Elektrons, bez kura nebūtu elektrības. Profesora Auziņa zinātnes sleja

Pievērs uzmanību – raksts publicēts pirms 1 gada un 4 mēnešiem.

Pirms daudziem gadiem, vēl tā saucamajā padomju laikā, manā laboratorijā tika iegādāts ļoti nopietns Amerikas Savienotajās Valstīs ražots lāzers. Tā bija tik komplicēta ierīce, ka firma atsūtīja savu pārstāvi, lai tas lāzeru iedarbinātu un apmācītu mūs ar to strādāt. Kungs to paveica nevainojami, bet pēc tam teica, ka viņam esot viena vēlēšanās. Vai mēs nevaram palīdzēt to piepildīt? Viņš kā suvenīru gribētu iegādāties "koka kalkulatoru". Sākotnēji ne man, ne maniem kolēģiem nebija skaidrs, par kādu koka kalkulatoru varētu  būt runa. Taču maz pamazām noskaidrojām, ka mūsu viesis vēlas iegādāties skaitāmos kauliņus.

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.

Droši vien tikai vecākās paaudzes lasītāji atceras, ka pirms gadiem trīsdesmit un vairāk šādi skaitāmie kauliņi vai skaitīkļi bija neaizstājams instruments katrai pārdevējai veikalā. Pārdevējas veikli pārvietoja vairākās rindās uz horizontāliem stienīšiem izvietotus koka kauliņus un ātri sarēķināja, cik pircējam ir jāmaksā par viņa pirkumu.

Šie skaitīkļi bija vienkāršots variants senam skaitīšanas rīkam – abakam, kas pirms vairākiem gadu tūkstošiem radīts Senajā Ķīnā. Starp citu, vēl tagad šajā zemē tiek rīkotas ātrrēķināšanas sacensības, izmantojot abaku. Ar to var veikt ļoti sarežģītus rēķinus, pat tādus kā kuba saknes izvilkšana no lieliem skaitļiem.

Taču šobrīd ikdienā mums grūti iedomāties savu dzīvi bez elektroniskām ierīcēm, sākot no nedaudz arhaiskiem elektroniskiem galda kalkulatoriem līdz dažādām viedierīcēm, kurās kalkulators ir tikai viena no funkcijām, un arī tad tālu ne pati galvenā. Un, lai cik ātri sarežģītus rēķinus var izdarīt ar skaitīkļiem vai abaku, tas nevienā pozīcijā nevar turēt līdzi elektroniskām ierīcēm.

Kas vieno visas šīs elektroniskās ierīces? To pasaka nosaukumā iekļautais vārds – elektroniskas. Tātad elektroni, kuru pārvietošanās vados un mikroshēmās ļauj datoriem, planšetēm, viedtālruņiem un visām citām elektroniskām ierīcēm darīt to, par ko mēs tik augstu tās vērtējam. Šo elektronu pārvietošanos gan viedierīcēs, gan arī elektroapgādes tīklā sauc par elektrisko strāvu. To pašu strāvu, kura piegādā elektroenerģiju mūsu mājās un kuras cena šobrīd mūs dara kreņķīgus. Elektroni ir kļuvuši dārgāki.

Tā kā elektroniem ir tik izšķiroši svarīga vieta mūsu sadzīvē, šoreiz gribu parunāt par to, ko fiziķi zina un ko nezina par šo daļiņu.

Elektrons tika atklāts samērā vēlu. Vēl kādu laiku pēc tam, kad angļu fiziķis Džeimss Klarks Maksvels bija uzrakstījis savus vienādojumus, kas apvienoja visas elektriskās un magnētiskās parādības vienotā harmoniskā un matemātiski elegantā teorijā, ne viņam, ne arī kādam citam nebija ne mazākās nojausmas, ka viņa vienādojumos figurējoša elektriskā strāva patiesībā ir elektronu plūsma. Par šo neziņu mēs "maksājam" vēl joprojām ar zināmu nekonsekvenci fizikas vienādojumos. Maksvels un viņa līdzgaitnieki, neko nezinot par elektroniem, pieņēma noteiktu strāvas plūšanas virzienu vados. Viņiem nelaimējās. Viņu pieņemtais virziens izrādījās pretējs tam virzienam, kā vados pārvietojas elektroni, kas šo strāvu rada. Kāds no tā ļaunums? Nekāds lielais, izņemot to, ka elektriskās parādības aprakstošajos vienādojumos ik pa brīdim parādās it kā neloģiskas un kaitinošas mīnuszīmes.

Tātad elektronus 1897. gadā vienā no Kembridžas Universitātes laboratorijām – Kavendiša laboratorijā – atklāja fiziķis, kura uzvārds ir Tomsons. Viņš bija izteikts teorētiķis, un viņa padotie Tomsonu laboratorijā redzēja nelabprāt, jo "boss" savā neveiklībā laboratorijā parasti kaut ko saplēsa vai salauza. Taču Tomsona iecerētie un viņa līdzstrādnieku veiktie eksperimenti 19. gadsimta pašās beigās noveda pie elektrona atklāšanas.

Ko šodien zinām par elektronu, un kādus noslēpumus tas vēl glabā? Elektrons ir vienīgā patiešām elementārā daļiņa – pirmelements, ar ko sastopamies ikdienā.

Pārējās vielu veidojošās elementārās daļiņās, tādas kā kvarki un neitrīno, ir novērojami tikai gana komplicētos, speciāli tam veidotos eksperimentos. Sākot jau no antīkās pasaules sengrieķu domātājiem, cilvēki vienmēr mēģinājuši atrast to, no kā pasaulē veidots viss cits. Tos elementāros "ķieģelīšus", kurus tālāk sadalīt vairs nav iespējams un no kuriem viss pārējais mums apkārt esošais ir uzbūvēts. Pašos sākumos apmēram 500 gadu pirms mūsu ēras radās sajūta, ka viss varētu būt veidots no četriem pirmelementiem – zemes, ūdens, gaisa un uguns. Tad teorijas kļuva abstraktākas, un Demokrīts, balstoties dažu priekšgājēju idejās, nonāca līdz idejai par nedalāmu pirmelementu – atomu. Vārds atoms jeb atomos sengrieķu valodā nozīmē nedalāmais. Taču pēc daudziem gadiem, 19. gadsimtā, tika konstatēts, ka atoms nav nemaz tik nedalāms. Tas sastāv no atoma kodola un elektroniem, savukārt kodols sastāv no protoniem un neitroniem. Bet arī tas nav viss. Neitroni un protoni sastāv no kvarkiem. Šobrīd neprasiet, kas tie tādi. Atstāsim stāstu par kvarkiem kādai citai reizei. Tiktāl par kodolu.

Bet kā ar elektroniem? No kā tie sastāv, ja jau atoma kodols ir tik sarežģīts? Šobrīd domājam, un šādam apgalvojumam ir nopietns pamats, ka elektrons ir patiešām pamatķieģelītis, elementārā daļiņa, kas hierarhijā veido pirmo soli. Tas ir hierarhijas sākums, un nav atbildes jautājumam, no kā tas sastāv. Ir daudzi iemesli šādi domāt, bet viens no tiem ir vienkārši paskaidrojams.

Kā zinām, ka, piemēram, protons sastāv no mazākām daļiņām – kvarkiem?

Protonus var "apšaudīt" ar elektroniem un pēc tā, kā šie elektroni izkliedējas, mijiedarbojoties ar protonu, ieraudzīt, ka tā iekšienē ir trīs centri – trīs kvarki, kas elektronus izkliedē. Uztaisām tādu kā protona rentgena uzņēmumu, tikai nevis ar rentgena stariem, bet ar elektroniem. To pašu var darīt ar elektroniem, izkliedes eksperimentos mēģinot ieraudzīt, vai to iekšienē nav ieraugāmas citas daļiņas, kas parādītu elektrona "graudaino" struktūru. Šādi eksperimenti rāda, ka elektrona radītais lauks ir pilnīgi ideāli sfērisks, bez graudainības. Cik sfērisks? Skaitļus vizualizējot, var apgalvot, ja elektronu palielinātu līdz Saules sistēmas izmēriem, tad tā platums neatšķirtos no augstuma vairāk kā par cilvēka mata izmēriem. Un arī tas nenozīmē, ka par šādiem izmēriem garums un platums atšķiras. Vienkārši vēl precīzāk šobrīd nomērīt nemākam.

Taču cik liels ir elektrons? Ar šo jautājumu fiziķi nonāk ļoti neērtā situācijā. Mēs domājam, ka elektrons ir punktveida daļiņa.

Atceros, ka reiz, šo stāstot kādā labi izglītotā, bet no matemātikas tālu esošā auditorijā, es saņēmu ļoti saprotamu iebildi. Tomēr – cik liels? Punkts, vismaz tāds, kādu to uzzīmējam uz papīra, var būt gan lielāks, gan nedaudz mazāks, bet, lūk, matemātikā punkts ir abstrakcija. Tam nav izmēru. Tas ir "izzūdoši" mazs. Tātad elektronam nav izmēru. Tas ir punkts matemātiskā nozīmē. Vai šo dīvaino domu var pārbaudīt eksperimentāli? Jā, elektronu var mēģināt mērīt, cik tas ir liels, un tad ar to precizitāti, ar kādu fiziķi spēj veikt eksperimentu, var apgalvot, ka elektrons nav lielāks par šo precizitāti. Šobrīd ir konstatēts, ka elektrons noteikti ir mazāks par simttūkstošo daļu no protona izmēriem.

Ar to elektrona neparastums nebeidzas. Tā elektriskais lādiņš pēc lieluma pilnīgi precīzi sakrīt ar protona lādiņu, bet ir ar pretēju zīmi. Tādējādi atomos un arī visā Visumā pozitīvie lādiņi protonā un negatīvie lādiņi elektronos summā viens otru līdzsvaro un gan atoms, gan Visums kopumā ir elektriski neitrāls. Protona un elektrona lādiņiem tikai pavisam nedaudz atšķiroties, šādas neitralitātes nebūtu. Atceroties, ka elektroniem nav nekāda sakara ar kvarkiem, kas veido protona lādiņu, šāds lādiņu gandrīz neiespējams līdzsvars vēl gaida savu izskaidrojumu.

20. gadsimta sākumā angļu fiziķis Pols Dīraks, apvienojot kvantu fiziku ar Alberta Einšteina speciālo relativitātes teoriju, kas apraksta daļiņas, kuras kustas ar ātrumu, kas ir tuvs gaismas ātrumam, radīja pirmo elektrona teorētisko aprakstu. Tas nodemonstrēja matemātikas neparasto paredzēšanas spēju.

Rēķinot elektrona enerģiju, Dīraks ieguva formulu, kas rādīja, ka elektrona enerģija ir izrēķināma kā kvadrātsakne no noteikta lieluma. Ceru, ka vismaz daļa no mums vēl atceras skolā mācīto, ka kvadrātsakne no četri nav vienkārši divi, bet gan var būt gan plus divi, gan arī mīnus divi. Šo mīnus divi mums vienmēr piekodināja neaizmirst. Dīraks, velkot kvadrātsakni, formāli ieguva gan labi saprotamu pozitīvu elektrona enerģiju, gan arī nesaprotamu negatīvu enerģiju. Kā daļiņas enerģija var būt negatīva? Nevar būt! Pēc ilgām pārdomām viņš saprata, ka izeja ir tikai viena. Pieņemot, ka līdzās zināmajam elektronam, kura lādiņš ir negatīvs, eksistē vēl cits elektrons, ko tagad saucam par pozitronu. Tas ne ar ko citu neatšķiras no elektrona kā vienīgi ar to, ka tā lādiņš ir pozitīvs. Dažus gadus vēlāk Karls Andersons, pētot pie mums no kosmosa atlidojušās daļiņas, šos pozitronus tik tiešām atklāja. Te parādās matemātikas absolūti fascinējoša īpašība.

Šķietami nesaprotami un pirmajā brīdī absurdi, piemēram, negatīva enerģija, vienādojumu atrisinājumi, pēkšņi izrādās ar dziļu jēgu un eksperimentētājiem parāda ceļu uz jauniem atklājumiem.

Tagad mēs zinām, ka ne tikai elektronam, bet katrai elementārdaļiņai eksistē tās "pārinieks", kas atšķiras no tās tikai ar lādiņa zīmi. Mūsdienās tās sauc par antidaļiņām, kas kopā veido antivielu jeb antimatēriju. Nobeigumā tikai teikšu, ka antimatērija, lai arī zinātniskās fantastikas literatūrā bieži pieminēta, ir reāli eksistējoša. Ar saviem noslēpumiem un neatbildētiem jautājumiem. Bet tā ir atsevišķa tēma.

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