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.
"Haš divi o"
Izrādās, ka tas noteikti nav parasts! Drīzāk būtu jāsaka – viena no neparastākajām vielām uz Zemes. Skolā ķīmijas stundā mums mācīja, ka ūdens molekula ir H₂O – haš divi o. Šo haš divi o jeb divi ūdeņraža atomi (haš divi) kopā ar vienu skābekļa atomu (o), domāju, atceras daudzi. Tas ir cieši iesēdies mūsu galvās, un nav daudz citu vielu ķīmisko formulu, kuras atceras pat tie, kam ķīmija nebija pats mīļākais priekšmets.
Taču daudzus gadsimtus, varētu teikt, pat vairākas tūkstošgades, līdz 18. gadsimta beigām gan vienkārši cilvēki, gan filozofi un pētnieki domāja, ka ūdens, līdzās zemei un gaisam, ir viens no pamatelementiem, no kā veidots viss uz pasaules eksistējošais. Tikai 18. gadsimta beigās, franču revolūcijas laikā, franču augstmanis un arī dabaspētnieks Antuāns Lavuazjē secināja, ka ūdens nav pirmelements, bet ir divu vielu (skābekļa un ūdeņraža) savienojums. Taču arī Lavuazjē vēl nedomāja par atomiem. Tās vienkārši bija divas vielas. Vēl vairāk, – gan Lavuazjē, gan vēl viens pētnieks, kurš arī daudz pētīja ūdeni, lords Kavendišs Anglijā, viegli apvienoja priekšstatus par reālām vielām ar alķīmiķu idejām, piemēram, ka uguni veido elements flogistons. Kādu laiku Kavendišs ūdeņradi savos priekšstatos saistīja ar šo mītisko, alķīmisko uguns elementu. Iemesli tam bija zināmā mērā balstīti eksperimentālā faktā. Ūdeņradis kā gāze, savienojoties ar skābekli, reaģē ļoti strauji, ar sprādzienu. Tādēļ arī Kavendišs saistīja ūdeņradi ar uguns elementu flogistonu.
Arī pats nosaukums "ūdeņradis" radās tajā pašā laikā. To deva jau pieminētais Antuāns Lavuazjē. Nosaukums, ja aizdomājamies par vārda burtisko jēgu, ir ļoti zīmīgs – ūdeņradis, ūdeni radošais. Pagāja vēl apmēram piecdesmit gadu, līdz noskaidrojās, ka ūdenī ūdeņraža ir divas reizes vairāk nekā skābekļa. Tas notika, attīstoties elektrolīzei un iespējai, laižot caur ūdeni elektrisko stāvu, molekulu sašķelt tās sastāvdaļās – ūdeņradī un skābeklī.
Kas tad ūdenī ir tik neparasts?
Vispirms – tam no visām vielām ir vislielākā spēja uzkrāt sevī siltumu. Ko tas nozīmē? Vajag ļoti daudz siltuma enerģijas, lai to sasildītu un iegūtu karstu ūdeni. Atceramies, ka, vārot ūdeni, nevarējām vien sagaidīt, kad tas ūdens beidzot sāks vārīties. Tas var kaitināt, kad gribas uzvārīt kafiju vai tēju, bet tējkannā ūdens negrib un negrib vārīties. Taču, ja savas mājas sildīšanai ziemā izmantojam ūdens radiatorus, tad tas mums ļoti patīk. Karstajā ūdenī ir uzkrāts tik daudz siltuma enerģijas, ka tas izplūst caur visiem mājas radiatoriem un siltuma pietiek, lai tos visus uzturētu karstus un māju siltu. Šī unikālā iespēja uzkrāt siltumu ir patiešām izteikta. Lai tikpat stipri sasildītu dzelzi, vajag gandrīz desmit reižu mazāk siltuma enerģijas, nekā sildot ūdeni. Mēs bieži, īpaši pirtīs, domājam, ka lieli laukakmeņi spēj labi uzkrāt, kā pirtnieki saka – "turēt", siltumu. Tomēr laukakmens uzkrāj četras reizes mazāk siltuma nekā tikpat daudz ūdens.
Siltumu vajag regulēt ne tikai mājās, bet arī savā ķermenī. Šī unikālā ūdens iespēja uzņemt un saglabāt siltumu ļauj mums labi regulēt arī sava ķermeņa temperatūru. Ja laiks ir auksts, ķermenis atdziest lēnāk, jo ūdens, kas veido ķermeni, ir uzkrājis daudz siltuma. Turpretī tad, ja laiks ir karsts un cilvēka ķermenim draud pārkaršana, mēs svīstam. Sviedri, kas pamatā ir ūdens, spēj uzņemt daudz liekā siltuma no ķermeņa un iztvaikojot to dzesē.
Vēl viena unikāla īpašība, kas piemīt ūdenim, ir tas, kā tas sasalst un pārvēršas ledū. Sākumā, ūdeni dzesējot, tas, tāpat kā citas vielas, saraujas un kļūst blīvāks. Taču, temperatūrai slīdot zem četru grādu atzīmes, tas pēkšņi sāk atkal izplesties, turklāt ļoti strauji. Sasniedzot nulli un pārvēršoties ledū, tā blīvums ir kļuvis mazāks par nesasaluša ūdens blīvumu. Ledus peld ūdenim pa virsu.
Tas šķiet tik dabiski, taču patiesībā ir unikāli.
Nevienai citai vielai šāda īpašība nepiemīt. Neaizdomājoties par konsekvencēm, varētu jautāt – nu un kas par to? Bet iedomājieties, kāda būtu pasaule, ja ziemā, upēm un ezeriem sasalstot, ledus ūdenī nogrimtu?
Unikālās īpašības
Taču, kā tautā saka, tie vēl ir tikai ziediņi. Odziņas nāk pēc tam. Mēs zinām, ka ūdens pārvēršas šķidrumā, kad temperatūra ir pietiekami augsta, lai ledus izkustu, bet vēl nav tik augsta, lai ūdens vārītos. Tātad ūdens ir šķidrums temperatūrā no nulles līdz simt grādiem. Tā ir tāda ikdienā dzīvošanai komfortabla temperatūra. Arī šajā ziņā ūdens ir unikāls. Izrādās, ka līdzīgu vielu molekulas parasti kļūst cietas un sasalst vai (otrā galējībā) vārās temperatūrā, kas ir ļoti zema. Piemēram, ūdeņraža molekula kļūst cieta -259 grādu temperatūrā un vārās -253 grādos. Otra ūdens komponente skābeklis, kad tas veido skābekļa molekulu, sasalst -218, bet vārās -183 grādu temperatūrā. Citas molekulas, ne tikai no viena elementa sastāvošas, uzvedas līdzīgi. Tātad, ja ūdens, kas veido mūsu ķermeņa lielāko daļu, pie ķermeņa temperatūras nebūtu šķidrs, dzīvība nebūtu iespējama. Izrādās, tas, ka ūdens +37 grādu temperatūrā (ķermeņa temperatūra) ir šķidrums, ir ļoti neparasti citu molekulu vidū. Paldies ūdenim, ka mēs esam radušies!
Vēl viens fakts. Ūdens unikāli labi šķīdina citas vielas. Tas ļauj mums ūdenī nomazgāt dienas putekļus un netīrumus. Taču arī cilvēka asins plazmā vairāk nekā deviņas desmitdaļas ir ūdens. Un asinis spēj izšķīdināt un pārnest visas tās ķīmiskās vielas, sākot ar skābekli un beidzot ar dažādiem metālu joniem, kas nepieciešamas organisma funkcionēšanai, tikai pateicoties šīm unikālajām ūdens šķīdinātāja īpašībām.
Vai ir iespējams zināt, kā izskatās ūdens molekula? Ūdens molekulā atomi ir sakārtoti trīsstūra formā. Trīsstūra augšējā virsotnē "sēž" skābeklis, bet trīsstūra pamata "stūros" katrā pusē no skābekļa atoma ir pa vienam ūdeņradim. Kad ūdens sasalst ledū, veidojas skaistas sešstūru struktūras. To skaistumu iespējams novērtēt, apskatot sniegpārsliņas, vislabāk mikroskopā. Tad var novērot šīs sešstūra izsmalcinātās formas.
Ūdens molekulas trīsstūra forma ir pamats daudzām organisko pasauli veidojošām molekulām. Ja ūdens molekulas vienā stūrī esošo ūdeņraža atomu aizstāj ar oglekli saturošu organisku savienojumu, atkarībā no savienojuma veida iegūstam dažādus spirtus. Arī etilspirtu, kas ir pamatā gan vīnam, gan konjakam, viskijam un vistīrākā veidā – šņabītim.
Ja līdzīgā veidā aizstāj abus ūdeņraža atomus ar organiskiem savienojumiem, iegūstam vēl vienu savienojumu klasi – ēterus.
Ja jau ūdens ir tik izplatīts dabā un tik svarīgs mūsu dzīvē, vai viss par ūdeni būtu izpētīts? Vai varbūt tomēr vēl ir neatbildēti jautājumi? Protams, ir. Patiesība par to, ka, jo vairāk mēs zinām, jo zināšanu lauks kļūst plašāks, jo šī lauka robeža ar nezināmo kļūst aizvien garāka, līdz mēs ieraugām, cik daudz vēl nezinām, šeit piepildās pilnā mērā.
Zinātnieki šobrīd pēta nevis tikai vienu ledus formu, bet vismaz 15 dažādas formas. Ja ledu, kad tas izveidojies, turpina dzesēt un piedevām to vēl saspiež, tas var mainīt savu struktūru un pārvērsties citās iepriekš nezināmās ledus formās.
Bet ir vēl arī citas, šķietami pat vēl vienkāršākas ūdens īpašības, ko mēs līdz galam neesam izpratuši. Piemēram, tūlīt būs ziema un ietves kļūs slidenas. Gan ejot ar kājām, gan braucot ar automašīnu, nāksies īpaši uzmanīties.
Izrādās, ka atbilde uz šķietami vienkāršo jautājumu, kādēļ ledus virsma ir slidena, nav nemaz tik vienkārši rodama.
Ir versijas, bet nav gala atbildes. Bet tieši tas jau dabas izzināšanu padara par interesantu nodarbošanos.
Profesora Auziņa zinātnes sleja
