Transcript
SIMONYI KÁROLY fizika A kultúrtörténete A KEZDETEKTÔL A HUSZADIK SZÁZAD VÉGÉIG SIMONYI KÁROLY A fizika kultúrtörténete a kezdetektől a huszadik század végéig ÖTÖDIK, JAVÍTOTT, BŐVÍTETT KIADÁS AKADÉMIAI KIADÓ Megjelent a Magyar Tudományos Akadémia és a Paksi Atomerőmű Zrt. támogatásával Szerkesztette Csurgayné Ildikó Lektorálta Mátrai László és Vekerdi László Az 5.7. fejezetet a K. Simonyi: Kulturgeschichte der Physik. Von den Anfängen bis heute (Verlag Harri Deutsch, Frankfurt am Main, 2001) c. kötet alapján fordította Patkós András A számítógépes ábrákat Renner Péterné és Renner Péter készítette A képek digitális feldolgozása Németh Ferenc fotói alapján Renner Péter munkája ISBN Első kiadás: Gondolat Kiadó, 1978 Második, bővített kiadás: Gondolat Kiadó, 1981 Harmadik, átdolgozott kiadás: Gondolat Kiadó, 1986 Negyedik, átdolgozott kiadás: Akadémiai Kiadó, 1998 Kiadja az Akadémiai Kiadó, az 1795-ben alapított Magyar Könyvkiadók és Könyvterjesztők Egyesülésének tagja 1117 Budapest, Prielle Kornélia u Ötödik, javított, bővített kiadás, 2011 Simonyi Károly jogutódja, 2011 Hungarian translation Patkós András, 2011 Akadémiai Kiadó, 2011 A kiadásért felelős az Akadémiai Kiadó Zrt. igazgatója Felelős szerkesztő: Tárnok Irén Termékmenedzser: Egri Róbert A kötésterv Gerhes Gábor munkája Nyomdai előkészítés: FaduwArt Bt. (www.faduwart.hu), EURO-MIDI Projektfejlesztő Kft. Készült a Gyomai Kner Nyomda Zrt.-ben a nyomda alapításának 129. esztendejében Felelős vezető: Fazekas Péter vezérigazgató Gyomaendrőd, 2011 Kiadványszám: TK Megjelent 77 (A/5) ív + 32 oldal színes képmelléklet terjedelemben Minden jog fenntartva, beleértve a sokszorosítás, a nyilvános előadás, a rádió- és televízióadás, valamint a fordítás jogát, az egyes fejezeteket illetően is. Printed in Hungary Tartalom A kiadó előszava 9 Szerkesztői előszó 10 Előszó az első kiadáshoz 11 Előszó a negyedik kiadáshoz 13 Bevezetés A fizikatörténet kapcsolata mai életünkkel Értékelés és periodizáció Időbeosztás a tudományos tevékenység intenzitása alapján A tudományos megismerés, ahogy a ma fizikusa látja Periodizáció az elméleti szintézis szerint Absztrakció. Modellalkotás A tudományelmélet elemei Csalóka egyszerűség Ráció és empíria Az induktív módszer buktatói A történelem dinamikája A mozgató erők Határok. Lehetőségek. Veszélyek Bizonytalanság az egzaktságban A fizika új szerepkörben A fizika korszakai és azok jellemzése 38 Első rész 41 Az antik örökség A görögök adóssága A tudomány kezdetei Egyiptom és Mezopotámia Összhangzó szép rend Előzetes áttekintés: időbeli, térbeli és logikai kapcsolatok Misztika és matematika: Püthagorasz Gondolat és valóság Platón a megismerésről és az ideákról Az anyag és a mozgás. Az arisztotelészi szintézis Atomok és elemek Platón és az elemi részek A földi mozgás: a peripatetikus dinamika Az égi mozgás Az arisztotelészi világkép Részlet Arisztotelész Metafizikájából Az antik szaktudományok csúcsteljesítményei Arkhimédész Az égi mozgások ptolemaioszi rendszere A kozmosz méretei. Geográfia Geometria Eszközök, technika A hellenizmus alkonya Pesszimista bölcsek Ágoston az asztrológia képtelenségeiről Ágoston az időről 118 Második rész 121 Az örökség sáfárai Ezer év mérlege Miért nincs folytatás? Európa formát ölt A technika forradalma Kolostorok, egyetemek Az antik örökség átmentése A közvetlen csatorna 138 5 2.2.2 Bizánc Az arab közvetítés Vissza a forráshoz Hinduk és arabok A tízes számrendszer Algebra algoritmus Az arab csúcsteljesítmény Nyugat magára talál Fibonacci: a számolás művésze Jordanus Nemorarius, a statikus A leíró mozgástan: Nicole d'oresme és a Merton College A megreformált peripatetikus dinamika Buridan impetuselmélete Fizika az asztronómiában Eredmények Nicole d'oresme érvei a Föld mozgása mellett Természetfilozófia a középkorban Hit, tekintély, tudomány Hit és tapasztalat A reneszánsz és a fizika Művészet, filológia, természettudomány Előrelépés a mechanikában A művészek tudománya Leonardo da Vinci A szakasztronómusok színre lépnek A nyomtatott könyv szerepet kap 173 Harmadik rész 177 Rombolás és alapozás A világ 1600 körül Számmisztika és valóság Vissza Platónhoz új szellemben A múltba néző forradalmár: Kopernikusz Egy kompromisszum: Tycho de Brahe A világ harmóniája: Kepler Galilei és akiket elhomályosít Az égi és földi világ egysége Részletek a Dialogóból Lejtő. Inga. Hajítás Galilei nagysága A háttérben: Stevin és Beeckman A csatlakozás lehetősége Az új filozófia: a kételyből módszer lesz Bacon és az induktív módszer Módszer a biztos igazságok fellelésére: Descartes Descartes mozgástörvényei Az első kozmogónia A kultúra peremén Fény, vákuum, anyag a XVII. század közepe táján A Descartes Snell-törvény A Fermat-elv Vákuum és légnyomás Kezdő lépések a ma kémiája felé Descartes-on túl, Newtonon innen: Huygens A dinamika huygensi axiómái A matematikai inga A cikloidális inga A fizikai inga Az ütközési törvények mint az inerciarendszerek ekvivalenciájának következményei A körmozgás Newton és a Principia. A newtoni világkép A Newtonra váró feladatok Az erőhatás a mozgásállapot változtatója és nem fenntartója Az egyetemes gravitáció törvénye Részletek a Principiából A filozófus Newton 272 Negyedik rész 279 A klasszikus fizika kiteljesedése A XVIII. század induló tőkéje Eredmények és amiről eddig még nem esett szó Hullám vagy részecske A koordinátageometria 288 6 4.1.4 A differenciál- és integrálszámítás: az egészen nagyok vitája Descartes mellett és ellen Voltaire és a filozófusok Méltó utódok: d'alembert Euler Lagrange A továbbhaladás lehetséges útjai A statika eredményei A newtoni mechanika, ahogy azt Euler az utókor számára kidolgozta Az első variációs elv a mechanikában: Maupertuis Az első pozitivista : d'alembert Modern gondolatok A mechanika mint poézis A fény százada A felvilágosodás Részletek Holbach: A természetről című művéből A Nagy Enciklopédia D'Alembert: Elöljáró beszéd A fizika szilárdnak hitt fundamentuma: Kant Az effluviumtól az elektromágneses térig Petrus Peregrinus és Gilbert A haladás menetrendje Kvalitatív elektrosztatika A mérő elektrosztatika Az elektromos töltések áramlása Az áram mágneses tere. A természetfilozófia termékenyítő hatása Az áramok kölcsönhatása: a newtoni gondolat kiterjesztése Faraday: a legnagyobb kísérletező Maxwell: az elektromágneses tér Az elektromágneses fényelmélet Lorentz elektronelmélete Hő és energia A hőmérő A caloricum mint előremutató elmélet: Joseph Black És mégis mozgás a hő: Rumford Fourier elmélete a hővezetésről A caloricum és állapotegyenlet A Carnot-ciklus A hő kinetikus elmélete: az első lépések Az energiamegmaradás tétele A kinetikus gázelmélet A termodinamika második főtétele Entrópia és valószínűség Anyagszerkezet és elektromosság: a klasszikus atom A kémia mint az anyag atomos felépítésének propagálója Az elektron: J. J. Thomson Ismét a kémia segít: a periódusos rendszer Az első elképzelések az atom felépítéséről Az egész számok újra felbukkannak: a vonalas színképek Búcsú a XIX. századtól 396 Ötödik rész 401 A XX. század fizikája Felhők a XIX. századi fizika egén Befejezés vagy kiindulás Mach és Ostwald A relativitáselmélet Az előzmények: az abszolút sebesség mérésének meghiúsulása Beillesztési kísérletek A főszereplők: Lorentz, Einstein, Poincaré Távolság- és időmérés A tömeg energia-ekvivalencia Az anyag mint a tér geometriájának meghatározója Einstein a téridőről Newton, Einstein és a gravitáció A kvantumelmélet A feketesugárzás a klasszikus fizikában Planck: a megoldáshoz az entrópián keresztül vezet az út Az energiakvantum megjelenik Einstein: a fény is kvantált Bohr: az atom klasszikus kvantumelmélete A sugárzási formula statisztikus levezetése: előjáték a kvantumelektronikához A mátrixmechanika: Heisenberg Einstein és Heisenberg 458 7 5.3.9 A hullámmechanika: Schrödinger Heisenberg: a koppenhágai értelmezés Operátorok. Kvantum-elektrodinamika A kauzalitás problémája Neumann János a kauzalitásról és a rejtett paraméterekről Munkaeszköz és filozófia Mi maradt a klasszikus fizikából? Magszerkezet. Magenergia Visszatekintés az első három évtizedre Az atommagra vonatkozó ismeretek főbb állomásai Miért fluoreszkál az uránsó: Becquerel A hősi kor főszereplői: a Curie házaspár és Rutherford A Rutherford Bohr-modell kialakul Az első mesterséges magátalakítás A kvantummechanika a magjelenségekre is alkalmazható Rutherford sejtése, Chadwick mérése: a neutron A mag felépítése: magmodellek A maghasadás: kísérleti evidencia, elméleti kétely A láncreakció: az atomenergia nagybani felszabadítása valósággá válik Fúziós energiatermelés: a csillagok fűtőanyaga az ember kezében A fizikus felelőssége Törvény és szimmetria A történész szerepe a ma fizikájának leírásában Az elemi részek megjelenési sorrendje Néhány szó a kozmikus sugárzásról Gyorsítók. Detektorok Az alapvető kölcsönhatások Megmaradási törvények Szimmetria invariancia megmaradás Jobb bal szimmetria? A kis aszimmetria növeli az esztétikumot Vissza az apeironhoz? Energia az elemi részek segítségével? A harmadik évezred küszöbén Az ember és a kozmosz Új információs csatornák A csillagok energiatermelése Születés, élet, halál csillagléptékben Az univerzum kialakulása A semmi és a végtelen között Összegzés és kitekintés A frontvonalak Kiegészítések A fizika, a filozófia és a társadalom viszonya az ezredfordulón A standardmodell és azon túl Eredmény és hiány Csoportok és szimmetriák A Nagy Egységesítés A Nagy Laboratórium Növekvő kérdések és kétségek 578 Irodalom 583 Névmutató 589 Tárgymutató 603 Az elemek periódusos rendszere. Az elemek és részecskék neveinek eredete. A fizika alapállandói: a kihajtható lapon Színes táblák ( I XXXII) a oldal között 8 A kiadó előszava Boldogan teszünk eleget megtisztelő kötelességünknek azzal, hogy A fizika kultúrtörténetét, mely időről időre elfogy a könyvesboltok polcairól, új és itthon eddig nem látott teljességében jelentetjük meg. A 2001-ben elhunyt Simonyi Károly legutoljára egy német kiadás számára dolgozott művén, s az ekkor keletkezett szakaszok, melyek a XX. század utolsó évtizedét is átfogják, magyarul most olvashatók először. A kötet elkészítése különleges, szép szerkesztői feladat volt, mivel ez a német kiadás a bővítéseken túl néhol a korábban itthon megjelent részeket és szöveges illusztrációkat is a külföldi célközönség eltérő ismereteihez igazította, és ebből kellett óvatos gonddal az eredeti szerzői szándéknak leginkább megfelelő magyar változatot összeállítani. A tartalom frissítésén és a szükséges javításokon túl különleges kiállítású kötet elkészítését tűztük ki célul. Olyanét, amely a mű több mint harmincéves, saját kultúrtörténete előtt azzal tiszteleg, hogy visszatér a már antikváriumokban is elérhetetlen, 1978-as első kiadás piros bekezdésekkel színesített megjelenítéséhez. A mű bizonyos értelemben átnyúlik a XXI. századba, mivel a szerző, naprakészségére jellemző módon, 2001-es előrejelzései, jóslatai utólag rendre megvalósultak. Így például az általa izgalmasnak és ígéretesnek minősített röntgencsillagászat megalkotásáért 2003-ban R. Giacconi, míg a szintén tárgyalt spontán szimmetriasértés részecskefizikai alkalmazásainak bevezetéséért 2008-ban Y. Nambu kapott Nobel-díjat. Helyesen látta, amit a Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) misszió hétéves méréssorozata 2003-ban igazolt csak, hogy az univerzum életkora 13,75±0,17 milliárd évre tehető. Alapos megfontolás után végül úgy döntöttünk, hogy bár számos hasonló esetben megtehettük volna, az eredeti művet tiszteletben tartva, ilyen jellegű szerkesztői megjegyzésekkel mégsem egészítjük ki a szöveget. A könyv tanúsága szerint egy-egy jelentős természettudományos felismerés ugyanakkora teljesítmény és a civilizáció ugyanolyan ünnepe, mint a kultúra vagy művészet bármely közismert, nevezetes alkotása. Mindkettő egy tőről, az emberi zsenialitásból fakad. A tanítást élethivatásának tekintő tudós kalauza tág betekintést nyújt az olvasóknak az egyetemes emberi géniusz paradicsomi kertjébe, melynek gyümölcseit mindenki előképzettségétől függetlenül megízlelheti. A fizika kultúrtörténete páratlan ívű szellemi kalandozás túlzás nélkül állíthatjuk, hogy nemzeti kincset tart kezében a tisztelt olvasó októberében, Simonyi Károly halálának 10. évfordulóján 9 Szerkesztői előszó A könyv negyedik 1998-ban megjelent, majd 2002-ben utánnyomott kiadásának előszava azzal zárul, hogy a Szerző utal az egyetemi hallgatói lelkesedésére és szeretetteljes érdeklődésére, mint ami nélkül meg sem születhetett volna A fizika kultúrtörténete. A Szerző tíz évvel ezelőtt, 2001-ben tette le íróasztalára véglegesen a tollat. A német nyelvű könyv harmadik kiadásába még beillesztette az 1990-es évek második felének jelentős természettudományos felismeréseit. $ Edward Witten 1998-ban publikálta a Magic, Mystery, Matrix című munkáját. Ebben the greatest intellectual thrill of my life megjegyzéssel illeti az M-elméletet, mint amelynek az öt húrelmélet és a 11 szupergravitáció a határesetei. Valószínű, hogy az előttünk álló évszázad elméleti fizikusai és fizikai matematikusai jórészt ezzel az elmélettel foglalkoznak majd. $ Az 1990-es években publikált kvantumfizikai eredményeket, a kvantumszámítógépek megvalósításával kapcsolatos gondolatokat ugyancsak beszerkesztette a hamadik német kiadásba. Joggal viseli az ötödik magyar kiadás A kezdetektől a huszadik század végéig alcímet, hiszen Patkós András fizikus és az Akadémiai Kiadó gondos munkatársai segítségével sikerült a Szerző utolsó gondolatait, keze vonását átültetni a harmadik német kiadásból. A Műegyetemen és a Pázmányon pár száz egyetemi hallgató ma is lelkesen és szeretetteljes érdeklődéssel várja évente, hogy ők is kézbe vehessék A fizika kultúr történetének órarendjükbe iktatott tantárgyhoz szükséges új kiadását. Budapest, október Csurgayné Ildikó 10 Előszó az első kiadáshoz A tudománytörténet ma már önálló tudományos diszciplína: megvannak a maga folyóiratai, egyetemi katedrái és ennek megfelelően a kidolgozott metodikája és témaköre; és természetesen megvannak a hivatott művelői is. Jelen könyv írója nem tartozik közéjük: hivatásszerűen fizikával, műszaki tudományokkal és azok pedagógiájával foglalkozva örömét lelte a történelem tanulmányozásában, és ezt az örömet szeretné másokkal is megosztani. Ennek megfelelően az olvasó a fizikára, technikára vonatkozó részeket autentikusnak tekintheti amennyiben általában egy könyv számíthat erre a jelzőre ; a történelmi, filozófiai háttér értelmezése viszont már magán viseli a szubjektivitás és bizonyos fokú talán még megengedhető dilettantizmus nyomait. A könyv igen széles olvasóréteg számára íródott. Úgy képzelem, hogy a nem szakember olvasó is követni tudja természetesen némi szellemi erőfeszítés árán a lényeges gondolatmeneteket, ugyanakkor a szakfizikus számára is van a könyvnek mondanivalója. Mindezt nem kompromisszum árán kívánom elérni nem az volt a cél, hogy a tárgyalás szintjét valahol a művelt laikus és a szakfizikus ismeretszintje között húzzam meg, hanem úgy, hogy lehetőség szerint nyomdatechnikailag is szétválasszam az általános ismeretek segítségével követhető részeket a szigorúan szakmai és lényegében az egyetemi fizika ismeretét feltételező részektől. Ez utóbbiakat a könyv apró betűs szedéssel különíti el a főszövegtől. Kihagyásuk a normál betűs szöveg folyamatos olvasását nem zavarja. A szakmai betéteknek a laikus olvasó számára is megvan a maguk szerepe. Ugyanis az apró betűs szövegben található képletek és ábrák még a szöveg átugrása esetén is segítenek egy hamis képet eloszlatni. A görög irodalom és művészet nagyjainál ugyanis megszoktuk, hogy azok nem korukhoz képest voltak nagyok, hanem időtlenül azok, és a mai ember számára is frissnek ható mondanivalójuk van. A tudomány nagyjainál viszont természetesnek vesszük, hogy azok nagyon is időhöz kötöttek, és ma akár egy iskolás gyerek is túlléphet egy görög tudós, mondjuk ARKHIMÉDÉSZ tudásszintjén. Talán ezt hinnénk a művészekről is, ha nem csodálhatnánk meg eredetiben vagy másolatban PRAXITELÉSZ vagy MÜRÓN szobrait, vagy nem olvashatnánk HOMÉROSZt és láthatnánk színházban EURIPIDÉSZt. Ha ugyanilyen behatóan foglalkozunk hogy a példánál maradjunk ARKHIMÉDÉSZ gondolataival, azt látjuk, hogy azok követése a mai kor szakmailag művelt emberétől is szellemi erőfeszítést követel, de szellemi örömet is nyújt. Az olvasó tekintse tehát ezeket a részleteket olyannak, mint amilyenek a nélkülözhetetlen illusztrációk egy művészettörténeti munkában. A könyv tehát tudomány-népszerűsítő olvasmány, de az egyetemi hallgatók számára tankönyv is kíván lenni. Ezen kettős szerep mellé még egy harmadikat is szántam, miközben teljes mértékben tudatában vagyok annak a veszélynek, amit a sokcélúság magában rejt: nevezetesen, hogy a mű egyik célját sem tudja betölteni. A könyv harmadik szerepköre: fizikatörténeti olvasókönyv is kíván lenni azzal, hogy a főszöveggel összemérhető mennyiségű idézetet tartalmaz. Hogy ez a rész szerves kiegészítője legyen a főszövegnek, ugyanakkor a lehető legkevésbé zavarjon, apró betűs szedéssel és színes nyomással párhuzamosan futtatjuk a főszöveggel, hivatkozással kapcsolva ahhoz sőt esetenként beépül abba. A főszövegbe szervesen be nem építhető életrajzi adatokat és az egyéb kommentárt nem igénylő csupasz tényeket a kibővített ábraaláírásokban foglaltam össze. Ezzel a könyv további új szerepkört kapott: a Névmutató és a Tárgymutató segítségével lexikonként is használható. 11 Egy ilyen jellegű könyv szerzője a dolog természeténél fogva sok könyvnek adósa: az irodalomjegyzékben felsorolt munkák legtöbbje forrásul is szolgált, de megkönnyítheti az olvasó számára a további elmélyedést. Az ábrák, idézetek eredetét igyekeztem pontosan megadni; ott, ahol tudtam, visszanyúltam az eredeti szöveghez. Az illusztrációkat ismét a lehetőség szerint igyekeztem a hazai könyvtárainkban megtalálható eredeti példányokból venni. Ahol az eredeti forrásmunkák magyar fordítását megtaláltam, azt felhasználtam, természetesen a fordító megjelölésével. Azok a szövegek, ahol a fordító nincs feltüntetve, saját fordításaim. Nehéz lenne mindazokat felsorolni, akiknek köszönettel tartozom a könyv létrejöttéhez nyújtott segítségért. Igen sok külföldi múzeum, intézmény (Musée de la Ville de Paris, Musée de Versailles, Museo di Napoli, August Bibliothek Wolfenbüttel, Staatliche Museen Berlin) minden jogdíj nélkül engedélyezte a képek közlését, sőt a CERN (Európai Magkutató Központ, Genf), valamint a Stiftskirche Zwettl (Ausztria) közvetlen nyomdai felhasználásra alkalmas képanyagot is küldött. Hasonló nagyvonalúságot tapasztaltam a Miskolci Nehézipari Műszaki Egyetem Műemlékkönyvtárában ZSÁMBOKI LÁSZLÓ részéről; de köszönet illeti a Budapesti Műszaki Egyetem Könyvtárában FREY TAMÁSNÉt, a Magyar Tudományos Akadémia Könyvtárában CSANAK DÓRÁt, a Székesfehérvári Püspöki Könyvtárban P. SULYOK JÁNOSt, a Pannonhalmi Főapátsági Könyvtárban P. SZABÓ FLÓRISt, valamint az Országos Széchényi Könyvtár és az Egyetemi Könyvtár vezetőségét. Külön köszönet illeti a Szabó Ervin Könyvtárban BÓNA MÁRTÁt számtalan könyv felkutatásáért. Ugyancsak köszönöm a lektorok, de különösen VEKERDI LÁSZLÓ sok hasznos és megszívlelt észrevételét, valamint a Gondolat Kiadó és az Atheneum Nyomda dolgozóinak lelkesedését és azt a készséget, amellyel különleges kívánságaimat teljesítették. 12 Előszó a negyedik kiadáshoz Az első kiadás 1978-ban jelent meg. Az 1981-ben napvilágot látott második kiadás lényegében az első kiadás átnézett és amennyire ezt a technikai lehetőségek engedték kissé bővített utánnyomása volt. A harmadik kiadás (1986) már új szedés alapján készült, és így, bár a könyv struktúrája a régi maradt, lényegesebb változtatásokat is tartalmazott ben az Urania- Verlag (Berlin) és az Akadémiai Kiadó gondozásában Kulturgeschichte der Physik címmel megjelent a német változat. Szándékosan nem írok fordítást, mert a könyv igyekezett a legmesszebbmenően figyelembe venni a német olvasók igényeit. Végül 1995-ben a második német kiadásnál a Verlag Harri Deutsch (Thun/Frankfurt am Main) kiadó lépett az NDK felbomlásával megszűnt Urania-V
