Új Szó - Vasárnapi kiadás, 1986. július-december (14. évfolyam, 27-52. szám)
1986-09-12 / 37. szám
r > TUDOMÁNY TECHNIKA Az égbolt „csalóka képeit“ a gravitációs fényelhajlás okozza. Távoli csillagászati objektumok képét felnagyíthatja és eltorzíthatja galaxisok és fekete lyukak gravitációs tere. A gravitációs lencsehatás érzékeny tömegfüggése nagy segítséget jelent az univerzum szerkezetkutatóinak. A délibábról, a síkságok vándorát a tikkasztó melegben megtévesztő, a távolit közelinek mutató „fantomról“ általában mindenki hallott, de kevesen ismerik a csillagászok szemét megcsaló kozmikus délibábokat okozó „gravitációs lencséket“. Századunk elején még maguk a csillagászok sem hitték volna, hogy egyre tökéletesebb távcsöveikkel akár az elvarázsolt kastély görbetükreinek csalóka képeihez hasonlóan is láthatjuk az égboltot. Einstein géniusza tárta fel a „csalóka kép“ születésének okát, amelyet nem a távcsöveink hibáiban, hanem az „égben“ kell keresni, a megfigyelni kívánt távoli objektumról érkező fény egyenestől eltérő útjában. Einstein két híres elméletével - a speciális relativitáselmélet (1905) és az általános relativitáselmélet (1916) - alapjaiban változtatta meg az anyagról, a térről és az időről korábban kialakult elképzeléseinket. A speciális relativitáselmélet lenyűgöző szépsége egyszerűségében rejlik. Az összes ismert eredmény csupán két alapvető felismerés következménye. Az egyik felismerés a fény- sebesség állandósága. A másik, hogy a tér és az idő nem egymástól független fogalmak. Ez jobban követhető, ha belegondolunk, hogy mozgó anyagok összessége a világ, amely önként nem bomlik fel elszigetelt térre és időre. A mozgást rfégy irány jellemzi: az előre, a balra, a felfelé és a jövőbe, azaz a szokások térbeli dimenzióhoz (fel-le, jobb-bal, előre- hátra) hozzá kell illeszteni a negyedik dimenzióként az időt. A négydimenziós téridő fogalma minden egyszerűsége ellenére még ma is merőben szokatlan. Egyedül talán a csillagászoknak nem okoz nehézséget, hiszen amikor az égre néznek és a csillagok helyzetét a térben vizsgálják, egyben az időben is visszafelé néznek. A tíz fényév távolságban levő csillagról a szemükbe érkező fény tíz évvel ezelőtt hagyta el a csillagot, vagyis azt látják, milyen volt a csillag tíz évvel ezelőtt. A csillagászati megfigyelések során egyszerre kell térről és időről gondoskodnunk. A Nap és a csillagok mozgását vezérlő, a galaxisok kölcsönhatását és valószínűleg az egész világegyetem fejlődését uraló erő a gravitáció. Alapvető törekvés a téridőhöz kapcsolni minden anyag egyetemes tulajdonságát, az élet feltételeinek elsődleges megteremtőjét, a gravitációt, azaz a speciális relativitáselméletet kiterjeszteni, általánossá tenni. A természet erői között a „halkszavú“ gravitáció a vonzó és a vonzott test tömegével arányos. Minél több anyag halmozódik fel, hatása annál intenzívebbé válik, az égitesteknél már uralkodó erő. Kézenfekvő elgondolás, hogy a gravitáció megváltoztatja a téridő geometriai szerkezeteiét. A gyenge gravitációs tér kicsi (érvényesek maradnak a Newton-törvények), az erős gravitáció nagyon „görbíti“ a téridőt. A görbült geometria befolyásolja a test mozgását, az égitestek nem mozoghatnak egyenes pályán (éppen a görbült geometria pályaeltérítő hatását észleljük gravitációként). Elméletének kidolgozásánál Einsteinnek nagyobb szerencséje volt, mint Newtonnak, akinek új felfedezéseihez új matematikai módszereket (a differenciál- és integrálszámítást) is ki kellett dolgoznia. Einstein készen találta a matematikai módszert, a tenzor- analízist, amelyet a XIX. századi matematikusok - Riemann, Gauss, Ricci - elmés „játékként“ tetszőleges dimenziójú görbült terek leírására dolgoztak ki: Einstein a Ricci-tenzorból alkotta meg a gravitáció hatására megváltozó téridőt jellemző egyenleteit, a téregyenleteket. A görbült térben mozgó test pályáját, a téridő két pontját összekötő legrövidebb távolságot a geodetikus egyenletek adják meg (ha a téridő sík, a pálya egyenes; ha a téridő görbült, akkor a pálya geodetikus vonal). Ez azt jelenti, hogy a fény nagy gravitá- ciójú test közelében nem egyenes pályán halad, hanem elhajlik. A gravitációs fényelhajlás megfigyelése éppen az elmélet helyességének egyik igazolása. Einstein számításai szerint a Nap felszínét súroló fénysugár 1,75 ívmásodperces szöggel hajlik el. Normális körülmények között a vakítóan fényes Nap mellett lehetetlen ennek megfigyelése. Viszont teljes napfogyatkozáskor meg lehet figyelni és mérni a gravitációs fényelhajlást, az állócsillagok megváltozását a Nap mozgásának függvényében. Az első, bizonyító erejű megfigyelés az 1919-es teljes napfogyatkozáskor sikerült. A rendkívüli pontosságot igénylő megfigyeléseket azóta is majdnem minden teljes napfogyatkozáskor - változó sikerrel - megismétli valaki (a felvétel készítésére néhány percnyi idő van csupán, a megfigyelő hely pedig esetleg egy őserdő közepe). A Napnál erősebb gravitációjú égitestek hatása sokkal nagyobb lehet, akár kozmikus délibábokat is létrehoznak. A távoli égitestekről a Földre tartó fény útjában elhelyezkedő galaxisok, galaxishalmazok gravitációs tere gyújtólencseként felerősíti (megkettözve vagy megháromszorozva) az égitest fényét. A látszólagos fényesség sokkal közelebbinek tünteti fel a csillagászati objektumot, mint a valódi távolsága. Gyakori jelenség ez a távoli kvazárok esetében. A kozmikus délibábok megtévesztő hatását a csillagászok felismerhetik az objektum színképvonalainak kozmológiai vöröseltolódásából. Az ebből számított távolodási sebesség és távolság között egyszerű összefüggés (egyenes arány) van. Éppen a rejtélyes kvazárok, a valaha is megfigyelt legtávolabbi objektumok (távolságuk még tíz- milliárd fényév is lehet) felfedezése fordította ismét az asztrofoziku- sok figyelmét az általános relativitás felé a hatvanas években. A rendkívül egyszerű ás szép einsteini-elmélet, amely megmagyarázott korábban érthetetlennek tűnő jelenségeket és megjósolt addig ismeretleneket, még nem merült ki, összes következményének feltárása valójában még ma sem fejeződött be. így kerültek a fekete lyukak- papíron 1939-től, Oppenheimer elméleti számításai óta léteznek- az érdeklődés középpontjába. A fekete lyuk a csillagélet egyik végállomása (a fehér törpe és a neutron csillagok mellett). A csillagok magreakciói - a Napban minden másodpercben 600 millió tonna hidrogén alakul át héliummá- egyszer az összes tüzelőanyagot felemésztik. A kimerült csillag összehúzódik, mérete csökken, az atomok egyre szorosabban préselődnek össze. Az összehúzódással, a sűrúségnövekedéssel drámaian nő a gravitáció. Ha a kiégett csillag tömege nagyobb a naptömeg háromszorosánál, akkor semmilyen fizikai erő nem képes megállítani az összehúzódást. Az egyre fokozódó gravitáció olyan erősen görbíti a csillag körül a teret, hogy a téridő visszahajlik „önmagába“, és a csillag eltűnik. Ami megmarad, néhány kilométernyi ellenállhatatlan gravitációjú tartomány (szingularitás), a fekete lyuk. Lyuk, mert bármi hullik bele, semmi nem jön ki többé és fekete, mert a fény sem tud kiszökni belőle. Az univerzumban létező fekete lyukak megtalálása sokkal reménytelenebb vállalkozás, mint sötét éjszakán szenespincében fellelni egy alvó fekete macskát. Egyedül a gravitáció vezethet nyomra. Három lelkes kutató módszere talán megkönnyíti a fekete lyukak keresését az égen. A Massachusetts-! Műegyetemről Emilio Falco, valamint a Smithsonian Asztrofizikai Obszervatóriumból Michael Kurtz és Matthew Schneps megkísérelte csillagászati objektumok gravitációs lencse hatását modellezni. Számítógépes programjuk az NGC 3992 jelű galaxishalmaz képének megváltoztatását szimulálta, ha galaxis vagy fekete lyuk gravitációja töri meg fényét. A számítógépes képek a gravitációs lencsék - galaxisok, galaxishalmazok, fekete lyukak - torzító hatását is feltárták. A jellegzetes körkörös torzítás mértéke a gravitáció erősségétől függ. Ha ellenállhatatlan gravitációjú fekete lyuk az előtér gravitációs lencséje, akkor a kép közepe teljesen üres és fekete. Kisebb gravitációjú galaxissal „módosított“ kép közepe már világosabb, de a körkörös torzulás még szembetűnő. A gravitációs lencsék hatásának vizsgálata látszólag kis horderejű adalék az utóbbi évek egyre szaporodó és néha ugyancsak meglepő csillagászati megfigyeléseihez. A fényfókuszoló hatás érzékeny tömegfüggése sok nyitott kérdés megválaszolásában segítheti az univerzum szerkezetével foglalkozó tudósokat.-hatKozmikus délibábok ► ÚJ szú A SUGARAK ÁRNYÉKÁBAN A Föld anyaga — mint arról már az előző részben is szó esett - több radioaktív elemet tartalmaz, minek következtében nagyon sokféle, sok forrásból származó sugárzás hat ránk. A sugárzások fajtáiról a legegyszerűbben annyit mondhatunk el, hogy ezek egy része elektromágneses sugárzás (röntgen- és gamma-sugárzás), másik része pedig alapjában véve gyorsan mozgó parányi részecskék áradata. Ez utóbbiak közül legismertebb a proton-, neutron- és mezonsugárzás, ezenkívül az alfa- és bétasugárzás, melyeket héliumatommagok, illetve elektronok hoznak létre. Hogyan keletkeznek e rejtélyes sugárzások? Milyen egységeket használunk a talaj, a levegő, az élelmiszerek sugárzásszintjének (dózisának) mérésekor? Hogyan lehet megállapítani a sugárzásnak azt a mennyiségét, ami nem ártalmas, vagy legalábbis nagyon kicsi a veszélye? Ezekre a kérdésekre próbálunk meg rövid választ adni a következő néhány sorban. Az anyagok atommagjait pozitív töltésű protonok és semleges neutronok alkotják. Ezek száma a legtöbb esetben megegyezik, ami biztosítja az atommagok stabilitását. A neutronok száma nem befolyásolja az anyag kémiai sajátságait, azonban- a magban levő neutronok számának megváltozásával a stabilitás már megbolmik, s igy jöhet létre majd minden elem sugárzó, azaz radioaktív izotópja. A természetes radioaktív elemek általában a Mengyelejev-fóle periódusos rendszer vége felé helyezkednek el, ahol az atommagban szinte mindig túlsúlyban vannak a neutronok a protonokkal szemben. Ez azonban nem jelenti azt, hogy a könnyebb elemeknek egyáltalán nem lehetnek radioaktív izotópjai. Például a légkörben nagy mennyiségben föllelhető szén-dioxid szénatommagjai normál állapotban 6 protont és 6 neutront tartalmaznak. A légkör felső rétegeit bombázó kozmikus sugárzás hatására azonban szén-14-izotóp keletkezik, amely szintén 6 protont, de már 8 neutront tartalmaz. A szén-14 radioaktív, felezési ideje 568 év. Mit is jelent ez számunkra? A felezési idő nagyon fontos jellemző minden radioaktív anyag esetében. Azt az időt jelenti, amely alatt a radioaktív anyag fele elfogy. Megfordítva: ugyanennyi idővel ezelőtt kétszer ennyi volt belőle, két felezési idő előtt négyszer, három felezési idő előtt nyolcszor ennyi. A szén14-es tehát sok más radioaktiv anyaggal együtt állandóan keletkezik és bomlik, minek következtében érzékeny műszerekkel kimutatható sugárzás keletkezik. A röntgen-, majd a rádiumsugárzás felfedezésekor nem gondolták a kutatók, hogy ezek a sugárzások károsak az emberre. Röntgen - talán ösztönösen - elkerülte a kisugárzást, viszont Madame Curie, valamint a mesterséges radioizotópok előállításának és az atomreaktor kutatásnak egyik úttörője, Enrico Fermi is a munkája folyamán kapott sugárdózisnak lett az áldozata. Tagadhatatlan, az atomfizika óriási lehetőséget adott az energiagondokkal küszködő emberiség számára. Alapvetően új eljárások születtek a gyógyászatban, elektronikában, kémiában, biológiában, stb. Fontos azonban még a radióaktív anyagok békés, vagy háborús célokra történő tömeges felhasználása előtt tudnunk, hogy a szervezetünket amúgy is érő természetes sugárzás mesterséges úton történő növelése milyen veszélyekkel fenyegeti az élővilágot? Mielőtt erre a kérdésre válaszolnánk, foglalkoznunk kell a sugárzás adagjának egységeivel. Az új Sl-mértékrendszerben a dózisegységek neve gray (L. H. Gray angol fizikus emlékére), illetve sieved (R. Sievert svéd fizikus emlékére). Használatosak még a régebbi egységek is (röntgen, rád, rém), amelyekre most részletesen nem térünk ki. A gray azt mutatja meg. hogy az egységnyi tömegű anyagban bizonyos idő alatt mekkora energia nyelődött el a sugárzás hatására. Az azonban, hogy a már elnyelődött energia milyen élettani hatást vált ki, függ a sugárzás fajtájától is. Ezéri vezették be a sievedet. Egy példán szemléltetve a mondottakat: a gamma-sugárzást vehetjük alapul, ahol a gray és a sieved egyenlő egymással. A neutronsugárzás viszont biológiailag kb. ötször hatékonyabb (veszélyesebb) a gamma-sugárzásnál, ezéd ha egy személy 1 gray neutrondózist kapott, akkor a biológiai hatást is tükröző dózis 5 sieved. A sugárzás olyan energiafajta, amely rendkívül hatékonyan okoz elváltozást az élő szervezetben. Ezt mutatja a következő hasonlat is: a halálos adagnak megfelelő 5 sieved dózis is csak annyi energiát visz be a szervezetbe, mint egyetlen kávéskanál meleg kávé hőenergiája! A növények pusztulásához azonban legalább 10 sieved sugárzásra van szükség, ami könnyen létrehozható akár fél Európának megfelelő területen is egy „mindössze“ 5700 megatonnás atomháború esetén. Reméljük, ilyen óriási dózisokkal sohasem kell majd számolnunk a jövőben, térjünk ezéd mi is vissza azokhoz a már említett természetes sugárzásokhoz, amelyek bennünket is nap mint nap érnek. A környezetünkből kapott „évi átlagos dózis" kifejezés rendkívül komplex fogalom, édéke sok tucatnyi, sokszor nehezen figyelembe vehető tényezőtől függ. A földrajzi hely, az időjárás, a lakóépületek, a talaj szerkezete, de még olyan szokások is, hogy hányszor szellőztetünk, nyitott ablaknál alszunk-e, hol szoktunk üdülni: a tenger- pádon vagy a hegyekben, befolyásolják a sugáderhelé- sünket. Annyit mindenesetre megállapíthatunk, hogy a jellemző átlagédék az évi 1-1,5 millisieveri. Az kb. havi 100 mikrosievednek ((iSv), illetve óránkénti 130 nanosie- vednek (nSv) felel meg. Lássuk most a különböző eredetű sugárzások egy hónapra számított dózisát mikrosievedben! Kozmikus sugárzást (tengerszinten: 35, 3000 m-es magasságban: 100 pSV) talaj (üledések kőzet: 15, gránit: 90 pSv), levegő: 10pSv, táplálék: 28pSv, lakóház - attól függően, hogy honnan származnak a készítéséhez szükséges anyagok - 30-100 pSv és a szervezetünkben levő radiokálium havi 15 pSv. Érdekességként még megemlíthetjük, hogy egy mellkasröntgen felvétel: 200 pSv, a New York-London légiút: 40pSv megterheléssel jár, a tengervíztől viszont egy hónap alatt is csupán 0,5 pSv-et kapunk. Az ásványvizeknél már más a helyzet, mivel ezek nagyobb radioaktivitású kőzetekben is keletkezhetnek a Föld mélyén. Itt akkora a nyomás, hogy a folyamatosan keletkező radongáz nem távozhat el a vízből (mint a felszíni vizek esetében), így a radioaktivitás igen jelentős szintre emelkedhet. Az Erdélyben közkedvelt bórvíz rádium- és radontadalma pl. száz, illetve több ezerszerese az átlagnak. Végezetül kijelenthetjük, még mielőtt bárkiben is kételyek merülnek fel, hogy aggodalomra semmi ok, a fent említett-édékek igen csekélyek. Hiszen legalább 0,25-0,5 Sv, rövid időn belül kapott dózis szükséges ahhoz, hogy szervezetünkben észlelhető elváltozás lépjen fel és orvosi beavatkozás váljon szükségessé. Mindazonáltal igazat kell adnunk azoknak is, akik szerint az aránylag kis méretű besugárzás, aminek nincs azonnal észlelhető hatása, hosszabb idő elteltével bajt okozhat. Károsodhatnak a vérképző szervek, az örökítőanyag (DNS), az emésztőrendszer és más létfontosságú szervek is. Kis sugáradagnál a lappangási idő igen hosszú: egy év vagy akár tíz év nagyságrendű is lehet. Ilyen esetekben az egyik leggyakoribb tünet a rák. írásunkban így lassan eljutottunk arra a bizonyos pontra, ahonnan a folytatást már a tudomány fejlődésének további eredményeitől várhatjuk. Sok kérdés még megoldásra vár a közeljövőben, egy azonban bizonyos: az ionizáló sugárzás hatása a szervezetre káros, ezéd a sugáderhelést lehetőség szerint csökkenteni kell. DR. GÖMÖRY IMRE 12.
