EGY KIS SZÜNET

Tizenöt évig tartott, amíg az ember az atommag jelentkezésétől — a radioaktív jelenségektől — eljutott ennek az atommagnak a tényleges felfedezéséig. További nyolc esztendő telt el, amíg a radioaktív bomlás természetes magátalakulása mellett feltűnt az első mesterséges magátalakítás. Azt gondolhatnánk, hogy most a kutatás új, hatalmas területei felé megnyílt az út, a végtelen változatosságú elem-átalakítások soha nem sejtett lehetőségei tárulnak fel, és olyan viharos fejlődés következik, amire még nem volt példa.

De ez a sejtésünk csal. Igaz, van egy rövid, reményekkel teli nekilendülés. A nitrogénmag alfa-részecskék belövésével való átalakításának módszerét számos más elemre is alkalmazzák. A tudomány úttörőinek rohama azonban csakhamar elakad. Nem lehet tovább jutni. A kutatók rendelkezésére álló egyetlen fegyver, az alfa-részecske felmondja a szolgálatot. Az elemek nagy része, különösképpen pedig valamennyi súlyos atommag ellenáll minden ostromnak. De a kísérletek során még az a néhány elem is csalódást okoz, amelynek a magját sikerült átalakítani, minthogy a radioaktív preparátumból kisugárzó alfa-részecskék csekély száma miatt az átalakult anyagmennyiség is reménytelenül kicsi. Olyan kicsi, hogy a kísérleteket tulajdonképpen csak egyes atomokkal lehet végrehajtani, az átalakulás termékeinek kémiai módszerekkel való vizsgálatára pedig még csak gondolni sem lehet.

A fejlődés olyan zsákutcába jutott, ahonnan nem látnak kivezető utat a kutatók. Szükség volna sokkal nagyobb energiával rendelkező lövedékekre, mint a tórium-C’ 9 millió elektronvoltos alfa-részecskéi, és ezenfelül sakkal több lövedékre is. Mindkét követelmény megvalósíthatatlannak látszik. A természet nem szolgáltat nagyobb energiájú részecskéket, másrészt nem ad többet ezekből a részecskékből. A kozmikus sugárzás sokkal nagyobb energiájú, de részecskéi még kisebb számban állnak rendelkezésre, és csak jóval később tudják a magok átalakulásának vizsgálatára felhasználni. Igaz, hogy az elektromos kisülési csövekben mesterségesen fel lehet gyorsítani nagyobb energiára ionokat (pl. protonokat, héliummagokat és még másokat is), és ezekből sokkal többet lehet előteremteni, mint amennyi alfa-részecskét a radioaktív preparátumok szolgáltatnak. De végeredményben nem lehet olyan nagy energiához jutni, amekkorával a természetes alfa-részecskék rendelkeznek. A legnagyobb elektromos feszültség, amit a nagyfeszültségű szigetelők üzemi próbáinál alkalmaznak, néhány millió volt. És mindeddig senki sem merészelt akár csak egymillió voltnyi feszültségre megépíteni egy elektromos kisülési csövet.

Ha későbbi időkből, mondjuk az 1931—1934-es évekből és a magfizika ezekre az évekre következő, példa nélkül álló fellendülésének időszakából tekintünk vissza az előző évtizednek fojtott reményeire és csalódásba torkolló várakozásaira, úgy tűnik, mintha az atomfizikai kutatásnak lélegzetvételre lett volna szüksége, hogy összegyűjtse minden erejét a következő hatalmas lendületre. Ez a szünet termékeny szünet volt. Mert — bár alig mutatkozott valami biztató jel — a szünet hamarosan véget ért, és olyan eredmények követték, amelyek a legmerészebb várakozást is felülmúlták.

Egyébként is csak a szigorú értelemben vett magfizikában következett be szünet. A fizika egyéb területén azonban nagy előrehaladás történik ezekben az időkben. Ezek ugyan bennünket pillanatnyilag csak mellékesen érintenek, később azonban a fizika — éspedig éppen az atomfizika — alapjait olyan jelentősen átformálják, hogy hatásuk utóbb már az atommagra is kiterjed. A húszas évek derekán újra visszatér az elméleti fizikusok időszaka. Büszkén leng lobogójuk: az absztrakt matematikai megfogalmazás.

Érdekes ember a matematikus. Fejét gyakran a felhők közé rejti, és alig veszi észre a mindennapi élet valóságát. A tudomány birodalmában azonban az övé a legélesebb penge, és ez a logika.

Nincs a matematikán kívül még egy tudomány, amely kizárólag tiszta, logikus összefüggésekből lenne felépítve. Ezért David Hilbert, a hírneves göttingeni matematikus nem minden ok nélkül kezdhette előadásait ezekkel a szavakkal: „Hölgyeim és Uraim! A matematika egészen egyszerű dolog.” Ennek ellenére némely diák számára ez volt az egyetlen mondat, amit megértett az előadásból.

Sok matematikus számára saját tudományának más területen — a természettudományokban, a technikában, a mindennapi életben való alkalmazása szörnyűséget, a tiszta gondolati forma megszentségtelenítését jelenti. Ennek ellenére az idők folyamán éppen ez az alkalmazás biztosított olyan jelentőséget a matematika számára, amilyenhez egyébként sohasem jutott volna. És az a tudomány, amely legtöbbet nyer a matematikán, amely nem egy részterületen szinte teljesen összeolvadt vele, éppen a fizika. A matematikának és fizikának ebből a részleges összeolvadásából jött létre a kutatók egyik figyelemre méltó fajtája: az elméleti fizikus.

Valamely fizikai jelenség lefolyását egy-egy speciális esetben, ismert képletek alapján egy számoló segédmunkatárs is ki tudja számítani: Nem ez a feladata az elméleti fizikusnak. Valamely képlet általánosabb felhasználása, alkalmazása olyan területen, ahol erre még nem gondoltak - még mindig kisebb jelentőségű tevékenységei közé tartozik. Az elméleti fizikus akkor teljesíti igazán hivatását, amikor új, tapasztalati úton felfedezett összefüggésekhez jó érzékkel megtalálja a hozzájuk illeszkedő matematikai formalizmust, azt a megfogalmazást, amelynek segítségével a kísérleti tények értelmezésén túlmenően lehetővé válik az, hogy még végre nem hajtott kísérletek eredményét is előre lássák.

A fizikai folyamatokat leíró matematikai képletek hosszú időn át mechanikai képekre támaszkodtak, amelyek plasztikusan és szemléletesen „értelmezték” magát a folyamatot. Csak a mi XX. századunkban jutottak el arra a felismerésre, hogy ezek a képek a legjobb esetben is csak egyoldalúan és hiányosan ábrázolják a valóságot, különösképpen az atomok és molekulák világában. Lehet azonban találni absztrakt matematikai formákat, amelyek sokkal jobb leírását adják a tényleges viszonyoknak, bár ugyanakkor nélkülözik a szemléletesség előnyeit.

Csak az elméleti és kísérleti fizikusok kölcsönösen termékenyítő hatású munkája vezethetett el századunk fizikájának, különösképpen az atomfizikának példa nélkül álló fellendüléséhez. Mindenesetre a fizika ezáltal nem lett egyszerűbb, és így az előbb említett David Hilbert jogosan mondhatta: „A fizika a fizikusok számára valójában túlságosan nehéz.”

*

Sommerfeld professzor müncheni intézetében az Amalien-strassen jelentkezik egy napon — ez 1921 tavaszán lehetett — egy kerek fejű, megnyerő tekintetű és hatalmas üstökű fiatalember. Az egyik müncheni gimnázium érettségizője, és elméleti fizikát szeretne tanulni. „Talán fizikára gondol” — mondja Sommerfeld — „specializálódásra a későbbi szemeszterekben kerül majd sor”. A fiatalember azzal válaszol, hogy kísérletezéshez nincs semmi kedve; ő valóban elméleti fizikára gondol, és legszívesebben kvantumelmélettel kezdené. Ez a túlzott egyoldalúság még Sommerfeldet is visszariasztja, aki pedig a tiszta matematika területéről indult el, és maga sohasem kísérletezett. Valami azonban mégis megtetszik neki a fiatalemberen, és már az első félévben felveszi őt szemináriumába. A beíratásnál derül ki, hogy ugyanazon a napon született, mint a professzor: december 5-én. Csak Sommerfeldnél az évszám 1868, a fiatalembernél 1901. Leckekönyvébe bekerül a neve: Werner Heisenberg.

Heisenbergről csakhamar kiderül, hogy matematikai csodagyerek. Már az első félévben súlyos problémákkal kezd foglalkozni, és meg is oldja őket. Legfőbb érdeklődési területe kezdettől fogva a kvantumelmélet és az atom szerkezete, pontosabban az atom elektronhéjának a felépítése, amelynek elméletét tanítómestere, Sommerfeld fejlesztette tovább.

Az ilyen irányú kutatás néhány év óta nagyon nehéz helyzetbe jutott. Mindinkább rájöttek arra, hogy valami nincs rendben, hogy valahol az alapok legmélyén még hiba van. Félempirikus szabályszerűségek tömegére bukkantak, amelyeknek tisztán elméleti értelmezése a legnagyobb erőfeszítések ellenére sem sikerül. Most még csak egyetlenegy atomot, éspedig a legegyszerűbbet, a hidrogénatomot tudják teljesen egzaktul leírni. Azt az atomot, amellyel Niels Bohr annak idején a sort megnyitotta. De már a következő legegyszerűbb atom, a hélium, amelynek héjában két elektron van, csökönyösnek mutatkozik. Viszonylag bonyolultabb vonalas spektrumát nem tudják értelmezni, a számadat pedig, amit a Bohr—Sommerfeld-féle elmélet az elektronjainak kötési energiájára szolgáltat, nem helyes. Ehhez járul az, hogy az elmélet egészben véve még egyáltalán nem kielégítő. Az atomok héjában az elektronok mozgásának számítására a régi, klasszikus mechanika törvényeit alkalmazzák olyan, önkényesnek látszó „kvantálási szabályok”-kal korlátozva, amelyeknek mélyebb jelentősége egyáltalán nem világos. Nyilvánvaló, hogy itt valami egészen új mechanikát kell teremteni, mechanikát az atomi méretekre. Olyant, amely más, mint a közönséges, klasszikus mechanika, és már alapjaiban benne van a kvantumelmélet. A kor legjobb elméinek sem sikerült azonban eddig megtalálni ezt az új mechanikát, azt a matematikai formát, amely jól alkalmazható az atomi folyamatokra.

Werner Heisenberg hamarosan belekerül ebbe a gondolatkörbe, s ettől már nem is szabadul többé. Három év alatt doktori képesítéssel befejezi müncheni tanulmányait, és Max Bornhoz, a göttingai egyetem elméleti fizikusához megy, ahol magántanári képesítést szerez, majd átmenetileg Niels Bohrhoz — a Bohr-féle atommodell alkotójához — is elmegy Koppenhágába.

1925-ben, július 29-i dátummal jelenik meg a Zeitschrift für Physikben Heisenbergnek egy feltűnést keltő tanulmánya. A nem egészen 24 éves Heisenberg itt fejti ki nagyon figyelemre méltó gondolatait arról, miképpen alakítja át a kvantumelmélet az atom elektronjainak mechanikáját. Sok minden nincs még itt részleteiben kifejtve, sok minden csak sejtés. De általános a csodálkozás, sőt megdöbbenés az új eszmék merészségén. Mindenki, aki ezt a munkát olvassa, rögtön érzi, hogy ez az az új mechanika, amit oly régóta hiába keresnek, ami az atomi folyamatokra érvényes.

Még néhány tanulmány jelenik meg, amelyet most már közösen írnak Heisenberg és más göttingai kutatók, Heisenberg tanítómestere, Max Born, és egy egészen fiatal magántanár (egy évvel még Heisenbergnél is fiatalabb), az ismert hannoveri festő fia, Pascual Jordan. Heisenberg neve fényes csillagként ragyog fel a fizika égboltján.

Az 1927-es év végén a nem egészen 26 éves Werner Heisenberg az elméleti fizika tanára lesz a lipcsei egyetemen.

*

Az atomi folyamatokra érvényes mechanika problémáját közben más oldalról is vizsgálják. Egy francia herceg, a de Broglie-k régi nemzetségéből, aki elméleti fizikával foglalkozik (nem éppen mindennapi pálya egy herceg számára), már 1924-ben megírja doktori disszertációját, amelyben rendkívül érdekes gondolatokat fogalmaz meg. Louis de Broglie nem többet és nem kevesebbet állít, mint hogy a mozgó korpuszkula-sugarak, tehát a katódsugarak, a béta-sugarak, az alfa-sugarak velejárója a hullámtermészet, olyan hullámtermészet, amelyet eddig kizárólag a hullámok, tehát a fény, a röntgensugarak és a gamma-sugarak sajátságának tartottak. Tisztán elméleti úton jutott e következtetésekre bizonyos új kapcsolatok alapján, amelyeket Einstein relativitáselméleti és Planck kvantumelméleti gondolatai között létesített.

De Broglie elképzelése az akkori problémáktól annyira távolesőnek látszott, hogy alig méltatták figyelemre. Csak egy osztrák fizikus, Erwin Schrödinger, akkoriban a zürichi egyetem professzora — markáns arcú szikár ember, egész megjelenésében ellentéte az inkább testes Heisenbergnek — érti meg és fejleszti tovább de Broglie gondolatát.

Három évvel később de Broglie elgondolását és a de Broglie-féle képletet a Bell Telefon Társaság laboratóriumában Davisson és Germer amerikai fizikusok híres kísérleteikkel fényesen igazolják: az elektronsugarak kristályokon ugyanúgy elhajlási jelenségeket mutatnak, mint a röntgensugarak. Ezzel beigazolódott hullámtermészetük és mérhetővé vált hullámhosszuk. Igazolást nyert a „korpuszkuláris"-sugarakra is a kettős korpuszkula-hullám természet, amit Einstein fénykvantumai óta a „hullám-sugarak” sajátosságaként ismertek.

Mielőtt azonban ez a nagy jelentőségű kísérleti igazolás megtörtént volna, mielőtt bárki felismerte volna a de Broglie-féle felfogás jelentőségét, Schrödinger Zürichben ebből kiindulva, és ezt zseniálisan kibővítve, kidolgozta az atomi folyamatok új mechanikáját, egy olyan hullámmechanikát, amely az atom elektronjait bizonyos fajta állóhullámmal helyettesítette. Ezt a hullámmechanikát gyors egymásutánban megjelenő négy dolgozata tartalmazza az Annalen der Physik 1926-os évfolyamában.

Egy pillanatig úgy tűnik, mintha most két különböző mechanika volna, és mintha a Schrödinger-féle mechanika és a Heisenberg-féle mechanika között elkeseredett küzdelemnek kellene dúlnia. Csakhogy maga Schrödinger kimutatta, hogy az eltérő kiindulási feltételek és a teljesen különböző forma ellenére ez a két mechanika valamennyi állításában megegyezik, hogy tehát valójában ugyanannak a tárgyi tartalomnak a kétféle leírása.

Végül ugyanezek a gondolatok ismét más köntösben még egy harmadik megfogalmazásban is jelentkeznek. A mindössze 23 éves angol matematikus, Paul Adrien Maurice Dirac (ez az új mechanika valóban az egészen ifjú fizikusok forradalma; talán Max Born az egyetlen kivétel, aki ez időben 43 éves) 1925 végén Cambridge-ben önállóan és Heisenbergtől függetlenül (Schrödinger csak valamivel később jelentkezik) az atomi folyamatok mechanikájának sajátos formáját fejleszti ki. Tartalmilag azonban ez az elmélet sem különbözik a másik kettőtől. A különböző kutatók éveken át tartó hiábavaló fáradozása után az oly hevesen ostromolt probléma most rövid időn belül, teljesen különböző feltevésekből kiindulva, hirtelen megoldódik.

Az egymásbafolyó gondolati áramok egységgé forrnak össze. Megszületett az új kvantummechanika. Ez ugyan elvont matematikai formalizmus, a legvégsőkig hiányzik belőle a szemléletesség, de az atomi méretekben végbemenő folyamatokra mégis alkalmazható. Az elmélet lerombolja a középponti mag körül bolygószerűen keringő elektronok képét, a Bohr—Sommerfeld-féle elmélet alapját. Ezt a képet csak kisegítő eszköznek, a szemléletesség mankójának tekinti, amelynek segítségével legfeljebb közelítőleg helyes eredményeket kapunk, és csak ritka kivételes esetben — talán a hidrogénatomnál — jutunk el a szigorúan érvényes eredményhez. Az új kvantummechanika azonban általában lerombol minden képet. Megmutatja, hogy atomi méretekben a részecskékhez, így pl. az elektronokhoz, nem szabad semmiféle szemléletes mozgást, semmiféle határozott pályát hozzárendelni, és hogy az atomban a folyamatokat nem szigorúan determinált módon, hanem a véletlen statisztikus törvényei segítségével kell leírni.

Bár az új kvantummechanika azzal a merész követeléssel lép fel, hogy döntő módon átformálja a természettudósok eddigi, egészen másfajta szemléletét, mégis érvényre jut. Egyik sikere a másikat követi. Kiküszöböli mindazokat az ellentmondásokat, amelyekkel az eddigi elméletek küszködtek. Megoldja az azonos atomok kémiai kapcsolódásának a problémáját, pl. két hidrogénatom összekapcsolódását egy hidrogénmolekulává. Lehetővé teszi, igaz ugyan, hogy hallatlan matematikai nehézségek árán, tetszés szerinti bonyolult atomok és molekulák elektronhéjának a kiszámítását is.

A húszas évek végére, nem sokkal a magfizika nyugalmi időszakának lejárta előtt, úgy áll készen a kvantummechanika és az atomelmélet, mint egy szilárdan megépített, hatalmas épület, amelyen később már csak egészen jelentéktelen kis kiigazításokra lesz szükség.

*

Mindez persze elsősorban csak az atom elektronhéjára vonatkozik; az atommag csak az erőteret szolgáltatja, amely az elektronokat a maghoz köti. Az elektronokat tekintve tehát csak a mag elektromos töltésének van jelentős szerepe, nem pedig annak, hogy ez a mag hogyan van egyes részecskékből felépítve.

Az új kvantummechanika azonban még többet jelent. Érvényessége nem szűnik meg az atom elektronhéjánál, a tetszés szerinti erőtérben levő elektronoknál; igényt tart arra, hogy számot adjon valamennyi atomi részecskéről, tehát azokról a részecskékről is, amelyekből az atommag áll. Talán így lehetőség adódik a magszerkezet elméletének megalkotására és arra, hogy megkíséreljük a radioaktív bomlás és a mesterséges magátalakulások jelenségeit elméleti oldalról megvilágítani.

Ilyesféle kezdeményezésre különösen biztatónak látszik a következő körülmény: A kvantummechanika nem szigorúan determinált mennyiségeket használ a folyamatok leírására, hanem véletlentől függőket, ezért csak valószínűségi törvényeket ad. Kísérleti téren az ilyen valószínűségi törvények szerint végbemenő statisztikus folyamatok egyik legszebb példája az atommagok radioaktív bomlása. Sohasem lehet megmondani, hogy a következő másodpercben melyik mag fog bomlani; ez tisztán a véletlen dolga. A statisztikus törvények viszont egészen pontosan tisztázzák azt a kérdést, hogy hány mag bomlik a következő másodpercben.

Mindenesetre a magszerkezet kvantummechanikai alapon álló elmélete sokkal nagyobb nehézségekkel találja magát szemben, mint amilyet az elektronhéj elmélete jelentett. Ez utóbbiban ugyanis csupa egyforma részecskékről (elektronokról) van szó, méghozzá olyan részecskékről, amelyeknek kölcsönös elektromos erőhatását nagy pontossággal ismerjük. A magban ellenben legalább kétféle részecske van — akkoriban többnyire azt tételezték fel, hogy protonok és elektronok - és sok minden szólt amellett, hogy valószínűleg négy proton és két elektron már a mag belsejében mint szilárdan egybeépült alfa-részecske van jelen, s ezek szerint már háromféle részecskénk is volna. Ezenfelül régóta ismeretes hogy a mag alkotórészei között általában nemcsak az ismert elektromos erők hatnak — ezeknek a magban nyilván csak alárendelt szerepük van —, hanem egészen újszerű „magerők” érvényesülnek, amelyeknek nagyságáról és törvényszerűségeiről csak egészen bizonytalan sejtéseink lehetnek.

A feladat mégis csábító: a kvantummechanika új, éles fegyverét a magon kell kipróbálni. Ahogyan ez ilyen esetekben néha előfordul, egyszerre két oldalról is nekivágnak a problémának, és csaknem egyidejűleg pontosan ugyanazon eredménnyel mindkét részről eljutnak a megoldás egy bizonyos fokáig.

Az egyik kutató, aki a maggal elméletileg foglalkozik, egy egészen fiatal, odesszai orosz fizikus, G. Gamov, aki éppen most, 1928-ban fejezte be doktorrá avatással tanulmányait Leningrádban, és most indul körülnézni a világban. Göttingen—Koppenhága—Cambridge, ezek az utazás állomásai az elkövetkező két évben. Már Göttingenből elindul a kézirat a Zeitschrift für Physikhez, és ebben benne van az alfa-részecske kibocsátásával végbemenő atommag-bomlás elméleti magyarázata.

Ugyanekkor ugyanezzel a problémával foglalkozik New Jersey államban a Princeton-egyetemen két amerikai, Gurney és Condon (az utóbbi az Új-Mexikóban levő Alamogordo nevű kis helységből való, e helység közelében robban majd később az első atombomba). Ők is ugyanarra a megoldásra jutnak, és be is küldik a cikket a Nature című angol folyóiratnak. Így állnak nemes versenyben 1928 nyarán az amerikai és az orosz fizikus — anélkül, hogy egymásról tudnának — az atommag egyik problémájának megoldásáért. Gamov orrhosszal nyer; kézirata néhány héttel korábban érkezik a szerkesztőségbe, mint az amerikaiaké.

G. Gamov, aki 1934-ben az amerikai főváros George Washington egyetemének egyik tanszékét foglalta el, még tovább megy. Megadja a könnyű atommagok alfa-részecskékkel történő mesterséges átalakításának a nyilvánvaló elméleti magyarázatát is, és megmagyarázza, hogy miért csak a könnyebb magokat lehet átalakítani. Végül pedig könyvet is ír az atommag szerkezetéről. Itt szerepel először egy hasonlat, amely nagyon termékenynek bizonyul. Gamov az atommagot parányi kis folyadékcseppel hasonlítja össze. Mint ahogyan a folyadékcsepp szorosan egybeépül a molekuláiból, hasonlóképpen épül egybe az atommag is szorosan (nem pedig olyan laza szerkezettel, mint az elektronburok) az alkotórészeiből, éspedig elsősorban — ahogyan Gamov feltételezi — alfa-részecskékből.

Ebből az egyszerű modellből az atommag tulajdonságainak egész sorát le lehet vezetni, legalábbis durván (a kvantummechanika szerint szemléletes modellel mást, mint durva közelítést elérni úgysem lehet). Ez az eredmény azért érdekes, mert az egész elképzelés alapjai nagyon bizonytalanok voltak, és a mag alfa-részecskékből, fölös számú protonból és fölös számú elektronból elgondolt felépítése pedig később helytelennek bizonyult.

De az első lépés megtörtént. Itt van az atommag elméletének a kiindulópontja. Ez az elmélet sok tekintetben aránytalanul nehezebb, mint az elektronhéj elmélete. Ennek ellenére számos elméleti kutató fáradságos munkája szép sikerrel jár, bár az atommag rejtélyét tökéletesen megoldani mind a mai napig nem sikerült.

Figyelemre méltó, hogy ez a kezdet pontosan arra az időre esik, amikor az egyre bővülő magfizikában kísérleti téren is fellendülés kezdődik.

A hosszú szünet véget ért.