Évekkel ezelőtt Vargha Domokosné könyvtáros adta kezembe Kövesligethy Radó 1890-ben, Halléban megjelent Grundzüge einer theoretischen Spektralanalyse című könyvét. Érdeklődéssel lapoztam a több mint százéves műbe, amelyet egy akkor alig huszonnyolc éves fiatalember alkotott. A könyv zsúfolva volt bonyolult, első nézésre alig áttekinthető képletekkel. A könyv végén bukkantam rá egy olyan ábrára, amely a megtévesztésig hasonlított a Planck-féle feketetest-sugárzási törvényből adódó színképre. Elfogott az izgalom. A tudománytörténet azt tanítja, hogy a feketetest-sugárzás problémájának a megoldása csak a Planck-féle kvantumhipotézis alapján vált lehetővé. Vagy mégsem? Talán a probléma megoldásához erre nincs is szükség? Vagy esetleg a kvantumelmélet már létezett egy évtizeddel Max Planck előtt is?

Bevezetés

A csillagászatot a 19. század első felében az asztrometria uralta, néhány fontos felfedezés azonban történt, amelynek jelentős hatása volt az asztrofizika fejlődésére. William Herschel 1800-ban felfedezte az infravörös sugárzást, Joseph Fraunhofer pedig 1814-ben sötét vonalakat észlelt a Nap színképében, amelyeket aztán róla neveztek el.
A fizika 19. századi fejlődése szilárd alapot teremtett annak a törekvésnek, hogy modellezzék az égitestek belső szerkezetét, felhasználva a hidrosztatika törvényeit, valamint a politrop állapotegyenletet. Az ilyen módon kapott modell az elméleti asztrofizika első kvantitatív eredménye volt.
Azért, hogy összekössék ezeket a modelleket a kisugárzott fénnyel – a sugárzó égitest fizikai állapotáról származó információ hordozójával –, szükség volt egy elméletre, amely leírta a sugárzás kibocsátásának a mechanizmusát: a sugárzás és az anyag kölcsönhatását. Ebből a szempontból két felfedezésnek volt alapvető jelentősége. Az első Gustav Kirchhoff és Robert Bunsen felfedezése, amely szerint közvetlen kapcsolat van a gázok kisugárzott vonalas színképe, illetve a sugárforrás anyagi összetétele között. A másik egy forrás emissziós és abszorpciós tulajdonságai közötti kapcsolat felfedezése volt, amely szintén Kirchhoff nevéhez fűződött.

Amikor ezek a felfedezések történtek, Kirchhoffnak volt egy magyar doktorandusza, Hoffman Károly. Hoffman 1860 és 1863 között tanult Heidelbergben, s az volt a feladata, hogy a Nap színképén végezzen méréseket. A doktorátus megszerzése után Hoffman visszatért Magyarországra, és geológusként szerzett nemzetközi hírnevet. Az 1860-as években több magyar diák is ellátogatott Heidelbergbe. Közülük a leghíresebb Eötvös Loránd volt, aki Kirchhoffnál az elektromosság elméletét és rugalmasságtant hallgatott. Néhányan közülük később a Magyar Tudományos Akadémia tagjai lettek (Kőnig Gyula, Réthy Mór, Schuller Alajos, Szily Kálmán és Wartha Vince). A kvantitatív spektroszkópia tudománya tehát az eredeti forrásból közvetlenül érkezett Magyarországra. Robert Bunsent és Gustav Kirchhoffot később a Magyar Tudományos Akadémia tiszteleti tagjává választották.

Az 1860-as években Magyarországon nem volt professzionális csillagászat. A Gellérthegyen 1815-ben megnyílt obszervatórium Európa egyik legkiválóbbika volt abban az időben, de súlyosan megrongálódott a budai vár 1849-es ostromakor. Az uralkodó, I. Ferenc József ígéretet tett a szétrombolt helyén egy sokkal modernebb új intézet felépítésére, de a szavát nem tartotta be. A magyar csillagászatban kedvező fordulat 1871-ben történt, amikor Konkoly Thege Miklós ógyallai birtokán obszervatóriumot hozott létre.

A folytonos színképek elmélete

Kövesligethy a bécsi egyetemen kezdte tanulmányait 1881-ben, és olyan kiváló tanárai voltak, mint például Josef Stefan, akinek a nevét a Stefan–Boltzmann-törvény örökítette meg. Ebben az ideális környezetben Kövesligethy elméleti ismeretei gyorsan gyarapodtak. A nyári szüneteket rendszeresen Ógyallán töltötte, ahol az intézetben folyó spektroszkópiai megfigyelésekbe kapcsolódott be. Ilyen módon az elméleti fizikában történt előrehaladását nagyszerűen kiegészítette a Konkoly intézetében kapott gyakorlati tapasztalat.

Kövesligethy szilárd meggyőződése volt, hogy a megfigyelő munkának csak akkor van értelme, ha az együtt jár a sugárzó forrásban uralkodó fizikai viszonyok magyarázatára irányuló mélyreható elméleti vizsgálattal. Úgy gondolta, hogy a termodinamika az égitestek fénykibocsátó tulajdonságának a magyarázatában ugyanolyan szerepet fog játszani, mint a newtoni mechanika a mozgásukban. Első elméleti spektroszkópiai eredményét 1883-ban tette közzé, harmadéves egyetemi hallgató korában. A mathematikai spektrálanalízis, mint az asztrofizika alapja című előadást Konkoly Thege Miklós vezette be, aki az Akadémia tiszteleti tagja volt.

Annak a munkának a bevezetőjében, amelyben először tette közzé spektrálelméletét, az alábbiakban foglalta össze meggyőződését:

„Az izzó testek spektrálanalitikus kutatásánál csupán anyaguk tömecsmozgása által keltett éther-rezgésben hatnak érzékeinkre. Újabb vizsgálódásaink szerint az anyag állapotját éppen legkisebb részeinek mozgása határozza meg, s ennélfogva könnyű belátni, hogy ezen állapotot jelző tulajdonok legalább részben kifejezését találják az anyag-keltette rezgésben. Ha most másrészt az erőműtani hőelméletben azon tudományra találunk, mely az anyag állapotját – eltekintve minőleges állandóktól – hőmérséklet, nyomás és térbeli kiterjedés által fejezi ki, tanulmányozza, alig téveszthetjük el két tudományág között fönnálló összefüggést, s bizonyára azon meggyőződésre kell jutnunk, hogy a hőelmélet az alap, melyen a spektrálanalysis elméleti felépítése lehetségessé válik. S látható egyszersmind, hogy a két tudományág gyakorlatilag egymásba csak úgy fog át, ha a spektrálanalysis segítségével képesek vagyunk az anyagállapot variabiliseit meghatározni.

Minden rezgés három egymástól teljesen független változó által van adva, s így könnyű belátni, hogy a körülírt feladat azonos azon összefüggés felkeresésével, mely hőmérséklet, nyomás és térfogat egyrészt, s másrészt rezgési tartam, amplitúdó és rezgési sík közt áll fönn. A folytonos spektrumok tanulmányozása, mit egyelőre célul tűztem ki, csupán a hőmérséklet ismeretére vezet, mint az az értekezés folyamában kiderül.

Az egyedüli föltevés, melyre szükségünk lesz, az hogy a testek egyes tömecsekből állnak, melyek közét az éther tölti ki, s hogy valamint a galaxi-soknál, úgy általában minden testnél a hőmérséklet a tömecsek elevenerejével van összefüggésben.” (Kövesligethy, 1885) Spektrálegyenletének levezetéséhez Kövesligethy több feltevést tett, amelyek a korabeli elméleti fizika alapján teljesen kézenfekvőek voltak. Feltette, hogy

• a sugárzó anyag kölcsönható részecskékből áll;

• a kölcsönhatás formája egy inverz hatványfüggvény;

• a sugárzási teret az éter képviseli;

• az éter kölcsönható részecskékből áll;

• a fény az étert alkotó részecskék rezgésének tovaterjedése;

• az anyagi és az éterrészecskék rezgési energiája között ekvipartíció van.

Ezekkel a feltevésekkel levezetett olyan egyenleteket, amelyekkel összekapcsolta a közvetlenül megfigyelhető mennyiségeket a kibocsátó test termodinamikai állapotát leíró mennyiségekkel. Ilyen módon négy egyenletet vezetett le, amelyek tartalmazzák a sugárzást kibocsátó test anyagi tulajdonságait is.

A tudománytörténet azt tanítja, hogy a hőmérsékleti (feketetest-) sugárzás színképét Max Planck magyarázta meg a kvantumhipotézis segítségével 1900-ban. Az 1. ábrán látható színkép Kövesligethy 1890-ben megjelent könyvéből való, amely az általa levezetett egyenletből számított színképet mutatja. A folytonos színképet leíró görbe megdöbbentő hasonlóságot mutat Planck eredményével, ami arra utal, hogy Kövesligethy a problémát már 1885-ben, azaz tizenöt évvel korábban megoldotta. Kimutatta, hogy a görbe maximumához tartozó hullámhossz fordítottan arányos a hőmérséklettel. A tudománytörténet ezt az eredményt Wilhelm Wiennek tulajdonítja, aki azt 1893-ban tette közzé. Így Kövesligethy ezt az összefüggést nyolc évvel Wien előtt már felfedezte.

A vonalas („szaggatott”) színképek elmélete

Abból a célból, hogy általánosabb spektrálegyenletet kapjon, amely alkalmas a vonalas színképek jellemzésére is, Kövesligethy általánosabb feltevésekből indult ki, mint a folytonos színképeknél. Továbbra is feltételezte, hogy a sugárzás a kölcsönható éterrészecskék térbeli eloszlásában keltett zavar, amely hullám formájában terjed tova. Minthogy az éter tulajdonságai azonosak a gázok és a szilárd testek esetében, a színképben tapasztalható alapvető különbség a perturbáció eltérő voltára vezethető vissza.

Véleménye szerint a sugárzási tér energiája az egyes éterrészecskék rezgési energiájának az összege. A sugárzó test és az éter részecskéinek a kölcsönhatása hozza létre azt a zavart, amely aztán továbbterjed. A szilárd testek és a gázok anyagának a különbözősége okozza a színképükben megmutatkozó alapvető különbséget.

Kövesligethy átfogó elméletet szándékozott létrehozni, amely mind a folytonos, mind a vonalas színképeket leírja. Nézete szerint a megfigyelő által észlelt sugárzást az egymással kölcsönhatásban álló éterrészecskék rezgése közvetíti. Feltételezte, hogy a gázokat szabadon mozgó n atomból álló molekulák hozzák létre. A folytonos színképű sugárzást az éterben a szabadon mozgó molekulák keltik, míg a diszkrét vonalakat a molekulákat alkotó

atomok belső mozgása hozza létre. A diszkrét vonalak magyarázatára fel kellett tételezni a molekulákban kötött atomok mozgásának diszkrét voltát: „A rezgéseket leíró egyenletek levezetésénél n atomot tételeztünk fel, és ennek megfelelően n rezgést kaptunk. Az a következtetés azonban, hogy n-atomos gáznak n színképvonala van, téves volna, mivel a levezetésnél bizonyos fizikai állapotok állandóságát tételeztük fel. Következésképpen a következőt mondhatjuk: egy n-atomos gáznak annyi színképvonala van, ahány különálló állapota van n atomnak a mozgás során. Vagy kötetlenebbül kifejezve egy n-atomos gáznak annyi karakterisztikus színképvonala van, ahány kitüntetett pont van az n atom pályáján.” (Kövesligethy, 1890, 206.)

Ezzel a nézettel Kövesligethy egészen közel jutott annak a feltételezéséhez, hogy n kölcsönható atomból álló csoporton belül diszkrét fizikai állapotok léteznek, amelyek az egyes részecskék mozgását jellemzik. Modelljében a λ hullámhosszak az egy csoporton belüli n atom karakterisztikus rezgésével és kölcsönhatásával kapcsolatosak. A kisugárzott energia diszkrét volta a kisugárzott elektromágneses hullámok gerjesztéséért felelős kölcsönható részecskék mozgási energiájának a diszkrét voltát jelenti. Ez a kvalitatív kép azonban nem volt elegendő a megfigyelt sugárzás λ hullámhosszának kvantitatív meghatározásához.

Abban a korban, amikor Kövesligethy megalkotta elméletét, az atomokat az anyag végső építőköveinek gondolták. Az egyes anyagok kémiai tulajdonságában megfigyelhető különbségeket eleve adottnak tekintették, és az építőkövekhez, az atomokhoz kapcsolták, minden további magyarázat nélkül.

A következő lépést Niels Bohr tette meg, de ehhez a lépéshez szükséges volt annak a felismerése, hogy az atomok nem a végső építőkövek, hanem sokkal inkább elemi részecskék, protonok és elektronok rendszerei. Emiatt a vonalas színképek magyarázatának dicsősége Bohrt illeti, és Kövesligethy csupán érdekes mérföldkő a hozzá vezető úton.

Az asztrofizikai műszerek elmélete

Kövesligethy spektrálelmélete nem lenne teljes a sugárzás forrása, illetve a megfigyelő érzékszerve közötti határfelület, az asztrofizikai műszerek vizsgálata nélkül. Az asztrofizikai műszereknek a bejövő sugárzásra gyakorolt hatását vizsgáló részletes elmélet kiindulópontja a szubjektív színkép. Hangsúlyozta, hogy még abban az esetben is, ha az égitestek által kibocsátott sugárzás szinte teljes mértékben azonos lenne az egyenlete által jósolttal, az észlelő sohasem detektálná azt ebben a formában. Ennek az oka az objektív és a szubjektív színkép különbségében rejlik, amelyet a megfigyeléshez használt műszer hatása hoz létre, valamint az a mód, ahogyan ennek az eszköznek a kimenete az észlelőhöz eljut. A szubjektív színkép a megfigyeléshez használt műszerbe belépő sugárzásnak az észlelő által érzékelt formája.

Az objektív és szubjektív színkép közötti különbséget nem lehet csupán az észleléshez használt, a sugárzás útjába helyezett eszközben fellépő abszorpciós és reflexiós folyamatokkal magyarázni, amelyek véget érnek az elektromágneses sugárzás detektálásával. Ezt a folyamatot megelőzően az elektromágneses sugárzás útja a műszeren keresztül leírható az abszorpció, refrakció és reflexió jelenségeivel. Az észleléshez használt eszköz instrumentális kimenetének végső rögzítése az információ tárolásához használt közegben bonyolult kémiai, biofizikai, illetve egyéb folyamatok segítségével történik.

A szubjektív színkép fogalmának a bevezetése után az asztrofizikai műszerek Kövesligethy-féle tárgyalásában az utolsó médium elméletének a tárgyalása következett Az észlelés egész folyamatában az utolsó médium az a hely (az esetek többségében egy felület), ahol az információt hordozó elektromágneses sugárzást rögzítik, és tárolható formába alakítják át bonyolult fizikai, kémiai és biofizikai folyamatok segítségével (2. ábra).

2. ábra • A szubjektív színkép kialakulása

mint az asztrofizikai jelenségek észlelésének

utolsó állomása. Hagyományosan ez az emberi szem retinájában történik.

Kövesligethy hangsúlyozta, hogy a műszer, amelynek segítségével a spektrális információt megkapjuk, minden esetben távcsőhöz csatlakozik, amely a sugárzást lencse vagy tükör segítségével gyűjti össze. Az ő korában mind a tükrös, mind a lencsés távcsöveket elterjedten használták. A reflektáló távcsövekben a bejövő sugárzás összegyűjtésére ezüsttel bevont tükrök szolgáltak (a jelenleg alkalmazott, sokkal időtállóbb alumíniumbevonat helyett). Technikailag az ezüstréteg karbantartása sokkal nehezebb volt, mint a lencsék használata. Emiatt abban az időben a csillagászok között a lencsés távcsövek sokkal népszerűbbek voltak.

Konkoly obszervatóriumának első nagy teljesítményű távcsöve egy 10 hüvelykes tükrös távcső volt, amit a Browning cégtől vásárolt. Amikor Kövesligethy Ógyallán spektroszkópiai megfigyeléseit végezte, az obszervatórium legnagyobb távcsöve egy 10 hüvelykes, lencsés Merz-távcső volt. Kövesligethy ténylegesen az intézet 16 cm-es lencsés távcsövét használta, amit esetenként felváltott a 10 hüvelykessel, ha az objektum a másik számára túl halvány volt.

Epilógus

Kövesligethy spektrálelmélete, illetve az asztrofizikai műszerek elmélete alig keltette fel a korabeli csillagászok érdeklődését. Hangsúlyozta, hogy ha nem vesszük tekintetbe a megfigyelésre használt eszköz hatását a bejövő sugárzásra, akkor nem tudunk számszerű kapcsolatot találni az elmélet és a megfigyelések között. Az elméleti spektrálelem-zésről írt könyve 1890-ben jelent meg. Utolsó tudományos értekezése a csillagok fényességéről 1900-ban jelent meg, egy évvel azután, hogy Konkoly obszervatóriuma állami intézet lett.

Konkoly obszervatóriumának fő észlelési technikája hagyományosan a spektroszkópia volt. Az idő múltával azonban Konkoly szembesült azzal, hogy saját anyagi forrásai nem elegendőek ahhoz, hogy ezen a területen versenyképes maradjon a gazdag nyugati intézetekkel. Az állami intézet a fő észlelési technikát a fotometriára változtatta, amelyhez a szükséges anyagi eszközök a realitás határán belül voltak. Dacára annak, hogy az új állami intézetben Kövesligethy 1904-ig igazgatóhelyettes volt, nincs nyoma annak, hogy elmélete az új intézet észlelési gyakorlatára hatással lett volna.

1904-ben Kövesligethy megvált az asztrofizikai obszervatóriumtól, és nem sokkal ezután kutatási területét teljesen megváltoztatta: asztrofizikáról szeizmológiára. Nyitva marad a kérdés, hogy elmélete iránt még a saját intézetében is tapasztalható közöny szerepet játszott-e döntésében. Az asztrofizika iránti vonzalma azonban megmaradt a Budapesti Egyetemen általa oktatott tárgyakban.

Korábbi cikkünkben (Balázs et al., 2008) megmutattuk, hogy a korabeli német fizikusok ismerték elméleti spektroszkópiai eredményeit. Nem találtuk nyomát azonban annak, hogy a műszerekről írt elmélete bármiféle hatást gyakorolt volna. Remélem, hogy ez a tanulmány a maga szerény módján hozzájárul ahhoz, hogy Kövesligethy Radó a fizika és asztrofizika történetében is az őt megillető méltó helyet foglalja el.
 

Kulcsszavak: Kövesligethy Radó, asztrofizika, spektroszkópia, feketetest-sugárzás, Wien-törvény
 

IRODALOM

Balázs Lajos György - Vargha M. - Zsoldos E. (2008): Radó Kövesligethy’s Spectroscopic Work. Journal of Astronomical History and Heritage. 11, 124–133.

Kövesligethy, Rudolf von (1890): Grundzüge einer theoretischen Spectralanalyse. Halle

Kövesligethy Radó (1885): A folytonos spektrumok elmélete. Értekezések a Mathematikai Tudományok Köréből. 12, 11.
 

LÁBJEGYZET

* Az itt elérhető tanulmány rövidített változata. <