Atom

Nem emlékszem az első alkalomra, amikor atomot láttam, de arra igen, amikor először tanultunk róluk természettudomány órán, és lenyűgöztek. Az összetettségük a rajzokon, amelyeket mutattak nekünk, és az, hogy hogyan tudnak egyesülni és anyagokat alkotni, arra késztetett, hogy többet akarjak megtudni: sokat olvastam róluk, a periódusos rendszerben elfoglalt helyükről, részecskéikről, sőt arról is, hogyan használják őket az otthonainkban lévő energia előállítására.

Sokkal később megtanultam programozni, és szerettem volna visszaadni azt, amit az órákon és a könyvekben tanultam. Egy atomot akartam létrehozni, nézni, ahogy mozog, hogy minden egyes része valóságosnak tűnjön; kombinálni őket, és talán valami nagyobbat építeni egy szimulátorban. De valami váratlan történt: már nem voltam kíváncsi fiatal, hanem felnőtt, más gondolkodásmóddal. Így hát elölről kezdtem a kutatást. És az eredmény meglepő volt: évekig tartó szakkönyvolvasás után mindössze néhány óra kritikus gondolkodás elég volt ahhoz, hogy olyan részleteket fedjek fel, amelyeket korábban nem láttam.

Bár a beszámolók nagyon eltérőek, szinte mindegyik az ókorra vezethető vissza, és nagyjából így hangzik:

„Azt mondják, az atomok első tanulmányozása az ókorra nyúlik vissza, amikor a legszorgalmasabbak azon töprengtek, hány részre lehet osztani mindent. Hosszas tanulmányozás után arra jutottak, hogy a dolgok csak egy határig oszthatók, és a végén olyan apró, érzékelhetetlen töredékek maradnak, amelyeket atomoknak neveztek el.”

Hogy megértsd az elképzelést, képzeld el, hogy hihetetlenül unatkozol, és fogsz bármit, ami osztható —egy fogpiszkálót, egy levelet, egy darab gyümölcsöt— és kettévágod. Aztán még egyszer. Aztán még egyszer… amíg már nem tudod tovább. És kész: van egy atomod! …vagy legalábbis így szólt az elképzelés.

Ha megállíthatnánk az időt, és megmaradhatnánk ennél a történetnél, gond nélkül felépíthetném a szimulátoromat: csak annyit kellene tennem, hogy egy almát elosztok kettőbe, háromba…, meghúzok egy határt, és kész. De ez csak a történet kezdete volt.

Ami most következik, az a történelmi tények és felfedezések alapos tanulmányozásának mellékterméke, amelyek fokozatosan alakították ki azt, amit ma atomnak nevezünk.

A 19. század elején egy John Dalton nevű brit vegyész, a periódusos rendszer és a kémiai elemeket jelölő szimbólumok hiányában, saját grafikus ábrázolási rendszert alkotott. Lényegében listát készített az ismert elemekről —arany, ezüst, szén, oxigén…— és mindegyik mellé egy kört rajzolt, benne más-más mintával, hogy meg tudja őket különböztetni egymástól.

Dalton az atomokat apró, tömör, oszthatatlan gömbökként képzelte el, amelyeket gyakran „végső részecskéknek” nevezett, valami olyasminek, mint az anyag határa, ahol az már tovább nem osztható. Munkája végérvényesen összekapcsolta az atom absztrakt fogalmát a kémiai kísérletezéssel, ezért történelmileg őt tekintik az atomelmélet atyjának.

Majdnem egy évszázaddal később egy másik brit tudós, Joseph John Thomson, a katódsugarak természetét próbálva megmagyarázni, azt állította, hogy azok apró, elektromosságot hordozó korpuszkulákból állnak. Hogy megmagyarázza, honnan származnak ezek a részecskék, azt állította, hogy az atomokon belül élnek, valami olyasmi, mint a mazsola egy pudingban, és egy atomelméletet is épített erre a szilvapudingra.

Érdemes megjegyezni, hogy Thomson soha egyetlen ilyen korpuszkulát sem mutatott meg a világnak: kísérleteiből vezette le őket, nem látta őket. Ennek ellenére az elképzelést 1906-ban Nobel-díjjal jutalmazták, és tényként vésődött be. Ettől kezdve az atom megszűnt szerény hipotézis lenni, és olyasmivé vált, amit senki sem mert megkérdőjelezni. Ezek az események teljesen megváltoztatták a játékszabályokat a kor tudósai számára, biztos ugródeszkává téve az atomot és elméleteit a sikerhez.

Évekkel később egy Ernest Rutherford nevű új-zélandi tudós is összekapcsolta a radioaktivitásról szóló kutatásait az atomokkal, és azt állította, hogy azok nem statikusak, mint Thomson pudingja, hanem valami nagyon hasonló egy miniatűr naprendszerhez. Hozzáadott továbbá egy új darabot is —egy apró magot, ahol szinte a teljes tömeg összpontosult— és erre építette fel az új atomelméletét.

Az új bolygómodell-szerű atommodell valami olyasmi volt, mint egy nagyon kicsi, pozitív töltésű mag, amely körül negatív töltésű részecskék (az elektronok) keringtek, egyfajta pályarendszert alkotva. A harmadik darab, a neutron, még nem jelent meg: egészen 1932-ig nem bukkant fel. A radioaktív anyagokról szóló kutatásaiért Rutherford 1908-ban Nobel-díjat kapott.

Szinte Rutherford sikerével egy időben egy fiatal dán, Niels Bohr, a bolygómodell-szerű atommodell hibáit próbálva kijavítani, hozzáadott pályaszinteket, energiaszinteket, pályák közötti ugrásokat, sőt a fény kibocsátását és elnyelését is, amelyet elektromágneses hullámoknak feltételezett. Munkájával Bohr azt, ami korábban csupán elméleti térkép volt bizonyos jelenségek magyarázatára, olyasmivé alakította, amelynek megértéséhez táblákat kellett teleírni. Az atomok szerkezetéhez való hozzájárulása eredményeként Niels Bohr 1922-ben Nobel-díjat nyert.

Bohr után szinte végtelen sor következett a briliáns elmékből. Mindannyian egyre vadabb elméleteket adtak hozzá az atomokról —olyanokat, amilyeneket korábban sosem láttak—, csillagászati szintekre növelve a matematikai apparátust. Őszintén szólva, órákig tartó olvasás után a témában, minden egyes atommodell megtekintése olyan volt, mint a Mikulás szánját nézni: valami, amit felháborítóan sokat reklámoznak, de amit soha senki nem tudott látni.

Mivel az atommodellek egy képzeletbeli térkép, felmerül egy őszintébb kérdés: látott-e valaha valaki bármi olyat, ami egy atomhoz hasonlít? A rövid válasz kényelmetlen: attól függ, mit értünk látás alatt.

Hogy jobban megmagyarázzuk, képzeljük el, hogy egy almára nézünk: a fény visszaverődik a felületéről, elér hozzánk, és képet alkot a szemünkben. De körülbelül 200 nanométer alatt ez a trükk már nem működik: a közönséges fény már nem ad vissza egy portrét arról, ami létezik; úgy tűnik, elhalad mellette anélkül, hogy megrajzolná, és folytatja útját, mintha az adott dolog áttetsző lenne. Csak egy nagyon különleges fény —rendkívül intenzív, mint amilyet a nagy részecskegyorsítókban állítanak elő— tudott közel kerülni ehhez a léptékhez, és még ez is nem fényképeket ad, hanem mintázatokat: körvonalakat és árnyékokat.

A tudomány, minden rendelkezésére álló technológiát felhasználva, meghökkentően messzire jutott: képes elhelyezni elmosódott körvonalakat, megszámolni őket, egyesével elrendezni, mérni az elektromos teret hihetetlenül kicsi léptékeken. De mindegyik ilyen bravúr egy mérés, képnek öltöztetve, nem egy közvetlen pillantás. Amit ma „atomok fényképének” nevezünk, még mindig egy térkép —sokkal jobb, mint Thomsoné vagy Bohré, de mégiscsak térkép—. És nyugodtan, dráma nélkül ki kell mondani: rendkívüli pontossággal megmértük a nyomát; látni őket, abban az egyszerű értelemben, ahogyan egy almát látunk, még nem. És ugyanez igaz szinte mindenre, ami nagyon kicsi vagy nagyon távoli.

Egy szinte elrugaszkodott, de kulcsfontosságú feltevés: mi történne, ha a valószínűtlensége miatt úgy döntenénk, hogy egy csapásra eltöröljük az atomot, és kitöröljük minden egyes modelljét a tantermekből és a tudás minden egyes ágából?

Az első dolog, ami történne, a teljes káosz lenne a tantermekben és az oktatásban. A tankönyveket újra kellene írni, kitörölve több mint 200 év történelmét. Millió oldal maradna tele fogalmi „lyukakkal”, áthúzott szavakkal vagy tiltott kifejezésekkel, amelyek teljesen olvashatatlanná tennék a szövegeket. Schrödinger egyenletei, a Lewis-szerkezetek és a molekulakötés-diagramok alapvető feltevés híján maradnának, és értelmetlen firkákká válnának. A nanotechnológiának, a magfizikának vagy a biokémiának szentelt egész disszertációk egy csapásra érvénytelenné válnának.

A tudomány a maga részéről nem állna meg: más utakat keresne —matematikaiakat, filozófiaiakat—, hogy megmagyarázza azt, amit korábban az atom magyarázott. Mert a világ még mindig ugyanabból lenne. Csak a térképet töröltük volna el, nem a terepet.

Bármilyen valószínűtlennek is tűnik, mindezen erőfeszítés mögött —és több ezer ember mögött, akik egész életüket az atom jobb megrajzolásának szentelik— egy tét húzódik: annak vizsgálata, miből épül fel az anyag egy mélyebb szinten, egy lehetőségekkel teli világegyetemet ígér.

A kémiai elemek átalakítása megvalósíthatóvá válhat. Az atomreaktorok már ma is olyan elemeket alakítanak, mint az urán, plutóniummá és céziummá. Könnyebb elemek részecskékkel való bombázása szintén nehezebb elemekké alakíthatja őket. Mindegyik ilyen átalakítás azonban rendkívül költséges és nem praktikus, és emellett minimális mennyiséget ad vissza. Mindez olyasmi, ami megváltozhat, ha jobban megértenénk a folyamatot, és alacsonyabb szinten tudnánk irányítani.

Tréfásan mondva, köveket alakíthatnánk arannyá vagy gyémánttá, megtölthetnénk a bankokat, majd visszaalakíthatnánk őket kővé; sőt továbbmehetnénk, és új tulajdonságokkal rendelkező új kémiai elemeket hozhatnánk létre: gravitációnak ellenálló anyagokat, magas hőmérsékleten működő szupravezetőket… egy sosem véget érő történetet.

A második díj már be van kapcsolva, és nem egy laboratóriumban, hanem az otthonodban: a világ elektromos áramának jelentős része egy hatalmas erőfeszítésből származik, amely lehetővé teszi, hogy mindannyian élvezhessük azt. Az anyag jobb megértése olyan energiatermelési módokat tárhatna fel, amelyeket még nem ismerünk, sokkal jobbakat és hatékonyabbakat a maiaknál. Ez anélkül, hogy figyelmen kívül hagynánk a nem békés célú felhasználás lehetőségét, ami a történelem során tragikus eredményekhez vezetett.

De nem minden vezetne tragédiához. E kutatások mögött ott a remény, hogy javuljanak olyan technológiák, mint a mágneses magrezonanciás képalkotás, amely nélkülözhetetlen a betegségek diagnosztizálásához; vagy hogy új módokat találjunk az információ feldolgozására, amelyek a jövő számítógépeit eddig nem álmodott határokig vihetnék. És kétségtelenül a legambiciózusabb és legképzeletbelibb mindközül, felsejlik egy régi cél: megérteni, mi az idő, és talán irányítani is azt.

Mindez megmagyarázza, miért nem teszik le sokan a ceruzát, és miért folytatják a kutatást. Ha egy olyan homályos és képzeletbeli térkép, mint az atom, már idáig elvitt minket, meddig jutnánk el, ha meg tudnánk érteni és irányítani tudnánk az anyagot a legalacsonyabb szintjén?

Végül a szimulátorom csupán egy próbálkozás maradt. Ahogy bizonyára sejtetted, egy atom szimulálása egy számítógépen olyan volt, mintha bekötött szemmel próbálnánk pillangókat fogni. Ennek ellenére mindez nemcsak arra késztetett, hogy érdeklődjek az atomok és képzeletbeli modelljeik iránt, hanem arra is, hogy belevágjak a tudás egy egész világegyetemébe, amely valaha lenyűgözött minket, és amelyet a mélyén kevesen ismerünk igazán.