Fantasztikus kísérletekkel Eötvös nyomában

Fantasztikus pontosságú kísérleteket terveznek az úgynevezett ekvivalencia-elv érvényességének ellenőrzésére. A súlyos és a tehetetlen tömeg azonossága az általános relativitáselmélet egyik alapja, ma tízbilliomod rész (10-13) pontosságú mérések igazolják az azonosságot. A tervezett kísérletek egyike ennél százezerszer pontosabb eredményt ígér! Az azonosság esetleges kismértékű sérülése igazolhatja az egyébként ma kísérletileg ellenőrizhetetlen húrelméletek néhány változatát. A húrelméletek a természet alapvető kölcsönhatásainak egyesítésére születtek, egyes változatok a négy jól ismert kölcsönhatás mellett egy ötödik létezését is feltételezik.

A tehetetlen tömeg a mozgásállapot megváltoztatásával, a gyorsítással vagy lassítással szemben kifejtett ellenállás, a súlyos tömeg a test gravitációs vonzási képességének a jellemzője. Albert Einstein 1907-ben mondta ki az ekvivalencia-elvet elméleti meggondolások alapján. Axiómaként jelentette be a már Newton által is feltételezett tényt, a kétféle tömeg azonosságát. Az azonosság minden testre érvényes, tehát nem függ a test anyagától, összetételétől. Arisztotelész az ókorban még úgy tartotta, hogy a különböző súlyú testek különböző sebességgel esnek. Galileo Galilei cáfolta meg ezt a nézetet 1604 táján. Az elterjedt vélekedéssel ellentétben nem a pisai ferde toronyban végzett ejtési kísérleteket, hanem lejtőn guruló golyók mozgását tanulmányozva ismerte fel, hogy a különböző anyagból készült golyók egyszerre érnek a lejtő aljára. A Galileinek tulajdonított ejtési kísérletet Dave Scott amerikai asztronauta hajtotta végre a Holdon 1971-ben: vállmagasságból egyik kezével egy kalapácsot, másikkal madártollat engedett el egyszerre - a két tárgy egy időben ért le a légkör nélküli égitest poros felszínére.

Magyar kísérletek Eötvös ingájával

Einstein ekvivalencia-elvéhez Eötvös Loránd rendkívül pontos ingamérései szolgáltatták a kísérleti bizonyítékot. Eötvös bebizonyította, hogy a testek elvileg különböző súlyos és tehetetlen tömege a mérések hibahatárán belül megegyezik egymással. Einstein az Eötvös-féle bizonyító méréseket csak elmélete megalkotása után ismerte meg, 1913-ban írt cikkében már hivatkozik Eötvös méréseire.

Eötvös először az 1880-as évek végén vizsgálta különböző anyagok súlyos és tehetetlen tömegének arányosságát. Az 1900-as években Eötvös Loránd, Pekár Dezső és Fekete Jenő már 10^-8 (százmilliomod rész) pontossággal mérte állandónak a súlyos és a tehetetlen tömeg arányát. Renner János az 1930-as években megismételte a kísérleteket és egy nagyságrenddel javította a mérések pontosságát. A méréseket az Eötvös Loránd által alkotott torziós inga különböző változataival végezték. "Egyszerű, mint a Hamlet fuvolája, csak játszani kell tudni rajta, s úgy, mint abból a zenész gyönyörködtető változatokat tud kicsalni, úgy ebből a fizikus a maga nem kisebb gyönyörűségére, kiolvashatja a nehézségnek legfinomabb változásait. Eljárásommal bármely helyen, ahol eszközeimet felállítom, meg tudom határozni azt, hogy merre és centiméterenként mennyivel változik a nehézség; azt is, hogy mennyivel hajlik el az iránya..." Így mutatta be Eötvös Loránd torziós ingáját az Akadémia ülésén 1901-ben.

Az Eötvös-inga első példánya 1891-ben készült el, 1900-ban nagydíjat nyert a párizsi világkiállításon. Az Eötvös-inga a gravitáció, a nehézségi erő változásainak a mérésére szolgáló, rendkívül érzékeny műszer. Eötvös vékony fémszálra felfüggesztett vízszintes rúdon két egyenlő tömegű nehezéket helyezett el, az egyik test a rúd egyik végén, a másik test a rúd másik végére felfüggesztve 20 centiméterrel alacsonyabban helyezkedik el. Az inga elfordulásának iránya, mértéke a tömegvonzástól függően változik, a gravitációs erőtér változásaiból, egyenetlenségeiből következtetni lehet a felszín alatti tömegekre, a sűrűségre, a geológiai sajátosságokra. (Balra: az Eötvös-féle kettős nagy inga kicsinyített változata, amelyet terepi mérések megkönnyítésére készítettek 1908-ban.)

Eötvös ingája a kőolaj-, érc- és kősókutatás igen hasznos eszközének bizonyult, hatalmas kőolaj- és ásványvagyonokat tártak fel a segítségével. 1916-ban találták meg az inga segítségével az első olajmezőt a Morvamezőn, később Eötvös műszerével fedezték fel a texasi és a venezuelai olajlelőhelyeket. Eötvös az ingát alkalmassá tette a gravitációs állandó mérésére is, és a torziós ingával végzett kísérletekkel mutatta ki a súlyos és a tehetetlen tömeg azonosságát.

Az 1960-as években Robert Dicke és munkatársai alaposan elemezték, ellenőrizték a régebbi magyar kísérletek adatait. Saját méréseikkel 10^-11 pontosságot értek el, később az amerikai Apollo Hold-program keretében végzett méréssel, a Föld és a Hold mozgásának összehasonlításával újabb 100-as faktorral pontosabb eredményt értek el, már 10^-13 pontosságú mérés igazolta az ekvivalencia-elv igazát.

A "régi" ötödik erő

Nagy szenzációt keltett 1986-ban Ephraim Fishbach tanulmánya, amelyben az Eötvös-kísérletekből egy "ötödik erő" létezését következtette ki. Számításai szerint az új erő a barionok (protonok és neutronok) számától, tehát az anyag összetételétől függ, hatótávolsága pedig mindössze néhány száz méter. Fishbach után mások is alaposan újraelemezték az Eötvös-Pekár-Fekete kísérletek részleteit, és új mérések sokaságával keresték az ötödik erő jeleit. A régi mérési feljegyzések értelmezéséhez például tisztázni kellett, hogy egyebek mellett Eötvös vajon marha- vagy birkafaggyút használt kísérleteihez. Kiderítették, hogy Eötvös milyen útvonalon jött be az egyetemre: útja egy marhavágóhíd mellett vezetett el, tehát bizonyára innen szerezte be a kísérleti anyagot. Ellenőrző mérések sorával keresték a tömegvonzás anyagfüggésére utaló bizonyítékokat; átmenetileg születtek pozitív eredmények is, de ezeket vagy visszavonták, vagy elvetette a tudományos közösség.

A KFKI és az Eötvös Loránd Geofizikai Intézet munkatársai a Mátyás-hegyi barlangban kettős Eötvös-ingával arany-arany, illetve arany és plexi próbatestpárokkal mértek egy évig. Más laboratóriumokban is sok szép, kifinomult kísérletet végeztek el, míg az 1990-es évek végére sok vita után végül elvetették Fishbach ötödik erő hipotézisét.

Az "új" ötödik erő

Egy ötödik erő feltételezése azonban ma is jelen van a fizikában. Ezúttal nem Eötvös régi méréseiből következtetnek létezésére, hanem új elméletekből származtatják. Az elméleti fizika nagy kihívása, célkitűzése a négy alapvető kölcsönhatás egységes elméletének a megalkotása. A másik három kölcsönhatás közös elmélete megszületőben van, de a gravitációt egyelőre nem sikerül beilleszteni ezekbe a keretekbe. Ehhez még meg kell születnie a gravitáció kvantumelméletének.

A természet alapvető kölcsönhatásainak egyesítésére törekvő húrelméletben a részecskéket parányi húrok rezgései írják le. Az elméletnek több, egymással versengő változata született meg. Az egyik változatban nyitott húrok, a többiben hurokká összezáródó húrok szerepelnek. Az M-elmélet (az M jelentése lehet membrán, misztérium, mágia) 11 dimenziós világának egyik változatában két, egyenként 10 dimenziós univerzum létezik, köztük a 11 dimenziós téridő létesít kapcsolatot. Részecskék és húrok csak a párhuzamos világok széleinél létezhetnek, egyedül a gravitáció létesít közöttük kapcsolatot.

A húrelméletek a modern fizika több problémájára megoldást kínálnak, de szinte nincs olyan részük, következményük, amely mai kísérleti eszközeinkkel ellenőrizhető lenne. Az ekvivalencia-elv ellenőrzése lehetőséget kínál egyes húrelméletek tesztelésére. Ötödik erő létezését tételezik fel, emiatt a gravitáció erőssége nem lesz független a test összetételétől, vagyis sérül az ekvivalencia-elv. Az ekvivalencia-elv tényleges sérülése természetesen nem igazolná a húrelméletek helyességét, de mindenképpen támogató bizonyítéknak lenne tekinthető. Az ötödik erő a számítások szerint nagyon gyenge, éppen ezért hatásainak észlelése, az erő létezésének igazolása rendkívüli feladat. A négy ismert kölcsönhatás közül a gravitáció a leggyengébb, 36 nagyságrenddel gyengébb az elektromágneses kölcsönhatásnál. A feltételezett új erő pedig a gyenge gravitációnál is 13 nagyságrenddel, vagyis tízbilliószor gyengébb lehet. Elméleti számítások szerint ez a gyenge erő az anyag elektromágneses energiájával hat kölcsön. Azonos tömegszámú atommagokra egyformán hat a "hagyományos" gravitáció, azonban ha az egyikben néhány proton helyett neutron van, akkor az eltérő elektromos töltés miatt már különbség lesz a vonzerőben.

Űrkísérleteket terveznek

Az ekvivalencia-elv nagy pontosságú ellenőrzésére űrkísérleteket terveznek. Közös jellemzőjük, hogy eltérő anyagból készült próbatestek viselkedésének eltérését keresik. A tervezett olasz kísérletben (GG - Galileo Galilei) egyetlen pár próbatest lesz. A pontosság növelése érdekében - 10^-17 (százezerbilliomod rész) pontosságot szeretnének elérni - a GG űrszonda másodpercenként kétszer fordul majd meg a tengelye körül, hogy kiküszöbölje az irányfüggő zavaró hatásokat.

A francia MICROSCOPE (Micro-Satellite a trainée Compensée pour l'Observation de Principe d'Equivalence) műhold fellövését 2010-re tervezik. Két pár mintatest megfigyelésével 10^-15 (ezerbilliomod rész) pontosságú eredményre számítanak.

A már két évtizede tervezett STEP műholdtól ennél ezerszer pontosabb, mindössze 10^-18 (trilliomod rész) bizonytalanságú eredményt várnak. A STEP (Satellite Test of the Equivalence Principle) előkészítésén nemzetközi csapat dolgozik a Stanford Egyetem kutatóinak vezetésével. A STEP belsejében 4 pár mintatestet helyeznek el, így nagyobb biztonsággal zárhatják ki a külső zavarok vagy a berendezés tökéletlenségének esetleges hatását. A mintatestek egy nagy, folyékony héliummal töltött tartály belsejébe kerülnek, a tartály elszigeteli őket a hőmérséklet-ingadozásoktól. A mágneses és elektromos zavaró hatások ellen szupravezető mágneses burok védi a próbatesteket. Mikrorakéták korrigálják a légkör fékező hatását, így csaknem tökéletes lesz a próbatestek szabadesése.

Jéki László