"Tudósnak a tudomány kutatóját nevezem"

2019.04.08.
A legismertebb magyar kísérleti fizikus, Eötvös Loránd életpályája kivételes tehetségről és kivételes kitartásról, a kutatás iránti mély elkötelezettségről árulkodik. Eötvös és munkatársainak kiemelkedő eredménye a súlyos és a tehetetlen tömeg ekvivalenciájának igazolása, ami az általános relativitáselmélet egyik kiindulópontja. Az Eötvös-emlékév csúcseseményét április 8-án tartották a Magyar Tudományos Akadémián.

Eötvös Loránd 1848. július 27-én született Budán. Illusztris család sarja: apai nagyapja Eötvös Ignác császári és királyi kamarás, magyar királyi udvari alkancellár, anyai nagyapja Rosty Albert, Békés vármegye alispánja; édesanyja Rosty Ágnes, édesapja Eötvös József író, jogász, politikus. Loránd születésekor az apa a a Batthyány-kormány vallás- és közoktatásügyi minisztere volt. Apa és fia életpályája egyébként számos hasonlóságot mutat: mindketten betöltötték az oktatásért felelős miniszteri tisztséget, és mindketten a Magyar Tudományos Akadémia elnökei voltak.

Eötvös Loránd levelezéséből kiderül: nem tagadta, hogy családi kapcsolatai előnyére váltak. Mint írja, pályájának kezdeti szakaszában édesapja munkássága révén „nyíltak meg előtte a kapuk”, és „tett szert mindenütt barátokra”. Életének tényei azt támasztják alá, hogy noha nem futamodott meg a közéleti feladatok elől, legfontosabbnak a kutatómunkát, a tudósi létet tartotta, valamint az is nyilvánvaló, hogy ő volt nemzedéke egyik legtehetségesebb és legkitartóbb természettudósa Magyarországon. Eötvös életpályájának legfontosabb állomásait sorba rendezve látható, hogy tudósi-kutatói karrierje meredeken ívelt felfelé (a listát Körmendi Alpár cikke alapján közöljük):

  • 17 évesen érettségizik a pesti piarista gimnáziumban.
  • 18 évesen a pesti egyetem hallgatója (jogi és természettudományi tanulmányok).
  • 19 évesen a heidelbergi, illetve a königsbergi egyetem hallgatója.
  • 22 évesen „summa cum laude” címmel doktorál Heidelbergben.
  • 23 évesen egyetemi magántanár a pesti egyetemen.
  • 24 évesen egyetemi rendes tanár.
  • 25 évesen akadémiai levelező tag.
  • 30 évesen a kísérleti fizikai tanszék vezetője (Jedlik Ányos utóda).
  • 35 évesen akadémiai rendes tag.
  • 41 évesen az Akadémia elnöke.
  • 43 évesen az egyetem rektora.
  • 46 évesen vallás- és közoktatásügyi miniszter.
  • 47 évesen újra tanít az egyetemen.
  • 57 évesen 16 év után lemond az Akadémia elnökségéről, visszavonul a közélettől, hogy kizárólag a kutatással foglalkozhasson.

A jogtól a fizikáig

Eötvös Loránd (Székely Aladár fotója)

Eötvös Loránd (Székely Aladár fotója)

A világhírű fizikus apja ösztönzésére iratkozott be a pesti jog- és államtudományi karra. Tanára – Eötvös József felkérése nyomán – Vécsey Tamás, a római jog nagy tekintélynek örvendő oktatója, az egyetem rektora volt. Eötvös Loránd érdeklődéseazonban egyre inkább a természettudományok felé fordult: Pesten Krenner József geológus, Kondor Gusztáv csillagász, Petzval Ottó matematikus és Than Károly kémikus volt a tanára (Than laboratóriumában is dolgozott).

1867 folyamán végleg a fizikusi pálya mellett döntött, és az ehhez szükséges alapos felkészülés érdekében iratkozott be a heidelbergi egyetemre. Ott a következő jeles tudósoknál tanult: Gustav Kirchhoff (fizika), Robert Bunsen (kémia), Hermann Helmholtz (fiziológia, matematika, kémia), Leo Königsberger (matematika), Otto Hesse (algebrai geometria). Bunsennél és Kirchhoffnál – a heidelbergi laboratórium volt többek között a legelső színképelemzések helyszíne – sajátította el a precíz, igényes méréstechnika fogásait. Kirchhoff tanácsára végzett el egy félévet Königsbergben is, ahol Franz Neumann-nál elméleti fizikát hallgatott, ám Neumann és mások matematikailag nagyon sokat kívánó előadásai elkedvetlenítették, a témát túl elvontnak találta.

Az első kutatási terület: a folyadékok felületi feszültsége

Eötvös tudományos munkássága két fő korszakra osztható. Elsőként a kapilláris jelenségekkel, a folyadékok felületi feszültségével foglalkozott, majd érdeklődése szinte teljes mértékben a gravitáció, a Föld mágneses terének vizsgálata, tágabban értelmezve a geofizika felé fordult.

A felületi feszültséggel kapcsolatos kutatásait egyetemi hallgató korában kezdte. A folyadékok részecskéi – legyenek azok atomok, ionok, molekulák vagy ezekből felépülő aggregátumok – között kohéziós erő lép fel, s ennek hatására a folyadékok a lehető legkisebb fajlagos felületű alakzatot veszik fel, amennyiben külső erőtér nem hat rájuk. Eötvös új módszert, reflexiós eljárást fejlesztett ki: a folyadék felszínéről visszavert fénysugarak segítségével határozta meg a felszín alakját és abból a felületi feszültséget (Neumann egyik szemináriumán is tartott összefoglalót a felületi feszültség méréséről).

A reflexiós eljárással az addigiaknál jóval pontosabban tudta mérni a felületi feszültséget, így azt is, hogy az miként alakul hőmérséklet-változás esetén. Kutatásait az 1880-as évek közepéig Budapesten folytatta, felfedezve a róla elnevezett szabályt. Eszerint a σ felületi feszültség és a folyadék T abszolút hőmérséklete között a következő összefüggés áll fent: σ × V3/2 = a × (T– T), ahol V a gőzállapotra számított móltérfogat, Tk a folyadék kritikus hőmérséklete, a pedig az ún. Eötvös-állandó. Az állandó értéke (2,1) a legtöbb folyadékra nézve a hőmérséklettől függetlenül ugyanaz. Kivétel például a víz és az etil-alkohol, ahol 0,9–1,3 között változik, ugyanis e folyadékok szerkezete eltér az ideálistól.

Mivel a móltérfogat kifejezhető a sűrűség és a móltömeg segítségével, a folyadékok móltömege a felületi feszültség mérése alapján is meghatározható. A kísérletek nyomán felállított szabályból következik a folyadékok felületi energiájáról szóló Eötvös-törvény. E törvény szerint valamennyi folyadék molekuláris felületi energiája 1 fok hőmérséklet-változásra ugyanannyit változik. A tudós eredményeit A folyadékok felületi feszültsége és vegyi alkata között fennálló kapcsolatról című Eötvös Loránd tudományos munkáiból itt olvasható válogatás a volt MTA Központi Fizikai Kutatóintézet honlapjántanulmányában közölte 1885-ben, majd 1886-ban német nyelven is publikálta.

Egy Eötvös-inga a Sághegyi Múzeumban

Egy Eötvös-inga a Sághegyi Múzeumban Forrás: Wikimedia Commons

A második kutatási terület: a gravitáció

Eötvös Loránd kutatói érdeklődése az 1880-as évek végére a gravitáció felé fordult. A tudóst egyfelől a tömegvonzással kapcsolatos mérési módszerek tökéletesítése, az eredmények az addigiaknál nagyságrendekkel pontosabbá tétele motiválta. Másfelől ebben az időszakban tűzte ki célul egy új nemzetközi geodéziai társaság, a Nemzetközi Földmérés (Internationale Erdmessung, az International Union of Geodesy and Geophysics szervezet elődje) egy hármas vonatkoztatási rendszer létrehozását. Az első elem egy geodéziai vonatkoztatási rendszer, amelynek origója a Föld középpontja. A második elem egy gravitációs vonatkoztatási rendszer létrehozása, a harmadik pedig az ún. geoid meghatározása. Joggal feltételezhető, hogy a Bécsből és Potsdamból irányított nemzetközi kutatási programba a Magyar Tudományos Akadémia, illetve Eötvös is bekapcsolódott. Szintén ebben az időszakban terjedtek el a reverzibilis ingák a gravitáció mérésére, a gravitációs erőtér görbületének meghatározására.

Eötvös – mint a Természettudományi Társulat alelnöke – 1888 január–február–márciusában tízhetes előadás-sorozatot hirdetett meg az egyetem új fizikai intézetének előadótermében A fizika jelenlegi állásáról és búvárlati módszereirőlcímmel. Az egyik legsikeresebb előadást a gravitációról tartotta. Egyik segítője az akkor elsőéves egyetemi hallgató, Tangl Károly volt. Tangl visszaemlékezése szerint egy „fémszekrényben jól védett Coulomb-féle mérleg alatt kvadránsokra osztott hengeres vasedény volt elhelyezve, aminek szemben álló kvadránspárjait felváltva higannyal lehetett megtölteni. A higany vonzása eltérítette a mérleg rúdját, amit a mérlegre erősített tükörrel visszavert fénysugár tett láthatóvá. Az eszköz már 3-4 percnyi lengésidővel is elegendő érzékenységet, s emellett a kivilágított és fűtött tanteremben is kellő állandóságot tanúsított.”

Eötvös Loránd és családja a pestszentlőrinci Eötvös-villa kertjében

Eötvös Loránd, felesége, Horváth Gizella (1853–1919); gyermekei, Rolanda (1878-1952) és Ilona (1880-1945) éa család pestszentlőrinci nyaralójának kertjében 1890 körül. Forrás: ELTE egyetemi fotótár

„Az eszköz”

Az 1880-as években Eötvös egy sorozat mérőműszert fejlesztett ki a gravitáció vizsgálatára. A később róla elnevezett inga – amelyet a tudós egyébként sohasem nevezett ingának, hanem mérlegnek vagy egyszerűen „az eszköz”-nek – a Coulomb-féle mérleg tökéletesítése volt. Az eszközzel mérhetővé váltak a gravitációs erőtér helyi jellegű, igen kis mértékű változásai. Eötvös horizontális gravitációs variométerében egy vízszintes helyzetű alumíniumrudacskát függesztett fel egy körülbelül 20-40 mikrométer vastagságú platina-irídium torziós szálra. A rudacska egyik végén egy henger, a másik végén egy huzalra felfüggesztve egy másik, ugyanolyan tömegű henger volt található, mindkettő platinából. A mérés azon az elven alapszik, hogy mivel a gravitációs erőtér nem teljesen homogén, a térerősség a két henger helyén is kissé különbözik irány és nagyság szerint, így tehát a gravitációs erő forgatónyomatékkal hat az inga rúdjára, és a platina-irídium szál megcsavarodik. Hogy a műszer érzékenységét fokozza, Eötvös az addigiaknál hosszabb, 50–60 cm-es torziós szálat alkalmazott, amelyet előzőleg húzással és hőkezeléssel igyekezett minél feszültségmentesebbé tenni. A kis elfordulások precíz meghatározása érdekében az ingarúdra tükröt szerelt, és távcsővel olvasta le, hova verődik vissza a tükörről a fény a műszer skáláján. Az eszközt a környezeti hatások ellen kettős, majd hármas fémtokozat védte.

Eötvös kimutatta, hogy a műszerrel egy adott helyen öt mérést végezve meghatározható a gravitációs erőtér iránya és nagysága, pontosabban szintfelületének a görbülete és a g horizontális gradiense. Az öt mérés úgy végzendő el, hogy az inga rúdját rendre 72°-os szöggel elforgatjuk. Minden elforgatás után a készülék torziós szála beáll egy új egyensúlyi helyzetbe, melyre nézve a szál torziós nyomatéka kiegyenlíti a rúdra ható gravitációs erő forgatónyomatékát. Az eszközzel 10–9 nagyságrendű (1 Eötvös-egység) gradiensváltozás is kimutatható.

A tudós felismerte, hogy készüléke alkalmas a nehézségi gyorsulás helyi változásainak a mérésére. E változásokat a földfelszín alatti rétegek sűrűségének változása okozza. Ennek jelentőségéről ő maga így számolt be az Akadémia közgyűlése előtt 1901. május 12-én:

„Bármely helyen, ahol eszközeimet felállíthatom, meg tudom határozni, hogy merre, és centiméterenként mennyivel változik a nehézség; azt is, hogy mennyivel hajlik el iránya, amikor magasabbra emelkedünk;

[…] és megállapíthatom, […] hogy merre görbül erősebben az a kicsiny vízfelület, amely egy pohárban elfér […] biztonsággal következtethetünk (az eljárás) segélyével kisebb sűrűségű anyagok között nagyobb sűrűségűek jelenlétére […], így módunkban van biztosabb alapokra fektetni a földkéreg architekturájának tanát, némi bepillantást szerezve olyan mélységekbe, melyekhez szemünk egyáltalán nem hatolhat és fúróink el nem érnek” – vagyis az Eötvös-inga az ásványi nyersanyagkészletek feltárásának roppant hasznos eszköze is.

Eötvös és munkatársai az első terepi méréseket az 1890-es évek elején Budapesten, a Gellért-hegy tövében végezték, majd a Ság-hegy peremén, továbbá a tudós szentlőrinci házának udvarában. Méréseket folytattak a Fruska Gora-középhegységben és a Titeli-fennsíkon (Szerbia), továbbá Újvidék, Verbász, Palánka, Szabadka, Versec, Zombor és Arad környékén, továbbá számos erdélyi helységben. Télen a befagyott Balaton bizonyult ideális helyszínnek, mert el lehetett tekinteni a terepfelszín egyenetlenségeiből adódó zavaró hatásoktól. Az Eötvös-ingának hívott készülékeket kezdetben különböző típusú nyersanyagkészletek feltárására használták, az 1930-as és 1940-es években pedig főleg a kőolajkutatásban alkalmazták.

Eötvös Loránd Gruber Mici Róna nevű fehér lován ül a Szent István Társulat székháza előtt

Eötvös Loránd Gruber Mici Róna nevű fehér lován ül a Szent István Társulat székháza előtt. Forrás: ELTE egyetemi fotótár

A súlyos és a tehetetlen tömeg ekvivalenciája

Még fontosabbnak számít Eötvös Loránd és munkatársai azon kísérletsorozata, amellyel igazolták a súlyos és a tehetetlen vagy más szóval a gravitáló és az inerciatömeg ekvivalenciáját. (Newton törvénye szerint egy test által gyakorolt gravitációs vonzás a tehetetlen tömeggel arányos, és független a test anyagi minőségétől.) Az 1890 előtt végzett első kísérletekben a torziós ingát úgy helyezték el, hogy a kar kiegyensúlyozott állapotban kelet–nyugati irányba mutasson. A tömeg (30 gramm) anyaga egyik oldalon sárgaréz, a másik oldalon rendre üveg, parafa, antimonit és 120 cm3 levegővel töltött üveggömb. Ezután az ingát elforgatták úgy, hogy az eddig a keleti oldalra eső test a nyugatira kerüljön, és viszont. Az eredmény: nincs változás az egyensúlyi helyzetben, tehát a kétfajta tömeg azonos, a gravitációs és tehetetlenségi erő aránya nem anyagfüggő. A korai kísérletek ezt 1/20 000 000 pontossággal, majd a Pekár Dezsővel és Fekete Jenővel végzett vizsgálatok az 1900-as évek elején 1/200 000 000 pontossággal igazolták. A súlyos és a tehetetlen tömeg ekvivalenciája volt Albert Einstein általános relativitáselméletének egyik kiindulópontja. Einstein azonban 1912-ig nem tudott Eötvös az ő sejtését igazoló kutatásairól (egy 1913-as cikkben már Eötvöst méltatva hivatkozott az eredményeire).

Az Eötvös-hatás

Eötvös Loránd életének utolsó éveiben azt a méréssorozatot vezette, amelynek célja – a világon elsőként – kifejezetten a szénhidrogének kutatása volt. A kutatást 1916-ban Egbell környékén (Gbely, Szlovákia) végezték. Ez lényegében már modern geofizikai kutatás volt: az előzetes geológiai ismeretek, modellek alapján gravitációs és mágneses méréseket végeztek, az eredményeket pedig gondosan kiértékelték, ugyanis az Eötvös-inga nem magát a nyersanyagot, hanem azt a geológiai szerkezetet mutatja ki, ahol a nyersanyag felhalmozódhat.

Az 1900-as évek közepén-végén a Földön mozgó testek súlyváltozásának kérdésével foglalkozott. Erre egy, az az Indiai- és a Csendes-óceánon végzett kísérletsorozat hívta fel a figyelmét: az eredményekben rendszeres eltéréseket okozott, hogy a német kutatók nem vették figyelembe, hogy milyen irányba mozog a hajó. A problémát az okozza, hogy a Coriolis-erő miatt a nyugat felé mozgó testeknél súlynövekedés, a kelet felé mozgóknál súlycsökkenés lép fel. Eötvös azt számította ki, a súlyváltozás miként függ a földrajzi szélességtől és a sebességtől – ugyan kicsiny hatásról van szó, de ha mozgó eszközökön tervezünk valóban pontos méréseket végezni, nem hagyható figyelmen kívül. Az Eötvös-hatást bemutató forgó mérlegről szóló tanulmányát 1919 márciusában küldte meg az Annalen der Physik számára, már súlyos betegen.

Eötvös Loránd 1919. április 8-án hunyt el Budapesten, április 11-én temették el a Kerepesi temetőben. Az 1921-től Pázmány Péterről elnevezett budapesti tudományegyetem az 1950–51-es tanévtől viseli egykori diákja és jeles professzora nevét. Legjelentősebb műveit összegyűjtve az MTA adta ki német nyelven 1953-ban.

Az Eötvös 100 című évfordulós központi ünnepséget, majd az utána következő előadássorozatot az MTA székházának dísztermében tartották.


Fotó: mta.hu / Szigeti Tamás 

Az ünnepségen köszöntőt mondott Lovász László, az MTA elnöke, Palkovics László, innovációs és technológiai miniszter és Borhy László, az Eötvös Loránd Tudományegyetem rektora, majd Birkner Zoltán, a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal elnöke beszélt a kutatás-fejlesztés-innováció és az eötvösi életmű kapcsolatáról. A Nemzetközi Geodéziai és Geofizikai Unió üdvözletét Kathryn A. Whaler adta át, majd Eötvös tudósi pályájáról és életéről hallhattak előadásokat a résztvevők.

A délutáni ismeretterjesztő előadások sorában többek között arról volt szó, hogy miként befolyásolja a határfelületi vízréteg szerkezete a fehérjeműködést, hogyan mérték újra a híres Eötvös-kísérletet, milyen a Kárpát-medence geofizikája, és hogyan alkalmazhatók a gravitációs hullámok a csillagászatban.

Az eseményen előadás hangzott el Eötvös sportszervezői munkásságáról és a tudós tömörlátvány-képeiről is. A Magyar Nemzeti Bank az évforduló tiszteletére emlékérmet, a Magyar Posta emlékbélyeget bocsátott ki, amelyek bemutatója szintén az Akadémia dísztermében volt.

Fotók az eseményről.

Forrás: az mta.hu