ELŐSZÓ
ELŐSZÓ
Eötvös Loránd halálának 50. évfordulója alkalmából megjelenő megemlékezés cikkeinek egy része a nagy tudós életrajzi adatait is részletező pályafutását ismerteti, a többi avatottan részletezi a tudományos munkásság világraszóló eredményeit.
Az előszó írójának számára ennek ellenére maradt egy – az emlékezések egyikébe sem illeszthető – téma, amelyről hasznos megemlékezni ebben a kötetben is. Eötvös Loránd munkásságának nagy részében – miként erről Egyed professzor tanulmánya is megemlékezik – a tehetetlen és nehéz tömegek közötti összefüggéseket vizsgálta.
Helyesnek látszik megemlékezni arról, hogy a modern fizika fejlődését miként segítik Eötvös munkájának eredményei.
A közölt tanulmányból láthatja majd az olvasó, hogyan sikerült Eötvösnek – módszereinek akkoriban szinte hihetetlen finomítása után – egy a százmillióhoz arányított pontossággal bebizonyítania, hogy a tehetetlen tömeg arányos a nehéz tömeggel.
Eötvös munkáját tanítványa, RENNER János fejlesztette tovább, és egy tízes faktorral sikerült az eredeti eredményt megjavítania. Csak évekkel később, Amerikában, a modern technika összes vívmányait felhasználva, javította Dicke az eredeti eredményt egy további tízes faktorral. Ezek az eredmények mutatják, hogy a tehetetlen és nehéz tömeg közötti arányosság egyike a legpontosabban megismert természettörvényeknek.
*
Az Eötvös által megfogalmazott és igazolt természet-törvénynek messzemenő következményei vannak a modern elképzelésekkel kapcsolatosan. A törvény jelentőségét Einstein ismerte fel, és azt az általános relativitáselmélet megalapozásánál elméletének egyik pilléreként használta fel.
Messzemenő jelentőségére akkor derül fény, ha a múlt századbeli felfogásoktól eltérően figyelembe vesszük, hogy nemcsak a szokványos részecskék rendelkeznek tömeggel, hanem az elektromágneses és másfajta mezők éppen úgy anyagnak tekinthetők, mint a részecskék, melyek ezeknek a mezőknek hordozói.
Lássuk ezt egy egyszerű példán: Az elektron az atomoknak egy alkatrésze. Az elektronnak tömege van, e tömeg a hidrogénatom tömegének kb. kétezred része és azonkívül e – az úgynevezett elemi töltésnek megfelelő – negatív elektromos töltést hordoz. Az elektromos töltés elektromos mezőt hoz létre, tehát az e töltésű és m tömegű elektront elektromos mező veszi körül, amely nagy távolságokra is kiterjed.
Ha az elektronra egy F erő hatást gyakorol, akkor az – Newton törvénye szerint – gyorsítja az elektront, úgy, hogy egy
a = F/m
gyorsulás jön létre, ahol m az elektron tehetetlen tömege.
Mi történik azonban az elektromos mezővel? Az elektromos mezőt az elektron magával viszi, és ha az erő megszűnése után az elektron v sebességgel halad, bizonyos idő eltelte után az elektront körülvevő mező szintén ugyanazzal a sebességgel követi az elektront.
Mi történik azonban abban az időszakban, amikor az erő hat és az elektron gyorsul?
Fel lehetne tételezni, hogy az elektromos mező hozzá van tapadva a töltéshez, és merev testként követi az elektront. Szemléletes módon ezt úgy lehetne elképzelni, hogy a mező erővonalai, a sündisznó tüskéihez hasonlóan erednek a töltésből, és az elektron ezt az egész rendszert magával viszi. A valóságban (egy) ehhez hasonló folyamat megy végbe, mégis egy kis különbséggel.
Az elektron valóban úgy viselkedik, mintha a mező az elektronok folytatása volna. Az egész rendszer egy elasztikus testhez hasonlítható. Ha egy elasztikus test egy részét mozgásba hozzuk, a mozgás csak bizonyos idő lefolyása után terjed ki az egész testre. Illusztrációként ehhez is egy egyszerű példa:
Képzeljünk el valamilyen szilárd anyagból, például acélból készült rudat. Ha a rudat mozgásba hozzuk, úgy hogy egyik végét megnyomva azt hosszirányba toljuk, akkor az első benyomásunk az, hogy a nyomásnak engedve az egész rúd azonnal elmozdul. Valójában a folyamat komplikáltabb. Amikor a nyomás a rúd egyik végére nehezedik, közvetlen eredményként csak egy vékony felületi réteget hoz mozgásba, és a rúd végét kicsit összenyomja. Ez a következő réteget hozza mozgásba, és az egymást követő rétegek egymás után mozdulnak el mindaddig, amíg mozgás az egész acélrúdra kiterjed.
E folyamat eléggé nehézkesen írható le, de a valóságban rendkívül nagy sebességgel folyik le. Technikai terminológiát használva azt mondhatjuk, hogy a rúd végére nehezedő nyomás elasztikus hullámot indít a rúdban, és ezen elasztikus hullám hatására az egész rúd mozgásba jön.
Az elasztikus hullám sebessége a rúdban néhány km/sec, és így könnyen kiszámítható, hogy egy 1 m hosszú acélrúd egészén egy ezredmásodpercnél rövidebb idő alatt terjed el a mozgás.
Ha az elektront elmozdítjuk, az elmondotthoz hasonló módon elasztikus hullámként terjed ki a mozgás az egész mezőre, azonban a terjedési sebesség ebben az esetben a fénysebesség, tehát 300 ezer km/sec. A mozgás a mezőben így rendkívül rövid idő alatt terjed, és sok vonatkozásban úgy viselkedik, mintha a mező azonnal követné az elektron mozgását. A mozgásnak ez a látszólagos egyidejűsége nagyobb mértékű, mint a szilárd testeknél.
Az energiaviszonyokra vonatkozóan szükséges még egy megjegyzés. Ha egy rudat, mint a fent említett példában, eltolunk, első pillanatban csak egy vékony réteget hozunk mozgásba, és így csak annyi munkát végzünk, ami a vékony réteg elmozdításához szükséges. Azonban a keletkező elasztikus hullámok, amelyek a mozgást az egész rúdra kiterjesztik, visszafelé is hatnak, és így megnehezítik a feladatot. Végeredményben a toló erőnek nemcsak az első réteg tehetetlenségét kell leküzdenie, hanem az elasztikus hullámok által létrejövő ellenállást is, és ily módon a kifejtendő összerő felnő arra az értékre, amely az egész rúd mozgásbahozatalához szükséges.
Az egész komplikált folyamat tehát egy nagyon egyszerűen érthető eredményt hoz létre. Ha egy rudat mozgásba kívánunk hozni, akkor olyan erőt kell kifejtenünk, mint ami az első látszatnak megfelelően az egész rúd tehetetlenségének legyőzéséhez szükséges. Megjegyzésünk csak azt kívánja érzékeltetni, hogy ezt az egyszerű eredményt egy nagyon komplikált belső fizikai folyamat hozza létre.
Az elektron kérdéséhez visszatérve, ott is éppen erről van szó. Ha magát az elektront elmozdítjuk, az elektront körülvevő mezőt mozgásba hozó hullámok, elektromágneses hullámok, és ezek egy bizonyos mértékben fékezik az elektront. Ennek a komplikált folyamatnak eredményeként azt mondhatjuk, hogy a töltést körülvevő mező valóban hozzájárul az elektron tehetetlen tömegéhez, vagyis a mező maga is tehetetlen tömeggel rendelkezik.
*
További kérdésként merül fel, hogy vajon az elektront körülvevő elektromágneses mező a tehetetlenségi tömeg mellett rendelkezik-e nehéz tömeggel is? Másképpen kifejezve, hozzájárul-e az elektront körülvevő mező az elektron súlyához, és a két elektron közötti tömegvonzást vizsgálva, hozzájárul-e a tömegvonzáshoz a mezőnek megfelelő tömeg?
Amennyiben az Eötvös-féle törvény pontosan érvényes, biztosra kell vennünk, hogy ez valóban így van. Hiszen az anyag atomokból áll, az atomok elektronokat és más töltött részecskéket tartalmaznak. Ha egy atomokból álló anyagot gyorsítunk, akkor a gyorsító erőknek a mezők visszahatása által létrejött ellenállást pontosan úgy kell leküzdeniök, mint a részecskék tömegének tehetetlenségét, és így egy atomokból álló anyag tehetetlenségi tömegét mérve, automatikusan mind a részecskék tehetetlenségi tömegét, mind az őt körülvevő mező tehetetlenségi tömegét mérjük. Különböző atomoknál a részarány a részecskék tehetetlenségi tömege és a mezőkben elraktározott tehetetlenségi tömeg között változhat.
Minthogy azonban az elektromágneses mezőben raktározott tehetetlenségi tömeg igen kicsi, ezért nagyon pontos mérésekre van szükség annak megállapítására, hogy a mezőben raktározott tömeg pontosan úgy viselkedik-e, mint a részecskék nyugalmi tömege.
A legújabb mérések pontossága elegendőnek látszik ahhoz, hogy ezt a következtetést alátámassza. Tehát kísérletekből következtethetünk arra, hogy egy elektromágneses mező éppen olyan módon rendelkezik gravitációs tulajdonságokkal, mint a szokványos anyagok.
*
Azt a tényt, hogy a mezők éppen úgy rendelkeznek gravitációs hatással, mint a szokásos értelemben vett tömeg, már Eötvös kisebb pontossággal végzett kísérleteiből is meg lehetett állapítani, azonban a fent leírtnál kevésbé közvetlen módon.
Az atommagok úgynevezett nukleonokból vannak felépítve, vagyis protonokból és neutronokból. Ha egy proton és egy neutron egyesül, egy úgynevezett deuteron jön létre. Ennek a tömege azonban kisebb, mint a rész tömegek összege. Tehát
MP + MN – Δ = MD
ahol MP, MN és MD-vel a proton, neutron és deuteron tömegét neveztük el, Δ pedig az úgynevezett tömegdefektus, vagyis az a tömeg, amelyik „elveszett” az egyesülés folytán. Köztudott ma már, hogy a Δ tömeg egyáltalában nem veszett el, hanem a proton és neutron egyesülésekor sugárzás jött létre, a sugárzásmező pedig a Δ mennyiségű tömeget magával vitte.
Felmerül tehát a kérdés, hogy a sugárzás által elszállított tömeg tehetetlenségi vagy nehézségi tömeg-e – avagy mindkettő. A mérések azt mutatják, hogy a sugárzás egyenlő mértékben vitt magával tehetetlenségi és nehézségi tömeget.
A különböző elemek tudniillik atom-magokat tartalmaznak, és a különböző atomok magjai másmás tömegdefektussal rendelkeznek.
Ugyanakkor – és ezt már Eötvösnek sikerült pontosan kimutatnia – a legkülönbözőbb atomfajtákból felépített anyagok ugyanabban az arányban tartalmaznak tehetetlen és nehéz tömegeket, és ez világosan bizonyítja, hogy a tömegdefektusnak megfelelő anyagnak tehetetlenségi és nehézségi hatása ugyanabban az arányban van, mint az atommagokban megmaradó anyagnak.
*
A részletek ismertetése nélkül még megjegyezzük azt a – az Eötvös kísérletekből következő megállapítást, hogy nemcsak részecskék, hanem az anyag atomjait összetartó, vagy az anyag részecskéivel kölcsönhatásban levő legkülönbözőbb mezők pontosan olyan természetűek, mint azok a részecskék, amelyek az atomok építőkövei. Ez a felfogás lassan alakult ki, de egyre nagyobb jelentőségűvé válik a modern fizikában. Helyességének egyik legfőbb bizonyítéka éppen az Eötvös-féle törvény, amelynek így a modern fizikai felismerésekre is jelentős hatása van.
JÁNOSSY LAJOS
akadémikus
akadémikus
