TUDOm flnVPDLITIKfl tnflGVflRDRSZÁGDtl
II. fl DISZCIPLlnáK tnflUElÉSE
H D R U f l T H Z f l L f l t l - n f l G Y K Á R Ó L ?
-TDinpii EfliniHn
FIZIKA
Ü I r i f ( í i i í J H
M l Í I M i M lií
Ti
í in j j .
T U D O M Á N Y P O L IT IK A M A G Y A R O R S Z A G O N I - I I - I I I .
I. Tudom ánypolitika válaszúton II. A diszciplínák m űvelése III. M agyarországi kutatóhelyek
Program vezető és szerkesztő G latz Ferenc
O lvasószerkesztő
Balogh Margit, P ótó János
T U D O M A N Y P O L IT IK A M A G Y A R O R S Z Á G O N
II. A diszciplínák művelése
H
o r v á t hZ
a l á n- N
a g yK
áro ly- T
o m p aK
á l m á nFizika
MAGYAR T U D O M Á N Y O S A K A D ÉM IA B U D A P E S T • 2001
Szerkesztő G LA T Z F E R E N C
O lvasószerkesztő B alogh M argit
IS B N 963 508 277 0 Ö IS B N 963 508 326 2 IS S N 1587-2408
Kiadja
a Magyar T u d om án yos Akadémia A kiadásért felel: Glatz Ferenc, az M T A elnöke
N yom d ai előkészítés:
az M T A T örtén ettud om ányi In tézetének kiadványcsoportja V ezető: Kovács Éva
Borító: H orváth Imre Tördelés: Csányi Attila
N y o m d a i munkák: Áldási és N é m e th N y o m d a Bt.
F elelős vezető: Áldási Pálné
M egjelent 3,4 (A/5) ív terjedelem ben, 1500 példányban
A fizika célja az anyagi világ alapvető törvényszerűségeinek és szerkezetének a m egism erése.* Kutatási m ód szere m esszem en ő en je lle m z ő erre a tudom ányra.
Ez ann ak következm énye, hogy eleinte h osszú ideig az élettelen anyag sajátsá
gait tanulm ányozta. Az ezen elvégzett m éréseket m eg leh et ism ételni és ezáltal a jelen ség ek hosszabb ideig vizsgálhatók lényegében ugyanolyan feltételek m el
lett. A fizikai ism eretalkotás alapvető lépései: a jelen sé g felism erése, m érh e tő m ennyiségekkel je lle m z e tt fogalm ak alkotása, m egism ételhető m érésekkel való vizsgálata, a kapott adatok alapján az ered m én y ek szám szerűsítése, m ajd a je le n séget leíró, m atem atikailag m egfogalm azott elm élet m egalkotása. Az így kapott e lm életn ek általában m esszem en ő következm ényei vannak, és akkor tek in th ető m egalapozottnak, ha a belőle levont összes következtetést a további kísérletek igazolják. Ilyen m ó d o n az elm élet és a kísérletek kezdeti finom hálója a vizsgála
to k folyam atában csodálatosan szilárd, m eg re n d íth e te d e n ép ü letté válik.
F o n to s feladat a törvényszerűségek ellenőrzése szélsőséges k ö rü lm én y e k kö
zött (pl. egyre nagyobb energián, egyre kisebb távolságon). M eg tö rté n h e t ugyanis, hogy ezek a kísérletek az elm élet m ódosításának szükségességéhez ve
zetnek. E zé rt a fizikai törvények fontos kiegészítője érvényességi k ö rü k n e k a m egadása. Ez a 20. század fizikájának egy alapvető felism erése. Az atom i világ
A fizika h elyzetén ek századvégi bemutatását a Fizikai T u d om án yok O sztályához tartozó tu d o m ányos bizottságok elem ző írásos jelen tésein ek alapján készítettük. E zek et a h ely zetelem zé se
ket m in d egyik bizottság megtárgyalta és a vita alapján készített összegezések kerültek az osztály
ü lések elé. Itt is vita v olt róluk, és ezután készültek el a háttéranyagként szereplő bizottsági je le n tések. A következő m egállapítások tehát csak részben fejezik ki e tanulm ány szerzőin ek egyéni álláspontját. E gyes szövegrészeket teljes egészében átvettünk a bizottsági jelen tések b ő l. A tanul
m ány elk észítése m égsem egyszerű összegezése a bizottsági anyagoknak, m ert a korlátozott ke
ret m iatt je le n tő s rövidítésekre kényszerültünk. E n n ek során a válogatás és a h an gsú lyok kitétele m in d en k ép p en szubjektív, a szerzők v élem én yét tükrözi a fizika századvégi helyzetéről. A fizika m a olyan gazdag tud om ány a tém aköröket és eredm ényeket tekintve, hogy m in d en h asonló vál
lalkozás csak szegén yes leh et a valódi képhez képest.
szintjén például a klasszikus m echanika h elyett a kvantu m m ech an ik át, a vá
k u u m b eli fénysebességhez közeli sebességek esetén a speciális relativitáselm éle
tet kell alkalm azni. Az új törvényszerűségek n em érv énytelenítik a korábbiakat, csak korlátozzák azok alkalm azhatósági körét.
Galilei szerint a term észet a m atem atika nyelvén szólal m eg, ebből következik, hogy a fizikus számára a m atem atikai leírás eszköz a term észet vallatására. A fizikai elm életek sokszor m egterm ékenyítően hatnak a m atem atikára, a használt új m ate
matikai fogalm ak és eszközök precízebb m egalapozására ösztönözve azt. Az elm é
letből levezethető eredm ények akkor hasznosak, ha összevethetők a kísérletekkel.
A fizikai elm életek ellenőrzésére és igazolására szolgáló m érések adják ezen kuta
tás egyik fontos eszközét. A kidolgozott m érési m ódszerek és eredm ények leg
többször hasznossá válnak a többi tudom ány és a technika számára. M aguknak az egyre bonyolultabb kísérleteknek megvalósítása pedig csúcstechnológiát igényel, így a fizikai kutatások a technikai fejlődés egyik fő hajtóerejét adják.
A m in k et körülvevő anyagi világ m akroszkopikus testei hatalm as szám ú elem i összetevőből (m olekulákból, atom okból, elem i részecskékből) állnak. Ezek visel
kedésének egzakt m atem atikai leírása leheteden, de értelm eden is, mivel nincs olyan m érés, am ely az egyes részecskék egyedi viselkedését k ü lö n -k ü lö n m egha
tározná. E zért a fizika eredm ényes m íívelésének további fontos eszköze olyan egyszeriisítő leírás, m odell megalkotása, am ely egyrészt tükrözi az alapvető törvé
nyeket, m ásrészt csak azokra a lényeges jellem zőkre koncentrál, am elyek m éré
sekkel ellenőrizhetők. M a m ár - az anyag szerkezetének részletes ism eretében - az anyag dinam ikájára a m ú lt században m egalkotott elm életi leírásokat (term o dinam ika, hidrodinam ika, rugalmasságtan, anyagok elektrodinam ikája) ilyen egy
szerű fenom enológiai m odelleknek látjuk.
Ez a lényegre k oncentráló, egyszerűsítő m odelleket használó fenom enológiai tárgyalásm ód a fizikusok olyan eszköze, am ely m ás tu d o m án y terü lete k en is ered m én y es, eg y ü ttm ű k ö d ő p artn erré teheti őket.
A szigorú következetességgel végzett m érések és ezek állandó összevetése a m atem atikai m odellekkel olyan m ódszer, m ely diadalra v itte a 20. század fiziká
ját. Ez a fizik a i gondolkodás forradalm asította a többi term é sz e ttu d o m á n y t és a technikát. T ö b b e k k ö zö tt m eg terem tette a m o d e rn inform atika fizikai alapjait.
E n n e k visszahatásaként új lehetőségek je le n te k m eg. A nagy teljesítm ényű szá
m ítógépes háttérkapacitás egyrészt a korábbi analitikus m o d ellek m ellett leh ető vé teszi a folyam atok szám ítógépes m odellezését, m ásrészt m ó d o t n y ú jt egyre b o n y o lu ltab b ered m én y ek ab initio szám ítására is. Az egyre b o n y o lu ltab b felada
to k egyre nagyobb teljesítm ényű szám ító g ép -ren d szerek et és program ozási technikákat igényelnek, így alakul ki d inam ikus kölcsönhatás a fizika és az új fia
tal tu d o m án y , az inform atika között.
A fizikai kutatások átívelnek az anyag elem i összetevőinek vizsgálatától az u n iv erz u m viselkedésének leírásáig. E zért a fizika alfejezetei is részb en a vizsgá
lat tárgyai szerint alakultak ki: részecskefizika, m agfizika, ato m - és m olekulafizi
ka, optika (lézerfizika), szilárdtestfizika, csillagászat és űrfizika. F o n to sak ezen túl az interdiszciplináris kutatások: biológiai fizika, valam int az alkalm azott k u tatások: sugárvédelem , környezetfizika, reaktorfizika.
M in t m á r fe n te b b e m líte ttü k , a n ag y szám ú az o n o s részec sk é t vagy ö ssze
te v ő t ta rta lm a z ó re n d sz e re k vizsgálata speciális m ó d sz e re k e t kív án , ezek a m ó d sz e re k alk alm az h ató k a fizika k o rá b b an m e g e m líte tt b á rm e ly te rü le té n , ső t m ás tu d o m á n y te rü le te k e n is. Az ilyen v izsg álato k a sta tisz tik u s fizika té m a k ö ré b e tarto z n ak . E ze k a p illa n atn y ila g le g fo n to sab b ald iszcip lín ák .
A 20. század végéhez közeledve m egállapíthatjuk, hogy ez a század a fizika terü le té n nagyszerű tu d o m án y o s eredm ényekkel és felfedezésekkel, valam int azok m űszaki és orvosi alkalmazásával gazdagította az em beriséget. M eg h atáro zó szerepe vo lt nem csak a világról alkotott k ép ü n k form álásában, h an em más diszciplínák m egterm ékenyítésével az em b erek életének szebbé, boldogabbá té
telében is. Elég itt arra utalni, hogy a rádió, a televízió, az elektronika, a szám ító
gépek teljesen m egváltoztatták az em b erek életform áját. T u la jd o n k ép p e n a fizi
kai felfedezéseknek k ö szö n h ető az is, hogy a világ dolgairól (bárhol tö rtén jen e k is azok) azonnal értesülünk.
É p p en a 20. század hajnalán, 1900 decem b eréb en tartotta P lanck azt az elő
adását, am elyben beszám olt arról, hogy a hőm érsékleti sugárzás energiájának frekvencia szerinti eloszlását a kvantum hipotézis bevezetésével sik erü lt a tapasz
talattal egyezően m egm agyaráznia. Ez volt az első lépés a 20. század fizikájának m áig ívelő diadalútján. E zt követte E instein fotonhipotézise, m ajd B ohr, H e i- senberg, S ch rő d in g er és D irac m unkája révén m egszületett a század egyik leg
ragyogóbb fizikai elm élete, a kvantummechanika. H atását tekintve példátlan a tu dom ányos elm életek között, m e rt ez m agyarázza m eg az ato m o k fizikáját, azok egym áshoz kapcsolódását, a m olekulák törvényszerűségeit és végső so ro n az anyag szerkezetét, a különféle halm azállapotok m ibenlétét. E n n e k folytán lett a kvan tu m m ech an ik a a kém ia, a biológia és m ás élő tu d o m án y o k egyik alapja. D e ugyanez igaz az elektronikára és a szám ítástechnikára is, m e rt ezeknek is a kvan
tu m m e ch an ik a tere m te tte m eg a fizikai alapját a félvezetőkre v o n atk o zó ism ere
tekkel.
A 20. század m ásik nagy hatású fizikai elm élete az E in stein által m egalkotott relativitáselmélet. A térre, időre és energiára vonatkozó fizikai fogalm ak teljesen új é rtelm ezést nyertek a n ew toni klasszikus fizikai képhez viszonyítva. Az általános relativitáselm élet tu d om ányos alapját adja a világegyetem keletkezésére és idő
beli fejlődésére vonatkozó kutatásoknak. N agyszerű lehetőség a d ó d o tt a nagy
energiájú gy'orsítók m egépítésével arra, hogy néh án y év m úlva kísérletileg elő leh et állítani az anyagnak olyan állapotát, am ilyen az u n iv erz u m keletkezésekor lehetett.
A 20. század fizikája alapján ju to tt a kutatás m a oda, hogy egyrészt a világ- egyetem törvényszerűségeit, m ásrészt az egészen kis elem i o b je k tu m o k viselke
dését, egym áshoz kapcsolódását, a k ö zö ttü k ható erőket és fizikai terek et vizs
gálni tud ju k .
É r d e m es v issz a g o n d o ln i a száz év elő tti h e ly zetre, am ik or P lan ck tanára, J o lly a fiatal P lan ck n ak azt tanácsolta, h o g y n e m érd em e s fizikára adni a fejét, m ert a fizika ép ü le te s z in te teljesen k é szen van, o ly tö k élete s, h o g y a zo n m ár n e m so k te n n iv a ló akad a j ö v ő b e n . N a g y o t tév ed ett, m ert a fe jlő d és oly a n n agyszerű tu d o m á n y o s e r e d m é n y e k e t h o z o tt, a m e ly e k a 20. század ot m agasan k ie m e lik a m e g e lő z ő k k ö z ü l.
Részecskefizika
A helyzet áttekintését és ism ertetését az ún. részecskefizikai kutatásokkal kezdjük.
Ezek ugyanis azok a vizsgálatok, am elyek term észetes folytatásai a fizika fő fejlő
dési vonulatának. Ez G alilei és N e w to n m echanikai és gravitációs kutatásaival k ezd ő d ö tt, M axw ell elektrodinam ikájával folytatódott, és a 20. század első évti
zedeiben a relativitáselm élettel és a kvantum m echanikával, illetve e kettő egye
sítéséből született relativisztikus k vantum -térelm életekkel napjaink legsikere
sebb fizikai elm életét jelen ti. A részecskefizika végső soro n azt kutatja, hogy milyen a z anyagi világ szerkezete a legkisebb elérhető méretek tartományában. A m ai ál
lásfoglalás az, hogy az anyag elem i részekből épül fel a k ö zö ttü k h ató különféle e rő k kölcsönhatása révén. A zt vizsgálják, hogy m ilyen részecskék fo rd u ln ak elő és m ilyen sajátságú erő k hatnak közöttük.
E z e k e g y részéb e n g y o rsító b e ren d ezése k k el n a g y o n n agy energiára felg y o rsíto tt ré
s z e c sk ék e t ü tk ö z te tn e k egym ással, és k ü lö n féle é s z le lő e sz k ö z ö k k e l detektálják az ü tk ö zés u tán i állap otot. E b b ől k ö v e tk e z te tn e k az ü tk ö z ő r észe k k ö zö tti k ö lc sö n h a tá s sajátságaira, m e g e r ő sítv e vagy m eg cá fo lv a a léte ző e lm é le ti m o d e ll jóslatait. íg y m e g y e lő re e z a kuta
tás, m iáltal so k új r észecsk ét sik erü lt e d d ig elő á llíta n i és tisztázn i a k ö z ö ttü k h a tó k ö lc sö n h atások alapvető tulajdon ságait. (C sak p éld a k én t e m lítjü k m eg , h o g y az e le k tr o m á g n e se s kölcsön h atásra v o n a tk o z ó e lm é le te t, az ún. k v a n tu m -e le k tr o d in a m ik á t a 13. tized esjeg y ig Igazolták a kísérletek .)
A jelen leg i helyzet a részecskefizika terü le té n a következőképpen je lle m e z hető. A m a ism ert elm élet, az ún. standard m odell az összes létező kísérletet nagy pontossággal leírja, de m égis úgy g ondoljuk, hogy ez a m odell n em az u to l
só szó, h an e m egy ún. fenom enológiai leírás, am ely alacsonyabb energiákon tö kéletes, de magasabb energiákon pontosabb elm életre van szükség.
R észec skeíizika
T ö b b olyan k ö rü lm én y van ugyanis, am elyre az elm élet n e m ad választ. Ilyen például, hogy m iért háro m részecskecsalád létezik? M i az oka annak, hogy az elek tro n n ak van két nehezeb b társa (n ü o n és tau)? Vagy alapvető elm életi kérdés a részecskék töm eg én ek a keltése. N incs m ég kísérlettel igazolva a töm egkeltés
ben szerep et játszó h ipotetikus részecskének, a H ig g s-m ez o n n ak a létezése.
Ezek rn m d izgalmas, elvi fontosságú kérdések, és szorosan összefüggnek az em b er am a kíváncsiságával, hogy m ilyen is az a világ, am elynek részei vagyunk, h o gyan k eletkezett (ha egyáltalán keletkezett?), és m iként, m ilyen törvények sze- rm t fejlődik. Ezek több tízezer éve foglalkoztatják az em beriség egy részét. Az évezredek során a k u ltú ra állapotától függően a tudósok, filozófusok, költők m ás-m ás válaszokat adtak e kérdésekre. A 20. század végén úgy tű n ik , hogy a ré
szecskefizika ju to tt legközelebb az e kérdésekre adható igaz válaszokhoz. H a v isszagondolunk a száz évvel ezelőtti helyzetre, azt tapasztaljuk, hogy a világról alkotott k é p ü n k igen nagyot változott. A kb. 15 m illiárd évvel ezelőtt tö rté n t ős
ro bbanásnak szám os je lé t ism erte fel a tu d o m án y , de a legalapvetőbb kérdések m ég válaszra várnak. Sőt, talán m ég fel sem tette a tu d o m án y ezeket.
A fizika szem szögéből nézve ezek ma az izgalmas kérdések. Az egyik gond azonban az, hogy a kísérleti kutatás e téren igen költséges, d o llárm illiárdok kel
lenek hozzá. M ég a leggazdagabb országok sem adnak egyedül ennyi p é n z t erre.
C sak nem zetk ö zi eg y ü ttm ű k ö d ésb en végezhetők m a az ilyen kutatások.
Az intellektuális hasznon túl társadalm i, illetve gazdasági haszna is van ezek
nek a kutatásoknak, m e rt szinte m ellék term ék k én t olyan új technológiai újítá
sok, eljárások, anyagok keletkeznek, am elyek az élet szám os m ás te rü le té n is fel
h asználhatóak és végeredm ényben gazdasági haszonnal járnak.
H a zá n k b a n a részecsk efizik ai ku tatások nak szép é s n e m z e tk ö z i e lism e rts ég g e l b ü sz k élk ed ő hagyom án yai vannak. A z e lm é le ti fizikai kutatások a két h á b o rú k ö z ö tti időre n y ú ln a k vissza. N o v o b á tz k y K ároly k özép isk o la i tanárként a r ela tiv itá selm élet é s a kvan - t u m té r e lm é le t terén p u b lik ált d o lg o za to k a t rangos k ü lfö ld i folyóiratok b an , s e z e k n é m e lyik ére m é g a m a is h aszn álatos m on ográfiák b an is hivatk ozn ak . O rtv a y R u d o lf é rd em e it is m e g kell e m líte n ü n k e z e n a h e ly en , m ert ő a k v a n tu m m ech a n ik a k iteljesed ése id ején , a h a rm in ca s é v ek b en tek in tély es k ü lfö ld i tu d ó so k a t h ív o tt m e g , a k éső b b róla e ln e v e z e tt
„ O rtv a y -k o llo k v iu m o k ra ” elő a d n i. E z ze l leh ető v é tette, h o g y a korszak k iváló e lm é le ti fi
zik u sai, a k v a n tu m e lm é let m e g a lk o tó i (pl. H e ise n b er g , D irac, S o m m e r fe ld stb .) látogat
tak hazánk ba. P ersze akkor n á lu n k n e m v oltak főállású ku tatók, de az e g y e te m i oktatók , h a llg a tó k é s k ü lö n ö sk é p p e n a k özé p isk o la i tanárok e z e k e n az O r tv a y -k o llo k v iu m o k o n e ls ő k é z b ő l érte sü lte k a sz e n z á ció s e red m én y ek rő l. A I I . világh áb orú után az O rtvay halá
lával m e g ü r e se d e tt E lm éle ti Fizikai T an szék re N o v o b á tz k y K ároly került, aki az elm é le ti részecsk e fiz ik a é s a k v a n tu m e lm é let iránt fo k o z o tta n é rd ek lő d ő te h e ts ég e s e g y e te m i hall
g a tó k b ó l a lig töb b m in t k ét é v tiz ed alatt e g y n e m z e tk ö z ile g is e lism e rt tu d o m á n y o s isk o lát h o z o tt létre. M a az ország e g y ete m ein és k u ta tó in tézeteib en d o lg o z ó e lm é le ti részecsk e
fizik u so k v é g e r e d m é n y b e n a N o v o b á tz k y -ta n ítv á n y o k tanítványai. F él évszázad alatt
sz á m u k tek in télyesre n ő tt. T ö b b e n k ö z ü lü k v e z e tő kutatók, e g y e te m i tanárok, a k ad ém i
k u so k . D e a vilá g k ü lö n fé le k u ta tó h ely ein is e lism e r t és m e g b e c sü lt k u tatók lette k azok, akik a j o b b kutatási le h e tő s é g e k r em é n y é b e n elh agyták az országot.
A m a aktív m agyar elm életi részecskefizikusok m unkássága szám os területen nem zetk ö zi viszonylatban is jelen tő s. C sak példaként m egem lítve néhányat:
ilyen a sem leges Z -b o z o n és H iggs-bozon tanulm ányozása, erős csatolás m eg határozása és gluon-jetck, elektrogyenge fázisátalakulás és a világ barionaszim - m etriája. Egzakt, k o n fo rm és alacsonydim enziós térelm életek, h ú re lm é le te k és klasszikus térelm életi m egoldások.
A k ísérleti részecsk efizik á t hazánkban J á n o ssy Lajos alapozta m e g k o z m ik u s sugárzási és a m o d e r n fizika elvi k ér d é se ih ez k a p cso ló d ó k ísér le teiv el (pl. fo to n -k ís ér lete k k el). Itt is a tan ítván yok tanítványai alkotják m a azt a te h e ts ég e s gárdát, a m e ly a K F K I-b an és rész
b e n a C E R N - b e n v é g e z kutatásokat.
H azán k 1992 óta tagja a C E R N -n e k . É rdem es m egjegyezni, hogy a C E R N - be tö rté n t m agyar belépés volt az európai integrációs folyam atunk egyik első m ozzanata, maga a C E R N pedig az E U előképe. Ez a tagság lehetővé teszi, hogy k u tató in k a világ legnagyobb részecskegyorsítóját használják, és ezzel a n e m z e t
közi kutatások élvonalában legyenek. M ivel a C E R N m ííködtetése során az egyes országok befizetési kötelezettségei az ország b ru ttó nem zeti term ékével arányosak, a m agyar részecskefizikusok viszonylag igen alacsony befizetés m e l
lett (a C E R N teljes költségvetésének kevesebb, m in t 1% -áért) a LEP (Large E lec tro n -P o sitro n ) gyorsító két nagy detek to rán ak (L3, O PA L) m ííködtetésé- b en v esznek részt. A főirány itt a részecskék töm egeiért felelős H igg s-m ech a- n izm u s vizsgálata, a H iggs-részecske keresése. E m ellett fontos kutatási irány az erős kölcsönhatás részleteinek tisztázása is. Igen perspektivikusak azok a vizsgá
latok, am elyek az elm életi lehetőségként felvetődött b o z o n -fe rm io n szim m etri
át, az ún. szu p erszim m etriát próbálják bizonyítani. A m agyar részecskefizikusok tevékenysége teh át szervesen illeszkedik a világ fő kutatási irányvonalához és n em zetközi m ércével m érve is eredm ényes.
Magfizika
Az anyag legelem ibb alkotórészeitől, az ún. elem i részek fizikájától in d u ltu n k el.
H a az egyszeríjtől az összetett felé elvet követjük, akkor m ost a magfizikai k utatá
sokról kell szólnunk. R u th erfo d híres szóráskísérletéből 1909 óta tu d ju k , hogy az a to m n ak van egy kb. 10“'^ cm m éretű , k ö zponti elhelyezkedésű része, am ely m ajd n em teljes tö m eg ét tartalm azza. E zt n ev ezzük R u th erfo d n y o m án az atom
magfizika
m agjának. Az atom m érete a m agnak tízezerszerese (tehát annál négy nagyság
re n d d el nagyobb). Az atom m ag összetett fizikai rendszer, am ely p ro to n o k b ó l és n e u tro n o k b ó l (közös n ev ü k ö n nevezve n u k leonokból) épül fel a k ö z ö ttü k ható ún. erős vagy nukleáris és az elektrom ágneses kölcsönhatás révén. E lőbbi na
gyon rövid hatótávolságú (~ 1 0 " ’’ cm ) és erős, m íg az elektrom ágneses kölcsön
hatás hatósugara elm életileg végtelen, és erőssége kb. századrésze a n ukleáris
nak. E két kölcsönhatás együtt eredm ényezi a m agot m in t a n u k le o n o k kötött rendszerét.
A m agfizika az atom m ag fizikai állapotait, szerkezetét, energiáját és az egy’- mással vagy m ás részecskékkel tö rtén ő ütközéseik során kialakuló rendszereket, m agátalakulásokat vizsgálja elm életi és kísérleti m ódszerekkel. A n u k leo n o k kö
tö tt állapotainak elm életi tanulm ányozásához a k v antum m echanikát, belső szer
kezetü k vizsgálatához az erős kölcsönhatások k v an tu m térelm életét, az ún. kvan- tu m -sz ín d in a m ik á t használják. K orábban az alacsony energiájú folyam atok, m agreakciók tanulm ányozása vo lt a kutatások fő iránya. M ajd később a nagy energiájú gyorsítók építésével és felhasználásával, az ún. szóráskísérletekből a n u k le o n o k m agon belüli eloszlására leh etett következtetni. Az egyre nagyobb energiákon pedig a n u k leo n o k belső szerkezetéről, a kvarkok és g lu o n o k közötti kölcsönhatás részleteiről kap h atu n k ism ereteket. A nukleáris rendszerek et leg
inkább úgy tanulm ányozzák, hogy a m agokat felgyorsítják és ü tk ö ztetik egym ás
sal vag>' m ás részecskékkel, és az ütközés után kirepülő újabb részek fizikai para
m é terein ek m eghatározásából következtetnek a kölcsönhatásra, illetve a kiala
ku lt fizikai állapot sajátságaira.
A m agfizikai kutatások m ai főbb irányai közül m eg em lítü n k néhányat. Az egyik irányzat a különleges m agállapotok előállítása és fontosabb sajátságaiknak a vizsgálata. Id etarto zn ak az erősen deform ált, például két- vagy három szorosan m eg n y ú lt állapotok, a k ü lö n b ö ző alakzatú rezgő m agok. K ü lönösen érdekesek a külsejü k ö n n eu tro n réteg et, ún. „neu tro n g ló riát” viselő m agok. M á r hosszabb ideje folynak n éhány kutató k ö zp o n tb an a szu p ern eh éz elem ek előállítására v o natkozó vizsgálatok (1999-ben a 118-as ren d szám ú elem nél tartottak).
F o n to s kutatási terü le t a m ár em lített nukleo n szerk ezet tanulm ányozása kö
zepes és nagy energiákon m in d kísérleti, m in d elm életi szem p o n tb ó l. Az egé
szen nagy energiájú m ag -m a g ütközésekben olyan állapotok je le n h e tn e k meg, am ilyenek a világegyetem keletkezésének korai szakaszában lehettek. E zeknek laboratórium i keretek közötti tanulm ányozása alapvető ism ereteket adhat a vi
lágról alk o to tt k ép ü n k alakításához. T alán m ég ahhoz is, hogy m i végre vagyunk je le n a világm indenségben, vagy akár csak itt a Földön.
M in d eze k , am ikről eddig szóltunk, alapkutatás jellegíí vizsgálatok. A világról alkotott k é p ü n k e t gazdagítják, finom ítják. D e ugyanúgy, m in t m ás tu d o m á n y
terü letek n él, itt is igaz az, hogy a tu dom ányos felism erések e lő b b -u tó b b alkal
m azásra találnak. Alapját képezik m űszaki vagy m ás eszközöknek, eljárásoknak, am elyek végső soro n az em beriség életm inőségét javítják. A m agfizikáról ez k ü lö n ö sk ép p en elm o n d h ató . A m aghasadáson alapuló atom energia felszabadításá
val az a to m erő m ű v e k m a je le n tő s és környezetvédelm i sze m p o n tb ó l is fontos energiaforrások. Az orvostu d o m án y b an alkalm azott nukleáris eszközök m in d a külö n féle betegségek felism erésében, m in d a gyógyításban nagym értékben el
terjed tek és egyre fontosabb eszközökké válnak. N é h á n y példát em lítve, ilyen a m ágneses m agrezonanciás és pozitronem issziós tom ografikus képalkotás az e m beri test részeiről, a gam m asugárzás és a protonterápia. A radioaktív izotópos nyom jelzés nem csak az o rvostudom ányban, h anem az iparban, a m ezőgazda
ságban és a környezetvédelem ben is fontos szerepet játszik. A rég feltalált n u k le
áris m ó dszerek finom ítása, tökéletesítése m ellett a m agfizika az új feladatokra új m ó d szerek et kínál. A rákterápia több fejlődési iránya is a mai m agfizikához kap
csolódik. Ilyen például a nehézion-terápia, en n e k radioaktív ionnyalábos válto
zata és a szervezetbe bevitt bórral befogatott n e u tro n o k által kiváltott alfasugár
zás hatásán alapuló gyógym ód. U gyanígy m eg em líth ető a szív k oszorúereinek izotópos vizsgálata. Az alkalm azások széles skálája m ég tovább sorolható.
A hazai m agfizikai kutatások jó l illeszkednek a nem zetközi fő irányokhoz. A fent e m líte tt terü le te k szinte m indegyikében dolgoznak m agyar m agfizikusok.
A kutatások többsége a KFKI R észecske- és M agfizikai K u tató in tézetéb en és a deb recen i A T O M K I-b a n folyik, de az E L T E -n és a K L T E -n is értékes m u n k át végeznek.
A m últat is érintve rövid en m e g kell e m lé k e zn ü n k Szalay Sándorról, aki a R utherfordnál tett hosszabb tanulm ányútjáról hazatérve elsők én t foglalkozott hazánkban m agfizikával az 1930-as években. M ellette tehetséges fiatalokból magfizikai iskola jö tt létre D e b rec en b en az eg y etem en , am iből későb b az A T O M K I is létesült. Itt is elm on dhatju k, h o g y ma a Szalay-tanítványok tanítványai a ve zető kutatók az A T O M K I-b a n . A z 1950-es év ek b en indult m e g a magfizikai kutatás a KFK I-ban és az E L T E -n . M a már e zek az in tézm é n y ek n em zetk ö z ile g is nagyra értékelt kutatásokat végezn ek m in d az elm élet, m in d a kísérlet terén.
A kutatási tem atikák részletes felsorolása helyett azt hangsúlyozzuk, hogy a n em zetközi eg yüttm űködés tette lehetővé, hogy k u tató in k a világ m agfizikájá
ban is m egbecsült és elism ert szem élyek lettek. C E R N -tag ság u n k óta pedig te
vékeny résztvevői vagyunk az élvonalhoz tartozó kutatásoknak. A m ár em lített n eh é zio n -ü tk ö zé se k kísérleti vizsgálatában való részvételünk nagy nyeresége a m agyar m agfizikának. H o z zá kell te n n ü n k , hogy e tém akör elm életi kutatásai
ban m ár korábban is rangos elism erést arattak elm életi m agfizikusaink. A k ü l
földre távozott vo lt tanítványokkal és azok m unkatársaival is nagyon jó a tu d o m ányos együttm űködés.
Atom- és molekuiafizilía
A tom - és molekulafizika
Az atom- és molekuíaftzikai kutatások ism ertetésére térve, m in d já rt az elején el
m o n d h atju k , hogy ezek a vizsgálatok száz éve egyfolytában az érdeklődés élvo
nalához tartoznak. Kezdve a kezdeti ato m m odellektől, a röntgensugárzás és az elek tro n száz év előtti felfedezésétől m áig, az ato m szerkezetére, m olekulákká tö rté n ő rendkívül sokfajta összekapcsolódására, az alkotórészeit összetartó erők tulajdonságainak vizsgálatára irányuló kutatások gazdagították talán legnagyobb m érté k b en az anyagi világ niikroszerkezetére vonatkozó ism ereteinket. Az. ato
m okkal foglalkozó fizikai kutatások eredm ényei a legszélesebb k ö rb en kihatnak a term é sz ettu d o m á n y o k m ás területeire is. M ivel m ind en féle anyag végül is ato
m okból épül fel, az atom fizika ered m én y eit n em hagyhatja figyelm en kívül egyetlen olyan diszciplína sem , am ely akár az élettelen, akár az élő anyag valam i
lyen sajátságait vizsgálja. Elég itt példaként a kém iára, a biológiára, a m űszaki tu d o m án y o k legfiatalabb ágaira: a m ikroelektronikára vág)' az ún. anyag tu d o m á
nyok b árm ely terü letére gondolni. Az élő szervezet m ű k ö d ésén e k m egértéséhez végső so ro n az azt alkotó ato m o k és m olekulák fizikai állapotainak, a közöttük ható erő k törvényszerűségeinek a m egism erése útján ju th a tu n k . Az ato m o k fizi
kája ép p en ezekkel az alapvető kérdésekkel foglalkozik.
A z atom ok ra irán yu ló tu d o m á n y o s é rd ek lő d és évszázad okra n y ú lik vissza. K ezd e tb en a k ém ia ju to tt le g m e ssze b b az a to m o k sajátságainak m e g is m er és é b en . A k v a n tu m m e ch a nika m e g s z ü le té s e a 20. század h ú szas é v e ib e n azu tán m egadta azt az e lm é le ti alapot, a m e ly le h e tő v é tette az a to m o k és m o lek u lá k szin tjé n v a ló e ligazod ásu n k at. V ilá g k ép ü n k alakításában m e g d ö b b e n tő hatása v o lt ann ak az új fe lism e ré sn ek , h o g y a m in te g y kétszáz é v e n át e g y ed u ra lk o d ó , a k orszak g o n d o lk o d ó ir a le n y ű g ö z ő hatású k la sszik u s m ech a n ik a tö r v én y ei az a to m o k világában n e m érv én y esek . É rth e tő m ó d o n k e z d e tb e n m ech an ik ai k ép p el, a N a p re n d sz er mintájára próbálták az ato m m o d e lljé t m e g a lk o tn i, és a k ü lö n le g e s v ise lk e d é s t ad h o c feltev ések k el é rte lm e zn i. C sak h am ar k id erü lt, h o g y a való sá g a klasszi
ku s fizikai fogalm ak radikálisabb változtatásával k ö z e líth e tő m eg . A H e is e n b e r g -fé le hatá
rozatlansági ö s s z e f ü ^ é s e k azt m utatják, h o g y a k lasszik u s m ech a n ik a o ly a n fogalm ai, m in t e g y részecsk e pályája, n e m alkalm azh atóak az a to m o k b eli elek tron ok ra. A k v a n tu m - m e ch a n ik a a je le n s é g e k n e w to n i d ete rm in isz tik u s leírása h e ly e tt az a to m o k sz in tjé n a va
ló sz ín ű s é g e k k e l d o lg o z ó leír á sm ó d o t v e ze tte be. (A fizikai á llap otot j e lle m z ő m e n n y is é g - az állap otfü ggvén y - id ő b eli változása m o st is d eterm in isztik u s, de a m érés ered m én y ére v o n a tk o z ó e lm életi kijelentés va ló szín ű ség i je lle g ű . Vagyis annak a v a ló sz ín ű sé g e adható m e g elő re, h o g y a leh etség es értékek m ily e n v a ló s z ín ű s é g e i leh etn ek a m érés ered m én y ei.)
A k v an tu m m ech an ik án ak az atom okra és m olekulákra tö rté n ő alkalmazásával született m eg tulajd o n k ép p en az ato m - és m olekulafizika. Az elm életi m agyará
zatok és jó sla to k a kísérletezésnek is új terü le té t nyitották m eg. M ivel a n e h e zebb ato m o k sok részecskéből (a m agot körülvevő elektronokból) álló re n d -
szerek, am elyek alkotórészei k özött elektrom ágneses erők hatnak, a fizikai álla
po to k at leíró kvantum m echanikai egyenletek csak a legegyszerííbb esetekben o ld h ató k m eg ism ert m atem atikai eljárással.
A sz á m ító g é p ek fe lfe d e z é se és e lterjed ése e z e n a téren is te lje sen új h e ly z e te t te r e m tett, m ert v e lü k m in d e n a to m i állap ot fizikai je lle m z ő i k ö z e lítő le g u gyan , d e b á m u la to s p o n to ssá g g a l k iszá m íth a tó k és a k ísérletek e re d m é n y e iv e l ö ss z e v e th e tő k . K orábban már e m líte ttü n k eg y példát, m isz e r in t az e lm é le t és kísérlet k ö z ö tti e g y e z é s az ato m n é m e ly tulajdonságára v o n a tk o z ó a n a 13. tiz e d e sig p o n to s. M e g kell e m líte n ü n k az alkalm azások k ez d e ti szakaszának eg y ik legh atásosab b ered m é n y ét; a k ém iai k ö té s magyarázatát. A k v a n tu m m e ch a n ik a e lő tt é rth ete tle n v o lt, h o g y a k ifelé se m le g e s a to m o k (m in t pl. két h id r o g é n a to m ) h o g y a n tu d n a k ö sszeá lln i m o lek u lá v á (pl. a I I2 h id ro g é n m o lek u lá v á ). A k v a n tu m m e ch a n ik a tehát n em csa k az a to m o k szerk ezetét, h a n em e g y m á sh o z k a p cso ló dásukat, ső t az anyag k ü lö n fé le halm azállapotait is tö k é lete se n leírja. M e g in t csak p éld a k é n t e m lítv e a fé m e k rácsszerk ezetét, a fé m e s v e z e té s tö r v én y sze r íísé g e it, a fé lv e z e tő k tu lajdonságait stb. J ó l tud juk , h o g y e z e k p e d ig a m o d e r n elek tr o tec h n ik a , szám ítástech n ik a e s z k ö z e in e k fizikai alapjait adják.
M indezekből kitűnik: ahhoz, hogy az anyagi világot, b en n e az em beri szerve
zet felépítését, életfolyam atait egyre p ontosabban m egism erjük, az atom ok szer
kezetét és a világ többi részével való kölcsönhatásukat, teh át az atom fizikát kell részleteiben is egyre jo b b a n m egism ernünk.
A következőkben a világban folyó atom fizikai kutatások közül a legjelentő
sebbeket em lítjü k m eg. Az atom i elek tro n o k k ö tö tt állapotainak tan u lm án y o zá
sában kísérleti szem p o n tb ó l jelen tő s haladást hoztak az egyre fin o m o d ó lézer
spektroszkópiai m érések, m ásrészt az ún. egzotikus atom i ren d szerek re (nagy
töltésű ionokat, antirészecskéket stb. tartalm azó rendszerekre) vonatkozó kutatá
sok. P éldaként em lítjük a hidrogénatom spektroszkópiáját, am elynek pontosságát a p ro to n sugarára vonatkozó ism eretünk pontatlansága korlátozza. A nagy töltésű ionokon végzett röntgenspektroszkópiai (pl. Lam b-eltolódás) m érésekkel a kvan- tu m -elektrodinam ika elm életi jóslatait ellenőrzik.
A m ásik nagy terület, am ely je le n tő s fejlődést h o zo tt az utó b b i időkben, a tö ltö tt részecskék csapdázásával foglalkozik. A precíziós atom csapdákkal vég
zett tö m egm érések pontossága m a m ár m ajd n em eléri azt a nagyságren
det, am ely lehetővé teszi, hogy a kém iai kötések energiáját a re n d szer tö m eg é
n ek m érésével határozzák meg. Az atom i ütközések tanulm ányozása az ato m fizika egyik legism ertebb kísérleti eljárása. E zen a téren nagy haladást h o zo tt az ún. C O L T R IM S -b e re n d e z é se k (C old T arg et Recoil Ion M o m e n tu m S pectro- m eter) kifejlesztése. Ezekkel az eszközökkel m in d en k irepülő részecskének m é rh e tő az energiája és a m ozgásiránya.
Atom- és m olekulaüzika
A precíziós spektroszkópiában tö rtén ő alkalm azása m ellett igen je le n tő s az ato m o k n ak lézerekkel tö rtén ő m anipulálása. Lézeres hűtéssel érték el a kísérleti atom fizika utóbbi időkben legjelentősebb eredm ényét, az ún. B ose-E instein- kondenzáció kialakulását rendkívül alacsony hőm érsék letű , ritka gázokban. Az atom optika is az ato m o k m ozgásának lézerekkel tö rté n ő m anipulálásán alapszik.
Speciális lézerelrendezésekkel atom nyalábokat leh et szétosztani, tü k rö zn i, fó
kuszálni, polarizálni stb.
Itt em lítjük m eg (bár a szilárdtestfizikához is sorolhatjuk), hogy nagyon in ten zíven kutatott tém akör az atom ok, illetve ionok szilárdtest-felületekkel való köl
csönhatása. Ilyen vizsgálatokkal m utatták ki a nagy töltésű ionok szilárdtestekkel való ütközésekor keletkező ún. üres atom okat. Ezek olyan atom i rendszerek, am elyek ugyan semlegesek, a legtöbb elektronjuk magasan gerjesztett „külső pá
lyákon” van, a belső elektronállapotok pedig betöltedenek.
A hazai ato m - és m olekulafizikai kutatásokról is elm o n d h ató , hogy általában a világviszonylatban is a legintenzívebben m ű v elt terü letek en folynak, és n e m zetközi m ércével m érve is eredm ényesek. Az A T O M K I egyik legfontosabb k u tatási tém ája az atom i ütközések vizsgálata. így pl. a h áro m te st C o u lo m b -p ro b - lém a tanulm ányozása, továbbá az elektronkorreláció szerepének tisztázása az ütközésekben lejátszódó töltésátadási folyam atokban. E lek tro n - és rö n tg en - spektroszkópiai m ódszerrel vizsgálták a többszörös ionizáció jelenségét. P ontos m érésekkel határozták m eg a belső atom i állapotok nivószélességét és a k ü lö n fé
le á tm e n e te k valószínűségét. Kísérleti lehetőségeiket nagyban segíti a magas tö l
tésű io n o k előállítására alkalmas elektro n -cik lo tro n rezonancia ionforrás, am ely nem csak az A T O M K I kutatóit, h anem az egyetem en folyó kísérleti kutatásokat IS szolgálja. U tó b b ia k közül m egem lítjük a nagy töltésű io n o k szilárdtest- felületekkel való kölcsönhatás-vizsgálatát, valam int az ilyen ionokból álló plaz
m a tanulm ányozását.
A debreceni kutatóhelyeken kívül a KFKI-ban, a B M E-n, az E L T E -n és a JA T E -n is szép eredm ényeket elérő atom - és molekulafizikai kutatások folynak.
Ezek részben plazmafizikai, biofizikai és fizikai-kémiai term észetűek. így interdisz- ciplináns jellegüknél fogva m ásutt is m egem líthetők.
A z e lm é le ti kutatásokkal kapcsolatban m e g k ell e m lé k e z n ü n k G o m b á s Pálról és N e u g e b a u e r T iborról, akik O rtvay tanítványaiként a kvantum m echanika a to m - és m o - lekulafizikai alkalmazásában m indjárt a kezdetekben n e m zetk ö zi szin ten is az első k között voltak. G o m b á s m ellett tehetséges fiatalokból tekintélyes iskola alakult ki, akik n em csak a k im on d ottan atom fizikai, de kvantum kém iai kutatásoknak is elism ert m ű v e lő i lettek. T ö b b en k ö zü lü k k ü lföld ön folytatják munkájukat. G om b ás a kvantum m echanikai többtest- problém áról, valam int az atom statisztikus elm életéről írott m onográfiáival k ü lfö ld ö n is elis
m ert v ezető kutatónak szám ított. A m ai elm életi kutatók nagy része G o m b á s munkatársainak tanítványa.
Optika
Az ato m o k n ak környezetükkel való kölcsönhatásaik közül k ü lö n ö sen fontos szerepe van az elektrom ágneses sugárzással, speciálisan a fénnyel való kölcsön
hatásnak. Ez érth ető , hiszen a fény kibocsátása vagy elnyelése az atom stacioná
rius állapotai közötti átm enetekkel függ össze. A fény term észetével, fizikai sajátságaival a fizikának külö n fejezete, az optika foglalkozik.
A tu d o m án y o s vizsgálatokban nagy változást h o zo tt az a felism erés, hogy a fény elektrom ágneses hullám , és ezért az elektrodinam ika törvényeivel, a M ax- w ell-egyenletekkel, vagy kvantum os sajátságait tekintve, a k v an tu n i-e le k tro d i- nam ikával leírható. M axw ell felism erésével és az elektrom ágneses hullám oknak H e in ric h H e rtz által tö rté n t kísérleti kim utatásával az optika az elek tro d in a m i
kának egy fejezetévé vált. A k v an tum m echanikának az elektrom ágneses sugár
zásra tö rté n t kiterjesztése a fény energiájának és im pulzusának kvantált te rm é szetét jó so lta, am it szám os kísérlet (pl. fényelektrom os jelenség, C o m p to n - effektus stb.) igazolt és ezáltal a fényre v o n atkozó fizikai ism eretein k a klasszi
kus hullám k ép h ez képest m egváltoztak. Az E instein nyo m án fo to n n ak nevezett fényenergia- és im p u lz u sk v an tu m o k bizonyos érte lem b en részecsketulajdonsá
gokkal rendelkeznek, m ásrészt a h u llám te rm észe t is igaz, hiszen a fény in terfe
renciára és polarizáltságra is képes, am i csak a h u llám term észettel értelm ezhető.
E kettős term észet m ib en léte a kvantum -elek tro d in am ik a alapján teljesen é rth e tő, de a szem léletes képekhez szokott értelem n eh ezen tu d ta őket összeegyeztet
ni. Ezzel m agyarázható, hogy a kezdetektől élénk érdeklődés nyilvánul m eg iránta, id ő n k én t egészen nagy intenzitással, m ég a legutóbbi id ő k b en is. G o n d o lju n k csak a napjainkban több helyen folyó vizsgálatokra, am elyek a fény k ü lönleges állapotait (összenyom ott állapotok, ö sszefonódott állapotok, vagy a S chrödin g er-féle m acska-gondolatkísérlettel kapcsolatban felm e rü lt újabb in terpretációs kérdéseket) tanulm ányozzák. E zek a kutatások azt m utatják, hogy a fény m ib en létére v o n atkozó tu dom ányos érdeklődés a 20. század végén is igen élénk. N e m véletlen, hogy E instein m integy száz évvel ezelőtt ezt tartotta a fizi
ka egyik legizgalm asabb problém ájának. K onkrétan a fény terjedését értette ez
alatt. A szem lélet szám ára n eh ezen fogható fel, hogy a fény terjedési sebessége az egym áshoz képest egyenletesen m ozgó vonatkoztatási rendszerekben ugyanaz az érték. E n n ek felism erése vezette ő t arra, hogy a fénysebesség vonatkoztatási rendszertől független voltát tette m eg a speciális relativitás egyik alapfeltevésének.
Az optikában kifejlesztett precíz kísérleti m ó d szerek et igen széles k ö rben al
kalm azzák a kapcsolódó tu d o m án y terü lete k en , a m űszaki tiadom ányokban és az orvosi gyakorlatban. Például a száloptikán alapuló diagnosztikai eljárások és se
bészeti beavatkozások lenyűgöző ered m én y ek et m u tatn ak fel napjainkban.
Az optika tém akörébe tartozó vizsgálatok m indegyikét n em te k in th e tjü k át, csupán n éh á n y fontosabb és a fejlődési irányt m u ta tó kutatásra té rü n k ki. M in d en e k elő tt a lézerfizikai kutatásokat kell m egem líteni, am elyek az u tó b b i há
ro m -n é g y évtized legfontosabb optikai kutatásait jelen tik . D e m ie lő tt ennek részletes ism ertetésére rátérünk, m eg kell e m lék e zn ü n k a spektroszkópiai vizs
gálatokról. E zek jelen tő ség e főleg az alkalm azások szem pontjából igen fontos.
A spektroszkópia m ár a 19. század vége felé nagyszerű ered m én y ek et h o z o tt az anyag szerkezetének a kutatásában. E lsősorban a csillagászati alkalm azások em lí
tendők, am elyekkel következtetni leh etett a fényforrásként szereplő csillagok fénykibocsátó anyagára, teh át szerkezetére. Az ilyen jelleg ű vizsgálatok kifin o m u lt m ódszerekkel kiegészülve m a is je le n tő se k nem csak a csillagászatban és űrkutatásban, de az ipari technológiai folyam atoknál is.
K étségtelen, hogy a lézerfizikai kutatások v an n ak a fejlődés fő vonulatában.
A fizikának ez a fejezete egészen fiatal, hiszen 1962 óta állítanak elő lézereket, te
hát az u tó b b i évtizedekben fejlődött ki. A kezdeti évtizedekben a kutatás közép
pontjáb an az újfajta lézerek, új technikák tanulm ányozása állt. Egy új lézer kifej
lesztésének fő m otivációja a jelen ség ek jo b b m egértése. Az a kérdés, hogy m ire használható, n em já tsz o tt d ö n tő szerepet. Az 1990-es évekre a helyzet gyökere
sen m egváltozott, m a m ár a lehetséges alkalm azások állnak a kutatás és fejlesztés középpontjában. E n n ek m egfelelően az egyik fő irány a hosszú élettartam ú , sta
bil lézerek építése. F őképp ezzel m agyarázható a fokozott érdeklődés a szilárdtestlézerek, illetve ezek hullám hossztartom ányának kiterjesztéseire irá
nyuló kutatások iránt.
U gyancsak az alkalmazási lehetőségek állnak a félvezetőlézerek terén m u tatk o zó gyors fejlődés és az elért nagyszerű eredm ények hátterében is. A diódalézer - lényegében tíz év alatt - laboratórium i érdekességből a m in d en n ap o k eszközévé vált. A m o d e rn távközlés vagy inform ációtárolás m a m ár elképzelhetetlen dióda
lézerek nélkül. A fejlődés nem csak technikai értelem ben volt látványos, hanem például a kvantum völgyszerkezetek kidolgozására, a szilárdtestfizika fejlődésére is jelen tő s hatással bírt. A lézerdiódák m egbízhatóságának és élettartam ának növelé
se m ellett jelen leg - és valószínűleg a következő években is - a kék hullám hossz- tartom ányban m űködő diódák fejlesztése áll az érdeklődés középpontjában.
A lézerfizikában alkalm azott technika gyors fejlődése azt is eredm ényezte, hogy bizonyos lézerfajták - param étereik javításával - alkalmasakká váltak a széles körű felhasználásra. A legfeltűnőbb példát a fem toszekundum os lézerek szolgál
tatják. A néhány éve m ég csúcsteljesítm énynek szám ító 20 fs-os im pulzus-időtar- tam m a m ár standardnak számít, és a világ számos laboratórium ában folynak ru tinszerű m érések ilyen készülékekkel. Az utóbbi időben igen fontos eredm ények születtek a fem toszekundum os m olekuláris dinam ika, a kvantum rendszerek opti
mális ellenőrzése, az ultragyors biológiai folyam atok tanulm ányozása, illetve az időben b o n to tt anyagszerkezeti vizsgálatok terén.
A fem to sze k u n d u m o s technika fejlődésével függ össze a nagy intenzitású fény és anyag kölcsönhatásának vizsgálatában az utóbbi id ő b en elért, szinte bá
m u lato s eredm ény. M a m ár a világ több helyén végeznek kutatásokat lO^'-lO^“
W /cm ^ in tenzitású fénnyel. Ilyen k ö rü lm én y e k k özött az anyagnak teljesen új je lle m z ő i je le n n e k m eg, például egy ilyen in tenzitású fény elek tro m o s teréb en
egy elek tro n m ár fél p erió d u s alatt relativisztikus energiákra gyorsulhat.
A lézeres eljárások az anyag különleges állapotainak előállításában is látványos ered m én y ek e t hoztak. P éldaként em lítjü k a lézeres hűtéssel elért eredm ényeket.
A m o d e rn optikához kapcsolódó elm életi kutatások részben a kísérleteket szolgálják, de je le n tő se k a k im o n d o ttan elm életi indíttatású vizsgálatok is. Ilyen például a fény különleges állapotainak tanulm ányozása, am ely a kvantum elm élet szem pontjából tek in th ető fontosnak, m e rt a kvantu m m ech an ik a fundam entális kérdései ism ét az érdeklődés h o m lo k te réb e n állnak.
V égül m egem lítjük, hogy az optikai technológiák az u tó b b i id ő b en egyre n ö vekvő szerepet játszan ak a m o d ern anyagtudom ányban. A felületek m ik ro - m egm unkálása, az optikai rétegleválasztás, a különleges anyagok (pl. gyém ánt
szerű szén), illetve szuperrácsok előállítása igen fontos gyakorlati alkalm azásokat tesz lehetővé.
M in t m ár em lítettü k , a lézerfizikában az utóbbi k ét-h á ro m évtizedben elért fejlődés olyan széles terü le te t ölel fel az alkalm azásokkal együtt, hogy csak felvillanásszerűen té rh e ttü n k itt ki a legfontosabb jellem zőkre. Az optikára ala
p o z o tt technikai alkalm azások, m in t pl. a távközlés legújabb m ódszerei vagy a m ár ugyancsak e m líte tt orvosi alkalm azások talán m ás diszciplínáknál kapnak súly u k n ak m egfelelő em lítést.
Rátérve a hazai optikai kutatásokra, m ár bevezetésként m egem líthetjük, hogy a lézerfizikai tém ák ném elyikében nem zetközi m ércével m érve is az élvonalban álló kutatásokhoz kapcsolódunk és az elért eredm ények is ilyenek.
M ik é n t a m e g e lő z ő fe jez ete k n él tettü k, itt is m e g e m lé k e z ü n k az e lő d ö k r ő l. A n nál is ink ább te h etjü k ezt, m e rt e z e n a téren is k itű n ő ta n ító m e ster e k v o lta k m in d az elv i k érd é
se k kutatásában, m in d az alk alm azások h oz k a p c so ló d ó alapkutatásokban. A z elő b b iek e t tek in tv e S e lén y i Pált é s J á n o ssy Lajost kell m e g e m líte n ü n k . S e lén y i n a g y szö g ű in terfe
ren ciak ísérlete az e le k tr o m á g n e se s sugárzás k orp u szk u láris j e lle g é n e k a h e ly es é r te lm e z é sé h e z n yú jt fo n to s kísérleti tá m p o n to t. E in ste in k e z d e tb e n a fo to n t ú g y g o n d o lta , h o g y az kis térszö g b e k ib o csá to tt v ég es h u llá m v o n u la t, ú n . tűsugárzás. S e lé n y i k ísérlete e z t a ké
p et cáfolja. J á n o ssy Lajos és N áray Z s o lt fo to n k o in c id en ciá s k ísérlete u gyan eb b e a tém a k örb e tartozik. A zt igazolták, h o g y az a z o n o s fén yforrásb ól k ib ocsátott, m ajd k e tté o szto tt és újra e g y esíte tt k o h er e n s fén yn yaláb ok akkor is interferálnak, ha o lyan g y e n g e a fé n y in ten zitá s, h o g y csak e g y fo to n van egyszerre a b e r en d e zé sb en . M ás sz ó v a l k ifejezv e, a „fo
tó n ön m ag á v a l m terferál”. A fotonra, a m ech an ik ai részecsk ek ép n e m v ih e tő át, h a n em arról van sz ó , h o g y a fo to n az e le k tr o m á g n e se s sugárzás gerjesz tettsé g ét adja m eg: az en e rg iá t é s im p u lz u s t m in d ig hv, ill. h v /c adagokban adja le vagy v e sz i fel. S o h a se m tö re
d é k fo to n e m ittá ló d ik v agy abszorbálódik . A h u llá m k ép az állap ot leírását és terje d ését j e l lem z i.
A hazai optikai k ísérletek m ásik korábbi szakasza a v illa n y ég ő - és a fénycsőgyártást m e g alap ozó és fejlesztő kutatásokkal van kapcsolatban. Itt P feiffer Ignác, Bay Z o ltá n , B ródy Im re, M illn e r Tivadar, S zigeti G y ö rg y és W in ter E rn ő n evét kell m e g em líte n ü n k , m in t a T u n g sr a m kutatólaboratórium ának munkatársait. B ród y n e v é h ez fű z ő d ik a kriptonnal tö l
tött lám pa b ev ezetése. A k riptongáz m egakadályozza a w olfram szál elpárolgását. B ay é s S zi
geti az e lek tro lu m in eszcen s fényforrások terén értek el h aszn osíth ató e re d m én y ek et. G ábor D é n e s is eb b en a laboratórium ban d o lg o z o tt k ezd etb en . A z ő n e v éh ez fű z ő d ik a plazm a
lám pa felfed ezése , de világh írn evet a holográfia felfed ezésé v el szerzett. A z a felism erés v e ze tte, h o g y a tök életes optikai képalk otáshoz n em csa k a fé n y am plitúdóját, h a n em fázi
sát is fel kell haszn áln i, h o g y teljes in form ációt, vagyis térbeli képet kapjunk. E lm éle tét 1 9 4 6 -1 9 5 1 k ö z ö tt publikálta (ekkor m ár A ngliában élt), d e m eg fe le lő k o h er en s fényforrás
ok n e m álltak ren d elk ezésére, ezért a h o lo g r a m m o k gyakorlati előállítása a lézer fe lfe d e zé sé ig (1 9 6 2 ) váratott magára. A h olográfia felfed e zé sét 1 9 7 1 -b e n N o b el-d íjja l jutalm azták.
A sp ek tro szk ó p ia i ku tatások nak is szép h agyom án yai v oltak hazánk ban . A z 1920-as é v ek tő l k e z d ő d ő e n S c h m id R e z s ő és G erő Lóránt v é g e z te k m o lek u la sp ek tr o sz k ó p ia i k u tatásokat k e ttő - és tö b b a to m o s m o lek u lá k o n . E b b ő l k iin d u lv a B u d ó Á g o s to n (S z e g e d ) és K ovács István (B u d ap est) m e lle tt alakultak ki n e m z e tk ö z ile g is e lism e r t m o le k u la sp ek tro szk ó p ia i iskolák, a m e ly e k k ü lö n ö se n a k é ta to m o s m o lek u lá k sp ek tru m ára, a n m l- tip lett term ek re és in ten zitá selo szlá so k ra von atk oztak . S z e g ed en m ár a század e ls ő fe lé b en F rö h lich Pál m e lle tt folytak optikai kutatások. Ő e lső so rb a n a kristályok fo sz fo r- eszcen ciájával foglalk ozott. 1 9 5 0 -b e n B u d ó Á g o sto n követte ő t a K ísérleti Fizikai T a n szék élé n . A z ő irányításával kialaku lt iskola a m o lek u lá ris lu m in e sz c e n c ia j e le n s é g é v e l fo g la l
k o z o tt k ü lö n fé le a sp ek tu so k b ó l. A je le n s ég r e v o n a tk o z ó ren d k ív ü l p o n to s m é ré sek k el m eg h a tá ro ztá k a j e lle m z ő param éterek et. A lézer fe lfe d e z é se után a S z e g e d i E g y e te m e n a lu m in e sz ce n c iá ra v o n a tk o zó vizsg á la to k h ely éb e a lézerfizik ai k u tatások lép tek . K ü lö n fé le té m a k ö r ö k b e n a n e m z etk ö z i é lv o n a lh o z tartozó kutatásokat v é g e z n e k sz é p er e d m é n n y e l.
A szegedi egyetem en folyó lézerfizikai kutatások m ellett a B M E Atomfizikai Tanszékén, valam int a KFKI Szilárdtestfizikai és O ptikai K utatóintézetében végez
nek igen értékes, nem zetközileg is elism ert kutatásokat a lézerek és a n em lineáris optika terén. A tém akörök felsorolása helyett csak arra szorítkozunk, hogy kiem el
jük: ezek a kutatások alapkutatás jellegíiek, eredm ényeiket számos területen - kivált a biológiában és az orvosi gyakorlatban - felhasználják.
Szilárdtestfizika és fizikai anyagtudomány
A szilárdtestfizika és a fizik a i anyagtudomány az egyik legfontosabb ága a m o d e rn fizikának, am ely k o ru n k technikájának és technológiájának alapját adja. A szilárdtestfizika a fizika tu d o m á n y részeként a szilárd halm azállapotra v onatkozó
m akroszkopikus és m ikroszkopikus ism eretek és jelen ség ek m egism erésével, azok m ennyiségi leírásával, rendszerezésével, és a m egtlgyelt jelen sé g ek értel
m ezésével foglalkozik.
A szilárd anyag m akroszkopikus tulajdonságai m in t m eg m éren d ő param éte
rek je le n te k m eg a 19. század fenom enológiai elm életeiben: a rugalm asságtan
ban, a term o d in am ik áb an és az elektrodinam ikában.
E ze n jelen ség ek m élyén m egbújó atom i m ech a n izm u so k m egértésére szüle
tett m eg a szilárdtestfizika a 20. században. L étrejötte két esem ényhez kapcsol
ható. Az elektron felfedezése u tán a fém ek fizikai tulajdonságainak a leírására P. D ru d e , m ajd H . A. L orentz szabad elek tro n o k o n alapuló m o d ellt javasoltak, m e g érten d ő azt például, hogy m iért vezeti az elektrom os áram o t a fém , és m iért n e m vezeti a szigetelő. M ajd 1912-ben M . v o n Laue, W. F ried rich és P. K nip- p in g elm életileg, illetve kísérletileg bizonyították a kristálybeli ato m o k p erio d i
kus elrendeződését. E zek a korszakalkotó ered m én y ek atom i szintre, elektron- állapotokra és „katonás re n d re ” egyszerűsítették például a gyém ánt tökéletes szépségét és a grafit használhatóságát. A fekete test sugárzására a P lanck által ki
d o lg o zo tt kv an tu m h ip o tézisen alapuló eljárásnak a szilárdtestek rezgéseire való alkalm azása m egm agyarázta a fajhő alacsony hőm érsék leten való viselkedését.
A perio d ik u s h áttérb en m ozgó elektron k vantum m echanikai leírása és a F erm i- féle statisztika alkalmazása választ adott arra, hogy m i a külö n b ség a vezető és a szigetelő között. Ez v ezetett hosszú távon a félvezetők m egértéséhez. A tranzisz
to r felfedezése 1947-ben d ö n tő fordulat volt. F orradalm asította az elektronikát, és hosszú távon a m o d e rn inform atika kialakulását eredm ényezte.
A klasszikus szilárdtestfizika tehát a h atárok nélküli - vagy a végtelenséget p e
riodikus határfeltétellel helyettesítő - tökéletes szerkezetet tek in tette kiindulási alapjának. A reális szilárdtestek leírására azonban ez az ideális m odell n em elég
séges. K ülönböző rácshibákkal, geom etriai és kém iai rendezetlenségekkel, a fe
lület és m ére t hatásának a figyelem bevételével bőv ü lt a terület. M a m ár a hosszú távú kristálytani re n d e t egyáltalán n em m u ta tó a m o rf állapot, illetve anyag, vala
m in t a „lágy” szilárdtestek, például folyadékkristályok is a szilárdtestfizikusok érdeklődési körébe tartoznak.
A klasszikus szilárdtestfizikát alapvetően kibővítette az anyagtudom ánynak nevezett m ultidiszciplináris kutatási tevékenység m egjelenése és robbanásszerű fejlődése. Az anyagtudom ány a klasszikus tu d o m án y terü lete k közül a fizika több ágát (szilárdtestfizika, statisztikus fizika, term o d in am ik a stb.), a kém ia és m űszaki tu d o m án y o k bizonyos fejezeteit tek in th eti elődjének. K iindulásának sokan a tranzisztor 1947. évi felfedezését tekintik.
E zek az ism eretek végül is a term észetb en adott összetételben és form ában elő n e m ford u ló anyagokban és használati eszközökben testesü ln ek meg. E szkö
zeink anyaga m ó d o t ad o tt az em beriség tö rté n e lm é n e k egyfajta - időszakokra tö rtén ő - bontására.
A j ó l ism e rt p e r ió d u so k a k ők orszak ok tól a r éz-, b r o n z -, v a sk orszak on k eresztü l nap
ja in k in form atik ai anyag-, és m e ster sé g e se n e lő á llíto tt p olim erk o rsza k á ig v e z e tn e k . N e m k ö z tu d o tt, h o g y az e m b e risé g n e k e z e n a n y a g sze m léle tű fejlő d ési szakaszait e g y id ő b en te c h n o ló g ia fe jlő d é s is kísérte. E z e k a k orok se m a h a szn á lt anyagok , se m az alk alm azott te c h n o ló g iá k sz em p o n tjá b ó l n e m lezártak; m a, a sz é d ü le te s e n n ö v e k v ő telje sítő k é p e ssé g ű fé lv e z e tő e sz k ö z ö k , a m á g n eses és optikai in fo rm á ció tá ro ló k és p o lim e r e k korában is a le g fo n to sa b b szerk ezeti an yag m aradt az acél, az ók ori ered etre v issz a n y ú ló c e m e n t mai változatai p e d ig a m o d e r n é p ített k ö r n y e zet m e g h a tá ro zó anyagát adják. A z id ő , korábbi sz e r e p é t tú ln ő v e , k o ru n k b an je le n ik m e g új d im e n z ió k é n t az a n yagtu d om án yb an ; a leg tö b b fe lh a szn á lt anyag term o d in a m ik a i é rte le m b e n m etastab il, k ö v e tk e z ésk ép p e n a tu d o m á n y n a k v á laszoln ia kell arra a kérdésre is, h o g y a b e lő le k é sz ü lt e sz k ö z m e d d ig h aszn ál
ható. E b b e a kategóriába nagy érték ű n e m z e ti vagyontárgyak (hidak , e rő m ű v ek , c ső v e z e ték ek stb .) tartoznak. A kutatás tárgya tehát n em c sa k e g y „új an yag”, h a n em pl. eg y „öreg h íd ” is le h et, célja p e d ig az é le tte le n anyag ö r eg e d é sé n e k é s fáradásának a m e g ér tése.
E z ze l a társadalm i háttérrel fejlő d ö tt ki, és alakul m a is a tu d o m á n y fe jlő d é s sajátos tör
v é n y e i sz e rin t a szilárd testfizik a és az a n y a g tu d o m á n y fizik u si m e g k ö z e líté sű része, a fiz i
kai atiyaj^tudomáfiy (S Z T F -F A T ).
A szilárdtestfizika szem léletében sohasem k ü lö n ü lt el a fizika többi ágától, felhasználja az ato m - és m olekulafizika eredm ényeit, a statisztikus fizika, a te r
m odinam ika, a kvan tu m elm élet által nyú jto tt m ó dszertani lehetőségeket. M ó d szerei interdiszciplinárisak, e red etü k az ato m - és m agfizikában, az elek tro m ág neses h u llám o k teljes tartom ányában alkalm azott eszközeiben stb. keresendő.
Példaként a neutronfizikai m ódszerek, a M össbauer-spektroszkópia, az elektron
mikroszkópia, vagy a nukleáris mágneses rezonancia em líthetők.
A szilárd anyag kutatásának a fenti értelem b en kibővült kérd ésk ö rét az alábbi sarokpontokból kiindulva közelíthetjük meg; a vizsgálat tárgyát képező anyag és/vagy m odell; a tan u lm án y o zo tt jelenség; az alkalm azott elm életi és/vagy kí
sérleti m ódszer; és a k itíízött cél lehet, vagy ezek kom binációi leh etn ek a p rim er m eghatározó(k). A négy m eghatározó elem rangsorában a szilárdtestfizika egy adott je le n sé g vizsgálatát és célként az alapism eretek bővítését helyezi előtérbe, a fizikai anyagtudom ány első m otivációja a vizsgálandó anyag, célja pedig általá
ban egy k o n k ré t anyaghoz vagy alkalm azáshoz kapcsolódik. Közös m in d k e ttő ben a m ennyiségi leírás és a fizikai hajtóerők m egism erésének a szándéka.
A világban folyó S Z T F -F A T -k u ta tá st elem ezve, m egállapíthattuk, hogy a
„C o n d en sed M a tte r” tém ájú cikkek száma állandó em elkedést m u tat, hasonlóan az interdiszciplináris fizika eredm ényeihez, továbbá m eg h atáro zh attu k a legaktí
vabban m íjvelt területeket, bizonyítva azt, hogy a hazai kutatógárda is ezeken a terü le te k en dolgozik. Jelesül, a legfontosabb hazai kutatási terü le te k et az ala
csonydim enziós, erősen korrelált és kom plex rendszerek; a folyadékkristályok;
