ÉRTELEM VAGY ZŰRZAVAR?
ÉRTELEM VAGY ZŰRZAVAR?
A csészébe kitöltött forró tea kihűl asztalunkon. A kötélen lengő súly – hacsak időnként meg nem lökjük – előbb-utóbb megáll. Az óra lejár, ekkor fel kell húzni (vagy új elemet kell beletenni). A gyermek nő, majd a felnőtt öregszik. A jövő különbözik a múlttól, az időnek megfordíthatatlan iránya van. Az energia ugyan megmarad (ez a hőtan Első Főtétele), de fokozatosan szétszóródik a környezetbe, ezáltal elértéktelenedik (ez a hőtan Második Főtétele).
Múlt századok fizikája számára ez nehezen volt megérthető, hiszen Newton mechanikája vagy Maxwell elektromosságtana megengedné a folyamatok megfordítását: oda-vissza lefolyását, periodikus ismétlődését az idők végtelenségéig. De ez csak közelítése a valóságnak: siklásunk jégpályán is lassul, ha lökésekkel nem segítjük azt, ezenközben elfáradunk, megéhezünk: ennivalóra van szükségünk, hogy pótoljuk a súrlódás során elvesztegetett energiánkat.
A természeti folyamatok megfordíthatatlanságát a 19/20. század fordulóján az osztrák Ludwig Boltzmann magyarázta meg a fizikusoknak. Környezetünk minden tárgya, saját testünk is nagyon-nagyon sok atomból-molekulából épül fel. Ezek a molekulák szüntelen mozgásban vannak. Előfordul, hogy nagyjából egy irányba haladnak, mint a jégen sikló korcsolyázó vagy az úton guruló labda esetében, de közben a tárgy és környezet molekulái ütköznek egymással, lökdösik egymást, így egyenirányított energiájuk előbb-utóbb szétszóródik. Egyirányú áramlás statisztikai szükségszerűségből előbb-utóbb kaotikus kavargásba torkollik: rendből a természeti folyamatok során rendetlenség támad. Világunk sok-sok atomból tevődik össze, ebből következik az idő megfordíthatatlansága. Boltzmannak ez a felismerése teljesen új nézőpontot hozott világképünkbe, mondhatjuk: sokkolta a tudósokat. Ezt érzékelve Berlinben egy fiatal egyetemi hallgató, Szilárd Leó arra beszélte rá Albert Einsteint (akit érdekelt a molekuláris zűrzavar, és aki éppen akkor kapott Nobel-díjat), hogy a tanrendben hirdessen meg a hallgatóknak egy szemináriumot statisztikus fizikából. Ennek a tudománytörténeti jelentőségű szemináriumnak olyan magyar résztvevői is voltak, mint Gábor Dénes, Korodi Albert, Neumann János, Wigner Jenő – és persze Szilárd Leó. Szemük előtt bontakozott ki ez az új tudományág, hogy majd a 20. század második felének uralkodó szemléletévé váljék.
Az egyetem elvégzése után Szilárd Leó fölkereste Max von Laue professzort, ajánljon témát doktori disszertációjához. A Nobel-díjas tudós a relativitáselmélet köréből javasolt valamilyen problémát, amit Szilárd bonyolultnak és számára érdektelennek ítélt. Amikor 1921-ben elérkezett a karácsonyi szünet ideje, Leó pihenni készült:
– Azt gondoltam, hogy karácsony nem a munka, hanem a kalács ideje, ezért úgy döntöttem: azon gondolkozom, ami épp eszembe jut. Nemsokára olyan gondolatok támadtak bennem, amiknek semmi közük sem volt a relativitáselmélethez. Nagy sétákat tettem, séta közben ötleteim támadtak. Amikor hazaértem, leírtam azokat. Másnap reggel új ötlettel ébredtem, újra sétára indultam, az ötlet kikristályosodott a fejemben, otthon azután azt is leírtam. Ötletek özöne támadt rám, amik közt több-kevesebb kapcsolat is volt. Így tartott, amíg egy teljes elmélet bontakozott ki előttem. Nagyon alkotó időszak volt, talán a legkreatívabb periódus egész életemben. Három hét alatt megszületett egy dolgozat, ami teljesen eredetinek látszott. De nem mertem megmutatni Lauénak, mert nem ez volt az, aminek a kidolgozását ajánlotta. De az egyik szeminárium után Einsteinhez léptem és arra kértem, hadd mondjam el, amit csináltam. Azt kérdezte: „Hát mit csinált?” Megmondtam neki. Einstein ezt válaszolta: „Ez lehetetlen! Ezt nem lehet megcsinálni.” Mire én: „Igen, de én mégis megcsináltam.” Einstein tovább kérdezett: „Hogyan?” Nem kellett neki több öt vagy tíz percnél, hogy megértse, és nagyon tetszett neki. Ez felbátorított, elvittem a kéziratom Laue professzornak, bevallva, hogy nem azt csináltam, amit ő javasolt, hanem valami mást. Furcsán nézett rám, de elvette a kéziratot. Másnap reggel csöngött a telefonom, Laue hívott. Azt mondta: „Kéziratát elfogadom doktori disszertációnak.” – (1925-ben Leó le is doktorált.)
Szilárdnak ez az 1925-ben megjelent tanulmánya a természetben előforduló hőmérséklet-ingadozásokkal foglalkozott. A hőtan Második Főtétele szerint semmikép nem lehet perpetuum mobilét, azaz energiapótlás nélkül örökké járó gépet szerkeszteni, tehát a természetben megfigyelhető spontán ingadozásokat sem lehet fölhasználni ilyenek üzemeltetésére. Ebből a tételből Szilárd a makroszkopikus termodinamika keretei közt levezette, hogy a hőingadozások képletében szükségképpen szerepel egy természeti állandó, amit ő – helyesen – a k Boltzmann-állandóval, tehát az anyagot alkotó építőkövekre utaló számadattal azonosított. Mindehhez nem használta föl eleve az atomok létének hipotézisét! Ez a tanulmány olyan mély benyomást tett Einsteinre, hogy abból hosszú barátság fakadt, aminek – mint láttuk – történelmi következményei is lettek.
A 19. században James Clark Maxwell az elektromosság elméletének kidolgozásával kivívta magának a tudományos világ elismerését. Ő kétségbe vonta, hogy a hőtan Második Főtétele intelligens lény jelenlétében is érvényes. Elképzelt egy gáztartályt, amelyet egy fal választ két félre. A válaszfalon kis kapu van, amelyet egy föltételezett intelligens lény kezel, aki látja a molekulákat: a jobbról érkező molekulák közül a gyorsakat átengedi, a lassúak előtt becsukja a kaput. A balról érkező molekulák közül a lassúakat engedi át, a gyorsak útját zárja el. Így bal oldalon gyors molekulák gyűlnek össze, jobb oldalon lassúak. A bal oldal gyorsabb molekuláinak bombázása jobb felé akarja eltolni a válaszfalat, minek a jobb oldal lassú molekulái aligha állhatnak ellent. A forró bal oldal és a lehűlt jobb oldal közt kialakított hőmérsékletkülönbség dugattyú eltolására, munkavégzésre, akár gőzgép hajtására is felhasználható lehet, így az intelligens Maxwell-démon megdöntheti a Második Főtétel érvényét. „A jövő fölfedezése” című tanulmányában Szilárd Leó kedvenc szerzője, H. G. Wells is azzal érvelt (Nature, 1902), hogy az emberiség a tudomány segítségével kikerülheti a világ mindenséget fenyegető hőhalált. Smoluchowski, a statisztikus fizika egyik előfutára mondotta:
– Ma úgy tudjuk, hogy a molekulák fluktuáló mozgása ellenére nem lehet olyan gépet alkotni, amely a hőt teljesen munkává volna képes átalakítani. De egy intelligens lény által üzemeltetett szerkezet talán képes lehet erre.
Szilárdot felizgatta a Maxwell-démon problémája. Talán legmélyebb (1922-ben írt, 1929-ben publikált) tanulmányában kimutatta, hogy a mérést végző, annak eredményére emlékező, tehát információt kezelő intelligencia sem vonhatja ki magát a természet törvényei alól. T (abszolút) hőmérsékletű környezetben kT átlagos energiával lökdösik egymást az atomok. Ebben a kaotikus zűrzavarban 1 bit információt (igen vagy nem) csak úgy tudunk biztonságosan megőrizni, hogy azt kT-nél magasabb energiaszintű polcra helyezzük. Szilárd Leó egyszerű memória-tároló gépet elképzelve ismerte föl, hogy az információ megőrzése energiát igényel, az információ mozgatása energiát használ el, így végső soron a gondolkodás is súrlódással jár. A környezet jelenségeit az általunk kívánt irányba terelhetjük, lokálisan és átmenetileg teremthetünk rendet (ezt teszi az élet és a technika), de ennek az ára még nagyobb rendetlenség kialakulása máshol (az élet és a technika szükségszerűen tápanyagot-tüzelőanyagot fogyaszt és környezetet szennyez). Ez a fölismerés az információelmélet alaptézise lett. Szilárd Leó tanulmányának 60 év előtti megjelenését (1929) tekintik ma az információelmélet születése napjának. Innen eredeztethető Szilárd Leó élethosszan tartó érdeklődése a rend és rendetlenség, élet és halál konfliktusa iránt. Mint Karl Eckart megjegyezte:
– Szilárd ugyanúgy megszüntette az anyag és szellem ősi időkből származó szétválasztását, mint ahogy Einstein föloldotta a tömeg és energia – kevésbé ősi – megkülönböztetését.
Szilárd Leó Berlinben Laue professzornak lett a tanársegéde, ami több erkölcsi, mint anyagi elismerést jelentett. Mint azt Korodi Albert a szerzőnek elmesélte, ezért foglalkozott Szilárd találmányokkal. Leghíresebb ötlete az volt, hogy a hűtőszekrények tartósabbak lennének forgó mechanikai alkatrészek nélkül, mert a pumpájuk forgás közben elkopik. Kitalálta a mágneses pumpát: csőbe zárt higanyon elektromos áramot vezet keresztbe. Ha erre merőlegesen mágneses térerősséget létesít, az áramra ható Lorentz-erő pumpálni fogja a higanyt forgó kerék nélkül is. Megkérte Korodi Albertet, akivel együtt nyerték meg Pesten az Eötvös-versenyt, hogy a mágneses pumpát tervezze meg műszakilag. Korodi mérnökhallgató volt Berlinben; megcsinálta a részletes terveket, elvégezte a számításokat és azt találta, hogy a mágneses pumpának nagyon alacsony a hatásfoka; ennek az az oka, hogy a higany elektromos vezetőképessége sokkal kisebb, mint a rézé. Egy hét múlva Szilárd újra fölbukkant, azt javasolva, hogy higany helyett nátrium- és kálium-fémek elegyét használják, ami szobahőmérsékleten szintén folyékony vezető. Korodi gyakorlati számításai viszont arra vezettek, hogy ez a fémelegy erősen korrodál, megtámadja azokat a huzalokat, amelyek hozzávezetik a villanyáramot, a veszélyes fémelegy az így támadt résen át kiszökhet a környezetbe. Einsteinnel találkozva Szilárd elpanaszolta nehézségeit. Pár perc gondolkodás után Einstein azt ajánlotta, hogy az áramot a tartályba az olvadt elegy szintje fölött kialakított légtérben vezessék be (és onnan ki), így a falon való átvezetés pontjai megóvhatók a korróziótól és a mágneses pumpa üzembiztosan működhet. Szilárd kérésére Einstein hozzájárult, hogy a szabadalmat kettejük neve alatt jelentsék be – talán így akarván segíteni Leót anyagi gondjain. Szilárd az Allgemeine Elektrizitätgesellschaft vállalatot rábeszélte a prototípus megépítésére. (Itt dolgozott Gábor Dénes.) A vállalat megbízásából Korodi Albert megépítette a masinát; az valóban működött, de túl sokat fogyasztott, ezért az ilyen hűtőszekrény nem terjedt el.
(Forróvíz helyett folyékony nátriumot kerengető mágneses pumpát ma a gyorsneutronokkal működő atomreaktorok hűtésére alkalmaznak, mert azok vízforraló reaktorokénál nagyobb hőmérséklete jó hatásfokot biztosít a villanygenerátornak. – „Vadászat a Vörös Októberre” napjaink bestseller regénye-filmje volt, benne a szovjet szuper-tengeralattjáró hajtóműve alkalmazta a mágneses pumpát annak zajtalan – katonailag felderíthetetlen – működése miatt.)
A fizikus Szilárd figyelme a harmincas években Londonban ismét a jövő tudománya, a biológia felé fordult. Az élettan terelte érdeklődését a radioaktivitás irányába, mert az – mint Hevesy György felismerte – a tápanyag útját követő nyomjelzőként betekintést ígért a biológiai folyamatokba. Mint Kürti Miklós elmondta, két kis táskával utazott. Egyikben pizsamája volt meg fehérneműi. A másikban pedig egy Geiger-féle sugárzásjelző és sok üres fém cigarettadoboz. Kürti egyszer észrevette, hogy a nemdohányzó Szilárd egy doboz cigarettát vásárol. A rákérdezésre ezt felelte: – Ezekbe a vékony falú cigarettadobozokba jól tudok különböző anyagokat tenni, hogy azok neutronokra gyakorolt hatását tanulmányozzam.
A Szent Bertalan Kórházban dolgozott T. A. Chalmerssel és Joseph Rotblattal. A kórház rádiumát fölhasználva megalkották a rádium-berillium neutronforrást, amelyben a rádium α-sugárzása neutront vált ki: α + 9Be —› 12C + n. A neutronokat biológiailag fontos szerepet játszó elemek atommagjaiba (például jódba) lőve előállítható azok radioaktív, tehát jól nyomon követhető izotópja. De hogy különítsék el a radioizotópot a kémiailag ugyanúgy viselkedő, a kutatás szempontjából viszont haszontalan stabil jód-izotóptól? Szilárd rájött, hogy a neutront bekapott jód-atommag a befogáskor fölszabaduló kötési energiától γ-sugárzás formájában szabadul meg. A γ-részecske kibocsátásakor az atommag visszalökődik, a visszalökés kiszakítja az atomot az őt fogva tartó molekulából, az így kiszabadított radioaktív jód-atomok már kémiailag elkülöníthetők a molekulákban kötve maradt stabil jód-atomoktól. (Szilárd–Chalmers-hatás.)
Leó épp a Szent Bertalan Kórházba tartott 1933. szeptember 11-én is, amikor Rutherford előző napi előadásán gondolkozva felötlött benne a neutronláncreakció lehetősége. Szilárd már tudta, mi a nácizmus és antiszemitizmus, tudta, hogy közeledik egy új világháború. Így – átmenetileg – föladta a biológiát és belépett a történelembe.
A 2. világháború után, a hirosimai és nagaszaki robbanás után ismét föltámadt Szilárd Leó biológia iránt mutatott érdeklődése, amit az egy évtizedes történelmi intermezzo megszakított. Ezt írta Niels Bohrnak (1950):
– Elvileg meg kellene osztanom az időmet a közt, hogy kitaláljam: mi az élet, és hogy megőrizzem azt a világ számára. Ahogy ma a világ kinéz, túl van azon, hogy meg lehessen menteni. Ez több időt hagy nekem a biológiára.
A 19. század klasszikus fizikája az életet a fizikán kívüli, fizikától idegen jelenségnek tekintette. Amikor a 20. században megszületett a modern fizika, ami a kémiai kötést is, a molekuláris információtárolást is, az időirányt is megmagyarázta, gyökeresen megváltozott a fizika és biológia viszonya. Sok kiváló fizikus fordult a biológia felé, köztük olyan Nobel-díjasok, mint Békésy György, Niels Bohr, Georges Charpak, Leon N. Cooper, Francis Crick, Max Delbrück, D. A. Glaser, Brian D. Josephson, Erwin Schrödinger, Francis Wilkins, Wigner Jenő. A 20. század első felében Szilárd átélte, amint a modern fizika a felszíni részletek analízise helyett sikeresen lenyúlt az alapelvekhez; úgy érezte, hogy erre a század második felében a modern biológia kínál lehetőséget. Sok tapasztalat halmozódott fel, kifinomultak a méréstechnikák, így elérkezett a biológiai alapelvek fölfedezésének ideje. A tőle megszokott impulzív módon kijelentette, hogy a biológia mint egzakt tudomány még nem is létezik, azt meg kell alkotni. Fred Reines Nobel-díjas fizikus elmondta a szerzőnek, hogy amikor az általa vezetett kaliforniai egyetemen modern biológia felé kívánták irányítani a hallgatók figyelmét, Szilárd Leóhoz fordultak tanácsért. Ő ezt ajánlotta:
– A fiatal hallgatók először doktoráljanak le fizikából, utána majd megfelelő módon lesznek képesek biológiát csinálni.
A háború után Groves tábornok kirakta Szilárdot a Metallurgiai Laboratóriumból, így a biofizika professzora lett a Chicagói Egyetemen. Itt elsősorban az időirány és evolúció kapcsolatának tisztázása érdekelte. A hőtan Második Főtétele szerint nincsenek hibátlan másolatok: a gyermek különbözik szüleitől, a kettéosztódott baktérium mindegyik egyede más lehet, mint az eredeti ős. Az így kialakuló változatok közül válogat a természet: annak kedvez, amelyik jobban illeszkedik adott környezetéhez. Ezt a darwini gondolatot próbálta megragadni a modern fizika eszközeivel Schrödinger és Delbrück, Watson és Crick. Szilárdot is a Második Főtétel működése érdekelte. Hogy a környezetek áttekinthetetlen változatossága helyett tiszta körülményeket teremtsen, tanítványával, Aaron Novickkal megépítette a kemosztátot. Ez egy zárt tartály, amelyben folyamatosan biztosíthatók a változatlan fizikai-kémiai körülmények, egyforma szinten tartva az élelmiszer és oxigén mennyiségét, a baktérium-népesség sűrűségét, így benne meghatározott környezet teljes fizikai és kémiai kontrollja alatt tanulmányozható a bakteriális reprodukció, mutáció, szelekció és illeszkedés, amik az élet alapfolyamatai. Ha valamelyik környezeti tényezőt ismert mértékben szándékosan megváltoztatjuk, ezáltal más tulajdonságú egyedeknek adunk előnyt. Így megfigyelhető és mérhető, hogy az evolúcióra milyen befolyással van a diverzitás, a mutációkeltő hatások intenzitása, a környezeti (táplálékszerzési) lehetőségek változásának sebessége. A Newsweek 1954. június 18-i száma így tudósított: – Egy joviálisan mosolygó kövérkés fizikus kijelentette, hogy először sikerült láthatóvá tennie az evolúciót. – Azóta ez a technika nagyon elterjedt az egzakt modern biológiában.
Sziporkázó ötleteinek végiggondolását Leó a biológiában is szívesen hagyta másokra. A Nobel-díjas Jacques Monod mondta róla: – Szilárd oly bőkezűen bánik ötleteivel, mint egy maori törzsfőnök a feleségeivel: mindenkinek ingyen ajánlgatja őket. – 1954-ben Monod előadást tartott arról, hogy az enzimek visszacsatolás által szabályozzák a sejtműködést. A megfigyelések szerint a baktériumok csak akkor termelnek laktozidázt, ha jelen van a megemésztendő laktóz (tejcukor). Ezt hallgatva Szilárd megjegyezte, hogy a negatív visszacsatolás (tiltás föloldása) gyakorlatilag hatékonynak szokott bizonyulni. Talán valami blokkolja a laktozidáz termelését, de ha laktóz megjelenik, az inaktiválja az inhibitort, így az emésztőenzim termelése megindulhat. Szilárd ötlete nyomán Monod részleteiben tisztázta a sejtek enzimlefojtó mechanizmusát, amiért megkapta az élettani Nobel-díjat (1965). Nobel-előadásában ezeket mondta:
– Persze mint minden más diák, én is tanultam, hogy kétszeri tagadás pozitív állítást jelent. A „dupla blöff” logikai lehetőségét meg is vitattuk az iskolában, felidézvén a póker-játék Edgar Allan Poe által adott analízisét. Ma már tisztán látom, hogy milyen vak voltam, amikor a biológiában nem vettem komolyan ezt a lehetőséget. Szilárd Leó – Párizson átutaztában – egy szemináriumi előadáshoz hozzászólva proponálta azt. Amikor megkaptuk a kísérleti eredményeket, eleinte nem voltunk teljesen biztosak azok értelmezésében. De ma már látom, hogy méréseink megerősítik Szilárd mélyreható „dupla blöff” intuícióját: a szabályozás a tiltás feloldása által működik a sejtben is.
Szilárdot olyan kérdések is foglalkoztatták, mint a biokémiai pszichoterápia, születésszabályozás, születő fiúk és leányok aránya és a rák. Búcsúztatóként Monod ezt írta Szilárdról:
– Lelke mélyén mindig biológus volt. Bizonyítja ezt egyik legelső fontos tanulmánya az értelem és káosz viszonyáról, meg az, hogy utolsó tanulmányának címe ez volt: „Emlékezet és visszaemlékezés.”
Késő évtizedeiben Szilárdot az idő megfordíthatatlanságának emberi megnyilvánulása: az öregedés folyamata foglalkoztatta (1959). Amikor a gyermek megszületik, génjeibe be van írva az élet receptje. Amint múlik fölötte az idő, szaporodó-pótlódó sejtjeiben – a hőtan Második Főtétele értelmében – egyre több másolási hiba szaporodik föl, de már születéskor sem hibátlanul precíz a szülőktől átvett génállomány. Szilárd Leó bevezette az öregedési találatok fogalmát. Szerinte a megengedhető kromoszóma-defektusok száma már születéskor meghatározza a várható emberi életkort. Akik kevés defektust örökölnek, és akiket ritkán támad meg új defektus, azok tovább élnek. A kemosztát Szilárd számára azt is lehetővé tette, hogy kísérletileg tanulmányozza baktériumpopulációk öregedési folyamatát.
A defektusgyarapodás elképzelt szabályozhatósága ihlette Szilárdot a Mark Gable Alapítvány meséjének megírására. A molekuláris zaj mélyhűtéssel csökkenthető. Ha valakit gyógyíthatatlan kór támad meg, mélyhűtéses álomba merülve fékezheti a betegség és öregedés folyamatát. Innen időnként fölmelegítve-fölébresztve tanúja lehet gyermeke növekedésének, felnőtté válásának, unokái megszületésének. Mélyhűtve akár azt is kivárhatja, míg betegségére az orvostudomány megalkotja a gyógyszert. Szilárd egyszer – a hidegháború nukleáris konfliktussal fenyegető tetőpontján – mondta Schrödingernek:
– Jó volna tudni, hogy ezen a bolygón elég hosszan fennmarad-e az élet ahhoz, hogy kideríthessük: voltaképp mi az élet?
