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.
Jā vai nē
Bet kā jau profesori daždien to dara, sākšu no daudz plašāka konteksta. Kāda varētu būt atbilde uz jautājumu – vai pasaule ir galīga izmēra? Šajā ļoti globālajā jautājumā katram var būt savs viedoklis, bet variantu nav daudz. Atbilde ir vai nu jā, vai nē. Jā – pasaule ir galīga izmēra; nē – pasaule nav galīga izmēra. Ja padomājam plašāk, nav pat svarīgi, kāds ir konkrētais jautājums. Ja tas izsaka apgalvojumu, tad tas ir vai nu patiess, vai tāds nav. Šāds domāšanas veids ir arī klasisko datoru darbības pamatā. Datori strādā ar informācijas mazākajām vienībām bitiem jeb mazākajiem informācijas gabaliņiem. Katra informācijas vienība datorā pieņem vienu no divām iespējamām vērtībām: viens jeb jā; nulle jeb nē.
Bet vai vienmēr atbildē jāizvēlas viens no diviem – jā vai nē? Vēlos citēt vienu no vissenākajiem budistu tekstiem – Pali kanonu. Kādā no stāstiem, sauktiem par sutām, tiek aprakstīta Budas saruna ar viņa skolnieku Anandu. Ananda skolotājam jautā: "Pasaule ir galīga: tikai tas ir taisnība, viss pārējais ir nepareizi?" Uz ko skolotājs atbild: "Es neesmu apgalvojis, ka pasaule ir galīga." Skolnieks ļoti loģiski turpina: "Tad pasaule ir bezgalīga: tikai tas ir taisnība, viss pārējais ir nepareizi?" Skolotājs atbild: "Es neesmu apgalvojis, ka pasaule ir bezgalīga." Šeit bez konkrētas atbildes saņemšanas saruna varētu arī beigties. Bet Ananda nesamulst: "Tad, skolotāj, pasaule ir gan galīga, gan bezgalīga vienlaikus: tikai tas ir taisnība, viss pārējais ir nepareizi?" Buda atkal atbild: "Es neesmu apgalvojis, ka pasaule ir gan galīga, gan bezgalīga vienlaikus." Mēs teiktu – dīvaini, vai ir vēl kāds variants? Bet Ananda tādu atrod, sakot: "Skolotāj, vai tad pasaule nav galīga, bet nav arī bezgalīga: tikai tas ir taisnība, viss pārējais ir nepareizi?" Taču arī uz šo Buda saka: "Es neesmu apgalvojis, ka pasaule nav galīga, bet nav arī bezgalīga."
Izklausās pēc tāda kā mākslīgi samudžināta kalambūra. Bet vismaz sarunas pirmie trīs jautājumi ir veids, kā domā cilvēki, kas nodarbojas ar kvantu fiziku, turklāt daži no viņiem veido kvantu datorus. Klasiskajā fizikā ir acīmredzams fakts, ka informācijas mazākais "gabaliņš" (angļu valodā vārds bit nozīmē – gabaliņš) ir jā vai nē – viens vai nulle. Turpretī kvantu fizikā atbilde var būt vienlaikus jā un nē. Tāds "šizofrēnisks" personības dalīšanās stāvoklis, kad divas savstarpēji izslēdzošas atbildes abas potenciāli ir pareizas vienlaikus. Mazliet no vieninieka un mazliet no nullītes. Vēl vairāk – šīs abas atbildes ir saistītas, svešvārdā – korelētas. Tas nozīmē, ka tās laikā var cikliski pāriet viena otrā. Šos kvantu informācijas gabaliņus sauc par kvantu bitiem. Veidojot skaitļotājus, kas darbojas nevis ar parastajiem bitiem, bet ar kvantu bitiem, varam iegūt pavisam jauna tipa skaitļotājus, kas ir nevis vienkārši ātrāki par mūsu ikdienā lietotajiem, bet var atrisināt tādas problēmas, kas parastam skaitļotājam principā nav pa spēkam.
Taču kļūst arī redzams, kas ir kvantu skaitļošanas niknākais ienaidnieks. Tas ir kvantu bitu trauslums. Pat ļoti vāja kvantu bita mijiedarbība ar apkārtējo vidi šo kvantu korelāciju sagrauj, un kvantu bits zaudē savu milzīgo spēku, pārvēršoties parastā "prozaiskā" klasiskajā bitā.
Kas pasūta pētījumus?
Un te nonākam pie Latvijas Universitātes Lāzeru centrā notiekošā. Mēs daudzus gadus esam pētījuši, kā šādus korelētus kvantu stāvokļus radīt, liekot atomiem mijiedarboties ar gaismu. Esam par to rakstījuši grāmatas, kas izdotas gan Kembridžas Universitātes, gan Oksfordas Universitātes izdevniecībās. Šajos akadēmiskajos pētījumos mūsu uzmanība ir bijusi vērsta uz to, kā šo korelāciju ietekmē apkārtējā vide – magnētiskie un elektriskie lauki, vides temperatūra vai spiediens. Tā rezultātā mums izdevies "defektu pārvērst par efektu". Ko tas nozīmē? Cilvēki, kas veido kvantu datorus, ļoti baidās no ārējās vides ietekmes uz viņu izveidotajiem skaitļotājiem; mēs – tieši otrādi. Mēs radām šos īpašos, ļoti trauslos kvantu stāvokļus. Esam ļoti precīzi izpētījuši, kā tie mijiedarbojas ar vidi, un tagad esam gatavi šīs zināšanas no akadēmiska lauciņa pārnest uz tehnoloģiskiem pielietojumiem. Piemēram, veidot magnētiskā lauka detektorus – mērinstrumentus, kas spēj superprecīzi nomērīt magnētiskā lauka stiprumu un virzienu telpā. Pēc tā, kā lauks bojā kvantu bitu un cik sākotnējo radīto kvantu bitu ir sabojāts, mēs varam pateikt, cik stiprs ir bijis lauks, ar kuru tas ir mijiedarbojies. Es uzsveru – ļoti precīzus, ar to domājot, ka šādi magnētiskā lauka mērītāji ir vieni no pašiem precīzākajiem, kādi mūsdienās vispār eksistē.
Kad esam nonākuši līdz tehnoloģijām, ir īstais laiks jautāt, kam tas viss vajadzīgs? Kāds no tā labums? Lai atbilde nebūtu deklaratīva, vislabāk paskatīties, kas ir mūsu pasūtītāji, kuri ir gatavi šādus pētījumus apmaksāt, jo, kā jau jebkuru tehnoloģiju attīstīšana, tas nav lēts prieks.
Nesenā pagātnē mēs izveidojām laboratorijas prototipu magnētiskā lauka mērītājam Eiropas Kosmosa aģentūrai. Kā viegli saprast, kosmosā nav iespējams teikt – paskaties uz augšu vai paskaties uz leju. To var izdarīt tikai tad, kad "zem kājām" ir Zeme. Tādēļ ir dažādas metodes, kā kosmosa aparātiem orientēties telpā, lai nesāktu nekontrolēti griezties ap savu asi. Viena no šīm metodēm ir orientēt aparātu pēc magnētiskā lauka virziena kosmiskajā telpā. Jāveido magnetometrs, kurš mēra magnētiskā lauka stiprumu un virzienu vienlaikus. Projekts bija ļoti veiksmīgs. Un, kā jau tas parasti notiek, ja sevi parādi kā spējīgu partneri, rodas nākamie pasūtītāji un projekti. Tagad mēs veidojam līdzīgu, tikai vēl precīzāku magnetometru, lai mērītu magnētisko lauku uz Zemes. Kam tas vajadzīgs? Izrādās, ja precīzi zinām šo lauku, varam pateikt, kur uz Zemes mēs atrodamies. Varbūt atceraties bildīti, kur redzama zemeslode un magnētiskā lauka līnijas, kas iznāk no dienvidpola, tad ir paralēlas Zemes virsmai uz ekvatora un atkal vertikāli ieiet Zemes ziemeļpolā. Ko tas liecina? Tas nozīmē, ja magnētiskais lauks ir vērsts vertikāli, jūs atrodaties uz Zemes pola. Ja tas ir vērsts horizontāli – atrodaties uz ekvatora. Visās citās vietās uz Zemes vērojams kaut kas pa vidu starp abiem šiem stāvokļiem. Jo tuvāk polam, jo lauks kļūst tuvāks vertikālam. Piemēram, Latvijā, Rīgā, magnētiskā lauka virziens nav tālu no vertikāla. Tas atšķiras no vertikāles tikai par nieka nepilniem divdesmit grādiem. Bet tas neizbrīna. Mēs zinām, ka dzīvojam daudz tuvāk ziemeļpolam nekā ekvatoram.
Kam šāds magnetometra pielietojums šķiet interesants? Kas pasūta šādus pētījumus? Šoreiz mūsu pasūtītājs ir Eiropas Aizsardzības fonds. Pēdējā pusotra gada laikā tas ir kļuvis īpaši aktuāls. Ir labi zināms, ka krīzes brīžos mūsu tik pierasto globālo pozicionēšanās sistēmu GPS, bez kuras daudzi autovadītāji savu dzīvi vairs nevar iedomāties, var viegli izslēgt vai traucēt tās darbību. Šajos brīžos spēt orientēties pēc magnētiskā lauka stipruma un virziena mērījumiem kļūst ļoti svarīgi.
Vēl viens mūsu projekts, kuru pasūtījis NATO, ir magnetometru izveide lidostu drošības sistēmu vajadzībām. Pirms iekāpšanas lidmašīnās ejam caur "rāmi", kas detektē metāla priekšmetus. Ja, piemēram, dzīvokļa atslēgu aizmirsies izņemt no kabatas, tas "pīkst". Izrādās, ka magnētiskā lauka mērījumi (saprotamu iemeslu dēļ neiedziļināšos detaļās) var šīs drošības sistēmas padarīt vēl drošākas.
Bet nevajadzētu domāt, ka šādi kvantu sensori interesē tikai institūcijas, kas rūpējas par kosmosa izpēti vai drošību. Mūsu projektu vidū ir arī Latvijas Zinātnes padomes pasūtījums strāvas stabilitātes nodrošināšanai, mērot tās radīto magnētisko lauku elektropārvades līnijās, un vēl citi.
Tā ka vajag daudz gan darba, gan resursu pētījumu nodrošināšanai. Galvenais – tikt ar to visu galā. Trūkst tikai vienas lietas – darbaroku. Te paveras lieliskas iespējas jauniem cilvēkiem, kas ir gatavi pieņemt šādus gan akadēmiskus, gan tehnoloģiskus izaicinājumus un veidot savu karjeru šajā virzienā.
Nobeigumā gribu atgriezties pie sava stāsta sākuma – jautājuma par pasaules galīgumu. Klasiskā fizika paredzēja, ka ir iespējama viena no divām atbildēm: jā – galīga vai nē – nav galīga. Kvantu fizika pievienoja vēl trešo variantu – galīga un bezgalīga vienlaikus, korelēti. Bet Budam bija vēl ceturtais variants – nav galīga un nav arī bezgalīga. Nevis abi varianti vienlaikus, bet neviens no diviem vienlaikus. Varbūt fiziķiem un arī kvantu datoriķiem ir vērts padomāt par šo atbildes variantu? Joks, protams… Bet – katrā jokā ir tikai daļa joka.
Tāpat kā manis aprakstītie tehnoloģiskie risinājumi kļuva iespējami, tikai balstoties uz labu fundamentālo zinātni, nākamie "lēcieni" būs iespējami tad, kad vispirms tiks sperti nākamie soļi fundamentālajā zinātnē. To nedrīkst aizmirst. Un kādēļ gan šis solis lai nebūtu inspirēts, domājot par Budas atbildi – nav galīgs un nav arī bezgalīgs vienlaikus jeb nav nulle un nav arī viens vienlaikus? Ko tas varētu nozīmēt?
Profesora Auziņa zinātnes sleja
