Célkeresztben

Az előző, legelső bejegyzésben áttekintést adtam arról, miről is szól majd ez a blog, és néhány hasznos forrásra, olvasnivalóra hívtam fel a figyelmet. Népszerű közhely, hogy minden kezdet nehéz, de a feladat végeredményben nem volt túl bonyolult, hiszen - korántsem véletlenül - azokról a kérdésekről tettem említést, amelyek az életünket leginkább befolyásolják a mai világban, a forint árfolyamától a lehullott évi csapadékmennyiségen át az élet értelméig bezárólag. Nem tagadom, igen nagy falatnak tűnik a téma, de nincs is szebb vagy érdemesebb dolog, mint ezzel foglalkozni.

Ma az indítás második fázisába lépek, amely egyben magyarázatot is ad a blog címére. Kíváncsi vagyok, vajon mi jut mások eszébe, ha azt olvassák "a természet nyila". Jómagam talán valamilyen geológiai jelenségre, kőzetfajtára, éles sziklaalakzatokra, vagy az élővilágban előforduló metaforákra: tüskékre, fogakra, agyarakra asszociálnék. Természetesen obszcén értelmezések is lehetségesek (mint szinte mindenre ami hirtelen eszembe jut), de remélem, magas labdát azért nem adtam fel ezzel, alighanem hamar kiderül majd. Aki ugyanezekre a lehetőségekre gondolt, annak egyik tippje sem helyes, a kifejezés valóban egy metafora, az értelme viszont egész más, és kulcsfontosságú számunkra. Hogy érthetően meg tudjam fogalmazni, kissé messziről kell elindulnom: tekintsünk vissza a középiskolai fizikaórákra!

Tudom, hogy sokaknak ez felér egy tőrdöféssel, de sajnos elkerülhetetlen. Hőtanról lesz szó. A ma létező ipari civilizáció az energia bőségén alapszik, az energia mibenlétével és viselkedésével pedig a termodinamika, magyar nevén a hőtan foglalkozik. A hőtan első főtétele szerint az energia munkavégző képesség, amely nem keletkezik és nem vész el, csak átalakul egyik formájából a másikba. Munkavégzést jelent fizikai értelemben minden olyan erőhatás, amely elmozdulást idéz elő, tehát gyakorlatilag minden mozgás ide tartozik, amivel találkozunk. Az is, ha hangsebesség fölé gyorsítunk egy repülőgépet, és az is, ha futunk a vonat után. Az első főtétel egy egyszerűen átlátható egyensúlyról beszél, arról, hogy ha munkát akarunk végezni (például betont keverni, vagy akár csak az ujjunkat megmozdítani), akkor valahonnan el kell vennünk az energiát. Ezt a törvényt a legtöbben tökéletesen értik.

A második főtétel mér nem ilyen kedves hozzánk, nehezebb átlátni a következményeit. Számos megfogalmazása van, ezek közül elsőként hármat emelnék ki, amelyeket az iskolákban is oktatnak:

1) Nem létezik olyan folyamat, melynek egyetlen eredménye, hogy egy alacsonyabb hőmérsékletű test hőt ad át egy magasabb hőmérsékletű testnek.

2) A hőerőgépek hatásfoka mindig kisebb, mint 100%.

3) A világegyetem a rendezetlenség felé törekszik.

Látszólag teljesen különböző állításokat soroltam fel, de mindegyikben érezhető egy hasonló kellemetlen mellékíz. Kissé hasonlítanak Murphy törvényeihez, ami azt illeti, kellemetlen módon van is közük hozzá. A személyes kedvencem a harmadik megfogalmazás, amelyet gyakran említek meg rendszerető ismerőseimnek, amikor felelősségre vonnak esetenként előforduló hanyagságaim miatt... Szerintem el sem hiszik, hogy ez tényleg komoly természeti törvény, pedig nagyon is az.

Gondoljunk bele! Ha egy hidegebb testtől el tudnánk vonni a hőt egy melegebb testre, akkor nem lenne gondunk a fűtéssel, mert a ház mellett álló három hordó vízből kivont energiával fűthetnénk télen, még akkor is, ha az már megfagyott. Olcsó megoldásnak tűnik, ha működne, már alighanem mindenhol látnánk a hordókat a házak mellett... Ha a második megfogalmazást sértjük meg, akkor létrehozhatnánk olyan gépet, amely egy hőforrásból kivett hőt teljes egészében munkává tudná alakítani, azaz  a platón elhelyezett megfelelő három hordó vízből kivont hővel meghajtani a teherautót. Ezt az egyébként praktikus eljárást sem alkalmazzák. A harmadik állítás hangzatos formája még abszurdabb példákra ad lehetőséget, ha ez nem lenne igaz, akkor nemcsak a zoknik kerülnének elő összepárosítva a(z egyébként örökmozgó) mosógépünkből, hanem ilyen gépeket, sőt, tökéletesen programozható kvantumszámítógépeket úton-útfélen is találnánk, ott ahol a természetes folyamatok előállítják őket. Ilyennel sem találkoztam még, de szívesen veszem bárki jelentkezését, aki igen.

Az utolsó mondat az irónia mellett némi komolyságot is tartalmaz, mert a második főtétel statisztikai természetű. Elvileg előfordulhat, hogy a tóparti békák kuruttyolása Morse kódja szerint előadja Shakespeare Hamlet című drámáját, csupán elképzelhetetlenül kicsi a valószínűsége. Ez annak köszönhető, hogy a legtöbb makroszkopikus (nagy, sok részből álló) rendszerben a rendezetlen állapotok számához képest a rendezett esetek mennyisége elhanyagolható. Egy egyszerű példa szerint: ha feldobunk 100 dobókockát, akkor azon esetek száma, melyekben a 100 kocka azonos eredményt ad, egyenlő hattal, azon esetek száma, amelyben pedig különböző eredményt adnak, egy 77 jegyű szám (6^100-6). Mivel minden elemi esemény valószínűsége azonos, a rendezettség esélye enyhén szólva nem túl nagy. A legtöbb valós makroszkopikus esetben ennél sok nagyságrenddel kisebb a valószínűsége a rendezettségnek, így a főtétel meghiúsulására legtöbb esetben alig kellene többet várni, mint a világegyetem kora és várható hátralevő élettartama együttvéve. Mivel a Hamlet Morse-kódja is jelek és szünetek ezreiből áll, sajnos a tóparton sem hallgathatjuk Shakespeare modern értelmezését (bár biztosan lehet találni kevésbé élvezhetőt a mai "avantgárd" rendezések között).

A korábbi definícióknál szemléletesebb képet kapunk, ha a törvényt másképp mondjuk ki (ígérem, ez az utolsó):

Magára hagyott rendszerben az energia mindig kisebb koncentrációjú formájába alakul át, az elvégezhető hasznos munka mennyisége pedig csökken.

Ezt pontosan úgy kell érteni, ahogy leírtam: mindig. Akkor is, ha ember idézi elő az átalakulást, akkor is, ha egyéb természetes folyamat.  Magára hagyott rendszernek tekintjük azt a folyamatot, amelyik a környezetétől nem vesz fel energiát, és nem is ad le neki. Ilyen rendszer a világegyetem is, tehát a világegyetemben végezhető hasznos munka folyamatosan csökken. Ez elég kiábrándítóan hangzana, ha nem lennének közelebbi problémáink... Amikor hasznos munkát végzünk vagy végeztetünk, akkor az energiát nem használjuk el (ez ellenkezne az első főtétellel), csupán olyan kisebb koncentrációjú formába alakítjuk, ami haszontalan, vagy legalábbis kevésbé hasznos számunkra. Ebből az alakból csak úgy tudjuk "visszahozni" az energiát, hogy közben még több nagy koncentrációjú energiát "rontunk el". A folyamat tökéletesen egyirányú, az imént leírt valószínűségi elveknek megfelelően.

A blog nevének metaforája a törvény fontosságához fűződik. A 20. század első felében a hőtan már kiforrott része volt a fizikai eszköztárunknak, azonban a tér és idő alapvető összefüggéseit a fizikusoknak más okokból újra kellett gondolniuk. E folyamat közben egy Eddington nevű angol fizikus feltette a kérdést: mi különbözteti meg a teret az időtől? Lehetséges, hogy a tér valójában 4 dimenziós, csupán egyet tetszőlegesen kitüntettünk ezek közül, és időnek nevezzük? A szimmetria vizsgálata adja a kérdésekre a választ. A fizikai törvények a tér mindhárom irányában azonosan működnek, vajon az idővel is ez a helyzet? Eddington úgy találta, hogy a mikroszkopikus (egyszerű, kevés szereplős) jelenségek idő-szimmetrikusok, azaz elvileg az időben visszafelé haladva is ugyanúgy játszódnak le. Ha egy videokazettán egymásnak labdát passzolgató gyerekeket látunk, a felvételt visszafelé lejátszva is passzolgató gyerekeket tűnnek fel, legfeljebb furcsa gesztusokkal, a felvétel realisztikus. A biliárdgolyók ütközésének visszajátszása és visszafordítása is lehetséges, ezt profi játékosok képesek is megtenni. 

Makroszkopikus szinten azonban más a helyzet, olyan jelenségek is léteznek, melyekre nincs analógia térben. Mikor összekeverünk egy frissen bontott százlapos kártyapaklit, az eredményben biztosan nem sorrendben lesznek a lapok. Ha ugyanezt visszafelé játsszuk le, az nem tűnik valóságosnak, legfeljebb egy érdekes bűvésztrükknek, egyszerűen nem hihetjük el, hogy nincs csalás a dologban. Ugyanez a helyzet, ha végigkövetünk egy teljes lökést a biliárdasztalnál (nem csak az ütközést, mint az imént). A megmozdított golyók sebessége végül nullára csökken, miközben a súrlódás észrevehetetlenül kis mértékben felmelegíti az asztalt. A hátrafelé lejátszott felvétel nem realisztikus, mert a folyamat nem visszafordítható, a súrlódási hőenergia nem fogja elindítani a golyókat, ilyen átalakulás egyszerűen nem történik a valóságban. Az ehhez hasonló jelenségek mutatják meg, hogy az időnek kitüntetett iránya van, ezért ezeket nevezte Eddington az idő nyilának. Lényegében mindegyik visszavezethető a hőtan második főtételére. Más szavakkal: ez a törvény szabja meg számunkra, az idő milyen irányban halad, gyakorlatilag ez az összefüggés van minden változás mögött, amit magunk körül érzékelünk, ez az univerzum "hajtóereje". Innen már kevés absztrakció kell hozzá, hogy a "természet nyilaként" tekintsen rá az ember.

A kifejezést nem csak a szépsége miatt választottam, bár kétségtelenül van egy bája az egésznek, és úgy vélem, a fontossága mellett már csak ezért is több időt is érdemelne az oktatásban, akár más fizikai témák terhére. Az ok, amiért valójában ettől a témától indulnak a posztok, az, hogy a mai válságjelenségek oka is pontosan itt fogható meg. Így láthatjuk igazán, hogy a fosszilis tüzelőanyagok minden cseppje és morzsája, amelyekkel a világunkat működtetjük, egy-egy fatális, őrülten valószínűtlen véletlen eredménye. A természetnek évek millióira, és geológiai folyamatokból származó hőmérsékleti és nyomási szélsőségekre volt szüksége, hogy ezeket a cseppeket és morzsákat létrehozza. A kiinduló nyersanyag a Nap növények és (közvetve) állatok által összegyűjtött fénye volt, ennek összetömörítése, és elraktározása hozta létre ezeket a koncentrált energiatárolókat. A folyamat közben a második főtétel szerint sokkal több hasznos munka veszett el, mint amennyi energiát az összes kőolaj, földgáz és kőszén tartalmaz, de mindez még az emberi faj kifejlődése előtt lejátszódott, így különösebben nem zavarhat minket. Annál érdekesebb viszont, hogy a végeredmény megmaradt, és az ipari forradalom küszöbén az ember rájött, ezt hogyan használhatja fel.

Az ipari forradalom előtti emberiség nagyszerűen tudott a napfényből származó energiával gazdálkodni, ez nem meglepő, ettől függött a túlélése. A mindennapos napfény nem különösebben nagy koncentrációjú energiát jelent, mégis elég volt, hogy a teljes földi élővilág kifejlődjön, és az emberi történelem eljusson a 18. századig. Ekkor az ember megtalálta a földben rejtett kincset, és mint a lottónyertes, elkezdte felhasználni, úgy mintha soha nem lenne vége. Jó néhány generáció számára ez tökéletesen igaz is volt, mivel a "soha" emberi léptékkel mérve igen véges időtartamot jelöl, pontosan a halálunkig tart. Azonban ez nem változtat a tényen, hogy egyes emberi életeken átnyúló tendenciák is léteznek, amelyek épp a mi időnkben szem elé is fognak kerülni. A fosszilis energiaforrások kitermelése ugyanis korlátos, a korlátokkal való ütközés pedig kellemetlen következményekkel jár. A következő poszt fogja leírni, hogyan lehet az ütközést rendszerbe helyezni, most elég ha tudomásul vesszük. A következmény az, hogy nincs annyi nagy koncentrációjú energia, amennyire szükségünk van az életmódhoz, amelyhez hozzászoktunk, amelyben felnőttünk. Egyszerűen nincs. Ha pedig keresni vagy készíteni szeretnénk ilyen erőforrást, szembekerülünk világunk egyik alapjával, a hőtan második főtételével, amelyet a fizika tudománya a megdönthetetlen törvények közt is az első helyre sorol.

A delphoi jósda homlokzatán ez állt: γνῶθι σεαυτόν (gnóthi szeauton), azaz "ismerd meg önmagad". Egyes indiai guruk tanításában, és a kínai taoizmus ősi könyvében is fellelhető a gondolat, hogy az embernek a világ megismerését önmagával kell kezdenie. A helyzet az, hogy amivel szemben állunk, az épp ezt követeli meg. Valójában az emberiség mai globális civilizációjának sikere a hőtani törvények kihasználásán, az azoknak való teljes behódoláson alapult. A természet nyilának gyermekei vagyunk, épp ezért lenne igazán kicsinyes, ha a ugyanez a nyíl sebezne halálra minket. Mit tehetünk, mihez tarthatjuk magunkat? A Tao Te King arra is példát mutat (Weöres Sándor fordításában):

Okos, aki érti az embereket;

aki önmagát érti: ihletett.

Hatalmas, aki másokat legyőz;

aki önmagát legyőzi: erős.

Aki törekszik: nincs híján akaratnak;

aki megelégszik: gazdag.

Aki nem veszti természetét: hosszúéletű;

aki nem veszti emlékezetét: örökéletű.