Fizikai Szemle honlap |
Tarnóczy Tamás
MTA Akusztikai Csoport
Paul Langevin a fizika nagy forradalmának korában élt és alkotott. Még az univerzális fizikusok közé számított. Az emberi tudást a fizika számos területén elért eredményével gyarapította. A kinetikus gázelméletben, a kvantumelméletben, a mágnességtanban és az ultrahangok kutatása terén ért el jelentős eredményeket. Nevét viseli a klasszikus statisztikus mechanikából levezetett és az atomi mágnesség vizsgálatában ma is jelentős
L(
) Langevin-függvény, és vizsgálatai mutatták meg először, hogy minden anyagnak, többek közt a gázoknak is diamágneses sajátságot kell tulajdonítanunk. A gázokban összecsapódó százas molekulanagyságrendű nagyionokat ma is Langevin-féle ionoknak hívjuk. Mégis legkedvesebb munkaterülete az ultrahangok keltésének, mérésének és hatásának vizsgálata volt.
Elméleti felkészültsége, kísérleti leleményessége, s nem utolsósorban kitartása és alapossága nagy eredmények elérésére tették képessé. Ahhoz a híres francia fizikus iskolához tartozott, amelyet többek közt a Curie fivérek és L. de Broglie neve fémjelez.
A századforduló tudományos fejlődésének forrongó időszakában, amikor a fizika egész addig fölépített rendszere összeomlani látszott, mindig megőrizte higgadtságát és tisztánlátását. A problémák rangsorolásában a tudomány és az élet követelményei egyaránt vezették.
Tudományos vizsgálódásai mellett a századeleji új francia fizikusgeneráció mesterévé lesz: professzorsága alatt nevelődnek föl a modern tudományos gondolkodás és specializált fizikai tudományszakok mai francia képviselői. Ha tehát nem is a legnagyobbak, de mindenesetre a nagyon jelentős fizikusok közé tartozik világviszonylatban is a száz éve született Paul Langevin.
Rövid összefoglalásunkban nem térhetünk ki minden eredményére. Ez nem is lehet ma már egy megemlékezés feladata. Helyette inkább a kor általános ismereteibe beágyazva egyik legfontosabb tevékenységén, mint példán keresztül mutatjuk be ötleteit, munkamódszerét, kitartását az emberekkel való kapcsolatát. Ez a tevékenység a vízalatti ultrahangok híradástechnikai és információszerzési fölhasználásának kidolgozása.
A vízalatti ultrahang-adó és -vevő berendezést sonarnak (Sound Navigation and Ranging) hívják. Problémája legalább 30 évvel, részleges megoldása pedig legalább 20 évvel megelőzte az elektromágneses hullámokkal dolgozó radart. Ennek egyszerű oka van. A sugárnyalábosítás érdekében minél kisebb hullámhosszal kell dolgozni. A hanghullámok terjedési sebessége vízben kereken 2 ∙ 105-szer kisebb, mint az elektromágneses hullámoké levegőben. A vízben keltett 2 cm hullámhosszúságú hang már jól nyalábosítható. De ugyanezzel az adóval (kb. 45 000 Hz) levegőben csak 4 km hosszúságú rádióhullámok kelthetők, amelyek terjedésében az elhajlás uralkodik. A deciméteres és centiméteres elektromágneses hullámok keltéséhez szükséges nagyfrekvenciás adók előállítása csak a második világháború idején sikerült, míg a kisfrekvenciájú szikraadók már az első világháború előtt is rendelkezésre álltak. Ismeretes volt pl. a Duddel-Poulsen-féle ívfénygenerátor. A század elején a Poulsen-féle módosítással (a széncsúcsok hűtésével) akár 500 kHz frekvenciájú elektromágneses rezgések keltésére is alkalmas volt. A mechanikai rezgések elektromos úton való előállításához szükséges kellékek, az elektromechanikai rezgésátalakítók a probléma felvetődésekor szintén rendelkezésre álltak. Az átalakítási elvek fölfedezése és az átalakítók kifejlesztése éppen a XIX. század végére esett. Közöttük voltak a később nagy fontosságú elektrosztatikus, elektrodinamikus magnetosztrikciós és piezoelektromos átalakítási elvek is. Az utóbbi problémával a Curie fivéreken kívül többek közt Röntgen is Lord Kelvin is foglalkozott.
Ilyen előzmények után egy súlyos katasztrófa terelte a figyelmet az ultrahangos
jeladástechnika problémáira: 1912-ben a Titanic úszó jéghegynek ütközött és
elsüllyedt. Öt nappal a katasztrófa után L. F. Richardson szabadalmat nyújtott
be a Doppler-effektussal kombinált visszhangmódszerrel való helymeghatározásra
és további 3 héten belül ugyanezt az eljárást kívánta védeni vízalatti tárgyak
fölkutatására is. Az elméletileg teljesen korrekt bejelentésben többek közt a
frekvenciaszelektív vevő elhangolódása, a vízben megkövetelt λ < 30 cm
hullámhossz és a legalább 3 λ átmérőjű vetítőreflektor szerepelt a szabadalmi igénypontok között. Nagy ballasztként jelentkezett azonban a javasolt hangforrások tiszta mechanikai jellege (orgonasípok). Ma már világos, hogy sem energetikai szempontból sem frekvencia tekintetében ez az út nem járható. A Ch. Parsons által végrehajtott kísérletek természetesen eredménytelenek maradtak.
A gondolat azonban az egész emberiséget izgatta. Több helyütt is jóformán egyszerre kezdtek foglalkozni az elektroakusztikai átalakítás lehetőségével. Kétségtelen tény, hogy R. A. Fessenden 1913. január 13-án benyújtott egy amerikai szabadalmat mozgótekercses elektroakusztikai átalakítóval való megoldásra, az adó azonban célszerűtlenül kis frekvencián működött. Mégis titkos kísérletek során 1914. április 27-én állítólag 3 km távolságból visszaverődést sikerült kimutatni egy nagyméretű úszó jéghegyről. A szabadalom azonban csak 1916-ban vált ismeretessé.
Szintén még 1914-ben egy C. Chilowsky nevű fiatal ukrán mérnöknek, akit tüdőbajával Svájcban gyógykezeltek, az a gondolata támadt, hogy a jólismert Poulsen-féle rezgéskeltő és egy megfelelő elektromechanikai átalakító összekapcsolásával elegendő nagy frekvenciájú és intenzitású vízalatti hanghullámok volnának kelthetők. Chilowsky gondolatmenetében már összekapcsolta az úszó jéghegyek felismerésének és a tengeralattjárók felkutatásának problémáját.
Az ötletet a francia kormánynak ajánlotta föl megvalósításra. A közvetlen és másodlagos kapcsolatfelvevők egyike sem merte az ötlet megvalósíthatóságáért a felelősséget vállalni. Chilowskyt kézről kézre adták, míg végül a szabadalmi hivatal elnöke Paul Langevinre bízta a gondolat kísérleti megvizsgálását. Ekkor 1915 februárt írtak.
Langevin ekkor már a nagyhírű École de Physique et Chimie igazgatója és nevéhez számos értékes tudományos eredmény fűződik. A feladatot elvállalja és egy hónap leforgása alatt nyilatkozik az ötlet megvalósíthatóságáról. Ugyanakkor nekikezd a kísérleteknek.
Chilowsky eredeti ötlete az adó-átalakítóra elektrosztatikus rendszer volt. Langevin ettől nem volt túlságosan elragadtatva, mert nagyon nagy tömítési és szigetelési problémák adódtak. Néhány
kg/cm2 nyomás létrehozásához kb.
l06 V/cm térerősségre lett volna szükség. Amellett a rezgési energia átadása a vízbe csak nagyon vékony, vagy pontosan
μλ/2 vastagságú mozgó elektródával volt megoldható. Ezért Langevin gondosan mérlegelte az elektrodinamikus, magnetosztrikciós és piezoelektromos átalakítók lehetőségét, de valamennyinél legalább ugyanilyen nehézségek voltak sejthetők. A piezoelektromos adóhoz pl. nagyjából 100 cm2 felületű kvarclemezekre lett volna szükség. Így aztán végül mégis az "éneklő kondenzátor" mellett döntött.
A kísérleteket - először egy kísérleti vizeskádban - már márciusban megindították. A haditengerészet Colin fregatt-kapitányt küldte segítségül, aki jól ismerte a szikrakisüléses adótechnikát. Egy táviratozásra használt adó átalakításával az energiaforrás megvolt, de a tájékozódó kísérletek rögtön kimutatták a kondenzátor még kiszivattyúzott állapotban is kisebb feszültség mellett átüt, mint számították. Langevinnek akkor az az ötlete támadt, hogy a sugárzó elektródát vékony csillámlemezzel zárta le és a csillámlemezzel érintkező elemi vízréteget használta sugárzó membránként. A mechanikai rezgési teljesítményt sugárnyomás alakjában torziós mérleggel mérték (Langevin-féle sugárnyomás). Júliusban már néhány tized
W/cm2 körül tartottak, ami mai szemmel nézve is jelentős eredmény. Levegőben terjedő hallható hangok fájdalomküszöbe
10-4 W/cm2.
A vevőoldal megoldása sem volt kisebb probléma. Langevin elméleti okokból ugyanolyan vevőt akart kidolgozni, mint amilyen elven az adó működött. Hiszen egy megfelelő csillámkondenzátor megfelelő előfeszültséggel a telje érkező hangenergiát abszorbeálni lett volna képes. Az átalakítók elméletében ez az oly jelentős lépés akkor mégsem történt meg. A sokkal érzékenyebb szénmikrofont választották, amelynek technikai kivitelezésével ismét sok nehézséget kellett legyőzniük. Langevin szívósságával mégis sikerült elérni, hogy még 1915 decemberében a Szajna két partja között a kiküldött jeleket észlelni tudták.
Most érkezett el az az idő, hogy Chilowsky, és Langevin közösen szabadalmaztathatták a készülék kiviteli alakját (benyújtás 1916. máj. 29.).
Ekkor azonban már bizonyos ellentétek is jelentkeztek a két különböző egyéniség között. Chilowsky gyors volt, de felületes és excentrikus. Langevin meggondolt, megfelelő stratégiával dolgozó. Mindketten bíztak saját tehetségükben és saját igazukban. Az idő azonban haladt, a kísérleteket most már tengeren kellett újraszervezni és folytatni. Chilowsky ezt a folytatást már nem vállalta, visszalépett a további együttműködéstől.
A touloni hadikikötőben Langevin újjászervezte kísérleti gárdáját Colin kapitány is segítséget kapott az adó-vevő elektromos problémáihoz. A vevőátalakító érzékenységét parabolatükörrel fokozták, az adóátalakító pedig az előfeszültség helyes megválasztásával már csaknem 1
W/cm2 intenzitással sugárzott. Ekkor már 2 km-t fogtak át és először sikerült egy vízalatti vaslemezről 200 m távolságból visszhangot észlelni. Sok nehézséget okozott a vevőoldal instabilitása, a csillámszigetelések átütése és egyáltalán az egész berendezésnek a sós vízhez való alkalmazása.
Az első világháború alatt az Antant-hatalmak tudományos kérdésekről is állandóan tájékoztatták egymást. Maurice de Broglie (Louis bátyja) volt az összekötő tiszt, aki Rutherfordot tájékoztatta a francia eredményekről. Rutherford Robert W. Boyle nevű asszisztensét bízta meg a párhuzamos kutatómunka végzésével. Így 1916 közepétől már nagyjából párhuzamosan haladtak a francia kollégákkal és az állandó kölcsönös téjékoztatás révén meggyorsult a munka tempója.
A konzultációk folyamán többször is fölvetődött a piezoelektromos hatás alkalmazásának lehetősége, különösen az eddig oly bizonytalanul működő vevőoldalon. Az elejtés oka mindig az volt, hogy "kicsi a hatás". Langevinnek azonban ezúttal szerencséje volt: másirányú megbízatása révén sikerült egy hatalmas, 10 X 10 X 1, 6 cm méretű kvarclemezt szereznie egy olyan 26 cm-es kvarckristályból, amely sokáig kiállított példány volt egy párizsi optikus cég kirakatában.
Langevin a lemezt ellátta elektródákkal, viaszba ágyazta és csillámmal zárta le a tenger felé. Már 1917 februárjában kiváló eredményeket ért el vele a vevőoldalon. A hatótávolságot is növelte és a stabilitás is megfelelő lett. Ugyanakkor az az ötlete támadt, hogy a fordított piezoelektromos hatást az adóoldalon is föl lehetne használni. A hatás eddig csak sztatikus formájában volt tisztázott, és a vastagsági rezonancia szerepe még ismeretlen volt. Langevin első kísérlete látványos eredménnyel végződött. A 150 kHz frekvencián rezgő kvarclemez 10
W/cm2 intenzitású ultrahangot keltett: a közelébe került halak azonnal kimúltak, a vízbenyúló kísérletezők kezükben nyilaló fájdalmat éreztek. Ez volt az ultrahangok biológiai hatásának első észlelése.
A látványosság azonban nem zavarta meg Langevin messzetekintő elképzelését. A meghajtáshoz igen nagy feszültség kellett, az egyetlen nagy kristálylemez könnyen összetörhetett, a szigetelési problémák továbbra is nehézséget okoztak stb. Ezért valami olyan megoldást próbált keresni, amelyhez nem kellett a lehetetlenül nagy kristályméret és megfelelő masszív vízalatti kivitelt szolgáltatott.
Ez a merőben új gondolat a "szendvics" szerkezetű mozaik rendszerű átalakító volt. Langevin úgy okoskodott, hogy az egyenlő vastagságúra csiszolt kisebb kristályok azonos frekvenciával rezegnek, tehát vékony elektródákkal összefogva úgy viselkednek, mint egy nagy felületű kvarc. A technikai problémák azonban olyan nagyok voltak, hogy az ötletet nem lehetett realizálni. Langevinnak mégis szerencséje volt. Vastagabb lemezekkel szorosan összefogott kvarckristályok "együttrezgő" rendszert alkotnak, ha a terjedési sebesség a kétféle anyagban nem lényegesen különbözik és ha az impedanciaviszonyokat elég jól sikerült megválasztani. Ezek a feltételek kvarc és acél esetén teljesülnek. A szendvics természetesen kisebb sajátfrekvenciával rendelkezik, mint az eredeti kvarckristály, de bármekkora felületűre és bármilyen masszívra készíthető. Egyáltalán nem túlzunk, ha az egész 4 évi kísérletezés legjelentősebb fordulatának tekintjük ezt a fölfedezést. Lényegében ezzel oldódott meg a vízalatti hírközléstechnika leglényegesebb nehézsége.
1918 februárjában az adó és vevő oldalon a mozaikkvarcos átalakítókkal 8 km távolságból sikerült üzembiztosan jelet venni és először észleltek visszaverődést tengeralattjáróról. Néhány hónappal később már másfél km távolságból minden tengeralattjárót ki tudtak mutatni és a fejlődést már nem gátolhatta semmi.
Még a szövetségesek közötti együttműködés történetéhez tartozik, hogy Langevin önzetlenül átengedett a Boyle-féle kísérleti csoportnak néhány nagyobb kvarckristályt. Ezekkel alapozták meg az angol flotta vízalatti navigációs rendszerrel való fölszerelését. Az amerikaiaknak is átadták az eredményeket, sőt még az olaszok is kaptak egy nagy kristálylemezt saját kísérleteik megindításához. Közben befejeződött az első világháború és így az eredmény későn jelentkezett a taktikai bevetéshez. A második világháború kezdetén azonban már minden hajó el volt látva sonar berendezéssel.
A háborús idők megmutatták, hogy Langevin nemcsak a laboratóriumban, hanem az életben is ember és
hazafi. Bár a németeknek nem sikerült rábizonyítaniuk, aktív ellenálló volt. Franciaország elfoglalása után ezért először bebörtönözték, majd háziőrizetben tartották. Csak 1945-ben nyerte vissza szabadságát és hivatali beosztását. De ekkor már egészsége megrongált állapotban volt és nem sokkal rá örökre elhagyta laboratóriumát, ahol annyi értékes új gondolata született, és ahol olyan sok gondolatát valósította meg.