Vai zaķis var izskriet cauri kalnam? Tuneļefekts. Profesora Auziņa zinātnes sleja

Joku stāsti un anekdotes ir populāras ne tikai pieaugušo vidū, pusdienlaikā ar kolēģiem dzerot kafiju, bet tās patīk arī maziem bērniem. Tā reiz mans mazdēls, atnākot no bērnudārza, uzdeva mīklu. Kādēļ zaķis skrien kalnam pāri? Un pēc brīža, redzot manu apjukumu par šādi formulētu jautājumu, jaunais cilvēks ar uzvaras pieskaņu balsī paziņoja: "Tādēļ, ka zaķis nevar izskriet kalnam cauri." Tā, lūk, nevar taču! Jā, zaķis patiešām nevar, bet izrādās, ka elektrons var, jo tas ir mazs un šādos mērogos darbojas kvantu fizikas likumsakarības. To sauc par tunelēšanos caur potenciālo barjeru.

Profesora Auziņa zinātnes sleja

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.

Kvantu slēpotājs

Skan noslēpumaini un nedaudz pārgudri. Ja tunelēšanās varētu notikt mūsu ierastajā lielu lietu pasaulē, tad tas varētu izskatīties šādi. Slēpotājs sāk nobraucienu no augsta kalna, bet viņam priekšā ir vēl augstāks kalns. Ir skaidrs, ka viņam nepietiks ātruma, lai pēc inerces uzbrauktu nākamā kalna galā. Viņš neizbēgami noslīdēs atpakaļ ielejā starp kalniem. Tā notiktu ar parastu slēpotāju. Taču, ja tas būtu kvantu slēpotājs, tad pastāv varbūtība, ka, nesasniedzot otra kalna virsotni, viņš tomēr nonāk tā otrā pusē – tunelējas tam cauri. Tāda ir kvantu fizika. Mūsdienās ar tuneļefekta palīdzību skaidro dažādas kvantu fizikas parādības, ko citādi izskaidrot nav iespējams. Piemēram, alfa sabrukšanu kodolfizikā, kad no smagiem kodoliem tiek "izmesti" mazāki hēlija atoma kodoli, ko fiziķi sauc par alfa daļiņām. Tuneļefektu var izmantot arī tehnoloģijās, lai praktiski izveidotu tādas ierīces kā skenējošais tuneļmikroskops, kas ļauj ieraudzīt pat atsevišķus atomus.

Tuneļefektu kvantu fizikas attīstības pirmsākumos 1928. gadā atklāja Džordžs Gamovs, kurš tajā laikā kā jauns padomju fiziķis atradās ilgstošā komandējumā Getingenē, Vācijā, un pie Nila Bora Kopenhāgenā, Dānijā. Gamovs sava mūža lielāko daļu pavadīja Amerikas Savienotajās Valstīs.

Stāsts, kā viņš tur nonāca, pats par sevi ir piedzīvojumu romāna vērts.

Trīsdesmitajos gados, atgriežoties Ļeņingradā, kā viņš pats savā autobiogrāfijā atceras, Gamovs sāka just, ka situācija mainījusies un iespējas doties uz starptautiskām konferencēm un strādāt kopā ar Rietumu kolēģiem viņam tika stipri ierobežotas.

1931. gadā Gamovs apprecējās ar savu kolēģi Ļubovu Vohnmintsevu. Savu sievas izvēli Džordžs Gamovs aprakstīja ar lielu humora piedevu. Viņš bija pamanījis, ka divas līnijas uz viņa plaukstas, atšķirībā no lielākās daļas cilvēku, nekrustojas. Gamovs no tā izdarīja nevis hieromantiskus, bet gan zinātniskus secinājumus. Viņš pamanīja, ka līdzīga neparasta situācija ar plaukstas līnijām ir arī viņa kolēģei Ļubovai. Viņi abi, kā rakstīja Gamovs, nolēma veikt eksperimentu – apprecēties un pārbaudīt, vai ģenētika, kas tad vēl tikai atradās savos zinātniskajos pirmsākumos, strādā. Vai bērni iedzimtības dēļ vecāku īpašības mantos un vai plaukstas līnijas nekrustosies. Džordža un Ļubovas dēls Igors piedzima, viņiem jau dzīvojot Amerikā. Džordža kolēģi apgalvo, ka pirmais, uz ko viņš paskatījies, ieraugot savu pirmdzimto dzemdību namā, esot bijušas plaukstas līnijas, kas tiešām neesot krustojušās arī dēlam.

Bēgšanas plāns

Bet, lai nonāktu Amerikā, jaunajam pārim vēl bija jāpārvar daudz šķēršļu. Redzot, ka padomju vara viņus no valsts ārā nelaiž, viņi apsvēra mēģinājumu no valsts bēgt, nelegāli pārejot robežu. Kā jau fiziķis teorētiķis, Gamovs pat esot izveidojis formulu, ar ko aprēķināt valsts robežas caurspīdību. Tā bijusi divu lielumu reizinājums – cik viegli līdz robežai nokļūt un cik stingri tā tiek apsargāta. Saskaņā ar šo formulu viņš esot izsecinājis, ka visas robežas ir vienādi caurspīdīgas vai necaurspīdīgas. Līdz robežai ar Somiju, kas bija tuvu viņa tālaika dzīvesvietai Ļeņingradai, bija viegli nokļūt, bet tā tika labi apsargāta. Tai pašā laikā līdz robežai ar Ķīnu nokļūt bija grūti, bet to arī apsargāja vāji. Tādēļ viņi ar sievu nolēma bēgt no PSRS uz vairāku simtu kilometru attālo Turcijas krastu ar kanoe laivu no zinātņu akadēmijas atpūtas bāzes Krimā. Stāsts, izstāstīts paša Gamova vārdiem, ir gan dramatisks, gan fantastisks un nedaudz arī komisks. Bet īsumā, viņi tik tiešām mēģināja to darīt, taču iekļuva nelielā vētrā un pēc divu dienu pavadīšanas jūrā nonāca atpakaļ Krimas piekrastē tikai dažu desmitu kilometru attālumā no sava starta punkta. Par laimi, neviens nenojauta Gamovu pāra plānu un viņus apsveica kā jūrā vējā nomaldījušos un laimīgi izglābušos laivu tūristus.

Taču pēc neilga laika Gamoviem uzsmaidīja laime. Džordžu caur PSRS Ārlietu ministriju prominents franču fiziķis Lanžavēns uzaicināja uz ļoti prestižo Solveja konferenci Briselē. Sākotnēji izbraukšanas atļauja no PSRS tika izdota tikai Džordžam, taču viņš bez sievas braukt atteicās. Trīsdesmitajos gados PSRS jau bija sākušās represijas, un tas Gamovam citā situācijā varēja beigties kā minimums ar notiesāšanu un nonākšanu lēģerī. Taču PSRS Ārlietu ministrija nolēma ar Lanžavēnu, kas turklāt vadīja krievu un franču zinātnieku sadraudzības organizāciju, attiecības nebojāt un uz konferenci palaida gan Džordžu, gan arī viņa sievu Ļubovu. Tā nu Gamovi nonāca sākumā Briselē un pēc konferences – Parīzē. Taču priecāties izrādījās pāragri. Bors, uzzinājis par Džordža un Ļubovas nodomu Krievijā neatgriezties, esot viņiem teicis, ka tā darīt neesot iespējams, jo tas radīs nepatikšanas Lanžavēnam, kurš uzņēmies atbildību, Gamovus ielūdzot. Situāciju atrisināja Marija Sklodovska Kirī. Uzzinājusi par Gamovu dilemmu, viņa uzņēmusies aprunāties ar savu kolēģi Lanžavēnu un esot saņēmusi viņa piekrišanu neiebilst, ka Gamovi Krievijā neatgriežas.

Tā nu Gamovs uzsāka savu karjeru Rietumos un pastāvīgo dzīves un darba vietu atrada Amerikas Savienotajās Valstīs, par kuru pilsoni viņš kļuva 1940. gadā, tā arī līdz pat savai nāvei 1968. gadā Krieviju vairs nekad neapmeklējot. Savu lielāko karjeras daļu ASV Gamovs bija Džordža Vašingtona Universitātes profesors.

Alfa, beta, gamma

Arī esot Amerikā, Gamovs turpināja būt neparasti oriģināls pētnieks, ar savām idejām mainot priekšstatus daudzās nozarēs. Viņš sniedzis milzīgu ieguldījumu Lielā sprādziena idejas izveidē. Šobrīd tā ir vispārpieņemta teorija, ka no viena punkta procesā, ko sauc par Lielo sprādzienu, radās mūsu Visums un tālāk sāka veidoties ķīmiskie elementi. Šajā pētījumā atkal parādījās Gamova gan humora izjūta, gan zināms ekscentriskums. Gamovs šo savu ideju nolēma publicēt rakstā kopā ar Gamova studentu Ralfu Alferu. Tad Gamovs iedomājās, ka autori Alfers un Gamovs stipri atgādina grieķu alfabēta burtus alfa un gamma. Taču pilnam triju pirmo burtu komplektam – alfa, beta, gamma – pietrūkst betas. Tādēļ, iesniedzot rakstu žurnālā, Gamovs autoru sarakstam pievienoja savu kolēģi Hansu Bēti, viņam par to neko nesakot. Tagad iznāca labi –  Alfers, Bēte, Gamovs.

Nav grūti iedomāties, ka Bētem šis joks nelikās amizants, un viņš Gamovam to īsti nekad nepiedeva.

Vadoties no Lielā sprādziena teorijas, Visumam plešoties ir jāatdziest, un tā rezultātā veidojas visu Visumu piepildošs starojums, ko fiziķi sauc par relikto starojumu. Tā spektru 1946. gadā paredzēja Gamovs. Tikai 1965. gadā divi amerikāņu fiziķi Arno Penziass un Roberts Vilsons to nomērīja. Par šo atklājumu viņi 1978. gadā saņēma Nobela prēmiju. Ja tajā laikā Džordžs Gamovs vēl būtu dzīvs, pastāv liela varbūtība, ka viņš būtu šīs Nobela prēmijas laureātu vidū… Taču Nobela prēmijas pēc nāves nepiešķir…

Bet arī tas vēl nav viss. Sešdesmitajos gados amerikāņu biologs Džeimss Vatsons un britu kristalogrāfs Frānsiss Kriks atklāja bioloģisko dubultspirāli, kurā ar tikai četru dažādu nukleotīdu molekulu secību tiek iekodēta visa mūsu ģenētiskā informācija. Atminējumu mīklai, kā ar šiem četriem burtiem, četriem nukleotīdiem pierakstīto informāciju ir iespējams pārtulkot proteīnus veidojošu divdesmit aminoskābju secībā, piedāvāja Džordžs Gamovs. Risinājums gan nebija precīzs detaļās, bet noteikti parādīja pareizo ceļu problēmas risināšanai. Te noslēdzās gan Gamova pētnieka, gan viņa likteņa loks, jo tika atrasta atbilde uz jautājumu, kā informāciju par viņa un viņa sievas Ļubovas plaukstu līniju formu bija iespējams nodot viņu dēlam Igoram.

Vecumdienas Džordžam Gamovam gan nebija tik patīkamas, kā varētu cerēt. Jau Gamova spēka gados viņa kolēģi zināja par viņa pārlieku lielo noslieci uz alkoholu. Taču pat to Gamovs esot mēģinājis padarīt par ekscentrisku nodarbi un savas pētniecības metodes instrumentu. Tā zinātniskās diskusijās savā universitātē viņš esot mēģinājis ieviest tradīciju semināros tā dalībniekiem piedāvāt glāzi viskija, lai atbrīvotu iztēli, bez kuras zinātnē nekas nav sasniedzams.

Arī vecumdienās Gamovs saglabāja noslieci uz alkoholu, un, iespējams, tas bija iemesls, ka, pēc mūsdienu standartiem, viņš mira samērā jauns, 64 gadu vecumā, un ir apglabāts Amerikas Savienotajās Valstīs Bolderā, Kolorado pavalstī, kur Kolorado Universitātē bija pēdējā Gamova darba vieta.

Un noslēgumā jautājums. Daļēji retorisks, daļēji nopietns. Vai viņi bija tādi, jo laiks bija tāds? Vai arī laiks bija tāds, jo viņi bija tādi? Džordžs Gamovs bija viens no daudziem ļoti sarežģītiem, neparastiem un arī nedaudz ekscentriskiem cilvēkiem, kas veidoja moderno fiziku. Vai tā bija sagadīšanās, ka radās tāda fiziķu paaudze un tādēļ notika tas, ko mēs saucam par divdesmitā gadsimta fizikas revolūciju, vai arī jaunās teorijas bija tik neparastas, ka mudināja cilvēkus uz tikpat neierastu rīcību no viņu puses?

Kļūda rakstā?

Iezīmējiet tekstu un spiediet Ctrl+Enter, lai nosūtītu labojamo teksta fragmentu redaktoram!

Iezīmējiet tekstu un spiediet uz Ziņot par kļūdu pogas, lai nosūtītu labojamo teksta fragmentu redaktoram!

Saistītie raksti

Vairāk

Svarīgākais šobrīd

Vairāk

Interesanti