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.
Daudz mazāk ir arī mikroskopu amatieru biedrības. Taču tas, ko varam ieraudzīt optiskajos mikroskopos, iespējams, ir vēl fascinējošāk par to, ko iespējams saskatīt teleskopos, veroties debesīs.
Piemēram, mikroskopā var apskatīt gan augu šūnas un to struktūru, gan mušas aci, gan ieraudzīt atsevišķus mikrobus un to kustību.
Starp citu, Anglijas Karaliskās biedrības viena no pirmajām izdotajām grāmatām bija Roberta Huka grāmata par mikroskopu – "Micrographia", kuras pirmais izdevums tika nodrukāts 1665. gadā. Tā uzreiz kļuva par bestselleru, un tās pirmais izdevums tika izpārdots burtiski dažu dienu laikā. Grāmata saturēja virkni lielu, pat četrkārtīgi salokāmu ieliktņu ar filigrāniem, ļoti detāliem mikroskopā redzamo attēlu zīmējumiem. Piemēram, tur ir atrodams fascinējošs un iztēli rosinošs blusas attēls. Starp citu, lasītājs daļu no šiem attēliem var apskatīt Lielbritānijas Nacionālās bibliotēkas mājaslapā Roberta Huka grāmatai veltītā sadaļā. Vēl Huks savu mikroskopu izmantoja dažādu kristālu, tai skaitā sniegpārsliņu, aplūkošanai, tādējādi virzot uz priekšu vielas struktūras izpēti. Viņš tiek uzskatīts par ļoti kaislīgu aizstāvi agrīnajai teorijai, kas apgalvo, ka viela ir veidota no atsevišķām daļiņām – atomiem. Viņa grāmatā var atrast attēlus, kur mikroskopā novērojamo vielas kristāliņu stūros ir iezīmēti apaļi atomi, tādējādi uzsverot, ka, pēc Huka domām, noteiktā simetriskā veidā sakārtoti atomi veido vielas kristālus.
17. gadsimtā stikla slīpēšana un lēcu izgatavošana gan teleskopiem, gan arī mikroskopiem kļuva par pieprasītu profesiju. Atliek vien atcerēties, ka slavenais filozofs Benedikts Spinoza, kad Amsterdamā tika izraidīts no sinagogai piederīgās kopienas, pelnīja sev iztiku ar lēcu slīpēšanu.
Gan lēcas, gan mikroskopi kopumā bija dārgi instrumenti un bieži tika veidoti gandrīz kā mākslas priekšmeti. Šobrīd Kalifornijas Universitātē Bērklijā Bioloģijas fakultātē permanenti atrodas ļoti liela un iespaidīga vēsturisko mikroskopu ekspozīcija. Pat neko nezinot par mikroskopu vēsturi, to var vērot kā ļoti estētisku priekšmetu izstādi, kur mikroskopu tubusi ir veidoti gan no ziloņkaula, gan no misiņa, bronzas un vara, ko rotā dažādi grebumi.
Ieraudzīt mikroskopisko dzīvību
Viens no lielākajiem mikroskopu entuziastiem bija holandiešu audumu tirgotājs Antonijs van Lēvenhuks. Viņš savas dzīves laikā esot izgatavojis vairāk nekā 250 mikroskopus. Lēvenhuka mikroskopi gan bija veidoti tikai no vienas lēcas, kas daudz neatšķīrās no ideālas sfēras un tādēļ bija jātur ļoti tuvu acij.
Tātad mikroskops savos pirmsākumos daudz neatšķīrās no tā, ko mēs šodien saucam par palielināmo stiklu. Tikai šis palielināmais stikls novērošanas ērtībai tika iestiprināts noteiktā statīvā, kurā bija gan lēca, gan galdiņš, kur novietot apskatāmo objektu, gan bieži vien arī papildspoguļi, lai apgaismojumu koncentrētu uz novērojamo objektu un tādējādi to padarītu labāk redzamu. Lēvenhuks bija viens no pirmajiem, kurš mikroskopā ieraudzīja dažādus mikroorganismus, piemēram, baktērijas, kas savairojušās netīrā ūdenī. Tas bija liels pārsteigums – ieraudzīt šo iepriekš neredzēto mikroskopisko dzīvību.
Sākotnēji pat radās diskusija, vai šāda dzīvība patiešām var pastāvēt vai tā ir vienkārši kāda optiska ilūzija, optisks māns.
Cik mazas lietas ar mikroskopu iespējams ieraudzīt?
Lēcu izgatavošanas tehnoloģijas aizvien pilnveidojas. Tie, kuri lieto brilles, zina, cik precīzas lēcas, lai izlabotu pat vissmalkākos individuālās redzes defektus, mūsdienās ir iespējams izgatavot. Vai tas nozīmē, ka, tehnoloģijām pilnveidojoties, optiskajā mikroskopā spēsim ieraudzīt aizvien mazākus objektus? Tomēr nē. Mikroskopiem, kas mazu lietu apskatīšanai izmanto gaismu, ir pašas dabas uzlikti principiāli ierobežojumi, cik dziļi tie spēj ieskatīties mazu lietu pasaulē, un šādi ierobežojumi ir vairāki. Ar dažiem zināmās robežās var cīnīties un mēģināt tos pārvarēt, savukārt citi ir fundamentāli nepārvarami.
Sāksim ar to, ka redzamā gaisma sastāv no dažādu varavīksnes krāsu komponentēm jeb gaismas sastāvdaļām ar dažādu viļņu garumu. Katra gaismas viļņa garums lēcā "lūst" jeb noliecas nedaudz atšķirīgi. Jūs jautāsiet, kā tas ietekmē mikroskopu? Šīs dažādās laušanas dēļ visu krāsu gaismas komponentes lēcā nesafokusējas vienā punktā. Sarkana krāsa fokusējas nedaudz tālāk no lēcas, bet violeta – nedaudz tuvāk lēcai. Tādēļ mazs objekts, ko gribam apskatīt mikroskopā, lielā palielinājumā sāk izskatīties neass, izplūdis un mēs vairs nespējam izšķirt attēlā mazas detaļas. Šo trūkumu, ko sauc par hromatisko aberāciju, mūsdienās var mēģināt novērst, izmantojot mikroskopā vienlaicīgi vairākas lēcas, kas izgatavotas no nedaudz atšķirīga stikla ar dažādām īpašībām.
Cits mikroskopa iespējas ierobežojošs faktors ir fakts, ka gaisma ir vilnis. Varbūt, skatoties uz viļņiem, piemēram, uz ūdens virsmas, esam pamanījuši, ka viena no viļņu īpašībām ir tāda, ka tie neizplatās tikai taisnā virzienā vien. Ja to ceļā gadās šķērslis, tie mēģina šo šķērsli nedaudz apliekt. Šo vispārējo parādību "gudrā" vārdā sauc par viļņu difrakciju. Mikroskopā difrakcija arī rada attēla izplūšanu – attēls mazās detaļās ir neass. Fiziķi pierādījuši, ka difrakcija neizbēgami noved pie tā, ka ar optisko mikroskopu nav iespējams ieraudzīt objektus, kas ir mazāki par gaismas viļņa garumu.
Te nu mēs esam. Cilvēka acs spēj uztvert gaismu ļoti šaurās robežās. Īsākais viļņa garums, ko redzam, ir tikai nedaudz mazāk par 0,4 mikrometriem, bet garākais – nedaudz vairāk par 0,7 mikrometriem. Tātad objektus, kuru izmēri ir stipri mazāki par vienu mikrometru, ieraudzīt optiskajā mikroskopā nekad nevarēsim. Vai par to jābēdājas?
Vai ir daudz lietu, ko būtu interesanti redzēt un kas ir mazākas par šiem izmēriem?
Ir gan. Droši vien būtu fascinējoši ieraudzīt atomus un molekulas. Par to taču tik bieži lasām un tik daudz runājam. Cik liels ir atoms? Tas ir apmēram desmit tūkstoš reižu mazāks nekā gaismas viļņa garums, tādēļ mums nav cerību to ieraudzīt optiskajā mikroskopā.
Vai pamanījāt, ka, rakstot par mikroskopu, visu laiku cītīgi lietoju vārdu salikumu – optiskais mikroskops vai gaismas mikroskops? Varbūt ir iespējams plašāk domāt par to, ko mēs saprotam ar vārdu "ieraudzīt" un kādus viļņus var izmantot šim nolūkam? Nesen šajā slejā rakstīju par to, ka elektrons brīžam var būt daļiņa un brīžam – vilnis. Izmantojot elektrona viļņu īpašības, mikroskopā gaismas vietā var izmantot elektronus. Kvantu fizikā pētīto ar elektronu saistīto Debrojī viļņu garums samērā viegli var sasniegt atoma izmērus. Tātad ar tiem varēs ieraudzīt atomus. Protams, lai fokusētu šos ar elektroniem saistītos viļņus, parastās lēcas nederēs. Vajadzēs izmantot magnētisko lauku. Taču to šobrīd fiziķi prot ļoti labi. Viss jāievieto vakuumā, jo citādi elektroni pa ceļam uz pētāmo objektu sadursies ar gaisa molekulām un tās traucēs apskatīt interesējošo objektu. Var nojaust, ka elektronu mikroskops sāk izskatīties pēc samērā liela, komplicēta un tādēļ arī dārga aparāta.
Tā tas arī ir, bet labi aprīkotās laboratorijās tas nav nekāds retums.
Runājot par elektronu mikroskopu, arī vārds "ieraudzīt" jāsaprot nedaudz plašāk. Ar aci Debrojī viļņus gluži redzēt gan nevar. Šis elektronu viļņu radītais attēls būs jāfiksē ar mērierīcēm un tad ar datora palīdzību "jāpārtulko" attēlos, ko iespējams apskatīt.
Izrādās, ka arī elektronu mikroskopa piedāvātās iespējas vēl nav robeža. Izmantojot tādas neparastas kvantu fizikas parādības kā tuneļefekts, pasauli iespējams izzināt vēl mazākās detaļās. Tas ir ļoti interesanti, bet par tuneļefektu, tā atklāšanu un pielietojumiem kādu citu reizi.
Profesora Auziņa zinātnes sleja
