Eötvös Emlékkönyv 4.

Árnyékolható-e a gravitáció?

Az Eötvös-féle gravitációs kompenzátor (Bojtár Ottó felvétele)

H. G. Wells egyik fantasztikus regényében – Emberek a Holdon – feltalálnak egy olyan anyagot, amely a gravitációs erőhatást tökéletesen elnyeli. A regényben minden elveszti a súlyát, ami alá ebből a valamiből egy réteget tesznek. A valóságban nem ismerünk ehhez fogható anyagot, de azt nem lehet kizárni, hogy ha csak kis mértékben is, esetleg létezik a tömegvonzás abszorpciója. Ezt a kérdést már Eötvös is vizsgálta, de még napjaink fizikája sem válaszolta meg.

Az elektromos és a mágneses erőhatás árnyékolására, elnyeletésére van mód. Tudjuk árnyékolni a fényt, sőt még az úgynevezett átlátszó anyagok is árnyékolnak kis mértékben. Pontos méréssel kimutatható, hogy az üvegablak is elnyeli a fény kis részét. Arra gondoltak, hátha a testek ehhez hasonlóan átengedik ugyan a gravitációs erőhatás nagy részét, de egy igen kis hányadát visszatartják, elnyelik.

Gravitációs elnyelődés?
Eötvös valamennyi gravitációs mérésének geológiai értelmezése szempontjából lényeges kérdés, hogy nem hamisítja-e meg a földtani szerkezetről alkotott képet, ha a gravitációs hatást a különféle és különböző tömegek elnyelik. Ezt a feltételezett gravitációs abszorpciót a következő szellemes kísérlettel vizsgálta. A horizontális variométert (Eötvös-ingát) állítsuk fel hajnalban vagy napnyugta idején! A Nap minden pontjából két egyenes megy a mérlegrúd felső, illetve alsó súlyához. Ha a Nap a horizont alatt van, de igen közel hozzá, akkor a két egyenes áthalad a Földön, s a Föld belsejébe eső szakaszai különböző hosszúságúak. Például ha a felső súlyhoz húzott egyenes éppen érinti a Földet, akkor az egy méterrel lejjebb levő alsó súlyhoz húzott egyenes 7 kilométer hosszan halad át a Földön (1. ábra).

1. ábra. Míg a felső súlyhoz húzott – a Nap felé mutató – egyenes érinti a Földet, az alsó súly irányába mutató egyenes már 7 kilométer hosszan metszi át a földgömböt

Ha ez a földréteg gyengítené a Nap vonzását, ez a mérlegrúd kitérésében mutatkozna meg. Az eszköz azonban sem napkeltekor, sem napnyugtakor semmiféle biztos kitérést nem jelzett. Számba véve a műszer érzékenységét, Eötvös kimutatta, hogy a Föld legfelső rétege a vonzást – ha egyáltalán elnyel belőle valamit – annak legfeljebb egy százmilliomodrészénél kisebb értékkel változtathatja meg.

Gravitációs kompenzátor
Eötvös gravitációs műszerei közül említést érdemel még a gravitációs kompenzátor, amely szintén egy torziós szálon függő, vízszintes ingarúd, a rúd végein gömb alakú tömegekkel. Az inga érzékenységét azonban az ingarudat tartalmazó fémcső két végén elhelyezett, nagytömegű ólomtömbökkel fokozzák. Öntöttek ólomból egy rövid, vastag falú csövet, majd a cső tengelyére illeszkedő két merőleges síkban szétfűrészelték az egészet négy egyenlő részre. Négy egybevágó „kvadránst” kaptak. Ezekből kettőt-kettőt helyeztek el a műszer lengőrendszerének mindegyik tömege mellé, a 2. ábrán látható módon.

2. ábra. A torziós inga mint gravitációs kompenzátor

Az ingarúd középső, vagyis az ólomtömegekhez viszonyítva szimmetrikus állásában azok vonzó hatásai ellensúlyozzák egymást, de ha az ingarúd csak kevéssel is kitér szimmetrikus helyzetéből, akkor az ólomtömegek vonzó hatása eltérő lesz. Minél nagyobb mértékben tér ki az ingarúd valamilyen külső erő hatására szimmetrikus helyzetéből, annál jobban befolyásolják az ólomkvadránsok (hiszen az egyik vonzó hatása a távolság csökkenésével növekszik, a másiké a távolság növelésével csökken) – vagyis a műszer érzékenységét az ólomtömegek vonzása növeli. Az ólomkvardánsok vízszintes tengely körül elforgathatók, így a kvadránsok szimmetriatengelye a vízszinteshez képest különböző szögek alatt állítható be. Ezáltal az érzékenység egészen a labilis helyzetig növelhető. A műszer érzékenységére jellemző, hogy a Duna partjától körülbelül 100 méterre felállítva a vízszintnek már 1 centiméternyi változását is regisztrálni tudta!
A gravitációs kompenzátor elég érzékeny eszköznek látszott a gravitációs abszorpció vizsgálatához. Elnyelő anyagnak a nagy sűrűségű ólmot használhatták. A lengőrendszerhez tartozó kis tömeg mellett a két ólomkvadráns tükörszimmetrikusan van elhelyezve, ezért ezeknek a vonzó hatása egymással egyensúlyt tart, és így a műszer eredeti egyensúlyi helyzetét a két ólom nem zavarja meg.

Elfordított ólomkvadránsok
Megzavarhatja viszont a jobboldali ólomkvadráns azoknak a talajrétegeknek a tömegvonzását, amelyek jobbról-alulról hatnak a műszerre (3. ábra). Egyidejűleg balról-alulról a talajrétegek zavartalanul, változatlanul kifejthetik vonzó hatásukat. Ezután az ólmokat úgy fordították el, ahogyan azt a 4. ábra mutatja.

3. és 4. ábra. Az egymáshoz képest 90 fokkal elforgatott ólomkvadránsok más és más módon zavarnák meg a földtömegek gravitációs hatását, ha volna gravitációs elnyelôdés (a részletesebb magyarázatot lásd a szövegben!)

Most a balról-alulról jövő vonzóhatásnak áll az útjában ólom, és a másik oldalról nincs akadály. Ha számottevő elnyelődés volna az ólomban, a váltást a műszernek észre kellene vennie. A kísérleteket elvégezték. A lengőrendszernek annyira kicsi volt az elmozdulása, hogy Eötvös és munkatársai biztosra vették, a gravitáció abszorpciója nem létezik. A mérésnek természetesen volt bizonyos szórása, és ezért csak annyit lehetett kijelenteni: „az ólomkvadránsok abszorpciója egy-ötvenmilliárdodnál kisebb kell legyen”.
Az eredményeket átszámították 1 méter vastag ólomlemezre. Ennek az elnyelése nem lehet több egy-kettőezerötszázmilliomodnál. Tovább számolva adódik, hogy a teljes Földgolyó abszorpciója az átmérő mentén kevesebb egynyolcszázad résznél. Ezzel ismét a Föld lett a kísérleti eszköz. Ha a Nap vonzó hatásának az egynyolcszázad részét a Földgolyó anyaga ténylegesen elnyelné, akkor az éjszakai oldalán a Nap által keltett árapálynak jóval nagyobbnak kellene lennie annál, amekkorát a valóságban mérünk. Ez kiszámolható. (A Nap felé irányuló gravitációs gyorsulás a négyzetesnél nagyobb arányban csökkenne az árnyékolt oldalon. A Föld itteni anyaga mintegy jobban „lemaradna”, jobban eltávolodna a Föld középpontjától.) Minthogy az árapály ilyen mértékű zavarának nyoma sincs, ebből arra következtethetünk, hogy a gravitáció abszorpciója még annál is kisebb kell legyen, amennyit Eötvös eredményei megengednének.
Időről időre napjainkban is felvetődik a gravitációs abszorpció kérdése. Fölhagyott bányákban helyeznek el érzékeny műszereket, és ebben a minden zavartól mentes környezetben regisztrálják a térerősség változásait. Ennek ellenére a mai napig nem sikerült a gravitációs abszorpció létét hihetően bizonyítani. Az 1999 nyarán Magyarországon is észlelhető teljes napfogyatkozás alkalmat kínál arra, hogy ellenőrizzük, hogy a Hold a Napnak valóban csak a fényét árnyékolja-e, vagy gravitációs hatásának egy részét is.

Stomfai Róbert
Szabó Zoltán
(Eötvös Loránd Geofizikai Intézet)