Bár Newton már több mint 250 éve megfogalmazta törvényeit – megalapozva az égitestek mechanikáját –, a gravitáció igazi mibenléte mindmáig rejtély a tudósok számára is. Ennek ellenére – vagy éppen emiatt – ma egyre több szó esik a gravitációról, sőt újabban az antigravitációról is.
NEWTON
rendelkezésére csak két gravitációs jelenséggel kapcsolatban álltak számszerű összefüggések: ezek a földi szabadesésnek és a Hold Föld körüli keringésének adatai voltak. E két, látszólag semmiféle kapcsolatban nem álló jelenséget azonos okra: a gravitációra vezette vissza, s e jelenségcsoportot általánosnak tekintette az egész világegyetemre vonatkozóan.
Newton, mint ismeretes, törvényében kimondta, hogy két test egymásra gyakorolt gravitációs hatása arányos a testek tömegének szorzatával, és fordítottan arányos a köztük levő távolság négyzetével. Az összefüggés arányossági tényezője az úgynevezett gravitációs állandó. Az állandó értékét száz évvel később Cavendish határozta meg, ami által lehetővé vált a Föld tömegének a meghatározása is. Egyben korszakalkotó volt a klasszikus csillagászati pályaszámításokat illetően. (A Newton-féle gravitációs törvény és a nyugvó elektromos töltések közötti kölcsönhatásokat leíró Coulomb-törvény között nagy a formai hasonlóság. A jelenségeket kiváltó erők mindkét összefüggésben úgynevezett távolba ható erők. Annak idején nem tudtak magyarázatot találni arra, hogy mi közvetíti ezeket az erőket a távoli égitestek között. Az elektromosságtanban képtelenek voltak leírni a mozgó elektromos töltésekkel összefüggő jelenségeket. Ezzel magyarázható a térelmélet megszületése az elektromosságtanban, amely az erők terjedését az erőtereknek tulajdonította – lehetőség nyílt arra, hogy leírhatókká váljanak a mozgó töltések világában lejátszódó jelenségek.)
A gravitációs jelenségek tanulmányozásában Einsteinnak – az általános relativitáselmélet keretében megalkotott –
GRAVITÁCIÓS TÉRELMÉLETE
jelentett szemléletváltozást. Ez az elmélet, amely egyben a gravitáció első nem newtoni tárgyalása, eltörölte a „misztikus” távolbaható erő és az azt közvetítő éter fogalmát, és helyet biztosított az erőterek fogalmának. Az einsteini gravitációs térelmélet egyik sarkköve a súlyos és tehetetlen tömeg azonossága. Ezt Eötvös Lóránd mutatta ki a múlt század végén torziós ingájával való mérései során, mintegy százmilliárdodrésznyi mérési hibával. E térelmélet egyik fontos kiindulópontja az, hogy a gravitáció is véges sebességgel terjed, amelynek értéke egyenlő az elektromágneses hullámok (a fény) terjedési sebességé/el. Ezt a megállapítást még nem sikerült kísérletileg bizonyítani, de a feltételezés mellett szól az ettől elválaszthatatlan egyéb megállapítások beigazolódása.
Einstein speciális relativitáselméletének egyik alapvető posztulátuma az, hogy nincs értelme abszolút mozgásról beszélni; fizikai valóságnak csak valamely rendszernek egy másik rendszerhez viszonyított relatív mozgását lehet tekinteni. Ugyanakkor Einstein kimutatta, hogy a gyorsuló rendszerben megfigyelt fizikai jelenségek azonos módon mennek végbe mintha a jelenségeket gravitációs térben nyugvó rendszerben figyelnénk meg. (Bármiféle fizikai kísérletet végzünk egy zárt rendszerben, például kabinban, abból nem tudjuk megállapítani, hogy a kabin egy bizonyos tömegű bolygó felszínén áll-e, vagy pedig tömegtől távol, gyorsulva mozog a világmindenségben.)
Az einsteini elmélet a gyorsulás és a gravitáció azonosságát állítja. A gravitáció térelmélete szerint a bolygómozgásokban igen kicsiny, éppen a megfigyelhetőség határán levő eltéréseknek kell lenniük a klasszikus elmélet alapján kiszámított mozgásokhoz képest. Ilyen hatást az egyre finomodó méréstechnika segítségével valóban észleltek is.
Einsteinnak a gravitációs tér természetére vonatkozó gondolatai más következményeket is maguk után vontak, amelyeknek helyességét úgyszintén csillagászati megfigyelésekkel sikerült igazolni; ezek egyike a bolygók Nap körüli mozgásával függ össze. (A Merkur bolygó Nap körüli ellipszis alakú pályája hosszabbik tengelyének iránya nem állandó, hanem egy évszázad alatt körülbelül 575 ívmásodperccel elfordul. Ennek az úgynevezett precessziónak a túlnyomó részét a klasszikus, newtoni mechanikával meg lehet magyarázni – ha számításba vesszük a Nap körül keringő többi bolygó Merkúrra kifejtett gravitációs hatását. Ha azonban mindent gondosan kiszámolunk, egy évszázad során 43 ívmásodpercnyi precesszió még mindig megmagyarázatlan marad. Az Einstein elmélete alapján végzett számítások azt mutatják, hogy a Merkur pályájának nagytengelye – a többi bolygó vonzó hatásán túlmenően – évszázadonként éppen további 43 ívmásodperccel fordul el.)
A térelméletből fakad az a megállapítás is, mely szerint a gravitáció nemcsak a tehetetlen tömegekre (anyagi testekre) hat, hanem
AZ ELEKTROMÁGNESES HULLÁMOKRA
(a fényre) is. Azaz a gravitációs térben haladó fénysugarak a hatóerők irányában elhajlanak. Ezt a tényt napfogyatkozások alkalmával a Nappal egy irányban álló csillagokról érkező fény esetében sikerült is észlelni. A gravitációs tér hatásának irányában mozgó elektromágneses sugárzás energiát nyel el a gravitációs tértől, azaz rezgésszámának növekednie kell; az erős gravitációs térből távozó elektromágneses sugárzás ugyanennek a hatásnak a következtében energiát veszít, azaz rezgésszáma csökken. Ez utóbbi a fény összetételének a vörös felé való eltolódásában nyilvánul meg, és ezt nevezik relativisztikus vöröseltolódásnak.
A gravitáció minden fizikai folyamat sebességére lassító hatást fejt ki. (Például a Hold felületén, ahol a gravitáció kisebb, mint a Földön, egy óra a tökéletesen azonos földi órához képest gyorsabban, viszont a Nap felszínén – ahol a gravitáció sokszorta nagyobb – jóval lassabban jár. Mivel oda lehetetlen ember alkotta órát vinni, a Napon egyes atomok jól meghatározott frekvenciájú fényhullámaival mérhetjük meg az idő folyását. A Nap erős gravitációs terében az atomok rezgése lassúbb lesz, mint a Földön. A különbség mindenesetre nagyon kicsi, körülbelül 2 milliomodrésznyi, mérését gammasugarak segítségével végezték el.)
Az elmélet megállapítása szerint a forgó tömeg gravitációs terének más szerkezetűnek kell lennie, mint a nyugvónak. Ezt olyanszerű következményként foghatiuk fel, mint azt, amikor a mozgó (forgó) elektromos töltés elektromágneses teret kelt míg a nyugvó töltésnek nincs mágneses tere. A gyorsabban forgó testek közelében másként kell hogy hasson a gravitáció, mint az ugyanolyan tömegű, de nyugalomban levő testek közelében. Minden rezgő tömeg olyan gravitációs hullámokat sugároz ki, amelyek fénysebességgel terjednek; éppen úgy, ahogy a rezgő villamos töltések elektromágneses hullámokat keltenek.
Haladásuk közben ezek a hullámok frekvenciájuknak megfelelően rezgésbe hozzák az útjukba eső testeket. A gravitációs kölcsönhatás rendkívül gyenge. Két elektron között a tömegvonzás 43 nagyságrenddel kisebb, mint az elektromos taszítóerő, a hullámokban terjedő energia is kicsi. Kiszámítva azt a teljesítményt, amellyel a „Föld–Nap antenna” gravitációs hullámokat sugároz, 200 watt adódik: a rezgések hullámcsúcsai mintegy egyhetes időközökkel jelentkeznének. Igaz, a világegyetemben ennél sokkal nagyobb gravitációs hullámok is vannak de ezek tőlünk igen távol keletkeznek.
A kvantumelmélet szerint minden sugárzáshoz elemi kvantumok tartoznak – például a fényhez a foton. Eszerint a gravitációs hullámokhoz is kvantumoknak kell tartozniuk – bár igaz, hogy ez egyelőre elméleti feltételezés. E hipotetikus kvantumok, új elemi részek a graviton nevet kapták. Kimutatásuk még a gravitációs hullámokénál is nehezebb.
Weber amerikai fizikus 19ó2-ben kezdte el kísérleteit a gravitációs hullámok kimutatására. Érzékelő berendezésként mintegy másfél méter hosszú alumíniumhengereket szerelt fel, amelyek a gravitációs hullámok hatására rezegni kezdenek. (Einstein elmélete szerint a gravitációs hullámok transzverzálisak, azaz erőhatásuk a terjedési irányra merőleges. A hengerek leginkább a tengelyükre merőlegesen haladó hullámokra érzékenyek.) Tudományos szenzációként hatott az a hír, mely szerint Webernek sikerült gravitációs hullámokat felfogni. A kísérletek elemzése azonban ellenvetéseket is kiváltott. A megfigyelt hullámok túlságosan erős forrásra utaltak, így több kutató is megpróbálkozott a kísérletek megismétlésével de – sikertelenül. Ugyanakkor Weber berendezése most is a régi ütemben jelez. A keresés tovább folyik, újonnan épülő gravitációs hullámdetektorok segítségével, amelyeknek érzékenysége 10-szerese lesz a jelenlegieknek.
Főleg azt a tényt kell azonban kiemelnünk, högy a gravitációs hullámok kutatása az elméleti megfontolások korszakából átlépett a kísérleti fázisba, ami már önmagában is nagy eredmény. Ha pedig végül sikerül nagy teljesítményű gravitációs sugárzást felfogni, akkor elmondható, hogy jelentős és fontos felfedezéssel van dolgunk.
Ez idáig ismeretien az olyan felfedezés, mely szerint
EGY TEST FELFELÉ „ESIK”
– a Föld középpontjával ellentétes irányba. Mindennapi életünkben természetesnek vesszük, hogy az alátámasztásuktól megfosztott testek lefelé, azaz a Föld középpontja felé esnek. Azt az – egyelőre csak képzeletben létező – jelenséget, amelynek során a testek a megszokottnál ellenkező irányban esnének, antigravitációs jelenségnek nevezhetnénk.
Az antigravitáció fogalma a fizikai gondolkodástól elvileg egyáltalán nem idegen. Ha a gravitációs térben megszokott szabadesési jelenségekkel ellenkező lefolyású folyamatot figyelnénk, az elektromos analógia alapján kézenfekvő lenne az a feltételezés, hogy a jelenséget kiváltó testtömeg – negatív.
Az antigravitáció gondolatának nyomán olyan gépek szerkesztési tervei készültek el, amelyek megvalósulása az antigravitáció révén fantasztikus lehetőségeket kínálna. Például egyes készülékek a gravitációnak egyes földi testekre való hatását kívánják kikapcsolni, ezzel az eljárással külön energiabefektetés nélkül hagyhatnánk el a Földet.
Semmit sem remélhetünk az olyan utópisztikus elképzelésektől, amelyek ma még nem kutatott gravitációs hatásokon alapulnak, minthogy a gravitációs kölcsönhatások olyan gyengék, hogy kutatásuk ez idáig éppen hozzáférhetetlenségük miatt maradt el. Az antigravitáció tanulmányozása mégis fontos, mivel a kérdés olyan lényegbevágó, alapvető problémákat érint, amelyek összefüggnek a fizikának mint tudománynak az alapjaival. Segítenek eldönteni azt a kérdést is, mely szerint lehetséges lenne az egységes térelmélet felépítése, amely az elektromágneses és gravitációs jelenségek együttes tárgyalására alkalmas.
Megjelent A Hét V. évfolyama 33. számában, 1974. augusztus 16-án.