Az emberi léptékek fizikája
Március 15-én Széchényi-díjjal tüntették ki: mit jelent Önnek ez az elismerés?
E nagy megtiszteltetés kapcsán ismét megfogalmazódott bennem, hogy milyen szerencsés tudományos környezetben tölthettem el az életemet. Az ember tanul jeles tanáraitól, kollégáitól, saját diákjaitól is, és lehetősége van olyan közegben dolgozni, ahol bárkihez fordulhat. Az én munkahelyem immár negyven éve az Elméleti Fizikai Tanszék, amely Novobátzky Károly, majd még ma is élő egykori tanszékvezetőnk, Nagy Károly professzor úr munkásságától kezdve töretlen szellemben működik. Ennek a szellemnek pedig az a lényege, hogy mindenki szabadon kutathat, s nem azért kutat valaki az adott területen, hogy az jól nézzen ki, látványos legyen, hanem azért, mert a téma érdekli. De ez persze igaz a tanszékhez kapcsolódó akadémiai kutatócsoportra is, amellyel „szimbiózisban” élünk, és az egész Fizikai Intézetre is.
Mikor döntötte el, hogy a fizikusi pályát, ezen belül is az elméleti fizikát választja? Az elmúlt évek során kik voltak az Ön számára meghatározó személyek, tanárok, munkatársak vagy akár tanítványok, akikkel együtt dolgozott?
Az eredeti döntés egyértelműen középiskolai fizika tanárom, Holics László óráinak köszönhető, aki később az egyik első Rátz Tanár Úr-díjas lett, a hazai fizikatanárok doyenje. Azután itt az egyetemen is találkoztam több nagyszerű oktatóval, később pedig külföldi kollégákkal is. Azoknak a neveit és fényképét, akiktől különösen sokat tanultam, a honlapomon gyűjtöttem össze. Az elméleti fizika választása más kérdés, ugyanis csak fizikusi diploma létezik, mely mindhárom nagy megközelítési mód, az elméleti, a kísérleti, és ma már a számítógépes fizika művelésére is képez. Egyetemista koromban egy kísérletes diákköri munkában vettem részt Tichy Géza tanár úr vezetésével, ami nagyon élvezetes volt. Annak kapcsán megtapasztaltam azonban azt is, hogy a hetvenes évek Magyarországán komoly beszerzési nehézségekkel kell szembenéznie annak, aki kísérleti területen dolgozik. Így elméleti fizikai szakdolgozat témát választottam, de azóta is, amikor tanítom ezt a tárgyat, az első órán mindig elmondom, hogy az elméleti fizika nem létezik öncélúan, az a feladata, hogy a tapasztalatot, a jelenségeket, a kísérleteket megmagyarázza, sőt akár megjósolja, a matematika eszközeivel. 1998-ban, amikor létrejött a Kármán Laboratórium, már könnyebb beszerzési körülmények között dolgozhattunk, én magam is bekapcsolódtam a kísérletekbe. Ez persze nem jelenti azt, hogy teljesen kísérleti fizikussá váltam, azonban vannak kísérleti tapasztalataim és kísérletekkel foglalkozó cikkeim is, természetesen társzerzőkkel. A Laboratórium vezetője Jánosi Imre, aki vérbeli kísérleti fizikus is.
Hogyan látja a fizika mai helyzetét?
Az elmúlt időszak joggal világszenzációs felfedezései – a Higgs-részecske és a gravitációs hullámok felfedezése – kapcsán először azt érdemes elmondani, hogy a fizika két nagy területre osztható: a nagyon kicsik – az atommagnál kisebbek – és a nagyon nagyok – a Naprendszernél nagyobbak –, valamint a köztük levő, „emberi léptékűnek” nevezhető tartomány vizsgálatára. Ezt a megfogalmazást is egy kollégámtól, Kondor Imrétől hallottam, évtizedekkel ezelőtt. A nagyon kicsi és a nagyon nagy fizikája szellemét és technikáját tekintve is közelebb van egymáshoz, mint az emberi léptékű fizika kutatásához. A mostani szenzációs felfedezések csak hatalmas nemzetközi együttműködésekben érhetők el és költségesek, egyedi események az emberiség történetében, amelyek sokéves előkészítés és akár politikai döntések után valósulhattak meg. Ezek fényében mostanában kicsit elhalványult a középső tartomány. Pedig az emberi léptékű fizikának a fizikán belül betöltött súlya kb. ugyanakkora, mint a másiké. Ide tartozik többek között az anyagfizika, a lézerfizika, az orvosi fizika és az a terület is, amelyről én annak idején indultam, a statisztikus fizika. Ezek a témák jóval kisebb csoportokban művelhetők, lényegesen olcsóbbak is, mégis ezektől várhatók a hétköznapi életbe is viszonylag gyorsan beszivárgó eredmények.
Az elméleti fizikán belül a főbb kutatási témái között szerepel a káoszkutatás és a környezeti áramlások vizsgálata. Miért ezzel a két területtel kezdett el foglalkozni?
Egykori témavezetőm, Szépfalusy Péter hatására 1982-ben kezdtük el egy általa szervezett, hazai konferencián a káosszal, a véletlenszerű és előrejelezhetetlen jelenségekkel való ismerkedést. Amiket akkor vizsgáltunk, nagyon elemi, még matematikai szemszögből is egyszerű modellek voltak. Ezeken alapult azonban a számomra következő fontos lépés, az áramlásokkal kapcsolatos káosz megismerése. A káosz az áramlások világában nagyon szemléletesen mutatkozik meg: ha szennyező anyagot juttatunk mozgó folyadék felszínére, akkor az elterjed, de nem úgy, mint a tinta az itatós papíron, hanem egy szálas, bonyolult alakzatban, ami a káosz egyik legfontosabb jellemzője. A nemzetközi kutatásokat tekintve a ’90-es évek elejére esett annak felismerése, hogy a szennyezés-terjedés is kaotikus folyamat. Innét már természetes újabb lépés volt, hogy a káosznak környezetünk áramlásaiban is fontos szerepet kell játszania.
Hogyan és mikor valósult meg a két terület együttes, kísérleti kutatása?
1996-ban egyik fiatal kollégám, Szabó Gábor javasolta, hogy hozzunk létre egy olyan laboratóriumot, ahol ezeket a jelenségeket kísérletileg is vizsgálni lehetne. Ez merész lépésnek tűnt, hiszen egy elméleti fizikával foglalkozó tanszékről jött az ötlet. Persze, ahogy már mondtam, a kettő összekapcsolódása teljesen természetes, csak a megközelítési módot kellett bővíteni. Megszületett a Kármán Laboratórium, melyben a kutatások a nemzetközi minták alapján a légkör és az óceánok nagy jelenségeinek vizsgálatára irányultak. Annak előtte ez a terület soha nem volt nálunk még az egyetemi tananyag része sem, tehát meg kellett tanulnunk, hogy mennyiben tér el a földi, nagy léptékű áramlások világa attól, amit – úgy szoktam mondani – a fürdőkádban látunk. A kísérletekkel együtt ezért az elmélet megismerése is feladatunk volt. Az, hogy a ciklonok, frontok, cunamik vizsgálata a mindössze csak néhány méteres laboratóriumi méretekben lehetséges, a megértett elmélet egyik fontos következménye!
Korábban már olvashattunk a klímadinamikával kapcsolatos eredményeiről. A klíma és annak változása is egy a kaotikus rendszerek közül?
Az 1982-es, káosszal kapcsolatos eredményekből kiindulva senki nem tudta volna megjósolni azt, hogy mára a klíma megértésének egy fontos eleme, hogy káosz-szerű viselkedésként kell feltételeznünk. Ahhoz, hogy megértsük, mi a klímaváltozás, először azt kell megértenünk, hogy a klíma magától is ingadozó, véletlenszerű, akkor is, ha nem változik. Ennek a térben és időben is kaotikus rendszernek a szemléletes leírására fogalmaztuk meg fiatal kollégáimmal azt a képet, hogy egyszerre „több Föld klímáját” érdemes elképzelni. Ezek párhuzamosan változnak időben, ugyanazon fizikai törvények szerint, csak abban különböznek, hogy valaha régen más kezdeti hőmérséklet-eloszlással indultak, hiszen a vizsgálathoz elég, ha egy összetevő különbözik. Kiderült, hogy a mára kifejlődő klímaállapotok mind mások, és ezen állapotok eltérése, az ún. belső változékonyság az, ami a klíma kaotikus jellegéből adódik. A klíma változásáról csak akkor érdemes beszélnünk, ha az a Földek összességére jellemző, vagyis a Földek sokasága fölött képzett átlag az, ami időben változik. Más szóval, a változást az mutatja, ha az év adott napján, mondjuk, január 1-jén megvizsgáljuk a „párhuzamos Földek” – melyek egyedi hőmérséklete mind különböző – hőmérsékletének számtani közepét, majd tíz év múlva az év ugyanezen napján újra megtesszük ezt, és a kettő között különbség tapasztalható. Ennek a felismerések gyakorlati haszna a számítógépes klíma-előrejelzésben lehet.
A felsorolt kutatásokon kívül jelenleg mivel foglalkoznak a Laboratóriumban?
Csak egy példa, röviden: fiatal kollégánk, Vincze Miklós, aki külföldi tanulmányútja után került vissza az ELTE-re, laboratóriumi körülmények között tudja szimulálni a klímaváltozást egy egyszerű forgatott hengeres berendezés segítségével, amelyben a földi légkört egy vízzel telt tartomány képviseli. A klímaváltozás abból adódik, hogy a henger közepén levő, az Északi-sarkvidéket jelentő jég fokozatosan elolvad a szoba melege következtében. Ez pontosan a földi körülményeket szemlélteti, hiszen a sarki jég is olvad a tapasztalat szerint. Ennek a berendezésnek a segítségével, igaz időigényesen, de a „párhuzamos Földek” klímája is vizsgálhatóvá válik, egyszerűen a kísérletek többszöri megismétlésével.
Mennyire népszerű a hallgatók körében a fizika e területe?
A fizikus hallgatókon kívül meteorológus és a földtudományi szakos hallgatók szoktak felbukkanni hosszabb-rövidebb időre, diákkörös vagy szakdolgozati tevékenységet folytatva, de több PhD munka is született már. Emellett a Labor nagyon népszerű a nyílt napokon és a Kutatók Éjszakáján is. Egészen elbűvölő, ahogy a kisiskolás korosztály reagál arra, amint létrejönnek előttük a ciklonok, frontok, cunamik.
Az ELTE-n végzett munkája mellett az MTA-ELTE Elméleti Fizikai Kutatócsoportjának vezetője is, amely az egyik legrégebbi, folyamatosan működő akadémiai-egyetemi kutatócsoport. Jelenleg milyen kutatások, projektek zajlanak az ottani munkacsoportokban?
Az akadémiai kutatócsoportnak szintén nagy hagyományai vannak: magától jól működik, hagyományos értelemben vett irányításra nincs is szükség. Rácz Zoltán kutatóprofesszor kollégám pl. tavaly kapott Széchenyi-díjat. A három nagy kutatási terület: a részecskefizika, ez az, amely a Higgs-részecskével és valamelyest a gravitációs hullámokkal is kapcsolatos, a statisztikus fizika, ezen belül pedig a zaj- és mintázatkutatás, s az utóbbi években a környezetfizika és a klímadinamika.
Ahogy azt egy írásában is olvashatjuk, az utóbbi években a Fizika Tanítása Program koordinálása is fontos szerepet kapott tudományos kutatása mellett. Miért jött létre ez a program?
A program 2007-ben jött létre, egy nagyon mélyreható intézeti diszkusszió eredményeként. A fő kérdés az volt, mennyire fontosak a fizika tanárok a fizikusi utánpótlás szempontjából. Juhász András kollégám készítette elő a koncepciót, több külföldi példát is megvizsgálva, és kimutatta, hogy sok helyen külön tanári PhD-programok működnek. A programban résztvevők nem úgy kutatnak, ahogy a fizikusok, hanem azt vizsgálják pl., hogy egy iskolai óra keretein belül milyen új fizikai eredményeket lehet feldolgozni, és milyen módszerrel. Azt, hogy ez is a kutatás egyik fajtája, egyfajta paradigmaváltásként fogadtuk el, kifejeztük, hogy a tanárok munkájának igenis presztízs értéke van, hiszen az egész fizikát három programmal lefedtük, és a negyedik program ezekkel egyenértékű. Az ott végzettek éppen olyan PhD-fokozatot szereznek fizikából, mint a más programban résztvevők. Én személy szerint ebbe úgy kerültem bele, hogy a káosz tanításáról fiatal tanár kollégámmal, Gruiz Mártonnal a középiskolai tanítást segítő könyvet írtunk, Kaotikus dinamika címmel. Ez volt az egyik indok, a másik pedig az, hogy már negyven éve oktatok tanárjelölteket is. A program létrehozásával rögtön egyetértettem, azóta is sok örömet okoz, szervezését Juhász Andrással és Tasnádi Péterrel végezzük. Nagyon nagy tiszteletet érdemel az a tanár, aki ebbe belevág, hiszen a kutatást iskolai tevékenysége mellett végzi, semmi komolyabb munkaköri könnyítést nem kap. A doktori követelmények mások, de összességében azonos teljesítményt igényelnek, mint a kutatói programokban.
Sok a jelentkező, aki szeretne részt venni a doktori programban?
Körülbelül tízen védték már meg a disszertációjukat, harminckét doktoranduszunk van jelenleg, és évente négy-hat új hallgatót veszünk fel. Összességében ez elég jelentős szám. A doktorandusz hallgatók maguk választják ki kutatási területüket, és az első néhány év után láttuk, hogy két-három népszerű terület köré csoportosulnak a témaválasztások. Az egyik ilyen a környezetfizika, amely az iskolás korosztályt különösen érdekli. Mivel a doktori program és a fizika tanári képzés szoros kölcsönhatásban van egymással, az osztatlan tanárképzés tantervébe 2013-tól már be tudtunk építeni környezetfizikai tárgyakat is. Ha már szóba került, megjegyzem, hogy az új tanárképzés jóval biztatóbb, mint a Bologna-rendszerbeli volt: a két szak súlya nagyobb és azonos mértékű, mi pedig a kezdetektől fogva figyelemmel kísérhetjük a hallgatókat, akik tudják, mire vállalkoztak, elkötelezettek, s egymást segítő közösségeket alkotnak.
A Magyar Tudományos Akadémia tizenöt szakmódszertani eljárással és fejlesztéssel kapcsolatos kutatást támogatott, amelyek közül az Ön projektje az egyik. A projektzáró konferencián nemrég tartott előadást. Kikkel dolgoztak együtt a projektben? Milyen eredmények születtek?
2014-ben jelent meg a pályázati felhívás, mely mutatta, hogy az Akadémia felismerte a szakmódszertan oktatásának általános fontosságát. A következő évre lehetett pályázni ideiglenes kutatócsoportok létrehozásával. Mivel doktori hallgatóink is nemzetközi szinten folytatnak szakmódszertani kutatásokat, létre tudtunk hozni egy kisebb, hálózatosan szervezett kutatócsoportot, amely tíz tanár doktorandusz kollégából, hat oktatóból, valamint egy tananyagfejlesztőből áll. Az Akadémián megrendezett konferencia ennek a programnak a lezárása volt. Eredményeink megtalálhatók a honlapunkon, ahol a hallgatóink által elkészített cikkek, szimulációk és segédanyagok minden, magyarul tanító fizika tanár számára hozzáférhetők, ami azért is fontos, mert a határon túli területeken már nem létezik magyar nyelvű fizika tanár-képzés.