Megjelent: KAPU 2007.04, 70-72.

Biológia a kvantumszint alatt

A természeti erők három típusa

Életünk egyik legfőbb kérdése, hogy mi lesz velünk földi halálunk után. Erre a kérdésre végső soron a Világegyetemtől kapunk választ. Ha a Világegyetem anyagi, fizikai természetű, akkor létünk végső határa az anyagi lét, tehát földi testünk szétesése után életünk is elenyészik. Egyetlen kiút létezik a túléléshez: ha a Világegyetem nem élettelen. Ha viszont a Világegyetem élő, akkor van érzésvilága is, és ez a kozmikus érzésvilág megőrizheti legszebb, legnemesebb érzéseinket. Életünk alapkérdése tehát: élő vagy élettelen a Világegyetem?

Erre a kérdésre a lehető legalaposabb, legtárgyszerűbb választ kell kapnunk, hiszen az életünk függ tőle. Tudományos összefüggésben a Világegyetem élő vagy élettelen természetének kérdése azt jelenti: fizikai vagy biológiai törvények írják le a Világegyetemet?

A Természet alapvető megnyilvánulásai három viselkedés-típust mutatnak. Ezek a fizikai, a biológiai és a pszichológiai. Az tehát a kérdés, hogy ezek közül melyik az alapvetőbb. Az elmúlt kétezer évben ez az elsőrangú kérdés háttérbe szorult, és nem tisztázódott. Időközben azonban a fizika a legkidolgozottabb természettudománnyá vált: képes számot adni alapvető fizikai jelenségekről, sőt, úgy tűnik, szinte minden fizikai jelenségről, mégpedig részletekbe menően, számszerűen, rendszerint előrejelzésekre is alkalmas módon. Eszményi esetben a biológia is ilyen érett tudománnyá válhat.

A fizika minden egyes törvénye akár végtelen számú jelenséget képes magyarázni. A tömegvonzás törvénye például egyetemes, azaz minden testre vonatkozik az egész Világegyetemben, ráadásul nemcsak a jelen pillanatban, hanem a kozmikus idő teljes kiterjedésében, beleértve a legtávolabbi múltat és jövőt. Ha egy törvény magyarázó erején azt értjük, hogy egymaga hány jelenséget képes megmagyarázni, akkor az ilyen törvény magyarázó ereje számszerűen végtelen. Ennél hatékonyabb szinte nem is lehetne, egymaga minden fizikai jelenségben szerepet játszik! Csakhogy a világ gazdagabb annál, hogy kizárólag csak tömegvonzás irányítaná. A tömegvonzáson kívül létezik még három alapvető kölcsönhatás (az elektromágneses, a gyenge és az erős kölcsönhatás). Úgy tűnik, ezek a kölcsönhatások mind erőhatásokkal kapcsolatosak, és más erő nincs és nem is lehet a világban, hiszen akkor ez az eddig ismeretlen erő is erőt fejtene ki, és annak hatásait már észleltük volna.

Kétrészecske-kölcsönhatások és sokrészecske-kölcsönhatás

De vegyük észre, hogy ezek az alapvető erők mind két részecske kölcsönhatását jellemzik, és nem teljesen pontosan, hiszen a kvantummechanika határozatlansági összefüggése megenged egy szűk határt, amelyen belül a részecskék helyzete és sebessége nem adható meg egyszerre tetszőleges pontossággal. Elvileg nem zárható ki, hogy ezek az elemi részecskék világában fellépő parányi, de a fizika által megengedett eltérések egy olyan rendszerben, amely csillagászati számú ilyen részecskét tartalmaz, jelentős mértékűre nőhessenek. Vagyis a pár-kölcsönhatások mellett létezhetnek olyan tényezők is, amelyek a részecskék mikro-bizonytalanságait mérhető egésszé alakíthassák. Mivel pedig egyetlen korty vízben annyi atom van (a középiskolában tanultuk, hogy az Avogadro szám, amely megadja az egy gramm atomos hidrogéngázban levő atomok számát, kb. 6*10^23, hatszázmilliárdszor ezermilliárd, vagyis az egyes után huszonhárom nulla áll!), ahány csillag a látható Világegyetemben (kb. 10^22), ezért könnyen belátható, hogy minden szabad szemmel látható nagyságú test csillagászati számú részecskéből áll. A fizika által eddig vizsgált pár-kölcsönhatások mellett tehát mégiscsak létezhet a kölcsönhatások eddig figyelembe nem vett típusa, amelyben nem kettő, hanem egyszerre sok részecske hat kölcsön, elsősorban komplex, élő rendszerekben. Mivel a Természetnek egységesnek kell lennie, ezért minden bizonnyal a „komplex kölcsönhatás” vagy „biológiai sokrészecske-kölcsönhatás” elsődlegesebb, alapvetőbb a fizikai részecskepár-kölcsönhatásoknál.

És a valóságban léteznek olyan rendszerek, amelyeket a fizika mindmáig nem volt képes leírni, és ezek között olyanok is, amelyeket sohasem lesz képes leírni. Az ilyen rendszerek annyira összetettek, olyan szövevényes kapcsolatok hálózzák be őket, amelyeket a fizika az egyes részecskékre vonatkozó bonyolult egyenletek egymás utáni figyelembe vevésével sem fog tudni sohasem megoldani. A Természet összes, különlegesen összetett, komplex rendszere közül messze kiugróan az élő „rendszerek”, a biológia által vizsgált élőlények a legkomplexebbek. Az élő rendszerekben tehát könnyen előfordulhat, a fizikai tapasztalat egyetlen oldala sem tiltja, hogy különleges, a négy alapvető fizikai pár-kölcsönhatásra vissza nem vezethető hatások lépnek fel. Erre utal az élőlények a fizikaitól annyira jellegzetesen eltérő viselkedése is.

Az élet fenntartásának törvénye

Minden élőlényre jellemző ugyanis, hogy életét szeretné fenntartani. Ez pedig azzal jár, hogy minden élőlénynek meg kell „dolgoznia” érte, hiszen ha ugyanúgy történne az élő szervezetben minden, mint az ugyanolyan, de már halott fizikai testben, akkor gyorsan felbomlana, fizikai jellemzői (hőmérséklete, energiája, kémiai összetétele) nyílegyenesen a környezetéhez kezdene hasonulni, alakja is egyre jobban elmosódna, elkeveredne a környezet anyagával – ezt mondja ki a termodinamika híres második főtétele. Az élet fenntartása tehát egyenesen a környezettel való egyensúly ELLEN kell irányuljon. Az élőlények egyetemes tulajdonsága, hogy igyekeznek fenntartani a környezethez viszonyított energia-többletüket. Egy tollpihe energiája a viharban nem különbözik hasonló tömegű levegőétől. Viszont egy madár a környező levegőnél jóval több energiát sűrít magába, és ennek köszönheti, hogy képes módosítani röppályáját.

A fizika legalapvetőbb fogalma: a hatás

A tömegvonzás jelensége melletti egyéb fizikai kölcsönhatásokra külön alapegyenletek vonatkoznak. Kevesen tudják azonban, hogy a fizika összes alapegyenlete levezethető egyetlen egy, még mélyebb szintű törvényből: a legkisebb hatás elvéből. Ezért ezt a mélyebb szintű törvényt megkülönböztető névvel is illetik: elvnek, első elvnek nevezik. A legkisebb hatás elve a fizika legalapvetőbb elve. Ennek a magyarázó ereje a legnagyobb. Egymaga képes számot adni az összes alapvető fizikai jelenségformáról. De mit értünk a fizikai „hatás” fogalma alatt? A hatás fogalma a fizika leghomályosabb fogalmai közé tartozik, még a rettegett entrópia értelmezése körüli zűrzavart is felülmúlva. Mivel azonban itt tényleg a fizika egyetlen és szinte „mindenhatóan” központi jelentőségű fogalmáról van szó, érdemes megvizsgálni közelebbről! Állítom, hogy a hatás pofonegyszerűen megérthető, akárcsak a fizika olyan fogalmai, mint a tömeg, a sebesség.

Annyiban mindenesetre megegyeznek a fizikusok, hogy a fizikai „hatás” mértékegysége energia*idő. A gond ott kezdődik, hogy csak egyetlen olyan fizikai mennyiséget ismerünk, amelyik ugyanilyen dimenziójú lenne: és ez a Planck-féle hatáskvantum. Csakhogy ezzel sokat nem nyertünk, mert ez túl kis érték ahhoz, hogy szemléletes lehessen, ráadásul a kvantummechanikát a Nobel-díjas Feynman szerint is „senki sem érti”. És ha ez így van, vegyük elő józan paraszti eszünket, és keressünk egy olyan, mindannyiunk által jól ismert jelenséget, amelyet szintén energia*idő mértékegység jellemez!

Eddig, remélem, világos a gondolatmenetem. Most úgy néz ki, mintha valami nagyon nehéz lépés következne. Valójában egy pofonegyszerű lépés következik, csak éppen váratlan területen. Lássuk!

Ha az energiát már ismerjük, a keresgélés legelső lépése legyen a „teljesítmény”. Egy „izzó”, vagyis körte (villanykörte!) teljesítménye ugyanis rendszerint ismert: például háztartásainkban gyakoriak a 40 vattos (wattos, W), 60 wattos, 100 wattos égők. Ez a watt pedig azt jelzi, hogy mennyi energiát sugároz ki másodpercenként. Vagyis: itt is éppen úgy az energia és az idő szerepel, mint a fizikai „hatás”-ban. Csakhogy egy nagyon is lényeges különbséggel: a teljesítményben az időegységre jutó energia, a hatásban pedig az az egész idő szerepel, ami alatt az energiát felhasználjuk; ráadásul a teljesítményben az idővel osztani kell (időegység-re jutó energiát ad meg a teljesítmény), a hatás-ban pedig szorozni!

Gondoljuk most el, hogy mit jelent az, ha az energia és az idő szorzatát minimalizálni akarjuk (azt keressük, mikor a legkisebb a szorzat értéke), ahogy azt a legkisebb hatás elve teszi. Minél rövidebb ideig használunk fel egy adott mennyiségű energiát, a hatás annál kisebb lesz; akkor is kisebb lesz, ha a felhasználható energia kisebb. A fény például állandó energiájú, ezért rá a hatás csakis a jelenség időtartamától függ. Ha a legkisebb hatás elve a fényre vonatozó hatást minimalizálja, akkor – mivel az energia állandó – az időt minimalizálja. Valóban, két pont között a fény a lehető leggyorsabban, vagyis egyenes vonalban terjed! Most már kezdjük kapiskálni, miről van szó. A fény éppen ebben a vonatkozásában nagyon furcsán viselkedik! Úgy viselkedik, mint egy ember, aki gazdálkodik az idejével! A fizikai részecskéktől ilyesmit végképp nem várna az ember. Hogyan képes a fény kiválasztani a két pont között a legrövidebb utat? Ráadásul, ha a fény útjába papírlapot teszünk, oldalra viszont egy tükröt, a fény ismét a legrövidebb utat választva jut el ugyanabból a kezdőpontból ugyanabba a végpontba. Ennek a feladatnak a megoldása egy középiskolás gyereknek sem könnyű. Hogyan tudja akkor a fény felülmúlni a gimnazistát?

A hatás tehát első pillantásra úgy tűnik, valamiféle gazdaságossági mérőszám. Ha meggondoljuk, második látásra is. És ezért végtelenül idegenkednek tőle a fizikusok. A fizikai „hatás” legyen bármennyire is alapmennyiség, kilóg a fizikából. A fizika közepe – kilóg a fizikából? Itt valamiféle rejtélynek kell lappangania! De hát azért „Egyetemes Talányok” e rovat címe, hogy az ilyen jól megtermett talányokat sorra vegyük, megropogtassuk titkukat rejtő héjukat, és feltörjük! Hogy aztán a titok-páncél mögött lappangó igazságot ízletesen elfogyaszthassuk, vagy legalábbis, felismerhessük – ezután már könnyebb lesz mindennapi használatba venni, életünk javítására felhasználni.

A hatás értelmezése

Ezt a lépést, ami itt következik, tudtommal még egyetlen fizikus sem vállalta. Mert ami most következik, kedves Olvasó, egy olyan különleges lépés, amely bármely logikus is, kivezet a fizikából. Ha ugyanis a fizikai „hatás” gazdaságosságot jelent, vegyük komolyan! Vegyük komolyan, és vizsgáljuk meg, vajon nem azért nem találtunk energia*idő mértékegységű mennyiséget a hatáskvantumon túl a fizikában, mert éppen hogy nagyon is az élőlényekre jellemző mennyiségről van szó!

Az élőlények, és tudtommal egyedül az élőlények ideje az, ami számít. A fizikai testeknek meg sem kottyan az idő. Miért mérlegelnék, ha tudnának mérlegelni, ha tudnának gazdaságosságról gondoskodni? Az élőlények élettartama ugyanis rendszerint meglehetősen véges (tisztelet a kivételnek!). És ezért az idő az élőlények életében nagy kincs! Érték! Olyan kincs, amivel feltétlenül gazdálkodni kell, mert az élet elrepül, és aki mamlasz, szájtáti, hamar hoppon marad! Az idő tehát alapvető érték minden élőlény számára. A fizikai „hatás”-ban szereplő másik mennyiség, az energia pedig – hát mit ad Isten! – megint csak érték az élőlények számára! Az energia segítségével tudják fenntartani magukat egész élettartamuk alatt! Kezd összejönni! A hatás a kincsek kincse! Az energia szorozva az idővel, ez a mennyiség életünk legfőbb mérőszáma!

Valóban? Titokfejtés nem lehetséges ellenőrzés nélkül. Ellenőrizzük csak le, merthogy legyen most a jelmondatunk (és nemcsak a „gyengébbek” kedvéért): lassan a testtel! Ha ilyen alapvető kincs az energia, különösen a felhasználhatósági idővel szorozva, erre vajon még nem bukkant rá senki? Dehogynem! Ha kicsit körülnézünk a világhálón, pár perc alatt eljuthatunk oda, hogy felbukkanjon előttünk az életminőség fogalma. Az életminőség legfőbb mérőszáma, hogy hány évet élhetünk meg virgonc körülmények között, vagyis egészségesen, vagyis duzzadva az energiától. Nyilvánvaló tehát, hogy az életünk minőségét valóban éppen az életidő szorozva az életenergiával adja meg! Hű, de hangsúlyos lett ebben a megfogalmazásban az élet! Távol járunk már a fizika élettelen világától – de csak látszólag, hiszen tudjuk, hogy a fizikai legalapvetőbb mennyisége, a fizikai „hatás”, ahogy a Planck-féle hatáskvantum is. DE bocsánat, akkor ez mit jelent: hogy a fizika középpontjában megbújt maga – az ÉLET???

Ilyenkor azt szokták mondani, próbáljuk megőrizni a halvérűekre jellemző hidegvért (még ha történetesen melegvérűek vagyunk is), és haladjunk tovább! Lehetséges-e, hogy ha a „hatás” központi fogalom a fizikában, és az életben a legnagyobb kincs, akkor az életben is hasonlóan központi szerepet játszik? Egy biztos: a hatás az életünkben, mint életidőnk és életenergiánk szorzata, ha bármilyen szerepet is játszik, az biztosan nem a minimum keresése, mint a fizikában. Az ugyanis azt jelentené, hogy minél rövidebb ideig éljünk, és ezalatt minél kevesebb energiával tudjunk gazdálkodni. Ha már itt tartunk, akkor innen már csak egy lépés, hogy felismerjük: az életben a hatáselv szintén érvényesül, csak éppen nem minimumát, hanem éppen maximumát veszi fel! Minden élőlény arra törekszik, hogy minél több energiát minél hosszabb időn át használhasson fel!

Ha az ember új utat tör magának, meg kell küzdenie az akadályokkal, a felmerülő esetleges nehézségekkel. Ha eddigi eredményünk, amelynek kisütéséhez valószínűleg elég lenne bármely jóeszű középiskolás értelmi teljesítménye, igaz lenne, akkor itt a Természet egy új alapelvét találnánk meg, amely eltér a fizikától. És hogyan lehetne egy ilyen új alapelvet igazolni? Évszázados munkával, amelyre a fizikusoknak is szükségük volt, hogy eljussanak odáig, hogy belássák, a hatáselv a fizika első elve? Közelebbről megvizsgálva könnyen beláthatjuk, hogy itt egy érett gyümölcs hullik az ölünkbe. A fizika legkisebb hatás elvének nevezett elvét ugyanis a szigorú fizikusok, ha igazán szigorúak akarnak lenni, nem pontosan így mondják ki, hanem úgy: a fizikai folyamatokat a hatás szélső értékének keresése jellemzi. Vagyis éppúgy lehet itt minimumról, mint maximumról szó (tegyük hozzá: esetleg úgynevezett inflációs pontról; ha egy függőleges tengelyű parabolát minimum-vagy maximum-pontjánál függőlegesen kettévágunk, és ott az egyik felét megfordítjuk fejjel lefelé, a minimum-vagy maximum-pontból inflációs pont lesz)! Ugyanis nagyon ritkán, de időnként előfordul, hogy bizonyos különleges (gyakran csak mesterségesen létrehozható) körülmények között a fizikai jelenségek körében is a hatás maximuma valósul meg.

Nos, ha ez így van, akkor nem is annyira szükséges elvégezni újonnan felfedezett elvünk teljes körű bizonyítását! Hiszen akkor a biológia alapelve, a hatás maximalizálásának elve, a fizikában már általános alakban (szélsőértékekre) beigazolódott! És akkor a biológia törvényei ráadásul eleve nem mondanak ellent a fizikának!

Forró talajra érkeztünk. Innen folytatjuk, kedves Olvasó, a KAPU következő számában!

Grandpierre Attila

csillagász, zenész