Profesora Auziņa zinātnes sleja
Mārcis Auziņš: "Kādēļ lasīt manus tekstus? Man šķiet, ka dabaszinātnes mēs bieži mēdzam "ignorēt", sakot, ka tās ir formālas, sausas un neinteresantas. Gribētos ļaut lasītājam ieraudzīt, ka tās ir daļa no mūsu dzīves – krāsainas un interesantas."
Biogrāfijas pieturzīmes:
- Pēc profesijas fiziķis, šobrīd Latvijas Universitātes profesors, Eksperimentālās fizikas katedras un Lāzeru centra vadītājs.
- No 2007. gada līdz 2015. bijis Latvijas Universitātes rektors.
- Strādā kvantu fizikas jomā un ir vairāk nekā simts zinātnisko rakstu, kas publicēti pasaules vadošajos fizikas žurnālos, un vairāku simtu konferenču ziņojumu autors.
- Kopā ar kolēģiem no Rīgas un Bērklijas uzrakstījis divas monogrāfijas, kas izdotas "Cambridge University Press" un "Oxford University Press" izdevniecībās un abas ir piedzīvojušas atkārtotus izdevumus.
- Karjeras laikā dzīvojis un strādājis dažādās valstīs – Ķīnā un Taivānā, Amerikas Savienotajās Valstīs, Kanādā, Anglijā, Izraēlā un Vācijā.
Pirmās četras piešķir Zviedrijas Zinātņu akadēmija, bet Nobela Miera prēmiju – komisija, kuru nominē Norvēģijas parlaments. Kopš 1968. gada Zviedrijas Centrālā banka finansē arī vēl sesto Alfrēda Nobela piemiņas balvu ekonomikas zinātnēs. Nobela prēmijas ieguvēji katru gadu tiek paziņoti oktobra sākumā, un balvu oficiālā pasniegšanas ceremonija vienmēr notiek 10. oktobrī (balvas iedibinātāja Alfrēda Nobela nāves gadadienā), kad Zviedrijas karalis svinīgā ceremonijā pasniedz prēmijas un Nobela zelta medaļas, kas ir tikpat simboliskas kā slavenās "Oskara" balvas statuetes.
Tas nozīmē, ka katru gadu oktobra sākumā sabiedrībā valda līdzīgs satraukums kā pirms "Oskara" balvu pasniegšanas martā. Kuri šogad būs Nobela prēmijas laureāti? Ja runājam par manu profesionālo lauku fiziku, bet domāju, ka līdzīgi ir arī citās jomās, tad ir tādi gadi, kad prēmijas liktenis ir samērā viegli prognozējams. Piemēram, 2017. gadā, kad tika pasniegta Nobela prēmija par gravitācijas viļņu detektēšanu, vai 2013. gadā, kad tā tika piešķirta par Higsa bozonu, ko žurnālisti jau bija nodēvējuši par "dieva daļiņu", eksperimentālu reģistrēšanu. Manis pieminētajos gados gan intriga saglabājās, jo konkrētos pētniekus, kas balvu saņems, tomēr nevarēja tik viegli paredzēt. Tas bija saistīts ar faktu, ka abi šie eksperimenti – gravitācijas viļņu detektori (bija nepieciešami vienlaikus vismaz divi) vai Lielais hadronu paātrinātājs, ar kura palīdzību tika detektēts Higsa bozons, ir milzīgas fizikas rūpnīcas, kurās strādā vairāki tūkstoši fiziķu un inženieru.
Kurš tad ir galvenais, un kuram prēmija pienākas?
Jautājums parasti nav viegli atbildams. Šobrīd Nobela prēmijas zinātnē konkrētajā gadā tiek piešķirtas katra ne vairāk kā trim zinātniekiem vienlaikus. Tāda ir iedibinātā kārtība. Zinu, ka manis pieminētajos gadījumos, īpaši 2013. gadā gadījumā ar Higsa bozonu, Nobela komiteja nopietni apsvēra iespēju tradīciju mainīt un, tāpat kā Nobela Miera prēmiju, dot iespēju arī prēmiju fizikā piešķirt organizācijām. Higsa bozona gadījumā tas būtu Eiropas Kodolpētniecības centrs CERN, kurš darbina Lielo hadronu paātrinātāju. Tomēr uzvarēja konservatīvisms, un tradīcijas tika turpinātas.
Prēmija fizikā
Taču ir arī gadi (kāds bija šis), kad paredzēt Nobela prēmijas saņēmējus vai tēmu, par kuru prēmija tiks piešķirta, ir grūti. Prognozes, protams, tiek veidotas. Tas ir kā sports, un prognozēšanā iesaistās gan individuāli cilvēki, gan arī organizācijas, piemēram, katru gadu savu prognozi par Nobela prēmijas ieguvējiem piedāvā viena no lielākajām Eiropas fiziķu profesionālajām organizācijām – Lielbritānijas Fizikas institūts, kas pēc būtības ir šīs valsts fizikas biedrība. Ne vienmēr viņu prognozes piepildās, bet šogad viņi bija paredzējuši tēmu un lielāko daļu laureātu.
Tātad – kurš šogad saņēma Nobela prēmiju fizikā? Es ceru, ka manu nelielo fiziķa "šovinismu" piedos mani kolēģi ķīmiķi, bet atļaušos apgalvot, ka šogad tika piešķirtas vienlaikus divas vai vismaz pusotras Nobela prēmijas fizikā, jo abas prēmijas (gan fizikā, gan arī ķīmijā) ir par ļoti skaistiem kvantu fizikas piemēriem.
Prēmiju fizikā saņēma Pjērs Agostīni, Anne Lijē un Ferencs Krauss. Diezgan daudzu gadu pētījumos, kas aizsākās jau 20. gadsimta beigās, viņiem, pētot atomu mijiedarbību ar lāzera starojumu, izdevās izveidot metodes ļoti īsu gaismas impulsu iegūšanai.
Pamata ideja ir šāda. Ja atomam uzspīdina gaismu un mēģina saprast, kā tas ar šo gaismu mijiedarbosies, tad parasti gaismu uzskata par nelielu perturbāciju atoma dzīvē. Kaut ko tādu, kas tikai pavisam nedaudz izmaina (svešvārdā – perturbē) to, kā elektroni riņķo ap atoma kodolu. Bet 20. gadsimta otrajā pusē, attīstoties lāzertehnoloģijām, fiziķi spēja iegūt tik spēcīgu lāzera starojumu, ka veids, kā domāt par atoma mijiedarbību ar šo lāzera ģenerēto gaismu, bija būtiski jāmaina. Izrādījās, ka gaisma bija tik intensīva, elektrons to sajuta tik spēcīgi, ka tā kļuva par stāsta galveno varoni. Atoma kodols, ap kuru riņķo elektrons, šajā situācijā kļuva par otrā plāna aktieri – perturbāciju elektrona dzīvē gaismas laukā.
Tā ir skaista fundamentālā zinātne par to, kā atoms mijiedarbojas ar gaismu. Ar šo jomu aktīvi nodarbojas arī pētnieki Latvijas Universitātes Lāzeru centrā. Par to noteikti izstāstīšu kādā citā reizē.
Bet šā gada Nobela prēmijas laureātu pētījumi par gaismas mijiedarbību ar atomiem ir noveduši pie tā, ka izdevās radīt neaptverami īsus gaismas impulsus. Šo impulsu garums laikā ir miljardā daļa no sekundes miljardās daļas. Tik īsus laika sprīžus nav viegli iztēloties.
Preses konferencē, paziņojot Nobela prēmiju, tika piedāvāts salīdzinājums. Viena sekunde ir īsāka par Visuma pastāvēšanas laiku tikpat reižu, cik šis īsā gaismas impulsa garums ir mazāks par vienu sekundi. Tā, lūk! Šos impulsus pat nebūtu pareizi saukt par gaismas impulsiem, bet gan par elektriskā lauka impulsiem, jo šajā laikā gaismas vilnis nepaspēj paveikt pat vienu pilnu svārstību periodu.
Taču, lai kā tas arī būtu, šādi īsi impulsi paver ļoti plašu iepriekš nepieejamu pētījumu lauku. Beidzot iespējams uzdot jautājumu, kā ķīmiskās reakcijas laikā molekulā pārvietojas elektroni? Kā tie no viena molekulu veidojoša atoma nonāk pie cita šo molekulu veidojoša atoma? Pragmatiskāk domājošs lasītājs varētu jautāt – nu un kas par to? Kādēļ mums to vajadzētu zināt? Šādi jautājumi tika uzdoti arī Nobela prēmijas komisijai preses konferencē pēc prēmijas izziņošanas un, man vismaz tā šķita, nedaudz saērcināja atbildētājus. Kādēļ? Tādēļ, ka zinātnē attieksme parasti ir šāda – visa pamatā ir fundamentāla zinātne, un, ja atklājums patiešām ir jauns solis fundamentālajā zinātnē, tas noteikti pavērs plašas iespējas pielietojumiem, pat ja sākotnēji tie ne vienmēr ir acīmredzami. Arī šoreiz tie varētu būt izmantojami gan ķīmisko reakciju vadīšanā, ietekmējot elektronu pārnesi to laikā, gan ļoti ātri slēdži mikroelektronikā, gan arī medicīnas diagnostikā.
Prēmija ķīmijā
Bet es sākotnēji teicu, ka vismaz daļa no otras šajā nedēļā paziņotās Nobela prēmijas – prēmijas ķīmijā – ir cieši saistīta ar fiziku. Šī prēmija tika piešķirta Mungi Bavendi, Luisam Brusam un Aleksejam Jekimovam par pētījumiem kvantu punktu jomā.
Kas ir šie noslēpumainie kvantu punkti? Tā ir vēl viena ļoti fundamentāla fizikas parādība, kas šoreiz ir realizēta ar ķīmijas metodēm. Patiesībā tās pamatā ir kvantu fizikas ievadkursa daļa, par kuru topošajiem fiziķiem stāsta pirmajos studiju semestros. Šo parādību sauc par elektronu potenciālā bedrē.
Jūs jautāsiet, kādas vēl bedres? Iedomāsimies, ka ir elektrons, bet tas nevar brīvi pārvietoties telpā. Esam izveidojuši tādu kā kasti, sauktu arī par potenciālo bedri, kurā ievietojam šo elektronu. Kastes sieniņas pamazām satuvinām vienu otrai, padarot telpu, kurā elektrons var pārvietoties, aizvien mazāku. Kas notiks? Noteicošu lomu sāks spēlēt kvantu fizikas likumsakarības. Kvantu fiziku tāpēc jau arī sauc par kvantu (jeb porciju, jo to nozīmē vārds kvants) fiziku, kas nozīmē, ka enerģija šādam elektronam vairs nevar būt jebkāda, bet tā var piemist tikai šajās porcijās – kvantos. Turklāt, jo mazākā kastē elektronu ievietosim, jo lielāka būs mazākās iespējamās tam piemītošās enerģijas porcija.
Šo parādību tad arī pētīja un attīstīja šā gada Nobela prēmijas laureāti ķīmijā. Viņi atklāja, kā ar ķīmiskām metodēm šīs "kastes" veidot.
Pētniekiem izdevās radīt metodes, lai veidotu nelielas atomu kopas jeb klāsterus, kas satur tikai dažus simtus vai dažus tūkstošus atomu. Atomi šajos klāsteros ir tik cieši kopā, ka atsevišķi elektroni var brīvi pārvietoties visā atomu klāstera aizņemtajā telpā. Šis tad arī ir jau pieminētais un Nobela komitejas ar prēmiju atzīmētais kvantu punkts jeb ierobežotais telpas apgabals, potenciālā bedre, kurā elektrons var pārvietoties. Māksla ir radīt visus atomu klāsterus vienādi lielus, lai visas bedres būt vienādas. Ja tas izdodas, tad dažādiem elektroniem, kas atrodas dažādos klāsteros, būs vienas un tās pašas īpašības. To absorbētās un izstarotās enerģijas porcijas jeb kvanti būs vienādi lieli. Šīs enerģijas lielums nosaka ar kvantu saistītās gaismas viļņu garumu, kas vienlaikus ir gaismas uztveramā krāsa.
Tādējādi paveras iespēja veidot vielas optiskās īpašības pēc patikas. Nav jāmeklē dažādas vielas, kam piemistu dažādas optiskās īpašības. Ņemam vienu konkrētu vielu, veidojam no tās dažāda izmēra kvantu punktus jeb klāsterus, kas satur dažādu daļiņu skaitu, un tādējādi no vienas un tās pašas vielas veidojam optiskos materiālus ar vajadzīgām īpašībām.
Vēl viens skaists piemērs, kā pati fundamentālākā zinātne noved pie ļoti praktiskiem pielietojumiem. Kā 1950. gadā teica psihologs Kurts Levins: "Nevar būt nekas praktiskāks kā laba teorija."
Profesora Auziņa zinātnes sleja
