Bevezetés a fizikába

Úgy képzelem, hogy már a legrégebben élt emberek, sőt, talán már az előemberek is feltették maguknak ezeket a kérdéseket: „Miért vagyunk itt? Mi a valóság lényege?" „Miért úgy épül fel a világ, ahogy azt tapasztaljuk?" Ezek azok a kérdések, melyeket a a mi tudományágunk próbál megválaszolni, a FIZIKA. A fizika, melyre úgy tekinthetünk – talán közvetlenül a matematika után – mint a legtisztább tudományra. Szóval ott a matematika, ami nagyon tiszta tudomány, és aztán, erre, mint szilárd alapra épül a fizika. És a fizika valóban megpróbálja a matematikát, és persze még néhány központi gondolatot úgy felhasználni, hogy megmagyarázza a természeti jelenségeket, a létező összes jelenséget, ami előfordul a világegyetemben. És persze a fizikusok lesznek az elsők, akik elismerik, hogy még éppen csak kezdjük megérteni a világ, a valóság lényegét, mindannak a lényegét, ami körülvesz bennünket. Sokszor azt gondoljuk, hogy a fizika olyan dolgokra korlátozódik, mint pl. a világűr, a csillagrendszerek jelenségei, vagy pl. hogy miképp juttassunk rakétákat a világűrbe, vagy hogy leírjuk a hullámok mozgását, vagy hogy különböző szerkezeteket építsünk. De a fizika valójában ennél több, ez az alapja az összes többi tudománynak. Gondoljunk pl. a kémiára, ha a kémiára, a vegyészetre gondolunk, végső soron ez nem más, mint az atomok közötti kölcsönhatások tudománya, és ezek a kölcsönhatások valójában a fizika szabályai szerint működnek. Szóval a kémia valójában a fizika által lefektetett alapokra épül. Vagy akár gondoljunk saját magunkra, a testünk, még a tudatunk, az agyunk is, mindez végső soron nem más, mint kémia és fizika. Végső soron mindez csak atomok közti kölcsönhatások eredője, és még a testünk működésének mechanikája is fizika. Szóval a biológia is, mindaz, amiből mi magunk felépülünk, ez mind a kémiára épül. Itt van tehát a biológia, ami a fizika alapjaira épül, ami pedig a matematikára épül, amit egész eddigi életetedben tanultál, és még fogsz is tanulni a jövőben. Szóval az az alapkérdés, amit valószínűleg már feltettél magadnak: – Na de minek is tanuljuk ez a sok matekot? – hát egyrészt, a matematika nagyon szép tudomány, de másrészt meg fogod azt is látni, hogy a matematika, majdnem a lehető a legtisztább és legegyszerűbb módja annak, hogy a világegyetem felépítését leírjuk. És egyre többször és többször fogjátok ezt észrevenni, ahogy egyre mélyebbre merülünk a fizikába. Az összes bonyolult, komplex jelenség, amit magunk körül látunk, legyen szó akár egy galaxisról, vagy az óceán hullámairól, vagy akár biológiai rendszerekről, azt fogjuk észrevenni, hogy hihetetlen nagy részüket le lehet írni némi igen elegáns matematika segítségével, amire építhetünk, és építkezhetünk folyamatosan. Egyszerű vagy elegáns matematika, mint például az, hogy az erő egyenlő a tömeg és a gyorsulás szorzatával. Az erőről és a gyorsulásról pedig vektoriális mennyiségekként fogunk beszélni. Fogunk olyasmiről beszélni, mint pl. az elmozdulás, és ezt is vektoriális mennyiségként fogjuk értelmezni, és hamarosan megtanuljuk, mik is pontosan azok a vektoriális és a skalár mennyiségek. Az elmozdulás egyenlő a sebesség és az idő szorzatával. Fogunk olyanokról tanulni, mint a gyorsulás, ami egyenlő a sebesség megváltozásával adott idő alatt. Azt fogjuk észrevenni, hogy már egy maréknyi viszonylag egyszerű dolog segítségével – a későbbi videókban majd sokkal jobban belemegyünk a részletekbe — meg tudunk magyarázni egy sor nagyon összetett, komplex jelenséget. És amit mindig is a legjobban szerettem a fizikában, és azt hiszem, ezt nem mindenki értékeli megfelelően, szóval gyakran, ahogy tanulod a fizikát, találkozol ezekkel a bonyolult formulákkal, képletekkel, meg ezekkel a komplikált problémákkal, de igazán szuper értékes, hogy rájössz, ezek mind ezekre az egyszerű alapokra épülnek. Azok közül a dolgok közül, amiket említettem, meg fogjuk ismerni például az energia fogalmát. Meg fogjuk ismerni Newton törvényeit. El fogjuk magyarázni, gondolkozni fogunk arról, hogy milyen ERŐK vannak a világban, hogy miért, hogy valójában miért léteznek ezek az erők. Az egésznek az a lényege, az egész arról szól, hogy megpróbáljuk értelmezni az univerzum összetettségét, megpróbáljuk előrejelezni, hogy mi fog történni, mindezt néhány egyszerű fogalomra alapozva. És ez a fizika lényege. Amikor a fizikára gondolunk, tudjuk, hogy az emberiség nagyon, nagyon régóta tanulmányozza. Biztos vagyok abban, hogy nem is tudjuk, kik voltak a legelső fizikusok. Akiket viszont azt hiszem, a legmeghatározóbb gondolkodóknak tarthatunk a fizikában, azok ezek az urak itt, a képen. És ők talán, mondhatjuk, a legkiemelkedőbb elmék a fizika történetében, de persze ez messze nem egy teljes lista. Mindenekelőtt biztosan ide akarjuk sorolni Isaac Newtont. Amikor elkezdesz fizikát tanulni, azon a módon kezdesz tanulni a világról, ahogy Newton értelmezte. Ő így gondolkodott: – Figyelj csak! A dolgok nem azért zuhannak a földre, mert mindig le szoktak zuhanni, csak mert ez már csak így van. Hanem van egy erő, ami hat rájuk, és talán ugyanez az erő, amely engem most a székemben tart, ugyanez az erő tartja a Földet a Nap körüli pályáján, vagy a Holdat a Föld körüli pályáján. Kidolgozta a gravitáció törvényét, a Newton-törvényeket, és ezekről fogunk tanulni, ahogy egyre jobban elmélyedünk a fizikában. És azt fogjuk látni, hogy a klasszikus mechanika, a newtoni fizika, a jelenségek egy nagyon széles körét tudja fantasztikusan pontosan leírni. De ahogy elérkezünk a korai huszadik századba, a fizika kezd egyre vadabb lenni, ahogy ekezdjük tanulmányozni az egészen kis méretekben zajló jelenségeket, és akkor itt van Max Planck, akitől a kvatummechanika származik, és aztán itt van Albert Einstein, akivel a nagyon nagy sebességek világába érkezünk, a fény sebességéhez, és rájövünk, hogy ez egy abszolút határsebesség. Semmi sem mozoghat gyorsabban a fénynél, ez elég elképesztő. És aztán itt van az általános és speciális relativitás elmélet, és elkezdjük észrevenni, hogy az univerzum bizonyos tekintetben bizarrabb, titokzatosabb és csodálatosabb, mint ahogy elképzeltük. De mindez a tudás, még az a modern fizika is, melyet Max Planck és Albert Einstein dolgozott ki, jórészt azokra az alapvető fogalmakra épül, melyek Isaac Newtontól származnak, sőt, még korábbi fizikusoktól is. Szóval ahogy belekezdtek a fizika tanulásába, és én tulajdonképpen afféle botcsinálta fizikus vagyok. Szerettem volna fizikus lenni, elképzeltem, milyen lenne. Mert mindez arról szól, hogy kiváncsiak vagyunk, miért vagyunk mi itt? Mi a valóság természete, lényege? Miért úgy történnek a dolgok, ahogy történnek? És ezek azok a kérdések, amelyekre a fizika megpróbál választ adni. Szóval, ahogy elkezdtek fizikát tanulni, szeretnélek titeket néhány olyan idézettel az utatokra bocsátani, melyek ettől a három úriembertől származnak. Az első kettő Isaac Newton-tól származik. „Az igazság mindig az egyszerűségben rejlik, sohasem a bonyolult vagy összekavart dolgokban." És ezt nagyon fontosnak tartom, mert a tanulmányaid alatt sokszor előfordulhat, hogy azon kapod magad, hogy formulákat próbálsz a fejedbe vésni, és a fogalmakat, a szavakat megjegyezni, de ha ezt teszed, akkor csak a felszínt kapirgálod. Ehelyett, ha megpróbálsz igazából belegondolni a dolgokba, abba, hogy mi honnan ered, akkor egyszerűbb és kézenfekvőbb gondolatokhoz juthatsz el. És így aztán közelebb kerülsz az igazsághoz. Nagyon szeretem ezt a másik idézetet is Isaac Newton-tól: „Nem tudom, hogy milyennek lát engem a világ..." „Nem tudom, hogy milyennek lát engem a világ, de saját magam előtt olyan vagyok, mint a tengerparton játszó gyermek, aki játék közben imitt-amott a szokottnál laposabb kavicsot vagy szebb kagylót talál, míg az igazság nagy óceánja egészében felfedezetlenül terül el tekintetem előtt." Úgy gondolom, hogy rengeteg dolog van, még akkor is, ha azt hisszük, hogy olyan sok mindent tudunk már, de mégis, még egy kis részét sem értjük annak, amilyen az univerzum valójában. És még egy olyan nagy gondolkodó is, mint Isaac Newton, felismerte ezt. És azt mondja: – Hahó, én csak itt szórakozom a tengerparton és felveszek egy-egy kavicsot, de ott a hatalmas óceán, amit még felfogni sem tudok." Elképzelheted, hogy egy idegen civilizációban, ami többezer évvel előttünk áll a fejlődésben a technológia és a tudomány terén, vagy akár néhány millió évvel, hogyan érzékelik a valóságot, lehet, hogy hangyaként látnak minket, abban az értelemben, hogy mi csak épp elkezdtük kapargatni a felszínét annak, ahogy a világ működik. Ez meg Max Planck-tól van: „Ha megváltoztatod azt, ahogy a dolgokra tekintesz, akkor a dolgok, amikre tekintesz, megváltoznak." Én eléggé mély gondolatnak tartom ezt, egyszerűen azért, mert igaz, hogy ahogy tanulod majd a fizikát, rájössz majd, hogy húha! - a legtöbb dolog, amit valóságnak tekintünk, ahogy most értjük a dolgokat, az ezeken az „erőkön” alapszik, de mik ezek az erők? És például ezek a dolgok, amikről azt gondoljuk, hogy szilárd testek, ha lemegyünk az atomok szintjére, akkor azt látjuk, hogy főként üres térből állnak, és valójában csak az erők játéka az, ami miatt azt gondoljuk, hogy valami szilárd, vagy ott van, vagy kézzelfogható valamilyen módon. És akkor rájössz, hogy ezek a kézzelfogható dolgok valójában egyáltalán nem azok. Végső soron, az egész világ csak egy mentális modell, ami a fejünkben van. Bizonyos értelemben csak egy illúzió, amit az elménk hoz létre, hogy működésképesek legyünk a világban. De igazából még alig kezdtük el megérteni. És végül, de nem utolsósorban, van még egy rakás klassz idézet ezektől a fickóktól és másoktól, de leginkább Albert Einsteintől. „A legszebb, amit megérhetünk, az élet titkának keresése. „Ez az az alapérzés, amely az igazi művészet és tudomány bölcsőjénél jelen van." Azt szeretném, ha ezt tartanád szem előtt, miközben a fizikát tanuljátok. Lesz olyan, amikor az alapvető eszköztárunkat fogjuk megépíteni együtt. Mi az, hogy vektor? Mi az, hogy skalár? Belemegyünk a matematikába, bebizonyítunk egyes formulákat. Ezek az eszközök, de aztán törekedni fogunk arra, hogy megértsük az alapvető jelenségeket. Hogy működik az univerzum valójában? És, miközben ezeket tanulod, néha nem fut át rajtad a hideg, vagy nem leszel libabőrös, mikor arra gondolsz, hogy az univerzum rejtelmesebb, mint gondoltad volna, az azt jelenti, hogy nem úgy tanuljuk a fizikát, ahogy a fizikát tanulnunk kellene.