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.
Ja gribam labāk saprast, cik silts ir istabā un cik auksts šobrīd ir ārā, mēs mērām temperatūru ar termometru. Kā jau viss mūsdienās, arī termometri parasti ir elektroniski. To var nolikt uz galda vai, ja runa ir par temperatūru ārā, tad bieži vēršamies pie viszinošā interneta.
Taču varbūt daži no mums vēl atceras tādus klasiskus termometrus, kur stikla stobriņā atrodas kāds šķidrums, piemēram, iekrāsots spirts, kas aukstumā nesasalst. Siltumā termometra stabiņš kāpj uz augšu, bet, temperatūrai pazeminoties, kļūst īsāks. Mēs sadzīvē sakām – temperatūra krīt.
Šādos klasiskos termometros tiek izmantota šķidruma īpašība izplesties, ja temperatūra paaugstinās, un sarauties, ja temperatūra pazeminās. Ja laiks ir silts, spirts izplešas un šķidruma stabiņš stikla stobriņā kļūst garāks – temperatūra aug. Un otrādi – aukstumā šķidrums saraujas, stabiņš kļūst īsāks un… temperatūra krīt. Praktiski.
Kādēļ tā notiek?
Ļoti vienkārši. Viela, arī spirts termometrā, sastāv no atsevišķām molekulām, kas visu laiku kustas. Ja temperatūra ir augstāka, molekulas kustas ātrāk un vidējais attālums starp tām pieaug. Šķidrums izplešas, un termometra stabiņš kāpj. Tātad temperatūra savā dziļākajā būtībā raksturo atomu vai molekulu vidējo kustības ātrumu vielā. Skan varbūt nedaudz tehniski, bet, no otras puses, mēs esam spējuši paskatīties aiz "aizkara" un saprast šī notikuma neredzamo pusi, iegūstot metodi, kā noteikt, cik ātri kustas acij neredzamās daļiņas.
Skalas un grādi
Vai ir kādas robežas, cik ātri un cik lēni daļiņas var kustēties, un tātad – vai temperatūras izmaiņai ir robežas? Pirms tam parunāsim par temperatūras skalām un kas tie par grādiem, ko rāda termometrs.
Pasaulē, kurā mēs daudz un samērā viegli ceļojam, nonākot dažādās pasaules vietās, iespējams, esam sapratuši, ka grādi, kādos mērām temperatūru, ir vienkārši vienošanās – tā mēs esam sarunājuši. Eiropā temperatūru mēra Celsija grādos. Ļoti pierasti. Ja temperatūra ir nulle grādu pēc Celsija, ūdens sasalst. Ja tā ir simts grādu, ūdens sāk vārīties. Arī termometru viegli izgatavot – nepieciešams stikla stobriņš ar spirtu, ko ieliek ledū un atzīmē nulli. Pēc tam to ieliek vārošā ūdenī un atzīmē simts grādus. Sadala attālumu starp nulli un simt grādiem simt vienādās daļās, un termometrs ir gatavs. Esam pieraduši, ja tas rāda, piemēram, 25 grādus pēc Celsija, varam doties laukā kreklā vai kleitiņā vien. Taču tad aizlidojam uz Amerikas Savienotajām Valstīm un pēkšņi redzam, ka termometrs aiz loga rāda 77 grādus. Tas tādēļ, ka ASV izmanto citu temperatūras skalu – Fārenheita skalu – un tajā mūsu pierastajiem 25 grādiem pēc Celsija atbilst 77 grādi pēc Fārenheita skalas.
Šajā skalā, graduējot termometra stabiņu pie ūdens sasalšanas punkta, tiek atzīmēti 32 grādi, bet, ūdenim vāroties, tieši par 180 grādiem vairāk, tātad 212 grādi. Nediskutēsim, kura skala ērtāka. Bet viens gan ir skaidrs, pierodot pie Celsija skalas un tad izdzirdot, ka ārā ir 77 grādi, nav viegli saprast, cik tas ir silti vai auksti. Protams, ir veids, kā temperatūru pārrēķināt no vienas skalas otrā. Konkrēti – no Fārenheita grādiem atņemot 32 un tad no atlikuma izrēķinot 5/9, iegūstam temperatūru Celsija grādos. Piekritīsiet, ka ne visiem tas izrādīsies "galvas rēķins". Kā man sen iemācīja kāds draugs no Kanādas (tur arī lieto Celsija skalu), tad aptuveni temperatūru var pārrēķināt arī vienkāršāk. No Fārenheita temperatūras atņemam 30 un atlikumu izdalām uz pusēm. Īsti precīzi nebūs, bet saprast, vai jaka, ejot ārā, jāvelk, var samērā labi. Atzīšos, ka esot ASV, tieši tā arī es daru, un izdzīvot ar šādu pārrēķinu var tīri labi.
Cik auksts un karsts var būt dabiskos apstākļos?
Izrādās, ka zemākā temperatūra uz Zemes ir reģistrēta Antarktīdā un tā ir apmēram -90 grādi pēc Celsija. Vai var būt vēl aukstāks? Protams, var. Vai ir robeža, cik auksts var būt? Izrādās, ka eksistē zemākā teorētiski iespējamā temperatūra. Lai to saprastu, atcerēsimies, ka temperatūra raksturo atomu un molekulu kustības ātrumu. Mazākais ātrums ir tad, kad atomi un molekulas apstājas, pārstāj kustēties. Tad arī ir zemākā temperatūra. Fiziķi to sauc par absolūto nulli.
Cik auksts ir pie absolūtās nulles?
Izrādās, ka šī temperatūra atbilst mīnus 273,15 grādiem pēc Celsija. Absolūtā nulle ļauj ieviest absolūto temperatūras skalu. Tajā temperatūru mēra Kelvina grādos. Nulle grādu pēc Kelvina skalas ir absolūtā nulle. Saglabājot grāda iedaļas vērtību tādu pašu kā Celsija skalā, ir viegli saprast, ka ūdens šajā absolūtajā skalā sasalst 273,15 Kelvina grādu temperatūrā un vārās pie 373,15 Kelvina grādiem.
Cik auksts var būt Visumā?
Tik tālu viss samērā tehniski. Intrigai paplašināsim mūsu izpēti no Zemes uz visu Visumu. Iedomājamies kādu tālu Visuma nostūri, kur neviena saule nesilda. Tā ir vieta, kur valda "kosmiskais aukstums". Daži atomi tur droši vien atrodas, tie kustas, un varam jautāt, kāda ir temperatūra šajā kosmiskajā aukstumā?
Taču, pirms atbildu uz šo jautājumu, viena atkāpe. Kā darbojas dažādi dzesētāji, piemēram, ledusskapis, un kā var temperatūru samazināt? Ļaujam kādai viegli iztvaikojošai gāzei ledusskapja dzesēšanas sistēmā strauji izplesties tukšā telpā, izraisot temperatūras pazemināšanos. Tā darbojas ledusskapis.
Bet Visums?
Pēc Visuma rašanās Lielajā sprādzienā tas sāka izplesties, un daļiņu, kas to veidoja, temperatūra pazeminājās. Šobrīd Visums ir atdzisis līdz 2,7 Kelvina grādiem. Tātad Visuma temperatūra ir mazāka nekā trīs grādi virs absolūtās nulles. Tā ir Visumā zemākā iespējamā temperatūra. Taču ar svarīgu piebildi – dabiskos apstākļos!
Uz Zemes, lai iegūtu zemu temperatūru, bieži izmanto sašķidrinātās gāzes. Piemēram, šķidra slāpekļa temperatūra ir 77 Kelvina grādi jeb apmēram mīnus 196 grādi pēc Celsija. Visaukstākais šķidrums ir šķidrais hēlijs, kura temperatūra ir tikai četri Kelvina grādi.
Šķidro slāpekli var iegūt samērā lēti, un to izmanto daudz kur, pat moderni sauktajā molekulārajā kulinārijā, lai vakariņotāja acu priekšā iegūtu, piemēram, aukstu sorbetu. Tik zemā temperatūrā visas vielas kļūst ļoti trauslas. Atceros gadījumu no saviem studiju gadiem. Lai piepelnītos, vienu brīdi pasniedzu fiziku Rīgas Centrālcietumā. Arī tur bija skola. Lai ieinteresētu savus skolēnus, nolēmu atnest uz stundu termosā šķidro slāpekli un nodemonstrēt dažus eksperimentus, kā viela šādā temperatūrā kļūst trausla. Vispirms man nenācās viegli pārliecināt cietuma administrāciju atļaut cietumā ienest šķidro slāpekli. Priekšnieka arguments bija dzelžains. Viņi – skolēni – slāpekli izdzers. Mani skaidrojumi, ka tik aukstu šķidrumu nevar izdzert, darbojās vāji. Atbilde no priekšnieka bija – vienalga izdzers… Kā nu nebūtu, tomēr atļauju ienest stundā slāpekli saņēmu, eksperimentus parādīju un pamanīju, ka mani skolēni kļūst neparasti ieinteresēti.
Viens no viņiem pēc stundas, pie manis pienācis, jautāja: "Skolotāj, ja ar šo šķidrumu es apliešu atslēgu, tā lūzīs tikpat viegli?" Man nācās atzīties: "Jā, tā būs…"
Bozes-Einšteina kondensāts
Taču atpakaļ pie šķidrā hēlija. Hēlija temperatūra vēl ir ļoti tālu no rekordzemām temperatūrām, ko spēj iegūt fiziķi. Viszemākās temperatūras iegūst, atomus dzesējot ar lāzeriem. Par šiem pētījumiem fizikā ir piešķirta ne viena vien Nobela prēmija.
Zemākās temperatūras rekords pieder Volfgangam Keterlem no Masačūsetsas Tehnoloģiju institūta. Viņš atdzesējis atomus līdz temperatūrai, kas ir vēl nedaudz zemāka nekā viena miljardā daļa no Kelvina grāda. Tātad vairāk nekā miljards reižu zemāka temperatūra nekā manis pieminētais kosmiskais aukstums.
Šādās temperatūrās atomu kustība ir gandrīz apstājusies, un tie sāk uzvesties ļoti neparasti, nonākot vielas stāvoklī, ko sauc par Bozes-Einšteina kondensātu. Tas ir atomiem netipisks stāvoklis, kad visi atomi cenšas atrasties vienā telpas vietā. Tas ir ne tikai ļoti eksotisks stāvoklis, ko mēdz saukt par jaunu vielas agregātstāvokli līdztekus cietai, šķidrai un gāzveida vielai, bet tas sniedz arī jaunas tehnoloģiskas iespējas. Piemēram, ar rekordaugstu precizitāti mērīt gravitācijas lauku. Iespējams, šī metode varētu pārspēt šobrīd darbojošos gravitācijas viļņu detektorus. Esošie detektori ļauj lāzera staram izplatīties četru un vairāk kilometru attālumā un tad mēra izmaiņas šajā gaismā. Tātad detektors ir ļoti liels. Ar aukstiem atomiem veidots gravitācijas viļņu detektors uz laboratorijas galda, iespējams, nebūs uzliekams, taču vienā samērā nelielā laboratorijas telpā gan ietilps noteikti.
Un, protams, zemas temperatūras ļauj vielu novest supravadošā stāvoklī. Tas ir tīrs kvantu fizikas efekts. Ja atomi un citas daļiņas, arī elektroni, kas ir elektriskās strāvas plūšanas pamatā, zemā temperatūrā pārstāj kustēties, tad varētu domāt, ka arī strāva vairs nevar plūst. Taču kvantu efekti kārtējo reizi nospēlē savu lomu, un izrādās, ka daudzi metāli šķidrā hēlija un daži pat šķidrā slāpekļa temperatūrā kļūst supravadoši. Tas nozīmē, ka to pretestība elektriskajai strāvai pazūd pilnībā.
Ja šāda dzesēšana nebūtu pārāk dārga elektropārvadu līnijās, varam tikai pasapņot, kā tas samazinātu zudumus, piegādājot elektroenerģiju patērētājiem.
Iespējams, kādreiz arī tās kļūs par sadzīvē lietojamām tehnoloģijām. Taču šobrīd elektromagnēti, kas darbojas supravadītspējas stāvokļos, ir zinātnes ikdiena. Piemēram, vairāk nekā tūkstotis magnētu, kas nodrošina protonu kustību pa riņķi Lielajā hadronu paātrinātājā, tiek atdzesēti līdz supravadītspējas temperatūrai un tādējādi praktiski bez zudumiem nodrošina ļoti spēcīgos magnētiskos laukus, kas nepieciešami paātrinātāja darbībai.
Profesora Auziņa zinātnes sleja
