TERMÉSZETTAN

Debreceni Egyetem, 2016/2017. tanév II. félév, leadta és lejegyezte Végh László

2016. november 23.

0.1. Tudnivalók a vizsgázásról

Az ábrák a w3.atomki.hu/kornyezet/t16o.pdf-re kattintvajobban mutatnak. Szinte valamennyi munkanaponlesz vizsga, a Neptunon veheto fel. Ha ott még nem tud vizsgát felvenni, vagy már lehetne, de amikorjönne, arra a napra vagy idoszakra nincs adva idopont, a vl@atomki.mta.hu címre írja meg, mikor szeretnevizsgázni. Akinek más kérése vagy kérdése van, az 11359-es egyetemi hívószámon (városból 509259) érhetel. Ha nem tud jönni a felvett vagy kért idopontban, inkább írjon, mert ahol vizsgáztatok, ott nem tudom ahívást fogadni. A vizsga helye: Atomki, VIII. épület (háromemeletes), bejárat a Poroszlay úti portán, majdjobbra kell térni. A VIII. és IX. épületet összeköto nyaktagba belépve eloször jobbra, majd balra térve lelimeg a VIII. épület lépcsoházát. A második emeleten, a tanteremben van a vizsga, a lépcso oda visz. Ha atanterem foglalt, akkor jobbra térve a 205-10-es szobát keressék. A vizsga szóbeli.

Tartalomjegyzék

0.1. Tudnivalók a vizsgázásról . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 1

1. Ero- és mozgástan 2

1.1. Erok és kölcsönhatások . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 3

1.2. Elektromágneses hullámok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 4

2. Speciális és általános relativitáselmélet 6

2.1. Speciális relativitáselmélet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . 6

2.2. Általános relativitáselmélet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 8

2.2.1. Téridogörbület . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

3. Kisvilágtan 11

3.1. Hullámtermészet - részecskék ’fényképezése’ . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.2. Határozatlansági összefüggés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 13

3.3. Schrödinger-egyenlet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 14

3.4. Az eroterek kisvilágtani eredete - kvantumtérelméletek . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 16

3.5. Elemi részecskék . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 17

1

4. Az alapveto kölcsönhatások 19

4.1. Törvények és szimmetriák . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . 20

4.2. Eros kölcsönhatás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 21

4.3. Atommagfizika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 22

4.4. Gyenge és elektrogyenge kölcsönhatás . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 23

4.5. Nagy egyesített elméletek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 24

4.6. Világegyetemünk fejlodésének hajtóereje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

5. Kezdetek 27

5.1. Égi távolságok mérése . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . 28

5.2. Színképek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 30

5.3. Osrobbanás . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 32

5.4. A világegyetem jövoje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

6. A kezdetektol a csillagvárosokig 37

6.1. A természeti semmibol induló világegyetem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

6.2. Elso másodperc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

6.3. Elso percek . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

6.4. 380 ezer év . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 41

7. A világegyetem mai arculatának kialakulása 42

7.1. Csillagvárosok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 43

7.2. Csillagok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 45

8. Naprendszer és Föld 51

8.1. Naprendszerünk születése . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . 51

8.2. Föld fejlodése . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

8.3. Körforgások a Földön . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 54

9. Élet és fejlodése 58

9.1. A fejlodés útja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

9.2. DNS és gének . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 59

9.3. Génkifejezodés, epigenetika, törzsfejlodés . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

9.4. Az élet keletkezése és terjedése . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 63

9.5. Élet a Földön . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . 65

9.6. Tömeges kihalások . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 66

9.7. Az ember megjelenése . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 67

10. Élorendszerek (ökorendszerek) 68

1

11. Az ember 71

11.1. Az emberi válás hajtóeroi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

11.2. Az emberi elme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . 73

1. Ero- és mozgástan

A tér és ido természettani fogalmai a 20. század elején még egyszerubbek voltak és nagyjából megfeleltekköznapi elképzeléseinknek, miszerint a tér adott és az euklidészi mértan írja le pontjai távolságát és egyébtulajdonságait.

A mozgás térben és idoben lejátszódó jelenség. Leírásához vonatkoztatási rendszerre van szükségünk,amit akkor is választunk, ha ez nem tudatosodik bennünk. Amikor azt mondom, jobbra térek, akkor avonatkoztatási rendszert a testemhez rögzítem, hozzám képest van valami jobbra, balra, elore vagy hátra.Nekünk ez a természetes, de a természeti népek az észak, dél,kelet és dél irányok szerint tájékozódik ésáltalában nincs szava a jobbra, balra, elottem, mögöttem fogalmaira. Csak karjával jelzi, és ha magáramutat, az a mögötte lévore utal. Táncot tanítva is az északra, délre, keletre és nyugatra utasításokat adják.Nehéz a kicsinek megtanulnia, merre van észak és nyugat, de 7-8 éves korára bármely napszakban teljesbiztonsággal tájékozódik.

A természetesnek ható, testhez rögzített rendszer félreértések sorához vezethet. Attól függoen, melyikparton van, vagy a hídon állva merrefelé néz, máshogyan írjale, merre folyik a Duna. Bár a bölcselok azókortól fogva foglalkoztak a mozgások jellemzésével, csaka 16-17. században sikerült a mozgás egyér-telmu leíráshoz szükséges fogalmakat megalkotni.

Tehetetlenségi rendszer. Különbözo vonatkoztatási rendszerekben a mozgásegyenlet más és másle-het. Például a körhintán ülo a talajról nézve körmozgást végez, ha viszont a körhintán ülök, számomra akörhintán ülo számomra nyugalomban van. De ha valamelyik vonatkoztatási rendszerben a mozgásegyen-let ismert, akkor a mozgásegyenlet ebbol kiindulva, egyszerubb matematikai átalakításokkal bármely másvonatkoztatási rendszerben is felírható. Ezért a számtalan lehetséges vonatkoztatási rendszer közül olyatérdemes választani, amelyikben a mozgásegyenlet felírásaa leheto legegyszerubb.

Tehetetlenségi rendszerben, vagy idegen eredetu szóval inerciarendszerben a mozgás tárgyalása nagyonkönnyu. Ebben a vonatkoztatási rendszerben a magára hagyott test nyugszik, vagy egyenes vonalú egyenle-tes mozgást végez. Mozgásegyenlete igen egyszeru,v=állandó, aholv a test sebessége. Hav nem állandó,akkor a test más test vagy testek hatása alatt áll.

Newton feltételezte, hogy van olyan tehetetlenségi rendszer, amelyhez valamennyi, térben és idobentörténo változás viszonyítható. Ilyen létezhet, ha a tér és ido az anyagtól és ennek mozgásától függetlenlétezo, azaz jellemzoi mindig és mindenütt azonosak. A mindentol függetlenül létezo teret független térnek(abszolút térnek) és az ilyen idot független idonek (abszolút idonek) nevezik. Newton szerint a függetlentér az állócsillagokhoz rögzített térnek feleltetheto meg.

Jármuvön utazva érezzük a kanyarodást vagy a sebesség nagyságának változását. Ha nem kapaszkod-nák, akár egy zsák tehetetlenül dolnénk el. Egy test tehetetlenségének mértékét tömege adjameg. Nem kelllátnunk, mihez képest gyorsulunk, a gyorsulás valamennyi tehetetlenségi rendszerben azonos. Mondható,hogy a test a független térhez képest gyorsul. Newton szerint gyorsuláskor a független tér hat a testre, azazgyorsuláskor a független tér hat ránk.

Sokan vitatták a független tér létét és Mach is elvetette ezta szerinte megfigyelhetetlen fogalmat. AMach-elv szerint a testek tehetetlensége a a Mindenségben lévo tömegek egymásra hatásából eredeztetheto.Azaz Newton független terében, az állócsillagokhoz rögzített rendszerben mért gyorsulás az állócsillagok

2

és más tömegek által gyakorolt vonzóeroknek tulajdonítható. Einsteinre nagy hatást gyakorolt a Mach-elvés befolyásolta az általános relativitáselmélet megszületését.

Newton természettanában a rendszer jövojének kiszámításához egyrészt ismerni kell a rendszer állapotátvalamely korábbi pillanatban, valamint tudni kell, milyenerok hatnak a rendszert alkotó testek között. Ígyamikor a Hold Föld körüli pályát számítjuk, ha a Hold helye éssebessége most ismert, és felhasználjuk aFöld és a Hold között ható tömegvonzási törvényt, a mozgásegyenlet megadja, hol lesz a Hold és mekkoralesz a sebessége a következo pillanatban. Ennek ismeretében kiszámíthatjuk a Hold helyzetét és sebességéta rákövetkezo idopillanatban, és így folytatva leírhatjuk, kirajzolhatjuk a Hold pályáját. A newtoni erotanmozgásegyenletének - ezt Newton II. törvénye fogalmazza meg - megoldása pontosan meghatározott. Akárévezredekre elore pontosan kiszámolható a Hold Föld körüli mozgása, és az is, hol volt az égen a Hold egyévezredekkel ezelotti napon este nyolckor.

Galilei-féle relativitási elv. Nem nehéz belátni, hogy a tehetetlenségi rendszerek egymáshoz képest egye-nesvonalú egyenletes mozgást végeznek. Ha valamely tehetetlenségi rendszerben egy test magára hagyot-tan, azaz szabad testként viselkedik, akkor valamennyi mástehetetlenségi rendszerbol is szabadnak látjuk.Ezért a mozgásegyenlet valamennyi rendszerben azonos,v=állandó, miközbenv értéke a különbözo rend-szerekben más és más lehet. Például a mozgó vonatból nézve a vonaton ülo nyugalomban van, míg azállomásról nézve mozog.

Tehetetlenségi rendszerekben a sebességek a sebesség összeadás szabályával számíthatók át. Ezt al-kalmazva, haV sebességgel közeledik egy gépkocsi és abból a mozgás irányábav′ sebességgel kidobnakegy dobozt, akkor a doboz az úthoz képestv = V + v′ sebességgel mozog. Ha ellentétes irányba dobják,az úthoz viszonyított sebességev = V − v′. Számszeru példával, ha valaki a vonatban 4 km/óra sebes-séggel menetirányba mozog, és a vonat 60 km/óra sebességgelközeledik az állomáshoz, akkor az állomásépületéhez képest a vonaton gyalogló ember sebessége 64 km/óra.

A tapasztalat szerint a tehetetlenségi rendszerek nemcsaka szabad, hanem bármilyen más mozgástvégzo test leírása számára is egyenértékuek. Így ha zárt helyiségben a fonálinga lengését vizsgáljuk, azinga mozgástörvénye ugyanaz lesz, függetlenül attól, hogyegy ház szobájában, a sima vizu tavon egyenle-tesen sikló hajón vagy az egyenletesen mozgó vonat fülkéjében vagyunk-e. Ha a vonat nem gyorsul, zártvasúti fülkében nem végezheto olyan kísérlet, amelynek segítségével eldönthetnénk, mozog-e a vonat. Atehetetlenségi rendszerek egyenértékuségét a Galilei-féle relativitási elv mondja ki: egy adott jelenségetleíró természettani törvény bármely tehetetlenségi rendszerben ugyanolyan alakú. A relativitás (magyarulviszonylagosság) szó arra utal, hogy miközben a tehetetlenségi rendszerek egyenértékuek, addig a test se-bessége viszonylagos. Függ attól, melyik tehetetlenségi rendszerben vagyunk.

1.1. Erok és kölcsönhatások

Valamennyi, a mindennapi életben észlelt természeti jelenség végsosoron az alapvetonek tekintheto tömeg-vonzási és az elektromágneses kölcsönhatásokra vezetheto vissza. A tömegvonzást állandóan érzékeljük.Az elektromágneses jelenségek közül a töltések között fellépo erokre valamint a mágnesességre már azókorban is felfigyeltek. A mozgó töltések és az áramok valamint a mozgó mágnesek által kiváltott hatáso-kat leíró, Faraday által felállított törvények szerint az elektromos és mágneses tulajdonságok összefüggnekegymással.

A tömegvonzási ero és a töltések között fellépo Coulomb ero távolságtól való függése azonos alakú, azr távolsággal az1/r2 törvény szerint csökken. Összevetve a két proton között fellépo Coulomb taszítást ésa tömegvonzást a töltések taszító hatása 36 nagyságrenddelnagyobb, mint a tömegek között fellépo vonzás.A természetben az anyagok általában villamosan semlegesek, mert azonos mennyiségu pozitív és negatívtöltést tartalmaznak.

3

A semleges atomok és molekulák közötti fellépo Van de Waals ero a Coulomb kölcsönhatásból származ-tatható le. Nézzük két egymástól távolabb lévo semleges atom, mondjuk két hidrogénatom viselkedését,a hidrogénatom sugara kerekítve ötmilliárdod centiméter.Mivel a proton és elektron össztöltése nulla, akét hidrogénatom között nagyobb távolságokon csak a tömegvonzási ero lép fel, mivel a két hidogénatomprotonjai és elektronjai között fellépo taszító és vonzó erok kiegyenlítik, leárnyékolják egymást. De ha akét atom egymás közelébe kerül, a két atom alkotórészei kölcsönösen érzékelik a másik szerkezetét. Ekkoraz egyik atom elektronja már érezhetoen más távolságra kerülhet a másik atom elektronjától, mint annakprotonjától, lásd a 1. ábrát. Emiatt gyenge, rövid hatótávúvonzó, Van der Waals eronek nevezett, az eredetiCoulomb kölcsönhatásokból származtatható ero lép fel a két atom között.

− +

+ −

−

+ −

+

1. ábra. Van der Waals ero. Ha két semleges atom egymás közelében van, a két semleges a1. ábra. Van der Waals ero. Ha két semleges atom egymás közelében van, a két semleges atom közöttgyenge, rövid hatótávú vonzó ero lép fel.

Kölcsönhatási energia. Akkor veheto nullának a kölcsönhatási energia, ha a testek között nincskölcsön-hatás. Ez a helyzet, ha a testek nagyon messze vannak egymástól.

Nézzük meg, milyen elojelu lesz a kölcsönhatási energia, ha két egymást vonzó test közel van egy-máshoz. Távolításukhoz erot kell kifejtenünk és eközben munkát végzünk, kezdetben többet és ahogyanegyre távolodik a két egymást vonzó test, egyre kevesebbet.A végzett munka a rendszer energiáját növeli.Ha a két testet jó messzire eltávolítottuk egymástól és az ehhez szükséges munkát hozzáadjuk az eredetikölcsönhatási energiához, végeredményben nullát kapunk.Azaz, a vonzás kölcsönhatási energiája negatív.Hasonlóan kaphatjuk, hogy a taszítás kölcsönhatási energiája pozitív.

A kötési energia negatív, mivel a kötött rendszert vonzó kölcsönhatás tartja össze. Mivel negatív szá-moknál a nagyobb abszolút értéku a kisebb, minél erosebb a vonzó hatás, annál kisebb lesz a neki megfelelokölcsönhatási energia.

1.2. Elektromágneses hullámok

Maxwell a Coulomb-erot, a mágnesek kölcsönhatásait valamint Faraday és mások eredményeit a róla el-nevezett Maxwell-egyenletekben foglalta össze. Feltuntneki, hogy az egyenletrendszer szebben nézne ki,ha a négy egyenlet egyikébe még egy tagot bevenne. Bár addig nem észleltek ennek megfelelo jelenséget,ezt a tagot is bevette az egyenletrendszerbe. Ez a térben hullámszeruen változó, igen nagy sebességgelterjedo elektromágneses sugárzást ír le. Mivel az egyre pontosabbmérések arra utaltak, hogy az elektro-mágneses hullámok a fény sebességével terjednek, Maxwell feltételezte, hogy a fény, sot a hosugárzás iselektromágneses sugárzás. Maxwell sejtését késobb Hertz igazolta. A gerjesztett állapotából alapállapotbajutó atom, molekula, vagy atommag is elektromágneses sugárzást bocsát ki. Valamennyi azonos, ac=300ezer kilométer/sec sebességével terjed és egymástól csak asugárzás hullámhosszában, így rezgésszámábankülönbözik.

Minél nagyobb a sugárzás hullámhossza, annál kisebb a rezgésszáma. A sugárzás energiája rezgésszá-mával arányos, minél szaporábban rezeg, annál nagyobb energiájú. A látható fény hullámhosszai a 400-700

4

nanométeres sávban vannak, a napfényt üvegprizmával tudjuk színeire bontani. A kisebb hullámhosszú,ezért nagyobb energiájú határon az ibolyaszín, a nagyobb hullámhosszú, kisebb energiájú határon a vörösszín látható. Azaz nem a vörösebb, hanem a kékebb sugárzás a nagyobb energiájú. Ez onnan is megjegyez-heto, hogy a kék sugárzásnál is nagyobb rezgésszámú, így nagyobb energiájú ibolyántúli ultraibolya vagyUV sugárzás veszélyes az egészségre.

Valamennyi T > 0 Kelvin homérsékletu test elektromágneses sugárzást bocsát ki és asugárzás hullám-hossz vagy rezgésszám szerinti eloszlása csak a test homérsékletétol függ. Az eloszlásfüggvényt színképnekvagy spektrumnak nevezzük. A Napból érkezo homérsékleti sugárzás közelítoleg egy 5800 Kelvin homér-sékletu test sugárzása. Ennek a látható fény tartományábaeso része a szivárvány színeinek megfelelo színessávokból áll, lásd a 17. ábrát.

Haladjunk a fénytol az alacsonyabb energiájú sugárzások, azaz a növekvo hullámhosszak felé. Eloszöraz infravörös, hoként érzékelheto sugárzás sávja következik. 700 nanométertol a milliméteres hullám-hosszakig terjed, a molekularezgés és forgás energiatartományának felel meg. Testünk hosugárzása foleg a10 mikrométeres infravörösnek nevezett tartományba esik,a 36,5 Celsius, más egységben a 273,16+36,5=309,66Kelvines test hosugárzását bocsájtjuk ki, infravörös távcsovel észlelhetjük.

Milliméteres hullámhossztól 10 centiméteresekig terjed amikrohullámok tartománya. Mikrohullámúsütoink a 12 centiméteres tartomány körül muködnek. A tíz centiméterestol az ezer méteresig tart a rádió-hullámok tartománya. Egy FM adás átlagos hullámhossza 3 méter, a TV sugárzás hullámhossza 2 méter,a középhullámú átlagos hullámhossz 300 méter. A kilométernél hosszabb hullámhosszú elektromágneseshullámok a nagyon alacsony rezgésszámok tartományába esnek.

Ha a látható fénynél alacsonyabb hullámhosszak felé haladunk, az ibolyántúli tartomány a 400 nanomé-tertol egy nanométerig terjed. Ibolyántúli sugárzás az atomok külso héjaiban történo átmenetek során ke-letkezik. Utána következik a röntgensugarak tartománya, amely a nanométertol az ezred nanométerig, apikométerig tart. Röntgensugárzás az atomok belso héjaiban történo átmenetekben bocsátódik ki. A piko-méternél kisebb hullámhosszú gamma sugárzás atommag legerjesztésekor bocsátódik ki.

Foton. A Nap által kibocsátott, fénysebességgel terjedo fény közel 500 másodperc alatt éri el Földünket.Száz éve még úgy gondolták, hogy a napfény is a víz- vagy a hanghullámokhoz hasonlóan folyamatoshullámzásként terjed. De az elektromágneses sugárzás nem végtelen hosszú szinuszhullámként, hanem,ahogyan Einstein 1905-ben felismerte, véges hosszúságú hullámvonulatokban, hullámcsomagokban terjed.Ezeket fotonoknak nevezzük, a hullámcsomag kifejezés a hullámvonulat véges méretére utal. A fotontömege nulla és fénysebességgel mozog.

2. ábra. Hullámcsomag. Ha a hullám jobb felé terjed, akkor a balra található részen már áthaladt, mostéppen elottünk van és fénysebességgel haladva egy másodperc múlva már 300000 kilométerre lesz tolünk.Matematikailag a véges méretu hullámvonulat különbözo rezgésszámú szinuszhullámok megfelelo arányúkeverésével alakítható ki.

Ha a hullámok összegzésének matematikai tulajdonságait vizsgáljuk, a következo derül ki. Egy adottrezgésszámú hullám végtelen kiterjedésu, azaz a térben mindenütt jelen van, akár a szinuszhullám. Végesméretu hullámvonulat lásd a 2. ábrát, különbözo rezgésszámú szinuszhullámok keveredésével állíthatóelo. Minél szélesebb a keveréshez használt rezgésszámok sávja, annál keskenyebb lehet a hullámcsomag.Fordítva, minél keskenyebb ez a sáv, a hullámcsomag annál kiterjedtebb.

A fény nemcsak hullám hanem részecskeszeru is, mivel a foton energiával, lendülettel és perdülettelrendelkezik és ütközéskor ezeket hordozó részecskeként hat kölcsön. A foton energiája azf rezgésszámával

5

arányos, értékeE = h ∗ f , aholh a Planck állandó. Az elektromágneses sugárzás forrása egyrészt akkorerosebb, ha idoegység alatt több fotont bocsát ki. Másrészt attól is nagyobb teljesítményu a forrás, ha afotonjai magasabb energiájúak.

Most már könnyebb megérteni, miért lehet veszélyes az élo számára az UV-sugárzás. Míg a kisebbenergiájú, hoérzetet kelto vörös fotonok csak a molekulákat rezgetik és forgatják és ez nem roncsol, addigaz UV-sugárzás nagyobb rezgésszámú és így nagyobb energiájú fotonjai molekulákat is bonthatnak. Ezértaz erosebb vörös színu sugárzást is jól turjük, hiszen ha nagyon sokan volnának is, csupán az egyenkéntártalmatlan vörös fotonok bombáznak bennünket. Viszont a molekulákat hasítani képes UV fotonokból márkevesebb is árthat.

2. Speciális és általános relativitáselmélet

Bár Newton nem tudott pontos módszert adni, mint adható meg afüggetlen tér, feltették, hogy létezik mód-szer a kiválasztására. Mivel a víz- és a hanghullám és akármelyik más, addig ismert hullám terjedéséhezhordozó közeg szükséges, feltételezték, hogy az elektromágneses hullámok, így a fény is közegben terjed.Ezt éternek nevezték és feltételezték, hogy a független teret kitölto közeggel azonos. Így az éterben valómozgás egyben a független térhez viszonyított mozgás is. Mivel akkoriban a világegyetemet a Tejútrend-szerrel azonosították és a Tejútrendszer középpontjának hallgatólagosan a Naprendszert tartották, a FöldNap körüli keringése és a Föld felszínén való mozgás egyúttal az éterben való mozgást is jelentette volna.

Ha van éter, a fénysebesség mérésének eredménye függ attól,miként mozog a megfigyelo az éterhezképest. Ha áll az éterben, akkor a fény irányától függetlenül mindig ugyanaz a fénysebesség. Ha viszont mo-zog az éterben, akkor a haladásának irányába kibocsátott fénysebességet kisebbnek, a haladásával ellentétesirányban mozgó fényt nagyobb sebességunek fogja mérni. Ezért a Föld egy pontjában mért fénysebesség-nek is függnie kellene attól, hogy merre, például keletre vagy nyugatra mozog-e a fénysugár. Nem nagy avárható különbség, csak tízezredrésznyi, mivel a Föld mozgási sebessége a fénysebességhez képest nagyonkicsiny. Azonban a fény üres térben mérheto sebességét valamennyi mérésben mindig, nagy pontossággalugyanakkorának találták. Azaz a sebesség összeadási szabály a fényre nem teljesül. Eleinte kételkedtek amérések megbízhatóságában, majd el kellett fogadni, hogy amérések hitelesek és elég pontosak. Bárho-gyan is kísérelték meg a fénysebesség állandóságát a newtoni természettan keretén belül értelmezni, nemjártak sikerrel.

Maxwell-egyenletek, Lorentz-transzformáció. A Maxwell-egyenletekben is szerepel a fénysebesség.Ha igaz a relativitási elv, akkor a Maxwell-egyenletek alakja és emiatt a fénysebesség valamennyi tehetet-lenségi rendszerben azonos. De ekkor a Maxwell-egyenletekáltal leírt jelenségekre nem igaz a sebességösszeadási szabálya, mert ezt alkalmazva a fény sebessége akülönbözo sebességu tehetetlenségi rendsze-rekben más és más lenne.

Térjünk át az egyik tehetetlenségi rendszerrol egy másik, hozzá képestv sebességgel mozgó rend-szerre. A Maxwell-egyenletek alakja két tehetetlenségi rendszerben akkor marad azonos, ha a két tehetet-lenségi rendszer tér- és ido koordinátái közötti kapcsolatot a Lorentz-transzformációnak nevezett átalakításadja meg. Ha av sebesség a fénysebességnél sokkal kisebb, akkor két sebesség összeadására a Lorentz-transzformáció és a sebesség összeadási szabálya jó közelítéssel azonos eredményt ad. Ha a fénysebességvégtelen lenne, a két képlet megegyezne. De ha av sebesség a fénysebességgel összemérhetové válik, aLorentz-transzformáció és a sebesség összeadási szabályaeltéro eredményre vezet.

2.1. Speciális relativitáselmélet

A fénysebesség megfigyelt állandóságát Einstein 1905-ben közölt speciális relativitáselmélete értelmezte.Eszerint a relativitási elv igaz, a természettörvények alakja valamennyi tehetetlenségi rendszerben azonos.

6

Továbbá a fényc sebessége megegyezik a kölcsönhatások terjedési sebességével, értéke vonatkozási rend-szertol független, egyetemes természeti állandó. Így a Lorentz-transzformáció a helyes, a sebességössze-adási szabály csak kis sebességekre való közelítése. Semmisem mozoghat a fény terjedési sebességénélgyorsabban. Bár a tömeggel rendelkezo test sebessége tetszés szerint közelíthet a fénysebességhez, aztsohasem értheti el.

A Lorentz transzformáció képletei szerint mozgó rendszerben lassabban telik az ido és rövidebb a tá-volság, így a tér és az ido viszonylagosak. Helyettük a fénysebesség ac a mindentol független. Bármilyenis legyen a tér és az ido szerkezete, a fénysebesség mért értéke mindenkor, mindenhol és minden irány-ban ugyanakkora és független a fényforrás és a fénysebességmérését végzo személy mozgásától. Ezért afüggetlen tér és a független ido, így az éter sem létezik.

A

B B

A

v

d

vt

3. ábra. Ha a fényóra nyugalomban van, a fény az A és B lemez köz3. ábra. Ha a fényóra nyugalomban van, a fény az A és B lemez között haladvad utat fut be és a mért ido t0 =d/c. Ha a fényórav sebességgel mozog, akkor a fény az A és B között átló mentén mozog és a Püthagorasztételnek megfeleloens =

√d2 + v2t2 utat tesz meg. Mivel a fénysebesség állandó, a derékszögu háromszög

átlójának befutásához szükségest = s/c ido hosszabb lesz, mint a nyugvó rendszerben mérheto t0 = d/c

ido. Könnyen kiszámítható, hogyt = t0/√

1− v2/c2, ezt adja a Lorentz transzformáció is.

Egy adott vonatkoztatási rendszerben úgy is meghatározhatjuk, mennyi ido telt el, hogy megnézzük,közben mekkora utat futott be fény. Hogy miként vonja magával a fénysebesség állandósága az eseményidotartamának viszonylagosságát, a 3. ábrán látható, fényórának nevezett berendezés szemlélteti. Úgykapjuk meg a fényóra által mért idot, hogy a fény által befutott utat osztjuk a minden körülmények közöttazonos fénysebességgel. Ha a fényóra mozog, akkor a nyugvó külso megfigyelo számára a fény hosszabbutat fut be és ezért az órája többet mutat. Azaz a mozgó rendszerekben lassabban telik az ido.

A müonok életideje és az általuk befutott út. Az ido viszonylagosságát a magasban keletkezett müo-noknak a viselkedésén is megfigyelheto. Átlag 20 kilométer magasságban ütköznek atommagokba a világurtávoli tartományaiból érkezo sugárzás nagyon nagy energiájú protonjai és az ütközésekben csaknem fény-sebességgel mozgó müonok is képzodnek. Bár a müon bomlékony, átlagosan csak2, 2 ∗ 10−6, azaz 2,2milliomod másodpercig létezhet. Ha a 20 kilométeres utat csaknem fénysebességhez közeli sebességgelteszi is meg, 2,2 msec alatt legfeljebb 660 métert repülhetne. Mégis, a Föld felszínén, 20 km befutása utánis észlelünk müonokat. Mindez független attól, hogy az utatfüggolegesen teszi meg. Ha hasonló sebességumüont gyorsítóban állítunk elo, ugyanezt kapjuk, itt a felszínen is be tudja futni a 20 kilométeres távolságot.Ha a müon lassú, élettartamára a fent megadott2, 2 ∗ 10−6 másodperces értéket mérjük.

Azért észlelhetjük a világurbol érkezo sugárzás által keltett müonokat, mert mialatt a mi óránkonkb. 60milliomod másodperc telt el, av = 0.999c sebességgel mozgó müon "saját" óráján (ez vele együtt mozog,azaz hozzá képest mozdulatlan) eltelt ido ennek csupán 1/30-ad része, 2 milliomod másodperc, lásd a 4.ábrát. Azaz a müon életideje függ attól, mekkora sebességgel mozgó rendszerbol mérik.

7

nézve

a Föld felszíne

v

a fény útja a földr l

a müonfényórája

4. ábra. Ha a v sebességgel lefelé mozgó müon az id4. ábra. Ha a v sebességgel lefelé mozgó müon az idot fényórával méri, látszik, hogy a saját rendszerében,- számára az idot a vele együtt mozgó fényóra méri - a fény jóval rövidebb utat fut be (vízszintes szaggatottvonal), mint a Föld felszínérol nézve (ferde szaggatott vonal). Ezért a földi megfigyelo ugyanannak azeseménynek az idotartamát jóval hosszabbnak méri, azaz a müonnal együtt mozgó rendszerben az idolassabban telik.

Négykiterjedésu (négydimenziós) térido. A relativitáselmélet matematikai leírása a három térbeli ki-terjedéshez hasonlóan kezeli az idot. Négykiterjedésu (négydimenziós) téridot használ, ezt Minkowskitérnek is nevezik. A háromkiterjedésu (háromdimenziós) tér egy pontja három koordinátával, azx, y, zértékeivel jellemezheto. A négykiterjedésu térido koordinátái:x, y, z, ct (c a fénysebesség,t az ido.). Neértsük félre,ct nem a tér negyedik, hanem a térido egyik kiterjedése. A téridoben azx = 0, y = 0, z = 0

pontban nyugvó test a negyedik tengely mentén az idobenc-el, a fény sebességével mozog. Tér és idoszámunkra különbözoek, csak a téridot használó természettani leírás fonjaoket össze. Érdemes a négyki-terjedésu térben dolgoznunk, mert a négykiterjedésu vektorokat és azok hosszait használva a relativisztikusmozgásegyenletek egyszerubben fogalmazhatók meg és jóval könnyebb velük számolni.

A téridoben valamennyi természettani mennyiség négykiterjedés˝u vektor összetevoje. Megmutatható,hogy a lendület vektor 3 kiterjedése mellé rendelheto negyedik kiterjedés az energia. Ebbol a kapcso-latból következik a tömeg és az energia egyenértékuségét megadóE = mc2 képlet is. Míg korábbanaz energia és a tömeg megmaradása egymástól független, külön-külön érvényes törvényszeruség volt, anégykiterjedésu tárgyalás szerint csak egyetlen megmaradási törvény létezik. Mivel az energia alapvetobbmennyiség, csupán az energia marad meg, de az energia értékének számításakor figyelembe kell venni atömegeknek megfeleloE = mc2 energiákat is.

2.2. Általános relativitáselmélet

A speciális relativitás elmélete csak a tömegvonzás elhanyagolhatósága esetén alkalmazható. Einsteinneka tömegvonzást is sikerült belevenni a tárgyalásba és 1916-ban tette közzé az általános relativitáselméletet.Az általános relativitáselmélet egyben a tömegvonzás általános elmélete is, a térido és a tömegek kapcsolatáttárgyalja. Kiindulópontja az ekvivalencia elv.

Egyenértékuségi (ekvivalencia) elv. Akárcsak a Galilei-féle relativitás elvének kimondásakor, most isvonatkoztatási rendszerek egyenértékuségét taglaljuk.Kétféle vonatkoztatási rendszert vetünk össze, egyika tehetetlenségi rendszer és nagy tömeg felé szabadon eso rendszer, mondjuk egy zuhanó felvonó a má-sik. Szabadeséssel zuhanó felvonóban a magára hagyott testsúlytalanná válva lebeg vagy egyenes vonalúegyenletes mozgást végez, akárcsak a tehetetlenségi rendszerben a magára hagyott test. Einstein feltéte-lezte, hogy az azonos viselkedés nemcsak a magára hagyott testre igaz. Kimondta:

- Kisméretu, szabadon eso rendszerben a természettan törvényei ugyanolyan alakúak, mint a tehetetlen-ségi rendszerben. Lehet a szabadon eso rendszer valahol a Földön, akár a Tejútrendszer középpontjában,vagy egy fekete lyuk közelében, bárhol a Világmindenségben.

8

Ha a tehetetlenségi és a szabadon eso rendszer egyenértéku, a rendszeren belül végzett megfigyelések-kel, kísérletekkel nem döntheto el, hogy tehetetlenségi avagy zuhanó rendszerben tartózkodunk-e. Vala-mennyi jelenség mindkettoben ugyanúgy zajlik. Nemcsak a testek mozgását, hanem minden mást, így afény terjedését is ugyanolyan alakú törvény szabályozza.

Fény gravitációs térben. Az ekvivalencia elv szerint a fény a gravitációs térben elhajlik. Képzeljünk elegy szabadon eso kamrát, melyben a kamra falánál felvillan egy zseblámpa, lásd a 5. ábrát.

g

A’ B’

A B

a fény útja lentr lnézve

a fény útja belülr l

5. ábra. Elhajlik a fény a gravitációs térben. Szabadon es5. ábra. Elhajlik a fény a gravitációs térben. Szabadon eso kamrában azA pontban felvillan egy zseblámpa.Mivel az ekvivalencia elv szerint a zuhanó kamrában minden úgy zajlik, mint egy tehetetlenségi rendszer-ben, a fény azA ésB pontok között egyenes vonal mentén terjed. Viszont a földi megfigyelo szerint a fénya kamrával együtt szabadon esik.

Mivel az ekvivalencia elv szerint a zuhanó kamrában minden úgy zajlik, amint egy tehetetlenségi rend-szerben, a fény a kamrabeli megfigyelo számára egyenes vonal mentén terjed, miközben a földi megfigyeloszerint a fény a kamrával együtt esik. Mintha a fénynek is lenne tömege. Természetesen nem azért látjukgörbülni a fénysugarat, mert ott a kamra. Nagy tömeg melletthaladva a tömeg felé görbül a fény és ezt amérések igazolják. Teljes napfogyatkozáskor ellenorizheto, hogy a Nap mellett elhaladó fénysugár elhajlik,azaz ekkor a Nap mögött lévo csillagot nem ugyanott látjuk, mint az éjszakai égbolton,lásd a 6. ábrát.

látszólagos hely

csillag valódi

Nap

helye

*

*

6. ábra. Fényelgörbülés a Nap körül. A Nap mellett elhaladó,

a Nap útja a téridoben//

6. ábra. Fényelgörbülés a Nap körül. A Nap mellett elhaladó,felé görbülo fénysugarat a Földrol akkorláthatunk, ha napfogyatkozáskor egy, a Nap által csaknem vagy teljesen elfedett csillag helyzetét figyeljükmeg.

Ahogyan az általános relativitáselmélet kifejti, nem azért esik felénk a fény, mert tömege lenne, hiszenaz nincs neki. Egy fénysugár mindig a legrövidebb ido alatt befutható út mentén halad. Ha görbülni látjuk,ott a tér mértana más, mint a megszokott euklideszi. Ilyen másféle mértan az ún. gömbi mértan, ebben agömb felületére rajzolt háromszög szögeinek összege nagyobb, mint 180 fok.

2.2.1. Téridogörbület

Einstein általános relativitáselmélete szerint a fény a nagy tömeg mellett haladva azért hajlik el, mert atömeg görbíti a négykiterjedésu téridot. Eszerint a térben lévo tömeg határozza meg, hogy milyen a téridomértana. Görbíti a téridot a Nap is, ezért hajlik el a mellette haladó fénysugár. Miközben a tömeg szabjameg a téridonek, mint görbüljön, a téridogörbület, amely a tömegvonzásnak is a forrása, határozza meg

9

a tömegek mozgását és a fény terjedését. Nagyság és irány szerint is változik a téridogörbület, tömegtoltávolabb kisebb.

Hogy milyen az adott tömegeloszlásnak megfelelo térido, az Einstein-egyenletek segítségével számít-ható ki. Pontos megoldásuk nagyon nehéz, de néhány egyszer˝u tömegeloszlásra jó közelíto eljárás áll ren-delkezésünkre. Két esetet tárgyalunk, eloször a gömb alakú tömeg által görbített téridot, majd az egyenletestömegeloszlás téridejét.

Gömb alakú tömeg által görbített térido - tömegvonzás. Fény és tömeg egyaránt a legrövidebb úton, agörbült térido ’egyenesei’ mentén mozog, ezért a tömegvonzás is a térido görbületével függ össze. Nézzükmeg, mint görbíti a téridot a Nap. Legyen a Nap a térbeli koordináta rendszer kezdopontjában, így a térbennyugszik, ám közben a negyedik, act tengely mentén egy év alatt fényévnyi távolságot fut be. Eközben aFöld a térben egy kb. 150 millió kilométer, azaz egy kb. 8,5 fényperc sugarú pályán megkerüli a Napot ésközben act tengely mentén szintén fényévnyi utat tesz meg, lásd a 7. ábrát.

a Nap útja a térid ben

a Föld útja a térid ben

1 menetnyi=1 év

TÉR

ID

7. ábra. Földünk a téridoben a Nap tömege által görbített térben mozog. Ugyan a Nap a térbeli koordináta7. ábra. Földünk a téridoben a Nap tömege által görbített térben mozog. Ugyan a Nap a térbeli koordinátarendszer kezdopontjában nyugszik, de a térido negyedik tengelye, act tengely mentén fénysebességgelmozog, egy év alatt fényévnyit téve meg. Ezalatt a Föld a térben a kb. 8,5 fényperc sugarú körpályán ismozog - ekkora a Nap-Föld távolság -, miközben act tengely mentén szintén fényévnyi utat tesz meg.

Látható, a téridoben a Föld csavarmenethez hasonló pályát fut be, ami a Nap által elgörbített téridovonalának felel meg. A vonal görbültsége kicsiny, fényévnyi távolságon fénypercekben mérheto. Elegen-doen kis téridogörbület számításakor az általános relativitáselmélet egyenleteinek megoldása jól közelíthetoazzal, hogy a háromkiterjedésu térben és idoben számolunk és egyúttal bevezetjük a térben lévo tömegekközött ható newtoni tömegvonzási erot. Azaz a tömegvonzási ero a térido tömegektol való függésének kö-zelíto leírásából származtatható le. Így a tömegvonzást mint a négykiterjedésu mértanhoz kötheto hatástértelmezzük.

Annál nagyobb a Nap által létrehozott térgörbület, minél közelebb vagyunk a Naphoz. Naprendszerünkbolygóinak pályáit, a Merkur mozgását kivéve, a newtoni tömegvonzással való számolás nagyon jól vissza-adja. De a Merkur annyira közeli a Naphoz, hogy az ottani téridogörbület már nem mondható elég kicsinek.Emiatt a Merkur pályamozgását a newtoni tömegvonzási ero pontatlanul írja le. Akárcsak a többi bolygó,a Merkur is ellipszis pályán mozog, de napközelbe kerülve egy újabb, az elozotol eltéro helyzetu ellipszispályára tér át. Nagyjából úgy néz ki a Merkur pályamozgása, mintha virág szirmai mentén haladna és a vi-rág közepéhez érve - azaz napközelben - egyik sziromról a másikra csúszna. Az általános relativitáselméletpontosabb közelítése a Merkur pályáját is visszaadja. Ez volt a Nap menti fényelhajlás megfigyelése mellettaz általános relativitás elméletének egy másik megfigyelheto bizonyítéka.

Gömb alakú tömeg által görbített térido - az ido lassulása. Ha a gravitációs tér nagyobbá válik, azazminél közelebb kerülünk egy tömeghez, annál jobban lassulnak a mozgások, így a rezgések is, azaz las-sabban telik az ido. Emiatt az óra a Föld felszínén lassabban jár, mint magasabban. Mindez független attól,

10

milyen órával mérünk, mert nem az órák tulajdonságainak, m˝uködési elvének következménye. Az ido telikmáshogyan.

Sikerült megmérni, hogy a Föld felszínén nagyobb magasságban az órák gyorsabban járnak. Egy igenérzékeny magfizikai jelenséget, a Mössbauer hatást kihasználva egy víztoronyban mérték meg, hogy 10méterrel magasabban az általános relativitáselmélet által megjósolt módon telik gyorsabban az ido. A mértkülönbség az ember, mint élolény számára elhanyagolhatóan kicsiny, de gyakorlati jelentosége is van. Haa világurben keringo muholdak által sugárzott órajeleket vizsgáljuk és azokat értékeljük, számolni kellazzal, hogy itt és fenn a muholdakon az órák máshogyan járnak. Ezt a GPS-jeleket kiértékelo rendszernekfigyelembe kell vennie.

Az M tömegu gömb által meghatározott térido fontos jellemzoje arc = 2GM/c2 Schwarzschild sugár,aholG a gravitációs állandó. Ha azM tömegu test a Schwarzschild sugarán belül található, akkor a körü-lötte lévo térido annyira görbült, hogy még a fénysugár sem hagyhatja el. A fekete lyuknak nevezett csillagilyen állapotban van, ezzel a csillagfejlodés tárgyalásakor foglalkozunk majd.

Térido egyenletes anyagsuruség esetén.Einstein általános relativitáselméletének alapegyenletei akár avilágegyetem egészének viselkedését is leírhatják. A 300 millió fényéves élu kockákra osztott világegyetemjó közelítésben végtelen, anyaggal egyenletesen kitöltött térnek fogható fel. Erre az esetre az Einstein-egyenletek megoldása a táguló, vagy összehúzódó tér. Köztes, állandó állapot nem lehetséges.

Einsteint mélyen megdöbbentette, hogy elmélete nem adja vissza a mindenki által akkor elfogadott new-toni, állandó állapotú világegyetemet. Akárcsak mások,o is hitt a Mindenség állandóságában és emiatt azegyenleteibe bevezette a tömegek közötti taszítást leíró kozmológiai állandó. De hamarosan kiderült, hogya kozmológiai állandóval kibovített elmélet sem írhat le állandó állapotú világegyetemet. Már a legkisebbingadozás is képes a finoman kiegyensúlyozott világegyetemállandóságát megszüntetni és a világegyetemelkezd tágulni, vagy össze felé húzódni.

Gravitációs hullám. Mivel a térido görbületét a térben lévo tömegek eloszlása határozza meg, a tömeg-eloszlás módosulása a téridogörbület változásával jár együtt, amely fénysebességgelmozgó gravitációshullámként terjed. Gravitációs sugárzásként, gravitációs hullámok energiájaként észlelheto, hasonló azelektromágneses sugárzáshoz. Ha a Nap ebben a pillanatban eltunne, ránk való hatását, a Föld szabaddáválását 500 másodperc múlva észlelnénk, ennyi ido alatt érne ide a gravitációs hullám. A bolygók moz-gása miatt a Naprendszer is gravitációs sugárzás forrása, ám ez a két egymás körül keringo csillag általkibocsátott gravitációs sugárzáshoz képest nagyon gyenge. További fontosabb gravitációs hullámforrás aszupernóva robbanás. A két csillag egymásba olvadásakor keletkezo gravitációs hullám már észlelhetolehet.

Eddig a gravitációs hullámok létérol csak közvetve sikerült tudomást szerezni. Éveken át figyeltékegy kettoscsillag viselkedését és sikerült megmérni, hogy a gravitációs kisugárzásukkal vesztett energiamiatt miként változott meg a keringésük ideje. Pontosan egyezik a mért és számolt energiaveszteség és afelfedezok 1993-ban Nobel-díjat kaptak. A világurbe telepített lézerfényes méroberendezéssel a gravitációshullámok kimutatása közvetlenül is sikerült. Ha a lézerfény útját gravitációs hullámzás keresztezi, a téridováltozása módosítja a lézerfény interferenciára való képességét. Ahogy no a lézerfény által befutott út,úgy növekszik a berendezés érzékenysége. 2016 februárjában jelentették be két, a a Földtol 1,3 milliárdfényévnyire lévo fekete lyuknak nevezett csillag egymásba olvadásának megfigyelését.

3. Kisvilágtan

Newton törvényei az érzékszerveink által érzékelheto méretek világában érvényesek, ebbe beleértjük a táv-csöveinkkel és mikroszkópokkal tanulmányozható világot is. Nagyon jól alkalmazhatóak, ha a következo

11

három feltétel teljesül: a tárgyak sebessége jóval kisebb,mint a fénysebesség, a tömegek nem túl nagyok ésa méretek nem túl kicsik. Ha a sebesség a fénysebességgel összemérheto, akkor a négykiterjedésu téridoreépíto speciális relativitáselméletet, ha a tömegek túl nagyok,a tömegek téridot görbíto hatását leíró általá-nos relativitáselméletet kell alkalmaznunk. Newton törvényei nagyon kis méretekre sem jók, mert a világkicsiben nem olyan, mint nagyban. Másféle törvények szabályozzák a kisvilág (mikrovilág), az óriásmo-lekulák és a náluk kisebb rendszerek mérettartománya világának viselkedését, például nem beszélhetünkpálya mentén mozgó részecskérol. A kisvilág törvényeit a kisvilágtan (kvantummechanika) fogalmazzameg, ennek néhány jellegzetességét ismertetjük.

3.1. Hullámtermészet - részecskék ’fényképezése’

A kisvilági részecskék és rendszerek megfigyelése körülményesebb, mert akkor kaphatunk róluk éles képet,ha a megvilágításhoz használt fény hullámhossza a tárgy jellemzo méreténél jóval kisebb. Minél kisebb amegvilágító hullámhossz, annál pontosabb és részletesebba kép. Ha a fény hullámhossza közel akkora,vagy nagyobb, mint a vizsgált tárgy, akkor is kapunk képet, lásd a 8. ábrát. Ez az úgynevezett elhajlási(diffrakciós) kép alkalmas arra, ha a részleteket nem is, delegalább a tárgy méreteit, alakját meg tudjukhatározni.

8. ábra. Fényelhajlás korongon. Ha a mérete összemérheto a megvilágító fény hullámhosszának méretével,akkor a képe az ernyon nem csupán egy korong, hanem ekörül még egy gyurus szerkezet is megjelenik. Haa hullámhosszat csökkentjük, a gyurus szerkezet eloször surusödik, majd egy ido után elenyészik és marada korong pontos képe.

A kisvilági részecskék és rendszerek megfigyeléséhez szükséges hullámhosszú sugárzás eloállítása ne-héz és bizonyos méretek alatt szinte lehetetlen. Szerencsére nem csupán sugárzást, hanem tömeggel ren-delkezo részecskéket is használhatunk a kisvilági tárgyak, a molekulák, atomok, atommagok és a náluk iskisebbek ’fényképezéséhez’, mivel a kisvilágtan szerint arészecske is rendelkezik hullámtulajdonságokkal.Egy m tömegu részecske hullámhossza, az ún. deBroglie hullámhosszλ = h/mv ahol h a kisvilágtanalapveto állandója, a Planck állandó ésv a részecske sebessége. A bombázó részecske hullámtulajdon-sága a következoben nyilvánul meg. Ha nagyszámú részecske bombázza a fentikorongot, a mögötte lévoernyon a becsapódó részecskék sokasága ugyanolyan ábrát rajzolki, mint amilyet az adott tárgyra eso, abombázó részecskeλ hullámhosszával azonos hullámhosszú fénnyel kapnánk. Nagyobb tömegu részecskehullámhossza kisebb. Minél nagyobb tömegu a test, annál kisebb a hullámhossza. Amint a test méreteimeghaladják a hullámhosszát, a hullámtermészetre utaló viselkedés elmosódik. Hullámszeru viselkedés azigen kis tömegu, elhanyagolható méretu részecskéktol, mint például az elektrontól várható.

Elektronok hullámtulajdonságát felhasználó fényképezo berendezés az elektronmikroszkóp is, amelyfelgyorsított elektronokkal készít felvételeket. Részecskenyalábokat gyorsítókban hoznak létre. Nagyobbenergiára gyorsítva kisebb hullámhosszú részecskéket kaphatunk, így a vizsgált tárgyról jobb felbontásúfelvételeket tudunk készíteni. Ha egy részecskét pontszerunek tekintünk, ez azt jelenti, hogy a világ leg-nagyobb energiájú gyorsítójának nyalábját használva sem látszik a mérete, azaz kisebb, mint amekkorátgyorsítóval jelenleg észlelni, ’látni lehet’.

Ahogyan gyors elektronokkal kép alkotható, úgy a 20 km magasságban keletkezo, a Föld felszínéreérkezo igen nagy számú gyors müon is felhasználható felvételek készítésére. Segítségükkel röntgenfelvé-

12

telhez hasonló kép készítheto az 2011 márciusában erosen megrongálódott fukusimai atomreaktorok bel-sejérol. Mivel a müonok a magasabb rendszámú elemek, így az urán atommagján erosebben szóródnak, akapott kép megmutatja, hol és milyen állapotban van a reaktormag. Három fukusimai reaktor sérült meg,magjaik homérséklete annyira megnott, hogy megolvadtak. 2015 márciusában közölték az elso reaktor mü-onfelvételét. Az urántöltet nem látszik. Mivel a felvételen a tartály feneke nem látható, nem lehet tudni,hogy vajon a megolvadt urán a tartályban van-e még, vagy pedig az magas homérsékletu uránolvadék meg-olvasztva a tartály alját, a tartályon kívül lefelé tart az épület betonalapjában vagy már kijutott az épületbolis és süllyed lefelé.

Interferencia - kétréses kísérlet. Az elektron vagy más részecske hullámszeru viselkedését nemcsak azakadályon való elhajlás, hanem interferenciára való képességük is mutatja. Képzeljük el, hogy fénysugárvagy elektronok nyalábja halad át a két vékony párhuzamos rést tartalmazó lemez résein. Tegyünk a lemezmögé filmet, melyen a becsapódó elektron foltot hagy. Ha egy ido után megnézzük, milyen a kép azelektronnyalábbal való bombázás után, a következot látjuk.

elektron

9. ábra. Kétréses interferencia. Kétlyukú lemezen elektro9. ábra. Kétréses interferencia. Kétlyukú lemezen elektronok haladnak át. Ugyanolyan eloszlási képetalakítanak ki a lemez mögötti filmre becsapódó elektronok, mint amilyet a kétlyukú lemezen átjutó azonoshullámhosszú fény hozott volna létre.

Akár az áthaladó fény, az elektronnyaláb is interferenciaképet mutat, lásd a 9. ábrát. A két résenátjutó elektronnyaláb pontosan olyan képet rajzol ki, mintha fényforrással világítottuk volna meg a két résttartalmazó lemezt. Ez alátámasztja deBroglie elképzelését, miszerint részecske is viselkedhet hullámként.Ha az érzékelo elektronokat számláló apróbb csövek sokasága, ugyanezt az eloszlási képet kapjuk, csakekkor a becsapódások gyakorisága rajzolja ki a hullámszer˝u viselkedést mutató interferenciaképet.

Gyengítve az elektronnyalábot, lojünk ugyanannyi elektront a két rést tartalmazó lemezre. Mivel azelektronnyalábban másodpercenként kevesebb elektron repül, hosszabb ideig tart a kísérlet. Ám a lemezmögötti elektroneloszlás képe nem változik. Akkor is ugyanaz marad az interferenciakép, ha annyira le-csökkentjük az elektronnyaláb erosségét, hogy egyszerre csak egy elektron haladhat át a lemez résein. Amegfigyelt jelenség csak azzal magyarázható, hogy az elektron úgy jut a lemez mögé, mintha hullámkénthaladna át a két résen.

Ha két rés helyett két korongot bombázunk, ugyanúgy interferenciaképet kapunk. Ha egy összetett rend-szert elektron vagy más részecske bombázásával vizsgáljuk, megtudhatjuk, mik vannak benne és hogyanhelyezkednek el az alkotórészek.

3.2. Határozatlansági összefüggés

Mint a 1.2. szakaszban tárgyaltuk, a fény véges hosszúságú hullámcsomagként terjed, ezt a fénysebességgelterjedo hullámvonulatot nevezzük fotonnak. Ha a gerjesztett atoméletidejet -ez közelítoleg a kisugárzási

13

idotartamnak felel meg-, akkor a foton mérete, a hullámcsomaghozzávetoleges hosszact. Ekkora bizony-talansággal mondható meg, hogy hol van a foton, act szakasz hosszúsága egyúttal a foton∆x helybizony-talanságának is tekintheto. A gerjesztett atom által kisugárzott foton lendülete sempontosan meghatározottértéku, hanem sávvá szélesedett, bizonytalansága∆p = h/ct lesz. Emiatt a két bizonytalanság szorzatalegalább akkora, mint ah Planck állandó, képlet szerint∆p ∗∆x ≥ h. Ezt a fotonra felírt határozatlanságiösszefüggés.

Mivel a részecske a hullámként viselkedik, a szabad elektron térbeli terjedését is a 2. ábrán láthatóhullámcsomag írja le. Az atomba kötött elektron térbeli viselkedését az atom térfogatán belül kialakuló,állóhullámhoz hasonló alakú ’csomag’ jellemzi. A hullámtermészet miatt a fotonra fent levezetett hatá-rozatlansági összefüggés a részecskékre, így az elektronokra is érvényes. Ezért például az atomban lévoelektronnak nem lehet egyszerre pontos helye és lendülete,ezért az atomi elektronnak pályája sincs. Ha ahelyét tetszoleges pontossággal ismerjük, akkor nem tudhatjuk, mekkora az elektron lendülete. Hasonlóan,a lendületét ugyan tetszoleges pontossággal megismerhetjük, de akkor nem tudhatjuk, hol van az elektron.Ha egyszerre határozzuk meg a helyet és a lendületet, akkor akét mennyiség bizonytalanságának szorzatalegalább akkora, mint ah Planck állandó.

Nem csak a helyre és a lendületre, hanem más fizikai mennyiségek párjaira is léteznek határozatlanságiösszefüggések. Tekintettel a késobbiekre, a folyamat idotartamára és energiabizonytalanságára vonatkozóa legfontosabb. Fotonra a fenti összefüggéseket felhasználva megmutatható, hogy a foton kibocsátási ide-jének és a foton energiabizonytalanságának a szorzata éppen ah Planck állandó. Hasonlóan kapható, hogybármely állapotτ élettartamának és∆Eh energiabizonytalanságának szorzata nem lehet kisebb, mint a hPlanck állandó, azaz∆E ∗ τ ≥ h.

Van-nincs (virtuális) részecskék. Az állapot energiabizonytalanságára és élettartamára vonatkozó kap-csolat képtelennek tuno jelenségeket is megenged. Nagyon rövid idoszakon belül az energiamegmaradás ismegsérülhet. Akár úgy is, hogy a teljesen üres térbol részecske bukkan elo. Ez egyrészt azzal sérti az ener-giamegmaradás tételét, hogy a részecskének tömege is lehet, és azE = mc2 összefüggésnek megfeleloena sérülés legalább ekkora. Továbbá a kipattant részecskének mozgási energiája van, amely tovább növeliaz energiamegmaradási tétel sérülését. Minél nagyobb a kipattanó részecske tömege, aDeltaE ∗ τ ≥ hhatározatlansági összefüggés értelmében annál rövidebb ideig létezhet és emiatt annál kisebb távolságokatképes befutni.

A térbol csak úgy kipattanó részecskét van-nincs részecskének nevezhetjük. Létük közvetlen mérésselnem mutatható ki, de a megengedett igen rövid idon belül tényleg léteznek, hatásuk észlelheto. Van-nincsrészecskék mindenütt, mindenhol állandóan keletkeznek, majd eltunnek. Létezésük, állandó keletkezésükés eltunésük miatt az üres tér nem tekintheto igazán üres térnek.

3.3. Schrödinger-egyenlet

A kisvilágtan (kvantummechanika) alapegyenlete a Schrödinger-egyenlet, amely a hullámszeru viselkedéstmegadó függvénynek, az ún. hullámfüggvénynek az idobeli fejlodését adja meg. Például a hidrogénatom-ban lévo elektront az elektron hullámfüggvénye írja le. Valamennyi, a rendszert jellemzo érték kiszámolhatóa rendszer hulllámfüggvényének segítségével.

A hullámfüggvény nem mérheto közvetlenül, pedig az elektron térben szétterülo hullámfüggvényéregondolva azt várhatnánk, hogy a különbözo pontokban elhelyezett méroberendezések egyidoben jelezhet-nék az elektront. Ilyet még sohasem sikerült megfigyelni, azelektront, és ezzel a hullámfüggvényét iscsak egyetlen pontban észlelhetjük. Ezt úgy magyarázható,hogy a mérés pillanatában a hullámfüggvényösszeomlik, egyetlen pontjára zsugorodik. Az összeomlás valós, kísérletileg igazolt jelenség.

Ha a hullámfüggvény által megadott atomot, atommagot és máskisvilágbeli rendszert jellemzo mennyi-ségeket, mint az energiát, perdület, a lendület és a helyet mérjük, csak ritkán kapunk meghatározott értéket.

14

Ha adott fizikai mennyiség értékére vagyunk kíváncsiak, a hullámfüggvény csak azt határozza meg, hogymik lesznek a lehetséges értékei, és melyik értékre milyen valószínuséggel számíthatunk. Méréskor azadott fizikai mennyiségre a lehetséges értékek közül bármelyik adódhat. Nem tudhatjuk elore, mikor éppenmekkora lesz ez a mennyiség, ez igazi véletlen. Csak az egyesértékek mérésének valószínuségét hatá-rozza meg a hullámfüggvény. Például a hullámfüggvény a részecske pontos helyét nem tudja megadni, dea részecske egy adott pontban való tartózkodásának valószínusége a hullámfüggvény adott helyen felvettértékének négyzetével arányos.

Ha egy molekula vagy atom állapotáról az adott pillanatban mindent tudok, amit tudhatok, ez a minden-tudás akkor sem jelenti, hogy megmondhatnám, pontosan milyen mennyiségek jellemzik majd a következopillanatban. A gerjesztett állapotban lévo molekuláról azt tudhatjuk, hogy az alacsonyabban fekvo állapo-tok közül melyekbe és mekkora valószínuséggel bomolhat. De hogy a bomlás pontosan mikor következikbe, nem tudhatjuk, csak azt, hogy várhatóan meddig marad a gerjesztett állapotban. A bomlás felezési idejeazt jelenti, hogy ezalatt a gerjesztett állapotban lévo molekulák fele bomlik el.

Csak akkor használható a Schrödinger-egyenlet a kisvilág jelenségeinek leírására, ha a részecskék se-bessége viszonylag kicsi. Ha a sebességek összemérhetok a fénysebességgel, akkor a relativisztikus tárgya-láshoz a négykiterjedésu téridoben megfogalmazott hullámegyenletet, a Dirac-egyenletet kell használnunk.

Atomszerkezet. Az atomszerkezet a kisvilágtan segítségével értelmezheto. Most csak a hidrogénatomszerkezetével foglalkozunk. A hidrogénatom a közepén lévo hidrogén atommagból, ez épp a proton, és akörülötte lévo elektronból áll. Nem mondhatjuk azt, hogy az elektron a proton körül kering, mivel nincspályája.

Csak bizonyos meghatározott energiájú állapotokban leheta hidrogénatom elektronja, hullámfüggvé-nyét az atommagot burkoló állóhullámhoz hasonlíthanánk. Minél erosebben kötött az elektron, a hullám-függvénye annál közelebb van az atommaghoz. A legalacsonyabb energiájú, azaz a legjobban kötött állapota hidrogénatom alapállapota. Mivel az atomi és molekulapályák energiái csak meghatározott értékeket ve-hetnek fel, gerjesztéskor csak olyan fotont nyelhet el az atom, amelynek energiája éppen két atomi vagymolekulapálya közötti energiakülönbséggel egyenlo. Az alapállapotban lévo elektron, ha olyan fotont nyelel, melynek energiája éppen az alapállapot és egy magasabb energiájú állapot közötti energiakülönbségnekfelel meg, akkor az elektron a magasabb energiájú pályára, gerjesztett állapotba kerül. Ha a hidrogénatomgerjesztett állapotban van, legerjesztodik. Ekkor fotont bocsát ki, melynek energiája a gerjesztett állapot ésaz alapállapot energiája közötti különbséggel egyenlo.

Alagúthatás - áthaladás falon. Képzeljük el a következo esetet. A tuzhányó csúcsán, a bemélyedésbenvan egy golyó. Mivel magasan van, nagy a helyzeti energiája.Ha kijuthatna a bemélyedésbol, a hegy lábáiggurulva nagy sebességre gyorsulhatna fel. De a newtoni törvények szerint a golyó magától semmiképpensem juthat ki. Viszont a kisvilágban az ilyen helyzetu részecske kiszabadulhat.

Vizsgáljuk meg a radioaktívα-bomlás esetét. Ekkor az atommag egyα-részecskét kibocsátva alakulmásik atommaggá. Nem más azα-részecske, mint a két protonból és két neutronból álló hélium atom-mag. Bomlásra képes atommagban azα-részecske a bomlás elott a bemélyedésben lévo golyó állapotáhozhasonló. Ha azα-részecske az atommag belsejébol a perem felé tart, taszító ero uzi vissza az atommagbelsejébe. Csak akkor hagyhatja el az atommagot, ha átjut ezen a gáton.

Kijutását, azα-bomlást azα-részecske hullámtermészete teszi lehetové. Ha csak golyó lenne, a faligjutva onnan lepattanna és ide-oda pattogva bezárva maradna. De azα-részecske mint hullám, felülethezérve, nemcsak visszaverodhet, hanem be is hatolhat a közegbe. Akár a fény, mely részben visszaverodika felületrol, részben viszont behatol a felület anyagába. Ha ez a közegvékony, a fény egy része átjutrajta. Akár a vékony tükrön áthatoló fényhullám, azα-részecske is áthatolhat a gáton. Mintha alagutattalálna. Minél magasabb, szélesebb ez a gát, az áthatolás, azaz azα-bomlás valószínusége annál kisebb.

15

4,51 milliárd év az238U atommagjának bomlásának felezési ideje. Átlagosan ennyi idobe kerül, míg egyα-részecske kijuthat az238U atommagjából.

3.4. Az eroterek kisvilágtani eredete - kvantumtérelméletek

Erok, eroterek segítségével írjuk le a kölcsönhatásokat, legalábbis az érzékelheto méretekben. Például azelektromosan töltött részecskék közötti eroket elektromos erotérrel tárgyaljuk. Hasonlóképpen beszélhe-tünk a mágneses és a gravitációs erotér létezésérol. Kiderült, ha a kölcsönható részecskék nagyon közelkerülnek egymáshoz, vagy ami ugyanazt jelenti, lásd a 3.2. szakaszban, hogy nagyon gyorsan mozognakegymáshoz képest, az erotérrel való tárgyalás nem kielégíto. Ekkor a kölcsönhatás a az ún. kvantumtérel-mélet segítségével írható le. Az elektromágneses tér kvantumtérelmélete a kvantumelektrodinamika.

e e1 2

virtuálisfoton

10. ábra. Két nagyon gyors elektron, jelölésük10. ábra. Két nagyon gyors elektron, jelölésüke1 ése2, közvetíto részecske, egyetlen van-nincs (virtuális)foton segítségével kerül kölcsönhatásba egymással. Azaz az energiát és lendületet egy van-nincs foton visziát egyik elektronról a másikhoz.

Ha két részecske, mondjuk két elektron rugalmasan ütközik,mindkét elektronnak megváltozik a sebes-sége. A kvantumtérelmélet szerint a két elektron közötti kölcsönhatást, az energia és lendület átadását egy,a térben kipattanó van-nincs foton közvetíti, lásd a 10. ábrán. Ha a két elektron egymáshoz képest nagyongyorsan mozog, azaz csak igen rövid ideig vannak egymás közelében, akkor csak egyetlen van-nincs fotoncseréjére van ido. Ha a mozgás lassabb, a két közvetíto fotonos folyamatok is végbemennek. Minél lassabbaz ütközés, a több közvetíto fotonos folyamatok annál fontosabbak lesznek.

Ha az ütközés nem túl gyors, a kölcsönhatás leírásához a nagyon sok foton cseréjével járó folyamatokatis figyelembe kell venni. Ekkor a hagyományos fizikából jól ismert eroteres leírás már nagyon jó közelítés.Erotérrel, az atommag és az elektronok között ható Coulomb erokkel tárgyalhatjuk az atomok viselkedésétis, mert a kvantumelektrodinamikai hatások csak nagyon kisjárulékot adnak a hidrogénatom Coulomb-erovel számolt energiaszintjeihez. Figyelembe véve a kvantumelektrodinamikai járulékokat is, a számoltenergiaszintek tíz értékes jegyig egyeznek a kísérleti értékekkel. Ez az egyezés az elméleti fizika egyikcsúcsteljesítménye.

Ha valahol elég sok energia áll rendelkezésre, például bomlik az atom gerjesztett állapota, akkor afelszabaduló energiát egy kipattanó van-nincs foton veszifel és mint valós foton távozik.

Valamennyi kölcsönhatást van-nincs részecske közvetíti.Az általunk jól ismert foton, fényként észleltfoton valódi foton. Van-nincs részecske, így a van-nincs foton megjelenése is, az energia és lendület meg-maradási tételek megsértésével jár együtt. Amint a van-nincs részecske elnyelodik, a megmaradási tételeksérülése megszünik. Minél nagyobb a keletkezett van-nincsrészecske energiája, annál rövidebb az élet-tartama. Ennélfogva minél kisebb a van-nincs részecske tömege, annál nagyobb az általa közvetített erohatótávja. Ugyanis a nagy tömegu van-nincs részecske felbukkanásához a tömegének nagysága miatt elevetöbb energia kell. Emiatt a nagy tömegu van-nincs részecske, mivel csak rövidebb ideig létezhet, csupánrövidebb utat futhat be, ezért az általa közvetített ero is rövidebb hatótávú. Ha a közvetíto részecske tömegenulla, akkor, akár a foton, fénysebességgel mozog és az ero végtelen hatótávú lesz.

16

Casimir-hatás. Meggyozoen bizonyítja a van-nincs fotonok létezését a Casimir-hatás. Ismert az elekt-romosságtanból, hogy két fémlemez között csak olyan elektromágneses tér létezhet, amely a lemezekeneltunik, azaz lemezen a térerosség nulla. Ezért a lemezek között a tér hullámainak nem lehet akármekkoraa hullámhossza. Csak olyan hullámhossz fordulhat elo, amelyeknél a két lemezen a hullám kitérése nulla.Ezért a legnagyobb eloforduló hullámhossz a két párhuzamos lemez esetén a távolságuk kétszerese, ekkoréppen egy félhullámhossz van a lemezek között. Ennek a fele,harmada, negyede, stb. lesz a többi megen-gedett hullámhossz, lásd a 11. ábrát. A lemezre eso és onnan visszaverodo foton lendületet ad át és ezzelerot gyakorol a lemezre. Ez a jelenség jól ismert, a szabadon lebego tükör az általa visszavert fény hatásáraelmozdul.hatására elmozdul.

b rmilyen

hullámhossz islehetséges

kívülr l

11. ábra. Casimir-hatás. Két fémlemez között csak olyan elek11. ábra. Casimir-hatás. Két fémlemez között csak olyan elektromágneses tér létezhet, mely eltunik alemezeken és ez korlátozza, hogy milyen hullámhosszú fotonok lehetnek a lemezek között. Mivel a kívülkeletkezo van-nincs fotonok hullámhosszaira nincs korlátozás, kintrol több hullám ütközik a lemezeknekés ezek nyomóereje összefelé nyomjaoket.

Mint hullám, a van-nincs foton valódi fotonként viselekdik, ugyanúgy rendelheto hozzá hullámhossz.Ha a teljesen üres térbe két párhuzamos fémlemezt rakunk, ezmegváltoztatja a térben kipattanó és eltunovan-nincs fotonok viselkedését, ugyanis a két lemez közöttcsak a fent megadott hullámhosszú van-nincs fo-ton keletkezhet. Mivel a lemezeken kívül lévo térben a van-nincs fotonok hullámhosszára nincs korlátozás,ezért a lemezekbe kívülrol több van-nincs foton ütközik, mint belülrol. Emiatt a lemezeket összenyomó erolép fel, amelyet kísérletileg is kimutattak és az erot és nagysága éppen akkora, amekkorát Casimir kvantum-elektrodinamikai számolása megjósolt. Nemrég mutatták kia már korábban megjósolt dinamikus Casimirjelenséget. Eszerint mozgó tükör esetén a van-nincs fotonok közül egyesek valóssá válnak, emiatt a teljesenüres sötét térben fényfelvillanások észlelhetok.

3.5. Elemi részecskék

Sok-sok egymástól különbözo test van a természetben, de ez a sokféleség néhány alapveto részecske kü-lönféle csoportosulásának tulajdonítható. Kulcskérdés,mik az elemi részek. Eleminek a tovább már nemosztható, belso szerkezet nélküli, bármely eddig elvégzett kísérletben pontszeruen viselkedo részecskéttartjuk. Bár az elemi részeket kiterjedés nélkülinek tekintjük, mégis lehet saját perdületük, amit spinnekneveznek.

Általánosan, ez nem csak elemi részekre vonatkozik, egy részecske spinje a kisvilágtan szabályai szerinta megfelelo egységben csak feles vagy egész értéku lehet. A feles spinu részecskék neve fermion, az egészspinuek neve bozon. Az elektron is fermion. A Pauli elv szerint egy adott állapotban egyszerre csak egyfermion lehet. Az egész spinu részecskéket bozonoknak nevezzük. Bozonokra nem igaz a Pauli-elv, egyadott állapotban akárhány lehet közülük.

Elemi részecskék osztályozása.Az elektron elemi részecske. Az atommagokat más atommagokkal bom-bázva fedezték fel, hogy az atommag pozitív töltésu protonokból és a körülbelül ugyanolyan tömegu, elekt-

17

romosan semleges neutronokból áll. Sokáig elemi részeknektartottákoket, de késobb kiderült, hogy aproton és neutron sem elemi részecske, mivel véges a térbelikiterjedésük és más összetettségre, szerkezetreutaló tulajdonságuk is van. Belsejüket, akárcsak az atom szerkezetét, ütköztetésekkel sikerült feltárni. Ami-kor nagyon nagy energiájú, azaz nagyon kis hullámhosszú elektronokkal ’fényképezik’ a protont és a neut-ront, lásd a 3.1. szakaszt, a kapott kép szerint a proton pontszerunek veheto, elektromosan töltött részecs-kéket tartalmaz. Kvarkoknak nevezikoket, pontszeruek, legalább is ha5 ∗ 10−18 centiméternél nagyobbméretuek lennének, azt már észlelnénk. A proton és neutronegyaránt három kvarkból áll. Tört töltésuek,azu kvark töltése a proton töltésének 2/3 része, ad kvark töltése -1/3 proton töltés. A proton kétu és egyd, a neutron kétd és egyu kvarkból áll. Szabadon kvarkok nem fordulhatnak elo. Ezt a tapasztalati tényt akvarkok közötti kölcsönhatást vizsgálva lehet megérteni.

A hetvenes évekre elfogadottá vált, hogy csak kétféle, az anyag építokövének veheto elemi részecskelétezik, a lepton és a kvark. A leptonok közé az elektron mellett még a neutrinó tartozik, de vannak náluknehezebb leptonok is. Lepton a korábban már említett müon is. A neutrinót az atommagβ bomlásábanfedezték fel.β-bomláskor az atommag töltése eggyel változik, miközben a protonjai és neutronjai számánakösszegét megadó tömegszám változatlan marad. Ennek során az atommag egy protonja neutronná, vagyegy neutronja protonná alakul át. A neutrinó töltés nélküli, nagyon jó közelítéssel fénysebességgel mozgórészecske. Tömege az elektron tömegének alig milliomod része lehet. Igen nehéz észrevenni, mert azanyaggal csak nagyon ritkán hat kölcsön. Egy köbcentiméterben minden pillanatban 340 neutrinó vanjelen, túlnyomó többségük észrevétlenül hatol át az anyagon.

A világegyetem anyagának túlnyomó része elektronból, az ún. elektron-neutrinókból,u ésd kvarkok-ból, illetve a belolük felépült protonok és neutronok alkototta atommagokból áll. Ez a négy elemi részecskeegy részecskecsaládhoz sorolható és ehhez hasonló két további részecskecsalád is létezik, lásd a 1. táb-lázatot. Hogy miért nem csak egy, hanem három ilyen család van, nem ismert. A második családhoz azelektronhoz hasonló, de annál több mint kétszázszor nehezebb és bomlékony müon, a müon-neutrinó, ac kvark éss kvark tartozik. A harmadik család tagjai az elektronhoz és müonhoz hasonló, de azoknáljóval nehezebb és bomlékony tauon, a tau-neutrinó valaminta t ésb kvark. Valamennyi olyan részecskebomlékony, melynek összetevo kvarkjai között a második vagy harmadik részecskecsaládhoz tartozó is van.

elektron -1 u 2/3elektron-neutrinó 0 d -1/3

müon -1 c 2/3müon-neutrinó 0 s -1/3

tauon -1 t 2/3tau-neutrinó 0 b -1/3

1. táblázat. Az anyagi építoköveknek tekintheto elemi részek táblázata. Elso oszlopban a leptonok, har-madik oszlopban a kvarkok találhatók. Második és negyedik oszlopban a részecskék elektromos töltéséttaláljuk. Három részecskecsalád van, a vízszintes vonalakválasztják eloket egymástól.

Elemi rész a kvarkokon és leptonokon kívül még a foton és néhány, hozzá hasonló, ám tömeggel isrendelkezo bozon. A spinjük egész értéku és az alapveto kölcsönhatásokban van szerepük, lásd késobb.Ahogyan már a 3.1. részben tárgyaltuk, a foton az elektromágneses sugárzás adagja. Elemi részek még anulla spinu, skalár részecskének nevezett bozonok.

Ellenrészecskék. Az ellenrészecske (antirészecske) létezését a Dirac-egyenlet, lásd a 3.3. szakaszt, jó-solta meg. Részecske és ellenrészecske mindenben, tömegükben és másban is azonos, kivéve a töltéseiket,ezek ellentétesek. Megjegyzezzük, vannak az elektromos töltésen kívül másféle töltések is. Az elektronnalegyébként teljesen azonos tulajdonságú, ám vele ellentétes töltésu ellenrészecske, a pozitron. Legtöbb ré-szecskének van ellenrészecskéje, csak a töltés nélkülieknek, ilyen a foton, nincs ellenrészecskéje. A kvark

18

ellenrészecskéje az ellenkvark, a protoné az ellenproton,a neutroné az ellenneutron. Bár a neutron és ellen-neutron elektromos töltése egyaránt nulla, az ún. bariontöltésükben ellentétes, mert a neutron kvarkokból,az ellenneutron pedig ellenkvarkokból áll.

e

e

−

+

fotonfoton

12. ábra. Ha elektron és pozitron találkozik, mindketten megsemmisülnek. Energiá12. ábra. Hae− elektron ése+ pozitron találkozik, mindketten megsemmisülnek. Energiájukat két ellentétesirányba repülo, egyenlo energiájú foton viszi el.

Ha a részecske és ellenrészecskéje egymással találkoznak,megsemmisülnek és a tömegüknek megfeleloenergia sugárzásként távozik. Például ha elektron és pozitron találkozik, mindketto eltunik és a tömegük-nek megfelelo energiát két akkor keletkezo foton viszi magával, lásd a 12. ábrát. Mivel részecskék ésellenrészecskék megsemmisülhetnek, az anyag nem elpusztíthatatlan. Így nincs anyagmegmaradás, hiszenpéldául az elektron és pozitron megsemmisülésekor tömegektunnek el. Hasonlóan, nagyenergiájú fotonokelektron-pozitron párt keltve is veszíthetnek energiát, azaz energiából tömegek keletkezhetnek. Csak azenergia marad meg és az energiamérleget elkészítve figyelembe kell venni azE = mc2 összefüggésnekmegfelelo energiákat is, lásd a 2.1. rész végét.

Töltött részecske, például van-nincs elektron önmagában nem keletkezhet. Ekkor ugyanis megsérülnea töltésmegmaradás törvénye, mely semmilyen körülmények között, rövid idore sem sérülhet meg. Deellenrészecskéjével párban bármelyik van-nincs részecske kipattanhat a térbol. Ekkor az energia- és len-dületmegmaradás tételén kívül más tétel nem sérül meg. Például a van-nincs elektron-pozitron, proton-ellenproton, stb. párok ezért mindig, mindenütt létezhetnek és befolyásolják az egyébként üresnek tekint-heto tér tulajdonságait.

Barionok és mezonok. Mint már említettük, kvarkok szabadon nem fordulhatnak elo, csak részecskékbelsejében. Erre két lehetoség van. Egyrészt hármasával vannak a protonok, neutronokés más, hozzá-juk hasonló, náluk nehezebb részecskék, barionok belsejébe zárva. Másik lehetoség a két összetevobol,kvarkból és ellenkvarkból álló mezon. A protonnál nehezebbbarionok és a mezonok bomlékonyak. Csaknagy energiájú ütközésekben keletkezhetnek és keletkezésután hamar el is bomlanak. Maga a neutron isbomlékony, felezési ideje 10,2 perc. Amint a müon és tauon is, a mezonok, valamint protonnál és neut-ronnál nehezebb barionok csak a világurbol érkezo nagyenergiájú sugárzásban vagy nagyon nagy energiájúgyorsítókban zajló ütközési folyamatokban keletkezhetnek.

4. Az alapveto kölcsönhatások

Ismereteink szerint négy alapveto kölcsönhatás létezik: gravitációs, elektromágneses, gyenge és eros köl-csönhatás. Az elektromágneses tulajdonságok akkor válnakfontossá, ha már az atomok és molekulák szer-kezetére is tekintettel kell lennünk, vagy annyira magas a közeg homérséklete, hogy az atomok szétesésévelaz anyag plazma halmazállapotba kerül.

Csak az atommag illetve annál kisebb méretu rendszerek viselkedését vezérli a gyenge és az eros köl-csönhatás. A protonok és neutronok között ható magerok is az eros kölcsönhatás megnyilvánulásai, ezekaz igen eros erok tartják össze az atommagot. Igen kicsiny az atommagban uralkodó erok hatótávolsága,nem haladja meg az atommag sugarát, ezért két atommag közötta magero szinte csak akkor lép fel, ha akét atommag összeér.

Igazából az eros kölcsönhatás a kvarkok között ható eronek felel meg. A gyenge kölcsönhatás többekközött az atommagβ bomlásáért felelos. A gyenge és az eros kölcsönhatás elméletének megfogalmazásáta szimmetriaelvek felhasználása tette lehetové.

19

4.1. Törvények és szimmetriák

Ha a törvények ismeretlenek, a szimmetriák könnyíthetik meg a jelenség tanulmányozását. Például a jobb-bal szimmetria a felére csökkenti a leíráshoz szükséges adatok számát. A szimmetria fogalmát az egyszerumértani értelmezésen túlra is kiterjesztették. Az egyenletet akkor nevezzük szimmetrikusnak, ha valamelymatematikai átalakítás elvégzése után változatlan marad az alakja. Így azy = x2 egyenlet alakja ugyanazmarad azx → −x, tükrözésnek nevezett átalakítás után. A szimmetria léte megszorítja az egyenlet alakját.Például a tükrözéssel szembeni érzéketlenség azy = x2 + x egyenletre már nem igaz, mivel ez a tükrözésután azy = x2 − x egyenletbe megy át. Minél több átalakítással szemben maradaz egyenlet változatlan,annál rögzítettebb az alakja.

Miközben a szimmetria a törvényt megadó egyenlet alakjára megszorításokat jelent, léte az egyenletetáttekinthetobbé, szabályosabb alakúvá, mondhatni szebbé teszi. MivelMaxwell éppen az egyenletrend-szere szimmetrikussá tételével jutott el az elektromágneses hullámok létezésének feltételezéséhez, lásd a1.2. szakaszban, a természettörvényt megfogalmazó egyenlet szépsége még nagyobb értékké vált. A tör-vények megfogalmazásának további fontos szempontja az egyszeruség. Ha valami kétféleképpen is ma-gyarázható, a fizikus gondolkodás nélkül az egyszerubb, kevesebb feltevést tartalmazó leírást fogadja el.Bonyolultabb leírásra csak akkor fanyalodnak rá, ha az egyszerubb leírás valamilyen új mérési adat értel-mezésére alkalmatlan. A bonyolultabb eleve elvetését a középkori angol filozófus után Occam-elv névenemlegetik.

Ha egy fizikai egyenlet egy átalakításra szimmetrikus, akkor az átalakítás elott és után ugyanazokata jelenségeket írja le. Így például a fizikai alapegyenlet térbeli és idobeli szimmetriájának megkövetelésekomoly megszorítást jelent. Gondoljuk el például, változhat-e a leírt jelenség attól, hol játszódik le. Ha nem,akkor a térben való eltolhatóság érvényes szimmetria. Azaza fizikai egyenlet nem változhat, ha arrébbtoljuk a vonatkoztatási rendszer kezdopontját. Megkövetelhetjük még a relativitáselméletnek megfeleloszimmetriát is, ekkor a tér és ido változók a négykiterjedésu tér változóiként jelennek meg az egyenletben.A Maxwell egyenletek relativisztikusan szimmetrikusak.

Belso szimmetriák. Léteznek a mértani szimmetriákon kívül más, elvontabb szimmetriák is, ezeket azegyenlet belso szimmetriáinak nevezik. Közöttük is vannak olyanok, melyek fontos szerepet játszanak atermészet alapveto törvényeinek megfogalmazásában. Így ha a szabad elektronok viselkedését leíró Dirac-egyenlet hullámfüggvényén egy bizonyos egyszeru matematikai átalakítást végzünk, és megköveteljük aszimmetriát, kiderül, hogy ez csak akkor lehetséges, ha léteznek a Maxwell-egyenletek által leírt elektro-mágneses jelenségek. Így a teljes elektrodinamika, és a Coulomb kölcsönhatás alakja is a Dirac-egyenletegy szimmetriájának folyománya.

Másfajta, kissé bonyolultabb belso szimmetriákon alapul a gyenge és eros kölcsönhatás valamint azún. nagy egyesített elmélet megfogalmazása is. Hangsúlyozni kell, nem tudjuk, miért pont ezek a belsoszimmetriák a fontosak. Nem a legegyszerubbek, van hozzájuk hasonló szimmetria boséggel, de azok atermészet leírásában nem játszanak szerepet. Továbbá meg kell mondani azt is, a szimmetriák, bár rögzítikaz egyenletek, erotörvények alakját, nem mondanak semmit arról, miért éppenakkorák az elemi részektömegei és a kölcsönhatások erosségei, mint amilyenek. Távol vagyunk attól, hogy tökéletes, befejezett,végso elméletrol beszélhessünk.

Szimmetriasértések. A természettan alapegyenleteinek nemcsak a szimmetriái, hanem azok sérülései ismatematikailag leírható törvényszeruségeket követnek.A megsérülo szimmetria mértani vagy belso szim-metria egyaránt lehet. Az önsérülo, azaz magától sérülo szimmetria felismerése a fizika számos területénvezetett új felfedezésre.

Matematikailag az önsérülés azt jelenti, hogy a jelenségetleíró egyenlet ugyan szimmetrikus, de az ál-tala leírt folyamat már nem mutatja azt. Ilyen esetben több megoldása is van az egyenletnek, azaz különféle

20

folyamatokat, eseteket írhat le. Külön-külön egyetlen megoldás sem mutatja az eredeti szimmetriát, csak va-lamennyi megoldás együttese. Ez nem azt jelenti, hogy a természetben valamennyi lehetséges megoldásnakmegfelelo jelenség megjelenik, általában csak egyetlen megoldásnak megfelelo jelenséget tanulmányozha-tunk. Az önsérülo szimmetria kifejezés arra utal, hogy az egyenlet szimmetriája nem sérül, a szimmetriasérülése csak úgy magától, a megoldásokban jelentkezik. Lássunk erre néhány példát.

A vacsorázó társaság kerekasztal körül ül. Mindenki elott van teríték és a terítékek között ott a pohár.Kezdetben a jobb és a bal egyenértéku, mivel ekkor még valamennyi vendég választhat, jobbra vagy balranyúl a pohárért. Amint valaki már választott, a szimmetria megsérült, ezután mindenki csak egyfelol ve-het poharat. Meg kell a kezdeti szimmetriának meg sérülnie,valamelyik, a jobb, vagy bal irányt ki kellválasztani.

Másik egyszeru példánk a függoleges helyzetu, tökéletesen egyenletes szerkezetu, hengerszimmetrikusacélszál, melyet felülrol lefelé irányuló ero nyom. Ha a nyomóero fokozódik, egy ido után a szál elgörbül,valamerre kitér. Hogy merre, véletlen. Elveszett a hengerszimmetria, a sérülés itt is csak úgy magától jelent-kezett. Nemcsak az acélpálca görbülésében és más egyszerujelenségben sikerült szimmetria önsérülésétészlelni. Szerephez jut az önsérülo szimmetria az alapveto kölcsönhatások alakjának meghatározásában is.

Másik fontos, a szimmetriák sérülésével kapcsolatos jelenség a rejtett szimmetriák fellépte. Rejtettszimmetria jelentkezhet, ha valahol sok, egymással rokon részecskével, dologgal találkozunk. Ugyan meg-különböztethetoek, de mégis hasonlítanak egymáshoz. Annyira, hogy akár egyetlenegy dolog változatainakis tekinthetok. Ilyet példa a férfi és no közötti különbségtétel. Igaz rájuk az ’emberi’ szimmetria, mert mind-ketto ember, felcserélésük nem változtatja meg emberi mivoltukat.

Rejtett szimmetriaként tárgyalható a proton és neutron közötti eltérés is. Nagyon hasonlóak egymáshoz,tömegük csaknem megegyezik, csupán elektromos töltésük ellentétes. Magfolyamatokban a neutron és aproton, töltésüktol eltekintve, azonos módon viselkedik, a töltés általábancsak címkeként szolgál, nem atényleges különbség jelöloje. Ezért a fizikus a protont és a neutront gyakran mint egyetlen, nukleonnaknevezett részecske két változataként kezeli. Matematikailag mindez belso szimmetriaként tárgyalható.

Kiderült, ha nem is annyira nagy a hasonlóság, de van még hat másik részecske, amelyek a protonhozés neutronhoz, valamint egymáshoz hasonló módon viselkedik. A világurbol érkezo igen nagy energiájúsugárzások által keltett kozmikus záporokban vizsgálva fedezték feloket és nagyenergiájú gyorsítókban iseloállíthatók. Nemcsak a nukleonnal rokon hatot, hanem még nagyon sok másféle részecskét is eloállítottakés tanulmányoztak. Ezeket a rejtett szimmetriák segítségével rokonították, rendezték csoportokba. Sot, arendszerezés segítségével újabb részecskék létezését és azok tulajdonságait is megjósolták. Leghíresebbeset az volt, amikor 9 rokon részecskét már felfedeztek és látszott, ha a rendszerezés helyes, léteznie kellegy tizediknek is. Jó elore pontosan megadták, milyenek a tizedik részecske tulajdonságai. Ez alapjánkeresték a részecskét és meg is találták. Éppen olyan, amilyennek az elorejelzés megadta.

4.2. Eros kölcsönhatás

Az eros kölcsönhatás kvantumtérelméletének kidolgozásához a kvantumelektrodinamikában használt mód-szer szolgált útmutatóul. Az alapveto eros erok a kvarkok között hatnak, ezek nagysága a kvarkok ’eros’töltésével arányos. Ugyanis a kvarkoknak nemcsak elektromos töltése, hanem eros töltése is van. Utóbbitszíntöltésnek szokás nevezni. A kvarkok eros kölcsönhatásait leíró kvantumtérelmélet a kvantumszíndina-mika.

Eredetileg a színtöltés létét azért tételezték fel, mert a Pauli-elv sérülni látszott. Olyan barionokat fedez-tek fel, amelyek mindhárom kvarkja azonos és mindhárom ugyanabban az állapotban van. Mivel a kvarkokfermionok, ezt a Pauli-elv tiltja. Ezért arra gondoltak, hogy a kvarkoknak van egy addig még ismeretlenjellemzoje, amelyben különbözhetnek, miközben ennek az értéke azoket alkotó barionra nulla. A fénytan-ban is három alapszín keveréke adja ki a színtelen fényt, ez apárhuzam adta az ötletet, hogy az eros töltéstszínes töltésnek nevezzék el. Feltételezték, hogy a barionokban, így protonban illetve neutronban három,

21

egymástól különbözo, pirosnak (P), sárgának (S) és kéknek (K) nevezett színtöltésu kvark fordul elo. Ígya barionok ill. a proton és a neutron egészének színes töltése nulla, lásd a 13. ábrát. Ezért a színtöltésnekmegfelelo ero a barionok és a nukleonok (proton és neutron) között nem lépfel.

A kvarkok közötti eros kölcsönhatást a színtöltések között fellépo erokkel sikerült megfogalmazni. Ha-sonlóan a Coulomb erohöz, két színtöltés között ható ero a színtöltések szorzatával arányos. A leptonoknaknincs színtöltése, így köztük eros erok nem hatnak. Sokkal erosebb a színes ero, mint az ugyanazon kvarkokközött fellépo, elektromos töltéseknek megfelelo Coulomb ero. Szemben az egyfajta elektromos töltéssel,amin a pozitív töltést és ellentétét, a negatív töltést értjük, háromféle színes töltés létezik.

S

P

K

Piros

Kék

Sárga

13. ábra. Protonban illetve neutronban három, egymástól kü13. ábra. Protonban illetve neutronban három, egymástól különbözo színtöltésu kvark fordul elo, ezért aproton és a neutron színtelen

A kvarkok közötti színes kölcsönhatást a tömeg nélküli, gluonnak nevezett részecske közvetíti. A gluona fotonhoz hasonló nulla tömegu bozon. Mivel a gluonok is színesek, a kölcsönhatás a kvarkok színétis változtathatja. Két színes kvark között a vonzóero távolságuk növekedésével növekszik. Durván úgyírható le a kvarkok közötti ero távolságfüggése, mintha rugók tartanákoket össze. Mennél jobban feszítjüka rugót, annál erosebb a visszahúzó ero. Így kvark nem szakadhat ki a protonból vagy neutronból, ezértnem láthatjuk szabadon. Ha külso lökés hatására kiszakad, akkor egy éppen keletkezo mezon vagy barionkvarkjaként távozik.

4.3. Atommagfizika

A protonok és neutronok között fellépo magerok nem alapveto erok, a semleges atomok között ható Van derWaals erokhöz, lásd a 1.1. fejezetben, hasonlítanak. Csak akkor kezdenek hatni, ha két proton, proton ésneutron vagy két neutron annyira közel kerül egymáshoz, hogy összetevo kvarkjaik érzékelhetik a szomszédproton vagy neutron kvarkjainak térbeli eloszlását. Emiatt a magero az eros kölcsönhatásból, a kvarkokközött ható, gluonok közvetítette erokbol származtatható le.

Atommagok kötési energiája. Mivel a magerok gyakorlatilag csak a szomszédos protonokra és neut-ronokra hatnak, emiatt az az atommag lesz kötöttebb, amelyikben több nukleon ( nukleonnak a protont ésa neutront nevezzük) van szomszédokkal körülvéve, azaz minél kevesebb van a felületen. Azaz a nagyobbtömegszámú atommag kötöttebbé válik. De ez csak bizonyos tömegszámig van így, mivel az atommagvalamennyi protonja taszítja egymást. A protonok és neutronok igen eros, ám rövid hatótávú vonzása és azannál jóval gyengébb, viszont valamennyi proton között fellépo taszítás együttesen azt eredményezi, hogya vasig egyre kötöttebbé válnak az atommagok. Utána viszonta kötöttség egyre csökken és a nehezebbatommagok bomlékonyabbá válnak. Ezért az urániumnál magasabb rendszámú elemek a természetben márnem fordulnak elo.

Atommagok átalakulására vezeto ütközések . Két atommag egymással való ütközése akkor vezethetaz atommagok szerkezetének megváltozására, ha egymás felérepülve szembetalálkoznak, vagy legalábbisa magerok hatósugarán belül repülnek el egymás mellett. Ennélfogva az ütközésük valószínusége a talál-kozáskor az atommagerok sugarával megnövelt felületük nagyságával arányos. Felületegységben szokás

22

megadni és hatáskeresztmetszetnek nevezik. Az atommagok által lefedett felületek nagysága csak részbenhatározza meg a hatáskeresztmetszetet. Ezen kívül tekintetbe kell venni az atommagok hullámtermészetétis, amely megnöveli az atommag által mutatott felületet. Azatommagok mozgásához rendelheto hullám-hossz a mozgás sebességével fordítottan arányos, lásd a 3.1. fejezetben. Ezért az ütközés hatáskeresztmet-szet az ütközési energia növekedésével csökkeni fog. Továbbá az atommagok ütközési hatáskeresztetszetebizonyos energiáknál rezonanciaszeruen megnohet. A rezonanciák szélessége annál kisebb szokott lenni ésrezonancia annál ritkábban fordul elo, minél kisebb az ütközés energiája.

4.4. Gyenge és elektrogyenge kölcsönhatás

A legismertebb gyenge kölcsönhatás által vezérelt folyamat az atommagok béta bomlása. Ha az atommagegy neutronja protonná bomlik, egy elektron és ellenneutrinó keletkezik, lásd a 14. ábrát.

u

d

elektron

antineutrino

w_

14. ábra. Neutron protonná való bomlásakor a neutron belsej14. ábra. Neutron protonná való bomlásakor a neutron belsejében egyd kvarku kvarkká alakul át. Eközbenegy van-nincsW− bozon keletkezik ami elektronná és ellenneutrinóvá (antineutrinóvá) bomlik.

Hasonlóképpen, az atommag belsejében a proton neutronná alakulhat át, miközben pozitron és neutrinókeletkezik. Azaz a béta bomlás során a proton vagy neutron egy kvarkja egy másik kvarkká alakul át, hiszena proton és a neutron csak egyetlen kvarkban különbözik. A gyenge kölcsönhatást közvetíto részecskék aW+, W− ésZ0 a fotonhoz és a gluonhoz hasonló bozonok. Tömegeik igen nagyok, csaknem százszorosaia proton tömegének. Ezért a gyenge kölcsönhatás hatótávja igen rövid. A gyenge kölcsönhatás elmélete,akárcsak az elektromágneses és eros kölcsönhatások elmélete, szintén belso szimmetriához kötheto.

Alaposabb tanulmányozás után kiderült, hogy elektromágneses és gyenge folyamatok igencsak hason-lóak. Ugyan az erohatást közvetíto részecskék tömege között nagyon nagy a különbség, de amikor a kétkölcsönható részecske elég közel kerül egymáshoz, nem számít, mekkora a közvetíto részecske tömege ésa kölcsönhatás így is, úgy is lezajlik. Ezért ha a két kölcsönható részecske távolsága10−16 centiméternélkisebb, az elektromágneses és gyenge kölcsönhatási folyamatok egyformákká válnak. Van-nincs fotonok,valamint a gyenge kölcsönhatást közvetíto nagy tömegu van-nincsZ0 bozonok egyforma könnyedséggelkeletkeznek és cserélodnek. Ilyenkor az elektromágneses és gyenge kölcsönhatáshelyett elég egyetlen,az ún. elektrogyenge kölcsönhatást tárgyalni. Ez a kölcsönhatás csak igen magas homérsékleteken, na-gyon nagy energiákon, a világegyetem fejlodésének egy igen korai szakaszán belül fontos, amikor az igennagy sebességgel mozgó kvarkok még gyakrabban kerülhettek10−16 centiméternyi vagy ennél is kisebbtávolságra egymástól.

Az elektromágneses és gyenge kölcsönhatás egyesítéséhez az elméleti fizikusoknak fel kellett tételezniaz ún. Higgs-terek létezését. Ezekhez hasonló tér a mindennapi életben is létezik. Az elektrosztatikus térakkor veheto észre, ha potenciálkülönbségek vannak. Ha az egész világegyetem 220 voltos potenciálonlenne, senki sem venné észre az elektrosztikus tér létezését. Hasonló okoknál fogva nem észleljük a Higgs-tereket sem, sot ezeket nehezebb észre venni, mint az elektromos potenciált, mert tulajdonságai az üresnektekintett tér tulajdonságainak feleltethetok meg. Ez a tér nem úgy üres, mint a bölcselok üres tere, a vele valókölcsönhatással magyarázható az elektron és a többi tömeggel rendelkezo részecske tömegének létezése ésannak nagysága.

A tömeg nélküli részecske, mint a foton, a relativításelmélet szerint fénysebességgel mozog. Az elektronés más leptonok, a kvarkok és valamennyi más elemi részecsketömege a Higgs-terekkel való kölcsönhatás-ból származtatható. Azért nincs a fotonnak tömege, mert a Higgs-terekkel nem hat kölcsön. Feltételezik,

23

hogy a világegyetem fejlodésének legelején valamennyi részecske tömeg nélküli volt. A tömeggel rendel-kezo részecskék a világegyetem kialakulásának igen kezdeti szakaszában, a Higgs-terekkel kölcsönhatvanyertek tömeget. Úgy képzelhetjük el a tömeget, hogy a Higgs-részecskékkel való kölcsönhatás tehetet-lenné teszi, elnehezíti az addig fénysebességgel száguldóelemi részecskét.

Olyanféle a Higgs-tér a részecskék számára, mint halaknak avíz. Képzeljük el, megfigyelheto a halakmozgása (a részecskék tulajdonságai), de nem látható, miben mozog a hal, mert senki sem látja a vizet.Csak azt észleljük, hogy egyik hal gyorsabb, mint a másik. Bár a tudós nem tudja, mi a víz, semmi nemlátszik belole, de biztos abban, hogy víznek léteznie kell, különben nem tudná megmagyarázni, mikéntmozoghatnak a halak. A víz létének bizonyítékául a víz mozdulásának, fodrozódásának észlelése szolgál-hatna. A Higgs-terek "fodrozódását", hasonlóan, mint az elektromágneses térnél a foton, a Higgs-tereknéla tömeggel rendelkezo Higgs-részecske felbukkanása jelzi. Ezért a Higgs-részecske felfedezése az elekt-romágneses és gyenge kölcsönhatás egyesítéséhez szükséges Higgs-terek létét bizonyítja. Rávilágít arra,hogy az általunk eddig üresnek gondolt tér nem üres, vannak tulajdonságai.

A Higgs-részecskének háromféle változata van, pozitív, negatív és semleges elektromos töltésu egyarántlehet. Felfedezésüket a CERN LHC (Large Hadron Collider) gyorsítónál 2012 nyarán jelentették be. AHiggs-részecske tömege a proton tömegének közel 133-szorosa.

4.5. Nagy egyesített elméletek

A nagy egyesített elméletek kiindulópontja az, hogy az elektrogyenge valamint a kvantumszíndinamikaielméletek szerkezete igen hasonló. Lehetséges olyan modellt készíteni, amelyben az elektromágneses,gyenge és eros kölcsönhatási folyamatok egyetlen alapveto kölcsönhatásként jelennek meg. Ez a leírása kvarkot és a leptont egyetlen részecske két különbözo változataként fogja fel és új jelenséget, a kvark-lepton átmenetek létezését is megjósolja. Két kvark kölcsönhatásának eredményeképpen egy lepton és egyellenkvark is keletkezhet. A kölcsönhatás közvetítoje az ún. X-részecske, tömege a proton tömegénekkb. 1016-szorosa. A keletkezett ellenkvark a megmaradt kvarkkal mezonná egyesül, és így végül a protonleptonra és mezonra bomlik el. Ha ez a fajta kölcsönhatás létezik, akkor a proton sem örök, el fog bomlani.Az egyesített elmélet mindennek leírásához két további, a Higgs-térhez hasonló tér létezését tételezi fel.

A nagy egyesített elmélet a rendkívül kicsiny, körülbelül10−29 centiméteres méreteken belül írja le ajelenségeket. Ez akkor válik lényegessé, ha a kölcsönható részecskék ilyen vagy ennél kisebb távolságrakerülnek egymáshoz. Így a proton akkor bomolhatna el, ha kétkvarkja ennyire megközelíti egymást. Enneka valószínusége roppant kicsiny, úgyhogy a proton elbomlásának lehetosége csaknem kizárható. Ilyeneseményt eddig nem sikerült megfigyelni, habár hatalmas kísérleti berendezéseket építettek és muködtetteka proton bomlásának kimutatására.

Mindeddig ugyan nem sikerült megfigyelni proton bomlását, de ez még nem bizonyítja, hogy a nagyegyesített elmélet alapfeltevése hibás lenne. Lehetséges, hogy a proton bomolhat, de annyira kicsiny abomlás valószínusége, hogy a jelenlegi méroberendezések alkalmatlanok kimutatására. A proton bomlásánkívül más, az egyesített elmélet által jósolt eredmény jelenleg még nem ellenorizheto. Ilyen vizsgálatokhoza korai, azosrobbanást követo10−44−10−35 másodpercben létezo,10−33−10−25 cm átméroju világegyetemaz egyetlen alkalmas hely. Ezért az egyesített elméletek ellenorzése a világegyetem kezdeti fejlodését leírómodellekbol kapott eredmények és a világegyetem megfigyelheto jellemzoinek összevetésével végezhetoel.

A nagy egyesített elméletek a négy kölcsönhatás közül háromnak, az elektromágneses, eros és gyengekölcsönhatások egyesített leírását adják meg. Kívül marada kereten a negyedik, a gravitációs kölcsönhatás.

Kvantumgravitáció. Amint tárgyaltuk, a térbol nagyon kis idotartamra részecske-ellenrészecske párokpattanhatnak ki és ezek nagyon gyorsan el is tunnek. Keletkezésüket a kisvilágtan törvényei szabályozzák,megfogalmazásukhoz feltételezik, hogy a térido rögzített. Ha a kipattanó részecskék létezésének idotartama

24

nagyon kicsiny, a kipattanó részecske tömege roppant nagy lehet. Viszont a kipattanó nagyon nagy tömegmegváltoztatja maga körül a térido szerkezetét, ezzel megváltozik a térido görbülete, azaz érvénytelennéválik a rögzített téridoben megfogalmazott kisvilágtan (kvantummechanika). De anagy tömeg kipatta-násakor érvénytelenné válik az általános relativitáselmélet is, amely feltételezi, hogy a térido görbületétmeghatározó tömegek nagysága nagyon kicsiny idoszakokon belül sem változnak túl gyorsan. Ennélfogvanagyon kicsiny idotartamokon és távolságokon belül a kvantummechanika és azáltalános relativitáselméletalapfeltevései kölcsönösen kizárják egymást, mindkét elméleti leírás az alapfogalmaival, a térrel és ido-vel együtt alkalmazhatatlanná válik. Ezt a jellemzo nagyon kis távolságotrp = 1.62 ∗ 10−33cm-t, me-lyen belül a tér fogalma bizonytalanná válik Planck-hossznak, a megtételéhez szükséges nagyon kis idot,tp = rp/c = 5.31 ∗ 10−44 másodpercet Planck-idonek nevezik.

Az ilyen nagyon kicsiny távolságok, Planck-ido és hossz tartományában új fogalmak bevezetésére, tör-vényszeruségek felismerésésre volna szükség, amelyekkel egyesíteni lehetne a kvantummechanika és az ál-talános relativitáselmélet nyújtotta leírásokat. Az ilyen egyesített elméletet kvantumgravitációnak nevezik.Eddig még nem dolgoztak ki megbízhatóan ellenorizheto kvantumgravitációs elméletet. Ennek hiányábancsak a Planck-ido után lehet szilárdabb alapokon nyugvó leírásunk arról, mitörténhetett kezdetben.

4.6. Világegyetemünk fejlodésének hajtóereje

Newton törvényei szerint minden elore meg van határozva, nincs véletlen, azaz a világ gépezetként visel-kedik. De a Newton ero- és mozgástana csak az érzékelheto méretek világára igaz, a kisvilágtan szerinta jövo nincs pontosan meghatározva, lásd a 3.3. szakaszban, a törvények csak a valószínuségeket rögzí-tik. Nemrég mutatták ki, hogy valamennyi esemény mögött, beleértve az eddig meghatározottnak vélteketis, kisvilági véletlenek állnak. Hatásuk elobb-utóbb megnyilvánul. Azaz nincs a világban eleve döntött,lejátszott dolog.

Ugyan a jövo nincs rögzítve, de a természeti jelenségek sokfélesége nem véletlen. Hasonlóképpena jelenségek összetettségét sem a véletlenszeruség alakítja. Kezdjük megérteni, hogy mindenütt jelenlévo,egységes alapon nyugvó törvény és szabályszeruség mutatkozik meg nemcsak a fizika és a kémia, hanem azélettudományok és az emberi viselkedés, valamint a gazdaság és a társadalom jelenségei mögött egyaránt.

Nézzük meg, mit mond a természettan a magukat szervezni, fenntartani képes összetett rendszerekrol.Eloször ismerkedjünk meg a sok elembol álló rendszerek leírásának néhány általános fogalmával.

Arányos rendszer. Az egyik legegyszerubb sokelemu rendszer az egyközpontú, az elemei csak a köz-ponttal áll kölcsönhatásban. Ha a központ és valamelyik pont kölcsönhatása csupán a távolságuktól függ,akkor a rendszer arányos vagy lineáris. A viselkedését leíró egyenletek az arányos viselkedés miatt csakelsofokú tagokat tartalmaznak. Ekkor a kezdeti kis változás a rendszer jövojére arányosan hat, kétszer ak-kora változás kétszeres hatásnak, feleakkora változás feleakkora hatásnak felel meg. Emiatt az arányos,másnéven lineáris rendszer jövoje megbízhatóan számolható. Pontosabban ismerve a kezdoértékeket, tet-szolegesen hosszú idore elore meg tudjuk adni a jövendobeli pályát.

Arányos rendszerben két különbözo ok együttes hatása egyszeruen annak a két hatásnak az összeg-zodése, amelyeket a két ok külön-külön hozna létre. Ezért a rendszer részeinek összege. Bármennyirebonyolultnak látszana is, megértheto az egymás mellett, egymás zavarása nélkül létezo elemek összege-ként. Tetszés szerint szétszedhetjük, összerakhatjuk, ezzel semmi nem vész el és új sem keletkezik, ez igenmegkönnyíti leírását. Arányos viselkedést csak kevés rendszer, nevezetesen a legalacsonyabb energiájú, ígyalapállapotban lévo egyensúlyi rendszer mutat. Ezért az alapállapotú atommagnak, atomnak és kristálynakleírására egyaránt kiválóan használható.

Nemarányos rendszer és kaotikus viselkedés.A több, egymással is kölcsönható részecskébol álló rend-szer már nem viselkedik arányosan, nemarányos vagy nemlineáris rendszernek nevezikoket.

25

A nemarányos rendszer viselkedését az elemekN és az elemek közötti kapcsolatokK számának viszo-nya alapján osztályozható. HaN >> K, akkor az elemek közötti kapcsolatok száma a elemek számáhozképest nagyon kicsi, ebben az esetben a rendszer viselkedése arányoshoz közeli.K növekedésével a rend-szert olyan új, az elemek egyenkénti vagy kisebb csoportokban való viselkedésébol nem következo tulaj-donságok kezdik jellemezni. A rendszer még egyensúlyi vagyegyensúlyhoz közeli állapotú, de már a káoszperemén van.K N-hez közeli értékeinél a rendszer annyira összefonódottá válik, hogy valamennyi vala-hol bekövetkezo változás végigsöpör a rendszeren, amely ezzel egyensúlytalan, kaotikus állapotba kerül.Kaotikus viselkedés esetén a rendszer jövojének kiszámítása nagyon nehéz, bizonyos kezdeti állapotokbólindulva a viselkedés már teljesen véletlen.

A káosz a kezdeti állapotot jellemzo adatok bizonyos tartományában, tartományaiban meghatározó je-lentoségu. Ezt szemlélteti a nevezetes példa, a pillangó-hatás. Mint ismeretes, az északi féltekén az ural-kodó szél nyugatról kelet felé fúj. Kaotikus viselkedés esetén annyira felerosödhet a Peking felett repkedopillangó szárnycsapásainak hatása, hogy két-három hét múlva az USA nyugati partjain forgószél fejlodik ki.Nyilván nem a pillangó az oka mindennek, hanem a légkörben felhalmozódó energia, amelynek valahogyfel kell szabadulnia. Hogy hol csap le a forgószél, az viszont már a káosz megnyilvánulása.

A folyamatok iránya. Vannak szigorúan érvényes természettörvények, ilyen az energia megmaradása,valamint más megmaradási tételek és csak olyan folyamatok játszódhatnak le, olyan rendszerek létezhetnek,amelyekre ezek teljesülnek. De hogy az alaptörvények általmegengedett folyamatok közül ténylegesenmelyek mehetnek végbe és milyen rendszerek jöhetnek létre,a hotan fotételei szabályozzák.

A hotan 2. fotétele szerint, ahogy múlik az ido, a különbözo helyek között fennálló homérsékleti, nyo-másbeli, feszültségbeli és más hasonló különbségeknek csökkenniük kell, egészen a teljes kiegyenlítodé-sig. Ezek egyúttal a megfelelo helyzeti energiák különbségeinek felelnek meg, kiegyenlítodésük alkalmávalmunka végzodik. Például valahol a részecskék gyorsabbak, így magasabb a homérséklet, mint egy másiktérségben. Ekkor a magasabb homérsékletu térségbol áramlás indul az alacsonyabb homérsékletu térségfelé, eközben munka végzodik. Magától sohasem történhet meg az, hogy miközben a rendszer teljes ener-giája megmarad, a hidegebb hely még jobban lehul, miközbenahol melegebb van, ott még magasabbraemelkedik a homérséklet. A különbségek növeléséhez, mivel ez egyúttal ahelyzeti energiák közötti kü-lönbségeit is növeli, munkát kell végezni, így muködik a h˝utoszekrény.

Amikor a helyzeti energiák különbségei kiegyenlítodnek, ott munka végzodik és a rendszer teljes ener-giájának munkavégzésre alkalmas részaránya csökken. Mindezt a hotan 2. fotétele úgy fogalmazva meg,hogy egy folyamat csak akkor mehet végbe, ha közben a munkavégzésre alkalmatlan energia részaránya,amit entrópiának neveznek, no. Amikor a 19. század közepén a 2. fotételt megfogalmazták, hallgatólago-san a különbségek rendszertelen, mindenhol közel ugyanúgyzajló kiegyenlítodését tételezték fel. Ez egyido után valamennyi áramlás megszunését, eseménytelenséget, szemléletes képpel a hohalál állapotánakbeállását jelenti.

A rendszertelenül zajló kiegyenlítodés helyett az a folyamat lesz a legvalószínubb, amely az adott ido-pillanatban a legtöbb munkavégzéssel jár. Ezt az elvet a legnagyobb teljesítmény elvének is nevezik ésgyakran a hotan 4. fotételeként említik. A legtöbb munka építéshez kell, de ekkor a befektetett munkaenergiakülönbségekben gazdag képzodményt hoz létre. Fenntartásához, mivel a benne lévo különbségekigyekeznek kiegyenlítodni, újabb munkavégzés szükséges. Ahhoz pedig még több munkavégzés szüksé-ges, hogy közben tovább is fejlodjön. Emiatt a hotan fotételei serkentik az összetettebbé fejlodo, energiábangazdag, energiafaló rendszerek szervezodését, növekedését és szaporodását. Így a világegyetem rendszereifejlodnek. Éppen azért jöhetnek, jönnek létre, hogy minél gyorsabban, mennél több munkavégzésre alkal-mas energia használódhasson el. Hogy minél több energiát ésanyagot vehessen fel, a fejlodo rendszerekszerkezetét az anyag és energia minél gyorsabb áramlását lehetové tevo körfolyamatok kialakulása, ezekösszekapcsolódása jellemzi.

A fejl odo rendszer muködése emészti környezetét, mert elragadja annak munkavégzésre alkalmas ener-giáit. Akkor lehet sikeres, ha maradéktalanul ki tudja használni a környezet energiaforrásait, de úgy, hogy

26

a közben máshonnan energiát felvevo környezet meg tud újulni. Ez nem azt jeleni, hogy az ido teltévelegyre több munka végzodik, azaz a rendszer fejlodése folyamatos, mivel a pillanatnyilag leheto legtöbbenergiát szétszóró, ’legmeredekebbnek’ tekintheto út folyamatos követése ’szakadékokba’ vezethet. Ide ke-rülve jóval kevesebb lesz a felhasználható energia. Ha a fejlodo rendszer az összes munkavégzésre alkalmasenergiát elhasználta, összeomlik.

5. Kezdetek

Roppant méretével és méltóságával a csillagos ég mindig is lenyugözte a felfelé tekinto embert. Évezrede-ken át adott és ad ma is munkát az égitestek, a csillagok és bolygók mozgásának vizsgálata, értelmezése.Kopernikusz óta tudhatjuk, a Föld nem tekintheto a Mindenség középpontjának. Sokkal könnyebben leír-hatjuk és megérthetjük a bolygók mozgását, ha feltételezzük, hogy a Nap tartjaoket maga körül pályájukon.Newton felismerte, hogy a bolygókra és a Föld felszínén lévo tömegekre ugyanaz a tömegvonzási ero hatés nyilvánvalóan az égbolt csillagai között is nnek kell hatnia.

Newton végtelen világegyeteme.Mivel a tömegvonzás egyetemes, valamennyi tömeg között fellépo,ható ero, minden egyes tömeg vonz minden más tömeget. Newton elgondolkodott azon, milyen módonírható le a világegyetem egésze, ha a rendszert alakító, vezérlo ero a tömegvonzás. Miképpen érthetomeg az, hogy az égbolt csillagai egymáshoz képest mozdulatlannak látszanak, tehát a Mindenség állandóállapotú, idegen szóval sztatikus. Ugyanis a csillagászokaz ókori megfigyelésektol fogva ilyennek láttákaz csillagos eget. (Most csak zárójelben jegyezzük meg, csupán 1929 óta tudjuk, hogy a világegyetem nemállandó állapotú.)

Mivel a tömegvonzás valamennyi csillag között fellép, az égbolton álló csillagok mozdulatlansága New-ton számára eleinte érthetetlen volt. Ha most állnának is, kölcsönös vonzásuk hatására meg kell kezdeniükaz egymás felé való közeledést. Idovel egyre közelebb kerülnek egymáshoz, végül pedig egymásba kell zu-hanniuk. Ezért a Mindenség állandónak látszó állapota magyarázatra szorul, amit Newton törvényei alapjána következoképpen magyarázható meg.

Azért nem mozognak egymás felé a csillagok, mert valamennyicsillag mindenfelol egyenlo vonzástérez. Egyetlen csillag sem mozdulhat el, mert mindegyiknekvannak szomszédos csillagai, amelyek ugyan-akkora erovel húzzák minden egyes irányba. Mozdulatlanságuk arra utal, hogy az egyes csillagokra hatóösszero nagyjából nulla. Ez csak akkor lehetséges, ha az eget mindenhol, minden irányban egyenletesentöltik ki a csillagok. Ez meglehetosen súlyos következménnyel jár. Ha a fenti érvelés igaz, a csillagok-kal egyenletesen betöltött égboltnak a térben minden irányban végtelennek kell lennie. Sehol sem lehetszéle, mert akkor a peremen lévo csillagokra csak befelé húzó erok hatnának és emiatt befelé kezdenénekmozogni. Ezért elobb vagy utóbb a tömegvonzás valamennyi csillagot mozgásbahozná és egy ido utánaz összes csillag a világegyetem tömegközéppontjába zuhanna. Newton feltevése, a végtelen és állandóállapotú világmindenség hosszú évszázadokra a csillagászati tudás alaptételévé vált.

Végtelen Mindenség és Olbers paradoxona.Bár a térben és idoben végtelen világmindenség gondo-latát általánosan elfogadták, voltak arra utaló jelek, hogy az állandó, örök és végtelen Mindenség képzeteellentmondásokra vezethet. Hogyan is lehetne sötét az éjszakai égbolt, ha a végtelen sok csillag egyenlete-sen tölti ki a végtelen teret? Képzeljük el, a rengeteg erdoben vagyunk. Bárhová nézünk, csak fát látunk.De ha egy kisebb erdoben nézünk körbe, akkor a fák között itt-ott kiláthatnánk az erdobol, azaz tudnánk,hogy az erdo véges. Olbers paradoxona errol szól. Ha a Mindenség térben és idoben végtelen, és a világ-mindenségben a csillagok eloszlása egyenletes, a végtelensok csillag fénye a teljes látóteret kitölti. Azazaz égen sehol sem lehetne feketeség. Bárhová is néznénk, valahol messze, pont arrafelé is kellene lennicsillagnak.

27

Olbers paradoxona akkor oldható fel, ha feltételezzük, a világegyetem térben véges, ezért az égboltotcsak részben "fedik" le a csillagok. Továbbá a csillagok semélnek örökké, keletkeznek és elmúlnak. Csakazokat látjuk, amelyek fénye eljuthat hozzánk. Például a csillag már kialudt és roppant messze van, de afénylo korszakában kibocsátott fénye most jutott el hozzánk.

Ma már tudjuk, hogy a világegyetem csak egy véges térrészébol juthat el hozzánk a csillagok fénye.Továbbá a csillagok élete is véges, nem világíthatnak örökké. Ez utóbbi jó példa arra a nagyon általánoselvre, hogy örök világegyetem és a benne folyamatosan létezo, megfordíthatatlan természeti folyamatoknem férnek össze. Egy örök világegyetemben a csillagok már végtelen idovel ezelott kialakultak és kiégtekvolna. De világegyetemünk bovelkedik megfordíthatatlan folyamatokban, az egy egyszer felhúzott, lassanlejáró órára hasonlít. Azaz volt kezdete.

Egészen a 20. század elejéig feltételezték, hogy a világegyetem a Tejútrendszerrel azonos és hogy aNaprendszer a Tejútrendszer központja. De a nagyobb távcsöveket felhasználó megfigyelések egyre ponto-sabb eredményekre vezettek. Kb. 1920-ra derült ki, hogy a Nap nincs a Tejútrendszer közepén. Amíg azégi távolságok mérése nem volt elég pontos, nem tudták eldönteni, hogy az egyes csillagködök a Tejútrend-szerhez tartoznak-e vagy sem.

5.1. Égi távolságok mérése

Viszonyításokon alapul az égi távolságok mérése, ennek során az azonos fényességu csillagokat megfi-gyelve meg tudjuk mondani, hogy egymáshoz képest milyen távolságra vannak. Ahhoz, hogy pontos tá-volságokat tudjunk mondani, legalább néhány égitest távolságát igen pontosan meg kell tudni mérnünk.Eloször a viszonyításon alapuló módszert ismertetjük, majd foglalkozunk az azonosnak mondható csilla-gok fajtáival.

Fényesség és távolság.Az égi távolságok becslése a csillagok egymáshoz képesti fényességének megha-tározásán alapul. Minél messzebb van tolünk egy világító test, annál halványabbnak látjuk. Látszólagosfényessége távolságának négyzetével fordítottan arányos. Gondoljunk arra, hogy teljes sötétségben minthatároznánk meg egy égo gyertya távolságát. Kellene egy vele azonos, ám ismert távolságra lévo égo gyer-tya. Ennek fényét hasonlítjuk össze az ismeretlen távolságra lévo gyertya fényességével. Ha a távolabbigyertya fényessége a közelebbinek századrésze, akkor a távolabbi gyertya tízszer akkora távolságra van,mint a közelebbi. Ezért ha a test valódi fényességét valahonnan ismerjük, akkor a látszólagos és valódifényesség arányából a test távolságát pontosan meg tudjuk mondani. Ha valamennyi csillag fényességeazonos lenne, az észlelt fényességükbol pontosan meg tudnánk állapítani távolságukat.

Távolságmérés égi háromszögekkel.A háromszögelés a földi térképészet jól ismert módszere. Haazismert hosszúságú szakasz két végén megmérjük, mekkora szög alatt látszik tolük a távoli tárgy, akkor aháromszög három adatából - egy oldal és két szög - meghatározhatjuk az adott tárgy távolságát. Minélnagyobb az ismert távolság és mennél kisebb a szögmérés hibája, a távolságmérés annál pontosabb. A Holdtávolsága is megmérheto, ha egy adott idopontban két távoli, pár száz kilométerre lévo megfigyelo egyszerreméri meg, mekkora szög alatt látja a Hold közepét. Ha bolygó távolságát akarjuk meghatározni, akkor,mivel a bolygók jóval messzebb vannak, mint a Hold, a két megfigyelonek különbözo földrészekrol kellegyidoben a bolygó szögállását megmérni. A Mars távolságát 1671-ben határozták meg. Egy megbeszéltéjszaka adott idopontjában a két megfigyelési pont Párizsban és a dél-amerikai Francia-Guyana területénvolt.

Már a közelebbi csillagok is nagyon messze vannak a háromszögeléses módszer számára. Most azismert távolság a Föld Nap körüli pályájának átméroje. Adott csillag távolsága úgy határozható meg, hogyhathavonta megfigyeljük az égbolton való látszólagos elmozdulását. Azért láthatjuk máshol a a Naphozképest álló helyzetu csillagot, mert a Föld keringése miatt máshonnan, a Föld pályájának átellenes pontjáról

28

szemléljük. Ismerve a Föld pályájának átmérojét, ami durván 17 fénypercnyi, a két észlelési szögbol és aföldpálya átmérojébol a csillag távolsága kiszámítható, lásd az 15. ábrát.

15. ábra. Égi távolságmérés háromszögelés segítségével. M15. ábra. Égi távolságmérés háromszögelés segítségével. Más szög alatt látjuk a csillagot, ha a Föld pá-lyájának átellenes pontjairól nézzük. A földpálya átmérojébol és a két észlelési szögbol a csillag távolságakiszámítható.

A háromszögeléses módszerrel a 20. század végéig csupán néhány, nagyon közeli csillag távolságátsikerült pontosabban meghatározni. Ugyanis a légköri zavarok csökkentik a szögmérés pontosságát. Áma 20. század végén, a HIPPARCOS muhold felbocsátásával nagyot javult a helyzet, hiszen a világurbolvégzett méréseket nem befolyásolják a légköri bizonytalanságok. Ezzel a muholddal mintegy 100 ezercsillag távolságát mérték meg nagyon nagy pontossággal. Így már a Tejútrendszer csillagai milliomodrészének ismerjük a pontos távolságát. Az így megmért csillagtávolságok átlaga kb. 1000 fényév.

Változó csillagok. A távolabbi csillagrendszerek távolságának meghatározásához méréshez hatalmas se-gítség az ún. változó csillagok megfigyelése. Ütemesen felfúvódó és összehúzódó test a változó csillag,a be- és kilégzés lüktetéséhez hasonlító csillagrezgést végez. A Nap is rezeg, csak ez nem feltuno, merta vele járó változás kicsinyke. Akkor a legfényesebb a változó csillag, amikor összehúzódott. Leghalvá-nyabb, amikor burka a legnagyobbra tágul. Fényességük változásának ütemideje egy naptól ötven napigterjedhet. Valódi fényességük a Nap fényességének 300 és 26ezerszerese körül mozog.

Minél fényesebb a változó csillag, annál lassabban változik. Ezt a 20. század elején a Kis Magellán fel-hoben található nagyszámú változócsillag megfigyelésekor vették észre. Ha a csillag rezgésére gondolunk,értheto miért. Minél nagyobb egy rezgo test, annál hosszabb ideig tart, amíg egyet rezeg. Mint ahogyana kutya ugatásából is meg tudjuk állapítani, kiskutya ugat-e vagy nagykutya. Egy kiskutya magas, nagyrezgésszámú hangon ugat, mert rövid a torka. Mély hangon, kis rezgésszámmal ugat a nagy kutya, merthosszú a torka. Így értelmezheto a változó csillag fényessége és rezgésideje közötti összefüggés is. Vég-eredményben a változó csillag valódi fényessége a rezgésido mérésével meghatározható. Ezután a csillagvalódi és mért fényességének viszonyából a csillag távolsága kiszámítható. Egy csillagváros távolságáta benne látható változó csillagokat megfigyelve határozhatjuk meg. Egészen addig alkalmas a módszercsillagváros távolságának mérésére, amíg a távolabbi csillagváros változó csillagai még felismerhetoek.

A változó csillag távolságának megadásához az is kell, hogyviszonyítási alapként legyen ismert távol-ságú, kb. ugyanolyan változó csillagunk. Ennek fényességét használva az összehasonlításhoz pontosabbtávolságadathoz juthatunk. Ezért - gondoljunk a fenti példánkban a távolság kiszámításához szükséges is-mert fényességu és távolságú gyertyára - legalább néhány változó csillag távolságát pontosan kell tudnunk.Egészen az 1980-as évekig nagyon kevés ilyen, viszonyításként használható változó csillagot ismertünk.Mára a HIPPARCOS, továbbá a 2009-ben felbocsátott Kepler m˝uhold számos, tolünk 1000 fényév távolsá-gon belül lévo változó csillagnak mérte meg a pontos távolságát. Ezeknekköszönhetoen az égi távolságokmeghatározása ma már szilárdabb alapon nyugszik. 2014-bena Hubble-urtávcso segítségével sikerült egy7,5 ezer fényévre lévo változó csillag pontos távolságát meghatározni és a közeljövoben a 10 ezer fényévenbelüli változók pontos távolságát is megmérhetjük. Várható, hogy ezeket is ismerve segítségével továbbpontosíthatók a világegyetemet jellemzo mennyiségek értékeit.

29

Távolságok becslésekkel. Távolabbi, 30 millió fényévnél messzebb lévo csillagvárosok változó csillagaimai távcsöveinkkel már nem ismerhetok fel. Ilyenkor a csillagváros méretébol és a csillagváros egészénekfényességébol következtethetünk távolságukra. Minél kisebbnek látszik a csillagváros átméroje és minélhalványabb a fénye, annál messzebb van tolünk. Ez a módszer kevésbé megbízható, ugyanis a csillag-városok mérete és így fényessége is erosebben eltérhet az átlagostól és emiatt az átlagosnál fényesebbcsillagváros távolságát kisebbnek, a halványabbnak a távolságát nagyobbnak mérjük.

Távolságmérés Ia szupernóvákkal. A kilencvenes évtizedben sikerült új, megbízható távolságmérésimódszert kidolgozni, amely az ún. Ia (1a) típusú szupernóvamegfigyelésén alapul. Késobb részletesentárgyaljuk, a szupernóvák csillagok robbanásának felelnek meg. Ennek során a csillag fényessége idole-gesen annyira megno, hogy az a csillagot tartalmazó csillagváros fényét is elnyomhatja. Csak rövid ideig,néhány hétig tart a felfényesedés. Az Ia szupernóva felfénylési idejének hosszával azonosítható, ez ugya-nis a leghosszabb ideig fénylo szupernóva. Ismerve az Ia szupernóva valódi fényességét,a látszólagos ésvalódi fényesség viszonyából pontosan meg tudjuk mérni a távolságot. Ezzel a módszerrel nagyon távoli,akár tízmilliárd fényévre lévo csillagvárosok távolsága is megmérheto.

5.2. Színképek

A világegyetemrol tudottak forrása a hozzánk érkezo sugárzások. Korábban a Mindenséget csak a láthatófény tartományában vizsgálhattuk. Ennek oka nemcsak az eszközök hiánya, hanem az is, hogy a Földlégköre a világurbol hozzánk érkezo sugárzások igen nagy részét elnyeli.

16. ábra. Bolygónk légkörének sugárzás-elnyelése mint a hullámhossz függvénye. Fel van tüntetve, hogyaz adott hullámhosszakat mely gázok molekulái nyelik el. A nagyobb energiájú ibolyántúli sugárzásokataz oxigén és ózon teljesen elnyeli. A látható fény sávja 300-700 nanométer közé esik. Efölött az infravöröstartományban a víz és a széndioxid elnyelo hatása tartja vissza a napsugárzást. Ezek a fo üvegházhatásúgázok, lásd késobb a 8.3. szakaszban.

Bolygónk légköre a látható tartományon kívül alig ereszt átmásfajta sugárzást, lásd a 16. ábrát. Emiatt akorábbi mérések csak egy nagyon szuk hullámhossz tartományra szorítkozhattak. Viszont a Mindenségbentörténtekrol szinte minden hullámhossztartományból kaphatunk fontos adatokat. A muholdakra telepítettmuszerek az utóbbi negyedszázadban nagyon sok új adatot szolgáltattak és egyre több új adatot kapunk.Már csaknem a teljes elektromágneses színképben, a rádióhullámok, mikrohullámok, infravörös, ibolyán-túli, röntgen és gamma sugárzás tartományaiban folynak muholdas vizsgálatok. A Hubble urtávcso pediga látható tartományban ad nagyon pontos adatokat. Manapságkezdik a különbözo módon mért adathal-mazokat egységes szempontok alapján rendszerezni. Így az azonos égi térségekre más-más hullámhossztartományokban mért adatok könnyen hozzáférhetové válnak, nem kelloket más-más adatbázisban keres-gélni.

30

Csillagok színképe. Nem pusztán a csillag fényességét, hanem a csillagból kibocsátott fény összetételét, acsillag színképét is tanulmányozhatjuk. Mint a 1.2. részben tárgyaltuk, minél magasabb a test homérséklete,annál nagyobb energiákon, azaz magasabb rezgésszámokon sugároz. A csillag színét az határozza meg,mely színtartományban sugároz a legerosebben. Sárga fényu Napunk felszíni homérséklete közel 5800Kelvin, a hidegebben sugárzó csillagok vörösnek, a melegebb csillagok fehérnek vagy kéknek látszanak.

17. ábra. Adott homérsékletu test sugárzásának hullámhosszeloszlása, a 3000 Kelvin, 4000 Kelvin és 5000Kelvin homérsékletu testek sugárzásának színképei láthatók. A vízszintes tengelyen a nanométerben mérthullámhosszak, a függoleges tengelyen az adott hullámhosszon kisugárzott energia van felmérve. 500 na-nométer környékén a látható fény tartománya van feltüntetve. Ha színes az ábra, itt láthatjuk a szivárványszíneit.

Vonalkódszeru mintázat színképekben. Ha behatóbban vizsgáljuk egy csillag színképét, a homérsék-leti sugárzásnak megfelelo folytonos eloszlásban fekete vonalak sokasága látszik. Mintázatuk jellege avonalkódéhoz hasonló.

A csillag plazma állapotú felszínérol kibocsátott fény még folytonos színképpel rendelkezik,de a csillagkülso burkát alkotó gázok már atomos és molekuláris állapotúak.Ezek bizonyos hullámhosszakon elnyeli acsillag felszínérol érkezo fény fotonjait, lásd a 3.3. pontban az atomszerkezettel foglalkozó szakaszt. Ezekhelyén látjuk a fekete vonalakat.

Minden egyes atomban és molekulában nagyszámú elektronpálya van és az elektronpályák energiáiés a megfelelo színképvonalak energiái is mindenhol mások. Ezért egy atom és molekula színképébennagyon sok fekete vonalat észlelünk. Mivel a színképet jellemzo vonalas mintázat az atomra és molekulárajellemzo, a csillag színképének vonalas mintázatát tanulmányozvaazonosíthatjuk a csillagban lévo kémiaielemeket és az általuk alkotott molekulákat.

18. ábra. Nap színképe a 3900-4000 Angström közötti hullámhosszak tartományában.

Eloször a Nap színképét tanulmányozták alaposabban, egy kis részletét lásd a 18. ábrán. Majd a Napszínképét a csillagok színképével összehasonlítva megállapították, hogy a Napban és a csillagokban ugyan-

31

azok az elemek találhatók. A csillagok anyaga túlnyomórészt hidrogén és hélium. Ráadásul az egyeselemekre és molekulákra vonatkozó színképvonalak viszonylagos erosségébol azt is meg lehet állapítani,hogy a csillag felszínén található gázok milyen arányban vannak jelen.

Színképvonalak eltolódása. Ha a hullámforrás mozog, a megfigyelotol távolodik, vagy ahhoz közeledik,akkor az általa sugárzott fény hullámhossza a megfigyelo számára más lesz, azaz a színképben máshol látjaa színképvonalakat. Ha a fényforrás távolodik, a hullámhossz megnyúlik, azaz a színképvonalak hullám-hossza növekszik, a sötét vonal a vörös szín felé tolódik el.Ha a fényforrás közeledik, akkor a színképvo-nalak hullámhossza csökken, a kék felé csúszik. Azaz ha a csillag felénk tart, kékeltolódást, ha távolodik,vöröseltolódást észlelünk.

19. ábra. Nátrium színképvonalainak helyzete a 400-700 mik19. ábra. Nátrium színképvonalainak helyzete a 400-700 mikron közötti tartományban a Nap, lásd legalul,és különbözo sebességu, egyre messzebb lévo, ezért kisebbnek látszó csillagvárosok színképében. BáraNap és a csillagvárosok anyaga túlnyomórészt hidrogénbol és héliumból áll, van bennük kevés nátrium is.Annál kisebbnek látszik a csillagváros, minél messzebb van. Látható, minél messzebb van egy csillagvá-ros, annál jelentosebb a nagyobb hullámhosszak, azaz a vörös felé való vonaleltolódás. A színképvonalakeltolódásából a csillagvárosok távolodási sebessége kiszámítható.

A színképvonalak eltolódásának nagyságából kiszámolható, hogy a fényforrás mekkora sebességgelmozog. Azaz a vonaleltolódás mértékébol meg tudjuk határozni a csillag távolodásának a sebességét. Haa csillagváros forog, akkor a forgás közben felénk mozgó részét kékebbnek, a tolünk távolodó részét vö-rösebbnek látjuk. Ebbol a csillagváros forgásának sebessége is meghatározható.Kettos csillagok esetén -ahol két csillag egymás körül kering - a két csillag színképvonalainak eltolódásából a keringési sebességethatározhatjuk meg. Ez utóbbi adatból meg tudjuk állapítania kettos csillagot alkotó két csillag tömegénekarányát.

5.3. Osrobbanás

Edwin Hubble 1923-1924-es megfigyelései minden kétséget kizáróan megerosítették, hogy a korábbanmegfigyelt, a Tejútrendszer részeinek tartott csillagködök nagy többsége nem a Tejútrendszerben van, ha-nem különálló csillagvárosokat (galaxisokat) alkotnak. Anyagösszetételük, távolságuk, méretük és fényes-ségük szerint osztályoztaoket. 1929-re Hubble pontosabb mérései igazolták, hogy néhány kivétellel acsillagvárosok színképe vöröseltolódást mutat, ami azt jelenti, hogy távolodnak tolünk. Csillagvárosonkéntmás és más lehet a vöröseltolódás mértéke. Minél halványabba fényessége, azaz minél távolabb van a csil-lagváros, annál inkább a vörös felé tolódnak el a színképvonalai, lásd a 19. ábrát. Hubble törvénye szerinta csillagvárosok távolodásánakv sebessége a tolünk valór távolsággal egyenesen arányos,v = Hr, aholH a Hubble-állandó, lásd az 20. ábrán. Hubble felfedezése a világegyetem tágulásával magyarázható.

Nehéz elképzelnünk a Mindenség tágulását. Nincs kiindulópontja, azaz nincs olyan rögzített háttér,amelyhez képest a tágulást leírhatnánk. Nem létezik a ’tovább’ amibe a világegyetem tágulhatna. Ugyan

32

20. ábra. A Hubble-törvény: a csillagvárosok távolodási sebessége távolságukkal arányos. A függolegestengelyre a sebesség, a vízszintes tengelyre a távolság vanfelmérve. Az egyes pontok a különbözo csillag-városokra mért értékek, az egyenest a mért pontokhoz illesztve kapták meg.

világunk tágulását nem tudjuk elképzelni, de a kétdimenziós eset, a felület hasonló viselkedése segíthet amegértésben. Ekkor a következo szemléletes képpel írhatjuk le a csillagvárosok megfigyelt viselkedésénekés a tágulásnak a kapcsolatát. Képzeljük magunkat felfúvódó léggömb felszínére. Ennek felülete táguló,kétkiterjedésu világnak feleltetheto meg. Gondoljuk el, a gömb felszínén pöttyök vannak. Mindenegyes, agömb felszínén lévo pötty távolodik tolünk. Annál nagyobb a távolodási sebesség, minél messzebbvan to-lünk a megfigyelt pötty. Bár a szomszédságunkban lévo pöttyök is mind messzebbre kerülnek, de legjobban,legnagyobb sebességgel a léggömb legtávolabbi, átellenespontján lévo pötty távolodik tolünk. Hasonlóan,a világegyetem tágulása esetén sem beszélhetünk központról, arról sem, mibe tágul a világegyetem, hol vana széle. Tágulását a fentihez hasonlóan inkább úgy képzelhetjük el, mintha egy négykiterjedésu gömb há-romkiterjedésu felületén lennénk. De a mindennapokhoz idomult elménk ennek elképzelésére nem képes.

Ha a világegyetem tágul, akkor régebben a csillagvárosok közelebb voltak egymáshoz. AH Hubble-állandó mért értéke annak felel meg, hogy jelenleg a világtér egymillió fényéves szakaszára kb. 20,8 ki-lométer/másodperc tágulást mérhetünk. Ebbol adódik, hogy a világegyetem életkora 13,8±0, 037 milliárdév. Az általános relativitás elméletébol a táguló világegyetemhez szükségszeruen egy kezdeti rendkívülkicsiny, csaknem pontszerunek veheto állapot tartozik. Ennyibol lett a mai világegyetem, amely azóta istágul. Ez a kép azosrobbanás modelljének alapja.

Maga a tér tágul. Látható, a világegyetem tágulása összhangban van az általános relativitáselmélet jós-latával, miszerint a világegyetem csak kétféle módon létezhet, vagy tágul, vagy összehúzódik, lásd a 2.2.1.szakaszban. Világegyetemünk tágul. Nem történt robbanás kezdetben, nem ez az oka a csillagvárosok tá-volodásának. Inkább azt kell mondanunk, hogy maga a tér tágul, dagad. Emiatt a térben lévo tárgyak istávolabb kerülnek egymástól. Mondhatjuk, hogy a csillagvárosokat a táguló tér sodorja magával. Világ-egyetemünk a kelésben lévo mazsolás tésztához is hasonlítható. Miközben a tészta dagad, a mazsolaszemekis távolodnak egymástól. Annál gyorsabban, minél nagyobb közöttük a távolság.

Ha két térség eléggé messze van egymástól, távolodásuk sebessége a fénysebességet is meghaladja.Azaz az egymástól elég messze lévo csillagvárosok fénysebességnél nagyobb sebességgel távolodnak egy-mástól. Oket már nem láthatjuk, ezért a világegyetem csak egy részéttanulmányozhatjuk. Ahonnan hoz-zánk fény érkezhet, ott a tömeggel rendelkezo részecske sebessége nem haladhatja meg a fénysebességet.

Csak nagy méretekben vehetjük észre a tér tágulását. Ezt az általános relativitás elméletének segít-ségével a következoképpen értheto meg. Einstein egyenletei akkor adják a tágulást megoldásként, ha avilágegyetemre egyenletes suruségeloszlást tételezünk fel. De a világegyetem nem teljesen egyenletesanyageloszlású, ám ha kb. 300 millió fényévnyi élu kockákra osztjuk fel, akkor ilyen léptékben a világ-egyetem anyageloszlása már valóban egyenletesnek, simának veheto. Kisebb léptékben viszont egyenet-lenségek, csomósodások vannak. Nagyobb csomókon belül mégkisebb csomósodások találhatók, mintcsillagrendszerek halmazai, csillagrendszerek, csillagok, naprendszerek, bolygók. A csomósodások okoztatéridogörbület, lásd a 2.2.1. szakaszt, tömegvonzás fellépésére vezet. Ennélfogva az Einstein-egyenletekáltalános megoldását vizsgálva nagy léptékben a világegyetem tágulása, kis léptéken belül viszont a helyi

33

téridogörbületnek megfelelo tömegvonzás hatására a csomósodás a meghatározó. Azaz a világegyetem tér-idogörbülete nagy méretekben tágulásra, kisebb méretekben tömegvonzásra vezet. A fellépo tömegvonzáslassítja a tágulást.

Az osrobbanás elmélete nem csupán a csillagvárosok mérheto távolodásán alapul. Ha a világegyetemvalaha nagyon kicsiny volt, akkor erre másféle bizonyítékok is utalhatnak. Ilyenek vannak, azosrobbanásmegtörténtét a következo megfigyelések is igazolják.

Kozmikus háttérsugárzás, életkor, méretek, homérséklet. Ahogyan a 1.2. fejezetben tárgyaltuk, vala-mennyi test a T homérsékletének meegfelelo színképu homérsékleti sugárzást bocsát ki. 19964-ben fe-dezték fel, hogy nemcsak az égbolt csillagai és egyéb testjei, hanem maga a világur egésze is bocsátki homérsékleti sugárzást. Ez a mikrohullámú sávban érkezik, színképe és a hosugárzás erossége min-den irányból azonos. Kozmikus háttérsugárzásnak nevezik,a színképe alapján a világmindenség egésze2.72548±0.00057 Kelvin homérsékletu testként viselkedik, a±0.00057 jelölés a meghatározás hibáját adjameg.

Ahogyan a világegyetem tágul, homérséklete folyamatosan csökken. A fotonok hullámhosszaa térdagadásával nott, ezzel a rezgésszáma és a vele arányos energiája pedig csökkent. Emiatt a sugárzási térhomérséklete is alacsonyabb. Ha a világegyetem tágulásávala két pontja közötti távolság kétszeresérenott, aközben a világegyetem homérséklete felére csökkent. Kezdetben, amikor a mindenség homérsékleteigen magas volt, terét nagyenergiájú, ennek megfeleloen igen kicsiny hullámhosszú fotonok töltötték ki.Mostanára a világegyetem tágulásával a fotonok hullámhosszai annyira megnottek, hogy a háttérsugárzás a2.72548 Kelvin fokos homérsékletre hult.

A mai méretekbol, a tágulásának mértékét megadó Hubble törvénybol és a világegyetem jelenlegi ho-mérsékletébol ki tudjuk számolni, hogy korábban milyenek voltak a méretek és mekkora volt a homérséklet.A világegyetem mérete, homérséklete és életkora egymásból számítható mennyiségek. Mivel a homérsék-let egyúttal megszabja a részecskék átlagos mozgási sebességét is, ezáltal meghatározható, a világegyetemtörténete során mikor milyen rendszerek létezhettek. Mivel a nagy vöröseltolódású csillagrendszerekrolérkezo fény az akkori, akár több milliárd évvel ezelotti helyzetrol tudósít, megfigyelésükkel a világegyetemmúltbéli viszonyait ismerhetjük meg.

Kezdetben a Mindenség pozitív energiájának nagyobb részéta sugárzási tér tartalmazta. Mára, a tá-gulás mértékének megfeleloen a sugárzási tér energiája elhanyagolható a tömegek jelentettemc2 pozitívenergiákhoz képest.

Anyagösszetétel. A világurbol érkezo sugárzások színképvonalai arról tanúskodnak, hogy a csillagközianyag és a kialakuló csillagok anyagának fo összetevoi a hidrogén és a hélium. Más, nehezebb elem ke-vés van, ezek, majd tárgyalni fogjuk, csak a csillagok belsejében alakulhatnak ki. Bármerre nézünk is avilágmindenségben, a Nap, a csillagok, a csillagközi gázokés a csillagvárosok anyagát tanulmányozva aztkapjuk, hogy az anyag kb. 1/4 része hélium, 3/4 része hidrogén. Héliumot termelo atommagfolyamatokcsak nagyon magas homérsékleten indulhatnak be. Ez a homérséklet annyira magas, hogy a magfolyama-tok ma csak a csillagok belsejében mehetnek végbe. Emiatt a mindenfelé azonosnak mérheto tömegaránya legegyszerubben úgy magyarázható, hogy valaha a teljes világegyetem a maga egészében igen magashomérsékletu volt és a forró, kis térfogatú világegyetemben a hélium kialakulás azonos feltételek mellett,egy idoben zajlott.

Az égitestek életkora jó pontossággal meghatározható a bennük eloforduló radioaktív elemek, elsosor-ban azU238 segítségével. Innen tudjuk, hogy a legöregebb csillagok kora 13 milliárd év körül lehet, amiösszhangban van azzal, hogy világegyetemünk kora 13,8 milliárd év.

Az osrobbanás elmélete a mai asztrofizika, asztronómia alapmodellje. A kutatók túlnyomó többsége eb-ben az alaprendszerben fogalmazza meg kérdéseit, ezen belül értelmezi a kísérletek eredményeit. Manapsága Hubble urtávcso és a többi, muholdra telepített méroberendezés segítségével egyre pontosabb adatokhoz

34

juthatunk. Ezek a folyamatosan érkezo eredmények megerosítik azosrobbanás elméletének hitelét. Más-féle magyarázatok jelenleg nem jelentenek versenytársat az osrobbanás elmélete számára, amely alapvetotudásunk részévé vált.

5.4. A világegyetem jövoje

Felmerül az a kérdés, meddig folytatódik a tágulás. Ugyanisa tömegvonzás fékezi a tágulást, csökkentiannak sebességét. Ha a tágulás sebessége fékezodik, elképzelheto, hogy a lassító ero hatására a tágulássebessége egy ido után nullára csökken. Ekkor viszont a folyamat megfordul és megindul az összehúzó-dás. Ennek során a Mindenség a tömegvonzás hatására összeroppan, annyira, hogy a gyorsuló zsugorodásvégeredményeként egy pontba zuhan.

Attól függ a lassító ero, a tömegvonzás nagysága, hogy mennyi tömeg van a világegytemben. Ismerve atágulás sebességét, ki tudjuk számolni, milyen nagynak kellene lennie a világegyetemben lévo tömegeknek,hogy vonzó hatása még éppen ne állítsa le a tágulást. A világegyetem ilyen módon számolt össztömegétnevezzük a világegyetem kritikus tömegének. E kritikus tömegnek megfelelo kritikus atomsuruség most6 hidrogénatom/köbméter. A világegyetem tényleges és kritikus suruségének hányadosára azΩ jelölésthasználjuk. Ha a világegyetem tömege ennél a kritikus tömegnél kisebb, azazΩ < 1, akkor a szétrepülotömegek kicsik ahhoz, hogy a közöttük muködo, a kölcsönható tömegek szorzatával arányos ero meg tudjafékezni a tágulást. Ha az össztömeg a kritikus tömegnél nagyobb, azazΩ > 1, akkor a tömegvonzási erokegy ido után lefékezik a tágulást. Amint az megáll, a tömegvonzás hatására beindul az összehúzódás. Haaz össztömeg épp a kritikus tömeggel egyenlo, azazΩ = 1, akkor a tágulás a végtelenségig folytatódik, desebessége nullához tart.

Ezt a háromféle lehetoséget két csillagváros átlagos távolságának változásával is szemléltethetjük. HaΩ < 1, a csillagvárosok egymástól való távolsága állandóan no. Ekkor beszélünk nyílt világegyetemrol. HaΩ > 1, akkor ez a távolság egy adott legnagyobb érték elérése utáncsökkenni kezd és idovel eltunik. Ekkora világegyetemet zártnak nevezik. HaΩ = 1, a két csillagváros távolsága ugyan növekszik, de egy állandóértékhez tart, ez a sík világegyetem esete.

Nyílt világegyetem esetén a tér mértanát az ún. Bolyai-Lobacsevszkij féle mértan írja le. Ilyen térben aháromszögek szögeinek összege kisebb, mint 180 fok. A zárt világegyetem mértana az ún. gömbi mértan.Ekkor a háromszög szögeinek összege nagyobb, mint 180 fok. Asík világegyetem mértana a mindenkiáltal ismert euklideszi mértan, ahol a háromszög szögeinekösszege 180 fok.

Sötét anyag. Ahogy tárgyaltuk, a világegyetem jövojét az határozza meg, mekkora a világegyetem tö-mege. Kérdés miként mérheto meg a világegyetem tömege. Feltételezzük, - ez a megfigyelések szerint na-gyon jól teljesül-, hogy a csillagvárosok nagyjából egyenletesen töltik ki az égboltot. Egy adott, nagyon kistérszögben megszámlálhatjuk a benne látható csillagvárosokat. Ezután a térszög nagyságából meg tudjukmondani, körülbelül hány csillagváros található a világegyetemben. Hasonlóképpen meg tudjuk határozniegy átlagos csillagváros csillagainak számát is. Ezután, ismerve egy átlagos csillag tömegét, meg tudjukadni a világegyetem teljes tömegét. Napunk tömege Kepler törvényeibol meghatározható, ha ismerjük aFöld tömegét. Földünk tömege ag nehézségi gyorsulásból és a Föld sugarából számolható ki.

Méréseink szerint a világegyetem látható, a fenti módszerrel meghatározott tömege a kritikus tömegnekcsupán töredékét, kb. 0,5%-át fedezik. Számításba véve a nem látható, mert kialudt és egyéb csillagokbanlévo anyagot, amely elsosorban atomokból vagy plazmából áll, az atomos tömeg a kritikus tömeg 4,9%-átteszi ki. Ez azt jelenti, hogy a világegyetem anyagsurusége 0,25 hidrogénatom/köbméter.

Tejútrendszerünk, az Androméda-köd és más csillagvárosokcsillagai az adott csillagrendszer központjakörül keringenek. Ez a keringés hasonló ahhoz, ahogyan a bolygók keringenek a Nap körül. De a csillagvá-rosok keringését nem írhatjuk le az ismert anyag tömegvonzásának segítségével. Csak úgy kaphatjuk meg acsillagrendszerben keringo csillagok sebességét, ha feltesszük, hogy a korong alakú csillagrendszer összes

35

ismert anyaga a csillagrendszert körülvevo hatalmas, ismeretlen állapotú anyagfelhobe van beágyazva. Eztaz ismeretlen állapotú anyagot sötét anyagnak nevezzük. Feltételezések szerint ez a sötét anyag burok-szeruen veszi körül a csillagvárosokat, lásd a 21. ábrát. Surusége a csillagváros közepe felé kell, hogysurusödjön, akárcsak a látható anyag surusége. Bár a sötét anyag az elektromágneses kölcsönhatásban nemvesz részt, a részecske-ellenrészecske pár szétsugárzásakor, lásd a 3.5. fejezetet, a sötét anyag esetén isfotonok vihetik el a felszabaduló energiát.

21. ábra. A kép közepén látható fényl21. ábra. A kép közepén látható fénylo csillagváros ismeretlen állapotú anyagfelhobe van ágyazva. Ezt azismeretlen állapotú anyagot sötét anyagnak nevezzük. Feltehetoen a sötét anyag burokszeruen veszi körüla csillagvárosokat.

Hogy ténylegesen mi a sötét anyag, napjaink kozmológiájának talán legizgalmasabb kérdése, Megha-tározható, hogy a csillagvárosokban lévo sötét anyag, amely talán nagyon halvány csillagok sokaságábólés eddig még közvetlenül nem észlelt részecskékbol állhat, a kritikus tömeg 26,8%-át adja ki. Összegezveaz ismert és a sötét anyag mennyiségét, a viilágegyetemre azΩ = 0, 317 értéket kapjuk. Ám a világegye-tem mértana a mérések szerint nem az ennek az értéknek megfelelo Bolyai-Lobacsevszkij féle geometria,hanem azΩ = 1-nek megfeleo euklideszi mértan.

Sötét energia. Újabb fejtörésre adnak okot az Ia szupernóvák megfigyelésével mért távolságok, mert azezredfordulón közölt adatok alapján a távoli csillagvárosok messzebb vannak, mint ahogyan eddig vélték.Eddig azt tételeztük fel, hogy a csillagvárosok tömegvonzása lassítja a tágulás sebességét. De a mérésekszerint a tágulás nem lassul, hanem növekszik, azaz a világegyetem gyorsuló ütemben tágul.

Egyelore nincs kielégíto magyarázat, nem tudjuk, miféle taszító hatás gyozi le a tömegvonzás össze-húzó hatását. Jobb híján az ún. sötét energia létének tulajdonítjuk, ami új jelenség, hozzá hasonlóval eddignem találkozott a tudomány. Független a térben lévo anyagtól és sugárzástól és akkor is kifejti a taszítóhatást, ha semmi sincs jelen, azaz a taszítás az üres tér tulajdonsága. Ugyan nem tudjuk, hogy miféle, dea sötét energiának megfeleltetheto tömeg mégis a világegyetem össztömege fo összetevojének tartható ésez a tömeg is befolyásolja a világegyetem téridejét és így azΩ értékét. Ami a sötét energia matemati-kai tárgyalását illeti, értéke a feltevések szerint térfogategységre nézve állandó és az Einstein által annakidején az Einstein-egyenletekbe bevezetettΛ-val jelölt kozmológiai állandó írja le. A világegyetem sötétenergiájának mennyisége a világegyetem térfogatával arányosan növekszik.

Jelenleg a következoképpen képzelhetjük el a világegyetem fejlodését. Közvetlenül azosrobbanás utána világegyetem tágulni kezdett, de ennek sebességét a tömegvonzás egyre lassította. Ahogyan a világegye-tem térfogata nott, vele arányosan növekedett a sötét energia mennyisége is. Pár milliárd éve a sötét energiafelfúvó hatása meghaladta a tömegvonzás összehúzó hatásátés a tágulás mértéke az addigi lassulás helyettnövekedni kezdett. Azóta a világegyetem egyre gyorsabb ütemben tágul.

Világegyetemünk mértanát a világegyetemΩ értéke és a sötét energia mértékét megadó kozmológiaiállandó együttesen határozzák meg. A világegyetem mértanaakkor euklidészi, haΩ + Λ = 1. Mivel

36

a mérések szerint a világegyetem mértana euklidészi ésΩ = 0, 317, a kozmológiai állandó értékeΛ =

0, 683. A kozmológiai állandónak ez az értéke a világegyetem aIa szupernovák segítségével mért gyorsulóAzaz a különbözo területeken, egymástól függetlenül meghatározott értékek egybeesnek, ami alátámasztjavilágegyetemünk leírásának hitelességét.

Világegyetemünk látóhatára. Jól ismerjük a látóhatár (horizont) kifejezést az égbolttal kapcsolatban.Csak a látóhatárig láthatunk, ami azon túl van, láthatatlanszámunkra. A világegyetemben addig láthatunkel, ahonnan a fény jelen idopillanatban még ideérhetett hozzánk, ami azon túl van, onnan nem érkezhet fényhozzánk. Világegyetemnek vagy a megfigyelheto világegyetemnek a látóhatárig terjedo világegyetemettekintjük.

Hubble törvénye szerint a világmindenség tere tágul és minél messzebbre nézünk, a vizsgált térrészannál gyorsabban távolodik tolünk. Elég távoli térbeli tartományok távolodási sebessége már csaknemfénysebességnyi, még nagyobb távolságokban a távolodás sebessége meghaladja a fény sebességét. Köze-ledve a látóhatárhoz, a vöröseltolódás jelensége miatt az onnan idetartó fény hullámhossza egyre no, azaz arezgésszáma egyre jobban csökken.

Fénysebességnél gyorsabban tárgy nem mozoghat, sugárzás sem terjedhet, nem haladhat el egymásmellett. De a tér tágulása miatt, ha két egymástól igen messze lévo tárgyat tekintünk, akkor az itt lévo ésa távoli, hozzánk képest nagy sebességu tartományban található tárgy egymáshoz viszonyított sebességemeghaladhatja a fénysebességet. A legtávolabbi, még éppenlátható csillagrendszerek, azosrobbanástólszámított elso százmillió évek során keletkeztek. Mivel a világegyetem közben tágult, most jelenleg mint-egy 46 milliárd fényévre vannak tolünk.

Ha a világegyetem történetét azosrobbanás fenti hagyományos leírása szerint értelmezzük, súlyos ne-hézségekkel kerülünk szembe. Egyik legnagyobb nehézség a kozmikus háttérsugárzás csaknem teljesenegyenletes volta. A háttérsugárzás, mint késobb tárgyaljuk, azosrobbanást követo 380 ezer év tájt keletke-zett. Forrásai egymástól akár 90-szer akkora távolságra islehettek, mint az akkori látóhatár mérete. Ennyirenagy távolságban lévo anyagfelhok sohasem lehettek oksági kapcsolatban egymással. Mégis,ezek olyanállapotban voltak, mintha korábban egymással egyensúlyravezeto kölcsönhatásban álltak volna.

6. A kezdetektol a csillagvárosokig

6.1. A természeti semmibol induló világegyetem

Amint az osrobbanás modellje feltételezi, a világmindenség anyagavalaha egy igen kicsiny térfogatbanlétezett és ennek az anyagnak a homérséklete roppant magas volt. Említettük, ehhez az állapothoz azáltalános relativitás elmélete szerint szükségszeruen egy kezdeti rendkívül kicsiny, csaknem pontszerunekveheto állapot tartozik. Ennyibol lett a világ, amely azóta is tágul és közben homérséklete is fokozatosancsökken. Ahogyan a 4.5. részben tárgyaltuk, ez a Planck hossz, ami 1.62 ∗ 10−33cm, és a Planck ido,5.31∗10−44 másodperc tartománya. Ezek összefüggnek, a fény Planck hossznyi utat Planck ido alatt fut be.A Planck ido tájt a világegyetem mérete a Planck hossz10−33 centiméteres nagyságrendjébe esett. Ekkoratérfogatból fejlodött ki a ma megfigyelheto világegyetem.

Világegyetemünk összenergiája nulla. Hogy mibol indulhatott azosrobbanás, arra a megmaradási téte-lek adhatnak útmutatást. Felteheto, hogy valamennyi megmaradási tétel, beleértve az energiamegmaradás,a töltések megmaradásainak törvényeit is, úgy teljesül, hogy a világegyetem összes töltése, összenergiája ésegyéb megmaradó mennyisége nulla. Olyan módon, hogy a mérlegben szereplo + és - elojelu mennyiségekkiejtik egymást.

37

Például a világegyetem villamos összes töltése nulla, azaza világmindenségben lévo protonok száma,ezek a pozitív elektromos töltés hordozói, megegyezik a negatív töltést hordozó elektronok számával. Ezabból következik, hogy a két proton között fellépo tömegvonzás a közöttük fellépo taszító Coulomb köl-csönhatásnál 36 nagyságrenddel gyengébb, lásd a 1.1. részben. Ha a világegyetem anyagának össztöltésenem lenne nulla, akkor az egymást taszító és emiatt egyenletesen eloszló töltések közötti Coulomb taszításmég akkor is ellensúlyozná a tömegvonzás hatását, ha minden1036 + töltésre eggyel kevesebb− töltésjutna, vagy fordítva.

Az általános relativitáselmélet szerint a sík világegyetem pozitív elojelu energiáinak, például a mozgásienergia, hoenergia és hasonlóak, valamint a tömegeknek megfeleloE = mc2 energiáknak összege kiegyen-lítik a negatív tömegvonzási energiákat. Azaz a sík világegyetem összenergiája nulla. A megfigyeléseinkszerint a világegyetem mértana az euklidészi mértan, úgyhogy nemcsak a töltése, hanem az összenergiájaés a perdülete is nullának veheto.

6.2. Elso másodperc

Az eredet, hogy a világmindenség pontosan hogyan jött létre, a tudomány számára talán a legnagyobbkihívást jelenti. Nem az üres térben, valamikor pattant ki aMindenség. Világegyetemünk születése, aPlanck ido elott nem lehet távolságokról és idotartamokról beszélni. Amikor a világegyetem még nemlétezett, tér és ido sem volt. Nem léteztek tömegek sem, az elobbiek szerint az összenergia értéke nulla.Mivel még nincs megbízható kvantumgravitációs elméletünk, lásd a 4.5. rész végén, nem tudjuk leírni,hogyan indult azosrobbanás.

A kezdetek kezdetérol azzal a feltevéssel élhetünk, hogy a világegyetem a természeti semmibol pattantki. Utóbbit a még nem ismeretlen kvantumgravitációs elmélet írhatja le. Akkor még sem tér, sem az ido, ígytávolságok és idotartamok sem léteztek. Tömegek sem voltak még, csupán bizonyos, a kvantumgravitációáltal leírható jelenségek léteztek, melyek a világegyetemterének, idejének kialakulásához vezettek.

10−43 − 10−35 másodperc - egyetlen kölcsönhatás.A Planck-idon belül történtekrol megbízhatót nemmondhatunk. Utána,10−43 másodperc elteltével már létezik a tér és ido, fogalmaik egyértelmuek. Ekkormég a világegyetem homérséklete a leheto legmagasabb, a Planck homérséklet, értéke kb.1031 Kelvin. Atömegvonzás már elvált a másik három alapveto kölcsönhatástól, a gravitációs kvantumhatások elhanyagol-hatóakká váltak. Az általános relativitáselmélet egyenleteinek megfeleloen tágul a világegyetem, tágulásközben hul.

A 10−43 másodperceken belül a∆E ∗ τ ≥ h határozatlansági összefüggésnek megfeleloen nagyonnagy számú igen nagy energiájú lepton-ellenlepton, kvark-ellenkvark van-nincs részecskepár valamint akölcsönhatásaikat közvetíto X-részecske, lásd a 4.5. részben pattanhatott ki. Ahogyan a 4.4. szakaszbanemlítettük, ezek a Higgs-részecskével kölcsönhatva tömeget nyertek. A közöttük fellépo gravitációs von-zás annyira eros, hogy a keletkezo részecske párok energiáját ugyanolyan nagyságrendu negatív gravitációskölcsönhatási energia ellentételezheti. Így a világegyetem összenergiája nulla körül ingadozhatott, a kétszerannyi új, forró tömeg és sugárzási energia keletkezését kétszer annyi negatív kölcsönhatási energia ellen-tételezte. Ekkor a pozitív energia meghatározó része az igen nagy homérsékletnek megfelelo sugárzási ésa részecskék mozgásának megfelelo energia, ezekhez képest a nyugalmi tömegeknek megfelelo E = mc2

energia kicsi.

Az elfogadott leírás szerint a10−43 és10−35 másodperc közötti korai idoszakot a nagy egyesített el-mélet által leírtX részecskés folyamatok jellemezték, a kvarkokat leptonokba és viszont alakító kölcsön-hatások a legfontosabbak. Ekkor még a három alapveto kölcsönhatás, az eros, gyenge és elektromágnesesugyanolyan erosséggel, gyakorisággal zajlott, egymástól nem különböztek. Mivel a kvarkok leptonokba ésviszont alakulhattak, gyakorlatilag csak egyetlen részecske létezett. Ez az egyszeru világ különbözik a mai,szerkezetekben oly gazdag világunktól, melyre azX részecske már nem gyakorol befolyást.

38

10−35 − 10−32 másodperc - szimmetriasértés és felfúvódás.10−35 másodperc elteltével a homérsékletcsökkenése miatt a lepton-kvark átalakulások valószínusége elenyészové vált. Ekkkortájt azX részecs-kék és ellenrészecskéik kvarkokra, leptonokra, ellenkvarkokra és ellenleptonokra bomlottak. Ennek sorána világegyetem anyag-ellenanyag szimmetriája megbomlott, tízmilliárdegy keletkezett kvarkra csak tíz-milliárd ellenkvark jutott. Egyúttal az eros kölcsönhatás is elvált az elektrogyenge kölcsönhatástól. AzX-részecskék bomlásakor óriási mennyiségu energia szabadult fel. Ez a folyamat a víz jéggé fagyása soránzajló átmenethez hasonlítható, melynek során jelentos mennyiségu ho szabadul fel.

Az X-részecskék bomlásakor annyira sok energia szabadult fel,hogy az emiatt fellépo óriás nyomásnö-vekedés felfújta a világegyetemet. Rohamos tágulás kezdodött és világegyetemünk mérete minden2∗10−35

másodpercen belül megkétszerezodött. A felfúvódás körülbelül a10−32 másodperc tájt állt le. Ezalatt a vi-lágegyetem sárgadinnye nagyságúra nott. Ezután a tágulás egyenletesen, a mainak megfelelo mértékbenfolytatódott, lásd a 22. ábrát.

−5010

−4010

−3010

−2010

−1010

010

1010

2010

3010

4010

6010

5010

−4510

−3510 −25

10−15

10−5

105

1015

10

−6010

3210

1610

1110

910

2910

12102. T[K]

t[s]

3000

felv

úvó

dás

standard

fefúvódó

R[cm]

A megfigyelhet

Világegyetem sugara

22. ábra. A világegyetem méretének változása a felfúvódó vil22. ábra. A világegyetem méretének változása a felfúvódó világegyetemet feltételezo leírás alapján. Azábra a megfigyelheto világegyetem sugarát ábrázolja centiméterben a másodpercben megadott élettartamfüggvényében. Egyúttal feltüntettük az adott méretu világegyetem Kelvinben mért homérsékletét is. A10−35 másodpercnél kezdodo sáv a felfúvódás idoszakának felel meg. Elotte és utána a világegyetem aHubble-törvénynek megfeleloen tágul.

A hatalmas mértéku felfúvódás magyarázza, miért ennyire egyenletes a világegyetem. Eszerint a meg-figyelheto világegyetem egésze egy piciny tartományból fejlodött ki, amely azosrobbanás hagyományosmodellje által adott tartománynál sokkal kisebb. Ebben a viszonyok kiegyenlítettek, a benne lévo anyagegyensúlyi állapotban van. Vagyis a kozmikus háttérsugárzás forrásai a felfúvódó szakasz elott érintkeztekszorosan egymással. A ma megfigyelheto világegyetem teljes anyaga ekkor még az akkori látóhatáron belülvolt, azaz valamennyi anyag kölcsönhatásban állhatott egymással.

A felfúvódó világegyetem modellje és más hasonló modellek az osrobbanás után10−32 másodperc-cel azosrobbanás hagyományos modelljébe mennek át, ahogy ezt a 22. ábra is kifejezi. Míg az eros éselektrogyenge kölcsönhatás már különvált, az elektromágneses és gyenge kölcsönhatás még kb. a10−9 má-sodpercig megkülönböztethetetlen. Ebben az idoszakban a táguló és hulo világegyetem homérséklete mégelég magas volt ahhoz, hogy a kvarkok, ellenkvarkok valamint az eros kölcsönhatást közvetíto részecskék,a gluonok plazma állapotban lehessenek jelen.

10−9 másodperc - az elektrogyenge kölcsönhatás felhasadása.Amíg a homérséklet elég magas, ad-dig az elektromágneses és gyenge kölcsönhatás egyetlen kölcsönhatásként viselkedik. De a foton nullatömegu és hosszabb hatótávú kölcsönhatásokat is közvetíthet, míg a gyenge kölcsönhatást közvetíto nagytömeguW+, W− ésZ0 részécskék csak nagyon rövid hatávúakat. A10−9 másodperc tájt a világegyetem

39

már alacsonyabb homérsékletu és ekkor a kvarkok és leptonok már nem kerülnekannyira közel egymás-hoz. Hatótávjuk különbözosége miatt az elektromágneses és gyenge kölcsönhatás megkülönböztethetovéválik, lásd a 4.4. szakaszt. A világ legnagyobb gyorsítóin fél évszázaddal ezelott kezdték tanulmányozni avilágegyetemben ekkortájt zajló elemi részecskés folyamatokat.

Ekkortájt már az újabb részecske-ellenrészecske párok, különösen a kvark-ellenkvark párok keletke-zéséhez sem elég magas a homérséklet. Valamennyi ellenrészecske, amelybol a 10−35 másodpercben be-következo szimmetriasérülés miatt picivel kevesebb van, az ellenkvark a kvarkjával valamint a pozitronaz elektronnal ütközve szétsugárzódik és fotonokká alakul. Ez magyarázza, hogy a világegyetemben egyelektronra kb. húszmilliárdnyi foton jut. Ez az arány csak nagyságrendben igazít el, a fotonok surusége avilágegyetemben 0,412 milliárd foton/köbméter.

A világegyetem anyagát ekkor a szabadon mozgó, gluonok által kölcsönható kvarkok ún kvark-gluonplazma állapota jellemzi. Ma már léteznek olyan gyorsítók,melyekkel akár az ólom atommag is nagyonnagy energiákra gyorsítható. Ha elég nagy ez az energia és a bombázó ólom atommag szemtol-szembe üt-közik a céltárgy ólom atommaggal, akkor az összeolvadt két atommag belsejében annyira nagyra megnoheta homérséklet, hogy a belso protonok és neutronok kvarkjaikra olvadhatnak. Ily módonelo lehetne állítania kvark-gluon plazmát és tanulmányozni lehetne tulajdonságait. Mindeddig nincs meggyozo bizonyítékarra, hogy sikerült volna a kvark-gluon plazma eloállítása.

10−6 másodperc - neutronok és protonok. Nem sokkal ezután,10−6 másodperc tájt a táguló világ-egyetem homérséklete annyira lecsökkent, hogy a kvark-gluon plazmakvarkok hármasába, protonokba ésneutronokba dermedt. Ezután az elso másodperc végéig a meghatározó folyamat a protonok és neutronokegymásba alakulása. Ezeket a gyenge kölcsönhatás vezérli,elektronok, pozitronok, neutrínók és ellen-neutrínók keletkeznek. Kb. az elso másodperc végére a homérséklet annyira lecsökken, hogy a protonneutronná alakulásához már nincs elég energia. Ettol fogva a neutrínók és ellenneutrínók nem, vagy alighatnak kölcsön más részecskékkel.

Látjuk, már a születés elso másodpercében kialakult a világegyetem teljes anyagkészlete. Az elso má-sodperc végére a Mindenség protonokból, neutronokból, elektronokból, neutrínókból, ellenneutrínókból ésfotonokból állt. Már ez idon belül is megfigyelheto az egyre összetettebb rendszerek kialakulása. Mígkezdetben az elkülönültség még nem létezett, az elso másodperc végére, a világegyetem tágulásának éshulésének eredményeképpen a négy alapveto kölcsönhatás már elkülönült egymástól és kialakult a protonés neutron. Mindketto összetett részecske.

6.3. Elso percek

Ugyan már az elso másodpercen belül is képzodhettek összetettebb atommagok, de az akkor még igen újabbütközések szétveretékoket. Az összetettebb atommagok képzodéséhez az elso másodperc végétol néhánypercig, durván az ötödik perc végéig kedveztek a feltételek. Az elso másodperc végétol kezdve, amikor márcsak néhány milliárd fok a homérséklet, az ennek megfelelo proton és neutron mozgási energiákon indulmeg az összetett atommagok keletkezése. Ilyen folyamatok az Atomki gyorsítóin is tanulmányozhatók.

Mint az 4. részben tárgyaltuk, a protonok, neutronok közöttható vonzó magerok nagyon rövid ható-távú. Ahhoz, hogy a protonok és neutronok atommagfolyamatba léphessenek egymással, egymás közvetlenközelébe kell jutniuk. Minél közelebb kerül egymáshoz két atommag, az egyre erosebb Coulomb ero annáljobban fékezi a közeledésüket. Csak a nagyon magas homérsékleteken mozgó atommagok lehetnek eléggyorsak ahhoz, hogy a közöttük fellépo Coulomb-taszítást legyozzék. Ha a közeledés sebessége nem elégnagy, az atommagok nem juthatnak annyira közel egymáshoz, hogy a taszító Coulomb eronél jóval erosebbvonzó magerok hatása is érzodhessen.

40

A hélium képzodése. Az elso percek legfontosabb magfolyamatai a következok voltak. Eloször a neutron-proton ütközések során a nehéz hidrogénnek is nevezett, a protonból és neutronból álló deuteron atommagképzodése zajlik le. Ha a vízmolekula valamelyik hidrogénatomjának magja deutérium, a víznél nehezebbnehézvíz molekulával van dolgunk. Deuteronok egymással ütközve hélium atommagokká alakulhatnak. Ahélium atommagja két protonból és két neutronból áll. Így ésmás magfolyamatokon keresztül elsosorban4He atommagok keletkeznek. A legtöbb hélium az elso percekben keletkezik. Ahogy múlnak a percek,a homérséklet csökkenése miatt miatt egyre kisebb lesz a töltött atommagok ütközésének sebessége. Ígya Coulomb taszítás egyre csökkenti összeolvadásuk valószínuségét. Emiatt a4He atommagnál nagyobbtömegszámú atommagból csak nagyon kevés alakulhatott ki.4He is csak csak elso néhány percben kép-zodhetett nagyobb mennyiségben.

A világegyetem anyagának nagyobb része proton, azaz hidrogén atommag. 12 hidrogén atomra egyhélium atom jut. Ha a tömegeik arányát vesszük, a 3:1 értéketkapjuk. Az osrobbanás modellje alapjánszámolt kb. 25%-os hélium arány nagyon jól egyezik ezzel az értékkel. Egyéb, ritkán eloforduló könnyebbatommag kozmikus elofordulási valószínusége is jól megfelel azosrobbanás elmélete alapján számoltaknak.

Mivel a szabad neutron bomlásának felezési ideje 10,2 perc,a szabad neutronok nagy többsége az elsoóra végére eltunik a világegyetembol. Ezután a magfolyamatok valószínusége elhanyagolhatóvá vált, csakjóval késobb, a felforrósodott csillagok belsejében indulhattak beújra. A táguló és hulo világegyetemünktovábbi fejlodését egy ideig az elektromágneses kölcsönhatások határozzák meg.

6.4. 380 ezer év

Az elso öt perc után körülbelül 380000 évig a világegyetem arculatát a fotonok és az anyag kölcsönha-tása határozta meg. A világegyetem ekkoriban plazma állapotban van, a nagyon magas homérséklet miattatomok vagy molekulák, csillagok, csillagvárosokhoz hasonló rendszerek még képzodhetnek, mert a nagynyomás, a töltött részecskékkel és a fotonokkal való ütközés hamar szétzilál bármilyen alakzatot.

Amikor a homérséklet 380000 év tájt 3000 Kelvinre csökken, a világegyetem hosszmérete a mai ezred-része. Ezen a homérsékleten a kialakuló atomok állékonyságát az ütközések már nem veszélyeztetik, a 3000Kelvines tér sugárzásának színképében már elhanyagolhatóa nagyobb energiájú, hidrogén vagy hélium ato-mot gerjeszteni képes fotonok jelenléte. A keletkezett hidrogén atomok jó része hidrogén molekulákká álltössze, a hélium nemesgáz, ezért atomos állapotban található. Ezzel az elektromágneses kölcsönhatás irá-nyította sugárzásos korszak lezárult, a sugárzás és az anyag kölcsönhatása jelentéktelenné vált. Minthogy afotonok már nem hatnak kölcsön az anyaggal és így nem nyelodnek el, ettol fogva a kozmikus háttérsugár-zás fotonjaiként szabadon terjedhetnek a Világmindenségben. A kozmikus háttérsugárzás mai mintázatát asugárzási térnek a 380000 év körül kialakult állapota alakította ki. A kozmikus háttérsugárzás most ideérofotonjai 13,8 milliárd - 380 ezer évvel ezelott indultak el felénk.

Ma a kozmikus háttérsugárzás fotonjainak surusége közel450 foton/cm3, a világegyetem fotonsurusé-gének 60%-át teszi ki, a fotonok további 40%-át a csillagvárosok és a csillagok sugározták ki.

A háttérsugárzás egyenetlenségei.Ahogyan a COBE muhold 1992-es mérései óta tudjuk, a háttérsugár-zás nem teljesen egyenletes. A különbözo irányokból érkezo sugárzás nem teljesen azonos homérsékletutérségekbol érkezik, igen kicsiny, százezred foknyi ingadozások mutatkoznak. Ez arra utal, hogy 380000 évtájt a világegyetem gázfelhojében suruségingadozások voltak. Ugyanis ahol magasabb a homérséklet, ott agáz surubb és erosebb a tömegvonzás, ennek indoklását lásd késobb a 7.2. részben. A COBE értékei nemvoltak elég pontosak. 2001-ben bocsátották fel a WMAP muholdat, a COBE és a WMAP adatai közöttikülönbséget jól mutatja a 23. ábra.

A suruségingadozásokat a plazmában terjedo hanghullámok alakították ki, bizonyos helyeken kissésurítették, máshol kissé ritkították a plazmát. Ahol az anyag surusége nagyobb volt, magasabb volt a ho-mérséklet, kisebb suruségeknél pedig alacsonyabb, a homérsékleti ingadozások rendje tízezred Kelvines.

41

23. ábra. A felso ábra a kozmikus háttérsugárzásnak a COBE muhold által mér23. ábra. A felso ábra a kozmikus háttérsugárzásnak a COBE muhold által mért egyenetlenségeit szemlél-tetik, az alsó a WMAP muhold által mért jobb felbontással mért értékek. Az egyenetlenségeknek megfelelokülönbségek a háttérsugárzás tízezred Kelvines ingadozásainak felelnek meg, csak az ábrázolás nagyítottafel oket.

Különbözo rezgésszámú hanghullámok terjedhettek a plazmában és a nekik megfelelo különbözo ho-mérsékletu helyek színképeit elemezve megkaphatjuk, hogy mekkora volt a 380000 éves világegyetem, ésebbol az is, hogy 13,8 millió éve keletkezett. Továbbá a színképek elemzésébol meghatározható, hogy avilágegyetem sík mértanú. A WMAP muhold ötéves muködése során kapott eredmények összegzése sze-rint, a 380000 éves világegyetem anyagának 10%-át neutrínók, 12%-át atomok, 15%-át fotonok, 63%-át asötét anyag adta, a sötét energia mennyisége akkor még elhanyagolhatóan kicsiny. A WMAP után 2009-benfelbocsátott Planck muhold által 2013 márciusában közöltadatok szerint, ahogy korábban már megadtuk,ma a világegyetemben a megfelelo arányok az ismert állapotú anyagra 4,9%, a sötét anyagra 26.8%, és asötét energia részesedése 68.3%.

2016 áprilisában közölték, hogy a háttérsugárzás egyenetlenségeihez hasonló jelenséget figyeltek mega rádióhullámok tartományában is. A rendelkezésre álló legnagyobb rádióteleszkópokkal észlelték és azelméletek nem jósolták meg. Ezek az adatatok is a kezdeti tömegeloszlás egyenetlenségeivel lehetnekkapcsolatban.

7. A világegyetem mai arculatának kialakulása

Világegyetemünk fejlodésének meghatározó tényezojévé 380000 év után a tömegvonzás válik. Amint lát-tuk, a gyenge, eros és elektromágneses kölcsönhatások jellemezte korszakoknak vége, a fenti három eromár nem kezdeményez jelentosebb változásokat, mivel hatásuk csak kis távolságokon érvényesül. Mivel atömegvonzási ero egyetemes, valamennyi tömeggel rendelkezo test között hat és hatása nagyobb távolsá-gokra sem hanyagolható el. Valamennyi tömeg vonz valamennyi tömeget, ez a mindenhol ható ero alakítottaki a Mindenség rendszereit.

Csomósodások. Ahogy a hidrogén és héliumgázból álló világegyetem az elso évmilliók során hult, úgycsökkent a fotonok energiája. Halványodott, majd kialudt alátható fény és beköszöntött a sötétség korszaka.

42

Fo szervezojévé, rendjének forrásává a tömegvonzás vált. Ha azosi gáztömegben valahol egy kicsit surubbévált a gáz, a hely tömegvonzási központtá csomósodik. Környezetébol magához vonzza az anyagot és ezzela vonzása még erosebbé válik. Így az eredetileg csaknem jelentéktelen különbségek az önmagát erosítofolyamatban egyre jobban nonek. Ezzel a tömegvonzás szervezo erejének hatására az eredetileg csaknemegyenletesen eloszló anyag gázfelhokbe tömörül. Középen lesz a legnagyobb a suruség, ahogy megyünkkifelé, az anyag surusége csökken.

A háttérsugárzásban 380000 év tájt mutatkozó suruségingadozásokból fejlodtek ki a csillagvárosok,ezek a csillagvárosokból, csillagváros halmazokból álló világegyetem nagy léptéku szerkezetének forrásai.A suruségingadozások a felfúvódás korszakára utalnak. Amikor a felfúvódás elkezdodött, a világegyetemannyira kicsiny volt, hogy a határozatlansági összefüggések által leírt kvantumos ingadozások jellemez-ték és végsosoron ezeknek mintázata alakította ki a plazmarezgéseketés így a 380000 év körül kialakultháttérsugárzás ingadozásait.

7.1. Csillagvárosok

Az önerosíto csomósodási folyamat felelos a csillagvárosok és az elso csillagok kialakulásáért. Az csil-lagvárosok 400 millió évvel a világegyetem születése után keletkezhettek. Nemcsak a gázfelhoket, a sötétanyagot is tekintetbe kell venni a csillagvárosok és csillagok kialakulásának leírásához. Hogy pont miként,ez a mai vizsgálatok egyik fontos kérdése.

Ahogyan a csillagvárosokban folytatódnak a csomósodási folyamatok, belsejükben egyre több csillagalakul ki. Világmindenségünkben körülbelül százmilliárdcsillagváros van. Az egyes csillagvárosokbankörülbelül százmilliárd csillag található. Napunk csak egyike a Tejútrendszer 200 milliárd csillagánakés a Tejútrendszer is csak egyike a Mindenség százmilliárd csillagvárosának. Tejútrendszerünk egy, azátlagosnál nagyobb csillagváros, átméroje kb. 100 ezer fényév, alakja lapos korong, melynek spirálkarjaivannak. A csillagvárosok alakja változatos lehet. Ha gyorsabban forog, lapos koronggá alakul, ha lassabba forgása, gömbszeru lesz.

Csillagvárosok halmazai. Egy csillagváros mérete durván százezer fényévnyi, a csillagvárosok közöttiátlagos távolság néhány millió fényév. Maguk a csillagvárosok is vonzzák egymást, csoportokba tömörül-nek. Tejútrendszerünk a körülbelül 30 csillagvárosból álló, körülbelül 5 millió fényév átméroju LokálisCsoporthoz tartozik, lásd a 24. ábrán. A kisebb csoportok még nagyobb csoportokat alkotnak. A LokálisCsoport a körülbelül 100 millió fényév átméroju Lokális Szuperhalmaz része.

24. ábra. A Lokális Csoport csillagvárosai. A két legnagyob24. ábra. A Lokális Csoport csillagvárosai. A két legnagyobb csillagváros a Tejútrendszer és azAndroméda-köd, a többiek foleg köréjük csoportosulnak.

Újabb megfigyelések szerint a csillagvárosok eloszlása meghatározott mintát követ. Mintha a világ-egyetem felfúvódó buborék lenne, melynek belsejében kisebb, ezek belsejében annál is kisebb és így tovább

43

buborékok volnának. Maguk a csillagvárosok a buborékok felszínén helyezkednének el, lásd a 25. ábrát.Egészen a 300 millió fényéves méretig - ahonnan kezdve a világegyetem anyageloszlása már egyenletesnekveheto, lásd a 5.3. szakaszban - a csillagvárosok eloszlása ilyenönhasonló képet mutat. Az önhasonlóságazt jelenti, hogy a részlet kinagyítva az egészhez hasonló.Ha az önhasonlóság bármely méretre igaz lenne,akkor beszélnénk fraktálról.

A csillagvárosok eloszlása a kezdeti kis egyenlotlenségek szerkezetére vezetheto vissza. A világegye-temben lévo sötét anyag mennyiségét abból is meg lehet becsülni, hogy aháttérsugárzásban mért egye-netlenségekbol kiindulva - lásd a 23. ábrán a MAP muhold által a hosugárzás eloszlásában mért egye-netlenségeket, amelyek egyúttal a suruség egyenetlenségeit is tükrözik,- kiszámolják, hogy ezekol milyenvilágegyetem alakul ki. Ennek a számolásnak a végeredményeerosen függ attól, mennyi sötét anyagottételeznek fel. Ha a világegyetem sötét tömege a kritikus tömeg ma mérheto százaléka, akkor a számolásvisszaadja a 25. ábrán látható, észlelt buborékszerkezetet.

25. ábra. A buborékszerkezetet mutató világegyetem. Látha25. ábra. A buborékszerkezetet mutató világegyetem. Látható, hogy a csillagvárosok rendszerei mintha anagy buborék belsejében lévo kisebb buborékok felszínén helyezkednének el.

Tejútrendszer. A szabad szemmel látható csillagok szinte valamennyien a Tejútrendszerhez tartoznak.Az augusztusi égen látható hatalmas, tejszeru csillagfelho, a Tejút, a Tejútrendszer fo részét alkotja. Szabadszemmel is megfigyelheto, nem a Tejútrendszerhez tartozó csillagváros a Tejútrendszer két kis kíséro csil-lagvárosa, a Kis és Nagy Magellán felho, de ezek csak a déli féltekérol láthatók. Innen az északi féltekérolaz egyetlen, szabad szemmel tiszta idoben még éppen látható, nagyobb méretu csillagváros az Androméda-köd, lásd a 26. ábrán.

26. ábra. Az Androméda-köd

Tejútrendszerünk az átlagosnál nagyobb csillagváros, több mint 200 milliárd csillagból áll. Alakjalapos, csigavonalszeruen kinyúló karok alkotta korong, amely középen kidudorodik. Az égbolton a Nyilas

44

csillagképben van a központi mag, amelynek közepén egy 2,6 millió naptömegnyi fekete lyuk, ezt lásdkésobb a 7.2. szakaszban, található. Körülötte egy fényévnyi távolságon belül mintegy tízmilliónyi csillagkering.

A központi dudor körül forog a kb. hatvanmilliárd fiatalabb csillagból álló lapos korong. Átmérojekb. 100000 fényév, vastagsága alig ezer fényév, csigavonalas szerkezete pontos kinézetét belülrol nehézmegállapítani. A lapos korongot egy gömb alakú ritkább övezet veszi körül, amely idos, 11,5-13,5 milliárdéves csillagokból, azoknak csoportjaiból és gázfelhokbol áll. Belül vannak a fiatalabb, 11,5 milliárd évescsillagok, a gömb külso rétegeit a világmindenség legöregebb csillagaihoz közé sorolható, azosrobbanásután kb. 250 millió évvel keletkezett csillagok alkotják. Agömbövezet tömege a korong tömegének kb.20-30%-a. A központi dudorodás és a gömbszeru övezet lassan, a korong jóval gyorsabban forog. Napunka középponttól 26000 fényévnyire a korong egyik spirálkarjában található.

Tejútrendszerünk további összetevoje a sötét anyagból álló, ezért láthatatlan része, amely nagyságrend-del nagyobb tömegu, mint a a dudor, a korong és a gömbszeru övezet együttvéve. Térfogata kb. ezerszerakkora lehet, mint a csillagokat magába foglaló térfogat, ennek jellegére lásd a 21. ábrát.

Tejútrendszerünk több mint 12 milliárd éve alakult ki gázt és csillagokat tartalmazó kisebb és nagyobbcsillagvárosok összeolvadásából. Máig tart a más csillagvárosokkal való ütközési folyamat. Egyrészt aTejútrendszer két kisebb kíséro csillagvárosa, a Kis és Nagy Magellán felho közelednek hozzánk és belefognak olvadni a Tejútrendszerbe. Másrészt a legközelebbinagy csillagváros szomszédunk, az Androméda-köd 100 km/s sebességgel közeledik felénk és kb. 5 milliárd év múlva a Tejútrendszer és az Androméda-ködkorongjai össze fognak ütközni.

A csillagváros-csillagváros ütközések nem ritkák, a világur távolabbi tartományaiban számos ütközocsillagvárost láthatunk. Az egyre bonyolultabbá váló ütközési folyamatok során csillagok a csillagvárosokközötti térbe dobódhatnak ki, és a csillagok közeli ütközései a csillagokat is szétvethetik. Végeredménybenaz új nagy csillagrendszer nagyjából egyenletes anyagsuruségu felhové válhat, melynek anyaga a hidrogénés hélium mellett jelentosebb mennyiségu nehezebb elemet is tartalmaz.

Két nagyobb anyagtömegu csillagváros ütközése alakíthatta ki a Tejútrendszer szerkezetét is, az egyik akorongot, a másik a központi dudort és a gömbszeru övezetethozhatta magával. De az is lehetséges, hogya csillagvárosok alakját inkább a forgásuk sebessége határozza meg. Minél gyorsabban forog a csillagvá-ros, annál inkább korongszeru és belül mind laposabb. Hogya belso gömbszeru övezetben öregebbek acsillagok, az pedig azzal magyarázható, hogy a csillagfejlodés eloször a központi tartományban indult meg.

Az öregedo világegyetem. Minél távolabbi csillagvárosokat vizsgálunk, a fényük annál korábban indultal felénk, így ekkor a világegyetem történetének egy korábbi szakaszára tekintünk vissza. A nagy vörös-eltolódású csillagrendszerekrol érkezo fény az akkori, akár több milliárd évvel ezelotti helyzetrol tudósít.A mérések arra utalnak, hogy a csillagvárosok csillagai által kibocsátott energia az utóbbi kétmilliárd évfolyamán a felére csökkent. Leggyakrabban a 3 milliárd évesvilágegyetemben képzodött csillag, az akkoriégbolt volt a legfényesebb. Az azóta eltelt 10 milliárd év során egyre kevesebb csillag született.

7.2. Csillagok

Mint eddig is láttuk, idovel a világegyetem rendszerei összetettebbé, sokszínubbé válnak. Ennek a folya-matnak a csillagok megjelenése igen fontos eleme. Számos állomása van a csillag életének. Fejlodésénekkezdeti szakaszában a csillag tömegvonzás hatására összehúzódó gáztömeg. Ha már eléggé összehúzódott,felfénylik. Késobb a csillagokban atommagfolyamatok indulnak be és a csillag által kisugárzott energiaelsosorban ezekben termelodik. Aszerint, hogy milyen atommagfolyamatok zajlanak bennük, különbözocsillagállapotokról beszélünk. Napunk is egy adott állapotban lévo csillag. Környezetünkben 3-4 fényév acsillagok átlagos távolsága, legközelebb hozzánk a Proxima Centauri nevu csillag van, tolünk 4,3 fényévretalálható.

45

A csillag kiinduló állapotául szolgáló anyagfelho összetétele a csillagváros korosodásával fokozatosanátalakul. Kezdetben a csillag anyaga tisztán hidrogén és hélium. Ahogyan tárgyalni fogjuk, a nagyobbtömegu csillagokban magasabb rendszámú elemek is keletkeznek. A szupernóva robbanások alkalmávala teljes periódusos rendszer elemei szétszóródnak a csillagvárosban. Belekeverednek a gázfelhokbe ésemiatt az újabb csillagnemzedékek már porral szennyezett gázfelhokbol alakulnak ki. Amíg vannak acsillagvárosban olyan gáz- és porfelhok, melyek csillaggá surusödhetnek, addig csillag is keletkezhet. Míga legöregebb csillagok a csillagvárossal együtt jöhettek létre, a csillagok többsége jóval fiatalabb.

A csillagok születése és elmúlása nem körkörös folyamat. A csillagok belsejének sok millió fokoshomérsékletén a csillagok alapveto futoanyaga, a hidrogén magasabb rendszámú elemekké alakul, amelyeknem válhatnak késobb születo csillagok futoanyagául. Ezért a csillagvárosoknak is van fejlodéstörténete.Ahogy csillagai kihunynak, úgy öregszik a csillagváros is.

Csillagbölcsok. Sokáig rejtélyes volt a csillagok keletkezésének mozgatója. Nem értették, hogy a csil-lagközi gázból és porból álló hatalmas méretu felhoknek miért kellene összehúzódniuk és csillagokat alkot-niuk. Ugyanis a hideg gázfelho belso nyomása van akkora, hogy képes ellenállni a tömegvonzás összehúzóhatásának. Manapság, elsosorban a Hubble urtávcso és az infravörös tartományban méro, muholdakra tele-pített berendezések segítségével jóval többet tudunk a csillagok születésérol.

Egyedül keletkezo csillagot még nem láttak. A csillagok sohasem elszigetelten, hanem több ezer vagyakár milliónyi, nagyjából együtt kialakuló csillagot számláló, csillagbölcsonek nevezheto térségekben szü-letnek. Naprendszerünk közelében, tolünk 1500 fényévre, az Orion csillagképben is van egy ilyen, szabadszemmel is látható csillagbölcso, a 20 fényévnyi átméroju Orion-ködnek nevezik. A csillagbölcsok hatal-mas gázfelhokbol alakulnak ki, a csillagvárosok legnagyobb méretu alakzatai közé tartoznak, átmérojüknéha a 300 fényévet is elérheti. Nemrég fedeztek fel a Skorpió csillagképhez közel, tolünk 407 fényévnyireegy éppen alakuló csillagcsoportot, amelyet egyelore kb. 300 igen fiatal, átlagban 300000 éves csillag alkot.

Kezdetben a csillagvárosok legbelso tartományban kialakult óriáscsillag környezetében indulhatott mega csillagbölcsok kialakulása és a folyamat onnan terjedhetett tovább. Mint tárgyalni fogjuk, a nagyobbtömegu, szupernóvává fejlodo csillag az élete végén felrobban és a szétrepülo anyagának lökéshullámahatalmas sebességgel, 1000-10000 km/sec sebességgel terjedo gömbövet alkot. A gömböv sugarának nö-vekedésével a benne lévo anyag surusége csökken. Ha a lökéshullám egy nem túl távoli, ám addig mégnyugalomban lévo nagyobb gázfelhon söpör át, megkavarja a gázt. Az így kialakuló csomósodásokból akárnagyobb tömegu csillagok is kialakulhatnak. Ha a csillag nagyobb tömegu, gyorsabban fejlodik, ahogyanezt hamarosan tárgyalni fogjuk. Egyesek közülük akár egymillió éven belül szupernóvává alakulhatnak ésezek robbanásainak lökéshullámai a hatalmas gázfelho addig nyugalomban lévo tartományain is végigsö-pörnek. Tömörítik a gázfelho útjukba eso anyagát, ami újabb csillagok keletkezéséhez vezet. A láncfolya-mat igen gyors, mert pár száz fényév alatt még a kisebb sebességu lökéshullám is fényévnyi távolságokat futbe. Így pár ezer éven belül a csillagkeletkezés a teljes csillagbölcsore is kiterjedhet. Alig két milliárd évvelazosrobbanás után, az akkor fiatal csillagvárosokban igen nagy számban, nagy területeken keletkezhettekcsillagok.

Gázfelho öngerjeszto összehúzódása.Önmagát gerjeszti a tömegvonzás okozta összehúzódás. Minélközelebb kerülnek egymáshoz a tömegek, a tömegvonzás annálerosebb, ennélfogva az összehúzó hatásmég kifejezettebb. Minél nagyobb az összehúzódó gáz tömege, annál erosebb a gázfelhot összehúzó ero.Ezért egy csillag kialakulásának folyamata és fejlodése annál gyorsabb, minél nagyobb a tömege.

Kezdetben a csillag sötéten kavargó, tömörülo, a középpontja felé haladva mind surubb anyagfelho,melyben a tömegvonzás egyre erosebb. Mivel a vonzó kölcsönhatásokra a kölcsönhatási energia elojelenegatív, lásd a 6.1. szakaszban, az erosödo tömegvonzásnak megfelelo kölcsönhatási energia annál kisebblesz, minél surubb az anyag (a nagyobb abszolút értéku negatív szám a kisebb!). Emiatt a gravitációsösszehúzódáskor energia szabadul fel. Ez az energia a részecskék mozgási energiájává, azaz hové alakul.

46

Így a helyi homérséklet ott magasabb, ahol nagyobb a gáz surusége. Legbelül a legmagasabb, mert otta legnagyobb a suruség. Ahogy no a homérséklet, a gáz atomjai és molekulái egyre hevesebb módonütköznek egymással és a fotonok is mind nagyobb energiájúak. Egy ido után a homérséklet növekedésévelbeindul a molekulák majd az atomok gerjesztodése. Sugározni kezdenek és a kialakuló csillag ekkor válikláthatóvá.

Meg kell jegyezni, ha az összehúzódó gázfelho egy kicsit is forgott, akkor tömegének egy része a perdü-let megmaradása miatt a csillagon kívül marad. Azaz a csillaggal együtt bolygók is keletkeznek, gyorsabbforgás esetén kettoscsillagok is kialakulhatnak.

Csillag egyensúlyi állapota. A kisugárzott fény és a szétrepülo elektronok és ionok által kifejtett nyomásnem tudja megakadályozni a gravitációs összehúzódás folyamatát. Ez egészen addig tart, amíg a csillagbelsejében el nem éri a 3 millió Kelvint. Ekkor indulnak be azatommagreakciók. Ahogyan már tár-gyaltuk, a vonzó magero csak akkor kezd hatni, ha a két proton egymás közvetlen közelébe kerül, lásd a4.2. szakaszban. Amikor az éppen egymás felé repülo protonok közelebb kerülnek egymáshoz, a közöt-tük fellépo Coulomb-taszítás egyre hevesebbé válik, és emiatt mind erosebben lassulnak. Így csak akkorkerülhetnek egymás közvetlen közelébe, ha eléggé nagy sebességgel indulnak el egymás felé. A 3 millióKelvin homérsékletu plazmában a protonok egy része már annyira gyorsan mozog, hogy beindulhatnak azatommagfolyamatok.

Az egymással magreakcióba lépo protonok több lépés után végül is hélium atommaggá olvadnak össze.Úgy is mondható, hogy a csillagot alkotó protonok hélium atommagokká égnek el. A magátalakulásoksorán négy protonból, - több közbenso folyamaton át - hélium atommag, két pozitron, neutrínók ésfotonokkeletkeznek. A protonok héliummá való összeolvadása soránenergia szabadul fel, mivel a hélium atommagés a két pozitron össztömege 0,7%-kal kisebb, mint a nyersanyagául szolgáló négy proton tömege. Ez atömegkülönbség azE = mc2 képletnek megfelelo energiaként szabadul fel.

A magfolyamatokban keletkezo, szétrepülo részecskék nagyobb energiája miatt a csillag belso tarto-mányban megno a nyomás és ennek felfúvó hatása megállítja a tömegvonzás által gerjesztett összehúzó-dást. Hosszabb idotartamra egyensúlyi állapotba kerül a csillag. A napnyi tömegu csillag 50 millió év alattéri el az egyensúlyi állapotot. Mindaddig ebben az állapotban marad, amíg a belsejében lévo hidrogéngázhéliummá nem alakul. Csillagtömegtol függoen ez a folyamat akár többmilliárd évig is eltarthat.

Barna törpe. Két proton között akkor zajlhat atommagfolyamat, ha a homérséklet eléri a 3 millió Kelvint,ekkor kerülhet egymáshoz elég közel a két egymást taszító proton. Csak olyan csillag magjában nohetmeg 3 millió Kelvinre a homérséklet, amelynek össztömege elég nagy, legalább akkora, mint a Jupitertömegének 75-szöröse. Ez a naptömeg 8%-nak felel meg. Vannak ennél kisebb tömegu csillagok is, ezeketbarna törpéknek nevezik. Ezek központi tartományában is zajlik energiatermelo atommag folyamat, debennük a proton és a deuteron között. Ugyanis deuteron és proton összeolvadásához, - a deuteron egyprotonból és egy neutronból áll, - már egymillió fokos homérséklet is elegendo. Egymillió fokra a 13Jupiter tömegnél nagyobb tömegu csillagok belseje hevülhet fel. Ennek megfeleloen a barna törpe csillagtömege 13-75 Jupiter tömeg közé esik. Felszíni homérséklete alig 2000 Kelvin, viszonylag gyorsan elégetideuteronkészletét, és csak százmillió évig fénylik. 6,5 fényévre van a hozzánk legközelebbi barna törpe.

Csillagok tömege és élettartama. Egy csillag élettartamát az határozza meg, hogy milyen gyorsan égetiel a belsejében lévo hidrogént. Minél nagyobb a tömege, annál nagyobb a belsejében a tömegvonzás és ígyaz összehúzódás sebessége, magasabb lesz a belso homérséklet és a protonok héliummá égése is gyorsabbanzajlik. A kb. 75 Jupiter-tömegu csillagok fénye épp hogy csak pislákol. Nagyon hosszú ido, tíz- vagy akárszáz milliárd évek kellenek ahhoz, hogy a hidrogénkészletük elégjen.

Egy naptömegu csillag mintegy 10 milliárd évig marad egyensúlyi állapotban. Vannak azonban olyancsillagok is, melyeknek tömege a Nap tömegének tízszerese,a legnagyobbaké a naptömeg sokszázszoro-

47

sát is elérhetik. Mivel a nagyobb tömegu csillagok összehúzódása gyorsabb, ezért egyensúlyi állapotukéletideje rövidebb. Például a Napnál tízszer nagyobb tömegu csillag 2 millió éven belül égeti el hidrogén-készletét. Élettartama a Nap élettartamának ötezred része, fényereje a Nap fényességének ötvenezerszerese.

Vörös óriás, vörös törpe. Amint a csillag magjában fogy a hidrogén, kevesebb lesz a termelodött éskifelé áramló energia és emiatt a belso nyomás is csökken. Ha a csillag tömege a naptömeg 40%-ánál na-gyobb, a tömegvonzás hatására csillag magja összébb húzódik. Ezzel no bent az anyagsuruség és a nagyobbsuruségu helyek homérséklete magasabb. Ahogyan a csillag surusödik, a csillag magjának korábbi suru-sége és homérséklete most egy, a központtól távolabb fekvo gömbrétegnek lesz a surusége és homérséklete.Így a hidrogént égeto csillagbelso térfogata, valamint a központi rész homérséklete fokozatosan no. Azazahogyan fogy a csillag belsejében a hidrogén, úgy tolódik egyre kintebb a hidrogént égeto övezet határaés így a csillag térfogatának egyre nagyobb részét foglaljamagába. Ezzel a csillagban mind több energiakeletkezik. Így a hidrogén fogyásával a csillag fokozatosan fényesedik és mind nagyobbra fúvódik.

Tömegétol függ a felfúvódó csillag további sorsa. Ha a csillag tömege a 0,4-8 naptömeg között van,akkor a keletkezett nagyobb mennyiségu energia felfújja acsillagot. Egyre nagyobb és ragyogóbb lesz és avörös óriásnak nevezett állapotba kerül. Elvesztheti tömegének egy részét, mivel olyan nagyra fúvódik fel,hogy rezgései és rengései során az illékonyabb hidrogéngázegy része leszakadhat róla. Amint a felfúvódócsillagban elfogy a hidrogén, energiatermelo folyamat hiányában a tömegvonzás összehúzza a csillagot.

Ha a csillag tömege a naptömeg a naptömegnél 40%-nál kisebb,és a hidrogén fogyása miatt csökken abelso nyomás, a tömegvonzás már nem elég nagy ahhoz, hogy a csillagbelso suruségét tovább növelje. Ehe-lyett a külso rétegekbol hidrogénben dúsabb gáztömegek áramlanak a csillag belsejébe és a hidrogén ége-tésének sebessége változatlan marad. A csillagfelszín homérséklete sem no 3500 Kelvin fölé. A csillagotvörösnek látjuk, mivel az infravörös sávban sugároz. Az ilyen, vörös törpének nevezett csillag élettartamaakár a billió évet is elérheti. Emiatt a világegyetemben mégnem hunyt ki vörös törpe. A Tejútrendszer csil-lagainak 75%-a vörös törpe, de a színük miatt alig látszanak. Egyes feltételezések szerint a barna törpékbolvan több, deoket még nehezebb észrevenni. Vörös törpék a hozzánk legközelebbi csillagok, így, a ProximaCentauri is.

Fehér törpe, a szén és egyéb nehezebb elemek képzodése. Miután a felfúvódó csillag hidrogénje el-égett ill. megszökött, az összehúzódó, héliumból álló csillag mind kisebb térfogatú, magas homérsékleturagyogó fehér csillaggá, fehér törpévé surusödik. Aminta csillag magja nagyobb suruségu és így magasabbhomérsékletu lesz, újabb energiatermelo magfolyamat indulhat be. A hélium atommagok összeolvadáshozjóval magasabb homérséklet kell, mivel a hélium atommag töltése két protonnyi és emiatt a két héliumatommag között fellépo taszító Coulomb taszítás 2*2=4-szer akkora, mint a két proton közötti taszítás.Úgy 100 millió fok körül indulhat be a hélium atommagok összeolvadása. Ennek során három héliumatommagból egy szénatommag képzodik. Ez a folyamat a hidrogén égésénél sokkal gyorsabb.

Eloször két hélium atommag összeolvadásából berillium atommag képzodik. Azonban a keletkezett8Beizotóp nem állékony, a természetben csak a9Be atommag fordul elo. Nagyon gyorsan,10−16 másodpercenbelül két hélium atommagra esik szét. Annak valószínusége, hogy ezalatt a8Be atommag újabb héliumatommaggal olvadjon össze, igen kicsi. Márpedig a12C, a szén atommagja csak így keletkezhet. Viszonta 8Be - hélium ütközés valószínusége éppen annál az energiánál mutat rezonanciaszeru növekedést, lásd a4.3. szakaszban, amely a héliumot égeto csillag belso homérsékletének felel meg. Ennyire kis energiánála rezonancia nagyon ritka. Kivételesen szerencsés véletlen, hogy a rezonanciaenergia és a csillagbelsohomérsékletének megfelelo energia így egybeesik. Ennek tulajdonítható, hogy a világegyetemben van elégszén és a szénre épül a nehezebb elemek létezése is.

Szén addig képzodik, amíg a csillag magjában fogyni nem kezd a hélium. Mivelemiatt a magfolyama-tokban felszabaduló energia és ezzel a tömegvonzást ellensúlyozó belso nyomás is csökken, a csillagmagtovább zsugorodik, homérséklete no. Beindulhat az oxigén képzodése, az oxigén atommag hélium és szén

48

atommag összeolvadásából keletkezik. Mialatt csillagbelso összehúzódása miatt emelkedik a homérsék-let, a csillag héjaiban különbözo összeolvadásos folyamatok zajlanak, belül oxigén, kintebb szén képzodik.Még jobban összehúzódó csillagbelsokben, nagyon magas, milliárd fokos homérsékleteken a szénatomma-gok magnéziummá olvadhatnak össze.

A fehér törpe sorsa tömegétol függ. Ha nem elég nagy, kisvilágtani hatások miatt a tömegvonzás nemtudja teljesen összehúzni. Ugyanis a határozatlansági összefüggések miatt, lásd a 3.2. szakaszt, a dobozbazárt részecskék energiája nem lehet nulla. Minél kisebb a térfogat, ahová a részecskék beszorulnak, a len-dületük és így az energiájuk annál nagyobb lesz. Ez a hatás a kis tömegu elektronok esetén válhat fontossá.Az elektronok energiája és így nyomása annyira nagy lesz, hogy egészen az 1,4 naptömegu fehér törpékigmegakadályozza, hogy a tömegvonzás összeroppantsa a csillagot. A fehér törpék anyagának surusége mint-egy milliószorosa a víz suruségének. Napunk durván földnyi méretu fehéren izzó törpecsillaggá surusödikmajd, amelyben kevés szén is lesz. Más 1.4 naptömegnél kisebb tömegu fehér törpe szénbol, magnéziumbólvagy másból álló csillaggá alakul.

I. és II. típusú szupernóva. Ha a vörös óriás csillag 1,4 naptömegnél nehezebb fehér törpévé válik,akkor a fehér törpében zajló elemképzodés során vas is keletkezik. Mivel a vas a legerosebben kötöttatommag, a vas környéki atommagok lesznek az utolsók, melyek keletkezése során energia szabadul fel 4.3.Ezért ha egy csillag belsejében vas is keletkezik, majd a csillagbelso vassá alakult, a csillag összeroppan,mivel ezután már nem indul be olyan energiatermelo folyamat, amely ellensúlyozhatná a tömegvonzásösszehúzó hatását. Az összeomló csillagot szupernóvának nevezik. A tömegvonzásos összeomlás soránannyira sok energia szabadul fel, hogy a szupernóva fényessége pár hétig akkora, vagy nagyobb lehet, mintazot tartalmazó csillagváros fényessége. Ezért nagyon felt˝uno égi jelenség. A vasnál magasabb rendszámúelemek az összeroppanás során zajló, energiát fogyasztó magfolyamatokban keletkeznek.

Amikor a szupernóva végleg összeroppan, a belsejében felszabaduló óriási energiák az elemképzodé-ses magfizikai folyamatok során keletkezett neutrinók és ellenneutrinók energiájaként tör a felszínre. Aneutrínók lökéshulláma leveti a csillag kérgét. A szupernóva-robbanásnak nevezett folyamat során hatal-mas, a periódusos rendszer valamennyi elemét tartalmazó anyagfelho dobódik le szupernóva felszínérol.A felszínrol leszakadó, gömbhéj alakú, a világurbe jutott anyagfelho lökéshullámának terjedési sebessége1000-10000 km/sec. Földünk és így a testünk anyaga is szupernóva-robbanások során keletkezett.

Egyedül a hidrogén hiányzik a fehér törpébol kialakuló szupernóvában, mivel az már a fehér törpétmegelozo vörös óriás állapotban kiégett a csillagból. A hidrogént nem tartalmazó szupernóvát I. (egyes)típusú szupernóvának nevezik.

Ha a csillag tömege nagyobb, mint a Nap tömegének nyolcszorosa, akkor a csillag szupernóvává fej-lodése meglehetosen gyors. Mialatt óriás csillaggá fúvódik fel és még égetikint a hidrogént, aközben amagja annyira gyorsan húzódik össze, hogy hamar létrejönnek a fentebb tárgyalt atommag összeolvadásosövezetek, egészen a vasig. Az ilyen sokhéjú izzó csillagot szuper óriásnak nevezik. Mind erosebben fénylikés szupernóvává alakul. Ezt a hidrogént is tartalmazó szupernóvát II. típusú szupernóvának nevezik. Ki-vételes szerencse, hogy 1987-ben a tolünk 160000 fényévnyire lévo Nagy Magellán felhoben sikerült ilyenközeli, II. típusú szupernóva robbanását észlelni. Az évekkel a robbanás után készült felvételek szépenmutatják a szupernóvát és lökéshullámát.

2008-ban fényképezte le a Hubble-urtávcso az eddig észlelt legnagyobb szupernóvát, tízmillió csillag-városnyi fényességgel világított. Fénye kevesebb mint egypercig szabad szemmel is látható lehetett. 7,5milliárd évre van tolünk, tömegét 50 naptömegnyire becsülik.

Kb. a csillagok 10%-a jut el szupernóva állapotba. A világegyetemben durván másodpercenként, aTejútrendszerben 30-50 évente történik szupernóva-robbanás, eddig kb. százmillió ilyen esemény zajlottle csillagvárosunkban. Történelmi források is megemlékeznek a közelebbi, ezért szabad szemmel is jólmegfigyelheto eseményekrol. 1054-ben a Rák-ködben történt szupernóva-robbanás, ezt a kínai csillagászokis feljegyezték. Ezek szerint ez az éjszakai égbolton olyanfényességu volt, mint az Esthajnalcsillag, aVénusz. Tycho de Brahe 1572-ben figyelt meg szupernóva felfényesedést.

49

Ia típusú szupernóva. Mint tárgyaltuk, az 1,4 naptömegnél kisebb tömegu fehér törpékben leáll azenergiatermelo folyamat. Az ilyen fehér törpe anyaga vasnál kisebb rendszámú elembol állhat. Ha viszontegy, a tömeghatár közelében lévo fehér törpe kettoscsillag egyike, akkor csillagtársától gázfelhoket ragadhatel. Ezután újra beindul benne a magasabb rendszámú elemek képzodése. Ha annyira sok anyagot sikerülmagához vonzania, hogy a tömege átlépi az 1,4 naptömeges határt, akkor eljut a vas kialakulásáig és acsillag szupernóvává fejlodik. Az így kialakuló szupernóvát Ia típusú szupernóvánaknevezik. Mivel az Iatípusú szupernóva a legkisebb tömegu szupernóva, a fejlodése lassabb, mint a többi szupernóváké. Az Iaszupernóva a leghosszabb ideig fénylo szupernóva, ezért felismerheto és követheto. Mivel tudjuk, mekkoraaz Ia típusú szupernóva valódi fényessége, mérve a látszólagos fényességét, a távolsága meghatározható,lásd a 5.1. szakaszt. Így sikerült a megfigyelheto világegyetem határához közeli csillagvárosok távolságátpontosan meghatározni és ezzel a világegyetem gyorsuló tágulását felfedezni. Tejútrendszerünkben kb. 300évente fejlodik ki Ia típusú szupernóva.

Neutroncsillag és fekete lyuk. A szupernóvarobbanás után a maradék neutroncsillaggá alakul. Kelet-kezése során az anyag mind jobban surusödik és annyira sokenergia szabadul fel az összehúzódás során,hogy az elektronok befogódhatnak az atommagokba és végül a csillag valamennyi protonja neutronná ala-kul. A csillag teljes tömege atommagnyi suruségure tömörödik, ezért az egész csillag egyetlen hatalmas,neutronokból álló atommag. 10-15 kilométer között lehet a neutroncsillag sugara. Köbcentiméterenkéntszázmilliárd tonnányi anyagot tartalmaz, ami azt jelenti,hogy a neutroncsillag surusége a fehér törpe suru-ségének százmilliószorosa.

A neutroncsillag nagyon gyors forog valamely középpontjánátmeno tengely körül. Mivel a neutronmint kis mágnestu viselkedik és ezek a neutroncsillagban párhuzamosan állnak be, a neutroncsillagnakhatalmas mágneses tere van. Emiatt a forgó neutroncsillag igen eros elektromágneses sugárzást bocsát ki.Sugárzásának ütemes jellege miatt pulzárnak is nevezik. Eddig a Tejútrendszerben kb. ezer pulzárt fedeztekfel. A Rák-ködben történt szupernóvarobbanás maradványa is pulzár, forgási ideje 30 milliszekundum.

Észleltek már annyira különleges neutroncsillagokat is, hogy felmerült a kvarkcsillagok létezésénekgondolata. Ezeknek belsejében a kvarkok kiszabadulhatnaka neutronba való bezártságukból, és a csillaganyagát, vagy annak egy részét kvarkanyag alkotja.

Ha a szupernóva-robbanás utáni maradvány 3 naptömegnél nagyobb, akkor a neutroncsillag állapot semtartós számára. Még a benne lévo neutronokat is összeroppantja a tömegvonzás és a csillag sugara a csillagrc = 2GM/c2 Schwartzschild sugárnál, lásd a 2.2.1. szakaszban, is kisebbé válik és fekete lyukká alakul.A fekete lyukká összezuhant csillag gravitációs tere annyira eros, hogy még a fénysugár sem hagyhatjael, mert a kibocsátott fénysugarat a tér visszagörbíti. Ezért a csillag a szó szoros értelmében láthatatlannáválik. Csak tömegvonzásának hatásait észlelhetjük. Ha a fekete lyuk kettos csillag egyik tagja, akkor társa,melynek fényét észleljük, pályamozgást végez a fekete lyukkörül. Ebbol a pályamozgásból állapíthatómeg a láthatatlan társcsillag, a fekete lyuk tömege. Továbbá a dagály jelenségéhez hasonlóan a fekete lyukizzó gázt ragadhat magához a társcsillag felszínérol. Miközben gáztömegnek zuhannak a fekete lyukba,hatalmas energiájú protonok keletkeznek, ezeket nagyenergiájú kozmikus sugárzásként észleljük.

Fekete lyuk nem csupán csillag összeomlása végén alakulhatki. Ahogyan a csillag kialakulásakor atömegvonzás hatására az anyag a csillag közepén válik a legsurubbé, a sötét anyag is az anyageloszlásokközepén lesz a legsurubb. Kezdetben, a csillagvárosok kialakulásakor hatalmas tömegu fekete lyukak ke-letkeztek a csillagvárosok közepén, ezek kialakulásában acsillagvárosok anyagát alkotó sötét anyag össze-omlása lehetett meghatározó. Ezeket régebben kvazároknaknevezték. Mint említettük, a Tejútrendszer kö-zéppontjában is van egy többmilliós naptömegu fekete lyuk. Az óriás fekete lyukak hatalmas mennyiséguanyagot szippantanak magukba környezetükbol. Eközben roppant eros, igen nagy energiájú sugárzásokatbocsátanak ki. Tejútrendszerünk központja most éppen nyugodt, de alig kétszáz éve hatalmas kitörésekszínhelye volt.

50

8. Naprendszer és Föld

Naprendszerünk bolygói a Nap körül egy síkban, ellipszis pályákon keringenek. Maga a Naprendszer egé-sze a Tejútrendszer középpontjától mintegy 26100 fényévretalálható és a középpont körül kering. Keringésisebessége mintegy 240 km/sec és a galaktikus évnek nevezett200 millió év alatt kerüli meg a Tejútrendszerközéppontját.

Arra, hogy miként alakul ki bolygórendszer, még nincs általánosan elfogadott leírás. Ha a csillag nyers-anyagául szolgáló anyagfelho forgásban volt, akkor a felho perdülete, amely megmaradó mennyiség, nemengedi a teljes összehúzódást. Akárcsak amikor a pörgo jégtáncosno behúzza a karjait és forgása felgyorsul,az összehúzódó felho is egyre sebesebben pörög. Emiatt egy része kint reked a csillagból és bolygó vagybolygóközi anyag lesz belole. Minél sebesebben forgott, anyagának annál nagyobb része lesz a központicsillagon kívül és nagyobb lesz a bolygóinak tömege is. Ha a kezdeti anyagfelho perdülete elég nagy, abolygókon kívül még egy vagy több csillag is kialakulhat. Hogy miként oszlanak meg a bolygók tömegei,attól is függ, hogy az összehúzódást beindító hatások mekkora egyenetlenségeket idéztek elo a gázfelhonbelül.

Ma már meg tudjuk állapítani, hogy a születo csillag körül vannak-e porfelhok. Ugyanis mialatt a porelnyeli a csillagfény ibolyántúli sugarait, eközben felmelegszik és infravörös sávban sugároz. Így a csillagszínképébol megállapítható, hogy van-e porfelho körülötte és az mekkora. A porfelhokbol kisebb-nagyobbkozetdarabok, majd ezekbol bolygók állnak össze.

1992-ben fedezték fel az elso, Naprendszeren kívüli bolygót. Észlelésükre, tulajdonságaik vizsgála-tára számos módszer van, például amikor a bolygó a Földrol nézve a napja elott halad át, azt megfigyelvenemcsak a bolygó nagyságát, pályaadatait határozhatjuk meg, hanem a napja felszínérol érkezo fény szín-képének finom változásaiból a bolygó légkörének összetételére is kapunk adatokat. 2016 november 1-ig3537 naprendszeren kívüli (exobolygót) fedeztek fel.

Ha a bolygó a csillaghoz elég közeli, a felszíne túl meleg és az ott lévo víz gozként van jelen. Ha távo-labb van a csillagtól, a felszíni homérséklet túl alacsony és a felszíni víz jéggé van fagyva. Acsillag lakhatóövezetét a csillag körüli gömbhéj alkotja, a gömbhéjban található bolygók felszínén a víz cseppfolyós. Amegfigyelések alapján feltételezheto, hogy minden ötödik Naphoz hasonló csillag lakható zónájában ke-ring legalább egy Földhöz hasonló bolygó, a legközelebbi 12fényévre lehet tolünk. Becslések szerint ATejútrendszerben 10 milliárd lakható Föld-méretu bolygólehet. Ha a vörös törpék körül keringo hasonlótulajdonságú bolygókat is számba vesszük, a Tejútrendszer40 milliárd lakható bolygót tartalmazhat.

8.1. Naprendszerünk születése

Naprendszerünk jelen ismereteink szerint a következoképpen alakult ki. 4,568 milliárd évvel ezelott csil-lagbölcsonkben, a leendo Naprendszerhez közeli térségben szupernóva-robbanásoktörténtek, lásd a 7.2.szakaszt. Lökéshullámai, a szétrepülo burkok gázt, port, kisebb kozet és kavicsdarabkákat tartalmaztak.A 4,568 milliárd éves életido a Naprendszer legosibb kodarabkáinak radioaktív módszerrel meghatározottkora, a mérés pontossága 1 millió év. Ma is érkeznek hozzánk,meteoritként csapódnak be Földünk fel-színére. Amint az eredeti gázfelho és a szupernóvákból kitöro gáz és por ütközött, porral és szemcsékkelszennyezett örvénylo gázfelho terelodött össze, ebbol alakult ki aztán a Naprendszer és vele együtt a csil-lagbölcsonk sok más csillaga.

Mivel a Naprendszer nyersanyagául szolgáló gázfelho forgott, bolygórendszer alakult ki körülötte. Nap-rendszerünk teljes tömegének kb. 99,85 százalékát a Nap tömege teszi ki, azaz a bolygók, a kisbolygók, abolygóközi por tömege együttesen a Naprendszer tömegének alig másfél ezreléke.

Naprendszerünk bolygói és a Naporzik az eredeti perdületet. A Nap 23,5 nap alatt fordul meg asajáttengelye körül. Valamennyi bolygó ugyanolyan irányba kering a Nap körül és a bolygók holdjai közül ismajdnem mindegyik ugyanabba az irányba kering. Ennek megfelelo a Nap, a bolygók és holdjaik saját

51

tengely körüli forgása is. Kivétel a Vénusz és az Uránusz tengely körüli forgása. A többitol eltéro irá-nyú forgástengelye valószínu hevesebb, a forgást befolyásoló ütközések hatásával magyarázható. Mindezmeggyozoen bizonyítja, hogy a teljes Naprendszer egyetlen hatalmas pörgo anyagfelhobol keletkezett.

Nemcsak a szabályos szerkezet utal arra, hogy a Naprendszeregy idoben keletkezett. Az eredeti gáz-felhojébe belekerült, a különbözo szupernóvarobbanásokból származó por egyenletesen terült szét benne.Napunk tömegének kb. 98%-a hidrogén és hélium, a nehezebb elemek a Nap tömegének kb. 2%-át teszikki. Eltekintve az illékony gázoktól, a Nap, a Föld és a Hold ésa meteorítok átlagos anyagösszetétele lénye-gében azonos, a Hold összetételét a Holdra szálláskor gyujtött holdkozetekbol ismerjük. Ez is alátámasztja,hogy a Naprendszer egyidoben, ugyanabból az anyagkészletbol keletkezett.

Meteorok hullása. Naponta 100 tonnányi por és kozet, meteorit érkezik a világurbol a Földre. Leg-könnyebben a jéggel borított Antarktiszon gyujthetok, mivel a fehér felszínen azonnal, messzirol észrelehet venni a égbol érkezett köveket. Hogy honnan, a Naprendszer mely térségeibol érkeznek, ma semtudjuk pontosan. Amikor a lakásban törölgetünk vagy porszívózunk, elsosorban a világurbol érkezett finomport távolítjuk el.

2013. február 15-én Oroszországban, a szibériai nagyváros, Cseljabinszk közelében egy kb. 10 ezertonnás, 19 méter átméroju meteorit csapódott be. Eros fényjelenség és hangrobbanás kísérte a napfelkelteután történt, fél percen át észlelheto eseményt, amelyet számos videofelvétel is rögzített. Amint a 65 ezerkm/h sebességu meteor belépett a légkörbe és lassulni kezdett, elotte összenyomódott, mögötte pedig meg-ritkult a levego és a hatalmas nyomáskülönbség szaggatta darabjaira. Az autóbusznyi meteor az észlelésekkiértékelése alapján 20 kilométer magasságban robbant fel. Ennek során harminc hirosimai bombának meg-felelo energia szabadult fel. A hangrobbanás lökéshulláma a nagyon sok ablakot kitört és az üvegszilánkok1500 embert sebesítettek meg. Csillagászati becslések alapján hasonló becsapódás évszázadonként egyszervárható.

A Nap. Magjának homérséklete kb. 18 millió fok, hidrogénkészlete kb. 10 milliárd év alatt alakul hé-liummá. Élete derekán tart, eddig a hidrogénkészlete felétégette el héliummá. 80 millió évenként közel1%-kal lesz fényesebb. Ötmilliárd év múlva, elfogyasztva abelsejében lévo hidrogénkészletet, vörös óri-ássá alakul. Majd fehér törpecsillaggá válik, héliumot égetve kevéske szén is termelodik benne.

Durván 700000 kilométer a Nap sugara. A Nap belsejében, magfolyamatokban keletkezett energia,mivel a belsejében a plazma elnyeli a fotonokat, bonyolult áramlási folyamatok során jut fel a felszínre.Azaz a Nap által most kisugárzott energia egymillió évvel ezelotti magfolyamatokban szabadult fel. A Napfelszínén obbanásszeru kilövellések, napkitörések jellemzik a folyamatot. A Nap sugárzása a fotoszféránaknevezett kb. 400 km vastag, átlagosan 5800 Kelvin homérsékletu tartományból indul. Itt a plazma már nemannyira suru, az innen induló fotonok jó része már nem nyelodik el, kisugárzódhat.

Napszél és bolygók. Miközben a Napot alkotó anyagfelhok a központ felé húzódtak, a bolygók öve-zetében lévo por és kozetdarabkák is vonzották egymást. Összetömörödtek az ütközések hatására, egyrenagyobb darabok keletkeztek. Egy almányi kozetdarab összetömörüléséhez kb. száz év szükséges, egyföldnyi nagyságú bolygó százmillió év alatt képzodhetett. Földünk 4,5 milliárd éve jött létre.

A Nap már jóval hamarabb muködni kezdett. Sugárzása felhevítette az alakuló bolygók darabkáit és azillékonyabb gázfelhoket. Továbbá a Napból a napkitörések során kiáramló, nagyenergiájú töltött részecs-kékbol, elsosorban protonokból álló napszél golyóként ütközött az útjába eso hidrogénnel és héliummal ésa Naprendszer külso tartományaiba lökte, fújta kioket. Nemrég sikerült megmérni a napszél részecskéineksebességét. Legalább 200 km/sec sebességgel repülnek és kevesebb mint 10 nap alatt érnek el a Földig.A földmágneses tér eltérítioket és sarki fényként észlelhetok. Erosebb napkitörések, napviharok idején arészecskék már 2-4 nap elérnek hozzánk és zavarokat okozhatnak a távközlési berendezések muködésében.

52

A Napból kivételesen eros napviharok is kitörhetnek. Olyanok is, amelynek az igen gyors részecskéihatalmas károkat okozhatnak. 1859. szeptember 1-én rendkívüli eros napvihar érte el a Földet, Észak-Amerikába térségét bombázta. Utólagos számítások szerinta nagyenergiájú részecskék kevesebb mint18 óra alatt értek ide. Olyan eros volt a sarki fény, hogy azon az éjszakán Észak-AmerikábanegészenKözép-Amerikáig újságot lehetett olvasni. Annyira eros földmágneses viharokat keltett a kitörés, hogyvalamennyi távíró és más villamos berendezés üzemképtelenné vált és a távíró hivatalokban kitört tüzekszámos áldozatot követeltek. Ez akkor nem rendítette meg annyira a mindennapokat, de ma felmérhetetlenkövetkezményekkel sújtana bennünket. 2012 júliusában a Nap túlodalán történt hasonló energiájú kitörés.Szerencsére Földünkrol csak egy hét elteltével vált láthatóvá a kitörés helye, deegy, a Nap körül a Földnélkisebb sugarú pályán keringo muhold észlelte a kitörést és mérte az erosségét és terjedési sebességét.

A napszél miatt a Naphoz közelebbi övezetbol eltuntek a gázok. Kristályosodott fém-oxidokból ésfém-szilikátokból épültek fel a belso égitestek: a Merkúr, Vénusz, Föld, Hold, Mars, míg a Naptóltá-voli bolygók, a Jupiter, Szaturnusz, Uránusz, Neptunusz hatalmas gázfelhokbol, hidrogénbol, héliumból ésmetánból képzodtek. A belso tartományokból kifújt gáz elsosorban a Jupiter tömegét gyarapíthatta.

8.2. Föld fejlodése

Föld belso szerkezete. Amint a tömegvonzás a Földet alkotó köveket és porfelhot összehúzta, az anyagsurusödése során felszabaduló gravitációs energia felhevítette majd megolvasztotta a szilárd anyagot. Akialakuló bolygót a becsapódások során keletkezett ho, valamint az elemek radioaktiv bomlása során fel-szabaduló energia is hevítette. Még ma is sok ezer fokos a Föld belsejében. Ezt részben a radioaktívatommagok bomlásakor felszabaduló energia tartja fenn. 4,5 milliárd évvel ezelott a radioaktivitás szintjemég sokkal magasabb volt. A megolvadt földgolyóban megindult az elemek áramlása. Lefelé, a magbaa nehezebb elemek süllyedtek, a könnyebb elemek felfelé törekedtek. Az átrendezodési folyamat nemfejezodhetett be, mert közben, a lehulés során a Föld kérge megszilárdult. Földünk kozeteinek kora a ko-zetekben található izotópok arányából határozható meg. Mérve a még meglévo radioaktív elem és egyolyan izotóp arányát, amely a bomlása során csak belole keletkezhetett, továbbá a bomlási idot, a kozetmegszilárdulásának idopontja egyszeruen megkapható.

Földünk sugara 6371 kilométernyi. Magjának sugara kb. 3400km, a mag foleg vasból és nikkelboláll. Valószínu az 5000 Celsius fokot is meghaladja a homérséklete, de olyan nagy a nyomás, hogy a féma mag belso részében szilárd halmazállapotú. A mag külso részén a nyomás már kisebb, itt a fém olvadtállapotú. Vastag köpeny fedi a magot, ez foleg szilíciumot, magnéziumot, vasat és oxigént tartalmaz. Aköpenyt a földkéreg takarja, melynek vastagsága az óceánfenéki részeken néha csak 3 kilométer, másutt a70 kilométert is elérheti.

Földünk belsejérol a földrengések rezgéshullámait elemezve szerezhetünk ismereteket. Amikor föld-rengés pattan ki, rezgéshullámok keletkeznek. Ezek hanghullámok, csak nem a levegoben, hanem a Földbelsejében, a szilárd és a földmag körüli cseppfolyós közegben is terjednek. Terjedési sebességük a közegösszetételétol, halmazállapotától és homérsékletétol függ. A közeghatárhoz éro hanghullám visszaverod-het vagy törést szenvedve behatol a közegbe. A földrengés által keltett rezgéshullámok bolygónk belsejétátjárva mintegy ’átvilágítják’ a Földet, akárcsak az ultrahang az embert. Szerte a különbözo földrészekenmegfigyeloállomások muködnek, ahol felfogják és rögzítik a keletkezett rezgéshullámokat. Együtt ele-mezve a különbözo helyeken és alkalmakkor észlelt adatokat térképezték felés tanulmányozzák ma is aFöld belsejének szerkezetét.

Hold kialakulása. Holdunk a Naprendszer nagyobb bolygóinak egyike, nagyobb,mint a Merkúr. Másbelso bolygótól eltéroen nincs fémes magja, anyaga a Föld köpenyének anyagával megegyezo. Valószínu-leg úgy keletkezett, hogy a kezdeti állapotú Föld mintegy 4,4 milliárd éve egy Mars nagyságú bolygóvalütközött és az ütközés ereje a Föld köpenyébol vetette ki Föld körüli pályára a Holdat. A Föld emiatt a

53

becsapódás miatt foroghat ennyire gyorsan a tengelye körülés ennek tulajdonítható a Föld tengelyének aferdesége is, amely az évszakok változását okozza.

Föld mint kivételes helyzetu bolygó. Földünk a Naptól való távolságnak köszönhetoen figyelemreméltóegyedi sajátságokkal rendelkezik. Olyan távol van a Naptól, hogy meg tudtaorizni illó gázfelhoinek egyrészét. Ennek köszönhetoen víz halmozódhatott fel rajta. Ha a Naphoz közelebb volna, a napszél lefújtavolna róla a vízmolekulákat. Tengely körüli forgásának ideje elég rövid ahhoz, hogy a Nap által kisugárzottenergia egyenletesen oszoljon el a felszínén. Nagy tömegukíséro bolygója, a Hold, az árapály jelenségekenkeresztül meghatározó módon befolyásolta a földi élet kialakulását.

Légkör és felszín kialakulása. Bolygónk eredeti alkotórészei, az összetömörödött por és kozetdarabkákboven tartalmaztak rájuk fagyott vizet és egyebet. Eredetileg a napszél csak a szemcsékhez nem kötött illógázokat tudta kiseperni. Késobb a megolvadt kozetek gáz és goztartalma a tuzhányók muködése során afelszínre tört. Földünkosi légköre tehát másodlagos folyamatok eredménye, a szemcsék által megkötöttgázokból és gozökbol származik. Bolygónk légkörének többi része a Naprendszer belsejét rendszeresenlátogató üstökösök anyagából került ide, az üstökösök nagymennyiségu jéggel, széndioxiddal és kisebbszerves molekulákkal terítették be a Földet.

Amint megszilárdult és lehult a földkéreg, lecsapódott a felszínre tört vízgoz és kialakult azostenger.Földrészek még nem alakultak ki, csak a tuzhányók által kialakított szigetek emelkedtek a vízszint fölé.Széndioxid, kevés nitrogén és vízgoz alkották azosi légkört, nyomokban volt még benne ammónia, metán,kénsav és sósav is. A Földdel ütközo kisbolygók és meteoritok óriási tölcséreket ütöttek a földkérgen. Akáraz ostenger vizét is felforralhatta az ütközések energiája éstörmelékei szigeteket építhettek. A nagyobbkisbolygók még a földkérget is átütötték, hatalmas mennyiségu anyagot és energiát juttatva a Föld mélyébe.Egy ilyen ereju ütközést követoen akár a földkéreg egésze megolvadhatott és valamennyi korábban kialakultképzodmény eltünt.

A légkörben lévo széndioxid és vízgoz üvegház gázok, növelik a felszín homérsékletét, lásd lentebb. Asavak hatására beindult a vegyi mállás, mert a savas víz oldja a kozetek egyes elemeit. A kioldott elemekközül legfontosabb a kalcium, amely azután megköti a légkörszéndioxidját, miközben mészko keletkezik.Ha a légkörben kevesebb a széndioxid, csökken az üvegházhatás és alacsonyabb lesz a homérséklet. Ekkorvízpára csapódik ki a légkörbol és az alacsonyabb homérséklet miatt is még több széndioxidot kötnekmeg a tengerek. Ezzel az öngerjeszto folyamattal a Föld felszíni homérséklete egyre csökken, miközben atengerben lévo víztömeg no.

Az urbol érkezo nagyobb tömegu testek becsapódása négymilliárd évvel ezelott kezdett ritkulni, azutolsó nagyobb, a földkérget is megolvasztó becsapódás 3,8milliárd éve történt. Ezután kezdodhetett mega földrészek kialakulásának és növekedésének kora, a legidosebb kozetek körülbelül ilyen idosek lehetnek.Körülbelül hárommilliárd évvel ezelott kezdett kialakulni a földrészek mai arculata.

8.3. Körforgások a Földön

Földünk felso rétegei, mint a kéreg, a felszín és a légkör körfogások résztvevoi. A hotan fotételei értelmébenolyan folyamatoknak kell a felszínen lejátszódniuk, hogy egyrészt a Föld belseje minél gyorsabban kihul-jön, másrészt a felszíni homérséklet különbségek minél teljesebben és gyorsabban egyenlítodjenek ki. Afelszínen a Nap által sugárzott energiák által okozott homérséklet különbségeknek kell kiegyenlítodniük. Anagyobb különbségek körfolyamatokba szervezodve egyenlítodhetnek ki a leggyorsabban. A legfontosabbföldi körforgások a kozetek, a levego és a víz körforgásai.

54

Kozetek körforgása. A Föld felszínének 71%-át óceán fedi, 29% a szárazföldek aránya. Ez a viszony aföldkéreg tevékenységére vezetheto vissza. Ha a kéreg merev lenne, akkor a víz, a szelek pusztító hatásaegyenletesre koptatná a szilárd anyagot. Ekkor a szárazföldeket szerte a bolygón mindenütt azonos mély-ségu vízréteg borítaná. De a földkéreg állandó változásban van, kb. tucatnyi nagyobb és néhány kisebb,lassan mozgó lemezre van felszabdalódva. Mozognak a kéreglemezek, mert izzik a Föld magja, hevíti amagot körülvevo köpenyt, amely néha meg-megrottyanva mozgatja a földkérget. A köpeny és a földkéregúgy változik, hogy a hotan fotételeinek megfeloen a Föld belseje minél gyorsabban kihulhessen. Amerikaés Európa évente pár centit távolodik egymástól.

Csúsznak, mozognak a kéreglemezek, találkozásuk hegységek keletkezéséhez vezet, mindezt tuzhányókmuködése, földrengések kísérik. Határt szab a hegységek magasságának, hogy a kozetek nem bírnak elbármekkora nyomást. Olyan nagy a legmagasabb hegységek tömege, hogy a ránehezedo nyomás hatásáraszakadozni kezdenek a tartólemez atomi és molekuláris kötései. Azaz a nyomás növekedésével a kozetszilárdsága, olvadáspontja csökken. Lassan belesüpped a hegység a földkéregbe, egészen addig, amíg a ráható nyomás annyira le nem csökken, hogy az alapban lévo kozet megszilárdulhat. A Himalája magasságaa lehetséges magasság közelében van, a Mount Everestnél sokkal magasabb hegycsúcs nem létezhet.

A felszínre került tuzhányói (vulkanikus) kozeteket a víz, jég és szél munkája darabolja, pusztítja. Afelszínt az eso, a szél egyenletessé koptatja és a folyók a magasabban fekvo anyagot az alacsonyabbanlévo helyekre, a tengerekbe hordja. Az így keletkezett anyag ésa tengeri állatok maradványai által képzettüledék alkotja azután az üledékes kozeteket. A lesüllyedt üledékes kozetek a nagy nyomás és homérséklethatására átalakulnak, metamorfnak nevezett kozetté válnak. Átalakult kozet a márvány is. Kezdetben amárvány a mészvázú tengeri állatokból képzodött üledékes kozetként, mészkoként létezett. A mélyebbresüllyedt mészkövet a kéregmozgások során fellépo nagy nyomások és magas homérsékletek márvánnyáalakították. Majd a márvány a feltorlódó hegységek anyagaként kerül a felszínre.

Az átalakult kozetek keverednek a köpeny anyagával, majd az így átdolgozott anyagot a tuzhányók afelszínre vetik. Tuzhányói, üledékes és átalakult kozetek egymásba alakulva alkotják a kéregbeli, az ún.kozet körforgást. A kozet körforgás már többször is lejátszódott bolygónkon.

Ásványok szerepe a széndioxid körforgásában.A légkör széndioxid tartalmát természetes visszacsa-tolási rendszer tartotta közel állandó értéken. 610 ezer évre visszamenoen, az antarktiszi jégrétegekbeszorult gázbuborékokat elemezve határozták meg a légkörCO2 tartalmát és ezzel párhuzamosan az adottidoszak tengerfenéki üledékeinek jellegét. Ezzel követhették, mi lesz a tuzhányókból és a forró vizes feltö-résekbol a légkörbe és vízbe jutó széndioxid sorsa.

Amint egy tuzhányó kitörésekor megugrik a légkörCO2 tartalma, megno az esokkel a talajba mosódószénsav mennyisége, ami növeli a talaj ásványaiból kioldott ionok, közöttük a kalcium ion mennyiségét.Ezek a vízzel elobb a folyókba, majd a világtengerekbe jutnak. Ott a kalciumionok és a tengervíz szén-sav molekulái beépülnek a puhatestu állatok mészpáncéljába és amint azok a tengerfenékre süllyednek, akalcium és széndioxid az üledék anyagaként visszajut a földkéregbe. Mivel a folyamat, a talaj pusztulásaés tengerekbe mosódása lassan zajlik, az ember által a légkörbe jutott hatalmas mennyiséguCO2 ezen azúton csak hosszabb ido múltával vonódhatna ki a légkörbol. Miközben 0,1 milliárd tonna széndioxid ke-rül évente a földkéregbol, azaz a tuzhányókból és forróvizes feltörésekbol a légkörbe, addig az ember azosmaradványi tüzeloanyagok, a szén, olaj és gáz elégetésével valamint az erdok pusztításával ennek a száz-szorosát, évi 10 milliárd tonna széndioxidot juttat a levegobe. Ez a mennyiség óriási nagy a jégbe szorultlégbuborékok segítségével mért természetes ingadozásokhoz képest és befolyást gyakorol az éghajlatra, avilágtengerek és általában a földi élovilág állapotára.

Felszín által elnyelt és kibocsájtott sugárzások. A Nap sugárzásának fotonjai a 5800 Kelvin felszínihomérsékletu test sugárzásának fotonjai. A világur fotonjainak nagyobb részét a 2,73 Kelvines háttérsugár-zás fotonjai teszik ki, lásd a 6.4. szakaszban. Bolygónk felszínének átlagos homérséklete 13 Celsius fok,

55

átszámítva 286 Kelvin. Mivel a sugárzás fotonjainak energiája a sugárzó test felszínének homérsékletévelarányos, a Föld felszíne által kisugárzott foton energiájaközel huszada az elnyelt napsugár foton energiá-jának. Azaz a felszín huszadrészére darabolva szórja vissza a világurbe az elnyelt napsugárzás energiáját.Minél több napsugarat nyel el és szór szét a Föld felszíne, annál jobban teljesül a hotan II. fotétele, amelya napsugárzás és a háttérsugárzás fotonterei közötti homérsékletkülönbség minél gyorsabb és teljesebb ki-egyenlítését írja elo.

27. ábra. Földünk felszínére 342W/m2 napsugárzás jut. Ebbol 77 W/m2-nyit a levegoburok, felhok,légköri szemcsék azonnal visszavernek, 30W/m2-nyit a talaj felszíne ver vissza. A felszín által elnyeltteljesítmény 168W/m2-nyi. A beérkezo napsugárzásból 67W/m2-nyit a légkör nyel el. A felszínrol 24W/m2 a levego felmelegedésével, 78W/m2 párolgási hoként távozik. A felszín hosugárzása 390W/m2,ebbol 40W/m2 jut ki közvetlenül a világurbe, a többit a légkör az üvegházhatás eredményeként elnyeli. Alégkör 324W/m2-nyit sugároz a felszínre. A légkör 165W/m2-nyi, a felhozet 30W/m2-nyit sugároz ki avilágurbe.

Nézzük meg, mi történik Földre érkezo napsugárzással. Amint a 27. ábra mutatja, a Föld felszínére leér-kezo napsugárzás négyzetméterenkénti teljesítménye 342 watt. Ennek kb. felét a talajszint, ötödét a légkörnyeli el, a többit a levegoburok, a felhok, a légköri szemcsék és a talaj felszíne visszaveri. A felmelegedetttalajról egyrészt a levego felmelegítésével, párolgással valamint sugárzással távozik a ho, ugyanakkor alégkör sugárzása is melegíti a felszínt. A sugárzási mérleget a légkör és a talajszint kisugárzása egyenlíti ki.

Üvegházhatás és világméretu felmelegedés.A légkör gázainak elnyeloképességérol lásd a 16. ábrát.Eszerint a kisebb hullámhosszú ibolyántúli sugárzást az oxigén molekulák és az ózon szinte teljesen elnyeli.A látható fény tartományában alig van elnyelés. Majd a hosszabb hullámhosszak tartományában elsosorbana vízgoz és a széndioxid nyeli el a sugárzást. A hosszabb hullámhosszú tartományban elsosorban a Földfelszíne sugároz, ennek hatását mérsékli a légköri gázok üvegházhatása.

Közel állandó a földi átlaghomérséklet, ami az üvegházhatás függvénye. Az üveg a napfény foton-jait átereszti, az ablakon keresztül illetve üvegházból kisugárzott fotonokat viszont elnyeli, majd egyrésztvisszasugározza, másrészt kisugározza. A ho csapdázása miatt az üvegház homérséklete a környezeténélmagasabb. A legalább három atomból álló gázmolekulák, így avízgoz és a széndioxid üvegház gázok, azaza napsugárzást áteresztik, viszont a Föld által kibocsájtott hosugárzást nyelik és így hocsapdaként szolgál-nak. Ennek oka, hogy a három vagy többatomos molekulák forgási energiaszintjei közötti különbségek aFöld felszíne által kibocsátott homérsékleti sugárzások energia tartományába esnek.

Ha a széndioxid mennyisége csökken, vele csökken a felszínihomérséklet. Ha a légkörben a széndioxidfelszaporodik, akkor a felszíni homérséklet megno. Továbbá a lehulés miatt a Föld felszínén lévo hó és jégfelszaporodása a homérséklet további csökkenéséhez vezet, ugyanis a hó és jégvisszaveri a felszínre jutónapfényt. Azaz a jegesedett területek növekedése öngerjeszto folyamat, jégkorszakok kialakulásához vezet.

A felmelegedés tényét sokan még mindig tagadják, pedig a tengerek szintjének növekedése egyértel-muen arról tanúskodik, hogy a felmelegedés gyorsul. Egyrészt azért növekszik évrol-évre a tengerszint,

56

mert a melegebb víz surusége kisebb és így a térfogata nagyobb. Továbbá a szárazföldekre kifagyott víz,elsosorban a grönlandi és anktartiszi jég olvadása is a tengerszintet növeli. 1870-2004 között a tengerszint19,5 centiméterrel nott. 1950-2009 között ennek mértéke 1.7 mm/év. 1993-2009 között ez az adat csaknemkétszer akkora, 3.3 mm/év.

A tengerszint megbízhatóbban tájékoztat a felmelegedés mértékérol, mint a légkör és a szárazföldek ho-mérsékletei. Utóbbiak csak a felmelegedéskor kapott ho töredékét veszik fel és az óceánok felszíni vízho-mérsékletének értékével együtt változnak. Az utóbbi évtizedekben a mérések szerint elsosorban a óceánokmélyén lévo víztömeg homérséklete no. A felszínen mérheto homérsékletek viszonylagos állandósága netévesszen meg bennünket, a felmelegedés egyre hevesebb.

Szelek és tengeráramlatok. Bolygónk felszíne nem egyenletesen nyeli a napfényt. Az egyenlítoi és sarkiövezetek közötti homérséklet különbségek minél gyorsabb kiegyenlítésére légköri és tengeri vízkörzésekalakultak ki. Az egyenlítoi térségekben felhevült levego felemelkedik és a sarkok felé áramlik. Ott lesüllyedés az onnan indult hideg szelek az egyenlíto felé fújva zárják be a légkörzést. Ha a Föld nem forogna, akkoraz északi féltekén a talaj szintjén állandó északi szél fújna. Ám a légkörzések jellegét a Föld forgása isbefolyásolja, ennek megfeleloen a mérsékelt égövben az északi féltekén az uralkodó szél nyugatról keletrefúj.

28. ábra. A nagy óceáni szállítószalag. Nem az áramlások tényleges képét mutatja, az ennél jóval összetet-tebb, hanem a világóceánok vízkörzésének általános képét szemlélteti. Végeredményben a szállítószalag ahárom óceán forró égövi térségeibol hatalmas mennyiségu hot juttat az Atlanti-óceán északi térségébe.

Hatalmas, összefüggo rendszert alkotnak a tengeri, óceáni áramlatok. Ez az úgynevezett nagy óce-áni szállítószalag, amely az Atlanti-, Csendes- és Indiai-óceán egyenlítoi térségeibol szállítja a meleget azAtlanti-óceán északi részébe, lásd a 28. ábrát. Maga a Golf-áram csak egy része ennek a világtengereketösszeköto áramlási rendszernek. Az áramlást a homérsékleti különbségek mellett az Atlanti-óceán vizénekmagasabb sótartalma hajtja. Azért sósabb az Atlanti-óceán, mert a másik két óceánénál kisebb a felszíne,így elpárolgott vízének nagyobb része hullik esoként szárazföldre. A víz 4 Celsius fokon a legsurubb, deminél sósabb a víz, annál alacsonyabb homérsékleten lesz a legsurubb. Északra érve a Golf-áram melegebbvize lehul, majd ott, mivel eléggé sós, lesüllyedhet és hideg mélyvízi áramlatként tér vissza a vizet az Indiai-és Csendes-óceán trópusi övezeteibe. Odáig jutva sótartalma felhígul és a hígabbá, így kisebb suruséguvévált víz emelkedni kezd. Nagyjából a Galapagos szigetek térségében tör a felszínre, zárva az áramlási kört.

Mivel az Északi-sark jégtakarója gyors olvadásnak indult,a térségben a víz sótartalma csökken és anagy óceáni szállítószalag hamarosan leállhat. Újabb mérések szerint ez a folyamat gyorsul, a Golf áramgyöngül.

A sarkvidék az egyenlítoi térségnél erosebben melegszik. Mivel az Egyenlíto és az Északi-Sark kö-zötti homérséklet csökken, a homérsékletkülönbségeiket kiegyenlíto légáramlatok, a szelek természete isátalakulóban van. Emiatt változik az éghajlat. Egyre gyorsabban olvad az Északi-Sark jege, és akár pár

57

évtized alatt eltunhet. Ekkor gyorsul majd fel a kiegyenlíto légáramlatok átrendezodése, amely elorelát-hatólag pár évtized alatt megtörténhet. A felfelé áramló, asarki tengereket melegíto tengeri áramlatok ésa meleg levegot az eddigitol különbözo módon felfelé szállító szelek hatására nemcsak Angliában, hanemakár Skandináviában is megjelenhetnek a pálmafák. De addigszélsoségesebb idojárási ingadozásokra kellfelkészülnünk, elsosorban tavasszal ésosszel.

Grönland jégtakarójába mélyen lefúrva tízezer évekre visszamenoen meghatározták, hogy milyenekvoltak az adott években a átlaghomérsékletek. Innen tudjuk, hogy az átlaghomérséklet akár pár évtizedenbelül több fokot is képes emelkedni vagy süllyedni. Mivel a grönlandi átlaghomérsékletet a Golf-áram vi-selkedése szabja meg, mindez a Golf-áram idonkénti újraindulására vagy leállására utal. Amikor a Csendes-óceán vízmozgásai az El-Nino jelenség miatt egy idore megváltoznak, a nagy óceáni szállítószalag a Gala-pagos szigetek helyett valahol délebbre a chilei partok mentén tör a felszínre. Az El-Nino jelenség gyakranfelerosödik és súlyos csapásokra vezeto éghajlati változásokat okoz szerte a csendes-óceáni térségben.

Riasztó az a felfedezés, miszerint nemrég az Andok egy gleccserében meleg égövi növényeket találtakbefagyva. Ez arra utal, hogy az éghajlatváltozás akár egyiknapról a másikra is bekövetkezhet. Az akkornyáron betöro jeges fergeteg nem egyszeru idojárási szélsoség, hanem éghajlatváltozás volt.

Földünk vízkészletének egy része jég állapotú. Idorol-idore a Föld vízkészletének egy része eljegesedik,jégkorszak alakul ki. Ekkor az óceánok vízszintje lecsökken, mert a grönlandi vagy antarktiszi szárazföldrevíz fagy ki. Jégkorszakban, a tenger szintjének csökkenésével kialakult szárazföldi átjárón jutott át ÁzsiábólAlaszkába az Amerikába átvándorló ember. Körkörös viselkedést mutatnak a jégkorszakok, kialakulásuklegegyszerubben a Föld forgástengelyének változásaivalmagyarázhatók. Ez ugyanis befolyásolja, mennyinapfényt nyelhet el a Föld felszíne.

Víz és a vegyi elemek körforgásáról. A természetben való körforgása során a tengerekbol, óceánokbólelpárolgó víz a fellegekbe kerül, onnan csapadékként jut vissza az óceánokba, tengerekbe vagy a száraz-földre. A szárazföldre jutó csapadék egy része a talajvízbe, a víztartó rétegekbe kerül. Ha ezt a vízkészletetmegcsapoljuk, elhasználjuk, csak nagyon hosszú ido után töltodik fel újra.

Még a fenti körforgásokon kívül beszélhetünk a különbözo kémiai elemek, a szén, a nitrogén körforgá-sáról is. Változhat a körforgások természete, erosen függhet a homérsékleti viszonyok változásaitól, kaoti-kus viselkedést mutathatnak, gondoljuk az El-Nino rendszertelen megjelenéseire. A Golf-áram fentiekbentárgyalt leállása szintén kis változások függvénye lehet.

9. Élet és fejlodése

9.1. A fejlodés útja

Bolygónk felszínén a hotan fotételeinek megfeleloen azok a folyamatok nyertek és nyernek teret, melyekáltal a Föld felszíne több napsugarat nyelhet el és szórhat vissza a világurbe 4.6. A víz, a kozetek és a levego,az anyagot alkotó molekulák mozgási energiájaként veszi fel és tárolja az elnyelt napsugárzást. De a napsugárzása vegyületekben is megkötheto. Mivel a Föld felszínén nagyon sokféle atom, molekula van jelen,fénymegkötésen alapuló vegyi folyamatok zajlhatnak le és amég több fényt elnyelni képes összetettebbkémiai körfolyamatok is létrejöhetnek. Ilyen folyamat kiindulópontja lehetett a fény megköto és késobbkisugárzó cinkszulfid is. Nemrég fedezték fel, hogy széndioxidban dús légkörben a cinkszulfid fényt nyelel és eközben a megköti a szédioxid szenét és oxigént szabadít fel. Hasonló folyamatokban, egyre többnapfényt megkötve, mind összetettebb szénláncú szerves vegyületek jöhetnek létre. Amint az összetettebbvegyület felbomlik, a megkötött fényenergia hoként szabadul fel. Amely szerveskémiai folyamatok, melyeknapfényt képesek megkötni, majd hoként szétoszlatni, kiválasztódtak és gyakoribbakká váltak. Azért isérdekes a cinkszulfidra épülo folyamat, mert a legosibb fehérjékben sok a cink. Meglehet, ez volt az életkialakulása felé vezeto egyik elso lépés.

58

Nem tárgyaljuk részletesebben, mint jöhettek létre és mintválhattak egyre összetettebbé a mind többnapfényt megkötni majd szétszórni képes szerveskémiai folyamatok. Önmagukat megkettozni, vagy kisebbváltozásokkal örökíteni, még több energiát megkötni és szétszórni képes rendszerek választódtak ki. Meg-jelentek olyan rendszerek is, amelyek nem pusztán a kialakulásukkal és felbomlásukkal vettek fel és szórtakszét még több energiát, hanem a környezettel folytatott anyagcsere folyamatok, vegyületek felvétele és ki-bocsátása útján is. Talán nem is lehet pontosan megállapítani, milyen folyamatok sorozata után jelentekmeg az elso, már élonek nevezheto rendszerek. Annyit mondhatunk, hogy a hotan fotételeinek megfeleloirányzat, az egyre több hasznosítható energia felvételének majd szétszórásának képessége választotta kioket.

Nem csak az élet megjelenése, hanem az új fajok megjelenése,a törzsfejlodés, a táplálékláncok kiala-kulása mögött is a hotan fotételei állnak. Képzeljük el, a szárazföldön már van növényzet, de még nincsnövényevo. A növény szerves vegyületekben tárolt energiája anyagcseréjekor és a növény pusztulásakorszabadul fel. Miután megjelent a növényevo, az állat anyagcseréje során a lelegelt növény szerves ve-gyületeinek energiája azonnal szétoszlik és nagyrészt hoként szabadul fel. Mivel a lelegelt felületen növonövények továbbra is ugyanúgy megkötik a napfényt, a növényevo megjelenésével több napfényt nyel el atermészet, azaz zöldebbé válik a Föld. Hasonlóan zöldebbé teszi a természetet a fennmaradni képes raga-dozó. Általánosan, a törzsfejlodés természetes folyamatában megjelent faj akkor maradhat fenn, ha általaa tápláléklánc több energiát alakíthat hové. Azaz az új fajjal megno a megkötött majd szétoszlott napener-gia mennyisége, és zöldebb lesz a természet. Láthatjuk, a törzsfejlodés két alapveto tétele, a természeteskiválasztódás és a legalkalmasabb térnyerése a hotan fotételeinek muködésére vezetheto vissza.

A hotan fõtételei segítségével válik érthetové, miért annyira elterjedt az élet és mi a törzsfejlodés hajtó-ereje. De az élo szervezetek muködésérol a hotan fotételeirol éppúgy nem mondanak közelebbit, mint aho-gyan az egyszerubb molekulák, az összetettebb vegyi rendszerek kialakulásának törvényeit sem taglalják.De kijelenthetjük, az élet megjelenését és a törzsfejlodés folyamatát leíró természeti törvények ugyanúgyléteznek, mint az atomok és a molekulák és más rendszerek keletkezését megadóak. Mivel a túlélést segítoértelem megjelent és elterjedt, az értelem keletkezése is atermészeti törvények következménye.

9.2. DNS és gének

Mindenképp az élo sajátja a magas fokú szervezettség. Hatalmas mennyiséguadat szükséges az élo megha-tározásához, ennek hordozója a DNS(dezoxiribonukleinsav). Valamennyi élo szervezet közös jellemzoje,hogy szervezettsége a DNS-re épül. A DNS az élolény minden egyes sejtmagjában teljes egészében jelenvan. Egy adott sejtjében a DNS-nek csak az a része tevékeny, amelyik a sejt életmuködéséhez szükséges.

Nyelvi szabályokhoz hasonlíthatjuk a DNS adattartalmánaktárolását. Rendszeres, kristályokat jellemzoismétlodés a DNS-ben nem található. Ahogyan egy verssor ’Hazádnakrendületlenül..’ nem tartalmaz egy-szeru ismétlodo sorozatokat, hasonlóan a DNS-láncon lévo bázisok sorozata sem jellemezheto valamiféleszabállyal. Hogy milyen a DNS-láncon a bázisok sorrendje, azt nem egyszeru fizikai vagy kémiai törvé-nyek, hanem élettani jellemzok adják meg.

Fehérje, aminosav, gén. Egy sejt életét a fehérjék muködése és együttmuködése szabályozza. Példáulvalamennyi enzim fehérje és a hormonok nagy része is fehérjemolekula. A DNS-lánc egyrészt az életfo-lyamatok vezérléséhez szükséges fehérjék készítéséhez adja meg a leírást. Másrészt a DNS-lánc irányítja afolyamatok egészét is, megadja, hogy mikor éppen mely fehérjék készüljenek el és mely fehérjék termeléseszunjön meg.

20 alapveto aminosav építi fel a fehérjéket. Egy fehérje általában ötventol tízezerig terjedo számú ami-nosavból áll. A DNS tárolja a fehérjét felépíto aminosavak sorrendjét, meghatározva ezzel a fehérjetermelésfolyamatát, azt, hogy mikor melyik aminosav épüljön be a fehérjét alkotó láncba. Egy fehérje alakja, vegyi,

59

villamos és egyéb tulajdonsága érzékenyen függ attól, milyen a fehérjét felépíto aminosavak sorrendje. Mi-vel az egyes aminosavak meghatározott módon kötodhetnek egymáshoz, ezért akár egyetlen aminosavnakegy másikra való cseréje is komoly változást idézhet elo. Ha ugyanis az adott helyen egy másik aminosavszerepel, akkor ott másféle módon csavarodhat a fehérjelánc. Emiatt más lehet a fehérje egészének alakjaés változhatnak tulajdonságai. Az egyetlen fehérjét leíróDNS-szakaszt génnek nevezzük. Fehérjegyártásközben a DNS a sejtmagban marad. A sejt többi részével való kapcsolat tartása egy másik nukleinsav, azRNS (ribonukleinsav) feladata.

Aminosavak kijelölése, a genetikai kód. Míg a számítógép kettes számrendszerben dolgozik, a DNSnégyes számrendszeru, merthogy négyféle bázisa létezik,jelöléseik T, C, A, G. Segítségükkel címezi mega DNS a 20 alapveto, fehérjét felépíto aminosavat, a címezo táblázat a genetikai kód. A genetikai kódban aT betu helyett az U betu szerepel, mivel a DNS-rol leolvasott adatokat közvetíto RNS molekulában a T jelubázisnak az U jelu bázis felel meg.

Egy aminosavat a DNS 3 egymás melletti bázisa, bázishármasajelöli ki. Felhasználva a fenti négybetut, a bázishármasokból összesen43 = 64 van, azaz ennyi aminosavat tudnának megcímezni. Mivel csak20 aminosav játszik szerepet, ugyanazt az aminosavat többféle bázishármas is jelölheti, például a GUU,GUC, GUA, GUG bázishármasok ugyanazt az aminosavat, a valint, a GAA és GAG bázishármasok pediga glutaminsavat jelölik. Aminosavat a 64 bázishármas közülcsak 61 címez, három bázishármas a génkezdetét illetve végét jelzi. Egyetemes, minden élore azonos a genetikai kód. Ez is az élovilág közöseredetét bizonyítja.

Genom, kromoszóma. A teljes emberi DNS-lánc, amit az emberi genomnak nevezünk,3,2 milliárd bá-zispárból áll és kb. 2 méter hosszú. Hasonlóan beszélünk egyélocske (baktérium), a rizs vagy az egérgenomjáról. Nem egyetlen hosszú láncba, hanem kromoszómákba rendezodik a DNS, a DNS láncot felcsa-varodott alakzatokban tartalmazzák. 23 pár kromoszómája van az embernek. Megkettozodve tartalmazzáka DNS-láncot a kromoszómák, egyik lánc az apától, másik az anyától származik. Emiatt a gének többségé-bol kétféle változat állhat rendelkezésre.

Kérdés, mennyire határozza meg az egyén életét a DNS lánca, azaz a kromoszómáiban tárolt adatokösszessége. Mint tervraktárt foghatjuk fel. Hogy mi valósulhat meg belole, egy gén két változata közüléppen melyik léphet muködésbe, az már a környezettol is függ.

Hemoglobin fehérjéje. A gének muködésének szemléltetésére nézzük meg, hogyan néz ki a hemoglobinkészítésének eljárását megadó gén. A hemoglobin molekula többek között négy fehérjeláncot is tartalmaz,két ún. alfa és két béta láncot, mind a 4 lánc 146 aminosavból áll. Itt a béta lánc aminosavsorrendjét adjukmeg. Felso sor emberre, alsó sor nyúlra vonatkozik. Az aminosavakat az irodalomban szokásos módonnagybetuvel jelöljük, például V a valint, H a hisztidint, La leucint, E a glutaminsavat kódolja.

VHLTPEEKSAVTALWGKVNVDEVGGEALGRLLVVYPWTQRFFESFGDLSTPDAVMGNPKVKAHGKKVLGAFSD emberben; 1-78

VHLSSEEKSAVTALWGKVNVEEVGGEALGRLLVVYPWTQRFFESFGDLSSANAVMNNPKVKAHGKKVLAAFSE nyúlban; 1-78

GLAHLDNLKGTFATLSELHCDKLHVDPENFRLLGNVLVCVLAHHFGKEFTPPVQAAYQKVVAGVANALAHKYH emberben; 79-146

GLSHLDNLKGTFAKLSELHCDKLHVDPENFRLLGNVLVIVLSHHFGKEFTPQVQAAYQKVVAGVANALAHKYH nyúlban; 79-146

Látható, az ember és a nyúl hemoglobinjának béta lánca 91%-ban közös. Az ember és szarvasmarhahemoglobinjának béta lánca 85%-ban azonos, a tyúkra ez az érték 69%, a pontyra 53%. Az ember és gorillahemoglobinjának béta lánca csak egyetlen aminosavban tér el, azaz a hasonlóság 99%-os. E hasonlóságokértelmezésével késobb foglalkozunk.

Most azt vizsgáljuk meg, mi történhet, ha az ember megfelelo génszakasza, amely a hemoglobin bétalánca esetén 3*146=438 bázisból áll, csupán egyetlen bázisban is eltér a fenti aminosavsorrendet megha-

60

tározó génszakasztól. Erre jól ismert példa a sarlós vérszegénység kórképe, amely az afrikai fekete népes-ségben meglehetosen gyakori. Ekkor a fenti 146 aminosav közül hatodik helyen nem E, azaz glutaminsav,hanem V, valin áll. A két aminosavat kódoló bázishármas E-reGAG, V-re GUG, azaz a két aminosavat kó-doló rész a bázishármas második tagjában tér el egymástól. Ez az egyetlen aminosavban való eltérés ahhozvezet, hogy míg a fenti 148 aminosav lánca gömbbé csavarodikfel, addig a hatodik aminosavban eltéro láncugyan gömbbé csavarodik, de ebbol a gömbbol egy kis farkinca is kinyúlik. Emiatt a hemoglobin moleku-lák egymáshoz tudnak tapadni és ezzel a vér vörösvértestjeinek alakja is megváltozik. Ez mikroszkópon jóllátható, gömb helyett sarló alak mutatkozik és ez vérkeringési zavarokat okoz.

Legegyszerubb élocske (baktérium) génjeirol. Egy sejtélosdi (vírus) DNS állománya néhány ezer bá-zisból áll, az élocskék (baktériumok) DNS lánca néhány millió, a magasabb rendu élolényeké több milliárdbázist tartalmaz. A legegyszerubb ismert élocske 517 génnel rendelkezik, ezeket pontosan feltérképez-ték. Ismert, hogy az élettevékenységekhez a DNS lánc nem minden egyes génje egyformán fontos, vannakolyan gének is, amelyek ugyan ott vannak a DNS-ben, de szükségtelennek véljükoket. Feltételezik, hogyezek ténylegesen sem valók semmi olyanra, ami a fennmaradáshoz és szaporodáshoz kapcsolódna. Talá-lomra megrongálva géneket, meg lehet mérni, hány gén játszik tényleges szerepet az élocske életében. Avizsgálatok szerint a valóban szükséges gének száma 265-350 között van, ezek közül kb. száz génnek aszerepét még nem ismerik. Nemrég közölték egy még egyszerubb élocske genomját, amely csupán 192gént tartalmaz.

Bioinformatika. Az emberi genom génjeinek feltérképezését már ebben az évezredben fejezték be, azelozetes eredményeket 2001-ben tárták a nyilvánosság elé. A genom meghatározásának legegyszerubbmódja az lehetne, ha az egyes kromoszómákban lévo DNS bázisainak a sorrendjét egyszeruen leolvassuk.De a jelenlegi módszerekkel egyszerre legfeljebb egy 500 bázispárból álló DNS szakasz gépi leolvasásalehetséges. Mivel egy átlagos gén kb. ezer aminosavból, azaz háromezer bázispárból áll, egyetlen min-tavétellel általában egyetlen génnyi bázissorozatot sem tudnánk kiolvasni. Egy genom feltérképezésénekfo nehézségét éppen a megfelelo viszonyítási pontok, a határkövek kijelölése jelentette. Egy 2 millió bá-zisból álló baktérium DNS lánc feltérképezéséhez legkevesebb 4000 darabra kell hasítani a láncot (2 mil-lió/500=4000). Hogy az egyes gének bázissorrendjét és a kromoszóma teljes génállományát fel tudjuktérképezni, a különbözo alkalmakkor leolvasott szakaszokat össze kell tudni illeszteni,

A genom feltérképezését az ezzel foglalkozó két csoport versengése gyorsította fel. Ugyanis az eredeticsoportból kivált egy kutató, aki a bázissorrend megállapításának gyorsabb módját fedezte fel. Módsze-rének lényege az, hogy a tanulmányozott hosszabb szakasz DNS állományát véletlenszeruen tördeli, ésvalamennyi darabra meghatározza a bázissorrendet. Ahelyett azonban, hogy a térképpontok kijelölésé-vel foglalkoztak volna, a tördelést véletlenszeru módon megismétlik, és most is meghatározzák az egyesdarabokon belül a bázissorrendet. Ekkor az elso tördelés töréspontjainak többsége az második tördelésdarabjainak belsejében lehet. Kelloen sokszor, mintegy hússzor ismételve a véletlenszeru tördelést, való-színutlen, hogy egy adott töréspont mind a húsz tördelésben eloforduljon. Ezekbol számítógépes összefuzoprogramokat használva határozzák meg a hosszabb szakasz DNS állományát. A bioinformatikának nevezetttudományág ilyen jellegu feladatokkal foglalkozik. Rövidebb szakaszok esetén a bioinformatika gyorsancélhoz ér, hosszabb szakaszokra a feladat egyre nehezebb.

9.3. Génkifejezodés, epigenetika, törzsfejlodés

Bár már voltak korábban is elbizonytalanító ismeretek, de ateljes DNS-lánc, így az emberi genom feltá-rásáig nagyjából azt lehetett gondolni, hogy egy gén egy fehérjét határoz meg és egy fehérjéhez egyetlenmuvelet rendelheto. Ezért úgy vélték, hogy a DNS-láncban csak a géneket tartalmazó szakaszok lényege-sek. Felesleges, hulladéknak minosülo tartomány a többi, amely az embernél a DNS-lánc csaknem 98,7%-a,

61

és ez valahogyan megmaradt az öröklodés során. Ez állt a híres mondás, a ’génjeink túlélogépei vagyunk’mögött.

Feltételezték, hogy mivel az összetettebb szervezetek muködtetéséhez többféle muvelet szükséges, atörzsfejlodés során kialakult magasabb rendu élolényeknek több génje kell, hogy legyen, mint az egysze-rubb élolényeknek. Ez alapján becsülték meg, hogy az embernek 140 ezer génje lehet. De a genomokfeltárásakor kiderült, hogy az embernek a várt 140 ezernél sokkal kevesebb, legfeljebb 24-25 ezer génjevan. Ez nem sokkal több, mint egy alaposan tanulmányozott, ám száz sejtnél kevesebbol álló fonálféreg19 ezer génje. Ráadásul ez a két génkészlet jelentosen át is fed. Ekkor jöhettünk rá arra, mennyire kevesettudunk arról, mint muködik a DNS. Kiderült, hogy az egy gén -egy fehérje alapfeltételezés sem tartható.Ugyanaz a gén másféle sejtben más feladatot kaphat. Akár úgyis, hogy a belole készülo fehérje gyártásáhozcsak a gén egy szakasza van felhasználva.

Az ember és a fent említett fonálféreg génkészletének nagyfokú hasonlósága csak úgy értelmezheto,hogy egy adott muvelet elvégzéséhez gének sokasága muködik együtt. Csak a legegyszerubb muveletekvezethetok vissza egyetlen génre vagy egy-két gén együttmuködésére. Bizonyos gén vagy gének kezdika muveletet, amelynek végzése során egyes gének kilépnek afolyamatból, mások pedig belépnek. Kide-rült, hogy az egyes gének kifejezodésében, ki- és bekapcsolásában szerephez jutó rövid RNS-molekulák a"hulladék" DNS-ben vannak címezve.

Korábbi eredmények is utaltak már arra, hogy a hulladéknak minosített DNS-szakaszoknak is kell, hogylegyen szerepük. A sejtek nem másolgatták volna feleslegesen igen nagy anyag- és energiaráfordítássalszázmillió évek óta. Miután kiderült, hogy vannak bennük olyan szakaszok, amelyek egymástól távol lévofajokban is igen hasonlóak maradtak, megkezdodött a géneken kívüli DNS szakaszok alaposabb vizsgálata.

Valószínu, hogy a géneken kívüli DNS tartománynak fontos szerepe lehet a törzsfejlodés folyamatábanis. Minél fejlettebbnek nevezheto az élolény, annál nagyobb benne a "hulladék" DNS súlya. Míg az élocskeDNS állománya nem sokkal több, mint a génjeinek az összege, addig az emberi genom túlnyomó része csak"hulladék". Összevetve az ember és a csimpánz génjeit, a különbség csak 0,1%-nyi. Viszont a "hulladék"DNS-re ez a különbség negyvenszeres, kb. 4%-nyi. Feltételezheto, hogy a csimpánz és az ember közöttikülönbség sokkal inkább a gének ki- és bekapcsolását, kifejezodését szabályzó rendszerben van jelen.

Génkifejezodés. Meghatározó, hogy mikor lép muködésbe a DNS egy génje, azazmikor épül fel, készülel az általa leírt fehérje. Ha a fehérje nem a megfelelo idoben, az a sejt muködési zavaraihoz, a szervezetmegbetegedéséhez vezethet. Az DNS és a sejtben akkor muködo fehérjék kölcsönhatása szabja meg, hogyéppen milyen géneknek kell muködésbe lépni ahhoz, hogy a szüksége fehérjék termelodjenek. Van olyangén, amelyik 50 másikat szabályoz. Általában úgy történik aszabályzás, hogy egy gén termelni kezd egyfehérjét, az pedig beindít vagy leállít egy másik gént. Nagyon bonyolultnak tunik a gének hálózata, hogymelyik gén milyen más génekkel és fehérjékkel és hogyan áll kapcsolatban. Mivel a sejtbe kívülrol isbejutnak molekulák, a szervezet egésze is hat arra, miként muködik a sejt. Szervezetünk pedig mint egészalkalmazkodik környezetünkhöz és a betegség a szervezet egészének a zavara.

Az élo nem merev gépezet, szerveinek muködésében hatalmas tartalékok vannak. Ha betegség tüneteitészleljük, például megduzzad a máj, olyasmit jelent, hogy amájhoz kötodo, egymáshoz is kapcsolódószabályzó rendszerek már nem képesek a máj egészséges muködését beállítani. Ha ilyen esetben gyógyszertkezdünk szedni, annak hatóanyaga általában valamelyik érintett szabályzó rendszert módosítja. Ennekhatására a vele kölcsönhatásban álló többi szabályzó kör ismásként kezd muködni és végeredményben amáj muködése javul, a duzzanat megszunik. Egyre több megbetegedésrol mutatják ki, hogy számos génegyideju hibás muködése a baj okozója. Ha mondjuk a féltucatnyi rosszul muködo génbol csak egy ismegfeleloen teljesítené a feladatát, az adott rákbetegség egyszer˝uen nem fejlodhetne ki.

Epigenetika. A táplálkozás, a mozgás vagy a hirtelen változáshoz való igazodás (stressz), azaz számoskörnyezeti hatás befolyásolja a génekben tárolt, öröklöttadottságok érvényesülését. Az élo a sejtjeinek

62

génkifejezodési folyamataival tartja fent és örökíti át magát, ezekkel alkalmazkodik a környezetében zajlóváltozásokhoz. Az epigenetika úgy viszonyul a genetikához, mint a vezérlet (szoftver) a géplethez (hard-verhez).

Ha csecsemo, vagy kisgyermekkorban komolyabb megrázkódtatás éri a szervezetet, ennek hatása meg-jelenhet a DNS génkifejezodést szabályzó tartományában és az élethossziglan kihathat. Sot a környezetneka szülokre gyakorolt hatása az utód génkifejezodési rendszerét is megváltoztathatja. Az 1944-45-ös hollandéhínség utóhatásainak kutatása ezt bizonyítja.

A második világháború során a partraszálló szövetségesek támadása 1944 szeptemberében Hollandiá-ban elakadt. A németek sikeres ellentámadást indítottak ésezután nemcsak a háborús csapások sújtották apolgári lakosságot, hanem a németek bünteto intézkedései is. Ráadásul nagyon kemény tél sújtotta a térsé-get. Az élelmiszerkészletek apadni kezdtek és bevezették az élelmiszer adagolását. Már 1944 novemberéreHollandia egy nagyobb térségében hatalmas éhínség tört ki,amely 4,5 millió embert sújtott és egészen 1945májusáig tartott.

Nemcsak akkor szenvedett a lakosság. Az éhínség során fogantak életére ez máig kihat. Akik a fo-gantatást követo elso tíz hétben élték meg az éhínséget, azokban életre rögzült epigenetikai változásokmutatkoznak. Akik az éhínséget csak a magzatkor vége felé élték át, nem mutatnak változást.

Az epigenetikai változások nemcsak az egyedre, hanem a a késobbi nemzedékekre is kihathatnak. Azanya testén kívül zajló megtermékenyítés, azaz a lombikbébi eljárás akár a holland éhínség által okozotthozhasonló epigenetikai változásra vezethet. Ha a várandós anya dohányzik, annak nemcsakorá van hatása,hanem ez a magzata ivarsejtjeire is, sot a hatás megjelenik annak utódaiban is.

Hogy mennyire eros a környezeti hatások szerepe, azt az egypetéju ikrek egészségi állapotának összeve-tése is mutatja. Ha különbözo környezetben élnek, ahogy öregszenek, a génkifejezodési rendszerük egyrejobban eltér egymástól. Lehetséges, hogy egyikük cukorbeteg, miközben a másik teljesen egészséges. Bárkülsoleg összetéveszthetoen hasonlítanak, egészségi állapotuk mind jobban különbözik. Ha rendszeresenmérgezo anyag jut a testünkbe, szervezetünk a génkifejezodések módosításával alkalmazkodik. Ezek átállí-tódása hónapokat ígényelhet. Ha megszunik a mérgezés, a génkifejezodést szabályzó rendszer egy ido utánvisszatér a korábbi muködéséhez. Általában a táplálkozásunk, a gyógyszerek, a környezetben elofordulóvegyszerek valamennyien módosíthatják epigenetikai szabályzó rendszerünket. Elsosorban a fogamzástólszámított élet elso ezer napja döntheti, miyen egészségben éljük le életünketés miként muködo szabályzórendszert hagyunk az utódainkra.

Epigenetika és törzsfejlodés. Mint említettük, minél összetettebbé fejlodött egy lény, mennél fentebbvan a törzsfejlodés fáján, annál nagyobb lehet benne a génkifejezodést szabályzó "hulladék" DNS súlya.Kézenfekvonek látszik a feltevés, hogy az idok folyamán egyre hosszabodó DNS hányad a törzsfejlodéssorán sikeresnek bizonyult, éppen ezért fennmaradt génszabályozási hálózatok szerkezetét tárolja.

Az ivaros szaporodás, a két állomány nemzedékenként keverése új változatot hoz létre, és ha az a nem-zedékek során sikeresnek bizonyul, rögzülni fog. Mindez párhuzamba állítható az idegi hálózatok tanulá-sával, amelyekben a tanulnivaló az ismétlodo ingerek hatására rögzül. Ennélfogva a törzsfejlodés egésze istanulási folyamatnak fogható fel. Amely változatok nem eléggé életképesek, kihullanak az ido rostáján, azalkalmazkodni képesek pedig megmaradnak. Mivel a tanulásifolyamatot az értelemhez tartozónak tartjuk,megérthetjük, miért érzik sokan úgy, hogy értelmes tervezés áll az élet kialakulása mögött.

9.4. Az élet keletkezése és terjedése

A sejtekben muveleteket végzo vegyületek, a fehérjék eloállításához DNS vagy RNS-féle vegyületek szük-ségesek. Viszont a DNS vagy RNS eloállításához fehérjék kellenének. Ráadásul mindkettohöz zsírvegyüle-tekre is szükség van, mivel a sejteket határoló membránok ezekbol állnak. Miközben a zsírok eloállításához

63

fehérje alapú enzimek kellenek. Ez a többszörös tyúk-tojásrejtély nagyon megnehezítette az élet kialaku-lásának megértését.

2015 tavaszán vetették fel, hogy az élet fenti alapvegyületeinek képzodéséhez két egyszeru, a koraiFöldön boségesen eloforduló molekula, a kénhidrogénH2Sés a hidrogéncianidHCN is elegendo, mert be-lolük kiindulva, egyszeru kémiai folyamatok lezajlása után mindhárom alapvegyület kialakulhat. A Földetlátogató üstökösök csóvája sokHCN-t tartalmazott, továbbá a becsapódások során elég sok energia szaba-dult fel ahhoz, hogy szénbol, hidrogénbol és nitrogénbol hidrogéncianid képzodjön. Hasonlóan, korábbanaH2S kénhidrogén is volt boséggel. Bár a háromféle alapvegyület képzodéséhez különbözo katalizáló fo-lyamatok szükségesek és ezek különbözo helyeken zajlhattak le, a csapadékvízek együvé moshattákoket.Hogy azután az ott lévo építokövekbol miként alakulhatnak ki mint összetettebb, végül pedig élonek tekint-heto rendszerek, lásd a 9.1. szakaszban.

2016 tavaszán közölt eredmények szerint az üstökösökben a DNS-láncot alkotó valamennyi alapvegyületkialakulhat.

Geomikrobiológia. A geomikrobiológia, a mélyen a felszín alatt élo szervezeteket kutató tudományággyakorlatilag az utóbbi hat évtizedben született meg. Csaknem máig azt hittük, hogy a talajban bizonyosmélységektol kezdve, vagy foleg ha a kozetekre gondolunk, már nem élhet meg semmi. Ez nem így van,több kilométer mélyen, a kozetekben is találtak élo szervezeteket. Úgy tunik, az élet egyetlen igazi korlátjaa lefelé növekvo homérséklet. Eddigi csúcsot a kb. 5 km mélyen, 113C0-on élo szervezetek adják, vanviszont bizonyíték 169C0 homérsékleten élo paránylényekre (mikroorganizmusokra) is.

A mélyben létezo, más éloktol évmilliók óta elzárt szervezetek életmódját az anyagcsere különlegesváltozatai és a nagyon lassú szaporodás jellemzi. Anyagcseréjük során az egyik ásványt egy másikká alakít-ják, azaz a szervetlen vegyi folyamatok energiáját használják fel. Különbözo helyeken és homérsékletekenmás-más vegyület szolgál a különféle paránylények táplálékául. Van olyan, amely fémionok másféle vegyiállapotba vitelével jut energiához. Átalakíthatják a belso vulkánosság során felszabaduló vegyületeket ésígy geokémiai változásokat okoznak. Egyes becslések szerint a mélységi élo anyag mennyisége 0,1%-a afelszíni élo anyagnak, de az is lehet, hogy összemérheto vele.

Nagyon egyszerueknek,osieknek tunnek a mélyben élo szervezetek. Az eddig ismert éloktol, az élocs-kéktol (baktériumoktól) és eukariótáktól függetlenek, archaeák néven az élovilág törzsfájának harmadikágát alkotják. Míg azonban a felszínen a baktériumok és az eukarióták gyorsabb genetikai változásokonmentek át, addig a tolük kb. 3,8 milliárd éve elszakadt archaeák jobban megorizhették azosi élovilágjellegzetességeit.

Nemrég Dél-Afrikában, közel 3,6 kilométeres mélységben, aranybányák fúrólyukaiból vett talaj- ésvízmintákban többsejtu élolényeket, fél milliméternyi fonálférgeket fedeztek fel.Nemi jelleg nélküliek,élocskékkel (baktériumokkal) táplálkoznak, bírják a mélységben lévo magas, 41 fokos homérsékletet ésa lenti kevés oxigénnel is beérik. Annyira különböznek a felszínen élo, hozzájuk hasonló fonálférgektol,hogy külön fajnak tekinthetok. Feltételezheto, hogyoseik valaha a felszínen éltek, és a lefelé szivárgóvízben élo élocskéket követve élohelyük mind mélyebbre, kilométeres mélységekbe süllyedt. Életmódjukalkalmazkodott a lent lévo élocskék fogyasztásához. Kérdés, hogy a bányászat mennyire bolygatta mega környezetet, azaz nem a bányászásnak köszönhetoen telepedhettek meg odalent. Ez ellen szól, hogy avízminták százezer éves korúak, de további behatóbb vizsgálatokat végeznek annak eldöntésére, hogy abányászat nélkül is élhetnének-e odalent.

Élet terjedése a világurben. A kozetekben élok bármelyik forró maggal rendelkezo bolygón megélhet-nek. Mivel ezek szerte Mindenségben igen nagy számban ott vannak, a Mindenség hemzseghet az ilyenszintu élettol. De a felszínen kialakuló, fénymegkötésre (fotoszintézisre) épülo élet már jóval ritkább, mi-vel ennek megjelenéséhez és megmaradásához számos feltétel teljesülése szükséges. Értelmes élet pedig

64

csak hosszabb törzsfejlodési folyamat során alakulhat ki. Ez megköveteli, hogy a kedvezo feltételek egészhosszú idon keresztül fennmaradjanak.

A kozetekben élo parányi lények átkerülhettek, át is kerülhetnek egyik bolygóról a másikra. Egy fel-színre becsapódó nagyobb kisbolygó kozetdarabokat robbanthat ki és ha ezek elég nagy sebességgel mo-zognak, a bolygó vonzásából kiszabadulva más bolygók felszínére juthatnak. Így a bolygók folyamatoskölcsönhatásban állnak egymással és a viszonylag védett környezetben, nagyobb meteoritkövek belsejé-ben betokozódott paránylények a teljes Naprendszerben elterjedhettek. Egy marsi kodarab nagyon kedvezopályaadatok mellett akár száz éven belül átkerülhet a Földre. Így a belso bolygók kozeteiben lévo pa-ránylények a Naprendszer külso tartományaiban lévo égitestek, például a Jupiter holdjainak felszínére iseljuthatnak.

Üstökösök közvetítésével akár naprendszerek között is közlekedhetnek életet hordozó kozetdarabkák.3,8 milliárd éve, amikor a Föld és a Mars felszíni viszonyai hasonlóak voltak, a paránylények átkerülhettekegyik bolygóról a másikra és ott is elterjedhettek. Így ha a Marson Föld-féle élet maradványait fedeznék fel,egyesek szerint nem okozna különösebb meglepetést, mivel ilyen életnek a Marson valaha léteznie kellett.Ezért csak az ismerttol eltéronek mondható élet utalhatna biztonsággal a földitol független élet létezésére.

Létezik-e, vagy létezhet-e egyáltalán a földi élettol különbözo élet, vagy az ismert élet egy helyen, vagykülönbözo helyeken alakult-e ki, alapvetoen fontos, tisztázásra váló kérdés. Ha a megfigyelésekbol kiderül,hogy az élet a Mindenséget jellemzo általános jelenség, és az egyes bolygókon akár egymástól függet-lenül is kialakulhat, akkor az élet felé fejlodést eloíró eddig ismeretlen törvényszeruségek létére találunkbizonyítékot.

9.5. Élet a Földön

Földünk létezésének elso ötszáz millió évét a Föld kérgét is átszakító kozmikus csapások jellemezték. Meg-olvasztották a földkérget és ezzel minden korábbi fejlodés eredményét semmissé tették. Nem sokkal a 3,8milliárd évvel bekövetkezett utolsó nagy becsapódás után aföldrészek és az óceán érintkezési pontjain, apartvidékeken megjelent az élet. Van olyan feltételezés, hogy a korábban a Földbol kiszakadt és az ide ké-sobb visszatéro kodarabokban betokosodott paránylények (mikroorganizmusok) honosították meg újra azéletet.

Grönlandról származnak az elso életre utaló jelek, koruk 3,8 milliárd év. Nyugat-Ausztráliában 3,5milliárd éves kozetekben már tucatnyi élocske (baktérium) kövületét találták meg. Ezek a világon mais mindenütt fellelheto kék-zöld algák közeli rokonainak tekinthetok, azo maradványaiknak feleltethetokmeg.

A felszíni élovilág egyik elso képviseloi a foleg kénnel táplálkozó és máig fennmaradt bíbor baktériu-mok lehettek, amelyek még oxigén nélküli légkörben éltek. Amint az ilyenféle élocskék a táplálékforrásokközelében felszaporodtak, a táplálék megfogyatkozott. Ezbehatárolta a vegyületek energiáit felhasználóélocskék életlehetoségeit.

Azok a baktériumok válhattak inkább sikeressé, amelyek a napfény energiáját felhasználva maguk ké-szítettek táplálékot. Ennek során az erosen kötött víz és széndioxid molekulákból lazán kötött szervesvegyületet, cukrot állítanak elo, majd a cukrot mint alapanyagot felhasználva készülnek elaz egyéb ve-gyületek. Az ezekhez még szükséges kémiai elemekhez, mint anitrogén és a többiek az ezeket tartalmazóegyszeru szervetlen sók felvételével jut a szervezet. A fentebb említett kék-zöld algák, másnéven kékmo-szatok. mindenütt megjelentek, ahol volt víz. Ezek voltak akkoriban a legfejlettebb élolények, uralták aFöldet. Ami oxigént termeltek, egy ideig a kozetképzodési folyamatok azonnal megkötötték. Mintegy két-milliárd éve következett be az élovilág fejlodésének és légkört kialakító szerepének meghatározó pontja.Ekkorra annyira felszaporodott az oxigén, hogy elérte a jelenlegi érték egy százalékát. Ezt a kékmosza-tok már nem tudták elviselni, oxigénmérgezést szenvedtek.Elvesztették életterüket, kénytelenek voltakoxigénmentes helyekre, a tavak, mocsarak, tengerek iszapjába húzódni, ahol máig élnek.

65

A légköri oxigén felszaporodásának további következményea felsobb légkörben kialakult ózonrétegmegjelenése volt. Az ózonréteg kiszuri a Nap ibolyántúli sugárzását, lásd a 16. ábrát, kialakul az ózonpajzs.Ez lehetové tette a korábbiaktól különbözo, összetettebb szervezodésu lények képzodését. Az élovilágtovábbi fejlodését a fénymegkötés egy újabb fajtájának a megjelenése tette lehetové. Az elso egysejtu,sejtmaggal rendelkezo lények 1,8 milliárd éve jelentek meg. Ezeket már a sejten belüli sokkal magasabbfokú munkamegosztás jellemzi. Jóval nagyobbak, térfogatuk a baktériumokénak átlagosan tízezerszerese.

Egyre összetettebbé szervezodtek az egysejtuek, lassan elérték a maiakhoz hasonló fejlettségi szintet.Nem volt túl gyors a folyamat, mivel csak a felszíni vízrétegekben volt elég az oxigén, mélyebben nem.Végül az oxigén nagyobb mérvu felszaporodásával az egysejtu lények együttélése, munkamegosztása odáigfejlodött, hogy 900 millió évvel ezelott megjelentek a soksejtuek, pédául a szivacsok legegyszerubb fajtái.

Ezután az élet fejlodése lelassulni látszik. Üledékes kozetek tulajdonságait vizsgálva megállapították,hogy a 750-580 millió évvel ezelotti idoszakban három komoly eljegesedés történt. Annyira eros volt azeljegesedés, hogy a szárazföldek és a világtengerek jó részét jég borította. Mint tárgyaltuk, a jégkorszakokkialakulása öngerjeszto folyamat, lásd a 8.3. részt. Ha az átlaghomérséklet lecsökken, mert mondjuk aföldtani átalakulások a légkör széndioxid tartalmát lecsökkentik, ezzel csökken az üvegházhatás és beindulaz eljegesedés.

Az eljegesedések-felhevülések váltakozása után az élovilág az 580-525 millió évvel ezelotti idoszakbanrobbanásszeru fejlodésnek indult. Kb. 540 millió éve, a kambriumnak nevezett földtörténeti korban nagyonsokféle állat jelent meg egyszerre, mert az akkor megjeleno mészpáncél, a csontok nagyszeru lehetosége-ket adtak a fejlodésre. A megkövesedett maradványok segítségével az 540 millió évvel ezelotti állapottólkezdve máig millió éves pontossággal tudjuk követni az élovilág fejlodését. Az 540 millió évtol 245 mil-lió ezelotti korban, a paleotikumban jelentek meg a halak, kétéltuek, a szárazföldi növények és rovarok,valamint a hüllok kezdetleges változatai. 225 millió éve alakultak ki a dinoszauruszok, 160 millió éven áturalták a Földet és 64 millió éve pusztultak ki. Eltunésük lehetoséget adott arra, hogy a már korábban ismegjelent, a náluk jóval magasabb szervezettségi fok elérésére képes emlosök élettérhez jussanak.

9.6. Tömeges kihalások

Az oslénytani leletek hatalmas összeomlásokról árulkodnak.Természetes jelenség a fajok kihalása, mertha a faj képtelen az élettér változásához alkalmazkodni, kipusztul. Általában a fajok 10-20%-a 5-6 millióéven belül kihal. Vannak azonban korszakok, amikor rövid idon belül nagyon sok faj tunik el. Ha a fajok30-90%-a pusztul ki egyszerre, tömeges kihalásról beszélünk. Hogy mennyire gyors a tömeges kihalás,az oslénytan eszközeivel nem döntheto el pontosan. Lehet, hogy a folyamat néhány tízezer évig tartott,de lehet, hogy napok, hetek alatt lezajlott. A tömeges kihalások a tengeri és szárazföldi fajokra egyarántvonatkoznak, jelezve, hogy az egész Földre kiterjedo csapás sújtotta az élovilágot.

Legjobban ismert tömeges kihalás a dinoszauruszok eltunése 64 millió évvel ezelott, a kréta kor végén.Ekkor a fajok 47%-a pusztult ki. A 64 millió évvel ezelott történt tömeges kihalás nem az egyedüli, mégcsak nem is a legnagyobb az élovilág történetében. 439, 357, 250 és 198 millió évvel ezelott ennél több fajteltünteto pusztulás következett be.

Legnagyobb a kb. 250 millió évvel ezelotti, a perm-triász határán történt tömeges kipusztulás volt,ekkor a tengerekben élo fajok 95%-a és a szárazföldiek 70%-a tunt el. 252,28 millió évvel ezelott volta leghevesebb a pusztulás, ekkortájt, 20 ezer éven belül tunt el a legtöbb faj. Maga a kipusztulás közel200 ezer éven át tartott. Gyors felmelegedés, a levego és a tengervíz széndioxid tartalmának megugrása,hatalmas szárazság és erdotüzek sokasága gerjesztette a tengerekben és szárazföldön egy idoben zajló ki-halást. A kiváltó okot heves tuzhányók kitörésékben kell keresnünk. Akkortájt egymillió éven belül többszibériai bazaltvulkán tört ki és ezek az átlagos tuzhányói kibocsátásnál jóval több széndioxidot juttattak alevegobe. Kitöréseik során 13-43 ezer milliárd tonna széndioxidkerülhetett a légkörbe és onnan az esovízközvetítésével a tengerekbe, lásd a 8.3. szakaszt. Ha az ember az összes hozzáférheto szenet, olajat és gázt

66

elégetné, 5 ezer milliárd tonna széndioxid kerülne a levegobe. Ez a mennyiség már összemérheto a fentiadattal, ráadásul a kibocsátás a fenti millió éves idoszakhoz képest igen rövid idon belül történne. Ezzel azember nemcsak saját magát, hanem a földi élovilág nagy részét is kipusztítaná.

Újabb felvetések szerint a szibériai tuzhányók kitöréseit egy akkoriban történt nagyméretu kisbolygóbecsapódása okozhatta. Bár a becsapódás Brazíliában történt, de a számítások szerint az nemcsak fokozotttuzhányói kitörésekkel járt együtt szerte a Földön, hanemhatalmas, közel 9,9-es ereju földrengések ezreineksorozatát is keltette.

Ma már bizonyosnak veheto, hogy a 64 millió évvel ezelotti tömeges kihalást egy kisbolygó Föld-del való ütközése okozta, 250 km átméroju tölcsért ütött a becsapódás, a mélyedést a Mexikói-öbölben, aYucatán-félszigetnél találták meg. További bizonyíték azütközésre az, hogy a korabeli rétegben nagyszámúirídiumszemcse található, amely határozottan kisbolygó becsapódásának jele. A becsapódásakor hatalmaskozetdarabok repültek mindenfelé és ezek mint kilott rakéták, nagyon magasra emelkedhettek és az ütkö-zés helyétol nagy távolságra pusztítottak. Ezért a kisbolygó becsapódását hatalmas robbanások, tuzvészekkövették szerte a Földön. Ezek következményeképpen óriásimennyiségu füst, por és korom jutott a leve-gobe, amely hetekre elhomályosította a napot. A hirtelen lehulést és idojárási viszontagságokat a nagytestuállatok nem tudták elviselni, kipusztultak.

A Hold felszínén látható krátereket becsapódások hozták létre. Nyilvánvaló, hogy a Földre is hasonlósuruségben csapódtak be kisbolygók, de a felszín átalakulása eltüntette nyomaikat. Megfigyelések szerint1000 olyan, legalább 1 km átméroju kisbolygó létezik, melynek jelenlegi pályája lehetové teszi a Földdelvaló ütközést. Megkezdték ezek rendszeres figyelését, nyilvántartását, ugyanis a muszaki fejlodés idovellehetoséget adhat arra, hogy idoben közbeavatkozva, a közeledo kisbolygó pályáját kissé módosítva elke-rülheto legyen a Földdel való ütközés.

Úgy tunik, a tömeges kipusztulást okozó csapások a törzsfejl odés természetes velejárói, a változásokhajtóeroi. Az élolények egymásrautaltsága, amivel a következo fejezetben foglalkozunk, elobb-utóbb azélovilág egyensúlyi viselkedésére vezet. Kisebb helyi változás fajok eltunését okozhatja, amelyeknek élet-terét más fajok töltik be. A tömeges kihalás másulatok (mutációk) óriási számát hozza létre.

9.7. Az ember megjelenése

Az emberhez vezeto fajok közül 9, maradványaiból ismert fajról tudunk és a becslések szerint még 6 továbbiilyen faj létezhetett. Kivéve az embert, valamennyi eltunt.

195 ezer éve jelent meg Afrikában a mai ember, a szavannai térségben élt jó ideig. Százezer évvelezelott part mentén hajózva juthatott el Dél-Afrikába, ahol kidolgozottságukban magas szintu, elvont gon-dolkodásra utaló 90 ezer éves barlangrajzokat találtak. Például elodeink mértani idomokat is rajzoltak.Dél-Afrikában él egy olyan törzs is, amely 90 ezer - 150 ezer évvel ezelott vált el a többi embertol, ezta csak az anyai ágon öröklodo mitochondriális DNS vizsgálatából tudjuk. A 135 ezer évtol 90 ezer év-vel ezelottig terjedo idoszakban a szavannát hatalmas szárazságok sora sújtotta. Nemrég közölték, hogya genetikai vizsgálatok szerint ekkortájt az emberiség különálló kis csoportokra szakadt, ezek egymástólfüggetlenül fejlodtek. Úgy 70 ezer évvel ezelott annyira szélsoséges volt az éghajlat, hogy az emberiségcsaknem kipusztult, létszáma 2000 körülire csökkent. Miután az éghajlat jobbra fordult, a szétszóródottcsoportok növekedni és érintkezni kezdtek egymással. Afrikából 55-60 ezer évvel ezelott indulhatott el aszéttelepülés. Part menti hajózással Arábián, Ázsián, a Maláj-félszigetet érintve az ember 45 ezer évvelezelott jutott el Ausztráliába, évenként kb. 1 kilométert haladva. Afrikából szárazföldi úton kb. 40 ezeréve érkezett meg a mai ember Európába. Az újabb, 2015 novemberében közölt leletek alapján a mai emberAfrikából elindulva, szárazföldi útvonalat követve már 100 ezer évvel ezelott eljutott Kínába.

Arról, hogy mióta visel az ember öltözetet, mostanában adhatunk becslést. Az emberi tetvek, a fejtetu ésa ruhatetu igen közeli rokonok. Mivel a kínálkozó életteret az újonnan megjeleno fajok igyekeznek minélgyorsabban kihasználni, a közös tetuos kétféle tetuvé, fej- és ruhatetuvé szétválása arra az idore teheto,

67

amikor az ember ruhát kezdett hordani. Az újabb genetikai kormeghatározás szerint ez 170 ezer évvelezelott történt. A ruházatot viselo ember már hidegebb éghajlaton is megélhetett.

Rokon emberfajták. A neandervölgyi ember, melynek agymérete a mi agyméreteinket is meghaladta,Eurázsiában élt és 29000 éve tunt el. Az Afrikából Eurázsiába átkerült mai ember keresztezodött a neander-völgyivel. Valószínuoseink eleve jóval többen, tízszer annyian voltak és számbeli fölényükkel szorítottákki a neandervölgyi embert.

2010-ben közölték, hogy újabb, a neandervölgyi embertol különbözo ember maradványaira leltek. Em-beri ujjpercet találtak az Altaj hegység egy barlangjában.Mivel a nagy hidegben a DNS jól megorzodött,sikerült kiértékelni. 30 ezer évvel ezelott élo embertol származik, ám ez a DNS vizsgálat szerint nem azonossem a mai, sem a neandervölgyi emberrel. Ez a gyenyiszovainak nevezett ember Szibéria délebbi területeinés Délkelet-Ázsiában élt. 2015 novemberében közölték, hogy az ugyanott folytatott ásatások újabb leletei-nek elemzése azt mutatja, hogy a gyenyiszovi ember már 100 ezer évvel ezelott megtelepedett a barlangban.A neandervölgyi és a gyenyiszovi ember nagyon közeli rokonok, közösosüktol 400 ezer éve váltak szét. Aneandervölgyi Európa, a gyenyiszovai Ázsia felé vándorolt. A neandervölgyi és a gyenyiszovai emberekközösosétol a mai ember 600 ezer éve válhatott el.

Jelenlegi adataink szerint a mai, Afrikán kívül élo ember DNS-állományának 1,5-2,1%-a ered a nean-dervölgyi embertol, a dél-kelet ázsiai népességre ez a szám 1,8%. A délkelet-ázsiai szigetvilágban élokDNS- állományának a 6%-a a gyenyiszovi embertol származik. A kínai és az ázsiai szárazfödön élok va-lamint az amerikai indiánok genetikai állományának 0,2%-aered a gyenyiszovi embertol. Ok még egy, azoseinktol egy millió évvel ezelott elvált embercsoporttal is keresztezodtek, ezek Európában és Ázsiábanéltek.

10. Élorendszerek (ökorendszerek)

Az élorendszer a növényeket, állatokat és alacsonyabbrendu éloket valamint környezetüket mint egészetfoglalja magába. Korábban a tudósok, köztük a biológusok is, az összetevo részekre való visszavezetésmódszerét követve, csak az egyes dolgokra, azok tulajdonságaira figyeltek. Kevés figyelmet fordítottakarra, hogy az élo hogyan befolyásolja környezetét és más éloket. Csak az utóbbi pár évtizedben honosodottmeg az a közelítés, hogy a dolgokat a környezetükkel összefüggésben, rendszerben vizsgáljuk. Élorend-szer a bokor, a rajta élo valamennyi élolénnyel együtt, vagy a tó a benne lévo növényekkel és állatokkal.Élorendszert képez a Hortobágy, vagy a Kárpát-medence élovilága, és maga az élo természet egésze iskörnyezetével együtt.

Egy élorendszer nem vizsgálható a természettan (fizika) régi, jólmegszokott módszereivel, miszerinta kísérlet során a vizsgált dolgot a környezettol elkülönítjük és a megfelelo modellt alkalmazva kíséreljükmeg megérteni a jelenséget. Élorendszerben lehetetlenség, hogy a kísérlet során egy-kétdolgot engedjünkcsak változni, miközben az összes többit állandónak tartsuk, ahogy ez a természettanban szokás.

Élorendszerekben érvényesül az ún. nem kívánt következmények elve. Ez azt mondja ki, ha beavatko-zunk a rendszerbe, elore nem látható dolgok is történhetnek. Erre példa két tó élorendszerének összeomlása.

Az Aral-tó és környezetének pusztulása. A Közép-Ázsiában található Aral-tó tenger maradványa, sósvizu. Az ot tápláló két nagy folyó, a Szír-darja és Amu-darja vizévelöntözni kezdtek. A sivatagos Közép-Ázsia mezogazdaságát gyapottermesztésre szakosította a szovjet rendszer és ehhez sok víz kellett. Mivelnem számoltak a következményekkel, túl sok vizet használtak fel és mind kevesebb jutott az Aral-tóba.Csökkenni kezdett a tó területe, megindult a kiszáradása. Mára már csak a tó felületének kis töredékétborítja víz, a szabaddá vált tófenekérol egyre több só kerül szárazra. Télen fagyok tördelik a sót,vad sivatagiszelek kavarják és hordják szerteszét. A só hatalmas területeket tett és tesz terméketlenné, lakhatatlanná.

68

Ezzel a virágzó, gyapottermelésre szakosított mezogazdaság álma szertefoszlott, a területeket világszertepéldátlan méretu összeomlás sújtja.

Viktória-tó él orendszerének összeomlása.Afrika legnagyobb édesvizu tava a Viktória-tó, vízfelülete70 ezer négyzetkilométernyi. Mellékén emberek milliói élnek, kiknek életét a halászat, a tó határozza meg.Ám a valaha halban gazdag tó halállománya tönkrement, mert új fajt telepítettek be, a nílusi sügért. Ezt kb.50 éve tették, arra gondolva, hogy a nagyméretu nemes halravaló horgászat, a nílusi sügér hossza elérhetia két métert, tömege a 2 mázsát, több vendéget vonz majd a tópartra.

Hamar megtizedelte a falánk ragadozó a tavat benépesíto apróbb halak állományát. Ezek kisméretualgákkal és élosködoket is hordozó csigákkal táplálkoztak. Korábban a környéklakói ezeket a halakat fo-gyasztották. E halak számának csökkenése miatt az algák elszaporodtak és az elpusztult algák a tó fenekéresüllyednek. Lecsökkentették az algák bomlástermékei a tó oxigéntartalmát, elpusztítva ezzel a tó mélyvízihalállományát. Elszaporodtak a csigák is és súlyos betegségeket terjesztenek.

Helyi halászok most a nílusi sügért fogják ki és ezeket a hatalmas halakat tuzön fozik meg. Korábbana kisebb halakat szárítva fogyasztották. Fozéshez fa kell, ezért a környék erdei vészesen pusztulnak.En-nek következtében gyorsan pusztul a talaj, tovább rombolvaa tó egyedülálló élorendszerét. A gazdaságszempontjából akkor józan cselekedet teljes, csaknem Kárpát-medencényi térség élorendszerét tette tönkre.

Élorendszerek energia háztartása. Az élorendszerek energia háztartásának alapja a napero. Ez az ener-gia rövidebb-hosszabb ideig az élorendszerben marad, de a rendszeren belül alakja változik.A napsugárzásenergiájának csupán néhány százalékát képes a növény megkötni. Nincs olyan növény, amely a napenergiát10%-kal magasabb hatásfokkal hasznosítaná.

Ha az élorendszerben az energiahasznosítás módját nézzük, és az egyes csoportokba az energiát azonosforrásból szerzo szervezeteket rakjuk, akkor az elso csoportba a fényt megköto szervezeteket, a növényeketsorolhatjuk. Következo csoportba a növényevo állatok tartoznak. A növényekkel táplálkozó állatok az elfo-gyasztott energiát szintén rossz hatásfokkal használják fel. A megevett vegyületek energiájának kb. 10%-ahasznosul a nyúl, tehén és más állatok szervezetében. Ahogyegyik csoportról a következore átmegyünk,a hasznosított energia aránya kb. ekkora marad. Ez a 10%-s energiafelhasználási arány végeredményben ahotan fotételeinek a következménye. Ho szabadul fel, távozik a környezetbe az átalakítások soránés emiattaz eroforrás hasznosítása mindig jóval alacsonyabb száz százaléknál.

A tápláléklánc következo csoportjába a növényevo állatokra vadászó ragadozók tartoznak. A táplálék-lánc csúcsa a csúcsragadozók. Vannak még más csoportok is, mint a dögevok és a lebomló szervezetekvegyi energiáját felhasználó szervezetek. Vannak olyan lények is, mint az ember, amelyek növényi és állatitáplálékot egyaránt fogyasztanak.

Az élovilág körfolyamatairól. Az élo szervezet testrészeit bonyolult, egymásba kapcsolódó körfolya-matok, visszacsatolások tartják életképesen, ezek biztosítják az élethez szükség feltételek viszonylagosállandóságát. Ilyen közel állandó jellemzo a testnedv összetétele, vagy akár a emlosöknél a test homérsék-lete.

A legegyszerubbeket kivéve, élolény önmagában, a többi élo nélkül nem létezhetne és természetesennem létezhetne élettelen környezete nélkül sem. A földi élovilág is körfolyamatokra épül, ilyenek a víz,szén, nitrogén, foszfor, kálium stb. körforgása a természetben. Egyes körfolyamatok rövidebb-hosszabbidotartamúak lehetnek, egymásba is kapcsolódhatnak, kapcsolódnak, ezek teszik az élo természet alapvetojellemzoit viszonylag állandóvá. Ha az élovilág és környezetének valamely eleme sérül, ez nem jelenti azegyensúly végleges elvesztését. Muködésbe jönnek a visszacsatoló, helyreállító folyamatok és az élovilágmegváltozva ugyan, de fennmarad.

69

A Gaia modell - Gaia a görög hitregékben a Föld istennoje -, szerint a teljes földi élovilágot egyetlenélo szervezetként értelmezhetjük, mely létfeltételeit igyekszik állandónak tartani. A légkör összetételét isa földi élovilág alakította ki és tartja fent. Vagy a tengerek, világtengerek sótartalma is állandó. Ennekokát, a szabályzó rendszer muködését igazából még nem is értjük. Az idok folyamán, itt évmilliárdokban isgondolkodhatunk, a Föld felszínének átlagos homérséklete is közel állandó, habár a Nap egyre fényesebbensüt, lásd a 8.1. szakaszt. Ha emelkedik a bolygó homérséklete, elszaporodnak a növények és széndioxidotvonnak ki a légkörbol. Ezzel az üvegházhatás, lásd a 8.3. szakaszban, gyengül,a Föld több hot képeskisugározni. Ha csökken a homérséklet, a növényzet pusztulása megnöveli a levegobe jutó széndioxidmennyiségét. Erosebb lesz az üvegházhatás, a homérséklet emelkedik.

Talajélettan. Az élorendszer energia- és anyagforgalmát egymásba is kapcsolódó körfolyamatok soka-sága alkotja. Valamennyi tápláléklánc nagyobb körfolyamatok része. Például a levél > levéltetu > hétpettyeskatica > veréb > karvaly lánc a levéllel indul és a szárazföldi növényzetet a talaj élteti. Egyszeru szervetlenvegyületekkel, elsosorban vízben oldott nitrogénsókkal, kálisóval és foszfátokkal táplálja a talaj a növényt.Ha ezeket a növény felvette, vissza is kell jutniuk a talajba. A hulló levél, és az egyéb növényi részek,az állati anyagcseretermékek és az elhullott állatok tetemei a talaj felszínére jutva majd elkorhadva a talajrészévé válnak. A talajbeli tápláléklánc a szerves korhadékokat lebontó paránylényekre (mikroorganiz-musokra) épül. A talaj élovilágát a lebontás során felszabaduló energia táplálja ésa nitrogénsó, kálisó ésfoszfát a talaj élovilágának anyagcsere folyamatainak végtermékeként jut vissza a talajba.

Míg a talaj élovilágát a belole tápanyagokat felvévo növények és a belolük élo állatok éltetik, a talajélovilága a növényeket táplálja. Így a szárazföldi élovilág táplálékláncai a talaj élovilágát is magába foglalókörfolyamatok részei. A körfolyamatokat fenntartó eroforrás a napero, a napfény megkötését a növényekvégzik.

A talaj élovilágának otthont adó termoréteget televényföldnek, humusznak nevezzük. A termotalajvalamennyi fontos tulajdonságát, így termékenységét, vízháztartását, levegosségét és lazaságát élovilága,végsosoron széntartalma határozza meg. Ugyanis a szén az talajban élok testében található, a talajélet pusz-tulása egyben a széntartalom csökkenését is jelenti. Ha a talajból kipusztul az élet, akkor szén hiányábannincs ami a vizet és vagy akár a mutrágyát megkösse, terméketlenné válik.

Lemming a tundrán. Jól szemlélteti az élorendszer és a talaj kapcsolatát a kopár, évenként hónapokigsötét, fagyos északi tundrák élovilágának viselkedése. Messze északon, az örök fagy birodalmában nagyongyér a növényzet és így a táplálékláncok is egyszeruek. Az egybeolvadó két-három hónapos tavaszi-nyári-oszi idoszakra a fagy csak a talaj felso rétegében enged ki. Ezért csupán pár növény, sások, füvek és egy-kéttörpe cserje élhet itt meg. Egyedüli növényevo emlos a prémes bundájú sarki egér, a lemming. A lemmingnégyévenként nagyon elszaporodik, annyira, hogy a közhit szerint elindulnak a partra és a sziklákról atengerbe vetik magukat.

E négyévenkénti nagy változás oka a növényzet és a lemmingekközötti élelmi körforgás. Amikor alemmingek nagyon elszaporodnak, mindent lelegelnének. Emiatt az agyonlegelt növényzet elsatnyul, nemtudja magát helyrehozni, mert a sovány, már kisebb mélységben is fagyott talajban kevés nitrogénsó, kálisóés foszfát marad. Élelmet keresve bolyonganak a tundrán a lemmingek. Tömegesen pusztulnak éhen,kevesebb mint egy százalékuk éli túl a növényzet tönkremenetelét.

Amint a lemmingek elpusztulnak, a sarki fagyok miatt a tetemeikben tárolt szerves anyag csak lassanalakulhat át a növények számára is felveheto szervetlen sókká. Ahogyan a lemmingek teste lassan bomlanikezd és újra megjelennek a talajban a nitrogénsók, kálisó ésfoszfát, úgy kezd a növényzet magához térni.Négy év elteltével a növényzet megújul, új hajtásokat, leveleket hoz és a tundra csodálatosan szépen kivirul.Ekkor a lemmingek ismét elszaporodhatnak és lelegelnek mindent. Újra bekövetkezik az összeomlás.

Befolyásolja a lemmingek négyéves körfolyamata a belolük élo ragadozók, így a sarki róka táplálko-zását is. Ahogyan a lemmingek száma változik, annak megfeleloen ingadozik a sarki rókák népessége és

70

ez hat a vidéken élo madarak életére is. Ha a rókák nem tudnak lemmingeket fogni, rákapnak a madaraktojására és a fiatal madarak vadászatára. Emiatt a madarak népessége is négyéves ingadozásokat mutat.

11. Az ember

Korábban a fejlodés jelei a termet, a csontozat és az izomzat méreteiben, a táplálkozás, a mozgás a szapo-rodás folyamatainak hatékonyságában jelentkeztek. Emberré válásunk folyamatának legfontosabb élettanijellemzoje az agy térfogatának és szervezodöttségének igen gyors növekedése. 3-4 millió évvel ezelott éltelodeink agymérete kb. 400cm3 volt. A 200 ezer éve elért és azóta állandósult emberi agytérfogat 1350cm3 körüli értéknek felel meg.

11.1. Az emberi válás hajtóeroi

Meglehetosen egyszeru az állati elme. Összeveti a környezet érzékszervek által ábrázolt képét az elmébentárolt helyzetek képeivel, mintázataival és megkeresi, melyikkel egyeztetheto, majd az ehhez a helyzethezrendelt utasítást hajtatja végre. Ha a hozzárendelés alapja az évmilliók, évszázezredek alatt felhalmozódotttapasztalat, ösztönrol beszélünk.

Még nem teljesen ismert a foemlosök törzsfája. Genetikai távolságaik vizsgálatából az adódott, hogyaz emberhez vezeto ágtól a gorilla kb. 7-9, a csimpánz kb. 6-7 millió éve vált el. Legközelebbi élo állatirokonunk a csimpánz, a génjeink különbsége, a bázisokban való különbséget nézve kb 1%, azaz génjeink99%-n azonos alakú. 2009-ben közölték az Etiópában 4,4 millió évvel ezelott élt, Ardi névre kereszteltemberelodünk eléggé részletes leletanyagának feldolgozását. A leletek feldolgozása alapján alapján készültrajz a 29. ábrán látható.

Ardi nem az ember és a csimpánz közösose, hanem egy kb. 2 millió évvel a szétválás után élt eloember.Részben a közösos, másrészt a késobb megjeleno emberelodeink jegyeit mutatja. Számos jellemzoje nemember felé mutató, és a mai afrikai majmokból is hiányzik, azaz a csimpánzzal közösosünket jellemzik.Ezért helytelen a feltételezés, hogy az ember a majomtól származik, hiszen a közösosünk nem volt ma-jom. Az sem mondható, hogy a csimpánz közelebb áll közösosünkhöz, mint a mai ember. Ardi az erdosszavannán élt, a fákon négy végtagját használva kapaszkodott, de a talajon felegyenesedve, két lábon járt.

Míg a csimpánzosének gerincoszlopa, valamint a kéz- és lábfeje fokozatosan a fákon való élethez al-kalmazkodott és így majommá fejlodött, emberelodünk az erdos térségbol a füvesebb szavannára húzódott.Igéretes táplálékforrás a füves szavanna, de ott már nem lehet az oroszlánok elol majom módjára a fáramenekülni. Csak nagyobb csoportban élve, a többiekkel magas szinten együttmuködve védekezhetett acsoportosan, vadászó oroszlánok ellen.

Elodünk egymillió évvel ezelott bizonyosan, de valószínu, hogy már korábban is használta a tüzet. Ígya nyersen számára emészthetetlen, ám nagyértéku táplálékokhoz jutott. Nyersen a hús és a burgonyáhozhasonló gumók ehetetlenek számunkra, sütve viszont könnyen emésztheto, laktató ételek. Testünkz anyag-csere rendszerének kevesebb munkát kell így végeznie és elodeink testének eroforrásai másféle feladatokmegoldására fordítódhattak. Egyúttal a csoport életmódjais jelentosen változott. Az égo fáklya az oroszlánelleni védekezésre is használható és a tuz alkalmazása, a róla való gondoskodás átalakította a csoport életét.Jobban kellett egymásra figyelniük, meg kellett osztaniuk afeladatokat, kapcsolattartási módszereiknek isgazdagodniuk kellett. Egy másik korszakos jelentoségu felfedezés is született,oseink rájöttek arra, hogynemcsak egyszeru hangjelzésekkel közölhetnek egymássalvalamit, hanem különbözo magasságú hangokategymás mellé helyezve szavakat képezhetnek, majd hogy a szavakból mondatokat állíthatnak össze.

Ha már használták a tüzet, nagyobb vadakra is vadászni kezdtek. Ardi lába és és lábfeje a hosszú, akárórákig tartó futásra, keze szerszám használatához idomult. Kezdetleges hajítófegyverével éppen csak megtudta vérezni a vadat, amely ugyan menekülhetett, ám a mérgezett hegyu dárdával megsebzett állat lassan

71

29. ábra. Ardi, az Etiópiában 4,4 millió évvel ezelott élt 50 kg tömegu, 120 cm magas no

kábulni kezdett és így a hosszú, órákig tartó futásra képes ember egy ido után el tudta ejteni. Valószínu errevezetheto vissza az, hogy a hosszútávfutó hosszabb, közel órányi futás után könnyunek, légiesnek érezvemagát folytathatja a futást. Ezt az örömérzéshez hasonló serkentést az agykéregben termelodo jutalmazóvegyület kelti.

Nem az eronk, a gyorsaságunk, vagy érzékszervi adottságaink tartottak meg bennünket. Megmaradá-sunkat kezünk ügyességének és elménk képességeinek köszönhetjük.

Agykéreg. Az agykéreg a nagyagy féltekéit borítva helyezkedik el. Szürkeállomány néven is ismerjük,vastagsága kb. 2 mm, sejtsurusége nagyjából egyenletes.Különbözo helyen lévo részei nagyjából mindugyanúgy néznek ki, függetlenül attól, hogy érzékelések feldolgozásával vagy beszéddel vagy mással fog-lalkoznak. Egy kéregsejtnek több ezer vagy tízezer kapcsolódása lehet más kéregsejtekhez. A fehérál-lomány anyaga a kéregsejtek közötti összeköttetést adó huzalozásnak felel meg. Kiterítve az agykéregfelületét, 2200cm2-i, mintegy négy A4-es lapot tehetne ki.

Az agykéreg sejtjei vízszintesen rétegekbe rendezodnek, általában hat réteget különböztetnek meg. Amélyebb rétegekbol indulnak a kimeneti huzalok, a kérget elhagyva a kéreg alatti központokba vagy a ge-rincvelobe tartanak. A középso rétegek neuronjai a kívülrol érkezett huzalokat fogadják, a felszíni rétegekneuronjai a szomszédos és más kéregterületekkel tartják a kapcsolatot. A függoleges szervezodésének alap-egységei az oszlopocskák. Ezek kb. 100 agysejtet tartalmazó 0,03 mm átméroju hengerek, amelyek a kéregfelszínétol lefelé a fehérállományig húzódnak. Az oszlopocskák sejtjei azonos feladattal foglalkoznak. Alátókéreg egy oszlopocskája pl. bizonyos szögben álló tárgyak körvonalaira érzékeny. Az oszlopocskáknagyobb egységekbe szervezodnek, azok azután még nagyobbakba. Az agykéreg szervezodése rangsorszerint felépülo rendszert képez.

Kéregsejtjeink a magzati kor nyolcadik hetétol a tizennyolcadik hétig alakulnak ki. Összekapcsolódá-

72

saik lehetoségét a genetikai állomány szabályozza, viszont, hogy ténylegesen miként kapcsolódnak az kéregsejtei hálózatokba, azt már a külso, ismétlodo ingerek vezérlik. Kéregsejtjeink huzalozása már a magzati létharmadik hónapjában elkezdodik. Ugyanis a magzat nagyon szoros kapcsolatban áll az anya szervezetével,érzékeli az anya érzelmeit, életének folyását. A születéskor még létezo százmilliárd kéregsejtbol egyéveskorra már csak harmincmilliárd marad, mivel azok az kéregsejtek, amelyek nem kaptak elég sok ingert,természetes módon felszívódnak.

Ember és állat közötti különbség egyik meghatározó eleme azemberi agy fejlodésének folyamata. Alegtöbb állat idegrendszerének kialakulása a születéssellezárul. Ugyan az állatok is képesek tanulni, decsak annyira, amennyire agyuk születéskor rögzült állapota megengedi. Az emberi agy, bár alapveto sejtje-inek, az agysejtek száma a születés után már nem növekszik, mégis képes a fejlodésre, élettani értelembenis. Azon agyterületek körzetében, amelyeket erosebben dolgoztatunk, a hajszálerek kiterjedtebb, surubbhálózattá szervezodnek. Ez a folyamat, az agy, az idegrendszer végleges kialakulása a testi növekedés le-zárulásával fejezodik be, tehát kb. 18 éves korig tart. A kéregsejtek közötti huzalozási rendszer azonbanátlagosan 48 éves korig finomodhat, fejlodhet. Ez arra utal, hogy a szellemi képességeink eddig a korigmég bizonyosan fokozhatók.

11.2. Az emberi elme

Minél összetettebb feladat a környezethez való alkalmazkodás, az elmére annál bonyolultabb feladatokmegoldása vár. Így a nagyobb csoportban élo, orszemeket állító csimpánz elméje többre képes, mint azoserdot magányosan járó gorilláé.

Hogy miként viselkedik az állat vagy akár az ember, erosen függ attól, hogy éppen mit érez. Az érzé-sek, az érzelmeink meghatározó szerepet játszanak abban, mint alkalmazkodunk környezetünkhöz, mikéntviselkedünk. Elménk az öröm és fájdalom, a siker és a kudarc,valamint a boldogság és a boldogtalanságérzéseivel jelzi, hogy a helyzet mit jelent számunkra. Érzéseink ösztönös eredetuek és tanultak egyarántlehetnek.

Öröm, siker, boldogság. A lét- és fajfenntartást szolgáló tetteink örömet okoznak,az ellenük hatókatkellemetlen érzés, fájdalom kíséri. Például az éhesnek öröm az evés, de ha túl sokat találna enni, hamarmegtanulja, hogy gyomorrontás lehet a vége. A párkapcsolataz ismerkedéstol kezdeve a beteljesülésighosszú és soklépcsos folyamat. Ha az egyes állomásai nonek és férfinak egyaránt, így vagy úgy nemokoznának örömet, nem tennénk és ezért nem lennénk. Ráadásul ahogyan a beteljesülés felé tartunk, azörömérzés egyre hevesebb, hogy ne tudjuk abbahagyni. Mindezek évmilliók, évszázezredek során rögzültbennünk. Az örömérzésnek igen nehéz ellenállni, de csupán percekig tart.

Míg az örömérzés közvetlenül, a sikerélmény közvetve erosíti az egyént. A siker vágya a lehetoségekfelkutatására, küzdésre, tanulásra ösztönöz. Hogy legyenmajd mit ennem, innom, találjak majd párt éslegyen családom, sikeresnek kell lennem. A siker, mint például a kívánt egyetemre kerülést lehetové tévoérettségi vizsga letétele akár napokig tartó felszabadultérzéssel, sikerélménnyel jár együtt. De bármekkoralegyen is a siker, hamar megszokjuk és jön a másnap, a következo hét. Meg kell tanulnunk, hogy mi vezetsikerhez vagy kudarchoz. Siker a kezdo hentesnek, ha eladja az állott húst, viszont hamar megtanulhatja,hogy egy ilyen siker tönkremenéshez, kudarchoz vezethet. Az öröm és a siker nem csupán az Ént erosíti,hanem a csoportot is, mivel csak az eros egyénekre épülo csoport lehet életképes.

A boldogság érzése az ember közösséget szolgáló tevékenységét serkenti és jutalmazza. Egyrészt ak-kor boldog valaki, ha azt teheti, amit szeret csinálni, ami testhezálló neki. Könnyu megérteni, hogy miért.Sokféle képesség oszlik el közöttünk, kinek ez, kinek az jutott és a csoporton belül is sokféle feladat van.Ezért a csoportnak is az a legjobb, ha mindenki azt csinálja,amit szeret. Ha nemszeretem tevékenységekrekényszerül valaki, boldogtalanná válik. Továbbá egyedül nem létezhetnék, csak a csoport tagjaként. Mu-landó vagyok, valaha nem voltam, egy ido után már nem leszek, megmaradni a csoportnak kell. Ezért azosi

73

vadászó-gyujtögeto csoportban élok számára nem az Én, hanem a Mi az elso. Például ha az oroszlánokkalviaskodva valaki azt mérlegelné, hogy számára ez veszélyes, és inkább a szomszédait tuszkolná az oroszlánelé, a csoport eleve vesztes lenne.

A többiekhez fuzodo valamennyi kapcsolat közös jellemzoje az önzetlenség. Ha valaki önzetlen, akkoraki vele él, akivel kapcsolatba kerül vagy közös dolga van, az o hatására jobb állapotba kerül, jobban érzimagát. Bárkit megkérdeznénk, hogy az öröm, a siker és a boldogság közül melyikre vágyna leginkább,a boldogságot választaná. Ugyanis azosi vadászó-gyujtögeto csoportban a többiekhez való viszonynak,legyen az pár- vagy bármiféle más kapcsolat, önzetlennek kellett lennie. Továbbá az önzetlenség teszboldoggá, mert a vadászó-gyujtögeto csoport csak így maradhatott fenn. Az önzetlenség ösztönös szintenrögzült bennünk, csak késobb, a letelepedés után szorult háttérbe.

A tudatos kialakulása. A füves szavannán megjeleno mai ember csak a többiekkel magas szinten együtt-muködve szervezhette meg a csoportosan vadászó oroszlánok elriasztását. A 150-200 fos csoportból afelnott férfiak víaskodtak az elso vonalban, égo botjaikkal vívtak a vadállatokkal. A gyermekek a legvé-dettebb helyen, középen voltak és a nok vigyáztak rájuk. Ebben nem merült ki a nok szerepe, mert mivelnem forogtak közvetlen veszélyben, könnyebben át tudták tekinteni, mi a helyzet, és ennek megfeleloenirányították a férfiakat. A férfi egyrészt hallotta, mit kiabálnak, továbbá az ott támadó oroszlánra, valaminta közvetlen szomszédaira kellett figyelnie. Gyors és megbízható döntést kellett hoznia, mivel akkoriban azemberélet roppant nagy kincs volt, a vadászó-gyujtögeto életmód, a mindennapos vándorlás miatt a nok 3-4gyermeknél többet aligha nevelhettek fel. Ha az oroszlánokévente egy-két embernél többet el tudtak volnaragadni, a csoport aligha maradhatott volna fent.

Elménk a még át nem élt helyzetek hozandó igen gyors és megbízható döntések kimunkálására alakultki. A nok elsosorban a párjukat, apjukat, gyermeküket, unokájukat figyelhették, pontos és gyors tájékoz-tatást kellett adniuk. Az oroszlánok riasztásakor annyiraösszetett helyzetek alakulhatnak ki, amelyekhezhasonlók már történtek, de pont ilyen még. Ilyenkor is jól kell dönteni és ehhez az állati elménél összeha-sonlíhatatlanul nagyobb teljesítményre képes elme szükséges. A nyelv kifejlodése és az eddig még elo nemfordult helyzetekben való helyes döntés meghozatalának feladata hajthatta az emberi agykéreg igen gyorsnövekedését. Agykérgünk egy szeletkéje, a macska vagy majom agykérgéhez nagyon hasonló, ugyanazo-kat a hírvivo molekulákat használó, oszlopocskákba rendezodo kéregsejtekbol áll, csakhogy agykérgünkfelülete jóval nagyobb, háromszázszorosa a macskáénak.

Az állati elme a környezet érzékszervek által közvetített képének mintázatát a benne tárolt helyzetekmintázataival összevetve dönt. Felméri, hogy a legjobban hasonlítók közül melyikre mennyiben hasonlít ésmennyiben térnek el az ismert helyzetekhez hozzárendelt döntések. Ezekbol nagyon gyorsan dönt. Ha ahozzárendelés alapja az évmilliók, évszázezredek alatt felhalmozódott tapasztalat, ösztönrol beszélünk. Azállat tanult mintázatai elsosorban élete elején íródnak be.

Ha az észlelt helyzet ismert, az emberi elme az állati elméhez hasonlóan elemez, ilyenkor csak az elmetudatszint alatti tartománya, a tudatalatti muködik. Ha nincs meg benne az észlelt helyzetnek pontosanmegfeleltetheto kép vagy mintázat, akkor felméri, hogy a részben hasonlók közül melyikre mint hasonlít ésaz érintett területeket "megszavaztatva" dönt. Ám ezt nem hajthatja azonnal végre elménk tudatos részénekjóváhagyása nélkül. Hogy miként zajlik a felülvizsgálat, akövetkezoképpen képzelhetjük el. A tudatosazt elemzi, hogy a tudatalatti által javasolt döntés és indoklása elfogadható-e, hogy mi lesz velem akkor,ha ezt csinálnám és milyen hatást gyakorlok ezzel a többiekre. Feltételezheto, hogy egy adott, létezo vagyképzelt helyzetet a benne tárolt tanult és öröklött boldogság-boldogtalanság, siker-kudarc és öröm-fájdalommintázatokat tartalmazó állományokkal veti össze. Ezt nagyon gyorsan megteheti és eldöntheti, hogy atudatalatti által ajánlott cselekvés végrehajtható-e. Haaz eredmény kétes, akkor a tudatos a tudatalattitjobban indokolható döntés hozatalára utasítja.

A szavannai élet során a legelso szempont, hogy a döntésem hat-e a csoportom tagjaira. Ha igen akkora cselekedetemnek önzetlennek, és a tennivalónak testhezállónak kell lennem. Hiába hajtották volna ki anoket az oroszlánokkal küzdeni, a no aközben is inkább arra figyelne, vajon mi van most a családtagjaival,

74

nem esik-e bajuk. Következo szempont, hogy a döntés sikeres lesz-e ez vagy sem, végül hogy örömet avagyfájdalmat okozna-e vagy sem. Ha egy kicsit többet ennék a kívánatosnál, még örömet okozna, de hosszabbtávon kudarcos, mert elhízhatok. Vagy rendetlenkedik a fogam, el kell mennem a fogorvoshoz, de ha akezeléssel járó fájdalom miatt nem mennék, elveszíthetem afogam, és foghíjasan kisebb esélyeim lesznekkésobb, kudarcot vallhatok. Vagy ugyan sikeres lehetek, ha önzo módon átgázolok a társaimon, de akkorboldogtalanná válok.

Míg a csoporton belül nagyon jóknak, testvérieseknek kell lennünk egymással, az idegennel máshogyanbánunk. Mivel a másik csoport, az oda tartozó ember versenytárs, be lehetoket csapni, félre lehetoketvezetni, meg lehetoket rövidíteni, hiszen így többet szerezhetünk magunknak.

Ha a döntéshozatalra vonatkozó, most leírt elképzelés igazolható, akkor a tudatos és a tudatalatti közöttnincs valódi határ. Míg a tudatalattiba nem láthatunk bele,a tudatos szint muködése már követheto lehet,mivel az egyszeru igen-nem, és-vagy, akkor-ha összefüggésekkel dolgozik. Mivel ezek állandóan ott fo-rognak a fejünkben és az egymáshoz tartozó, egymás mellé rendelheto viszonyok vizsgálata matematikaialapfogalmakhoz társítható, nem csoda, hogy van érzékünk amatematikához. Ez nem azt jelenti, hogy atudatos tevékenységünket ténylegesen végig is követjük. Annál tudatosabb és egyben szabadabb valaki,minél mélyebbre lát magába, mennél inkább képes a tudatszint alatt hozott döntések felülvizsgálatára, amagasabb szint felsobbségének tartására. Lelki életünk, hangulataink, érzelmeink, gondolataink, hogy ép-pen milyen a kedvem, elégedett vagyok-e vagy nem, végso soron az Én és a Mi viszonyának pillanatnyiállapotára vezetheto vissza.

Értelmesség és muvi értelmesség.Az agy rangsorolt felépítettségu, az ismeretek feldolgozásában, ke-zelésében különbözo szintu szervezodések muködnek közre. Hálózatainak muködése során nem csupánaz kéregsejtek közötti kapcsolatok, hanem maguk a kéregsejtek is fokozatosan és állandóan változnak. Akapcsolatok és a kéregsejtek számos, úgymond feleslegesnek nevezheto változáson is átesnek, és elo nemírható muködési, viselkedési módokat tesznek lehetové. Agyunk kísérleteken, tévedésen és sikeren alapulótanulásra is képes.

Számos kísérlet történt a muvi, gépi értelmesség kifejlesztésére is, azonban az agyéhoz hasonló jel-legu értelmességu számítógépet nem sikerült kifejleszteni. Ennek az oka végül is az, hogy az idegrendszervalójában nem, illetve nem közvetlenül programozott rendszer. A számítógépnél eloírjuk, muveleti utasítá-sokkal rögzítjük, hogy mit várunk el tole, és ennek megfelelo szerkezettel készítjük el. Mivel az agyunkbana szerkezet és muködés között nincs jól meghatározott viszony. agyunk és az utasításokkal vezérelt szá-mítógép muködése között elvi ellentét áll fenn. Emiatt nehezen képzelheto el emberi módon viselkedoszámítógép eloállítása.

Egy 2016 februárjában megjelent közlemény szerint az emberi agy annyi adat tárolására képes, mintamennyit az Internet egésze tartalmaz. Mig a hagyományos számítógép a 0 és 1 értéket felvevo bitekbentárol, az agy kéregsejtjének adategysége 26 féle értéket vehet fel. Így az emberi agy harmincmilliárd kéreg-sejtje1015 bit adat tárolására képes. Mindezt agyunk 20 watt körüli teljesítménnyel üzemelteti. Hasonlóteljesítményu számítógép muködtetéséhez 1 Gigawatt, azaz 1 milliárd watt volna szükséges.

Emberi természet és nevelhetoség. Osréginek mondható kérdés, az öröklött adottságok vagy a nevelés-ea meghatározó. Angol szójáték szerint: ’nature or nurture’? Nem egyszeru a válasz. Legfobb tanulásimódszerünk a másik utánzása. Kutatások igazolják, hogy a szülok és gyermekek viselkedése között szoroskapcsolat van. Kedvesen, szeretettel nevelo szülok gyermekei öntudatosak, bíznak magukban, a határozot-tan viselkedo szülok gyermekei jó magaviseletuek és ha a szülok sokat beszélnek gyermekeiknek, azoknakjobbak lesznek a nyelvi készségei. Ebbol sokan azt a következtetést vonják le, hogy a szüloknek kedve-sen, határozottan, sokat beszélve kell a gyermeket nevelniés ha a gyermek mégsem a megfelelo módonviselkedik, az a szülo hibája. De a szülo gyermekeinek azonban nemcsak a nevelést adja, hanem génjeitis. A gyermek és a szülo viselkedését elemezve azt is mondhatjuk, hogy a szülotol örökölt gének tehetik

75

a gyermeket kedvessé, határozottá, jó nyelvkészséguvé. Továbbá nem csak a család neveli a gyermeket,hanem amint az no, kevesebbet tölt otthon, inkább a többiek viselkedése alakítja.

Két végletes vélemény küzd egymással. Egyik, a beletörodo, fásult felfogás szerint az emberi természe-tet úgy kell elfogadni, amilyen, nem lehet az embert bölcsebbé, kedvesebbé, jobbá tenni és a társadalmatennek tudatában kell berendezni. Másik, a délibábosnak mondható felfogás szerint az ember a társadalommiatt annyira korlátolt. Ha egy jobb társadalmat hozunk létre, az emberek is jobbak lesznek. Jobb- és balol-daliságnak ezek a gyökerei. A jobboldali ragaszkodik a hagyományokhoz, mivel az emberi természet olyan,amilyen, a gyengébb állam hívei, mert a kormányzók nem elég bölcsek ahhoz, hogy jól irányítsanak, erosrendorséget és katonaságot akarnak, mivel a bun és a hódítás vágya állandóan kísérti az embert és a szabadpiac hívei, mivel a piac az egyéni önzoséget is a közösség boldogításának eszközévé teszi. A baloldalia fenti álláspontokat kishitueknek és érzéketleneknek minosíti. Hisz abban, hogy ha a nevelési, muve-lodési, oktatási, sajtó és tájékoztatási rendszerünkön valamint célkituzéseinken megfeleloen változtatunkakkor az emberek értelmesebbek, kedvesebbek, békésebbek és jobblelkuek lesznek. Megjegyezzük, a jobb-és balodaliság fenti jellemzoi az Amerikai Egyesült Államok és más fejlett nyugati ország gondolkodásátjellemzik, térségünk átmeneti társadalmaiban a két felfogás erosen keveredik.

Ember és az élorendszer. Az ember mint természeti lény csak táplálékként vesz fel energiát. Ez átla-gosan napi 2500 kcal, átszámítva egy 120 wattos izzó napi energiafelvétele. Vagy az ember napi 3 deciüzemanyaggal megy, merthogy 2500 kcal kevesebb mint 3 deci étolaj és így gázolaj energiatartalma. Ne-vezzük ezt táperonek. Ám az ember, a tuz felfedezése óta külso eroforrást is használ. Ezenkívül állatokháziasításával, szél és vízero alkalmazásával a rendelkezésre álló eroforrások az ipari forradalom elotti tár-sadalmakban a tápero átlagosan a négyszeresére emelkedhettek. Valamennyi ígyfelhasznált energiaforrásmegújuló.Osmaradványi eredetu eroforrások, a szén, koolaj és földgáz felhasználásával ma az emberiségátlagban a tápero tizenötszörösét használja fel. Mindez a természetes körfolyamatok rendjének megzavará-sához vezetett. Az élorendszer muködésének fobb zavarai a következok:

- Az osmaradványi eroforrások tüzelése miatt jelentosen megnott a légkör széndioxid tartalma, a sarkokjege olvadni kezdett. A légköri széndioxid egy része az óceánok vizébe kerül és annyira elsavasítja azt,hogy pár évtizeden belül az óceánok mészvázú állatai életképtelenné válnak és ezzel a tengerek és óceánokélovilága felmérhetetlenül károsul.

- A freon légkörbe juttatása miatt megsérült az élovilágot védo ózonpajzs.

- A mértéktelen mutrágyázás megbetegíti a talajt, kiöli annak élovilágát. 1975-2025 alatt a mutrágyázásés a nagyüzemi mezogazdálkodás más egyéb módszere a Föld termotalajainak egyharmadát elpusztította.

- A szennycsatornák rendszere miatt a foszfor és a kálium körforgás megsérült. Az emberi anyagcserébekerült foszfor és kálium a folyókon keresztül végül is a világtengerekbe jut. Ezért ezekben az elemekben aszárazföld megszegényedik és a világtengerek feldúsulnak.

- Rohamosan csökken az eroltetett öntözés miatt a talajvizek szintje.

- Az ember a szárazföldi fénymegkötési energiák kb. 40%-át amaga javára használja. Ezzel a többiélolényt fosztja meg a táplálékától. Az ember és háziállatainak együttes testtömege adja valamennyi földigerinces testtömegének 98%-át, az összes többi gerincesnek csak 2%-nyi jut (a víztartalommal csökken-tett ún. száraz testtömegben számoltak). Emiatt rohamosancsökken az élovilág változatossága. Zajlik aföldtörténet egyik legnagyobb kihalása.

- 1953 és 2003 között kifogta az ember a világtengerek halászható halainak 90%-át. Ez az embergazdasági kárán kívül az élorendszereket is beláthatatlan módon változtatja.

Idegen lények létezésérol. Vajon léteznek-e rajtunk kívül értelmes lények? Mivel legjobb tudásunk sze-rint a természettan törvényei a világmindenségben mindenütt érvényesek, mondhatjuk, miért ne.

76

Itt a bolygónkon látjuk, az élet, legyen az akármilyen fajta, igyekszik terjeszkedni, kihasználni a rendel-kezésre álló életteret. Igazolja ezt az emberiség történelme is. Alig kétszázezer éve jelent meg a mai ember.Hamar uralma alá hajtotta a Földet és alig negyven évvel az elso urhajó felbocsájtása után a világur boly-gónk körüli szakaszát is felderítette és használatba vette. Józan becslések szerint, hacsak hamarosan összenem omlik muveltségünk, néhány száz éven belül sor kerülhet arra, hogy nagyobb urállomásokat útjukrabocsájtva megindulhat a Naprendszeren kívüli térségek felderítése, esetleg gyarmatosítása. Néhányszortízmillió év elteltével akár a teljes Tejútrendszert is felderíthetjük, birtokba vehetjük. Feltételezhetjük, amáshol esetleg kialakuló muveltségek is hasonló fejlodési pályát követnek, mivel a terjeszkedés az életegyik legáltalánosabb tulajdonsága.

Ha ez így van, jogos a kérdés, hol vannak a Tejútrendszerben létrejött értelmes muveltségek. Ahogyana 8. részben tárgyaltuk, a Tejútrendszer akár 40 milliárd bolygóján alakulhatna ki értelmes élet. Mind-egyik akár külön-külön is képes lenne benépesíteni a csillagrendszert. Azaz Naprendszerünkben is szintehemzsegniük kellene a muszaki muveltséget kialakító értelmes lényeknek.

Amennyire Naprendszerünket már felderítettük, a földönkívüli élet nyomaira mindeddig nem találtunk.Nincs arra utaló jel, hogy itt lennének, vagy akár korábban jártak volna errefelé értelmes lények. Nemtaláljuk muszaki alkotásaikat és a világurt betölto sugárzási térben sem figyeltünk meg eddig olyan jeleket,amelyek értelemre utaló mintázatokat hordoznának. Több évtizede tartó adatgyujtésünk eddigi eredmény-telensége arra utal, hogy a Tejútrendszerben mi vagyunk az egyedüli értelmes lény és meglehet, a teljesMindenségben is egyedül vagyunk.

Zavaró a fenti eredmény, mert nem mondhatjuk azt, hogy az értelmes muveltségek közül az elsok egyikelehetünk, hiszen a csillagrendszerben naprendszerünk nemtartozik az elsok közé. Hozzánk hasonló nap-rendszerekben már milliárd évekkel ezelott megjelenhettek volna értelmes lények. Ha egy hatalmas rétencsak egyetlen pipacs virít, igen kicsiny annak a valószínusége, hogy a sok ezernyi közülo a legelso. Sokkalnagyobb annak esélye, hogyo az egyetlen. Ezért abból, hogy nem észleljük más muveltségek létezését,joggal gondolhatunk arra, hogy az értelmes élet rendkívül ritka, kivételes jelenség.

De lehetséges az is, hogy a hozzánk hasonló szintre eljutottértelmes lények kimerítettékosmaradvá-nyi eroforrásaikat és nem találtak helyettük másokat. Így a világurbe is csak 100-200 évre léphettek ki,jeleiket sem sugározhatták hosszabb ideig. Közel száz éve sugároz az ember értelmes, zajszinttol megkü-lönböztetheto jeleket az urbe. Fénysebességgel haladnak, jelenleg a Naprendszerünket övezo 100 fényévessugarán belül mindenütt vehetnék adásainkat. Ám azosmaradványi eroforrásaink észrevehetoen fogynak,és ha továbbra sem sikerül korlátlan energiaforrást felfedezni, amellyel idotlen ideig sugározhatnánk, 50év múlva befejezodhetnek az adásaink. Ez esetben a kisugárzott jeleink egy tolünk fénysebességgel tá-volodó 150 fényévnyi vastagságú gömbhéjon belül terjednektova a Mindenségben. Mivel ido teltével agömbhéj vastagsága ugyan marad, de a térfogata egyre no, az értelmes jeleink beleolvadnak a zajszintbe éslassan észlelhetetlenekké válnak. Az értelmes lények jelzéseinek észlelése továbbfejlodésünk lehetoségévelbiztatna bennünket.

77