Kad precīzāk kļūst neprecīzi. Profesora Auziņa zinātnes sleja

Pievērs uzmanību – raksts publicēts pirms 1 gada.

Piedāvāju iedomāties šādu sadzīvisku ainu. Kāds cilvēks ar savu automašīnu dodas ciemos un zvana mājastēvam, lai tas zinātu, cik drīz viesi gaidīt: "Esmu 20 kilometrus no Rīgas robežas. Braucu bez kavēkļiem, ātrums šobrīd 90 km/h, drīz būšu klāt." Viss ļoti vienkārši – cilvēks zina, kur viņš atrodas un cik ātri pārvietojas. Taču, ja par to padomājam no mūsdienu fizikas viedokļa, tad nemaz tik skaidri un vienkārši vairs nav.

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.

Heizenberga un Bora rosinošās vakariņas

Stāsts ir par kādu fundamentālu ierobežojumu, ko mērījumu precizitātei fizikā uzliek pati daba. Šos ierobežojumus sauc par Heizenberga nenoteiktības sakarībām. Vācu fiziķis Verners Heizenbergs pie to izpratnes nonāca 1927. gadā, laikā, kad viņš strādāja Kopenhāgenā pie ļoti prominenta dāņu fiziķa, tajā laikā jau Nobela prēmijas laureāta Nila Bora. Vernera Heizenberga gan darba, gan arī dzīvesvieta bija Nila Bora Teorētiskās fizikas institūts, kuru Bors bija nodibinājis ar alus kompānijas "Karlsberg" finansiālu atbalstu. Tiem, kuriem garšo "Karlsberg" alus, kas ir nopērkams arī šobaltdien, vērts atcerēties, ka šai kompānijai ir bijusi nozīmīga loma kvantu fizikas attīstībā.

Tā kādu dienu pēc darba Heizenbergs un Bors esot kopīgi vakariņojuši un pēc maltītes Heizenbergs devies uz savu mansarda dzīvokli Bora institūtā, bet Bors devies izvēdināt galvu parkā, kas joprojām atrodas pie Bora institūta Kopenhāgenā. Acīmredzot vakariņu sarunas bijušas ļoti rosinošas, jo abiem radās līdzīgas pārdomas, kas izrādījās ārkārtīgi būtiskas fizikas un ne tikai attīstībā.

Heizenbergs aizdomājās, ko nozīmē mērīt to, kur daļiņa atrodas un cik ātri tā kustas atomu pasaulē.

Šīs pārdomas Heizenbergu noveda pie sapratnes, ka mērīšana ikdienā un mērīšana atomu pasaulē būtiski atšķiras.

Piemēram, ko nozīmē ieraudzīt un nomērīt, kur atrodas kāds ikdienas objekts? Viens no veidiem atbilst burtiskam apgalvojumam – ieraudzīt to. Tātad šī lieta, šis objekts ir atstarojis uz to krītošo gaismu, kas nonāk cilvēka acī, un mēs redzam, kur šobrīd atrodas objekts, piemēram, dators uz galda. Mums pat neienāk prātā jautāt, vai dators tādēļ ir kļuvis citāds, ka tas ir atstarojis uz to krītošo gaismu un ticis ieraudzīts.

Bet tagad datora vietā iedomāsimies kādu mazu daļiņu no atomu pasaules. Piemēram, elektronu. Kā to ieraudzīt? Arī elektronam, lai zinātu, kur tas atrodas, ir jāizkliedē uz tā krītošā gaisma. Vismaz vienai gaismas daļiņai, fotonam, ir jāmijiedarbojas ar šo elektronu. Taču te sākas stāsta interesantā daļa. Elektrons nav lielāks par fotonu. Tātad teikt, ka elektrons "nejutīs", ka tam "trāpījis" fotons un tas šo fotonu ir izkliedējis, nav iespējams. Tas nozīmē, ka, lai ieraudzītu elektronu, pa to ir jāiebliež ar fotonu. Šīs iedarbības rezultātā elektrona kustības ātrums noteikti mainīsies. Pirms tika noteikta elektrona atrašanās vieta, pirms tas izkliedēja fotonu, tam bija viens kustības ātrums, bet pēc tam, kad uzzinājām elektrona atrašanās vietu, tā ātrums jau ir cits.

Visu šo aprakstošo stāstu Heizenbergs pārvērta precīzās formulās, kas parāda – jo precīzāk noteiksim kādas daļiņas atrašanās vietu, jo neprecīzāk varēsim pateikt, cik ātri tā kustas. Un otrādi – jo precīzāk uzzināsim kustības ātrumu, jo sliktāk zināsim, kur tā atrodas. Interesanti, ka šādu pāru, kuros, vienu lielumu uzzinot aizvien precīzāk, zaudējam iespēju zināt otru saistīto lielumu, fizikā ir samērā daudz. Pieminēšu tikai vēl vienu. Ja gribam kādā konkrētā īsā laika intervālā noteikt daļiņas enerģiju, mēs nonākam līdzīgā situācijā kā ar atrašanās vietu un ātrumu. Tikai šoreiz, ja gribam mērīt tik fundamentālu lielumu kā daļiņas enerģija, turklāt izdarīt noteiktā laika momentā un ļoti ātri, tad zaudējam iespēju enerģiju noteikt precīzi. Un otrādi, lai enerģiju noteiktu precīzi, tā jāmēra samērā ilgā laika intervālā un nevar precīzi pateikt, kurā laika momentā tad daļiņai bija šī enerģija.

Skan samērā komplicēti? Iespējams, bet kopējā Vernera Heizenberga atklājuma būtība ir ļoti skaidra.

Pati daba mums uzliek fundamentālus ierobežojumus, cik smalki to varēsim izzināt. Un ir svarīgi saprast, ka šeit nav runas par to, ka, radot labāku mēraparātu un labāku metodi, varēsim nomērīt precīzāk. Šie ir fundamentāli, dabas eksistences būtībā pastāvoši ierobežojumi, kurus nekad nevarēs pārkāpt.

Rodas dabisks jautājums. Vai ar zinātnieku laboratorijās esošiem mēraparātiem un lietotām metodēm, kas ne vienmēr tehniski ir ļoti precīzas, mēs varam sasniegt šo fundamentālo robežu, kad mērījumu precizitāti ierobežo nevis mēraparāts, bet dabas likumi? Jāteic, ka fiziķi sasniedz šo fundamentālo robežu, kad precīzāk mērīt vairs nav iespējams, bet ne ļoti bieži.

Gribu minēt vienu piemēru, kad šī robeža tika sasniegta. Iespējams, kāds no lasītājiem būs pamanījis pirms dažiem gadiem medijos izskanējušo ziņu, ka fiziķi beidzot novērojuši gravitācijas viļņus. Kas bija jāmēra, lai šos viļņus tiešām ieraudzītu? Fiziķi lika lāzera staram izplatīties četru kilometru attālumā un tad šī ceļa galā, atstarojoties no spoguļa, atgriezties atpakaļ. Ja Zemi sasniedz gravitācijas vilnis, tad šis attālums nedaudz palielinās. Tas arī bija jānomēra. Jautājums, par cik šie četri kilometri pagarināsies un cik precīzi būs jāmēra? Un – šis četru kilometru attālums izmainīsies par vienu tūkstošo daļu no protona izmēriem. Tik mazas izmaiņas ir uz robežas, ko Heizenberga formulētie ierobežojumi ļauj vai neļauj mērīt. No otras puses, ir skaidrs, ka pat fizikas eksperimentos šāda precizitāte reti ir nepieciešama un vēl retāk tāda tiek sasniegta.

Ko pazaudējam, uzzinot patiesību

Bet kas notika Nila Bora galvā, kurš pēc vakariņām pastaigājās parkā? Bors nonāca pie filozofiska secinājuma, ka ne tikai katram lielumam, ko gribam arvien precīzāk mērīt, fizikā ir pārī esošs lielums, kura precizitāte vienlaikus mazinās, bet katram jēdzienam vispār ir saistītais jeb komplementārais jēdziens. Vienu saprotot aizvien precīzāk, otrs kļūst vairāk izplūdis.

Šis noteikti ir jāilustrē ar piemēru, lai tas kļūtu kaut nedaudz skaidrāks un mazāk abstrakts. Piemērs ir notikums kādā publiskā lekcijā, kur Nils Bors stāstīja par šo savu ideju, sauktu arī par papildināmības principu. Lekcijas jautājumu sadaļā kāds no klausītājiem esot jautājis: "Profesor, jūs gribat, lai mēs jūsu stāstam noticam un uztveram to kā patiesību. Vai jūs varat pateikt, kāds jēdziens ir komplementārs patiesībai. Uzzinot patiesību, ko mēs pazaudējam?" Bors bez liekas vilcināšanās esot atbildējis:

"Patiesībai komplementārs jēdziens ir skaidrība vai vienkāršība."

Šis apgalvojums vistiešākajā veidā attiecas arī uz šo rakstu un vispār uz zinātnes popularizēšanu kopumā. Mēģinot saprotami un populāri stāstīt par zinātni, ir jābalansē starp divām galējībām. Piemēram, par šā raksta tēmu – Heizenberga nenoteiktības sakarībām – es varu izstāstīt pilnu patiesību, un tas būs precīzi, taču arī gari, tehniski, iespējams, daudziem garlaicīgi. Varu izstāstīt pēc iespējas vienkārši un saprotami, taču tad jārēķinās, ka tā nebūs pilna patiesība, jo noteiktas lietas neizbēgami tiks vienkāršotas. Tas ir svarīgi! Man gribētos, lai katrs, lasot populārus rakstus par zinātni, to vienmēr paturētu prātā.

Pēdējā saruna

Un nobeigumā daži vārdi, kas notika ar Verneru Heizenbergu un Nilu Boru. Protams, daudz kas, bet viena epizode īpaši ir pieminēšanas vērta. Verners Heizenbergs Otrā pasaules kara laikā nacistiskajā Vācijā vadīja vienu no diviem centriem, kam bija jārada kodolieroči. Un kādā pavasara dienā Heizenbergs negaidīti ieradās Kopenhāgenā pie sava kādreizēja skolotāja un kolēģa Nila Bora. Viņiem bija gara saruna, par kuras detaļām vēsture klusē, jo Bora ģimene Nila Bora arhīvu joprojām nav nodevusi atklātībā. Vēsturnieku vidū pastāv divas versijas. Viena, ne tik pozitīva, saka, ka Heizenbergs gribēja izvilināt no Bora tehnisku informāciju, kas viņam palīdzētu kodolieroču izveidē. Otra, pozitīvāka, apgalvo, ka Heizenbergs gribēja caur Boru netieši brīdināt sabiedrotos par to, cik tālu Vācijas kodolieroču programma ir attīstījusies. Tā vai citādi, saruna izvērtās dramatiska. Varbūt kādreiz uzzināsim šīs sarunas detaļas, bet šobrīd ir jāpieņem fakts, ka šī bija abu fiziķu un pat draugu pēdējā saruna viņu mūžā. Lai arī abi nodzīvoja ilgu mūžu vēl pēc Otrā pasaules kara, pēc šīs liktenīgās sarunas 1941. gada pavasarī viņi vairs ne reizi netikās.

Tā bija viņu abu apzināta izvēle.

Interesanti atzīmēt, ka šī saruna bija tik nozīmīga, ka tā tiek apspriesta ne tikai fiziķu un fizikas vēsturnieku vidū, bet ir kļuvusi pat par zināmu kultūras fenomenu. Angļu dramaturgs Maikls Freins par šo divu fiziķu tikšanos ir uzrakstījis ļoti populāru lugu. Tā ar lieliem panākumiem tika izrādīta ne tikai Lielbritānijā, bet tika uzvesta arī Brodvejā. Un, protams, jāpiemin, ka 2011. gadā ar labiem panākumiem tā tika uzvesta arī Rīgas Jaunajā teātrī.

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