Kā Einšteina kļūda noveda pie šā gada Nobela prēmijas fizikā. Profesora Auziņa zinātnes sleja

Mēs labi apzināmies, ka Nobela prēmiju piešķiršanā ne tikai literatūrā, bet arī zinātnē vienmēr ir liela deva subjektīvisma. Šis nav sports, kur precīzi var noteikt, kurš censonis finišējis par dažām sekundes simtdaļām ātrāk nekā citi. Zinātnes un mākslas sasniegumi šādā veidā nav nomērāmi.

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.
Sākšu ar to, ka man ir liels prieks un gandarījums par šā gada Nobela komitejas lēmumu piešķirt Nobela prēmiju fizikā trīs pētniekiem – Alenam Aspē, Džonam Klauzeram un Antonam Ceilingeram. Uzdrīkstēšos apgalvot, ka fiziķu vidū jau sen tika diskutēts – Antons Ceilingers un viņa kolēģi šo prēmiju pelnījuši.

Romantisma laiks fizikā?

Atceros pirms kāda laika notikušas sarunas ar diviem saviem kolēģiem no Braitonas Lielbritānijā un no Rīgas. Pirmais, Antonijs Makafrijs, man teica: "Agrāk fizikā tika novērtēti tie, kuri attīstīja trakas idejas, bet tagad laiki ir mainījušies un izkrist no "kopējā kora" nav pieklājīgi." Otrs, Roberts Damburgs, ne vienreiz vien mēdza atgādināt: "Mārci, paskaties, par ko tagad piešķir Nobela prēmijas fizikā? Par kaut kādiem nelieliem, bieži vien vairāk tehnoloģiskiem nekā fundamentālās fizikas atklājumiem, par kuriem pēc pāris gadiem vairs neatceramies, kas un par ko Nobela prēmiju saņēma…"

Šie, iespējams, ir pārspīlējumi, bet viens gan ir pilnīgi droši.

Šā gada Nobela prēmija fizikā ir par ļoti skaistiem fundamentāliem pētījumiem kvantu fizikā. Gribētos cerēt, ka lielā romantisma laiks fizikā atgriežas.

Par to liecina arī 2020. gada Nobela prēmija fizikā, no kuras pusi saņēma Kembridžas Universitātes profesors Rodžers Penrouzs, kuru daudzi uzskata par neordināru savrupa ceļa gājēju. Bet par viņu kādu citu reizi.

Einšteina  neapmierinātība

Šoreiz par to, kā Einšteina kļūda noveda pie pētījumiem, kas vainagojās ar šā gada Nobela prēmiju. Jā, dažreiz gadās, ka ģeniālu cilvēku kļūdas var būt tik izcilas, ka rada jaunu pētījumu virzienu un veicina izcilus atklājumus.

Sāksim ar to, ka Einšteinam, lai arī viņš savu Nobela prēmiju fizikā 1921. gadā saņēma tieši par atklājumiem kvantu fizikā, šī teorija līdz viņa mūža beigām nekad nešķita laba un pabeigta. Viņš apgalvoja: "Kvantu mehānika noteikti ir iespaidīga. Bet iekšējā balss man saka, ka tā vēl nav galīgā teorija. Šī teorija ļauj izdarīt daudz, bet īsti netuvina mūs "vecā vīra" [Dieva] noslēpumam. Es neticu, ka viņš spēlē kauliņu spēli."

Slejā vēl vari lasīt:

Kas tad Einšteinam nepatika kvantu teorijā? Paskaidrošu to ar analoģiju. Pieņemsim, ka atomu līmenī objektam ir kāda īpašība, kam var būt dažādas vērtības. Piemēram, daļiņa var būt vai nu zila, vai sarkana. Krāsas šeit nav jāsaprot burtiski, bet tikai kā analoģija. Fiziķi biežāk runātu par tādām abstraktām daļiņas īpašībām kā spina orientācija – tas var būt vērsts vai nu uz augšu, vai uz leju. Bet, lai izvairītos no nepieciešamības skaidrot, kas ir spins, paliksim pie krāsas. Kā mēs ar savu lietu klasiskās fizikas pasaulē iegūto pieredzi gribam par to domāt. Tātad ir šī daļiņa, kas var būt vai nu zila, vai sarkana. Tā atrodas slēgtā kastē. Lai arī pirms kastes atvēršanas es nezinu, kādas krāsas daļiņu, kasti atverot, ieraudzīšu, tai tomēr piemīt viena no divām iespējamajām krāsām arī pirms kastes atvēršanas. Protams, kā gan citādi?!

Citādi – apgalvo kvantu fizika. Tā saka – daļiņai ir potenciāla iespēja būt vai nu sarkanai, vai zilai pirms kastes atvēršanas. Bet tai nepiemīt neviena no šīm krāsām.

Daļiņa spontāni pieņems vienu no divām iespējamajām krāsām tikai tajā brīdī, kad kaste tiks atvērta. Jocīgs un ne sevišķi pārliecinošs apgalvojums? Ja jums tā šķiet, tad jūs esat vienā kompānijā ar Albertu Einšteinu. Viņš arī tā uzskatīja, un, lai kvantu mehānikas apgalvojuma šķietamo absurdumu nodemonstrētu, viņš kopā ar vēl diviem saviem kolēģiem Borisu Podoļski un Nātanu Rozenu piedāvāja domu eksperimentu, lai, kā viņiem šķita, nodemonstrētu kvantu fizikas apgalvojuma absurdumu.

Kvantu fizika nav pilnīga, pat, ja tā ir patiesa

Fizikā šis domu eksperiments ir pazīstams kā Einšteina-Podoļska-Rozena paradokss. Fizikas popularitāti tai laikā labi parāda fakts, ka pēc šīs idejas publicēšanas fizikas žurnālā tā publiski tika atreferēta ļoti plaši un laikraksts "The New York Times1934. gada 4. maijā iznāca ar virsrakstu "Einšteins uzbrūk kvantu teorijai". Turpinot – kvantu fizika nav pilnīga, pat ja tā ir patiesa. Tas bija laiks, kad avīzes uz ielām pārdeva avīžu puikas. Un mēs varam tikai iztēloties, kā mazi zēni, lai piesaistītu garāmgājēju uzmanību Ņujorkas ielās, sauca: "Pērciet jaunāko avīzes numuru, Einšteins uzbrūk kvantu teorijai!"

Ko tad Einšteins ar kolēģiem piedāvāja? Samērā vienkāršus apsvērumus. Turpinot pārfrāzēt Einšteinu un daļiņas spina vietā lietojot analoģiju ar krāsu, tas skanētu šādi. Mēs varam radīt divas daļiņas un to izdarīt tā, lai būtu droši, ka tām ir pretējas krāsas. Ja viena ir zila, tad otra ir sarkana. Ja mēs ticam kvantu mehānikai, tad šīs krāsas ir tikai potenciāla iespējamība, bet katra no daļiņām kļūs sarkana vai zila tikai mērījuma brīdī – tad, kad mēs uz daļiņu paskatīsimies un tās krāsu konstatēsim (fiziķi teiktu – nomērīsim). Tagad šīs daļiņas ir aizlidojušas Visuma pretējās malās.

Domu eksperiments jau tādēļ ir domu eksperiments, ka tas pieļauj šādus ekstrēmus gadījumus. Tagad Visuma vienā malā daļiņas krāsa tiek nomērīta.

Pieņemsim, tā izrādās sarkana. Ja ticam kvantu fizikai, tad tajā pašā brīdī Visuma otrā malā otrai daļiņai vairs nav izvēles mērījuma brīdī kļūt sarkanai vai zilai. Brīdī, kad pirmā daļiņa kļuva sarkana, otrajai daļiņai bija jākļūst zilai. Izklausās traki, vai ne? Kā otrā daļiņa var zināt, ka pirmo kāds ir mērījis? Tādēļ Einšteins piedāvāja izdarīt šķietami acīm redzamu secinājumu. Daļiņām šīs krāsas piemita jau pirms mērījuma, un domāt, ka tās radās tikai mērījuma brīdī, ir absurdi. Šķiet ļoti pārliecinoši.

Skan neiespējami dīvaini

Taču izrādījās, ka, šo apgalvojot, Einšteinam ar kolēģiem tomēr nebija taisnība. Šo domu eksperimentu 1964. gadā modificēja un attīstīja tālāk britu fiziķis teorētiķis Džons Bells. Turpinot analoģiju ar krāsām, viņa paredzējums var ilustrēt šādi. Viņš piedāvāja domāt par daļiņām ne tikai kā par krāsainām bumbiņām, bet kā par krāsainiem spēļu kauliņiem, uz kuru sāniem ir uzzīmēti no viena līdz sešiem punktiem. Viens kauliņš joprojām ir sarkans, otrs zils. Tie atkal ir Visuma pretējās malās. Viens eksperimentētājs apskata viena kauliņa krāsu. Pieņemsim, tā ir zila. Mēs uzreiz zinām, ka otrs eksperimentētājs otrā Visuma malā ieraudzīs sarkanu kauliņu.

Bet Džons Bells turpina – tagad pirmais eksperimenta dalībnieks papildus paskatās, cik punktu ir redzami uz viņa kauliņa augšējās skaldnes. Piemēram, divi punkti. Tagad Bells jautā, vai mēs varam pateikt, cik punktu ir uz otra kauliņa augšējās skaldnes? Mūsu ikdienas pieredze un klasiskā fizika saka – nē, to mēs nevaram. Šīs lietas nav saistītas. Izrādās, kvantu fizika saka, ka tomēr varam. Punktu summa uz abu kauliņu augšējās šķautnes vienmēr būs septiņi. Ja uz pirmā bija divi punkti, tad uz otra kauliņa augšējās šķautnes būs pieci punkti. Skan neiespējami dīvaini, bet tas ir tas, ko kvantu fizika paredz.

Šādas šķietami dīvainā veidā saistītas daļiņas sauc par "sapītām daļiņām". Arī šā gada Nobela prēmijas formulējumā mēs to lasām. Prēmija piešķirta par eksperimentiem ar sapītiem fotoniem un Bella apgalvojumu pārbaudi.

Džona Bella modifikācija Einšteina un kolēģu domu eksperimentam pavēra iespēju pārbaudīt praktiski, kuram tad ir taisnība – Einšteinam un atziņai, ka kvantu fizika nav īsti laba teorija, vai tomēr apgalvojumam, ka kvantu fizika apraksta pasauli adekvāti, un mums jāpieņem dīvainība, ka atomam un citām daļiņām pirms mērījuma var būt īpašību potenciālā iespējamība, bet no iespējamības tā pārvērtīsies notikušā īpašībā tikai mērījuma brīdī.

Nešaubīgi pierādīts eksperimentā

Nu, lūk, – šā gada Nobela prēmijas laureāti samērā ilgā laika periodā visos iespējamos veidos ir veikuši eksperimentus ar dažādām daļiņām un pārliecinājušies, ka, lai cik pārliecinoši šķistu Einšteina argumenti, tomēr taisnība ir kvantu teorijai un šī dīvainā saistība starp daļiņām lielā attālumā, ko Einšteins sauca par spokaino mijiedarbību no attāluma, tiešām eksistē. Pētnieki gan nav spējuši aizsūtīt daļiņas uz Visuma pretējām malām, bet vairāku simtu kilometru attālumā to ir izdarījuši. Šī kvantu fizikas īpašība daļiņām būt kvantu fizikas nozīmē saistītām šādā lielā attālumā pastāv. Tas ir nešaubīgi pierādīts eksperimentā. Un zinātnē eksperiments vienmēr ir diskusijas pēdējā instance, lai izlemtu, kam taisnība. Einšteins šajā diskusijā zaudēja, bet tas tikai parāda, kā ģeniālu cilvēku kļūdas var izrādīties izšķirošs impulss zinātnes virzībā.

Starp citu, arī šobrīd sapīti stāvokļi piesaista ne tikai fiziķu uzmanību vien. Tā Antons Ceilingers ne reizi vien institūta, kura nosaukums ir "Prāts un dzīve" ("Mind and Life"), organizētajos pasākumos

par šo tēmu ir publiski debatējis ar budistu līderi Dalailamu, gan savus eksperimentus vedis uz Indiju uz Dalailamas rezidenci Daramsalā, gan demonstrējis tos Dalailamam savā laboratorijā Vīnes Universitātē.

Starp citu, fiziķi par to gan ir bijuši priecīgi, jo fizikas idejas tiek popularizētas cilvēkiem, kuri citādi par tām neuzzinātu, gan arī pārmetuši Ceilingeram pašpopularitātes meklēšanu.

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!

Vairāk

Svarīgākais šobrīd

Vairāk

Interesanti