét, – vagyis a percet – így az órának első ízben még egy mutatót adhattak. A percmutató minden alkalommal leírt egy teljes kört, miközben az óramutató egy órányit előrébb haladt. Azóta az órákat úgy fejlesztették tovább, hogy azok képesek legyenek a perc hatvanad részének mérésére is, így került a számlap elé a harmadik, a másodpercmutató is.
Ma viszont már a másodperc parányi tört részét is pontosan tudjuk mérni.

Milyen idős a Föld?

Most, hogy az idő mérésével volt dolgunk, tegyünk fel a Földre vonatkozóan is egy időhöz kapcsolódó kérdést: milyen idős lehet a bolygónk? Egészen bizonyosan tudjuk, hogy 5000 évvel ezelőtt a Föld már létezett, hiszen első írásos emlékeink i.e. 3000-ből erednek, amikor a sumérok feltalálták az írást. De emberek által megmunkált tárgyak, fazekas termékek és szobrocskák még ennél korábbi időkből is maradtak ránk. Majdnem az 1800-as évekig a nyugati hagyományok értelmében szinte mindenki úgy vélte, hogy a Föld kb. 6000 éves lehet. Azok, akik hittek ebben, kizárólag azért tették, mert így értelmezték a Biblia szavait, melyet isteni igazságként fogadtak el, de ez hit, és nem tudományos bizonyítás dolga volt.
Természetesen voltak olyanok is, akik bizonyítékokat gyűjtöttek, és olyan következtetésekre jutottak, amelyek nagyban eltértek attól, amit a biblia kínált. Ezek a gondolkodók úgy vélték, hogy a természeti erők – az eső, a szél, a hullámok partmosása – lassan megváltoztatják a Föld arculatát. Úgy hitték, hogy ezek az erők nagyban hozzájárultak a Föld mai megjelenésének kialakításához, de csak abban az esetben, ha elég hosszú, 6000 évnél jóval hosszabb ideig dolgozhattak rajta. 1570 körül egyike volt az így vélekedőknek egy francia tudós, Bernard Palissy (kb. 1510-1589).
Azok, akik elfogadták a Föld 6000 éves korát, nem vonták kétségbe a változások végbemenését, de azokat Noé és az Özönvíz legendájához kötötték. Palissy elutasította egy ilyen világméretű áradás lehetőségét, és azt állította, hogy a Föld jelenlegi arculatát hosszú távon ható, lassú változások alakították ki. 1589-ben máglyára vetették. Akkoriban nem volt tanácsos ilyen eretnek gondolatokat terjeszteni.
Még annyival később is, mint 1681, egy angol lelkész, Thomas Burnet (kb. 1635-1715) olyan könyvet írt, amelyben alátámasztja az Özönvíz történetét, ugyanakkor 1692-ben, egy másik művében kétségbe vonta Ádám és Éva legendájának hihetőségét. Ez tönkre is tette pályafutását.
1749-ben egy francia természettudós, Georges Louis de Buffon (1707-1788) terjedelmes enciklopédiát kezdett írni, amelyben megpróbálta a világot természettudományos fogalmakkal megmagyarázni. Azt állította, hogy a Földnek legalább 75 000 évre volt szüksége ahhoz, hogy kialakítsa jelenlegi arculatát. Ez azután bajba sodorta a férfiút, akit Galileihez hasonlóan arra kényszerítettek, hogy vonja vissza tanait.
Mindazonáltal semmi sem akadályozhatja meg az embereket abban, hogy gondolkodjanak. A fordulópont 1795-ben következett be, amikor egy skót geológus, James Hutton (1726-1797) megírta A Föld elmélete című könyvét, amelyben gondosan összegzi azokat a bizonyítékokat, amelyek a hosszú távon érvényesülő lassú változások mellett szólnak. A következő több, mint fél évszázad folyamán a tudósok elfogadták Hutton álláspontját, amely a lassú, állandó változásról szólt. Ez az elmélet mindazonáltal nem zárta ki az időnkénti természeti katasztrófák, például a gigantikus vulkánkitörések lehetőségét sem.
Ezután a tudósok azokra a változásokra összpontosították figyelmüket, amelyek a jelenben játszódnak le, és próbáltak rájönni, hogy milyen gyorsasággal mennek végbe. Ha valaki feltételezi, hogy ezek a folyamatok mindig ugyanazzal a sebességgel játszódnak le, akkor felbecsülheti, mennyi ideje kell már tartaniuk ahhoz, hogy a Föld ma úgy nézzen ki, ahogyan kinéz.
Az első ember, aki erre kísérletet tett, Edmund Halley volt, aki elsőként fejtette meg azt is, hogy miért fúj a szél. 1715-ben a tengerek sótartalmát vizsgálta, és megfejtette, hogy a sót a beömlő folyók viszik magukkal, amelyek azt kis mennyiségekben a magukkal sodort talajból mossák ki. Mi több, arra is rájött, hogy a víz elpárologhat a tengerekből, de a só nem, ezért az eső, amely hullik, édesvíz, de a folyókat táplálva ismét visszajut a tengerbe, és újabb sómennyiséget visz magával az óceánba.
Ha elképzeljük, hogy az óceán kezdetben tiszta édesvíz volt, és kiszámítjuk, hogy a folyók évente mennyi sót visznek bele, akkor azt is megfejthetjük, hogy hány évnek kellett eltelnie az óceán jelenlegi sószintjének eléréséhez. Ez az okoskodás jól hangzik, de megvannak a maga bizonytalan pontjai. Mindenekelőtt lehetséges, hogy az óceán sohasem volt édesvíz, hanem már eleve tartalmazott bizonyos mennyiségű sót. Ugyanígy az sem volt ismeretes, hogy az összes folyók évente mennyi sót moshatnak a világtengerbe. Halley idejében valójában semmit sem tudtak az Európán kívüli folyókról. Azután adva volt annak a lehetősége is, hogy a jelenleg bevitt évi sómennyiség több vagy kevesebb az évszázadokkal korábbi mennyiségnél. Arról nem is beszélve, hogy léteznek olyan folyamatok is, amelyek eltávolítják a sót az óceánból. A közönséges elpárolgás általában nem járul hozzá ehhez, viszont az óceán sekély nyúlványai néha leszakadnak és kiszáradnak, hatalmas térületeket hagyva maguk mögött, amelyekből sóbánya lesz.
Halley megpróbálta számításba venni az efféle szabálytalanságokat is, és végül arra a megállapításra jutott, hogy az óceán mostani sótartalmának kialakulásához a Földnek kb. egymilliárd évesnek kelt lennie. Ez a szám akkoriban olyan elképzelhetetlenül nagynak tűnt, hogy senki sem vette komolyan. Ez majdnem 13 000-szerese volt annak, amennyire Buffon becsülte a Föld életkorát, de az angliai körülmények akkor jóval kedvezőbbek voltak, és Halley-nek nem esett bántódása.
A Föld életkorát felbecsülhetjük az iszaplerakódás üteme alapján is. A folyók, tavak és óceánok sarat és üledéket ülepítenek le medrük fenekére, amit szedimentumnak nevezünk (a latin lerakódás szó nyomán). Ahogy újabb rétegek rakódtak le, azok súlya nyomni kezdte az alsóbb rétegeket, és azokból szediment kőzetek keletkeztek. Az ember fel tudja becsülni, hogy ez a lerakódás a jelenben milyen gyorsasággal zajlik, és ha feltételezzük, hogy a folyamat sebessége mindvégig azonos volt, akkor kiszámítható, hogy mennyi idő alatt jöhetett létre a Földön található szediment kőzetek keménysége. Az így begyűjtött eredmények alapján úgy tűnik, hogy a Földnek több mint félmilliárd évesnek kell lennie.
Ezek a becslések a durvább fajtából valók voltak, hatottak ugyan a képzeletre, de nem hoztak meggyőződést. Ehhez egy olyan, abszolút szabályos változásra lett volna szükség, amely már a kezdetektől jelen volt a Földön, ugyanakkor általunk könnyen mérhető is. Halley vagy Hutton idejében senkinek sem jutott eszébe, hogy mi is lehetne ez a változás, és amikor végül mégis felbukkant a színen, egy századdal Huttont követően, akkor felfedezését teljes egészében a véletlennek köszönhette.

Hogyan határozták meg a Föld korát?

1896-ban egy francia fizikus, Antoine Henri Bécquerel (1852-1908) egészen véletlenül (ugyanis valami más után kutatott) felfedezte, hagy egy bizonyos elem, amely urániumatomokat tartalmaz, sugárzást bocsát ki, amely mindaddig ismeretlen volt. A lengyel-francia vegyész, Marie Skladowska Curie (1867-1934) tovább tanulmányozta a jelenséget, és 1898-ban arra a következtetésre jutott, hogy az új sugárzás a radioaktivitás következménye volt. Az uránium, és egy másik atom, a tórium (amely nagyon hasonlít az előbbihez) radioaktív volt, és egy angol vegyész, Frederick Soddy (1877-1956), 1914-ben másokkal egyetemben rámutatott, hogy a radioaktivitás következtében az uránium és a tórium valamivel egyszerűbb atomokká bomlik, amelyek később még tovább bomlanak, míg végül ennek a radioaktív láncnak a végén ólomatomok keletkeznek. Ezek az ólomatomok már nem radioaktívak, vagyis a bomlás folyamata velük véget ér.
Soddyval együttműködve az új-zélandi Ernest Rutherford (1871-1937) rámutatott, hogy minden radioaktív elemnek van egy tulajdonsága, amit ő felezési időnek nevezett el. Más szóval minden radioaktív elem adott mennyisége egy jellemző idő alatt veszíti el tömegének felét a bomlási folyamat révén, miután a megmaradt mennyiség felét is még egyszer annyi idő alatt, majd az így fennmaradó tömeg felét is – és így tovább. Ez azt jelentette, hogy pontosan előre lehetett jelezni, hogy adott számú év elteltével tetszőleges mennyiségű urániumból vagy tóriumból mennyi fog megmaradni.
Mint kiderült, az uránium és a tórium is rendkívül lassan bomlik el. Az uránium felezési ideje 4,5, a tóriumé pedig 14 milliárd évet tesz ki. Ennek a hosszú felezési időnek köszönhető egyébként, hogy az uránium és a tórium még mindig fellelhető a Föld kérgében, annak ellenére, hogy Halley és társai helyesen tételezték fel, hogy bolygónk életkora egymilliárd év körül mozoghat. Ez ugyanakkor felső határt is szabott a Föld korának: ha például egy billió (ezermilliárd) éves lenne, uránium- és tórium-készletének nagyobb része már lebomlott volna.
1907-ben, még mielőtt a radioaktív bomlás jelenségét teljes egészében megfejtették volna, egy amerikai fizikus, Bertram Borden Boltwood (1870-1927) azt állította, hogy ha egy kőzet urániumot tartalmaz, ez az uránium azonos részletekben bomlik le ólommá. Az ólom mennyiségéből pedig ki lehet számítani, hogy az illető kőzet mennyi ideje fekszik a helyén szilárdan és zavartalanul.
A dolog azért nem ilyen egyszerű, mert a kőzetben már eredetileg is lehetett bizonyos mennyiségű ólom. Mindazonáltal az ólom négy, nagyon szoros rokonságban álló változat, azaz izotóp formájában fordul elő. Ezek közül az egyik nem radioaktív bomlás útján jön létre, és ha megmérjük ennek arányát a kőzetben, akkor következtethetünk arra, hogy az eleve mennyit tartalmazhatott a többi izotópból. Így csak az az ólommenyiség számít a kőzet élettartamának meghatározásakor, amely ezen a tömegen felül található benne.
Nem volt nehéz olyan kőzetet találni, amely egymilliárd évesnek bizonyult, és Halley becslése többé senkinek sem tűnt nevetségesnek. Mi több, 1931-ben kétmilliárd éves kőzeteket fedeztek fel, az eddigi legrégebbi mintát pedig, amelynek életkora 3,8 milliárd év, Nyugat-Grönlandon találták.
De mindez csupán azt árulja el számunkra, hogy hány évesek a Földön található legrégebbi kőzetek. Bolygónk maga ennél idősebb lehet, de a 3,8 milliárd évet megelőző időkben a vulkántevékenység újra és újra felolvaszthatta a kőzeteket, úgyhogy egy sem maradhatott fenn változatlan formában abból a periódusból. A tudósoknak azonban sikerült megoldaniuk ezt a problémát, méghozzá oly módon, amelyről a későbbiekben még szó esik ebben a könyvben, és ma általánosan elfogadott, hogy a Föld bolygó 4,6 milliárd éves.

Mi a tömeg?

Annak érdekében, hogy a Földről többet tudjunk meg, meg kell határoznunk, mit értünk azon a szón, hogy tömeg. Azonban mielőtt ezt meghatároznánk, azt is tudnunk kell, hogy mi az a súly.
A súly a Föld vonzásának az eredménye, amit bizonyos tárgyakra fejt ki. Néhány tárgyat a Föld olyan erővel vonz, hogy azokat nehéz lenne a gravitáció erejével szemben megemelni, ezek a tárgyak súlyosak. Más tárgyakat kisebb erővel vonz a Föld, ezeket könnyebb megemelni, így tehát könnyebbek is. A tárgyak súlyát kilogrammokban mérjük.
Newton gravitációs törvényének megfelelően a Föld vonzása a távolsággal változik. A Föld vonzása úgy viselkedik, mintha annak központjára koncentrálna, és mi a Föld felszínén, 6350 kilométer távolságban lennénk. A legtöbb esetben nem vagyunk tudatában annak, hogy a gravitáció változik. Mindezek ellenére mi mindig ugyanolyan távolságban állunk a Föld közepétől. Akár a legmagasabb hegy tetejére mászunk fel, akár a legmélyebb óceán mélyére ereszkedünk le, nem nagyon történik változás. A súlyról tehát általában úgy gondolkodunk, mint ami sohasem változik.
De hogyha 6350 kilométer magasságba elrugaszkodnánk a Föld felszínétől, akkor kétszer olyan távol lennénk a Föld magjától, mint amennyire most vagyunk, és a gravitáció a negyedére csökkenne. Ha ebben a magasságban egy mérlegre tudnánk állni, akkor azt tapasztalnánk, hogy csak az egy negyedét nyomnánk a Földön mért súlyunknak. Ha még magasabbra mennénk, akkor pedig még kevesebb lenne a súlyunk.
Isaac Newton, aki 1687-ben kidolgozta a mozgástörvényeket, olyan mérőeszközöket keresett, mint pl. a súly, aminek semmi köze a gravitáció vonzásához, és nem változik a Földtől mért távolsággal. Ha egy tárgy nehezebb, mint egy másik, ennek az az oka hogy az első tárgyat a Föld erősebben vonzza. Van-e más módja annak, hogy megítéljük ezt a különbséget?
Newton úgy gondolta, hogy egy tárgynak a sebessége növelhető, csökkenthető vagy megváltoztatható egy adott irányba, ha erőt fejtünk ki rá. A nehezebb tárgyak elmozdításához pedig nagyobb erő kell, mint a könnyebbekéhez.
Ez egyébként az emberek általános tapasztalata. Képzeljük el, hogy van egy kosárlabdánk, ami a földön hever és mozgásba akarjuk hozni. Ez nem olyan nehéz feladat. Ha meglökjük, akkor az megmozdul, és ha már mozog, akkor egy másik lökés megváltoztathatja az irányát, vagy pedig megállíthatja azt. Most képzeljük el azt, hogy van egy kosárlabda méretű vas ágyúgolyónk, ami szintén a földön hever. Persze ez sokkal nehezebb, mint egy kosárlabda. Ha mozgásba akarjuk hozni, akkor sokkal nagyobb erőt kell kifejtenünk, és ha már mozog, akkor ahhoz is nagyobb erőkifejtésre lesz szükség, hogy irányát megváltoztassuk vagy esetleg megállítsuk.
A tárgyak mozgással szembeni ellenállását inerciának nevezzük. Egy tárgy inerciájának mennyisége pedig a tömeg. A tömeg nem változik a gravitációs mező erősségével vagy gyengeségével, ezért a tudósok szívesebben beszélnek tömegről, mint súlyról. Azt mondják, hogy egy tárgy nehéz vagy kevésbé nehéz, nem pedig azt, hogy könnyebb vagy súlyosabb.
A tömeget, ugyanúgy mint a súlyt, kilogrammokban mérjük (ami valójában hiba, de a tudósok rossz szokásává vált). Tömeget kétféleképpen mérhetünk, meghatározzuk azt a súlyt, ami azáltal keletkezik, hogy a gravitációs mező erejét számításba vesszük, vagy pedig úgy, hogy meghatározzuk az inerciát. Ebben az esetben azonban a gravitációs mező nem számít. Ennek a két módszernek semmi köze nincs egymáshoz, de eredményük mindig ugyanaz, tehát a gravitációs tömeg és az inerciális tömeg mindig egyforma, és ez zavarba hozza a tudósokat.

Mennyi a Föld tömege?

A Föld tömegét meghatározni elég problematikus. Nem tudjuk megmérni a Föld inerciális tömegét, mert az olyannyira nehéz, hogy nem tudunk olyan erőt létrehozni, amely bármilyen mérhető módon megváltoztatná annak mozgását. De nem is igazán kell megmérni a Föld tömegét. Ha veszünk egy bármilyen mindennapi tárgyat és megmérjük a gravitációs vonzását bizonyos távolságból, akkor összehasonlíthatjuk ezt a Föld által kifejtett gravitációs erővel a közepe és a felszíne között lévő sokkal nagyobb távolságból. Ha tudjuk egy mindennapi tárgynak a tömegét, akkor a Föld súlyát is kiszámíthatjuk ebből. A probléma csak az, hogy a gravitáció egy olyan hihetetlenül gyenge erő, hogy csak óriási tárgyakkal kapcsolatban mutatható ki. Úgy gondolkodunk a gravitációról, mint valami nagyon erősről, ami elég hatalmas ahhoz, hogy öljön, de ennek csak az az oka, hogy kapcsolatba hozzuk az óriási Földdel. Egy mindennapi tárgy, mint pl. egy darab vas olyan kicsi gravitációs vonzást vált ki, hogy azt meg sem tudjuk mérni. Legalábbis úgy tűnik, hogy ez nem járna sikerrel. Henry Cavendish angol tudós, (1731-1810) ezzel a problémával foglalkozott 1798-ban. Egy könnyű pálcát egy madzaggal felfüggesztett annak a közepénél fogva, és a pálca mindkét végéhez egy-egy ólomgolyót rögzített. A pálca úgy tudott forogni a madzag körül, hogy csak a golyókra kifejtett kis erő hozta mozgásba a rendszert. Így Cavendish meg tudta mérni, hogy mekkora forgást okoztak a különböző kis erők.
A következő lépésben, a pálca mindkét végéhez a kis golyók mellé két nagy vasgolyót rögzített. A kis és a nagy golyók közötti gravitáció alig hozta mozgásba a madzagot, és Cavendish a forgás kiterjedéséből számította ki a két páros golyó közötti gravitációs erőt. Ismerte a közöttük lévő távolságot, és ismerte a tömegeket is. A gravitációs nyomás erejének különbségeiből pedig ki tudta számolni a Föld tömegét.
Arra a következtetésre jutott tehát, hogy a Föld tömege 6×10²⁴ kilogramm. Még mindig úgy gondoljuk, hogy Cavendish nagyon jó számításokat végzett az első kísérletre.

Mi a sűrűség?

Úgy tűnhet számunkra, hogy egy nagy tárgy mindig nehezebb, mint egy kicsi, de tapasztalatból tudjuk, hogy ez nem igaz. Egy nagy, parafából készült tárgy kevésbé nehéz (egyébként a súlya is kisebb), mint egy kisebb ólomból készült tárgy; néhány tárgy tehát egy adott térfogatba sokkal nagyobb tömeget csomagol, mint mások.
Egy víz-kockának, amelynek minden oldala egy centiméter (1 köbcentiméter), a súlya csak egy gramm.
Ha tudjuk bármilyen tárgynak a tömegét grammokban és tudjuk a térfogatát is köbcentiméterekben, eloszthatjuk a tömeget a térfogattal, és megkapjuk azt a számot, ami a tárgy sűrűségét fogja jelenteni.
Az ókori görögök felfedezték, hogyan határozható meg egy kör térfogata az átmérőjéből, és miután mi ismerjük a Föld átmérőjét, ki tudjuk számolni a térfogatát. Amikor Cavendish kiszámította a Föld térfogatát, akkor a sűrűséget is ki tudta számítani úgy, hogy a tömeget a térfogattal elosztotta. Ezáltal azt kapjuk, hogy a Föld sűrűsége átlagban 5,518 gramm köbcentiméterenként, tehát 5,518-szor sűrűbb, mint a víz.

Igaz, hogy a Föld üreges?

Ez a kérdés megriaszthatja azokat, akiknek eddig még soha nem jutott eszébe, hogy a Föld lyukas is lehet. De nagyon sok ember volt a történelem folyamán, aki hitt ebben, úgyhogy ez az ötlet sok történetnek és legendának lett az alapja. A legmélyebb barlang, amelyről tudomásunk van, a Pireneusok nyugati részén található, és 1170 méter mély, ami elég sekély a Föld középpontjáig mért 6350 kilométeres távolsághoz képest. Persze mindig akadtak olyan emberek, akik azt gondolták, hogy találnak egy olyan barlangot, amely elvezeti őket a Föld üreges belsejéig.
Ez az elképzelés, miszerint a Föld üreges, nagyon régről származik. A görög mitológiában azok az óriások, akik fellázadtak Zeusz ellen, a Föld alatt voltak megláncolva, és az a hit járta, hogy gyötrődésük okozza a földrengéseket. A görögök Hádésza és a zsidók Sheolja is a föld alatt helyezkedik el, és a vulkánok létezése is azt bizonyította, hogy a Föld belseje a tűz és a kénkő otthona, tehát a kínzásokra alkalmas hely.
A tudomány korai időszakában néhány tudós azon fáradozott, hogy bebizonyítsa ezt a vallásos elképzelést a Föld üreges mivoltáról. 1665-ben a német tudós, Athanasius Kircher (1601-1680) megjelentette az akkor legméltatottabb földrajzkönyvet, amelyben úgy jellemzi a Földet, mint ami barlangokkal és csatornákkal van átszaggatva. Ezekben pedig sárkányok élnek. Az 1800-as évek elején, az amerikai katona, John Cleve Symmes (1742-1814), kidolgozott elméletet tárt a nagyközönség elé, és azt állította, hogy az Északi-sark régiójában vannak a nyílások, ahol az emberek megtalálhatják az utat a Föld belsejébe. Ez az elképzelés sok embernek ragadta meg a képzeletét, mint ahogy az ilyen őrült fantazmagóriák általában. Symmes idejében rengeteg science fiction regény született olyan utazókról, akik a Föld belseje felé tartottak. 1864-ben a francia író, Jules Verne tollából született a legjobb ezek közül „Utazás a Föld középpontja felé” címmel, amelyben leírja a föld alatti óceánokat, dinoszauruszokat, az emberszabású majmokat. Ő azt az álláspontot képviselte, amely szerint a Föld belsejének bejárata Izlandon van.
Korábban Edgar Allan Poe (1809-1849) írt egy ilyen történetet, és szintén az Északi-sarkot jelölte meg a bejárat helyeként.
Természetesen, amikor az amerikai felfedező, Robert Edwin Peary (1856-1920) elérte az Északi sarkot 1909-ben, nyilvánvalóvá vált hogy semmilyen nyílás nincs a távoli északi régióban, amely a Föld belseje felé vezetne. Bár erre alapozott történetek még később is születtek. Az üreges Földről szóló történetek között a legnépszerűbb Edgar Rice Burroughs (1875-1950) sorozata volt, aki a Pellucidar nevet adta a föld alatti világnak. Az első ezek közül 1913-ban jelent meg.
1798 óta tudjuk, hogy a Föld nem üreges és nem is lehet az. Mióta Cavendish megmérte a Föld tömegét, tudjuk, hogy a sűrűsége 5,518 gramm köbcentiméterenként.
A földkéreg kőzeteinek sűrűsége átlagban 2,8 gramm köbcentiméterenként. Hogyha a Föld üreges volna, és az üregek feltételezhetően levegővel lennének telve, akkor az átlagsűrűség kevesebb lenne, mint 2,8 gramm köbcentiméterenként. Az a tény, miszerint a Föld átlagsűrűsége 5,518 gramm köbcentiméterenként, arról árulkodik, hogy valójában a Föld belsejének még sokkal sűrűbbnek kell lennie, mint a kéregkőzeteknek. A Föld egyszerűen nem lehet üreges. Sok más érv is szól amellett arra, hogy miért nem lehet az, de a sűrűség maga is elegendő bizonyíték.

Milyen valójában a Föld belseje?

Miután tudjuk, hogy a Föld kéregkőzetének sűrűsége 2,8 gramm köbcentiméterenként, a Föld egészének sűrűsége, pedig 5,5 gramm/cm³ körüli, nyilvánvaló, hogy a Föld belső sűrűségének nagyobbnak kell lennie, mint 5,5 ahhoz, hogy kijöjjön az átlagolt szám.
Ha egy kicsit jobban belegondolunk ebbe a ténybe, az is igaz lehet, hogy ez csak a mi elvárásunk. Egy közönséges golyó mérete, amivel laboratóriumi körülmények között dolgozhatunk, olyan kicsi, hogy a gravitáció hatása elhanyagolható. A Föld esetében azonban óriási a gravitációs nyomás, ami a szilárdságát biztosítja. Ha feltesszük, hogy a Föld csak kőzetekből áll, akkor a kőzetek mélyebb rétegei összetörnének a felsőbb rétegek súlya alatt. Ez a súly nagy nyomást gyakorol a belső rétegekre, és összenyomja az egész tömeget egy kisebb térfogatra. A belsőbb rétegeknek ezért természetesen nagyobb a sűrűsége, mint más rétegeknek, és ezzel a probléma meg is oldódik.
Azonban ez nem egészen működik így. Az ember kifejthet egy bizonyos nyomást a kőzetekre és kiszámíthatja, hogy ez a nyomás mennyire préseli azt össze, és ebben az esetben mennyivel nő a sűrűség. Ekkor azonban kiderül, hogy a Föld legkülső rétegének egésze nem tudja annyira összenyomni a belső rétegeket, hogy azok elérjék az 5,5 grammos köbcentiméterenkénti átlagot.
Így hát csak azt a következtetést vonhatjuk le, hogy a Föld nemcsak szilárd kőzetekből áll, hanem a Föld mélyebb rétegeiben kell lenniük más anyagoknak is, amelyek sűrűbbek, mint a kőzetek. De vajon mik ezek az anyagok és hogyan szerezhetünk információkat róluk? Azt már említettük, hogy a legmélyebb barlang is elenyésző mélységű a Föld közepéhez képest. A legmélyebb olajkút, amelyet eddig fúrtak, 9,6 kilométer mély, ami a Föld közepéig mért távolságnak körülbelül az 1/670-ed része.
Ezek szerint teljesen képtelenek lennénk arra, hogy bármit is megtudjunk a Föld belsejéről? Valójában nem. Időnként vannak földrengések, amelyek megbolygatják a Föld felszínét, és egy erőteljes rezgést eredményeznek, amely a Föld belsejében hullámok formájában megy végig. A hullámmozgások arra hasonlítanak, amikor a tó felszínén átsuhanó hullámokat megzavarjuk, vagy ahogy a hanghullámok terjednek a levegőben. Valójában a földrengések hullámainak, amelyeket elsődleges hullámoknak vagy P (primary) hullámoknak nevezünk, vannak a hanghullámokra jellemző sajátságaik, míg másfajta földrengéshullámok, a másodlagos vagy S (secondary) hullámok a vízhullámokkal mutatnak közös jellemzőket.
Ezek a hullámok keresztülmennek a Földön, és az eredeti kitöréstől jelentős távolságra törnek a felszínre. Az első egyszerű eszközt, amely alkalmas volt a hullámok tanulmányozására, a szeizmográfot, egy olasz fizikus, Luigi Palmieri (1807-1896) 1855-ben találta fel. A szeizmográfok gyorsan fejlődtek az elkövetkező időszakban. Az 1890-es években egy angol mérnök, John Milne (1850-1913) egy sorozat szeizmográfot állított fel a világ különböző pontjain. Most több mint 500 komoly szeizmográf működik bolygónk felületének különböző pontjain.
A szeizmográfok előre jelzik, hogy egy földrengési hullám hol és mikor fog újra feltünni, és ezeken a helyeken a tudósok feltérképezik az útvonalat, amelyen azok a Föld szerkezetén keresztül a felszínre érnek. Ha a Föld anyaga mindenhol ugyanolyan minőségű lenne, akkor ezek a hullámok ugyanakkora sebességgel egyenes vonalban közelítenék meg a Föld felszínét. Azonban a Föld sűrűsége a mélységgel növekszik, részben a nyomásnak és tömörítésnek köszönhetően a hullámok útvonalai elgörbülnek. Az elhajlások természetéből a tudósok meg tudják állapítani, hogy a Föld sűrűsége milyen mértékben változik a mélységgel. Bizonyos mélységekben a hullámok nagyon élesen változtatnak irányt, amely egy hirtelen változást jelez a sűrűségre nézve. Ez pedig inkább a kémiai szerkezetnek köszönhető, nem pedig a nyomás által okozott állandó változásnak. A földrengések keltette hullámokkal kapcsolatban folytatott tanulmányok a Föld szerkezetét három fő részre osztják. A legkülsőbb réteget hívjuk kéregnek, amely általunk is ismert kőzetekből áll. Körülbelül 33 kilométerre a Föld felszínétől van egy éles váltás, amelyet először 1909-ben egy horvát geofizikus észlelt, Andrija Mohorovicic (1857-1936). Ezt úgy nevezzük, hogy Mohoravicic-megszakadás, rövidebben Moho-megszakadás. A földkéreg alatt van egy köpeny, ami szintén kőzetekből áll. Ez a köpenykőzet is sűrűbb, mint a kéregkőzet, részben azért, mert össze van préselve, részben pedig azért mert az önmagában is egy sűrűbb anyag. De ez a köpönyeg sem elég sűrű ahhoz, hogy kiadja a Föld egész sűrűségét, 2900 kilométeres mélységben a földrengési hullámok megint élesen irányt változtatnak, ezt először 1914-ben a német geológus, Beno Gutenberg (1889-1960) mutatta be. A Földnek ez a belső régiója, magja, már elég sűrű ahhoz, hogy kiadja a Föld teljes sűrűségét. A tudósok észrevették, hogy azon a P hullámok átjutnak, az S hullámok pedig nem. Ezáltal meg tudták határozni a mag összetételét. Az S hullámok olyan minőségűek, hogy a folyadékban nem tudnak terjedni, míg a P hullámok erre képesek. Ebből levonhatjuk azt a következtetést, hogy a Föld magvának nagy része folyékony. (A Föld kérge, köpenye és folyékony magja ugyanolyan viszonyban áll egymással, mint egy tojás héja, sárgája és fehérje része, bár ez egyszerűen egy érdekes egybeesés és semmi több.)
Már csak az maradt hátra, hogy meghatározzuk, miből van a mag. Az biztos, hogy olyan anyagnak kell lennie, amelyik sűrűbb és olvadási pontja alacsonyabb, mint a kőzeteké. A legvalószínűbbnek az tűnik, hogy különféle fémekből tevődik össze, tehát az a gyanúnk, hogy a Föld magja folyékony és fémes. De vajon melyik fémről van szó?
Valójában egy valószínű válasz már akkor született, mielőtt a földrengési adatok feltárták volna a Föld belső szerkezetének pontos adatait. Sokszor csapódnak be a Föld felszínére meteoritok (a könyv egy későbbi fejezetében ezekről még esik szó), amelyeknek nagy része kőzeti eredetű, 10%-uk pedig fémes eredetre utal. Ez majdnem mindig vas, kiegészítve a fém eredetű nikkellel. Az arány 9 az 1-hez.
A francia geológus, Gabriel August Daubrée (1814-1896) már 1886-ban úgy gondolta, hogy a Föld magja a vas és a nikkel keverékéből állhat. Ez az elképzelés akkor ésszerűtlennek tűnt, most azonban a tudósok többsége azt tartja, hogy a Föld magja valószínűleg 90%-ban vas és 10%-ban nikkel keverékéből áll. Bár vannak amellett is érvek, hogy oxigén vagy kén vagy mindkettő jelentős mennyiségben képviselteti magát a Föld magjában.

Mozognak-e a kontinensek?

Miután megemlítettük a földrengéseket, jogosan merül fel a kérdés, hogy azokat vajon mi okozza. Ahhoz, hogy erre választ adjunk, először azt a kérdést kell feltennünk, hogy vajon mozognak-e a kontinensek. Természetesen mozognak abban az értelemben, hogy a Föld tengelye körül forognak, mint a bolygó szilárd részei, de vajon egymáshoz viszonyítva is elmozdulnak-e?
Magától értetődőnek tűnik, hogy a válasz: nem. Végül is hogy tudnának mozogni? Bár már nagyon régen is volt egy olyan érzés, hogy a kontinensek vagy legalábbis bizonyos részeik mozognak, legalább annyiban, hogy emelkednek vagy süllyednek. I.e. 540-ben a görög filozófus, Xenophanész (i.e. 560-480) észrevette, hogy a tengeri kagylók magas hegyek kőzeteibe vannak beágyazódva. Ebből levonta a következtetést, hogy valamikor ezeknek a magasságoknak a víz alatt kellett lenniük. Úgy gondolta, hogy a kontinenseket alkotó kőzetek kevésbé sűrűek, mint amelyek a tenger fenekén találhatók. A kontinensek „lebegtek” a tengerfenék fölött, majd az óceán felszíne fölé emelkedtek. A hegyvidékes területek olyan kőzeteken nyugodtak, amelyek még kevésbé voltak sűrűek, ezért tudtak a Föld átlagos szintje fölé emelkedni. Dutton úgy nevezte ezt a jelenséget, hogy izosztázia. Ha belátjuk, hagy a kontinensek vagy azok bizonyos részei vízszintes irányban mozognak, ez még nem jelzi azt, hogy oldalirányban is mozogniuk kellene.
Bár a Föld térképe nagyon sokat elárul. Amikor felfedezték az amerikai kontinenst és feltérképezték az Atlanti-óceán partjait, akkor egy furcsa tény került felszínre, amelyre először 1620-ban az angol filozófus, Francis Bacon (1561-1626). figyelt fel. Ha egy pillantást vetünk Dél-Amerika keleti partjára, akkor észrevehetjük, hogy az pontosan illeszkedik Afrika nyugati partjához. Ha rápillantunk a térképre, lehetetlen, hagy ne feltételezzük azt, hogy Afrika és Dél-Amerika valamikor egy földrész voltak, amelyek később kettéhasadtak és eltávolodtak egymástól.
1912-ben a német geológus, Alfred Lothar Wegener (1880-1930) részletesebben foglalkozott ezzel a kérdéssel, és leszögezte, hogy a két kontinens elsodródott egymástól az óceán alatt lévő nehezebb kőzeteken csúszva. Valójában ő azt az elméletet fejtette ki, hogy valamikor az egész kontinens egy nagy darab földmassza volt, ezt ő úgy nevezte el, hogy Pangaea (a görög szóból, ami azt jelenti, hogy minden föld), és ez összetört kisebb földdarabokra. Ezt a jelenséget úgy hívjuk, hogy kontinentális sodródás. Bizonyos szempontból igaza volt, de az nem állja meg a helyét, hogy a kontinensek az óceán mélyén, lebegtek volna. Az alapot alkotó kőzetek túl merevek voltak ehhez, ezért az ötletet elvetették, azaz lehetetlennek tartották egészen 1960-ig.
Született azonban egy új elképzelés. Az 1850-es években kísérletek történtek arra, hogy az Atlanti-óceán fenekén egy kábelt fektessenek le, amely lehetővé teszi a távirati összeköttetést Észak-Amerika és Európa között. Egy amerikai oceanológus, Matthew Fantaine Maury (1806-1873) méréseket végzett az Atlanti-óceán mélységéről, hogy megtalálja a kábel legmegfelelőbb útvonalát. A mérések folyamán észrevette, hogy az Atlanti-óceán kevésbé mély a közepén, mint a két szélén. Azt gondolta, hogy volt egy hátság az óceán közepén, amelyet ő Távíró-hátságnak nevezett el.
Nagyon nehéz volt a tengerfenéken mélységet mérni. Le kellett ereszteni egy mérőkábelt, amelynek több kilométer hosszúnak kellett lennie, majd jelezni, mikor ért le az óceán fenekére, visszahúzni és végül megmérni a hosszúságát. Ez egy nagyon kimerítő és bizonytalan munka volt. Egy út alkalmával csak néhány ponton lehetett pontos méréseket végezni, tehát Maury munkája csak a kezdet volt.
1872-ben a Charles Wyville Thomson (1830-1882) által vezetett angol expedíció résztvevői 4 évet töltöttek a tengeren, 125 000 kilométert utaztak, és 372 mélytengeri mérést végeztek 6,4 kilométeres kábelekkel. A következő fél évszázadban ennél pontosabb méréseket senki nem végzett, de ez az expedíció sem adott tisztább képet az óceán fenekéről. Később az. I. világháború idején kifejlesztették a visszhangmérés technikáját. Ez a hangsebességen túli hanghullámokat használta, amelyek túl magasak voltak ahhoz, hogy az emberi fül érzékelni tudja őket. Ezek behatoltak az óceán mélyébe, majd néhány pillanaton belül visszaverődtek: Abból az időközből, ami a hullámok elnyelése és visszaverődésük fogadása között eltelt, az óceán mélységét meg lehetett becsülni. Egy német hajó alkalmazta először ezt a technikát 1922-ben, úgyhogy az emberiség megismerkedhetett az óceán fenekével.
Az óceán fenekének legnagyobb ismerője egy amerikai geológus volt, William Maurice Ewing (1906-1974), aki megszámlálhatatlan mérést végzett, és kimutatta az 1950-es évek elején, hogy a Távíró-hátság valójában nem hátság, hanem egy hosszú, egyenetlen hegyláncolat az Atlanti-óceán közepén, a legmagasabb csúcsai közül pedig néhány kiemelkedik a víz felszíne fölé, és szigeteket alkot. 1956-ban Ewing kimutatta, hogy ez a hegyláncolat Afrika körül húzódik, és benyúlik az Indiai-óceánba, de a Déli-sarkvidék környékén is megtalálható, ott pedig a Csendes-óceánig terjed. Ez egy az egész világot behálózó rendszer volt, amelyik az Óceánközepi hegygerinc nevet kapta. 1957-ben Ewing kimutatta, hogy volt egy mély vetődés, a Nagy Globális Törés, amely a hegygerinc közepe felé szalad le, és úgy néz ki, mintha a földkéreg sokszorosan összeillő lemezre lenne töredezve. Ezeket úgy nevezték el, hogy tektonikus lemezek, a görög ács szóból, mert a részek olyannyira illeszkedtek egymáshoz, mint egy remekbe szabott ácsmunka.
Egy másik amerikai geológus, Harry Hammond Hess (1906-1969) foglalkozott a tektonikus lemezekkel, és 1962-ben arra a következtetésre jutott, hogy a Föld mélyebb régióiból származó anyagok kiömlöttek a Nagy Globális Törésen keresztül az Atlanti-óceán közepén, és a két lemezt két irányban eltávolították egymástól. Az a lemez, amelyik Afrikát cipelte, keletre mozdult el, a Dél-Amerikát szállító pedig nyugati irányban, míg közöttük az óceán kiszélesedett. Ezt a folyamatot úgy nevezzük, hogy a tengerfenék kiterjedése. Ezt a koncepciót gyorsan elfogadták más geológusok is. Dél-Amerika és Afrika valójában eredetileg ugyanahhoz a földtömeghez tartozott és Wegener úgy gondolta, hogy a kontinensek nem lebegéssel vagy, sodródással távolodtak el egymástól, hanem egy nagy erő következményeképpen. Wegener levonta a helytálló következtetést, de abban a mechanizmusban tévedett, hogy mi okozza ezt a jelenséget. Az új mechanizmus már helytálló, most az egész geológiát a lemeztektonika alapján magyarázzák, ami a tektonikus lemezek lassú mozgásának tudománya.

Mi okozza a földrengéseket, vulkánkitöréseket?

Földrengések és vulkánok már nagyon régóta léteznek. Általában nagy rombolást végeztek, és mindig megrettentették az emberiséget azzal, hogy néhány pillanat alatt több ezer élőlény halálát okozták. A régi idők leghatalmasabb vulkánkitörése lerombolta az égei-tengeri Thera szigetét, Kréta szigetének északi részét, körülbelül i.e. 1500-ban. A sziget nem adta semmi jelét annak, hogy bármilyen potenciális vulkán lenne rajta: az ott élő emberek legalábbis nem tudtak semmiről, de a föld mélyében elég nyomás halmozódott fel, hogy feltörje a vulkán tetejét és az kitörjön. Ez a vulkánkitörés nemcsak a Therát rombolta le, ami az Atlantisz-legenda megszületésének is alapot adott, hanem Krétát is olyannyira tönkretette a porzuhatag és a szökőár, hogy az ott virágzó civilizáció nem tudott fennmaradni. Valójában az egész keleti földközi-tengeri kultúra káoszba süllyedt, és az Egyiptomi Birodalom is fokozatos hanyatlásnak indult.
Az olasz vulkán, amely Nápoly közelében volt, olyan sokáig nem hallatott magáról, hogy az emberek már meg is feledkeztek a veszélyről. Azonban 79-ben megint kitört, és felégette Pompeji és Herculaneun városokat. A nagy római író, Plinius (23-79), abba halt bele, hogy túl közel ment a veszélyhez. A kitörést akarta megfigyelni és leírni. Ez a vulkán körülbelül 4000 ember halálát okozta. A szicíliai Etna azonban, amely a legmagasabb és a legaktívabb Európa vulkánjai között, egy 1669-es kitörés alkalmával közel 20 000 embert ölt meg. 1873-ban Izlandon volt egy másik nagy kitörés. 1815-ben az indonéziai Tambora tört ki Sumbawa szigeten, 1883-ban pedig egy másik indonéziai vulkán követte a példáját. Mind a három eset rengeteg emberéletet követelt. 1902-ben a Mt. Pelée tört ki Martinique nyugat-indiai szigetén. A forró, vörös, mérgező gázok a hegyoldaton lehömpölyögtek Martinique előző fővárosára, Saint Pierre-re. Néhány perc alatt végzett a város 38 000 lakójával. (Egyetlen ember maradt életben egy föld alatti börtönben, egy elítélt gyilkos, aki a kivégzésre várt.)
A földrengések még több halált tudnak okozni. 1556. január 24-én földrengés rázta meg Kína Senszi tartományát, és néhány másodperc alatt 800 000 ember halálát okozta. 1703-ban Tokióban a földrengés 200 000 embert ölt meg, és 1737-ben Kalkuttában 300 000 ember esett ugyanennek áldozatul. A modern idők legnagyobb európai földrengésének Lisszabon volt a helye 1755. november 1-jén. Ezt a földrengést tűz és szökőár követte, lerombolta a portugál várost, és 60 000 embert ölt meg. 1812-ben a Mississippi folyó mentén volt egy óriási földrengés, közel a mai New Madrid városához, de mivel akkoriban csak kevés ember élt azon a környéken, itt nem volt halálos áldozat.
Mi okozza ezt a jelenséget? Az már bizonyos, hogy nem bosszúvágyó istenek, tűzszellemek vagy hasonlók. Arisztotelész úgy gondolta, hogy a föld alatt különböző helyeken bennrekedt a levegő, a földrengéseket pedig a bennrekedt és kiszabaduló levegő okozza. Amikor az emberek elkezdtek módszeresen gondolkodni a vulkánokról és a földrengésekről, akkor rájöttek arra, hogy azok a bolygónak csak bizonyos részein fordulnak elő. A Föld 500 működő vulkánjából közel 300 található egy nagy ívben a Csendes-óceán határai körül. Még nyolc található az indonéziai szigetek láncolata körül, és a Földközi-tenger vonalában is van néhány. A földrengések nagy része, ugyanúgy mint a vulkánoké, szintén ezekben a régiókban regisztrálható. Ez azt jelzi, hogy a vulkánok és a földrengések valahogyan kapcsolatban állnak egymással, lehet hogy mindkettőnek ugyanaz a magyarázata.
A lisszaboni földrengés a probléma tudományos kutatását ösztönözte, és mint ahogy azt korábban is említettem, rengeteg szeizmográfot állítottak fel. Később, 1906-ban egy földrengés romba döntötte San Francisco városát. Ekkor egy amerikai geológus, Harry Fielding Reid (1859-1944), aki azért jött, hogy megvizsgálja a helyzetet, észrevette, hogy-a város környékén a föld megcsúszott: Az egyik oldal, ami úgy nézett ki, mint egy repedés a földben, előrefelé mozdult el a másik oldallal szemben. Sokan azt gondolták, hogy a törést a földrengés okozta, de Reid nem osztotta a véleményüket. Úgy tűnt neki, hogy ez a vetődés mindig is ott volt. (Most úgy nevezzük ezt, hogy Szent András árok.) Idővel a felhalmozódott nyomás a vetődés két oldalát egymás ellen fordította. Rendesen a két oldalt a súrlódás tartotta egy helyben, de ahogy fokozódott a nyomás, az egyik oldal előrébb mozdult és a másiknak dörzsölődött egy rázkódássorozatban, amely rezgést váltott ki. Ez pedig elég nagy volt ahhoz, hogy megrázzon egy egész várost és életek ezreit oltsa ki.
Annak ellenére, hogy Reid jó nyomon járt, a földrengés okai nem váltak teljesen világossá addig, ameddig a tektonikus lemezeket fel nem fedezték. Akkor megértették, hogy a Föld mélyén rejlő erők eredményeképpen a lemezek nagyon lassan, de mindig mozognak, de a lemezek határainál az erők néha oldalirányú mozgást indukálnak, mint ahogy azt Reid a San Francisco-i földrengésnél is észrevette. A Szent András árok végül is az Észak-Amerika alatti és a csendes-óceáni lemez határán van.
Ráadásul a törésvonalak mentén világszerte vannak gyenge pontok, amelyeken keresztül forró kőzet szivároghat felfelé és idézhet elő vulkanikus kitöréseket, és amikor két lemez szembetalálkozik egymással, a peremeik összegyűrődnek és hegyvonulatokat hoznak létre. A Himalája hegység, a Föld legnagyobb felgyűrődött régiója akkor született, amikor az Indiát magán hordó lemez lassan beleütközött az Ázsia maradék-részét magán hordó lemezbe. Néha az egyik lemez a másik alá csúszik, lefelé átfúrja a tenger fenekét, és mély részeket hoz létre ott. Ezek akár a 11 kilométert is elérhetik.
Lehetetlennek bizonyult az, hogy teljesen megérthessük a földkéreggel kapcsolatos különféle jelenségeket, amíg a lemeztektonikát fel nem fedezték.

Mi a hő?

Most kellene megkérdeznünk, hogy melyek ezek a Föld mélyén lévő erők, amelyek vulkánokat és földrengéseket eredményeznek. De előtte még válaszolnunk kell arra a kérdésre, hogy mi a hő.
A hőt mindannyian tapasztaljuk és természetesnek tekintjük. Elsődlegesen a naptól jön, ezért van az, hogy hőséget érzünk a napfényben, az árnyékban pedig nem. Kisebb mértékben, de érezzük a tűz, az elektromos villanykörték, a radiátorok, egy kanna forró víz hőjét is. Néha nem is tudjuk azonosítani a hőforrásokat, de azt tudjuk, hogy hogyan zajlik le a folyamat: egyik testből a másikba áramlik át. Ha fázunk, akkor a tűz élé állunk, és átvesszük a hőt a tűztől. Hogyha túl sokáig állunk ott, akkor túl sok hőt veszünk fel, és egyre kényelmetlenebbül érezzük magunkat, úgyhogy arrébb megyünk. Ha egy kanna hideg vizet helyezünk egy gáztűzhely fölé, a hő a lángokból átáramlik a kannába, és a hideg víz olyan forró lesz, hogy végül elkezd forrni.
Még sok hasonló példát hozhatnánk, de már ennyi is elég ahhoz, hogy nyilvánvaló legyen számunkra, a hőség egyfajta finom folyadék, amely egyik tárgyból a másikba áramlik át, körülbelül úgy, ahogy a víz folyik. Egy bizonyos anyag adott körülmények között csak egy korlátozott mennyiségű folyékony hőt tartalmaz. Az is biztos, hogy ha egy kanna forró vizet hideg felületre helyezünk, és ott tartunk egy ideig, ez fokozatosan elveszti az összes hőjét, és végül teljesen kihűl.
1798-ban egy amerikai-angol fizikus, Benjamin Thompson, Lord Rumford (1735-1814) fémtömböket fúrt ki hosszú henger formába, hogy ágyúgolyókat gyárthasson. Észrevette, hogy a fúrószerkezet olyannyira felmelegítette a fémet, hogy azt folyamatosan le kellett hűteni hideg vízzel. Ezt úgy magyarázták, hogy ahogy a fémet súrolta a fúrószerkezet, a hő-folyadék kiszabadult és kifolyt.
Rumford észrevette, hogy a hőség addig képződött, amíg a fúrás tartott, és semmi jelét nem mutatta annak, hogy valahol felhasználódott volna. Elég hő ömlött ki ahhoz, hogy nagy mennyiségű vizet felforraljon, és ha az a sok hő mind visszaáramlott volna a fémbe, akkor az olyan forró lett volna, hogy végül megolvad. Magyarán több hő jött ki a fémből, mint amennyit az magában tudott tartani szilárd formában.
Rumford tovább kísérletezett, és olyan fúróeszközzel próbálta kifúrni a fémet, amelyik olyan tompa volt, hogy egyáltalán nem tudott behatolni a fémbe, így nem kellett kiengednie semennyi hő-folyadékot. Ez azonban nem így volt, mert valójában egy tompa fúróval sokkal nagyobb hőt lehetett előidézni, mint egy hegyessel. Ebből a kezdetleges kísérletből Rumford azt a konzekvenciát vonta le, hogy a hő nem egy folyadék, hanem egy mozgásforma. Azt feltételezte, hogy a fúróeszköz mozgása valahogy kapcsolatba lépett a fémmel, és a fém kis darabkái (amelyek olyan kicsik, hogy nem is láthatóak) felvették ezt a mozgást. Ez volt az, amit ő hőként észlelt.
Rumford rátalált a helyes nyomra. 1803-ban az angol kémikus, John Dalton (1766-1844) tovább fejlesztette azt a nézetet, mi szerint minden anyag kicsiny részecskékből áll, amelyek szabad szemmel nem is láthatóak. Ezeket ő úgy nevezte el, hogy atomok. Végül is azt állította, hogy minden anyag atomokból áll, amelyek molekuláknak nevezett csoportokban egyesülnek. Az 1860-as évek folyamán James Clerk Maxwell (1831-1879) és az osztrák fizikus, Ludwig Edward Boltzmann (1844-1906) egymástól függetlenül kimutatták, hogy a hőt atomok és molekulák szabálytalan mozgásaként értelmezhetjük legszemléletesebben – függetlenül attól, hogy a térben mozog, rezeg vagy forog. Ez a magyarázat a hő kinetikus elmélete,(a görög mozgás szóból származik).

Mi a hőmérséklet?

Bizonyos dolgok forróbbak, mint mások. Egy adott kanna víz lehet kézmeleg, lehet a forrás közelében, mindig könnyen megítélhetjük a különbséget, hogyha a kezünkkel megérintjük őket. Valójában meg sem kell érintenünk őket, hogyha csak a közelébe tesszük a kezünket, néhány centiméterre a két kannától, akkor is gyorsan megmondhatjuk, hogy melyik van a forrás közelében.
Miért forróbbak bizonyos dolgok, mint mások? Igaz, hogy a melegebb dolgok több hőt tartalmaznak, mint a hidegebbek? Ez az ötlet olyan meggyőzőnek tűnt, hogy senki sem tudott ellene érvelni.
1760-ban az angol kémikus Joseph Black (1728-1799) kimutatta, hogy a hő puszta mennyisége nem adott elegendő magyarázatot a „hőségre” vagy a hőmérsékletre, ahogy azt akkor nevezték. Képzeljünk magunk elé egy darab vasat és egy darab ólmot, amelyeknek ugyanakkora súlya és mindkettő egyformán meleg. Mindkettőt belehelyezzük két különálló kanna hideg vízbe. A fémek mindkét esetben elvesztik a hőjüket, ami átmegy a vízbe, tehát a fémek lehűlnek, a víz pedig felmelegszik addig, amíg a hő átadása be nem fejeződik. Az a víz, amelybe a forró vasat tettük, sokkal melegebb, mint az a víz, amelybe az ólmot helyeztük el. Mind a két fém egyformán forró volt, tehát egyforma volt a hőmérsékletük, de a vas jobban tartotta a hőt.
Ha egy darab forró vasat teszünk víz és jég keverékébe, akkor a vas a lehűlése közben felolvasztja a jég egy részét, a víz és a jég keverékének, (most több a víz, mint a jég) ugyanaz a hőmérséklete, mint korábban. Tehát lehetséges felmelegíteni egy anyagot anélkül, hogy annak növelnénk a hőmérsékletét. Helyette a hő más következményekhez vezet, például ahhoz, hogy feltöri a szilárd jég molekuláit és a folyékony víz egy sokkal lazább molekula szerkezetévé alakítja azt át.
Ahhoz, hogy ezt megértsük, össze kell hasonlítanunk a folyó hőt a folyó vízzel. Annak ellenére. hogy a hő nem egy olyan folyadék, mint a víz, vannak közöttük hasonlóságok, és a víz természete segít nekünk abban, hogy megértsük a hő természetét.
A hő mennyiségét össze tudjuk hasonlítani a víz mennyiségével, míg a hőmérsékletet a víz nyomásával hozhatjuk párhuzamba. Így ha vizet töltünk egy adott hosszúságú hengerbe, ez kifejt bizonyos nyomást a henger aljára. Egy adott vízmennyiség, amelyet egy széles hengerbe öntünk, nem emelkedik olyan magasra, mint hogyha ugyanazt a vízmennyiséget egy vékonyabb hengerbe öntenénk bele. A vékony hengerbe öntött víz tehát nagyobb nyomást fejt ki a henger aljára, mint a szélesebb hengerben lévő víz, annak ellenére, hogy a szélesebb hengerben lévő víz mennyisége ugyanakkora, mint a vékonyabb hengerben lévő. Ugyanígy több hőt igényel az, hogy megemeljük a vas hőmérsékletét egy bizonyos hőmérsékletig, mint az, hogy ugyanaddig a hőmérsékletig emeljük egy darab ólom hőmérsékletét. A vas tehát olyan, mint egy szélesebb henger, nagyobb tehát a hőképessége.
A hő nem feltétlenül áramlik nagy mennyiségű hőt tartalmazó tárgyakból kevesebb hőt tartalmazók felé, hanem inkább magasabb hőmérsékletű tárgyakból áramlik az alacsonyabb hőmérsékletű tárgyak felé, függetlenül a bennük lévő hő összmennyiségétől. Hasonlóképpen, ha van egy hengernyi vizünk egy dugóval lezárva a végén és ezt elhelyezzük egy fürdőkádnyi vízben, akkor a hengerben lévő víz szintje sokkal magasabb lesz, mint a kád vízszintje, még akkor is, ha a kádban sokkal több víz van, mint a hengerben. Ha kihúzzuk a henger dugóját, akkor a nyomás is kiegyenlítődik. A víz a hengerből belefolyik a kádba – a magasabb nyomásból az alacsonyabb nyomás felé. Nem a nagyobb vízforrás folyik a kisebbik felé, tehát nem a kádból folyik a víz a hengerbe.
Ugyanígy néhány csepp forró víznek nagyobb a hőmérséklete, mint a kézmeleg fürdőkádvíznek, bár a kézmeleg víz teljes hője sokkal nagyobb mennyiségű, mint a kis mennyiségű forró víz hőmérséklete. Hogyha egy fecskendőnyi forró vizet öntünk a kádba, a hő a felől a néhány csepp forró víz felől áramlik a kád kézmeleg vize felé, nem pedig fordítva. Mivel a hőmérséklet szabja meg a hő áramlásának irányát, a tudósokat sokkal jobban érdekli a hőmérséklet, mint a puszta hő mennyisége.

Hogyan mérjük a hőmérsékletet?

Könnyen meg tudjuk mondani, hogy egy anyag melegebb-e, mint egy másik, pusztán azzal, hogy megérintjük őket vagy pedig összehasonlítjuk őket, de az érzékelési képességünk, nem elég fejlett ahhoz, hogy azt is megmondjuk, mennyivel melegebb az egyik anyag, mint a másik. Valójában van egy ehhez nagyon hasonló tapasztalási módszer. Az egyik kezünket elég forró, a másikat pedig elég hideg vízbe mártjuk, és mindkettőt otthagyjuk egy rövid ideig. Utána mindkét kezünket kézmeleg vízbe tesszük. A meleg kezünk a kézmeleg vizet hidegnek fogja érezni, a hideg kezünk pedig melegnek.
Röviden, nem tudjuk jobban megítélni a hőmérsékletet tapintással, mint a hosszúságot szemmel. Szükségünk van mérőeszközre ahhoz, hogy megmérjük a távolságot és a hőmérsékletet. Szükségünk van valamilyen dologra, ami növekedéssel és csökkenéssel jelzi a változást a hőmérsékletben, és ezeket a változásokat jól használható egységekben jelzi. Galilei volt az első, aki szerkesztett egy ilyen eszközt. 1603-ban egy felforrósított levegővel telt csövet belefordított egy vízzel telt edénybe. Ahogy a levegő kihűlt, összehúzódott és beszívta a vizet a csőbe. Amikor a szoba melegebb lett, a levegő a csőben kiterjedt és a vízszint leesett, amikor pedig a szoba hűvösebb lett, akkor a csőben lévő levegő összehúzódott, a vízszint pedig megemelkedett. A vízszint mérésével meg lehetett ítélni, hogy milyen a szoba hőmérséklete.
Galilei szerkezete volt az első egyszerű termométer (a szó a görög hőt mérni szóból ered). Ugyanakkor ez volt az első tudományos eszköz, amely üvegből készült. Nem volt igazán jó termométer, mivel nyitott volt a levegő felé, a csőben lévő vízszintre hatással volt a levegő nyomása, és ez egy kicsit megzavarta az eredményeket. 1654-ben Toszkána nagyhercege, Il. Ferdinánd (1610-1670) feltalált egy olyan termométert, amelyre nem volt hatással a levegő nyomása. A folyadék el volt zárva egy jókora üveggömbben, amiből egy vékony cső állt ki, amelyikben nem volt levegő. A folyadékok szintén kiterjednek, ha a hőmérséklet emelkedik és összehúzódnak, ha a hőmérséklet esik. Nem terjednek ki és húzódnak össze olyan mértékben, ahogy ezt a levegő teszi, de még egy kis kiterjedés vagy összehúzódás is jelentős változást okoz a csőben lévő folyadék szintjében.
Erre a célra először folyadékként vizet vagy alkoholt használtak, de egyik sem volt kielégítő. A víz keményre fagyott, úgyhogy nem tudta a hőmérsékletet mérni a téli hideg napokban, az alkohol pedig túl gyorsan felforrt, úgyhogy például forró víz hőmérsékletét nem lehetett vele megmérni. Körülbelül 1695-ben egy francia fizikus, Guillaume Amontons (1663-1705) javasolta a higany használatát, ami ideális folyadék volt erre a célra. Szélsőséges körülmények mellett is folyékony halmazállapotú maradt, nem úgy, mint a víz vagy az alkohol, és pontosan olyan egyenletes szabályossággal terjedt ki vagy húzódott össze, ahogy a hőmérséklet változott.
Egy német-holland fizikus, Gabriel Daniel Fahrenheit (1686-1736) 1714-ben szerkesztett egy termométert, amelyben vékony higanyszál emelkedett fölfelé egy vékony csőben, egy vákuumos tartályból, ami egy higannyal telt üveggömb volt. Egy jelet tett a termométerre a higany szintjénél, amikor azt olvadó jégbe tette és egy másik jelet is tett, amikor pedig forrásban lévő vízbe tette. A közöttük lévő távolságot 180 egyforma részre osztotta, ezeket ma úgy hívjuk, hogy Fahrenheit-fokok. Az olvadó jég hőmérséklete 32 F°, a forrásban lévő vízé pedig 212 F°. Van némi vita azt illetően, hogy Fahrenheit miért éppen ezeket a számokat választotta.
Anders Celsius svéd csillagász (1701-1744) megszerkesztette a mai Celsius-skálát 1742-ben. A víz fagypontját 0 C°-ban jelölte meg, a forráspontját pedig 100 C°-ban. A Celsius-skála világosabb, mint a Fahrenheit-skála, a világon mindenhol ezt használják, kivéve az USA-t, ahol valamilyen furcsa okból kifolyólag ragaszkodnak a régebbi rendszerhez.

Mi az energia?

A hő csak az egyik formája annak, amit a tudósok úgy hívnak, hogy energia. Így bármilyen jelenséget hívhatunk, aminek megvan arra a képessége, hogy munkát végezzen. Maga a szó egy görög megfelelőjéből szármázik, amelynek az a jelentése, hogy munkát tartalmaz. Figyelnünk kell arra, hogy a munka fogalom használata a tudósok nyelvezetében eltérő, és nem felel meg annak, mint ahogy azt mi a hétköznapi életben használjuk. A tudósok számára a munka azt jelenti, hogy egy távolságból erőt fejtünk ki az ellenállással szemben.
Ha felemelünk egy nagy tömegű tárgyat egyenesen egy méter magasságba a gravitáció vonzásának ellenállásával szemben, akkor tudományos értelemben a tömeggel végzünk munkát. Ha mozdulatlanul megtartjuk egy méter magasságban, akkor többet nem végzünk munkát. Azt hihetnénk, hogy igenis végzünk, mert egyre fáradtabbak leszünk, de valójában ez csak azért van, mert az izmaink megfeszülnek, hogy megtarthassuk azt a tárgyat. A tömeggel tehát nem végzünk munkát. Ha ezt a tömeget egy egy méter magasságban lévő párkányra akarnánk tenni, a párkány megtartaná ezt a tömeget meghatározhatatlan ideig, anélkül hogy elfáradna és munkát sem végezne. Akkor sem végzünk munkát, amikor azon gondolkozunk, hogy hogyan rendezzük el a szavakat egy könyvnek a szerkezetében, pedig utána elfáradunk.
A hő is csak tudományos értelemben végez munkát. Megemeli a higanyszintet a gravitáció ellenében. Az izmaink megemelik a tömeget. A mágnes megemel egy vasszöget. Az elektromosság, a fény, a hang és a vegyszerek is végezhetnek munkát a megfelelő körülmények között. Ugyanígy bármilyen tárgy megteheti ezt, amelyik már mozgásban van és van kinetikus energiája (a görög mozgás energiája szóból). Vagy egy bizonyos magasságba felhelyezett tárgy, amely képes arra, hogy leessen és ilyen módon munkát végezzen. (Azt mondjuk, hogy a magasban lévő tárgynak potenciális energiája van.)
Ezek az energiafajták mind függetlenek egymástól, vagy kapcsolatban állnak egymással? Az elektromos áramnak lehet mágneses hatása és a mágnesesség is létrehozhat elektromos áramot. Az elektromos áram hangot hozhat létre a csengőben és hőt egy elektromos izzóban. A fény létrehozhat elektromosságot, a hang pedig eredményezhet mozgást. Valójában az energiának minden formája átalakítható az energia egy másik formájába, és egyetlen jelenséggel megmagyarázható az energia összes formája.
Amikor az energia egyik formája átalakul egy másik formába, akkor elvész-e valami a folyamat során? Vagy akkor elvész-e belőle valamennyi, ha ugyanabban a formában marad? Korábban ezekre a kérdésekre egy erőteljes igen lett volna a válasz.
Az az energiafajta, amely a legismertebb volt és a legtöbbet foglalkoztak vele, az a mozgás kinetikus energiája volt. Az hogy egy súlyos ágyúgolyó olyan gyorsan mozog, hogy képes ledönteni, áttörni egy várfalat, az egy kifejező példája az energiának. De ha egy ágyúgolyó csak a földön mozogna, akkor mozgása nem tartana örökké. Folyamatosan lelassulna, végül megállna, az ágyúgolyó energiatartalma lecsökkenne. Mi történhetett vele? Már amennyire erre válaszolni lehet, az energia eltűnt.
Hosszú időbe telt, amíg a tudósok rájöttek, hogy akárhányszor az energia eltűnni látszik, akkor az valójában csak hővé alakul át. A guruló ágyúgolyó energiája a gurulás közben hővé alakul át, és a hő szétterjedt egy ilyen hosszú útszakaszon, ezért nem figyelhetjük meg. Ha figyelembe vesszük az ilyen hőt, energiaveszteséggel jár-e az a folyamat, amikor az egyik energiaforma átalakul a másikba?
Először ezzel a problémával az angol fizikus, Janics Prescott Joule (1818-1889) foglalkozott. Az 1840-es évek folyamán megszámlálhatatlan tesztet végzett el, amelyekben az energia egyik formáját a másikba alakította át. Megmérte az eredeti energiatartalmat és a létrejött energiát, beleértve a hőt is, és azt a következtetést vonta le, hogy ezekben a folyamatokban sem plusz energia nem jön létre, sem pedig energia nem vész el. 1847-ben leírta a kísérleteit és a következtetéseit, de mivel tudósnak amatőr volt, nem vették őt komolyan. (Foglalkozását tekintve sörfőző volt.)
Ugyanabban az évben Hermann L. F. Helmholtz német fizikus (1821-1894) szintén ugyanerre a következtetésre jutott. Mivel professzor volt és az elmélet vizsgálatát figyelemre méltó gondossággal végezte, felfigyeltek rá. Ezért általában őt tekintik az elsőnek, aki kifejtette az energiamegmaradás törvényét. Ez annyit jelent, hogy energia nem keletkezik és nem is vész el, csak megváltoztatja a formáját. Másképpen úgy is megfogalmazhatjuk, hogy „az univerzum egész energiatartalma állandó”. Néhányan úgy tekintik ezt a koncepciót, mint az összes természeti törvény közül a legalapvetőbbet.
Mivel az energia tanulmányozása általában a hő áramlására korlátozódik, ezért a munka és az energia kicserélésének tudományát termodinamikának nevezzük. (A görög szóból, ami azt jelenti, hogy a hő mozgása.) Az energiamegmaradás törvényét gyakran nevezzük a termodinamika első tételének.
Ennek a törvénynek a jelentősége (ez minden más törvényre is vonatkozik) abban rejlik, hogy határokat állít fel arra vonatkozólag, hogy mi az ami lehetséges. Nem számít, hogy milyen jelenséget figyelünk meg, azt a kérdést kell feltennünk: honnan jön az energia és hová megy? Ha erre a kérdésre nem tudunk válaszolni, akkor valami probléma van: vagy a feltételezésünk nem igazolt, vagy a megfigyelésünk téves, vagy pedig hiányoznak még információk.
Másrészről, az energiamegmaradás törvénye és más hasonló nagy általánosítások, nem bizonyíthatóak. Csak annyit mondhatunk, hogy a tudósok még nem találtak kivételeket. Hirtelen és váratlanul előbukkanhatnak kivételek, és ezek olyankor arra kényszerítenek bennünket, hogy újragondoljuk a törvényeinket, vagy megváltoztassuk, helyettesítsük, vagy kiszélesítsük azokat. Az energiamegmaradás törvénye azonban már másfél százada szilárdan tartja magát.
Bár a tudománynak még a legmegrendíthetetlenebbnek tűnő törvényeit is felül kell vizsgálnia. Egészen 1900-ig. a nukleáris energia státusát nem ismerték el, az energiamegmaradás minden tényezője pedig befejezetlen volt enélkül. Szintúgy azt az elképzelést, amely szerint maga a tömeg-is egy nagyon koncentrált formájú energia, nem értették, amíg az energiamegmarádásról szóló tudásunk nem vált teljessé. A fizikusok nem éreztek semmilyen hiányt, mert a nukleáris energia és a tömeg ekvivalenciájának az energiája nem játszottak fontos szerepet az 1800-as évek tudományos kutatásaiban. Meg kell értenünk, hogy még ma is lehetnek az univerzumnak olyan kritikus aspektusai, amelyekről nem tudunk semmit, de ha egyszer tudomást szerzünk róluk, akkor majd revízió alá kell vennünk az elképzeléseinket. Nincs a tudományban olyan dolog, amin ne lehetne javítani vagy módosítani, Még az energiamegmaradás törvénye – amely a tudomány egy izgalmas jellegzetessége – sem olyan, amit a jövőben ne lehetne felülbírálni.

Lehetséges, hogy egyszer csak kifogyunk az energiából?

Az energiamegmaradás törvénye tisztázza, hogy az energiát miért nem lehet elpazarolni. Ez úgy hangzik, mintha mindig a rendelkezésünkre állna elegendő energia, hogy olyan munkát végezzünk, amilyet akarunk. Végül is, hogy ha az energia használatával nem fogyasztjuk azt el, hanem csak megváltoztatjuk a formáját, akkor azt felhasználhatjuk az új formájában is (legalábbis ezt feltételezzük), bármilyen formában legyen is, meg tudjuk változtatni a formáját, és ez így megy tovább az idők végeztéig.
Ez azonban sajnos nem így működik. A tudósoknak az a tapasztalata, hogy minden alkalommal, amikor egy munkavégzéshez energia szükséges, az energiának csak egy része használható fel. A maradék átalakul hővé. Használhatjuk a hőt is a munka elvégzéséhez, de csak akkor ha az egyenlőtlenül van elosztva, ha van olyan régió, amelyik meleg és van olyan, amelyik hideg. Amikor ezt a különbséget használjuk fel a munkához, az adott energiának szintén csak egy részét tudjuk felhasználni. A maradék hő formájában elvész, de akkor már egyenletesebben oszlik el, mint korábban. Amikor egy hőmennyiség teljesen egyenletesen oszlik el, akkor több munkát nem végezhetünk vele. Az eredmény szerint bármikor használunk energiát a munkavégzéshez, végül egy olyan energiához jutunk, amely már erre a célra nem használható fel. Az energia, mint egész, nem semmisíthető meg, de a szabad energia – az energiának az a része, amely felhasználható munkavégzésre – fokozatosan csökken.
Ezt könnyebben felfoghatjuk, ha figyelembe vesszük, hogy az energia csak akkor használható fel munkavégzésre, amikor egyenetlenül oszlik el, és nem csak hő formában létezik. Mindig amikor munkát végzünk, hozzájárulunk az energia egyenletesebb eloszlásához. Az energia egyenlő eloszlásának mértékét (ezt úgy is meghatározhatjuk, hogy a rendszer rendetlensége, mert minél egyenletesebben oszlik el az energia, annál rendetlenebb a rendszer) úgy nevezzük, hogy entrópia. Minél magasabb az entrópia, annál kevesebb munkát tudunk végezni adott energiából. Ha ezt figyelembe vesszük, akkor úgy tekinthetünk az univerzumra, mint ami lassan, de kérlelhetetlenül halad a kimerülés útján.
Minden, amit teszünk, növeli az univerzum entrópiáját. Valójában minden, ami az univerzumban történik – még ha az emberi lényeknek semmi közük sincs hozzá –, növeli az entrópiát. Az entrópiának ezt az állandó és elkerülhetetlen növekedését nevezzük a termodinamika második törvényének.
Az első tudós, aki utalt ennek a törvénynek a létezésére, Nicholas L. S. Carnot francia fizikus (1796-1832) volt. Ő 1824-ben nyilvánosságra hozott egy kis könyvet arról a kutatásáról, hogy a gőzgépek hogyan tudják a hő egyenetlen eloszlását munkává alakítani. 1850 elején behatóbban foglalkozott ezzel a témával a német fizikus, Rudolf J. E, Clausius (1822-1888), aki először jósolta azt meg, hogy az univerzum ki fog merülni.
De hogy lehet, hogy a szabad energia állandó csökkenése és az entrópia állandó növekedése mellett az univerzum már évmilliók óta létezik és még nem merült ki? Erre az a válasz, hogy az energiatartalék, amellyel a világegyetem kezdődött, olyan nagy, hogy még évmilliók múlva sem fogy ki. Lehet, hogy a világegyetem kimerülőben van, de még sok millió év van hátra. Úgyhogy ezen most még nem kell törnünk a fejünket. Annak ellenére, hogy ma már sokkal többet tudunk a világegyetem végéről, mint Clausius másfél évszázaddal korábban, de még mindig nem tudunk annyit, mint amennyit szeretnénk. Nem vagyunk annyira bizonyosak a világegyetem végső pusztulásában, mint Clausius és a követői voltak annak idején.

Mekkora a Föld belső hőmérséklete?

Most már visszatérhetünk a Földhöz, és további kérdéseket tehetünk fel, hogy milyen a Föld hőmérséklete mélyen a felszín alatt?
Mindig is voltak olyanok, akik hajlamosak voltak azt gondolni, hogy a Föld belseje forró a felszíne alatt. Végül is itt-ott vannak meleg források a Földön, és a vulkánkitörések is ezt bizonyítanák. Valószínűleg a vulkánok miatt gondolták a korai emberek azt, hogy a Föld belsejében van a pokol, a soha véget nem érő tűz területe, ahol a kegyvesztett emberek lelkeit gyötrik örökkön örökké a bosszúszomjas és megbocsátani nem tudó istenségek.
Arra nincs bizonyítékunk, hogy pokol létezne a Föld mélyében, de azt már tudjuk bizonyítani, hogy a Föld belseje egy olyan terület, ahol nagy, örökké tartó forróság van. Amikor az emberek elkezdtek mélyen leásni a Föld belsejébe, hogy aranyat vagy gyémántot találjanak, hamar nyilvánvalóvá vált, hogy minél lejjebb mennek, annál magasabb a hőmérséklet. A mélyebb bányákban már elviselhetetlen a hőség, még a légkondicionálás mellett is.
Ha a mélységgel emelkedő hőmérséklet alapján ítélünk, akkor ésszerű azt feltételezni, hogy a Föld közepében 5000 C° lehet a hőmérséklet. Mivel már tudunk az energiamegmaradás törvényéről, fel kell tennünk azt a kérdést is: honnan származik az az energia, amelyik a hőt termeli? Válaszolni fogunk erre a kérdésre, amikor arról lesz szó, hogyan keletkezett a Föld.

Miért nem hűl ki a Föld?

Ha elhalasztjuk is annak megválaszolását, hogy honnan származik a Föld belső hője, azt már megkérdezhetjük, hogy miért tartja meg ezt a hőt. Végül is 4,6 milliárd éve tartogatja, miért nem hűlt ki vajon ennyi idő alatt.
A termodinamika törvényei szerint a hőnek mindig a magasabb hőmérsékletű helyről kell az alacsonyabb hőmérsékletű helyre áramlania. Tehát a Föld forró centrumából a felszín felé, onnan pedig az űrbe.
Fontos megjegyezni, hogy a Föld a hőt a Naptól kapja, és ezzel kiegyensúlyozza a Föld felszíni hőjének hiányát. A Föld hőmérséklete azonban még a Nap kiegészítő hőjével együtt sem több, mint átlagban 14 C°. Mi ez az 5000 C°-hoz hasonlítva? A hőnek kifelé kellene áramlania a nagyon forró centrumból, amíg az egész bolygó ugyanolyan hőmérsékletű nem lesz, mint a felszín. Bár a Föld kőzetes felszíne jó szigetelőanyag – ez azt jelenti, hogy a hőség csak lassan áramlik rajta keresztül, ami nagyjából visszatartja a belső hő kihűlésének folyamatát –, egyáltalán nem csökkenti az áramlást. Az világos, hogy 4,6 milliárd év alatt a Földnek lett volna elég ideje ahhoz, hogy kihűljön, de még mindig forró maradt. Vajon miért?
Lehet, hogy a termodinamika szabályai nem helytállóak, csak a tudósok nem akarják ezt beismerni. Először is azt akarják hinni, hogy a Földnek van egy rendelkezésre álló energiaforrása, amelyet még nem vettek számításba. Ez igaznak bizonyult.
Miután feltalálták a radioaktivitást, a francia kémikus, Pierre Curie (1859-1906), Madame Curie férje, észrevette, hogy a radioaktív atomok lebomlásakor mindig energia szabadul fel. 1901-ben ő volt az első, aki megmérte ezt az energiát. Röviden arra az eredményre jutott, hogy amikor egy radioaktív anyag atomja bomlik le, akkor sokkal több energia szabadul fel, mint egy gazolinmolekula vagy egy TNT molekula felrobbanásakor. Így felfedezte az új, nagy hatású energia formát, a nukleáris energiát, amelynek létét a tudósok soha nem is gyanították.
A radioaktív anyagok ezt az energiát olyan lassan adják le, hogy az események normális folyása mellett ezt észre sem vennénk, azonban ezt nagyon hosszú időn keresztül folytatják. 4,6 milliárd éve, amióta a Föld létezik, az eredeti urániumtartalmának csak a felét, az eredeti tóriumtartalmának pedig csak az egyötödét használta fel. Ebben a folyamatban a Föld kőzetrétegeiben található uránium és tórium hőt termeltek, amely hozzájárult a Föld hőellátásához és nem engedte, hogy az kihűljön. Sőt, ellenkezőleg, a Föld ez alatt az idő alatt egy kicsit felmelegedett. Ez pedig egy olyan hatás, ami még milliárd évekig fog folytatódni, bár mindig kisebb mértékben.

Igaz, hogy az égbolt a Földdel együtt fordul?

Itt az idő, hogy az univerzum más részei felé forduljunk, amelyeknek a segítségével még néhány kérdést feltehetünk a Földről.
Régen a Föld képviselte az emberek számára az egész univerzumot, amibe csak a mennyország, a pokol és természetfeletti hatalmak tartoztak. Ezek létére azonban nincs tudományos alapú bizonyíték. Ami a Földön kívül létezett, az csak az ég volt, nappal kék, amikor a nap megvilágította, és éjszaka fekete, amikor csak a hold és a rengeteg csillag szolgált fényforrásul. (A Hold néha a nappali égbolton is előfordul, és homályosan látszik a napfény ellenére is.)
Az ég szilárd boltozatnak látszik, ami lezárja a Földet. Az emberek ezt így is gondolták. Azok számára, akik azt hitték, hogy Föld lapos, az ég egy lelapított félgömb alakú fedőnek tűnt, ami a világ végein mindenhol lejött a horizontra. Akik pedig azt hitték, hogy a Föld gömb, azok számára az ég egy nagyobb gömbnek tűnt, ami körülöleli a Földet. Bár még ők is egy vékony, kemény boltozatnak hitték. Abból a bibliai fogalomból, hogy firmament, a firm előtag mutatja, hogy az égboltot szilárdnak hitték. Ez annak a héber szónak a fordítása, ami azt jelenti, hogy vékony fémes lepel.
Ha az ég szilárd anyag lenne, fémes vagy más, akkor egy darabban kellene forognia. Mindennek, ami rajta van, összhangban kellene mozdulnia. Vajon így van-e ez?
Manapság az emberek már nem nagyon néznek az égre, mert a nagyvárosok, amelyekben a többségünk él, olyan fényesen meg vannak világítva éjjelenként, hogy az ég nevezetességei elvesznek bennük. A régi időkben a világ igazán sötét volt éjjel, és amikor az éjszakai égbolt tiszta volt – különösen, ha a hold sem volt az égen –, akkor a ragyogó csillagok igazi látványosságok voltak. A tengerészek azért nézték az eget, mert a csillagok állása alapján el tudták irányítani a hajóikat. Az asztrológusok azért nézték, mert úgy gondolták, hogy az ég bizonyos részletei felvilágosítást adhatnak nekik az egyének vagy a nemzetek jövőjéről. Mások pedig egyszerűen a szépségük miatt bámulták. Azok, akik olyan helyekről nézték az eget, mint Görögország, Babilónia vagy Egyiptom, azok észrevehették, hogy a csillagok az Északi sarkcsillag körül kígyóznak. Azok a csillagok, amelyek közel voltak az Északi sarkcsillaghoz, kis köröket alkottak, és minden éjszaka végig ott is maradtak. Azok a csillagok, amelyek ettől távolabbra estek, elmerültek a horizont alatt, ahogy körbe jártak, majd újra előkerültek. Ebben az volt a fontos, hogy úgy látszott, mintha mindannyian együtt mozogtak volna. Mintákat alkottak, és a nagyobb képzelőerejű emberek állatokat és konfigurációkat láttak beléjük (ezek a konstellációk). Az emberek megfigyelték, hogy ezek éjszakáról éjszakára ugyanolyanok maradtak. Olyan volt, mintha a szilárd égboltra csillogó flitterek lettek volna felragasztva, tehát mindannyian együtt fordultak és megmaradtak a helyükön, ahogy az a valóságban is történt.
Ezért úgy utaltak rájuk, mint állócsillagokra. Az éjszaka folyamán közel hatezer látható közülük szabad szemmel. Néhány közülük nagyon fényes, de többségük meglehetősen homályos. De miért nevezték őket állócsillagoknak, hiszen sok csillag érzékelhetően elmozdul.
Az egyik ezek közül a Hold, amely az éjszakai égbolt legszembetűnőbb égiteste, úgyhogy már az őskori emberek is biztos nagy figyelemmel tanulmányozták. A Hold keleten kel fel és nyugaton nyugszik le, mint ahogy a csillagok is, de a Hold elmarad mögöttük. Lehetetlen nem észrevenni, hogy a csillagokhoz viszonyítva változtatja a helyretét az égbolton. Állandóan nyugatról keletre vándorol, egy teljes nyugat-kelet irányú kört ír le, minden 29 és fél napban.
A Nap ugyanezt teszi, de lassabban. Természetesen nem látható a Nap helyzete a csillagok között, amikor az világít, mivel az ég kék, a csillagok pedig nem láthatóak. De amikor a Nap lenyugszik és a csillagok feljönnek – mi pedig éjszakáról éjszakára figyelemmel kísérjük a helyzetét –, akkor észrevehetjük, hogy az összes konstelláció egy picit nyugati irányba mozdul el minden egymást követő napnyugtával. A legkönnyebben úgy magyarázhatjuk ezt el, hogyha azt mondjuk, hogy a Nap, ugyanúgy mint a Hold, nyugatról keletre vándorol a csillagokkal szemben, 365 és fél nap alatt egy teljes kört ír le az égbolton.
A Nap és a Hold különös égitestek, nem úgy néznek ki, mint az égbolt más objektumai, inkább olyanok, mint a fénylő korongok és nem mint fénylő pontok. Öt olyan objektum van, amelyek úgy néznek ki, mint a csillagok (bár szokatlanul fényesek). Ezek váltogatják a pozíciójukat a többi csillag között. Ezeket az objektumokat már i.e. 3000 környékén tanulmányozták a sumérok, és olyan szokatlannak találták őket, hogy istenek neveit adományozták nekik. Ez a szokás fennmaradt, és először a görögök, majd a rómaiak is átvették ezt. Ma a római istenek neveit használjuk, amikor ezekre a csillagszerű objektumokra utalunk, mint a Merkúr, Vénusz, Mars, Jupiter és a Szaturnusz. Ez az öt objektum, plusz a Nap és a Hold a vándorló csillagok, úgy hívjuk őket, hogy bolygók, planéták, a görög vándorolni szóból. (Manapság a Napot és a Holdat nem nevezzük bolygóknak, ennek az okát később magyarázom meg.)
Ez a hét bolygó mindig is nagyon érdekelte az embereket, mert a képzetlenebbek ezek vándorlására úgy tekintettek, mint egyfajta kódra, ami az isteni üzeneteket reprezentálja a jövőről (ezt kihasználták azok a kapzsi asztrológusok, akik értéktelen üzeneteket dolgoztak ki pénzért). A hétnapos hetet a babiloniak találták ki, hogy ezzel is a hét bolygóra emlékeztessenek, és a mai napig is sok európai nyelvben a hét napjai az egyes bolygók nevét kapták. Az angolban a Sunday, Monday és Saturday ilyenek (Nap, Hold, ill. Szaturnusz). A maradék négy napot skandináv istenekről nevezték el. A franciában a maradék négy nap a mardi (Mars), mercredi (Merkúr), jeudi (Jupiter) és vendredi (Vénusz).
Az ősi héberek átvették a babilóniai hetet, és megpróbálták vallásos jellegzetességeikkel felruházni őket a Teremtés első két könyvében, de a nevek még mindig jelzik a pogány eredetet.
Mivel a hét bolygó szabadon vándorol az égen, és nincs rögzítve az ég szilárd boltozatához, a régi görögök azzal érveltek, hogy akkor mind a hét bolygó a saját égboltjához van rögzítve, amelyek az ég (a csillagok külső égboltja) és a Föld között fordulnak meg. Mivel azok a belső égboltok nem voltak láthatóak, azt hitték, hogy azok teljesen átlátszóak, ezért kristályos szférának nevezték el őket a görög átlátszó szóból. Tehát a felelet arra a kérdésre, hogy az égbolt a Földdel együtt fordul-e, a régiek szerint néhány kivétellel, igen volt. Azonban ez helytelen válasz, mint ahogy ezt látni fogjuk.