Agyő, Világ! (200)

Gondoljunk például a zuzmóra. A zuzmó a Föld egyik legszívósabb látható élőlénye, ugyanakkor az egyik legkevésbé törekvő lény is. Boldogan nő a napos sírkertben, de szépen terjed minden olyan környezetben, ami senki másnak nem lenne ínyére: szeles hegycsúcsokon, sarkvidéki törmeléken, akárhol, ahol a sziklákon szinte semmi nem él meg, eső és hideg van – e területeken szinte nem is akad vetélytársa. Az Antarktisz olyan területein, ahol gyakorlatilag semmi más növény nem él meg, rengeteg zuzmót találunk, körülbelül négyszázfélét, amelyek hűségesen tapadnak a szélfútta kövekre.

Az emberek sokáig nem tudták, hogyan képes erre ez a növény. Mivel a zuzmó a csupasz sziklákon él, szemmel láthatóan nem vesz magához táplálékot, és nem hoz magot. Sokan – iskolázott emberek is – úgy gondolták, hogy köveket látnak, amelyek éppen most változnak növénnyé. Egy megfigyelő, dr. Hornschuh 1819-ben így írt erről: „A szervetlen kő magától élő növénnyé válik!”

Ha a zuzmót közelebbről vizsgáljuk, látni fogjuk, hogy a jelenség inkább érdekes, mint varázslatos. A zuzmó egy gombafaj és egy moszatfaj együttélése. A gomba olyan savat termel, amely feloldja a kő felszínét, és ezzel felszabadulnak az ásványok, amelyeket a moszat mindkettőjük számára értékes táplálékká alakít. Az elrendezés nem túl izgalmas, de nyilvánvalóan sikeres. A világon több mint húszezer zuzmófaj él.

...

Könnyen elsiklunk afelett, hogy az élet egyszerűen van. Emberként úgy érezhetjük, mindennek kell hogy célja legyen. Terveink, törekvéseink, vágyaink vannak. A lehető legteljesebb mértékben, állandóan ki akarjuk használni a részegítő létezést, amit ajándékba kaptunk. De miből áll egy zuzmó élete? Élni akarása mégis éppolyan erős, mint a miénk, sőt, jó érveim vannak rá, hogy kijelenthessem: még erősebb. Ha nekem évtizedeket kellene töltenem bolyhos kinövésként egy kövön az erdőben, nem hiszem, hogy sok kedvem lenne így folytatni. A zuzmók viszont így élnek. Mint majdnem minden élőlény, minden nehézséget elviselnek, minden törődést eltűrnek csak azért, hogy egy pillanattal tovább éljenek. Az élet tehát élni akar. De – és ez érdekes – sokszor ennél többet nem is akar.

...

Ha a Föld négy és fél milliárd éves történelmét egyetlen napba sűrítenénk, azt látnánk, hogy az élet nagyon korán kezdődött, körülbelül hajnali négykor; ekkor fejlődtek ki az első egysejtűek. Ennél aztán nem is jutott tovább a következő tizenhat óra alatt. Este fél kilenckor, amikor a napnak már csak egyhatoda volt hátra, a Földön semmi különös látnivaló nem volt, csak mikrobák. Ekkor megjelentek az első tengeri növények, majd húsz perccel később az első medúzák, és a rejtélyes állatvilág, aminek a nyomát először Reginald Sprigg találta meg Ausztráliában. Kilenc után négy perccel megjelennek a színen a háromkaréjú rákok, nem sokkal utánuk pedig a Burgess-pala formás állatai. Este tíz előtt valamivel a szárazföldön is növények jelentek meg. Nem sokkal később, amikor már két óra sincsen hátra a napból, a szárazföldön is állatok tűntek fel.

Mintegy tízpercnyi enyhe idő következett, ezért 10:24-re a Földet ellepték a nagy, karbontartalmú erdők, amelyek maradványaiból nyerjük ma a szenet, és megjelentek az első szárnyas rovarok. A dinoszauruszok éjjel, valamivel tizenegy előtt jelentek meg a színen, és vagy háromnegyed órán keresztül ők uralták a Földet. Huszonegy perccel éjfél előtt eltűntek, és megkezdődött az emlősök kora. Az ember éjfél előtt egy perccel és tizenhét másodperccel bukkant elő. Teljes írásos történelmünk beleférne egy pár másodpercbe, egy ember élete pedig csak egy pillanat lenne. Ezen a hihetetlen gyorsasággal lepörgő napon a szárazföldek folyamatosan csúszkálnak és ütköznek. Hegyek emelkednek ki és tűnnek el, óceánmedencék jönnek-mennek, jégtakarók terjeszkednek és olvadnak. Az egész folyamat során, percenként körülbelül háromszor a bolygón felvillan egy-egy pont, ami a Manson méretű vagy ennél nagyobb meteorok becsapódását jelzi. Csoda, hogy bármi is túléli ezt a barátságtalan, bizonytalan környezetet. Valójában nem sok minden éli túl sokáig.

Az élet megy tovább (194)

Számunkra, akik csak néhány évtizedet töltünk a Földön, szinte lehetetlen felfogni, mennyi idő telt el a kambriumi robbanás óta. Ha másodpercenként egy évvel visszaforgathatnánk az idő kerekét, körülbelül fél óra alatt érnénk el Krisztus születéséhez, és három hét után az emberi élet kezdeteihez. A kambrium kor kezdetéhez viszont húsz évet kellene visszamennünk. Nagyon régen volt tehát, amikor a világ még egészen másképpen nézett ki, mint ma.

...

A legmeglepőbb mindenesetre az volt, hogy ennyiféle testszerkezetről derült ki, hogy nem alkalmas; itt azokra gondolok, amelyeknek nincsenek mai leszármazottjai. Gould szerint a Burgess-pala állatai közül tizenöt vagy akár húsz olyan törzs is van, amelyhez tartozó fajok nincsenek jelen a ma élő állatok között. (Ez a szám néhány „ismeretterjesztő” cikknek köszönhetően hamarosan százra nőtt, de ennyiről soha nem volt szó.) – Az élet története – ahogy Gould írta – nagy fajkihalások és a megmaradó törzsek differenciálódásának váltakozása, nem pedig, ahogyan sokan képzelik, folyamatos tökéletesedés, bonyolódás és sokféleség. – 

Kicsi világ (187)

Mivel nagyon sok minden van a világban, ami bánthat minket, testünkben sokféle védő fehérvérsejt van, összesen több tíz millió fajta, és mindegyik alkalmas egy bizonyos kórokozó elpusztítására. Lehetetlen feladat tíz millió hadtestet egyszerre készültségben tartani, ezért mindegyik fehérvérsejttípusból egyszerre csak néhány aktív. Amikor egy kórokozó, más szóval antigén vagy ellenanyagképző a testünkbe jut, az aktív fehérvérsejtek azonosítják a támadót és megfelelő fajtájú erősítést kérnek. Amikor testünk elkezdi ezeket „gyártani”, rosszul érezhetjük magunkat. Állapotunk akkor kezd jobbra fordulni, amikor az új hadtestek csatasorba állnak, és megkezdik a támadást.

Kicsi világ (185)

Meg kell mondanunk, hogy a baktériumok és az archeák közötti különbségek legfeljebb egy biológus számára izgalmasak. A legnagyobb különbség abban áll, hogy másmilyenek a lipidjeik, és az archeákban nincsen egy peptidoglikán nevű anyag. Működésük azonban nagyon is eltérő. Az ősbaktériumok jobban különböznek a baktériumoktól, mint az ember a ráktól vagy a póktól. Woese egyedül fedezte fel az élőlények felosztásának új módját, amely olyan alapvető, hogy az országok szintje felett áll az élőlények rendszerének csúcsán.

1976-ban azzal lepte meg a világot – vagy legalábbis azt a kis részét, amelyet a téma érdekelt –, hogy az élőlények rendszerét nem öt, hanem huszonhárom fő részre osztotta. Ezek három fő kategóriába sorolhatók: a baktériumok, az ősbaktériumok és az eukarióták; ezeket ő tartományoknak nevezte. Az új rendszertani egységek csoportosítása a következő:

• Baktériumok: cianobaktériumok, bíbor baktériumok (Rhodospirilli-neae), Gram-pozitív baktériumok, zöld nem kénes baktériumok (Chloroflexaceae), flavobaktériumok és thermotogalék;
• Ősbaktériumok: halofil ősbaktériumok, methanosarcina, methano-bacterium, mechanococcus, thermoceler, thermoproteus és pyrodictium;
• Eukarióták: diplomadok, mikrospórások, trichomonasok, ostorosok, entamőba, nyálkagombák, csillósok, növények, gombák és állatok.

Woese új felosztása nem kavarta fel a biológusok világát. Egyesek azért vetették el a rendszert, mert az túlságosan előnyben részesíti a mikrobákat. Mások egyszerűen nem foglalkoztak vele. Frances Ashcroft szerint Woese „keserűen csalódott”. A mikrobiológusok később lassanként kezdték elfogadni az új szemléletet, a botanikusoknak és zoológusoknak azonban ez nem ment ilyen könnyedén, ami nem csoda. Woese modelljében az állat– és növénytan az eukarióta ág két külső nyúlványa. Minden más helyet az egysejtűek foglalnak el.

Kicsi világ (184)

1969-ben, amikor a Cornell Egyetem egyik ökológusa, R. H. Whittaker megkísérelt rendet teremteni az egyre bonyolódó osztályozásban, a Science magazinban megjelent cikkében azt javasolta, hogy az élőlényeket öt fő ágra – országra – kellene osztani: állatok (Animalia), növények (Plantae), gombák (Fungi), egysejtű eukarióták (Protista) és prokarióták (Monera). A Protista a régebbi Protista kifejezés helyett szerepel, amelyet egy évszázaddal korábban talált ki John Hogg skót biológus minden olyan élőlényre, amely sem növény, sem állat.

Az élet keletkezése (179)

A légkör oxigénszintje körülbelül kétmilliárd év, tehát a Föld történetének mintegy 40%-a alatt érte el nagyjából a mai szintet. De amikor ez bekövetkezett, hirtelen egészen másféle sejtek jöttek létre: olyanok, amelyeknek már sejtmagja és sejtszervecskéi voltak (más szóval organellek, ami a görög kis eszköz jelentésű szóból származik). A folyamat valószínűleg akkor kezdődött, amikor egy hebehurgya vagy kalandvágyó baktérium elfogott egy másikat (vagy a másik őt), és kiderült, hogy a helyzet mindkettőjüknek megfelel. Az elfogott baktérium lett a mitokondrium. Ez a mitokondriális bekebelezés (vagy más szóval: endoszimbiotikus esemény) tette lehetővé a többsejtű állatok kialakulását. (A növények esetében hasonló bekebelezés eredményeképpen jöttek létre a kloroplasztiszok, amelyek lehetővé teszik a fotoszintézist.)

A mitokondriumok az oxigén segítségével energiát nyernek a táplálékból. E nélkül a szellemes trükk nélkül a földi élet még mindig csak a mikrobákra korlátozódna. A mitokondriumok nagyon kicsik – egy homokszemcsébe milliárdnyi is beleférne –, ugyanakkor nagyon éhesek. Majdnem minden táplálék, amit magunkhoz veszünk, keresztülmegy rajtuk. Két percig sem élnénk nélkülük, a mitokondriumok mégis, kétmilliárd év után is úgy viselkednek, mintha semmi közünk sem lenne egymáshoz. Saját DNS-ük, RNS-ük és riboszómáik vannak. Máskor szaporodnak, mint az őket befogadó sejtek. Úgy néznek ki és úgy osztódnak, mint a baktériumok, sőt néha úgy hatnak rájuk az antibiotikumok is, mint a baktériumokra. De még csak nem is azon a genetikai nyelven beszélnek, mint a sejt, amelyben élnek. Olyan, mintha a házunkban egy mindig útra kész idegen lenne, aki azonban már évmilliárdok óta velünk lakik.

Az új sejttípus neve: eukarióta (jelentése: valódi sejtmagvas), a régi egysejtűeket pedig prokariótáknak nevezik (jelentése: előmagvas), és a fosszíliák tanúsága szerint hirtelen jelentek meg. A ma ismert legrégebbi eukarióta a Grypania, amelyet Michigan államban, vasas üledékben találtak 1992-ben. Csak egy ilyen őskövületet találtak, és a következő legrégebbi ennél ötszázmillió évvel újabb.

Prokarióta és eukarióta sejt

A Föld tehát megtette az első lépést, hogy valóban érdekes bolygóvá váljon. Az eukariótákhoz képest a prokarióták igazából csak vegyületcsomagok voltak, hogy Stephen Drury angol geológus kifejezését használjam. Az eukarióták nagyobbak – akár tízezerszer is nagyobbak –, mint egyszerűbb rokonaik, és akár ezerszer annyi DNS-t is hordozhatnak. Az ilyen áttöréseknek köszönhetően az élet egyre összetettebb lett, és kétféle élőlény alakult ki: az oxigént kibocsátók (mint a növények), és az oxigént magukhoz vevők (mint az olvasó és én).

Az egysejtű eukariótákat régebben protozoáknak, vagyis előállatoknak vagy véglényeknek nevezték, de ma már inkább az egysejtű vagy protista kifejezés használatos. Az új egysejtűek a baktériumokhoz képest csodálatosan bonyolultak és kifinomultak voltak. Az egyszerű amőba, amely egyetlen sejtből áll, és megelégszik a puszta létezéssel, négyszázmillió genetikai információdarabkát hordoz DNS-ében – Carl Sagan szerint ez nyolcvan ötszáz oldalas kötetet töltene meg.

Végül az eukarióták megtanultak egy még különlegesebb trükköt. Hosszú időbe – vagy egymilliárd évbe – telt, de nagyon hasznosnak bizonyult. Megtanultak összetett, többsejtű lényként együtt élni. Ennek az újításnak köszönhető, hogy ma olyan nagy, bonyolult, látható élőlények lehetnek, amilyenek mi is vagyunk. A Föld bolygó készen állt a következő nagy változásra.

Az élet keletkezése (178)

Az archaikumban nem volt sok változatosság. Körülbelül kétmilliárd éven keresztül az egyetlen életforma a baktériumok voltak. Éltek, szaporodtak, rajzottak, de nem mutatták a legkisebb jelét is, hogy valamiféle fejlettebb, érdekesebb létformára törekednének. De valami mégis történt: a cianobaktériumok, esetleg a kékeszöld moszatok, megtanultak kihasználni egy rendelkezésre álló erőforrást, a hidrogént, amely szinte végtelen mennyiségben megtalálható a vízben. Vízmolekulákat vettek fel, beépítették a hidrogént és kiengedték a számukra használhatatlan oxigént – feltalálták a fotoszintézist. {szerintem ez inkább kemoszintézis, mintsem fotoszintézis...} Margulis és Sagan szerint a fotoszintézis „kétségkívül az élet történetének legfontosabb, anyagcserével kapcsolatos találmánya”, és még csak nem is növényektől származik, hanem egy egyszerű baktériumtól.

A cianobaktériumok burjánzásával egyre több O₂ lett a világban, ami nagy sokk volt az olyan élőlényeknek, amelyek számára mérgező, akkoriban pedig nem is volt másféle élőlény. Egy anaerob (oxigént nem használó) világban az oxigén rendkívül mérgező hatású. Fehérvérsejtjeink oxigénnel harcolnak a szervezetünket támadó baktériumok ellen. Az oxigén alapvetően mérgező természete meglepheti azokat, akik meg vannak győződve a gázélethez elengedhetetlen mivoltáról, de ez csak azért van, mert fejlődésünk során megtanultuk, hogyan használjuk. Másoknak az oxigén szörnyűség. Tőle avasodik meg a vaj, és tőle rozsdásodik a vas. Még az ember is csak bizonyos mértékig viseli el. Sejtjeink oxigénszintje körülbelül egytizede a légkör oxigénszintjének.

Az új oxigénhasznosító élőlényeknek két előnye volt. Az oxigénnel jobban lehetett energiát termelni, és legyőzte a konkurens élőlényeket. Ezek közül egyesek visszahúzódtak a mocsarak és tófenekek nyúlós, levegőtlen világába. Mások is így tettek először, de később (sokkal később) utat találtak az emésztőcsatornáinkba. Ezen ősi lények nagy tömege él bennünk, segítve az emésztésünket, de elpusztulnának, ha oxigén érné őket. És sok olyan anaerob élőlény is volt, amely nem tudott alkalmazkodni az új körülményekhez, és kipusztult.

A cianobaktériumok megjelenése hatalmas siker volt. Az általuk termelt többletoxigén először nem gyűlt össze a légkörben, hanem vas-oxidokat képezett, és az őstengerek fenekére süllyedt. A világ évmilliókon keresztül csak rozsdásodott – a jelenség tanúi a ma is fellelhető vasércrétegek, amelyekből az általunk használt vasat bányásszák. Sok tízmillió éven keresztül más nem is igen történt. Ha visszamennénk a proterozoikumba, nem sokkal látnánk ígéretesebbnek a helyzetet az élet szempontjából, mint előző látogatásunkkor. Lehet, hogy egy-egy védettebb vízben találnánk egy kevés élő tajtékot, vagy esetleg némi fényes zöld vagy barna bevonatot a part menti köveken, de ez minden. Az élet még láthatatlan.

Az élet keletkezése (171)

Ez a fejezet rendkívül érdekes, annyira, hogy szinte az egészet idegépelhetném! Több gondolat is - akarva-akaratlanul - feszegeti a Teremtés vs. Evolúció témát. 

1953-ban Stanley Miller, egy egyetemi továbbképző tanfolyam hallgatója a Chicagói Egyetemen, fogott két lombikot. Az egyikben egy kis víz volt, mintha ez lenne az ősóceán, a másikban pedig egy gázkeverék metánból, ammóniából és hidrogén-szulfidból, ez volt a Föld őslégköre. A kettőt gumicsövekkel kötötte össze, és egy-egy szikrát is adott a rendszerhez, mintha villámlana. Néhány nap múlva a vizet tartalmazó lombik sárgászöldre változott, mert kialakultak benne az aminosavak, zsírsavak, cukrok és más szerves vegyületek. Miller tanára, a Nobel-díjas Harold Urey elégedetten jegyezte meg: „Ha a Teremtő nem így csinálta, akkor túlbonyolította a dolgot.”

A tenger hullámai (168)

Sikerült ugyanakkor megtalálni a megoldást az oceanográfia egyik nagy rejtélyére is – egy olyan kérdésre, amiről a legtöbben nem is tudtunk –, hogy az óceánok miért nem lesznek egyre sósabbak. Tudom, hogy ezzel nem árulok el nagy titkot, de a tengerekben sok só van – annyi, hogy ha mind kihordanánk a szárazföldre, 150 méter vastagon borítaná be azt. Évszázadok óta ismert, hogy a folyók ásványi anyagokat visznek a tengerekbe, amelyek az ott lévő ionokkal együtt sókat alkotnak. Eddig semmi probléma. Ami viszont meglepő, az a tengervíz változatlan sótartalma. Nap mint nap sok millió liter édesvíz párolog az óceánokból, a só viszont ott marad, tehát az óceánoknak egyre sósabbaknak kellene lenniük, ez azonban nem következik be. Valami pontosan annyi sót vesz ki az óceánból, amennyi belekerül. Nagyon sokáig senki nem tudta, mi lehet az.

Az Alvin felfedezte mélytengeri kürtők megválaszolták a kérdést. A geofizikusok rájöttek, hogy a kémények úgy működnek, mint az akváriumok szűrői. Amikor a víz a földkéregbe kerül, a sók kiszűrődnek belőle, a kürtőkön keresztül pedig édesvíz jön fel. A folyamat nem túl gyors – egy óceán kitisztítása eltarthat akár tíz millió évig is –, de nincs miért sietnünk; a rendszer pedig kiválóan működik.

A tenger hullámai (163)

A sókra az embernek is szüksége van, de csak nagyon kis mennyiségben, és a tengervíz sokkal – körülbelül hetvenszer – több sót tartalmaz, mint amennyit szervezetünk fel tud dolgozni. Az átlagos sótartalmú tengervízben literenként csak 2,5 teáskanál konyhasó van, de sokkal több más elem, vegyület és egyéb oldott anyag is, ezeket szintén sóknak nevezzük. Ezen sók és ásványok aránya a szöveteinkben hihetetlenül hasonlít a tengervíz összetételére – például tengervizet izzadunk és sírunk (Margulis és Sagan találó megjegyzése) –, ennek ellenére nem tudunk tengervizet magunkhoz venni. Ha az emberi testbe túl sok só kerül, hamar felborul az egyensúly. A sejtekben lévő vízmolekulák önkéntes tűzoltókként a bevitt sóhoz sietnek, hogy feloldják és elszállítsák. A sejtek veszélyesen kiszáradnak, mert működésükhöz vízre lenne szükség. Ilyen értelemben az egész test kiszárad, ami súlyos esetben rohamokhoz, eszméletvesztéshez és agykárosodáshoz vezethet. Közben a túlterhelt vérsejtek a sót a vesékbe szállítják, amelyek túltelítődnek és elzáródnak. Működő vese nélkül pedig az ember meghal. Ezért nem iszunk tengervizet.

A Földön 1,3 milliárd köbkilométer víz van, és ennél soha nem is lesz több. A rendszer zárt, vagyis semmit nem lehet hozzáadni vagy elvenni belőle. Az olvasó által ma megivott víz itt volt már a Föld újszülött korában is. 3,8 milliárd éve az óceánok már körülbelül ugyanakkorák voltak, mint ma.

A víz birodalma, a hidroszféra főleg óceánokból áll. A Föld vizeinek 97%-a tengervíz, ennek a nagyobb része a Csendes-óceánban van, ami egyedül nagyobb, mint az összes szárazföld együttvéve. A Csendes-óceánban van a tengervíz 51,6%-a, az Atlanti-óceánban 23,6%, az Indiai óceánban pedig 21,2%, tehát az összes többi tengerre csak 3,6% marad. Az óceánok átlagos mélysége 3,86 kilométer; a Csendes-óceán körülbelül 300 méterrel mélyebb a másik kettőnél. A bolygó felszínének 60%-át legalább 1,6 kilométer mély óceán borítja. Philip Ball megjegyzése szerint csoda, hogy bolygónk neve Föld és nem Víz.

A Föld 3%-nyi édesvízkészletének legnagyobb része jég. Csak elenyészően kis része – 0,036%-a – van tavakban, folyókban és víztárolókban, és még kisebb része – 0,001 %-a – felhőkben vagy a levegőben páraként. A bolygó jegének majdnem 90%-a az Antarktiszon van, a maradék nagy része pedig Grönlandon. A Déli-sarkot 3 kilométer vastag jégpáncél fedi, az Északit csak 4,5 méternyi. Az Antarktiszon 27-28 milliárd köbkilométer jég van – ha megolvadna, az óceánok vízszintjét 60 méterrel emelné meg. De ha a légkörben lévő összes víz csapadékként lehullana, mindenütt egyenletesen, az óceánok csak pár centiméterrel mélyülnének.

Fel a felhőövbe (160)

A bolygó felszíni folyamatainak valódi motorjai az óceánok. A meteorológusok egyre inkább egy rendszernek tekintik az óceánokat és a légkört, és ezért itt egy kicsit beszélnünk kell róla. A víz nagyon jól tartja és szállítja a hőt – hatalmas mennyiségekben. A Golf-áramlat mindennap annyi hőt szállít Európába, mint amennyi a világ tízévi széntermelésének elégetésével lenne nyerhető, ezért lehetséges, hogy az angol vagy ír tél olyan enyhe a kanadai vagy az orosz télhez képest. Ugyanakkor a víz lassan melegszik, ezért hidegek a tavak és úszómedencék még a legmelegebb nyári napon is, és ezért érezzük úgy, hogy az évszakok kicsit késnek hivatalos, csillagászati kezdetükhöz képest. A tavasz például márciusban kezdődik az északi féltekén, de legtöbb helyen áprilisig nem látjuk ennek a jelét.

Az óceánok nem homogén víztömegek. Különböznek hőmérsékletükben, sótartalmukban, mélységükben, sűrűségükben és más tulajdonságaikban, és ezért különböző módon szállítják a hőt, ami hatással van az éghajlatra. Az Atlanti-óceán például sósabb a Csendes-óceánnál, és ez jó. Minél sósabb ugyanis a víz, annál nagyobb a sűrűsége, és a nagyobb sűrűségű víz alulra süllyed. Ha az Atlanti-óceán nem lenne sósabb, áramlatai továbbhaladnának az Északi-sark felé, és felmelegítenék, Európa azonban nem kapna a melegből. A Földön a hőátadás fő okozója a termohalin keringés, ami mélyen a felszín alatt haladó lassú áramlásokat okoz. A folyamatot először Rumford grófja, a kalandor tudós észlelte 1797-ben.[59] Amikor a felszíni vizek Európa közelébe érnek, sűrűbbek lesznek, és mélyebbre süllyednek, majd megkezdik lassú visszaútjukat a déli féltekére. Amikor elérik az Antarktiszt, bekerülnek az ottani, sark körüli áramlásba, majd innen a Csendes-óceánba. A folyamat nagyon lassú; akár ezerötszáz évbe is telhet, mire a víz az Atlanti-óceán északi részéről a Csendes-óceán közepére ér, de a megmozgatott víz– és hőmennyiség hatalmas, az éghajlati hatás pedig felbecsülhetetlen.

...

A tengereknek még egy dolgot köszönhetünk. Hatalmas szénmennyiséget nyelnek el, és azt meg is őrzik. Naprendszerünk egyik furcsa vonása, hogy a Nap ma körülbelül 25%-kal erősebben ég, mint születésekor. Emiatt a Föld sokkal melegebb lehetne. Aubrey Manning brit geológus szerint „Ennek az óriási változásnak katasztrofális hatása kellett volna hogy legyen a Földre, és világunkat, úgy tűnik, mégsem zavarta.”

Tehát mitől marad bolygónk állandó és hűvös? Az élettől. Sok trillió kis tengeri élőlény, amelyről valószínűleg még csak nem is hallottunk: foraminiferák, kokkolitok és mészalgák, felveszik a légkörből a szenet (szén-dioxidot), ami az esővel együtt a tengerbe kerül, és ebből alakítják ki apró vázukat. Mivel a szén ott marad megkötve, nem kerül vissza a légkörbe, ahol üvegházhatást okozna. Végül a kis foraminiferák és kokkolitok és társaik elpusztulnak, a tengerfenékre hullnak, és ott mészkővé préselődnek össze. Különös, hogy az olyan gyönyörű képződmények, mint például Dover fehér sziklái szinte kizárólag apró halott élőlényekből épülnek fel, de még ennél is érdekesebb, hogy mennyi szenet tartalmaznak. Egy 15 centiméter élhosszúságú doveri mészkőkocka több mint ezer liter tömörített szén-dioxidot tartalmaz, ami másként a légkört károsítaná. A Föld kőzeteiben körülbelül húszezerszer annyi szén van, mint a légkörben. Végül a mészkő nagy része vulkánokban fog elégni, a szén visszatér a légkörbe, majd onnan az esővel a földre, ezért nevezik ezt nagy-szénkörforgásnak. A folyamat nagyon hosszú ideig tart – egy átlagos szénatom mintegy félmillió év alatt ér körbe –, de ha nincsenek zavaró tényezők, nagyon jól működik, és az éghajlatot stabil állapotban tartja.

Sajnos az ember előszeretettel, gondatlanul beleavatkozik a ciklusba, mivel túl sok szenet juttat a légkörbe, akár van elég foraminifera annak befogadására, akár nem. A becslések szerint 1850 óta a kelleténél körülbelül 100 milliárd tonnával juttattunk többet a levegőbe, és ezt minden évben még 7 milliárd tonnával tetézzük. Ez összességében nem túl sok; maga a természet – főleg a vulkánkitörésekkel és a növények pusztulásával – évente körülbelül 200 milliárd tonna szén-dioxidot küld a levegőbe, tehát harmincszor annyit, mint amennyit mi az autóinkkal és gyárainkkal. De nézzük csak meg kicsit távolabbról, milyen homályos aurája van a városainknak, a Grand Canyonnak vagy akár Dover fehér szikláinak, és látni fogjuk, hogy bizony jelentősen megnöveltük a légkör széntartalmát.

A nagyon régi jégminták alapján tudjuk, hogy a légkör „természetes” – tehát ipari tevékenység előtti – szén-dioxid-tartalma körülbelül 280 a millióhoz. 1958-ra, amikor a tudósok méricskélni kezdtek, már 315 volt a millióhoz. Ma az érték 360, és ez évente körülbelül egynegyed százalékkal nő. A XXI. század végére körülbelül 560 lesz.

A Föld óceánjai és erdői (ott is sok szén fér el) eddig megmentették az embert saját magától, de Peter Cox, a Brit Meteorológiai Hivatal munkatársa szerint „van egy küszöb, amelytől kezdve a természetes bioszféra már nem véd meg károsanyag-kibocsátásunk hatásaitól, sőt, felnagyítja azokat”. Félő, hogy a Föld melegedése hirtelen fel fog gyorsulni. Sok fa és növény ehhez nem tudna alkalmazkodni, és elpusztulna, ezzel pedig ismét szén szabadulna fel, ami tovább súlyosbítaná a problémát. A távoli múltban már történtek ilyen visszacsatolási folyamatok, pedig akkor még nem is volt ember, aki fokozta volna a gondokat. A jó hír viszont az, hogy a természet még itt is csodálatos. Majdnem biztos, hogy a szénkörforgás végül ismét beállna, és a Földet visszahozná az állandó boldogság állapotába. Amikor ez utoljára megtörtént, csak hatvanezer év kellett a gyógyuláshoz.

Fel a felhőövbe (158)

Azt, hogy a légkör nyugalomba akar kerülni – mint annyi más jelenség okát –, először Edmond Halley sejtette meg. A gondolatot egy honfitársa, George Hadley dolgozta ki a XVIII. században, aki észrevette, hogy az emelkedő és süllyedő levegőoszlopokban cellák keletkeznek (ezeket azóta is Hadley-celláknak nevezik). Bár Hadleynek ügyvédi végzettsége volt, mindig is érdekelte az időjárás (na persze, elvégre angol volt), és azt is felvetette, hogy a cellák, a Föld forgása és a passzátszelet okozó eltérítő erő között kapcsolat van. A kölcsönhatások részleteit Gustave-Gaspard de Coriolis-nak köszönhetjük, aki a párizsi műszaki egyetem tanáraként 1835-ben alkotta meg elméletét a Coriolis-hatásról. (Az egyetem másért is hálás neki: ő vezette be a hűtött vizű ivó kutakat, amelyeket azóta is coriónak neveznek.) A Föld az Egyenlítőnél 1675 km/h sebességgel forog, de ha közelebb vagyunk valamelyik sarokhoz, például Londonban vagy Párizsban, a sebesség már csak 900 km/h. Ennek nagyon egyszerű oka van. A forgó Föld Egyenlítőjén 40 000 kilométert kell megtennünk, hogy körbeérjünk, az Északi-sark mellett viszont egy kör csak egy pár méter, viszont mindkét esetben huszonnégy óra alatt jutunk vissza a kiindulópontra. Tehát minél közelebb vagyunk az Egyenlítőhöz, annál gyorsabban forgunk a Földdel együtt.

A Coriolis-hatás annak az elmélete, hogy egy, a levegőben a Föld forgásával párhuzamosan haladó dolog, ha a távolság elég nagy, miért fog egy idő után jobbra kanyarodni az északi féltekén, és balra a délin, miközben a Föld elfordul alatta. A jelenséget jól szemlélteti a körhintahasonlat. Képzeljük el, hogy egy labdát dobunk valakinek, aki a forgó körhinta szélén ül. Mire a labda eléri a körhinta szélét, az továbbmozdult, és a labda mögötte halad el. Az ő szempontjából viszont úgy látszik, mintha a labda elkanyarodott volna. Ez a Coriolis-hatás, ettől kacskaringósak időjárási rendszereink, és ettől pördülnek meg búgócsigaként a hurrikánok. A Coriolis-hatás magyarázza azt is, hogy a tüzérségi lövedékeket miért a célponttól balra vagy jobbra beállított hajóágyúkból lövik ki; egy 25 kilométeres lövés eltérése körülbelül 90 méter, tehát ennyivel a megcélzott ellenség mellett pottyanna ártalmatlanul a vízbe.

...

A modern meteorológia atyjának leginkább Luke Howard angol gyógyszerészt nevezhetnénk, aki a XIX. század elején került az érdeklődés középpontjába. Legemlékezetesebb tette, hogy 1803-ban elnevezte a különböző felhőtípusokat. Bár a Linné Társaságnak is tevékeny és megbecsült tagja volt, és Linné elveit alkalmazta az új rendszerben, mégis inkább az excentrikus Askesian Társaság ülésén adta elő új osztályozási rendszerét. (Talán még emlékszünk egy korábbi fejezetből, hogy ez volt az a tudományos társaság, amelynek tagjai belefeledkeztek a dinitrogén-oxid [kéjgáz] élvezetébe; csak remélhetjük, hogy Howard előadását olyan figyelemmel hallgatták, amilyenre az méltó volt. Erről valahogy egyetlen tudománytörténész sem írt…)

Howard három nagy osztályba sorolta a felhőket: a rétegesek a rétegfelhők vagy sztrátuszok, a bolyhosak a gomolyfelhők vagy kumuluszok (ami a halom jelentésű latin szóból származik), és a hidegebb időt jelző magas, vékony foszlányok a pehelyfelhők vagy cirruszok. Később felvett még egy fajtát, az esőfelhőt vagy nimbuszt (az utóbbi latinul felhőt jelent). Howard rendszerében az a szép, hogy az alapelemek összekapcsolásával le lehet írni mindenféle alakú és méretű felhőt. Van például gomolyos rétegfelhő (sztratokumulusz), fátyolfelhő (cirrostratus), gomolyesőfelhő (kumulonimbusz), és így tovább. Az elnevezéseket mindenhol örömmel használták, nem csak Angliában. Goethének annyira tetszett a rendszer, hogy négy verset is írt Howard tiszteletére.

Fel a felhőövbe (157)

A légkörben a levegőt ugyanaz a folyamat mozgatja, ami a bolygó belsejében is végbemegy: a hőáramlás. Az egyenlítői vidékek nedves, meleg levegője felemelkedik a tropopauzáig és ott kiterebélyesedik. Távolodik az Egyenlítőtől, hűlni kezd, és ezért lesüllyed. A lehűlő levegő egy része alacsonyabb nyomású területeket tölt ki, és visszaáramlik az Egyenlítő felé. Az Egyenlítőnél a hőáramlás meglehetősen egyenletes, az időjárás pedig nagy pontossággal előre jelezhető, de a mérsékelt égöv időjárása nagyban függ az évszaktól és az adott hely földrajzi tulajdonságaitól, ráadásul még ezen belül is eléggé véletlenszerű. Végtelen csaták folynak a nagy és az alacsony nyomású levegő között. Az alacsony nyomású rendszereket a felszálló légáramlatok hozzák létre, amelyek vízmolekulákat szállítanak az égbe; így alakulnak ki a felhők és a csapadék. A meleg levegő több nedvességet bír el, mint a hideg, ezért a trópusi, illetve a nyári viharok a legerősebbek. Tehát az alacsony nyomású területeket általában felhők és csapadék jellemzi, a magas nyomásúakon pedig napsütéses, száraz az idő. Két eltérő nyomású rendszer találkozását gyakran észrevehetjük a felhőkből. Rétegfelhők – más néven sztrátuszok, ezek a kevéssé szeretetre méltó, alaktalanul terpeszkedő szürkeségek, amelyek a borús időt okozzák – például akkor keletkeznek, amikor egyes nedves felszálló légáramlatok nem elég erősek, ahhoz hogy áttörjék a felettük lévő, nyugalmasabb levegőréteget, hanem kiterülnek, mint amikor a füst a mennyezethez ér. Egyébként is jó példa egy dohányzó ember: nézzük csak meg, hogy hogyan emelkedik fel a füst egy mozdulatlan levegőjű szobában. Először egyenesen felfelé tart (a folyamat neve lamináris vagy réteges áramlás), majd diffúz, hullámzó réteget alkot. Ha gondos méréseket végzünk jól meghatározott körülmények között, és az eredményeket betápláljuk a világ legnagyobb szuperszámítógépébe, akkor sem tudjuk meg, hogy milyen alakban fog fodrozódni egyetlen cigaretta füstje, elképzelhetjük hát, hogy a meteorológusok milyen nehézségekkel küzdenek, amikor az ilyen folyamatokat előre kell jelezniük forgó, szeles, hatalmas világunkban.

Annyi biztos, hogy mivel a Napból származó hő egyenetlenül oszlik el, a bolygón különböző légnyomású területek alakulnak ki. A levegő megpróbálja kiegyenlíteni ezt a helyzetet, és ekkor szél keletkezik. A levegő a nagyobb nyomású területekről a kisebb nyomásúak felé fúj (ahogyan azt várnánk; gondoljunk csak bármire, amiben a külső nyomásnál nagyobb légnyomás van – léggömbre, légtartályra, kitört ablakú repülőgépre –, és arra, hogy a nagyobb nyomású levegő hogyan igyekszik kiszabadulni), és minél nagyobb a nyomáskülönbség, annál nagyobb a szél sebessége.

Egyébként a szél energiája, a sebességgel négyzetesen nő, tehát egy óránként 300 kilométeres sebességgel fújó szél nem tízszer olyan erős, mint egy 30 km/h sebességű, hanem százszor, és ezért tesz sokszor akkora kárt. Ha mindez több millió tonna levegővel történik, mértéktelen erők lépnek fel. Egy trópusi hurrikán során huszonnégy óra alatt annyi energia szabadul fel, amennyit egy gazdag, közepes méretű ország, például Anglia vagy Franciaország felhasznál egy év alatt.

Fel a felhőövbe (156)

Rengeteg energia van a fejünk fölötti világban. Kiszámították, hogy egyetlen zivatarban annyi energia koncentrálódik, amennyi négy napig elegendő lenne az egész Egyesült Államok számára. Megfelelő körülmények között a viharfelhők akár 10-15 kilométer magasságba is emelkedhetnek, és több mint 150 km/h sebességű felfelé és lefelé irányuló légáramlások vannak bennük. 

Ezek gyakran egymás mellett futnak, nem csoda hát, hogy a pilóták nem akarnak keresztülrepülni rajtuk. A belső kavarodásban a felhőben lévő részecskék elektromos töltést kapnak. Nem teljesen tudjuk, hogy miért, de a könnyebb részecskék pozitívak lesznek, és a légáramlatok a felhő tetejére viszik őket, míg a nehezebbek negatív töltést kapnak, és a felhő alján gyűlnek össze.
A negatív részecskéket vonzza a pozitív Föld, és jobb, ha nem vagyunk útban, amikor kisülnek. A villámok 435 000 km/h-s sebességgel csapnak le, és a körülöttük lévő levegőt 28 000 °C-ra hevítik fel, ami többszöröse a Nap felszíni hőmérsékletének. A bolygót minden pillanatban 1800 zivatar támadja, naponta körülbelül 40 000. Földünkbe éjjel-nappal másodpercenként körülbelül száz villám csap be. Az égbolt igazán nem unalmas. 

Amit az odafönn végbemenő folyamatokról tudunk, azt nem régen tudjuk. A futóáramlások általában körülbelül 9000-10 000 méter magasan találhatók, majdnem 300 km/h sebességgel száguldanak, és egész kontinensek időjárását befolyásolják. Létezésükről mégsem tudtunk, amíg a második világháborúban a pilóták beléjük nem botlottak. A légköri jelenségek nagy részéről még ma is csak keveset tudunk. Egy felhőtlen légköri örvénynek nevezett hullámmozgás néha megdobálja a repülőgépeket. Évente körülbelül húsz ilyen naplózandó esemény történik. Ezeknek semmi köze a felhőszerkezethez vagy bármi máshoz, amit szabad szemmel vagy radarral érzékelni lehetne. Ezek egyszerűen nagy légörvények az egyébként nyugodt égen. A jelenség tipikus példája volt, amikor egy Szingapúrból Sydneybe tartó repülőgép jó időjárási viszonyok között repült Ausztrália középső része felett, majd hirtelen 90 métert zuhant, ami elég volt hozzá, hogy a biztonsági övet nem használó utasokat a jármű mennyezetéhez csapja. Tizenketten megsérültek, egyvalaki súlyosan. Senki nem tudja, mi okozza ezeket a zavaró légzsákokat.

Fel a felhőövbe (155)

A troposzféra után a sztratoszféra következik. Amikor egy viharfelhő teteje klasszikus üllő alakúvá lapul, akkor a két réteg közötti határt látjuk. Ezt a láthatatlan mennyezetet tropopauzának hívják. 1902-ben fedezte fel egy hőlégballonon utazó francia, Léon-Philippe Teisserenc de Bort. Ebben az értelemben a pauza nem pillanatnyi megállást, hanem teljes megszűnést jelent; ugyanarról a görög szótőről van szó, ami a menopauza szóban is szerepel. A tropopauza még az Egyenlítőnél is nagyon közel van hozzánk. Ha egy olyan gyorslifttel mennék fel, amilyet mostanában a felhőkarcolókba szerelnek, az út (bár nem javasoljuk, hogy megtegye), nem tartana tovább húsz percnél. Az ilyen gyors emelkedés, ha közben a nyomást nem egyenlítik ki, legalábbis súlyos agy– és tüdőödémát okozna, vagyis a test egyes szöveteiben túl sok folyadék halmozódna fel. Amikor felértünk, nem sokan lennének életben közülünk. De még a lassabb emelkedés is kellemetlenségekkel járna. Tíz kilométerrel feljebb a hőmérséklet körülbelül -57 °C, és nagy szükségünk lenne oxigénpalackra.

A troposzféra elhagyása után a hőmérséklet ismét emelkedik, bár csak 4 fokkal – ezt az ózonnak köszönhetjük (amit szintén Bort fedezett fel bátor, 1902-es felszállásakor). Az itt következő mezoszférában -90 °C-ra csökken, utána viszont, a találóan elnevezett, de nagyon egyenetlen termoszférában hirtelen felszökik legalább 1500 °C-ra. A nappali-éjszakai hőmérséklet-különbség itt akár 500 fok is lehet, bár ebben a magasságban hőmérsékletről csak elvi szinten beszélhetünk. A hőmérséklet ugyanis a molekulák mozgékonyságát méri. Tengerszinten a levegő molekulái olyan sűrűn helyezkednek el, hogy csak kicsit mozdulhatnak – a centiméter nyolcmilliomodát –, mielőtt összeütköznének egy másikkal. Mivel az összes molekula állandóan ütközik, jelentős hőközlés történik. A termoszféra tetején, 80 kilométernél magasabban viszont olyan ritka a levegő, hogy bármelyik két molekula között több kilométer a távolság, ezért azok gyakorlatilag soha nem ütköznek. Tehát, bár az egyes molekulák forrók, nincs köztük sok kölcsönhatás, így a hőátadás elenyésző. Ez jó hír a műholdak és az űrhajók szempontjából, mert ha több hőkölcsönhatás történne, a Föld körül keringő mesterséges tárgyak kigyulladnának. {őőő... kigyulladnának? ismereteim szerint, a Föld körül nics, az égést támogató oxigén}

Az űrhajóknak még így is vigyázniuk kell a külső légkörben, különösen, amikor visszatérnek a Földre, ahogyan ezt a Columbia űrrepülőgép tragédiájakor láthattuk 2003 februárjában. Bár a légkör ritka, ha egy űrhajó túl meredek szögben (6°-nál nagyobban) vagy túl gyorsan érkezik, elég molekulával ütközik, hogy nagyon gyúlékony közeg keletkezzen. Ha viszont túl lapos szögben lép a termoszférába, visszapattanhat az űrbe, mint a vízen kacsáztatott kavics.

De nem is kell a légkör széléig elmennünk, hogy lássuk, milyen reménytelenül földhözragadt teremtések vagyunk. Bárki, aki járt már magasabban fekvő helyen, tudja, hogy nem kell sok száz méterrel eltávolodnunk a tengerszinttől, hogy testünk tiltakozni kezdjen. Még a tapasztalt hegymászók is – akik pedig edzésben vannak, alaposan felkészültek és oxigénpalackot hordanak magukkal – a magasban könnyen megszédülnek, hányingerük lesz, idő előtt kifáradnak, fagyások keletkezhetnek rajtuk, kihűlhetnek, migrént kaphatnak, elveszítik étvágyukat, és még más működési zavarok léphetnek fel. Az emberi test százféleképpen figyelmezteti a gazdáját, hogy nem ilyen magasan a tengerszint felettre tervezték.

Fel a felhőövbe! (157)

Nagy szerencsénk, hogy a Földnek van légköre. Ez nem engedi, hogy kihűljünk. Nélküle a Föld -50 °C átlaghőmérsékletű, élettelen jéggolyó lenne. Ráadásul a légkör elnyeli vagy eltéríti a kozmikus sugárzás, a töltéssel rendelkező részecskék, az ultraibolya sugarak és más nem kívánatos látogatók nagy részét. A légkör védő hatása – bár gázokból áll – megfelel egy 4,5 méter vastag betonrétegének, és nélküle a láthatatlan kozmikus részecskék apró dárdákként hatolnának át rajtunk. Ha a légkör nem lassítaná le az esésüket, még az esőcseppek is úgy kólintanának fejbe minket, mintha megköveznének.

Légkörünkkel kapcsolatban az a legkülönösebb tény, hogy nincsen valami sok belőle. Fölfelé körülbelül 190 kilométer távolságig tart, ami a Földről nézve nagynak tűnhet, de ha asztali földgömbbel akarjuk modellezni, körülbelül egy-két lakkrétegnyit tenne ki.

A könnyebb tudományos tanulmányozás érdekében a légkört négy különböző vastagságú rétegre osztották: troposzféra (felhőöv), sztratoszféra, mezoszféra (középső légkör) és ionoszféra (ma gyakran hívják termoszférának vagy Heaviside-rétegnek is). A troposzférát szeretjük a legjobban. Csak ebben van elegendő hő és oxigén a fennmaradásunkhoz, bár a túlélés gyorsan nehezedik, amikor felfelé tartunk benne. A troposzféra a felszíntől a legmagasabb pontjáig körülbelül 16 kilométer magas az Egyenlítőnél, de csak 10-11 kilométeres a mérsékelt éghajlatú vidékek fölött. Ez a sáv adja a légkör tömegének 80%-át, és itt van majdnem az összes víz, tehát gyakorlatilag az egész időjárás ebben a vékony rétegben zajlik. Ennyi áll az olvasó és a megsemmisülés között.

A magányos bolygó (155)

A Földön 92 elem fordul elő természetes körülmények között, és további körülbelül húszat elő lehet állítani laboratóriumban, de az utóbbiak egy részével nem is kell foglalkoznunk – a vegyészek sem szoktak. A földi elemek között nem kevés van, amelyről szinte semmit nem tudunk. Az asztáciumot például gyakorlatilag még senki nem tanulmányozta. Megvan a neve és a helye a periódusos rendszerben (Marie Curie polóniumának szomszédságában), de ennél sokkal többet nem tudunk róla. Itt nem tudományos közönyről van szó, hanem az elem ritka előfordulásáról. Elég nehéz ugyanis asztáciumot találni. De a legmegfoghatatlanabb elem mindenképpen a francium, ami olyan ritka, hogy az egész bolygón összesen legfeljebb húsz atom gramm van belőle minden pillanatban. Mindent összevéve csak körülbelül harminc, természetben előforduló elemből van nagyobb mennyiség a Földön, az élet szempontjából pedig, talán ha fél tucatnak van fontos szerepe.

Gondolom, az olvasó is kitalálta már, hogy ezek egyike az oxigén, a leggyakrabban előforduló elemünk; ebből áll a földkéreg mintegy 50%-a. A többi elem gyakorisága viszont több meglepetést rejteget. Ki gondolná például, hogy a szilícium a második leggyakoribb elem, a tizedik pedig a titán? Nincsen kapcsolat egy elem gyakorisága és aközött, hogy mennyire fontos az élőlények felépítéséhez. Az ismeretlenebb elemekből általában több van, mint a jobban ismertekből. A Földön több cérium van, mint réz, és több neodímium vagy lantán, mint kobalt vagy nitrogén. Az ón alig került be a leggyakoribb ötvenbe, és olyan viszonylag ismeretlen anyagok előzik meg, mint a prazeodímium, a szamárium és a diszprózium.

...

A gyakoriság a fontossággal sincsen egyenes arányban. A szén csak a tizenötödik leggyakoribb elem, és a földkéregnek is csak a 0,048%-a, az élethez azonban elengedhetetlenül szükséges. A szénatom azért különleges, mert szégyentelenül összeáll szinte bármelyik elemmel. Ő az atomok világának aranyifjúja, amely rengetegféle társával (sőt, saját magával is) kapcsolatot létesít. Szoros kötést és egészségesen robusztus molekulaláncokat alakít ki – és éppen ez kell a fehérjék és a DNS felépítéséhez. Paul Davies szerint: „Ha nem lenne szén, az általunk ismert – sőt bármilyen – élet lehetetlen lenne.” Pedig nincs is olyan sok szén bennünk. Testünk minden 200 atomjából 126 hidrogén, 51 oxigén és csak 19 szén.

A többi elem nem az élet létrehozásához elengedhetetlen, hanem a fenntartásához. A hemoglobinhoz vasra van szükségünk. A kobalt a Bn vitaminhoz kell. A kálium és egy kis nátrium jót tesz az idegeinknek. A molibdén, a magnézium és a vanádium elengedhetetlen enzimeink működéséhez. A cink – szerencsére – elégeti az alkoholt.

Az ember fejlődéstörténete során megtanulta felhasználni, vagy legalábbis elviselni ezeket az anyagokat – máskülönben nem lennénk itt – de ebben az értelemben is nagyon szűk tűréshatárok között működünk. A szelén létfontosságú, de ha egy kicsit többet veszünk magunkhoz a kelleténél, más anyagra soha többé nem lesz szükségünk. Abból, hogy melyik élőlény mennyire igényli vagy tűri az egyes elemeket, következtethetünk annak fejlődéstörténetére. A birkák és a tehenek békésen legelnek egymás mellett, de egészen különböző ásványi anyagokra van szükségük. A ma élő szarvasmarháknak sok réz kell, mert Európa és Afrika olyan részeiről származnak, ahol bőségesen volt réz. A juhok viszont Kis-Ázsia rézben szegény területeiről terjedtek el. A fentiek után nem meglepő, hogy az elemeket éppen olyan arányban tűri el a szervezet, ahogyan azok a földkéreg adott részén előfordulnak. Úgy fejlődtünk ki, hogy számítunk a ritka elemek kis adagjaira, sőt néha nagy szükségünk is van rájuk, és ezeket az általunk fogyasztott állati és növényi szövetek biztosítják számunkra. De ha a kelleténél (néha csak egy kicsivel) többet veszünk magunkhoz valamelyikből, hamarosan átlépünk egy küszöböt. Ennek a mechanizmusáról még nem sokat tudunk. Például senki nem tudja, hogy szervezetünknek szüksége van-e egy pirinyó adag arzénre. Van, aki állítja, hogy igen, és van, aki tagadja. Azt viszont mind tudjuk, hogy egy nagyobb adagtól meghalnánk.

A magányos bolygó (149)

A mélység legnagyobb fenyegetése azonban a keszonbetegség, nem azért, mert fájdalmas, hanem mert ennek előfordulása a legvalószínűbb. A belélegzett levegő 80%-a nitrogén. Ha viszont a test nyomás alá kerül, ez a gáz apró buborékokká alakul, amelyek behatolnak a vérbe és az egyéb szövetekbe. {pontosítés: A nitrogén feloldódik a vérben nagy nyomás alatt. A buborékok csak a hirtelen nyomáscsökkenéskor jelennek meg.} Ha a nyomás túl gyorsan változik – például, ha egy búvár túl gyorsan jön a felszínre – a testbe zárt buborékok elkezdenek gyöngyözni, mint egy éppen kinyitott pezsgősüvegben, és elzárják a hajszálereket, ezért a sejtekhez nem jut elég oxigén, és olyan fájdalmat okoznak, hogy a búvár kétrét görnyed fájdalmában (erre utal a jelenség angol neve, a „bends”).

Talpunk alatt lángol a tűz (133)

Kiderült tehát, hogy a Föld rétegekből áll, de még messze nem ismerték az összeset. 1936-ban például a dán Inge Lehmann új-zélandi földrengési adatok alapján felfedezte, hogy a Föld magja két részből áll: egy belsőből, amely jelenlegi tudásunk szerint szilárd, és egy külsőből (ez verte vissza az Oldham által tanulmányozott lökéshullámokat), ami valószínűleg folyékony halmazállapotú, és ez hozza létre a Föld mágneses terét.

Körülbelül ugyanakkor, amikor Lehmann a Föld belsejét tanulmányozta, a kaliforniai Caltech két geológusa annak a módját kereste, hogyan lehet két egymás utáni földrengést összehasonlítani. Nevük Charles Richter és Beno Gutenberg volt, és az általuk kitalált rangsort teljesen igazságtalanul azonnal Richter-skálaként kezdték emlegetni. (Erről nem Richter tehetett. Ő a skálára szerénységből soha nem a saját nevével hivatkozott; egyszerűen magnitúdóskálának hívta.)

A Richter-skálát a legtöbben mindig is félreértették, bár ma már nem annyian, mint Richter idejében, amikor minden látogatója arra kérte, mutassa meg neki, mert azt hitték, valamiféle gép. A skála természetesen nem tárgy, hanem osztályozórendszer, amellyel a földrengéseket lehet megmérni a felszín rezgése alapján. A skála exponenciális, tehát egy 7,3-as földrengés ötvenszer olyan erős, mint egy 6,3-as, és 2 500-szor akkora, mint egy 5,3-as. 

{A skála tízes alapú logaritmuson alapszik, tehát a 7,3-as 10-szer erősebb, mint a 6,3-as}

Elméletileg a földrengések erősségének nincsen felső határa, sőt, alsó sem. A skála egyszerűen az erősséget méri, de nem szól a földrengés okozta kárról. Ha egy 7-es erősségű földrengés történik a földköpeny belsejében, mondjuk 650 kilométer mélyen, lehet, hogy a felszínen nem okoz semmiféle kárt, viszont egy sokkal kisebb, amelyik a felszín alatt 6 vagy 7 kilométerre zajlik le, mérhetetlen pusztítást okozhat. Sok függ az altalajtól is, valamint a földrengés időtartamától, az utórezgések gyakoriságától és erősségétől, és az érintett terület fizikai adottságaitól. Mindez azt jelenti, hogy nem feltétlenül a legerősebb földrengések a legfélelmetesebbek, bár az erő természetesen fontos tényező.

Bumm! (129)

Megkérdeztem, mit gondolnak, mennyivel lehetne előre jelezni, ha egy hasonló méretű szikla indulna el felénk.

– Ó, valószínűleg semennyivel – válaszolta lazán Anderson. – Nem látnánk szabad szemmel, amíg fel nem izzana, az pedig csak a légkörben történne, vagyis körülbelül egy másodperccel korábban, mint ahogyan a Földbe csapódik. Olyan testről beszélünk, amelyik sok tízszer gyorsabban halad egy puskagolyónál. Hacsak valaki véletlenül meg nem látná, miközben bámulja az eget egy távcsővel – és erre nincsen nagy esély –, akkor teljesen váratlanul érkezne.

Sok mindentől függ, hogy egy becsapódó égitest mekkorát üt a Földön: a légkörbe belépés szögétől, a sebességétől és a pályájától; attól, hogy az ütközés sugárirányban történik, vagy csak súrolja a Földet; az érkező test tömegétől és sűrűségétől, és még sok más tényezőtől, amelyeknek egyikét sem tudjuk kideríteni ennyi millió évvel később. Amit viszont megtehetünk – ahogy ezt Anderson és Witzke meg is tették –, az a becsapódás helyének a megmérése és a felszabadult energia kiszámítása. Ebből azután különféle lehetséges forgatókönyveket készíthetünk arról, mi történhetett, vagy ha ijesztgetni akarnám az olvasót, azt mondanám, mi történhet.

A kozmikus sebességgel haladó kisbolygó vagy üstökös a Föld légkörébe olyan sebességgel lépne be, hogy az alatta lévő levegőoszlop nem tudna utat adni neki, és összenyomódna, mint egy biciklipumpában. Aki már használt ilyet, az tudja, hogy az összenyomott levegő gyorsan felforrósodik; az érkező égitest alatti levegő körülbelül 60 000 K hőmérsékletű lenne, tízszer olyan forró, mint a Nap felülete. A meteor útjában lévő akadályok – emberek, házak, gyárak, autók – a láng fölé tartott celofánhoz hasonlóan olvadnának és tűnnének el.

Egy másodperccel később, amikor a meteor áthaladt a Föld légkörén, becsapódna oda, ahol az előző pillanatban még mindenki tette a maga dolgát. Maga a meteor azonnal elporlana, de a robbanástól elmozdulna 1000 köbkilométernyi kő, föld és túlhevített gáz. A becsapódás körülbelül 250 kilométeres környezetében, amelyik élőlény nem égett meg a belépés pillanatában, az a robbanásban pusztulna el. Az első lökéshullám elképesztően nagy sebességgel gyűrűzne kifelé, mindent maga előtt tolva.

Akik nem voltak az elsődleges pusztítási zónában, azok a katasztrófából először is egy vakító fényfelvillanást látnának – olyan fényességet, amilyet emberi szem még nem látott –, majd egy pillanattal vagy egy-két perccel később elképesztő, apokaliptikus látványban lenne részük: egy zavaros, sötét fal nyúlik szinte az égig, betölti az egész látóteret, és óránként több ezer kilométeres sebességgel közeledik, ugyanakkor hang nélkül, hiszen jóval meghaladná a hangsebességet. Ha valaki éppen jó irányban nézne ki ekkor egy omahai vagy Des Moines-i magas épületből, elképesztő, örvénylő fátylat látna, amelyet azonnal követ a teljes megsemmisülés.

A Denvertől Detroitig tartó területen, többek között az egykori Chicagóban, St Louisban, Kansas Cityben, Minneapolisban és St. Paulban, tehát az egész Középnyugaton perceken belül minden, ami állt, a földbe döngölődik vagy lángokban áll, és majdnem minden élőlény halott. Az emberek még 1 500 kilométerrel a becsapódástól is a földre kerülnek, és meghalnak a repeszektől. Ahogy távolodunk fokozatosan egyre kevesebb kárt okoz a robbanás.

De ez csak az első lökéshullám. Csak találgathatunk, hogy miféle másodlagos katasztrófák következnének, de az biztos, hogy gyorsan történnének, és az egész Földre kihatnának. A becsapódás valószínűleg földrengések láncolatát indítaná el. Kitörnének a Föld tűzhányói. A partokat szökőárak pusztítanák. A Föld egy órán belül sötét füstfelhőbe burkolózna, mindenhová égő kövek és más törmelékek záporoznának, és ettől meggyulladna a Föld többi része is. Egyes számítások szerint az első nap végére körülbelül másfél milliárd ember halna meg. Az ionoszférában olyan zavarok keletkeznének, amelyek megbénítanák a tömegtájékoztatást, ezért a túlélők nem is tudnák, máshol mi a helyzet, és hová menekülhetnek. De ez nem sokat számítana. Egy vélemény szerint a menekülés csak „lassú halál lenne a gyors helyett. Nem sokakon segítene, ha elköltöznének, hiszen a Föld életfenntartó képessége mindenütt megszűnne.”

Annyi korom és lebegő hamu kerülne a levegőben, hogy a Napot hónapokig, esetleg évekig is eltakarná, és ezzel teljesen tönkretenné a növekedési ciklusokat. 2001-ben a Caltech kutatói az utóbbi KT becsapódáskor keletkezett üledékben talált héliumizotópok vizsgálata alapján azt állították, hogy annak körülbelül tízezer éven keresztül tartó hatása volt az éghajlatra. Ezt a tényt felhasználták annak bizonyítására is, hogy a dinoszauruszok kihalása gyorsan, egyszerre történt – legalábbis geológiai értelemben. Nem tudhatjuk, hogy az emberiség hogyan birkózna meg vagy egyáltalán megbirkózna-e egy ilyen helyzettel.

És ne felejtsük, hogy mindez figyelmeztetés nélkül történne.

Bumm! (127)

1990-ben az egyik kutató, Alan Hildebrand, az Arizonai Egyetem geológusa véletlenül találkozott a Houston Chronicle egyik újságírójával, aki történetesen ismert egy eleddig megmagyarázatlan, 193 kilométer széles és 48 kilométer mély, gyűrű alakú képződményt a mexikói Yucatán-félszigeten Chicxulubnál, Progreso város mellett, New Orleanstól körülbelül 950 kilométerre délre. A képződményt a Pemex mexikói olajtársaság munkatársai találták 1952-ben – éppen abban az évben, amikor Gene Shoemaker először látogatta meg az arizonai Meteor-krátert – de a cég geológusai azt vulkáni eredetűnek tartották, az akkori vélekedéssel összhangban. Hildebrand odautazott, és viszonylag gyorsan eldöntötte, hogy megvan a kráter. 1991 elejére már szinte mindenki osztotta a véleményt, hogy Chicxulub a becsapódás helye.

Ekkor még nagyon sokan nem értették, hogy milyen hatása lehet egy becsapódásnak. Stephen Jay Gould egyik értekezésében így írt saját érzéseiről: „Emlékszem, hogy eleinte erősen kételkedtem egy ilyen esemény hatóerejében… Hogyan lehetne, hogy egy mindössze 10 kilométer átmérőjű test ekkora pusztítást végzett egy majdnem 13 000 kilométer átmérőjű bolygón?”

Nagy szerencse, hogy az elméletet hamarosan tesztelni lehetett, miután a Shoemaker házaspár és Levy felfedezték a Jupiter felé haladó Shoemaker-Levy-9 üstököst. Ez volt az első eset, hogy az ember szemtanúja lehetett egy kozmikus összeütközésnek, méghozzá nagyon jól meg is lehetett figyelni az új Hubble-űrtávcső segítségével. Curtis Peebles szerint a legtöbb csillagász nem várt sokat az eseménytől, különösen, mivel az üstökös nem egyetlen tömbből állt, hanem huszonnégy egymás után következő kisebb darabból. Az egyik szemtanú szerint: „Úgy érzem, a Jupiter egyenként le fogja nyelni ezeket az üstökösöket, és még csak emésztési zavarokat sem fognak neki okozni.” Egy héttel a becsapódás előtt a Nature folyóiratban megjelent egy The Big Fizzle Is Coming (Jön a nagy sistergés) című cikk, amely szerint a becsapódás tulajdonképpen csak egy meteorzápor lesz.

A becsapódás 1994. június 16-án kezdődött. Egy hétig tartott, és sokkal nagyobb volt, mint bárki – talán egyedül Gene Shoemaker kivételével – gondolta volna. Az egyik darab, a Nuclens G körülbelül hatmillió megatonna erővel csapódott be, ami hetvenötször akkora, mint amekkora pusztításra bármelyik földi nukleáris fegyver képes. A G-jelű mag csak akkora volt, mint egy kisebb hegy, de a Jupiter felszínén Föld méretű sebeket ejtett. Ez volt az utolsó csapás az Alvarez-elmélet ellenzőinek.

Depiction of the Shoemaker-Levy 9 Collision as Viewed from Earth 1992

Mark mester kvarkja (107)

A kvarkok azonban nem sokáig maradhattak a legalapvetőbb, legegyszerűbb részecskék. Amikor jobban megismerték őket, kénytelenek voltak ezeket is tovább osztályozni. Bár a kvarkok túl kicsik ahhoz, hogy színük, ízük vagy bármilyen felismerhető fizikai tulajdonságuk legyen, hat csoportra osztották őket: fel, le, ritka, bájos, felső és alsó. Különös módon a fizikusok a fenti tulajdonságokat a kvarkok ízeként emlegetik, és ezeken belül megkülönböztetnek piros, zöld és kék kvarkot. (Nem rejthetjük véka alá gyanúnkat, hogy az elnevezések nem véletlenek; először Kaliforniában használták őket a pszichedelikus korban.)

Végül mindebből kibontakozott az úgynevezett standard modell, amit tekinthetünk a szubatomi világ építőkészletének. A standard modellben van hat kvark, hat lepton, öt ismert bozon plusz egy feltételezett hatodik, a Higgs-bozon (Peter Higgs skót fizikus után), és a gravitáción kívül három fizikai erő: az erős és a gyenge kölcsönhatás és az elektromágnesség.

Mark mester kvarkjai (104)

A fizikusok tehát egyre nagyobb és hatékonyabb gépeket építettek, és segítségükkel számtalan részecskét és részecskecsaládot találtak, vagy legalábbis sok ilyen létezésére következtettek; megjelentek a müonok, pionok, hiperonok, mezonok, K-mezonok, Higgs-bozonok, közvetítő vektor-bozonok, barionok és tachionok. Ez még az atomfizikusoknak is sok volt egy kicsit. Egyszer Enrico Fermitől megkérdezte egy diákja egy bizonyos részecske nevét. A professzor így válaszolt: „Fiatalember, ha képes lennék megjegyezni minden részecske nevét, botanikusnak mentem volna.”

Ma a részecskegyorsítók neve beleillene bármelyik tudományos-fantasztikus kalandfilmbe: Szuper Proton Szinkrotron, Nagy Elektron-Pozitron-ütköztető, Nagy Hadronütköztető, Relativisztikus Nehézion-ütköztető. Ezek hatalmas energiákat felhasználva (némelyikük éjszaka működik, hogy a környező városokban ne halványuljon el a világítás, amikor a berendezést bekapcsolják) a részecskéket úgy felgyorsítják, hogy például egy elektron 47 000 hétkilométeres kört tesz meg egy alagútban egy másodperc alatt. Félő, hogy a lelkes tudósok egyszer majd véletlenül létrehoznak egy fekete lyukat vagy esetleg egy „ritka kvark”-ot, ami elméletileg kölcsönhatásba léphetne más szubatomi részecskékkel, és megállíthatatlanul terjedne.

A hatalmas atom - erős és gyenge kölcsönhatás (95)

A kvantum-valószínűtlenségek talán legérdekesebbikére Wolfgang Pauli jött rá 1925-ben. A Pauli-elv (más néven: kizárási elv) szerint egyes atomméret alatti részecske-párok tagjai „tudják”, hogy a másikkal mi történik, még akkor is, ha eltávolodnak egymástól. A részecskék egyik tulajdonsága az úgynevezett perdület vagy spin. A kvantumelmélet szerint, amikor meghatározzuk egy részecske spinjét, a párja, bármilyen messze legyen is, ellenkező irányban, azonos sebességgel kezd el pörögni.

A dolgok annyira felpörögtek, hogy Bohr egy konferencián megjegyezte egy új elméletről, hogy nem az a kérdés, hogy az ötlet őrült-e, hanem hogy elég őrült-e. Hogy a kvantumvilág szabályai mennyire eltérnek a mindennapi életben tapasztaltaktól, Schrödinger egy híressé vált gondolatkísérlettel illusztrálta. Ebben egy feltételezett macskát egy feltételezett dobozba tettek, ahol volt még egy feltételezett radioaktív anyag egy atomja egy fiolányi hidrogén-cianiddal együtt. Ha a részecske egy órán belül lebomlik, egy szerkezet működésbe jön, eltöri a fiolát, a macska pedig elpusztul a mérges gáztól. Ha nem, a macska életben marad. Nem tudjuk, melyik eset fog bekövetkezni, tehát a macskát tudományos értelemben 100%-ban élőnek és 100%-ban kimúltnak kell tekintenünk. Ez viszont azt jelenti, írja Stephen Hawking – és meg tudom érteni, hogy miért hozza lázba ez a gondolat –, hogy hogyan is lehetne „előre jelezni a jövőbeli eseményeket, ha egyszer a világegyetem jelenlegi állapotát sem tudjuk pontosan felmérni!”.

A kvantumelméletet, vagy legalábbis egyes megjelenési formáit sokan nem is szerették különös mivolta miatt. Jó példa erre Einstein. Ez több mint ironikus, mivel ő volt, aki az 1905-ös „csodaévben” megmagyarázta, hogyan lehetséges, hogy a fotonok néha részecske, néha hullám módjára viselkednek, és ez a gondolat már az új fizikához tartozott. „A kvantumelmélet nagyon is tiszteletre méltó”, jegyezte meg udvariasan, de nem szerette. „Soha nem fogom elhinni, hogy Isten kockajátékot játszik velünk.”{Ezt a mondatot általában így idézik. Valójában ezt mondta: „Nem hinném, hogy bepillanthatunk Isten kártyalapjaiba. De hogy Ő kockázna, és »telepátiát« használna… ezt egy pillanatig sem hiszem.”}

Einstein nem tudta elviselni a gondolatot, hogy Isten egy nem teljesen megismerhető világegyetemet teremtett. A távolhatás – hogy egy részecske azonnal hasson egy tőle esetleg több milliárd kilométerre lévő másikra – a speciális relativitáselméletet durván sérti. Semmi nem haladhatja meg a fény sebességét, és ebben a fizikában valahogyan, atomméret alatti szinten – az információ mégis mintha végtelen sebességgel terjedne. (Egyébként még senki nem magyarázta meg a részecskéknek ezt a különleges képességét. A tudósok a problémát úgy hidalják át, hogy – legalábbis Yakir Aharanov szerint – „nem gondolnak rá”.)

A kvantumfizika egy bizonyos fokú rendetlenséget jelentett, ami a fizikában eddig elképzelhetetlen volt. Hirtelen két külön szabályrendszer kellett a világegyetem egészének leírására – a kvantumelmélet a nagyon kicsi világához, a relativitáselmélet a minket körülvevő világegyetemhez. A relativitáselmélet szépen megmutatja, hogy a gravitáció hogyan hat a bolygókra, hogy azok a napjuk körül keringjenek, vagy hogy a galaxisok miért rendeződnek halmazokba, de részecske szinten használhatatlan volt. Az atomokat más erők tartják egyben, és az 1930-as években két ilyen erőt is felfedeztek: a gyenge és az erős kölcsönhatást. Az erős kölcsönhatás tartja össze az atomokat, emiatt maradnak meg a protonok az atommagban. A gyenge magerő több mindenért is felelős, de főleg egyes radioaktív bomlások sebességének szabályozásáért.

A gyenge kölcsönhatás nem is olyan gyenge; a gravitáció tízmilliárdszorosa milliárdszorosának a milliárdszorosa, az erős pedig ennél is sokszor hatalmasabb – hatásuk viszont csak nagyon kis távolságon belül érvényesül. Az erős kölcsönhatás hatósugara körülbelül egy atom átmérőjének a százezred része. Az atommag ezért olyan tömör és sűrű, és ezért lehetséges, hogy a nagy atommagú elemek instabilak; az erős kölcsönhatás nem tudja összetartani az összes protont.

Evans tiszteletes világegyeteme (95)

Végül, 1926-ban Heisenbergnek sikerült a kettőt összeegyeztetnie, és létrehozott egy új tudományágat, a kvantummechanikát. A kvantummechanika középpontjában Heisenberg bizonytalansági elve áll, amely szerint az elektron részecske, de olyan, amelyről úgy beszélhetünk, mintha hullám lenne. A határozatlansági elv miatt ismerhetjük az elektron pályáját, vagy azt, hogy egy adott pillanatban éppen hol van, de a kettőt egyszerre sohasem. Az egyik mérése ugyanis elkerülhetetlenül befolyásolja a másik adatot. És nem csak arról van szó, hogy nem állnak rendelkezésre megfelelően pontos eszközök; a határozatlansági elv a világegyetem megváltozhatatlan sajátossága.

A gyakorlatban ez azt jelenti, hogy egyetlen adott pillanatban sem tudhatjuk egy elektron pontos helyét. Csak arról beszélhetünk, mennyi a valószínűsége, hogy éppen ott legyen. Dennis Overbye ezt úgy fejezte ki, hogy az elektron bizonyos értelemben csak akkor létezik, amikor éppen észlelik. Kicsit máshogyan fogalmazva, amikor az elektront éppen senki nem észleli, az „egyszerre van mindenütt és sehol”.

Evans tiszteletes világegyeteme (94)

... fáradhatatlan Rutherford lett a cambridge-i Cavendish Laboratórium vezetője J. J. Thomson utódjaként. Olyan modellt alkotott, amely alapján érthetővé vált, hogy az atommagok miért nem robbannak fel. Rájött, hogy a pozitív töltésű protonok között valamiféle semlegesítő részecskéknek kell lenniük; ezeket nevezte el neutronoknak. Egyszerű, tetszetős elmélet volt, de hogyan bizonyítsa be? Rutherford munkatársa, James Chadwick tizenegy éven át szakadatlanul a neutront kereste, és végül, 1932-ben, meg is találta. Ő is fizikai Nobel-díjat kapott, 1935-ben. Boorse és társai tudománytörténeti munkája szerint nagy szerencse, hogy ez a felfedezés ennyit késett, mert a neutron ismerete nélkül nem lehetett atombombát készíteni. (Mivel a neutronoknak nincsen töltése, nem taszítja őket az atomok közepében lévő elektromos mező, ezért apró torpedókként bele lehet őket lőni egy atommagba, és ezzel elindul a maghasadás romboló folyamata.) Ha a neutront már az 1920-as években felfedezik, akkor „nagyon valószínű, hogy az első atombomba Európában készül el, és biztos, hogy a németek gyártanák”.

...

Az európaiaknak azonban más gondjuk volt: megpróbálták megérteni az elektronok furcsa viselkedését. A fő probléma az volt, hogy az elektronok viselkedése néha a részecskékére, néha a hullámokéra emlékeztetett. Ez a lehetetlen kettősség szinte megőrjítette a fizikusokat. A következő évtizedet Európa egész fizikustársadalma dühödt töprengéssel és elméletgyártással töltötte. Franciaországban Louis-Victor, Broglie hercege, egy főúri család leszármazottja rájött, hogy az elektronok egyes viselkedési furcsaságai eltűnnek, ha hullámnak tekintjük őket. A megfigyelés megragadta az osztrák Erwin Schrödinger figyelmét, aki gyorsan finomított az új elképzelésen, és kitalált egy hasznos rendszert, a hullámmechanikát. Ezzel majdnem egy időben a német Werner Heisenberg egy másik elmélettel állt elő, a mátrixmechanikával. Ez matematikai szempontból annyira bonyolult volt, hogy szinte senki nem értette, állítólag még Heisenberg sem. – Hiszen még azt sem tudom, mi az a mátrix – fakadt ki egyszer, de az ő feltevése megoldott olyan problémákat is, amelyeket Schrödinger elmélete nem.

A hatalmas atom (92)

A neutronok száma nincs hatással az atomok fajtájára, de az atom tömege ettől függ. Az atomokban körülbelül ugyanannyi neutron van, mint ahány proton. Ha az atomhoz egy-két neutront adunk, vagy egyet-kettőt elveszünk belőle, ugyanannak az elemnek az izotópját kapjuk. A régészeti kormeghatározásban használt kifejezések mindig izotópokat jelentenek, például a „szén-14” jelentése egy szénatom hat protonnal és nyolc neutronnal (a tizennégy a kettő összege).

a szén, oxigén és klór atomszerkezete
(itt a neutronok nincsenek ábrázolva)

A neutronok és a protonok alkotják az atommagot. Az atommag kicsi, az atom térfogata milliárdod részének mindössze egymilliomod része, de hihetetlenül nagy sűrűségű, hiszen itt összpontosul az atom majdnem teljes tömege. Cropper ezt a következő hasonlattal világította meg: ha egy atomot székesegyház méretűre nagyítanánk, az atommag akkora lenne, mint egy légy, viszont a légy sok ezerszer nehezebb lenne, mint az egész épület. Ez a viszonylagos hatalmasság, ez a nem várt, szinte visszhangzó üresség ejtette zavarba Rutherfordot 1910-ben.

Einstein világegyeteme (82)

Amikor egy újságíró megkérdezte Sir Arthur Eddington brit csillagászt, hogy ő valóban egyike-e annak a három embernek, aki érti Einstein relativitáselméleteit, Eddington mélyen elgondolkodott, és ezt válaszolta: – Csak azon gondolkodom, hogy ki lehet a harmadik. – A relativitással nem az volt a gond, hogy túl sok differenciálegyenletet, Lorentz-transzformációt vagy más bonyolult matematikát tartalmazott (márpedig sok ilyen volt benne; egyes részeknél Einstein segítségre is szorult), hanem az, hogy annyira nem köthető mindennapi tapasztalatainkhoz. 

A relativitáselmélet lényegében azt mondja ki, hogy a tér és az idő nem abszolút dolgok, hanem függnek a megfigyelőtől és a megfigyelt testtől, és ezek minél gyorsabban mozognak, annál nyilvánvalóbbak ezek az effektusok. Soha nem érhetjük el a fény sebességét, és akárhogyan próbálkozunk (minél gyorsabban mozgunk), annál jobban torzulunk a velünk nem együtt mozgó megfigyelő szemében.

A tudomány népszerűsítői szinte azonnal elkezdtek olyan módszereket kidolgozni, amelyekkel ezek a fogalmak megmagyarázhatók lesznek a nagyközönség számára. Az egyik (legalábbis üzletileg) legsikeresebb próbálkozás Bertrand Russell The ABC of Relativity (A relativitás ábécéje) című könyve volt. Ebben Russell egy olyan példát talált ki, amelyet azóta rengetegen alkalmaznak. Az olvasót arra kérte, hogy képzeljen el egy 100 méter hosszú vonatot, amely a fénysebesség 60%-ával halad. Ha valaki a peronról nézi, úgy látja, a vonat összes tartozékaival együtt 80 méteresre rövidült. Ha hallanánk az utasokat, hangjuk lassú lenne, mintha a lemezjátszón rossz sebességet állítottunk volna be, és mozdulataik is lassúaknak látszanának. Még a vonat órája is késne, az is 80%-os sebességgel mozogna.

A vonat utasai viszont – és ez itt a lényeg – mindezt észre sem vennék. Az ő számukra a vonaton minden teljesen normálisnak tűnne, viszont minket, akik a peronon állunk, összenyomottaknak és furcsán lassúaknak látnának. Tehát minden attól függ, hogy a megfigyelő hogyan mozog (vagy áll) a megfigyelt testhez képest. {inerciarendszer, azaz vonatkoztatási rendszer}

A jelenség persze minden mozdulatunkkor megtörténik. Ha átrepülünk egy földrész felett, a másodperc egy parányi töredékrészével kevésbé öregszünk, mint azok, akiket otthagytunk. Még amikor a szoba egyik feléből a másikba megyünk, akkor is egy egészen picit torzul tér– és időélményünk. Kiszámították, hogy ha egy métalabdát 160 km/h sebességgel dobnak el, az 0,000000000002 grammal nagyobb tömegű lesz repülése közben. Tehát a relativitás hatása valódi és mérhető. A gond csak az, hogy ezek a különbségek túl kicsik ahhoz, hogy a gyakorlati életben számítsanak. De a világegyetem más szereplői – a fény, a gravitáció, sőt maga a világegyetem – számára már fontosak.

A dolgok nagysága (44)

A dolog kulcsa a körültekintés volt. A berendezést tartalmazó szobában nem volt szabad még suttogni vagy mozogni sem; Cavendish is a szomszédos szobából figyelte a kísérletet egy kis lyukon át bedugott távcsővel. A munka nagy pontosságot kívánt, és tizenhét összefüggő mérésből állt, amelyeket körülbelül egy év alatt sikerült elvégeznie. Számításai elkészültével Cavendish bejelentette, hogy a Föld tömege egy kicsit több mint 13 000 000 000 000 000 000 000 font, vagyis hatmilliárd billió tonna. 

A mai tudósoknak olyan pontos gépek állnak rendelkezésükre, amelyekkel akár egyetlen baktériumot is meg lehet mérni; olyan érzékenyek ezek a műszerek, hogy a mérési eredményt befolyásolja, ha valaki ásít a szomszéd házban. Sokat azonban nem pontosítottak Cavendish 1797-es mérésein. A Föld tömege jelenlegi tudásunk szerint 5,9725 milliárd billió tonna, ami csak körülbelül 1%-kal tér el Cavendish adatától. Érdekes, hogy mindez csak megerősítette Newton becslését, amelyet 110 évvel Cavendish előtt tett, mindenféle kísérlet nélkül. 

Tehát a XVIII. század végére a tudósok egészen pontosan ismerték a Föld alakját, méretét és távolságát a Naptól és a többi bolygótól; most pedig Cavendish a szobája négy fala közül megmondta a tömegét is. Gondolhatnánk, hogy a Föld korának megállapítása sem jelenthet nagy gondot, hiszen az ehhez szükséges anyagok a szó szoros értelmében a lábunknál hevernek. De nem. Az ember már belepiszkált az atomba, feltalálta a televíziót, a nejlont és az azonnal oldódó kávét, mire rájött, hogyan állapítsa meg saját bolygója korát.

Ahhoz, hogy ennek okát megtudjuk, északra, Skóciába kell utaznunk, és meg kell ismerkednünk egy ragyogó elmével, akiről nem sokat hallani: azzal az emberrel, aki felfedezett egy új tudományt, a geológiát.

A dolgok nagysága (36)

A Principia középpontjában a három newtoni mozgástörvény (amelyek nagyon leegyszerűsítve a következők: minden abban az irányban mozog, amelyikben elindították; addig marad egyenes vonalú mozgásban, amíg egy másik erő le nem lassítja, vagy el nem téríti, és minden hatáshoz van egy vele ellentétes irányú és egyenlő mértékű ellenhatás) és az egyetemes tömegvonzási törvény áll. Az utóbbi szerint a világegyetem minden teste vonzza a másikat. Lehet, hogy ezt nem mindig tapasztaljuk, de amint az olvasó itt ül, mindent vonz – a falat, a mennyezetet, a lámpát, a kedvenc macskáját – saját kis (tényleg nagyon kicsi) gravitációs terével. És az említett dolgok is vonzzák az olvasót. Newton jött rá, hogy két test akkora erővel vonzza egymást, ami – ismét Feynmant idézve – „arányos mindkettő tömegével, és fordítottan arányos a kettő közötti távolsággal”. Más szóval, ha megduplázzuk a két test távolságát, negyedakkora erővel vonzzák egymást. Az ezt kifejező képlet:

A fenti képlet persze nem olyasmi, aminek a legtöbben bármi hasznát vehetnénk, de annyit meg tudunk állapítani róla, hogy elegánsan tömör. Néhány kis szorzás, egy egyszerű osztás, és tessék: tudjuk, hogy milyen gravitációs viszonyban vagyunk az adott másik testtel. Ez volt az emberi elme által elsőként felismert valóban egyetemes természeti törvény, és ezért becsülik olyannyira Newtont.

Hogyan építsünk világegyetemet (29)

A szupernóvák persze nem csak a szórakoztatásunkra vannak. Többféle típusuk van (az egyiket Evans fedezte fel), és az egyik, az Ia szupernóva, a csillagászat fontos része lett, mert mindig ugyanúgy, ugyanannál a kritikus tömegnél robban fel. Ezért lehet normálgyertyaként használni kozmikus távolságok és a világegyetem tágulási sebességének megállapítására.

Hogyan építsünk világegyetemet (23)

Akkorák a távolságok, hogy gyakorlatilag lehetetlen méretarányosan ábrázolni a Naprendszert. Még ha kihajtható oldalakat használnánk, vagy egy óriásplakátot, akkor sem jutnánk sehová. Ha a Naprendszer méretarányos térképén a Föld borsónyi, akkor a Jupiter 300 méterre van tőle, a Plútó pedig két és fél kilométerre (és körülbelül akkora, mint egy baktérium, tehát nem is látnánk). Ugyanezen a térképen a Proxima Centauri, a Naphoz legközelebbi csillag 16 000 kilométerre lenne. Még ha a térképet akkorára kicsinyítenénk is, hogy a Jupiter akkora lenne, mint a pont ennek a mondatnak a végén, és a Plútó egy molekulányivá zsugorodna, a Plútó még mindig 10 méterre lenne.

Hogyan építsünk világegyetemet (19)

Rees szerint a világegyetemet leginkább hat paraméter jellemzi, amelyekből ha egyet a legkisebb mértékben is megváltoztatunk, a dolgok teljesen máshogy alakulnak. Annak, hogy a világegyetem ilyen maradjon, feltétele például, hogy a hidrogénből mindig ugyanolyan méltóságteljes módon váljon hélium: tömegének 0,7 ezreléke energiává alakuljon. Ha az érték ennél kisebb, mondjuk 0,6 ezrelék lenne, akkor nem jönne létre hélium, és a világegyetem kizárólag hidrogénből állna. Ha az érték nagyobb lenne, mondjuk 0,8 ezrelék, a kötések olyan erősek lennének, hogy már rég nem lenne hidrogén. Mindkét esetben ugyanaz az eredmény: ha egy kicsit is megváltoztatjuk a számokat, az általunk ismert világegyetem nem létezne.

Azt gondolom, hogy eddig minden rendben van. Hosszú távon persze kiderülhet, hogy a gravitáció egy kicsit mégis túl erős, és egy nap megállhat a világegyetem tágulása, sőt össze is omolhat egy másik szingularitássá, és a folyamat esetleg elölről kezdődhet. Másrészt viszont túl gyengének is bizonyulhat, és akkor a világegyetem tovább tágul, amíg minden olyan távol nem kerül egymástól, hogy nem lesznek anyagi kölcsönhatások, és a világegyetem egy szép tágas, mozdulatlan, halott képződménnyé válik. A harmadik lehetőség: a gravitáció pont jól van beállítva (a kozmológusok ezt nevezik kritikus sűrűségnek), és a világegyetem szépen megtartja méreteit, és a dolgok örökké folytatódhatnak. A kozmológusok lazább pillanataikban ezt nevezik Goldilocks-hatásnak, amikor minden éppen rendben van. (Megjegyzés: a fent leírt három lehetséges forgatókönyv neve zárt, nyílt, illetve sík világegyetem.)

Előbb-utóbb mindannyiunkban felmerül a kérdés, hogy mi történne, ha elmennénk a világegyetem szélére, és kikukucskálnánk a függöny mögül. Hol lenne a fejünk e művelet során, ha nem a világegyetemben? És mit látnánk? A válasz kiábrándító: soha nem érhetünk el a világ végére. És nemcsak azért, mert túl sokáig tartana az út (bár ez is igaz), hanem azért, mert ha elindulnánk kifelé egy egyenes mentén, és rendületlenül, örökké haladnánk, akkor sem érnénk el a külső határt. Ehelyett visszaérkeznénk oda, ahonnan indultunk (amitől valószínűleg elkeserednénk és feladnánk a dolgot). Ennek az az oka, hogy a világegyetem görbül. Hogy ez hogyan lehetséges, azt nem tudjuk elképzelni, de Einstein relativitáselmélete szerint így kell lennie (ezt később még tárgyaljuk). Most erről elég azt tudnunk, hogy nem valamiféle örökké táguló buborékban lebegünk. A tér úgy görbül, hogy ezáltal határtalan, de véges lehet. Magáról a térről még csak azt sem mondhatjuk, hogy tágul, mert (mint ahogyan azt Steven Weinberg Nobel-díjas fizikus megjegyzi) „a naprendszerek és a galaxisok nem tágulnak, maga a tér nem tágul”. Inkább arról van szó, hogy a galaxisok rohamosan távolodnak egymástól. Ebbe elég nehéz valahogy beleérezni. Talán erről szólt J. B. S. Haldane biológus híres mondása: „A világegyetem nemcsak furcsább, mint amilyennek képzeljük, hanem annál is furcsább, mint amilyennek el tudjuk képzelni.