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.
Galvenais satraukuma iemesls bija ne tikai pati tēma, bet konteksts. Lekcija notika vakarā, kad bija zināms, ka nākamajā rītā Stokholmā Nobela prēmiju komiteja fizikā paziņos 2016. gada prēmijas laureātus. Fiziķu vidū bija liela pārliecība, ka šā vakara lektors jau nākamajā rītā pamodīsies kā 2016. gada Nobela prēmijas laureāts.
Kad mēs ar kolēģiem jau ļoti laikus ieradāmies Cellerbaha auditorijā, lai dabūtu labas vietas zālē, izrādījās, ka esam gandrīz nokavējuši. Zāli pildīja gan fiziķi, gan nefiziķi, gan prominenti profesori, tai skaitā Nobela prēmijas laureāti, kuru Bērklijā netrūkst, gan arī studijas tikko uzsākušie no visām universitātes fakultātēm. Tik liela bija interese par šo notikumu.
Mūsdienās nemaz tik bieži negadās, ka zinātnē notiktu tik spilgti un izcili notikumi, kad būtu pilnīgi skaidrs, ka tie pētījuma autoriem atnesīs Nobela prēmiju.
Kas ir gravitācijas viļņi?
Kas ir gravitācijas viļņi, un kādēļ tie radīja tik lielu interesi gan fiziķu, gan "citādi domājošo" sabiedrībā? Gravitācijas viļņu vēsture aizsākās 1916. gadā, kad Alberts Einšteins radīja savu vispārīgo relativitātes teoriju – teoriju par telpu, laiku un gravitāciju, liekot radikāli mainīt priekšstatus par to, kas ir telpa un laiks. 17. gadsimtā sers Īzaks Ņūtons savā traktātā "Dabas filozofijas matemātiskie pamati" formulēja to, ko cilvēki intuitīvi bija jutuši jau sen. Eksistē universāla, no cilvēka un vielas neatkarīga telpa, kurā atrodas visi esošie objekti. Ja nebūtu nekā materiāla, telpa joprojām paliktu. Ar šiem objektiem notiek dažādas pārvērtības – attīstība laikā. Arī laiks ir no cilvēka un lietām neatkarīgs. Tātad eksistē ne no kā neatkarīga universāla telpa un universāls laiks.
Einšteins ar savu gravitācijas teoriju piedāvāja radikāli citu skatu uz pasauli. Viņa redzējumā ķermeņi un telpa, kurā tie atrodas, nav atdalāmi. Ķermeņi ietekmē laiku un telpu. Jo masīvāks ķermenis, jo šī ietekme ir lielāka. Ķermeņi deformē laiktelpu, un tādēļ tie viens otru pievelk.
Skan abstrakti? Tā arī ir, taču varam izveidot nelielas ilustrācijas, analoģijas, kas palīdz domāt par šīm abstraktajām lietām, ļauj attīstīt mūsu intuīciju. Telpas ar trim dimensijām (garums, platums un augstums) vietā varam iedomāties pasauli, kurai ir tikai divas dimensijas – platums un augstums. Sauksim to par plakano pasauli. Vēl vairāk – iedomāsimies šo plakano pasauli kā tādu uz rāmja uzstieptu plānu gumijas membrānu. Ja uz šīs membrānas uzliek smagu lodi, tad gumija zem šīs lodes smaguma ieliecas un citas mazākas lodītes, kas var atrasties uz šīs virsmas, sāks ripot smagās lodes virzienā. Alberts Einšteins teica – nu, lūk, šī arī ir gravitācija. Tas, ka smagā lode pievelk citas lodītes, jāsaprot tā, ka smagā lode ir deformējusi, izliekusi telpu un vieglās lodītes ripo deformētajā telpā deformācijas virzienā. Tieši tāpat kā šo gumijas membrānu, tikai nedaudz sarežģītāk, var iedomāties šādu deformāciju nevis plakanajā, bet mūsu reālajā trīsdimensiju pasaulē.
Tik tālu par gravitāciju. Bet kur tad šeit gravitācijas viļņi? Viļņi rodas tad, ja telpas deformācija notiek strauji. Ja ūdenī iemetam akmeni, pa ūdens virsmu izplatās viļņi. Ja telpu deformējam strauji, piemēram, divas masīvas zvaigznes ātri rotē viena ap otru, rodas gravitācijas viļņi. Šo viļņu eksistenci paredzēja jau pats Einšteins vispārīgās relativitātes teorijas pirmsākumos. Mēs zinām, ka Einšteins par savas teorijas pareizību bija pilnīgi pārliecināts. Par to ir leģendām apvīts stāsts. 1919. gadā angļu astrofiziķis Artūrs Edingtons Saules aptumsuma laikā plānoja pārbaudīt Einšteina teoriju. Viņa mērķis bija mērīt, kā gaisma no tālām zvaigznēm noliecas Saules gravitācijas laukā. Kad Saule spoži spīd, to izdarīt ir grūti, bet aptumsuma laikā viegli novērot spožu zvaigzni pie Mēness aizsegtā Saules diska malas. Šajā laikā Einšteina teorija vēl bieži tika apšaubīta un Edingtona eksperiments tika uzskatīts kā izšķirošā pārbaude, vai Einšteinam ir taisnība. Iepriekšējā vakarā pirms Edingtona eksperimenta kāds žurnālists esot uzrunājis Einšteinu, sakot viņam: "Profesor, jums šī droši vien būs nemierīga nakts. Rīt no rīta tiks izlemts jūsu teorijas liktenis." Uz ko Einšteins esot atbildējis apmēram tā: "Nē, cienīts kungs. Es gulēšu ļoti mierīgi. Es taču zinu, ka mana teorija ir pareiza." Iespējams, ka, iegūstot leģendas nokrāsas, stāsts ne visās detaļās ir patiess, bet tas precīzi raksturo Alberta Einšteina pārliecību par savām teorijām.
Lieki teikt, ka Einšteinam izrādījās taisnība un Edingtona nomērītā tālas zvaigznes gaismas noliece Saules gravitācijas laukā izrādījās tieši tāda, kā Einšteins to bija paredzējis, un apstiprināja viņa gravitācijas teoriju.
Taču teorijā palika viena eksperimentāli nepārbaudīta lieta – iepriekš pieminētie gravitācijas viļņi. Bija netieši pierādījumi to eksistencei. Tā lielām, masīvām zvaigznēm, rotējot vienai ap otru, saskaņā ar Einšteina teoriju ir jāizstaro gravitācijas viļņi. Bet viļņi, kas tiek izstaroti, neizbēgami aiznes prom arī enerģiju. Tātad rotējošas zvaigznes gravitācijas viļņu izstarošanas rezultātā zaudē enerģiju un tuvojas viena otrai. To rotācijas periods samazinās. Tad, lūk, šādu zvaigžņu rotācijas perioda samazināšanos astronomi novēro, un tas notiek tieši tik ātri, kā to paredz Einšteina relativitātes teorija.
Taču vēl pārliecinošāki būtu tieši gravitācijas viļņu novērojumi. Kā to izdarīt, kas notiek, piemēram, istabā, kad caur to izplatās gravitācijas viļņi? Notiek šādi – ja caur telpu izplatās gravitācijas vilnis, telpas daļa, kuras garums un platums ir vienādi, pēkšņi kļūst nedaudz garāka un nedaudz šaurāka. Vai to var nomērīt? Izrādās, ka var. Fiziķi ir izveidojuši nu jau vairākus gravitācijas viļņu detektorus. To darbības princips ir šāds. Tiek raidīts lāzera stars divos savstarpēji perpendikulāros virzienos. Tad noteiktā attālumā, kas pirmajos detektoros bija četri kilometri no stara avota, gaisma ar spoguļiem tiek atstarota atpakaļ. Atgriežoties sākuma punktā, tiek salīdzināts, cik daudz laika bija nepieciešams katram no perpendikulārajiem stariem, lai veiktu savu ceļu. Fizikā šo salīdzināšanu veic, liekot abiem stariem mijiedarboties – interferēt. Ja mērījuma laikā caur šo aparātu izplatās gravitācijas vilnis, tad viena stara ceļš kļūs garāks, bet otra īsāks. To šī iekārta spēj pamanīt.
Ko lēma Nobela prēmijas komiteja?
Rodas jautājums, kādēļ vajag tik garu ceļu – četrus kilometrus – un kādēļ vajadzēja tik ilgu laiku, lai gravitācijas viļņus detektētu? Atbilde ir nepieciešamā precizitāte. Gravitācijas viļņa darbības rezultātā šis četrus kilometrus garais ceļš pagarinās un saīsinās pavisam nedaudz. Tas pat būtu maigi teikts. Šie četri kilometri izmainās par vienu tūkstošo daļu no protona izmēriem. Zinām, ka atoms ir ļoti mazs. Bet protoni, kas kopā ar neitroniem veido atoma kodolu, ir vēl simttūkstoš reižu mazāki par atomu. Ir grūti iedomāties, kā tik mazu izmaiņu – tūkstošo daļu no protona – var nomērīt!? Tas patiešām ir grūti, un tādēļ vajadzēja tik daudz laika, lai gravitācijas viļņus tiešām novērotu. Padomājiet, cik stabili ir jābūt nostiprinātiem lāzera starus atstarojušajiem spoguļiem, lai tie mērījuma laikā neizkustētos pat par šo mazo attālumu! Tādēļ gravitācijas viļņu detektoram jāatrodas ļoti nomaļā vietā. Pat desmitiem kilometru tāla autostrāde var izraisīt vibrācijas zemē, kas gravitācijas viļņu mērījumus padarīs neiespējamus. Citstarp, lai būtu pilnīga drošība par viļņu detektēšanu, ASV tika veidoti divi detektori, kas atradās tūkstošiem kilometru viens no otra – viens Luiziānas, otrs Vašingtonas pavalstī. Un tikai tad, kad abi vienlaikus redzēja vienādus signālus, bija skaidrs, ka gravitācijas viļņi ir ieraudzīti un detektēti tieši un nešaubīgi. Nākamais solis – domāt par gravitācijas viļņu observatorijām, kas ļautu pētīt Visumu pēc tā, kādi gravitācijas viļņi tajā izplatās.
Bet atgriežoties pie stāsta sākuma. Vai otrā rītā Rainers Veiss pamodās kā Nobela prēmijas laureāts? Lai arī visās lekcijas vakara uzrunās un tai sekojošajā pieņemšanā gan tiešāk, gan netiešāk tika izteikti mājieni, ka tā notiks, Nobela prēmija 2016. gadā Raineram Veisam un viņa kolēģiem vēl piešķirta netika. Nobela prēmijas komitejas diskusiju gaita, protams, oficiāli nav zināma. Taču neoficiāli ir zināms, ka komitejas locekļi nolēma, drošs paliek nedrošs, pagaidīt, līdz gravitācijas viļņu detektors reģistrēs lielāku skaitu viļņu. Pirmo reizi gravitācijas viļņi tika reģistrēti 2015. gada 14. septembrī, un par to tika paziņots tikai 2016. gada 11. februārī, pārbaudot, vai tomēr mērījumos nav kāda kļūda. Šo gravitācijas vilni bija radījusi divu melno caurumu sadursme, kas bija notikusi vairāk nekā miljarda gaismas gadu attālumā no Zemes. 2016. gadā gravitācijas viļņus novēroja vēl tikai divas reizes. Tādēļ Nobela prēmiju komiteja nogaidīja vēl vienu gadu un vēl citus gravitācijas viļņu novērojumus, līdz 2017. gada oktobrī paziņoja, ka Nobela prēmija fizikā tiek piešķirta trim fiziķiem – Raineram Veisam, Berijam Berišam un Kipam Tornam par izšķirošu ieguldījumu gravitācijas viļņu detektora izveidē un gravitācijas viļņu detektēšanu.
Profesora Auziņa zinātnes sleja
