Kurš teicis, ka enerģijai jāsaglabājas? Tā bija izcilā Emmija Nētere. Profesora Auziņa zinātnes sleja

Pievērs uzmanību – raksts publicēts pirms 1 gada un 1 mēneša.

Par ko fiziķi parasti domā? Visbiežāk viņi meklē atbildi uz jautājumu, kā tas notiek materiālajā pasaulē. Piemēram – kā planētas riņķo ap Sauli vai kā izplatās skaņas viļņi, kad sarunājamies. Jautājumi varētu šķist samērā vienkārši, bet, domājot par tiem, nereti parādās jauni aspekti, par kuriem iepriekš neviens fiziķis nav aizdomājies.

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.

Alberts Einšteins, domājot par kustību, uzdeva šķietami naivu jautājumu – vai tas, kā mēs saprotam kustību, būs spēkā arī tad, ja pētāmo ķermeņu kustības ātrums tuvosies lielākajam iespējamajam ātrumam – gaismas ātrumam? Atbilde izrādījās ne tik vienkārša, un tā 1905. gadā radās relativitātes teorija. Tā radīja ļoti daudz diskusiju un pat strīdu, bet vienlaikus padarīja Einšteinu slavenu.

Šo diskusiju vidū 1907. gadā Einšteinam tika lūgts uzrakstīt tādu kā skaidrojošu un apkopojošu rakstu par viņa relativitātes teoriju. Kā nereti gadās, jo vairāk mēs par kādu jautājumu vai teoriju domājam un vairāk tajā iedziļināmies, jo precīzāk apzināmies vēl neatbildētos jautājumus, ko šī teorija slēpj. Arī Alberta Einšteina gadījumā tieši tā notika, un viņš saprata, ka viņa relativitātes teorija nav pilns stāsts par to, kā ķermeņi kustas. Tad nu sākotnējā teorija ieguva nedaudz piezemētāku nosaukumu – speciālā relativitātes teorija, kura darbojas tikai "speciālos" gadījumos un kuras pielietojumi ir ierobežoti ar speciāliem nosacījumiem. Šajā gadījumā ar nosacījumu, ka kustību neietekmē citu ķermeņu gravitācija.

To saprotot, Alberts Einšteins sāka domāt par vispārīgāku teoriju (šobrīd to zinām kā vispārīgo relativitātes teoriju), kas ietvertu arī gravitāciju. Taču, domājot par savas teorijas paplašinājumiem, Einšteins nonāca pie sapratnes, ka, lai to attīstītu tālāk, viņa zināšanas matemātikā, kas nebūt nebija sliktas, tomēr nav pietiekamas. Vēl vairāk, virknē gadījumu šķita (un vēlāk tā izrādījās patiesība), ka jāveido jauna matemātiskā pieeja, jo nepieciešamās metodes un teorijas matemātikā vai nu vispār vēl neeksistēja, vai bija nepietiekami attīstītas.

Stāsts par simetriju

Tad Einšteins nolēma lūgt palīdzību pašam izcilākajam divdesmitā gadsimta matemātiķim Dāvidam Hilbertam. Bet arī Hilberts kādā brīdī saprata, ka viņam bez jaunu un talantīgu palīgu piesaistīšanas problēmu risināšanā iztikt būs grūti. Hilberts savukārt lūdza palīgā Emmiju Nēteri. Stāsts par Emmiju Nēteri ir fascinējoši īpašs. Tas ir arī stāsts par simetriju.

Emmija Nētere ir dzimusi 1882. gadā vācu pilsētā Erlangenē ebreju ģimenē. Viņas tēvs bija matemātikas profesors Erlangenes Universitātē. Viņas izglītība bija ļoti tipiska 19. gadsimta beigu vācu vidusšķiras sabiedrībai – meiteņu skola, pēc tam skolotāju institūts. Studēt universitātē tajā laikā sievietēm nebija ļauts. Līdz ar to Emmija Nētere izmācījās par angļu un franču valodas skolotāju.

Nekas neliecināja par to, ka Nēterei būs lemts kļūt par vienu no 20. gadsimta izcilākajiem matemātiķiem. Taču drīz likumi tika mainīti, un sievietēm ļāva ar profesora atļauju apmeklēt lekcijas.

Emmija sāka klausīties lekcijas valodās, bet dažas arī matemātikā.

Strādājot ar Hilbertu, Emmija Nētere sāka uzdot sev un citiem netipiskus jautājumus. Protams, bija skaidrs, ka fizikā pastāv lielumi, kas ir nemainīgi, vienalga, kādi procesi notiek. Piemēram, kopējais elektriskais lādiņš nevar ne rasties, ne pazust. Tas saglabājas visos fizikālajos procesos. Tāpat bija zināms enerģijas saglabāšanās likums un vēl virkne līdzīgu likumu. Par šiem saglabāšanās likumiem atceramies vēl no skolas laikiem.

Emmija Nētere uzdeva jautājumu, piemēram, kādēļ enerģijai ir jāsaglabājas? Vai tomēr nevarētu būt tā, ka enerģija tomēr zūd? Pirmajā brīdī jautājums šķiet samākslots. Mēs esam izpētījuši, ka tā notiek. Vai tad tas nav dabaszinātņu pamatuzdevums – izpētīt, KĀ pasaule darbojas? Jautājums, KĀDĒĻ tā notiek, ir no "citas operas". Tas piestāv filozofiem vai pat teologiem, nevis dabaszinātniekiem. Taču tieši šo jautājumu Emmija Nētere uzdeva un ne tikai uzdeva, bet arī atrada atbildi uz to. Šo atbildi mūsdienās zinām kā Nēteres teorēmu.

Emmija Nētere sāka domāt par simetrijām dabā. Katrs no mums zina, ka simetrija nav tikai zinātnes, bet arī mākslas un estētikas jautājums. Cilvēka ķermenim lielā mērā piemīt spoguļsimetrija – labā puse ir tāda pati kā kreisā. Sniegpārsliņai ir ļoti izsmalcināta sešstūra forma. Tas nozīmē, ka to varam pagriezt par vienu sesto daļu no pilna apgrieziena un tā izskatīsies tieši tāda pati kā pirms šīs darbības. Šādus simetrijas uzskaitījumus varētu turpināt. Taču eksistē vēl cita veida simetrijas – abstraktākas. Tāpat kā sniegpārsliņu, kas pagriezta par noteiktu daļu no pilna apgrieziena, nevar atšķirt no sniegpārsliņas sākotnējā stāvoklī, tieši tāpat notiek, piemēram, divu biljarda bumbu sadursmes gadījumā – tā nemainās no tā, kurā vietā ir novietots biljarda galds. Padomājiet. Pēdējais apgalvojums šķiet triviāli acīmredzams. Apgalvojums, par ko domā tikai sholasti – cilvēki, kuri nemeklē neko jaunu, bet mēģina "gudri spriedelēt" par acīmredzamām lietām. Taču šādu fizikas likumu nemainību neatkarīgi no tā, kurā vietā mēs tos pielietojam, sauc par fizikas likumu translācijas simetriju. Tāpat mēs domājam, ka fizikas likumi ir nemainīgi laikā. Tiem piemīt laika simetrija. Vēl likumi ir nemainīgi neatkarīgi no tā, kāda ir orientācija telpā. Biljarda bumbas kustas neatkarīgi no tā, vai biljarda galds ir pagriezts pret austrumiem vai ziemeļiem.

Emmija Nētere, Einšteins un Hilberts sāka domāt par relativitātes teoriju. Par ko mēs domājam, kad sakām, ka kaut kas ir relatīvs? Piemēram, ja pārvietojam smagu priekšmetu un pukstam, cik grūti to izdarīt. Tad nav svarīgi, no kuras vietas uz kuru to pārvietojam. Svarīgs ir tikai "relatīvais" pārvietojums jeb tas, par cik metriem priekšmets jāpārvieto. Klavieres uznest no otrā stāva uz trešo ir tikpat grūti, kā tās uznest no ceturtā uz piekto. Izdarīt to trešdien ir tikpat grūti kā ceturtdien. Svarīgi ir tikai tas, ka klavieres jāuznes vienu stāvu augstāk. Atkal skan sholastiski triviāli.

Par šo šķietami vienkāršo lietu domājot, bet nejautājot, kas notiek, pārvietojot smagu priekšmetu, ja pārvietošana nav atkarīga no vietas un laika, kur un kad tā jāveic, Emmija Nētere formulēja savu teorēmu, kura izrādījusies par vienu no nozīmīgākajām teorēmām mūsdienu fizikā.

Viņa atrada atbildi uz jautājumu, kāpēc jāsaglabājas enerģijai. Tā skan – enerģijas saglabāšanās likums ir tiešas sekas tam, ka fizikas likumi nemainās laikā. Tie nemainās mūsu dzīves laikā un arī visā Visuma gandrīz četrpadsmit miljardus ilgajā pastāvēšanas laikā. Tā vismaz šobrīd mēs domājam par fizikas likumiem.

Vēl vairāk. Biljarda bumbu sadursmē saglabājas lielums, ko fizikā sauc par kustības daudzumu. Neskaidrošu sīkāk, kas tas ir, bet pat tie, kuri aizmirsuši skolas fiziku, šo fundamentālo fizikas likumu, kas ir ķermeņu kustības pamatā, var intuitīvi asociēt ar izjūtu, cik daudz kustības ir masīvos ķermeņos un cik tikpat ātri kustošos mazāk masīvos ķermeņos. Tāpat ar kādu citu saglabāšanās likumu – kustības daudzuma momenta saglabāšanos – ir saistīta fizikas likumu nemainība (simetrija), mainot ķermeņu orientāciju telpā.

Tas ir nedaudz sarežģīti un abstrakti, bet pat fakts, ka fizikā saglabājas elektriskais lādiņš, ir saistīts ar noteiktu fizikas likumu simetriju, ko sauc par kalibrēšanas simetriju. Šī un līdzīgas simetrijas ir mūsdienu teoriju pamatā daļiņu fizikā. Fiziķu teorētiķu ikdienas leksikonā Eiropas Apvienotajā kodolpētniecības centrā CERN vārds "simetrija" šobrīd, iespējams, ir viens no visbiežāk lietotajiem terminiem. Varētu pat teikt, ka Nēteres 1915. gadā formulētā teorēma saistībā ar daļiņu fizikas attīstību ir ieguvusi jaunu elpu.

Pašas Emmijas Nēteres liktenis gan tik rožains neizvērtās. Daudzus gadus esot vīriešu matemātiķu un fiziķu ēnā, jo sievietēm 20. gadsimta sākumā kļūt par profesoru universitātē bija gandrīz neiespējami, tikai 1922. gadā Emmija Nētere ieguva pasniedzējas vietu ar noteiktu algu Getingenes Universitātē. Taču 1933. gadā nacistu režīms viņu kā ebrejieti no darba atlaida, un viņai neatlika nekas cits, kā doties emigrācijā uz Amerikas Savienotajām Valstīm. Tas bija laiks, kad ASV ieradās ļoti daudz pasaules klases zinātnieku no Eiropas un konkurence par darba vietām Amerikas universitātēs bija ļoti liela. Tomēr pēc Alberta Einšteina rekomendācijas Nētere tika pieņemta pašā prestižākajā Amerikas Savienoto Valstu pētniecības institūtā – Advancēto pētījumu institūtā Prinstonā. Tajā pašā gadā arī Enšteins nonāca šajā institūtā. Viņš mēdzis teikt, ka viņam esot metode, kā saprast jaunas un sarežģītas lietas. Einšteins lūdzis, lai tās viņam izskaidro Emmija Nētere. Tad viss kļūstot skaidrs. Diemžēl vēl lielākai un nopietnākai sadarbībai starp Einšteinu un Nēteri nebija lemts izveidoties. Nētere mira 1935. gadā tikai 53 gadu vecumā, ko izraisīja sarežģījumi pēc šķietami vienkāršas ķirurģiskas operācijas.

Profesora Auziņa zinātnes sleja

Vairāk

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