"...Dolgozni csak pontosan, szépen, ahogy a csillag megy az égen, úgy érdemes." tanítják a gyermeket az iskolában József Attila szavaival. Úgy tűnik azonban, hogy az égi mechanika megbízhatóságába vetett hitünkről az ezredforduló tudományának eredményei alapján le kell mondanunk. A modern komputerekkel végzett számítások során a tudósok ugyanis megdöbbenve tapasztalták, hogy már három égitest kölcsönös mozgását sem lehet a sziklaszilárd newtoni egyenletek alapján megjósolni.
Képzeljük el a következőt: egy holdacska két égitest kölcsönös vonzásában úgy mozog, hogy váltakozva, hol az egyik, hol a másik "nap"-ot kerüli meg. A komputerekből érkező számok azt jelzik, hogy minél távolabbi jövőbe nézünk, annál bizonytalanabbul lehet megmondani a holdacska későbbi helyzetét. Ez a tudatlanság azonban nem valamilyen misztikus, kideríthetetlen hiba eredménye. Sőt bizonyítható, hogy ez természetes következménye a csillagok mozgását leíró egyszerű törvényeknek. S ahogy a mozgás, változás törvényeit egyre jobban megismerik a kutatók – legyen az fizikai, kémiai, biológiai vagy akár gazdasági folyamat, amit górcső alá vesznek –, mindenütt a KÁOSZ, a kiismerhetelen rendezetlenség jeleivel találkoznak. Mint oly sokszor a tudomány történetében, az anyag világában uralkodó rendről aprólékos munkával összerakott kép ismét kártyavárként látszik összeomlani: a természeti törvények, a folyamatok hajtóerői megismerhetők, de hiába, ha ez a tudás nem alkalmazható a jövőbeli események előrejelzésére.
A repülőgép szárnyának rezgése hirtelen kaotikussá válik, s a végeredmény az elkerülhetetlen tragédia. A rakétát toló lángsugár egyik pillanatról a másikra remegni kezd, a masina irányíthatatlanná válik, a fedélzeten elhelyezett műhold pedig nem kerül földkörüli pályájára. A vért periodikusan pumpáló szív szövetei megbetegszenek, a szívverés szabálytalanná válik, és ha nincs segítség a közelben, bizony a legrosszabb is bekövetkezhet. A káosz nem kívánatos, rossz. Megelőzhető ugyan, de ha minden óvintézkedésünk ellenére kialakul, úgy tűnik, kiszolgáltatottjai vagyunk az előre nem jelezhető, szabályozhatatlan folyamatoknak.
A legújabb tudományos kutatások eredményei arra utalnak, hogy mégsem teljesen reménytelen a helyzet. 1990-ben az amerikai University of Maryland három kutatója, Edward Ott, Ceslo Grebogi (fizikusok) és James A. Yorke (matematikus) kidolgozott egy matematikai eljárást, amelynek alkalmazásával a kaotikus rendszereket elméletileg meg lehet szelídíteni, és a káoszt egyszerű periodikus folyamatokká lehet alakítani.
Nem véletlen talán, hogy az első sikeres kísérleti alkalmazásáról szóló
hír az amerikai haditengerészet egyik tudományos központjának kutatóitól
érkezett. W. Ditto, S. Raueseo és M. Spano (Naval
Surface Warfare Center, Maryland) egy oszcilláló mágneses térben rezgő
ún. magnetoelasztikus szalag kaotikus mozgását tudta szabályos mozgássá
változtatni. Hamarosan újabb példák bizonyították az algoritmus alkalmazhatóságát.
E. R. Hunt (University of Ohio) sikerrel szabályozta az ún. dióda-rezonátor
kaotikus mozgását. R. Roy és munkatársai (Georgia Institute of Technology)
arról számoltak be, hogy egy ún. szilárdtest lézerben fellépő káoszt megfékezve
a lézer energiatermelését 15-szörösére tudták növelni. 1992-ben A. Garfinkel
és munkatársai (University of California, Los Angeles) a biológiai rendszerekben
megjelenő káosz szabályozhatóságát is bizonyították: nyulakból kioperált
szívszövet kaotikus rángatózását alakították szabályos ritmusú mozgássá.
Ez év januárjában pedig a Nature hasábjain Kenneth Showalterrel
és munkatársaival arról számoltunk be, hogy a morgantowni West Virginia
Egyetemen sikerrel szabályoztuk a kaotikus folyamatokat az egyik legbonyolultabb
kémiai reakcióban, az ún. Belouszov–Zsabotyinszkij rendszerben.
Amikor 1991-ben Morgantownba érkeztem, Dr. Showalter és két diákja, Bo Peng (Kína) és Valery Petrov (Oroszország) éppen a kémiai káosz szabályozhatóságának lehetőségeit vizsgálták komputeres modellezésekkel. A számításokból úgy tűnt, hogy a kémiai rendszerek esetében elegendő az algoritmus lehető legegyszerűbb változatát alkalmazni. A következő lépés természetesen az volt, hogy a kísérleteket is megcsináljuk, és '91 karácsonya környékén el is kezdtük a munkát. Csatlakozott még a csapathoz a professzor egy másik diákja is, Jonathan Masere (Zimbabwe), mert tudtuk, hogy ez a munka nem egy embernek való (három műszakban, éjjel-nappal vigyázni kell a berendezést).
Azt, hogy merre "jár" a rendszer a következőképpen állapítjuk meg. Van ennek a csodálatos reakciónak egy köztiterméke, a bromidion, amelynek mennyiségét könnyen lehet mérni egy elektróddal. Ezt csak bele kell mártani a jól kevert és állandó hőmérsékleten tartott reakcióelegybe, s az elektromos jelet komputerbe lehet vezetni. Amit ilyenkor a képernyőn látunk, az egy teljesen szabálytalanul váltakozó, vagy, ha a kontroll sikerül, akkor csak ritmikusan fel-le mozgó jel. A szükséges korrigálást pedig úgy oldjuk meg, hogy a pumpák sebességét, amelyekkel az oldatokat juttatjuk a reaktorba, egy számítógép segítségével picit változtatjuk a "figyelés" erdményétől függően.
Elképzelhető a csalódottságunk, amikor a készülék összeállítása után
először sehogy sem sikerült káoszt találnunk.
Noszticzius Zoltánhoz
fordultunk segítségért. Ő azt javasolta, hogy tisztítsuk meg a reakció
egyik komponensét, a malonsavat, mert a piciny szennyeződések is nagyon
sokat zavart okozhatnak. Ez bizony nem könnyű egy fizikai-kémiai laboratóriumban,
ahol műszerek szép számban vannak, de több kilogramm anyag átkristályosítására
alkalmas berendezés természetesen nincs. Szerencsére,
Fodor Gábor,
egykor a szegedi, ma a morgantowni egyetem nyugdíjas szerves kémia professzora
felajánlotta, használjuk az ő laboratóriumát. A tisztított vegyszerekkel
azután már minden úgy ment, mint terveztük, s a sikeres kísérletek eredményei
olvashatók a januárban megjelent cikkünkben. A káosz szabályozásának jelentősége
persze nem ilyen laboratóriumi tisztaságú rendszerekben érdekes. Ez eddig
jó "játék" és izgalmas feladat volt. Az igazi kihívás a gyakorlati alkalmazás.
A lehetőségek száma végtelen, mert egy kaotikus rendszerből tetszőleges
periodikus viselkedést ki lehet választani.
Egy példát adunk erre mi is a cikkben, amikor a szabályozó paraméterek értékeit kicsit megváltoztatva kettős periódusú mozgást "hívunk" elő. A megszelídített kémiai káosz számítógépen ábrázolt képén a sárga vonalak az ún. kaotikus attraktort mutatják, azt a pályavonalat, amelyet a rendszer önmagától jár be. A piros (lila) zárt görbe a káosz-szabályozási algoritmus hatására létrejövő ún. kettős periódusú oszcillációnak megfelelő pályavonal. |