Harmóniában 10. – A megismerés határai 2.

Harmóniában 10.

A megismerés határai 2.

 

A nagy távolságból érkező fény a lassúsága miatt alkalmatlan a korrekt, egyidejű információ hordozására. Felmerül azonban a kérdés, hogy rövidebb távolságon, éppenséggel a parányok világában, esetleg nem használható-e sokkal jobb hatásfokkal? Hiszen csak néhány millimétert, maximum pár métert kell futnia az eseménytől az észlelő-pontig, tehát a késedelem veszteségei nem jelentkezhetnek a mikrokozmosz vizsgálatánál.

Ideje tisztáznunk, hogy mit értünk a fény fogalma alatt. A tudomány jelen állása szerint a fény az elektromágnese sugárzások azon tartománya, melyet szemünkkel érzékelni tudunk. Jellemezni fizikai tulajdonságai szerint szokták. Ezek: az intenzitása (fényerősség), a frekvenciája (ezzel összefüggésben a hullámhossza – amit színként érzékelünk) és a polarizáltsága (az elektromágneses rezgés iránya – amit viszont a szemünk nem érzékel). Igen érdekes jelenség – sem nem anyag, sem nem hullám, illetve, viselkedése alapján, mindkettő tud lenni. Hullám- és részecsketulajdonságokkal is jellemezhető emiatt. A kvantummechanika a fény kvantum-egységeit fotonnak nevezi. A fotonok nyugalmi tömege zérus, anyag nélküli térben pedig a korábban hivatkozott fénysebességgel mozognak.

Az ember által érzékelhető fény frekvenciája 3,8*1014 és 7,5*1014 Hz frekvencia, azaz 760 és 380 nanométer levegőbeli hullámhossz közé esik.

Érdekes egybeesés, hogy a Föld légkörében két elektromágneses „ablak” van: az egyik a látható fény spektrumát, a másik pedig a rádióhullámokat engedi át. A többit vagy visszaveri vagy elnyeli a levegőóceán. Vizsgálati felhasználhatósága szempontjából rendkívül fontos tulajdonsága a fénynek, hogy intenzitása az amplitúdója négyzetével arányos. A fény transzverzális hullám, tehát amplitúdója merőleges a haladási irányra.

Fentiekből következik a vizsgált objektum mérethatára. Akkor tudunk képet alkotni a vizsgálat tárgyáról, ha arról a fény visszaverődik és eljut a szenzorunkba. A terjedés transzverzális hullám-alakjából következik, hogy a fény (sem) végez egyenes vonalú mozgást. A hullámforma további következménye, hogy biztosan csak olyan méretű objektumokról csapódik vissza a foton, melyek nem kisebbek a hullámhossz és az amplitúdó által kirajzolt hullámnál. A hullámnál kisebb objektumokkal való ütközésre, ezáltal a visszaverődésre, csak akkor van lehetőség, ha a fénysugár megfelelő fázisában éri el a célpontot. Amennyivel kisebb a célpont mérete a hullámhossz felénél, annál kevesebb esélye marad az ütközésnek és a visszaverődésnek.

A vizsgálati felhasználást bonyolítja, hogy megfelelően erős visszaverődés érdekében intenzív, azaz nagy amplitúdójú fényt kell használnunk. Ez a megoldás javítja ugyan a visszaverődés minőségét, de rontja a megcélozható mérettartományt és (határeseteknél) a találati biztonságot.

A legkisebb méretű objektum, amiről még érdemi visszavert képet nyerhetünk, elvileg az ibolya színű fény hullámhosszának felénél, azaz 190 nanométernél nagyobb kiterjedésű célpont. Ennél nagyobb felbontást már nem tesz lehetővé a diffrakció, azaz a fényelhajlás jelensége. Következésképpen a fénysugarak interferálni kezdenek egymással, ami tönkre teszi a képalkotást. További, optikai törvényszerűségekből eredő szűk keresztmetszete a mikroszkopikus vizsgálódásnak, hogy a nagyítás növelésével exponenciálisan csökken a mélységélesség. Márpedig egy adott vizsgálat elvégzésének elengedhetetlen feltétele, hogy az összes, leképezendő részlet éles legyen.

Egy adott mikroszkóp felbontóképességét alapvetően a tárgylencse határozza meg. Amit a tárgylencse nem tesz láthatóvá, azt már a készülék többi része sem tudja érzékelhetővé változtatni. A felbontóképességet, következésképpen a hasznos nagyítást a tárgylencse numerikus apertúrája szabja meg. Értéket a használt fény hullámhosszából, a tárgylencse és a minta közötti közeg törésmutatójából és a lencse által befogadott sugárnyaláb fél kúpszögének sinusából képezik. A fény hullámhosszának csökkentésével, a fél-kúpszög és a törésmutató értékének növelésével lehet a felbontást javítani.

Mire képesek a korszerű fénymikroszkópok?

A digitális mikroszkópok az 5.000-szeres, megfelelő felbontású, hasznos nagyítást képesek megvalósítani. A fénymikroszkóppal eredményesen tanulmányozható mérettartomány alsó értéke 100 nanométer körül van. Ebbe a mérettartományba az élő szövetek, sejtek és a nagyobb vírusok vizsgálata fér bele. A látható fény segítségével eddig a mélységig kutatható az anyag szerkezete, nem tovább. Tudományos alakban kifejezve 10-7 métert takar ez az érték.

A hidrogénatom átmérője 10-10 méter, azaz, 1 ezredrésze az optikai felbontási határ maximális értékének. Egyértelmű, hogy a lencsék csiszolgatásával, méretezésével már nem tudunk célba érni. A fény helyett új jelhordozót kell találnunk.

A legfontosabb kritérium a „futárral” szemben, hogy a fénynél kisebb hullámhosszú sugárzás legyen.

A tudomány az elektron-sugárzásban találta meg a célravezető eszközt. Az elektromosan töltött részecskék mágneses és elektromos terekben is mozognak, tehát alkalmazhatóak a geometriai optika analógiájára. Hullámhosszuk öt nagyságrenddel kisebb a fényénél.

Megvilágító-rendszere elektronágyúból és kondenzorlencsékből áll. A képalkotáshoz szükséges elektronok egy izzókatódból lépnek ki, ezután 100 és 400 kV közötti feszültséggel felgyorsítják, s egy kondenzorlencsén vezetik át őket. Így alakul ki a párhuzamos nyaláb, ami áthalad (vagy szóródik) majd a vizsgált mintán. Tekintve, hogy a levegő molekulái is képesek szóródást előidézni az elektronsugárban, a mikroszkóp működése vákuumhoz van kötve a nyaláb teljes úthosszában.

E körülmény miatt elengedhetetlen feltétel a vizsgálandó mintával szemben, hogy ne sérüljön légüres térben. További követelmény a nagyfelbontású vizsgálatok esetében, hogy a minta 10 és 100 nanométer közötti vastagságú legyen csak. Ez igen precíziós minta-előkészítési technikát igényel.

A képalkotás meghatározó eleme itt is az objektív-lencse. Mágneses térerő-vektort képez, mely párhuzamos az optikai tengellyel, nagysága pedig „harang” alakú eloszlást mutat. Az elektronokat a tengelyszimmetrikus tér fókuszálja. A lencse teljesítőképessége a pólus-saru geometriájától és minőségétől függ. Az objektív-rekesz zárásával a rugalmasan szóródott elektronokat kizárják a képalkotásból, így az erősebben szóró felületek sötétebbek lesznek a képen.

A kép vetítőrendszeren keresztül érkezik a fényérzékeny rögzítő lemezre vagy a megjelenítő ernyőre. A mikroszkóp ebben a fázisban transzformálja látható jellé az elektronokat.

Felhasználási irány szerint reflexiós és transzmissziós elektronmikroszkópokat különböztetünk meg. A reflexiós eljárás során a tárgy felszínéről visszaverődő sugarakból képeznek képet, ezért a minta vastagsága itt nem lényeges. Pásztázó elektronmikroszkópos (PEM, angol rövidítéssel SEM) eljárásnak nevezik a vizsgálat e módját. A transzmissziós vizsgálatnál (TEM) viszont a mintán keresztülhaladó elektronnyalábokból készül a kép, ezért nagyon fontos a megfelelő mintavastagság.

Elektronmikroszkópot az 5.000 és 500.000-szeres nagyítási igény közötti dimenzióban alkalmaznak általában.

A 100 kV-os ágyúval működő elektronmikroszkópok felbontása 0,25-0,30 nanométer között alakul. A 400 kV-os ágyú alkalmazásával ezt a felbontást 0,16 nanométerre (1,6*10-10m) sikerült csökkenteni. Összehasonlításképpen: a hidrogén-atom átmérője 0,1 nanométer (10-10 m). Az atomok elhelyezkedésének megfigyelésére a technológia elvileg (és gyakorlatilag is) alkalmas.

Technikai fejlesztéseinkkel eljutottunk odáig, hogy láthatóvá tettük az oszthatatlant, az atomot. Amit a görögök logikai úton értek el, mi érzékszervi úton megtapasztalhatóvá tettük. Tovább lépni viszont nem vagyunk képesek ezen az úton – az atomok belső szerkezetét nem tárja fel előttünk az elektronmikroszkóp sem, mivel az atomok elektronhéján nem halad át a mi elektronnyalábunk.

A rövid távolságok miatt elértük ugyan a kvázi-egyidejűséget, ám üröm az örömben, hogy itt is csak a múltat tudjuk kutatni. A nagy műgonddal készített metszetek ugyanis mind konzervált anyagok is egyben. Emiatt a kémiai, de főképpen a biológiai folyamatok nem tanulmányozhatóak az eljárással. A szerkezet megismerhetővé vált, a működés még nem.

Roppant érdekes a megismerés akadályának e kettőssége. A makrokozmosz nagy távolságokra lévő objektumainak (csillagászati jelenségek) működése többé-kevésbé tanulmányozható optikai alapon működő eszközeinkkel – a folyamatok lezajlásáról tudunk információt szerezni, ám nagyon régit. Az objektumok pillanatnyi szerkezetére viszont legfeljebb következtetni tudunk, alkalmasint bonyolult számítások közbeiktatásával. A mikrokozmosz szerkezetének struktúráját meglehetős alapossággal fel tudjuk térképezni, de csak olyan áron, mely eleve lehetetlenné teszi a folyamatok áttekintését, hiszen csak kimerevített, működésképtelen rendszereket vagyunk képesek láthatóvá tenni.

Ez a pillanatnyi helyzet, az atomtól a galaxisokig.

Helyzetünket bonyolítja, hogy a láthatóvá tett szerkezet mélyére kellene hatolnunk ahhoz, hogy az anyag valódi viselkedését megismerjük. A XX. század ilyen irányú kutatási eredményei bebizonyították, hogy az atom feltétlenül tovább osztható, hiszen kisebb elemi részecskékből épül fel. A nukleonok, vagyis a proton és neutron, valamint az elektron fogalma mára triviális, elemi iskolában oktatott tananyag lett. Az elektron kvantumszámokkal (fő- mellék- mágneses és spin-kvantumszám) jellemezhető tulajdonságai is közismertek.

A részecske-fizika iránt érdeklődő olvasó, a „klasszikus”, XX. századi elemi részecskék mellett már találkozott a foton, graviton, müon, lepton, gluon, kvark és neutrínó fogalmakkal is. A tudomány ilyen neveken illeti azokat a még elemibb alkotókat, amikből a nukleonok és az elektron felépülnek. Aki figyelemmel kísérte a kozmológiai kutatásokat és a CERN-ben folyó kísérleteket, tudja, hogy 12 alapvető építő részecskét (fermiont) tartanak ma számon, miket 3 családba sorolnak, s mindegyik család 4 tagú. A részecskék egyik fele kvark, másik fele pedig lepton. A leptonok kategóriáját 3 neutrínó, s 1-1 elektron, müon és tau-lepton alkotja. Tudható az is, hogy a részecskék között négyféle kölcsönhatás munkál, s azokat is részecskék közvetítik. Így a gyenge kölcsönhatások továbbításáért a töltés nélküli Z0- és a töltéssel bíró W+- és W-- bozonok együttesen felelnek. Minden ½-töltésű részecskére hatnak, 10-18 m hatótávolságon belül. Az erős kölcsönhatásokért 8 féle gluon a felelős. A hadronokra hatnak, 10-15 m távolságon belül. A fotonok az elektromágneses kölcsönhatásokat közvetítik, az elektromos töltéssel bíró részecskékre hatnak, végtelen távolságban, ha kell. A gravitáció – ezen elméletek szerint – ugyancsak végtelen távolságig hat, s a graviton közvetíti (amit még nem fedeztek fel).

Az elméleti fizika a teret és az időt összegyúrta egy négydimenziós (?), sajátos metrikájú Minkowsky-térré. Az Euklideszi transzformációt kissé átalakítva, az ú.n. Lorentz-transzformációval próbál kapcsolatot teremteni a térkoordináták és az idő között. Mindeközben megállapítja a természet invarianciáját és a fizikai mennyiségek kovarianciáját. A szuperszimmetria elmélete ezt a Minkowsky-teret szupertérré léptette elő. Legegyszerűbb esetben egy spinorral és egy konjugált spinorral bővítette fel azt, úgy, hogy komponensei nem komplex-, hanem Grassmann-számok. A szupertranszformációk a négyestérbeli eltolások általánosításai, a super-Poincaré csoport tagjai. A részecskéket szupermezők írják le. (Mindeközben a számítógépünk működtetéséért felelős áram jó részét hőerőművek szolgáltatják, a gőz erejével. Az eredeti gőzgéphez képest talán jobb hatásfokkal üzemelnek, de ugyanazon az elven. A processzor hűtését biztosító villanymotornak is csak a hatásfoka változott feltalálása óta, az elv maradt a régi. Autóink belső égésű motorjaival is ugyanez a helyzet. A hasadó energia kifejlesztése is már 70 éves múltra tekint vissza. A rettenetesen sok új elmélet mellett már nem maradt idő gyakorlati haszonnal bíró erőforrás felkutatására…)

Valóban ennyi mindent lehet tudni a görögök által oszthatatlannak vélt atom felépítéséről, melynek belsejébe közvetlen tapasztalással még mi sem férkőztünk be? Honnét véljük tudni ezeket a részecskéket, kölcsönhatásokat és szabályokat?

A CERN eredményei a részecske-gyorsítók és lassítók közbeiktatásával végzett anyagkísérleteken alapulnak. A teljesség igénye nélkül, a kutatók a következő gyorsításokkal dolgoznak: a Proton-szinkrotron (PS) a protonokat 28 GeV-ra gyorsítja. A Szuper protonszinkrotron (SPS) a protonokat 450 GeV-ra gyorsítja. Összehasonlításként: atombomba robbanásakor a töltött részecskék mozgási energiája 0,3-3 MeV között alakul. A PS tehát 28.000MeV/3MeV = 9.333; a SPS pedig 450.000 MeV/3MeV = 150.000 atombombányi energia gyorsításával vizsgálja az elemi részecskéket.

2009 szeptembere óta működik a Nagy Hadronütköztető (LHC). A PS/SPS fejlesztés alatt álló rendszere fogja gyorsítani az ide küldendő protonokat. Az LHC nyalábenergiája 7 TeV lesz. Az atombomba energiájával összevetve, 7.000.000 MeV/3MeV = 2.333.333 bombányi gyorsító-erőt képvisel majd.

Csak óvatosan merem megkérdezni: bizonyos, hogy ezek a kísérletek az anyag valódi összetételére és szerkezetére adnak nekünk felvilágosítást? Miért érzem úgy, hogy az ott alkalmazott brutális gyorsításokkal és ütköztetésekkel természetellenes állapotokat hoznak létre, tehát a kapott eredmény sem tükrözhet természetes viszonyokat?

Csak nekem van olyan érzésem, hogy a kutatók úgy vizsgálódnak, mintha egy építész a ház felrobbantása árán akarna értesülést szerezni az épület alaprajzáról, statikájáról és a felhasznált anyagok minőségéről? Vagy az orvos a beteg hamvaiból próbálná megállapítani a vércukorszintet és a koszorúér elzáródásának mértékét?

Nem éreztem úgy, mintha több tízezer (már milliós tételnél járunk) atombomba részecske-gyorsító hatása közepette telnének napjaim. Teszem hozzá: eddig. Mert, ha hiba csúszik a CERN számításaiba, esetleg a megvalósításba, még érezhetem. Azzal vigasztalom magam, hogy nem fog sokáig tartani. Mármint a hiba után beálló rossz közérzetem. Ezen a ponton hozzáteszem, tisztában vagyok az energiafajták átszámíthatóságával. Vegyük példának a mindenki által ismert és igen kevéssé szeretett házi legyet. Azt olvastam róla, hogy 650 példánya nem egész 30 grammot nyom, tehát egyedenként 0,046 grammosnak vehetjük a tömegét. 8-10 km/h, azaz, átlagosan 2,5 m/s sebességgel repül. Kinetikus energiája tehát 1/2*0,00046 kg*(2,5 m/s)2 lesz, azaz 1,44*10-4 Joule. Mivel 1 eV = 1,62*10-19 J, legyünk repülés közben 8,873*1014 eV, azaz 887,3 TeV kinetikus energiát valósít meg – több mint 100-szor többet a Nagy Hadronütköztető teljesítményénél. A történet mégsem lehet ilyen ártatlanul egyszerű, ugye? Tudós elmék csak nem költenének el dollár-milliárdokat, hogy megvalósítsák egy cefrétől lerészegedett, másnapos légy repülési teljesítményének alig 1%-át?

Viszont kezdem érteni, a részecske-kutatás miért nem tudott 70 éve praktikus eredményt produkálni. A megismerés határait, ezen az úton járva, további 70 év alatt sem fogják kitágítani. Már, ha hagynak maguknak (és nekünk) annyi időt, féktelen gyorsításaikkal…

Kucsora István

Minden vélemény számít!

Az email címet nem tesszük közzé. A kötelező mezőket * karakterrel jelöljük.

A következő HTML tag-ek és tulajdonságok használata engedélyezett: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>