Izmērīt augstumu un uzkāpt Everestā
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.
Interesanta ir Everesta augstuma noteikšanas vēsture. Izrādās, ka tikai 19. gadsimta vidū kļuva skaidrs, ka šī virsotne ir visaugstākā uz Zemes. Tās augstums tika noteikts no attāluma ar instrumentu, ko sauc par teodolītu. Tas ir optisks instruments, ar kura palīdzību var precīzi noteikt virzienu uz kādu tālu objektu. Un tad, ja zināms, kādā leņķī pret horizontu redzams kāds objekts un cik tālu tas atrodas, var noteikt tā augstumu. Tā arī pirmo reizi britu ģeodēzisti 19. gadsimta vidū noteica Everesta augstumu.
Bet bija nepieciešams vēl simts gadu, lai kalnos kāpēji sasniegtu Everesta virsotni. Tas izdevās tikai devītajā piegājienā 1953. gadā britu ekspedīcijai, kuru vadīja Lielbritānijas armijas virsnieks Džons Hants. Viņš pats gan nebija pirmais cilvēks, kurš spēra kāju Everesta virsotnē. Tie bija viņa ekspedīcijas dalībnieki – Jaunzēlandes alpīnists, ceļotājs un filantrops Edmunds Hilarijs un nepāliešu šerpa Tenzings Norgejs.
Zinot cilvēka dabu un vēlmi sasniegt vietas, kur vēl neviens pirms tam nav bijis, rodas dabisks jautājums, kādēļ tas prasīja tik ilgu laiku, lai pētnieki nonāktu Everesta virsotnē?
Ir skaidrs, ka tam ir daudz iemeslu – gan ģeogrāfiski grūti sasniedzama Himalaju daļa, gan sarežģīts, akmeņains kalnu reljefs. Taču ir vēl viens iemesls. Tā ir Zemes atmosfēra.
Ikdienā par to neaizdomājoties, dzīvojam Zemes atmosfērā. Par laimi, Zemes pievilkšanas spēks jeb gravitācija ir gana spēcīga, lai gaisu, kas veido Zemes atmosfēru, noturētu ap Zemi un tas vienkārši neaizlidotu prom, atstājot mūs bezgaisā, kur nav iespējams elpot. Vēl vairāk. Zemes atmosfēra, kas atrodas virs katra no mums, Zemes pievilkšanas spēka dēļ spiež ar gana lielu spēku. Gaisa staba masa virs katra Zemes virsmas kvadrātcentimetra ir nedaudz vairāk par vienu kilogramu. Maz vai daudz? Varbūt teikšu citādi – uz katru Zemes kvadrātmetru spiež gaisa stabs, kura masa ir lielāka par 10 tonnām!
Kā to pārbaudīt? Viens no veidiem – mērīt gaisa spiedienu ar ierīci, ko sauc par barometru.
Tas ir instruments, ko meteorologi izmanto, lai paredzētu laika apstākļus, jo gaisa spiediens uz Zemes nedaudz mainās atkarībā no tā, kāds laiks ir ārā aiz loga. Skaidrā laikā gaisa spiediens nedaudz pieaug, bet sliktā laikā samazinās. Viens no pirmajiem barometru izgatavoja itāļu pētnieks Evandželista Toričelli (1608–1647). Kāds bija viņa barometrs? Es teiktu, ļoti interesants. Viņš paņēma garu stikla caurulīti, tās vienu galu aizlodēja un piepildīja to ar dzīvsudrabu. Tad pagrieza to ar atvērto galu uz leju. Šādā stāvoklī viņš caurulītes atvērto galu ievietoja traukā, kurā arī bija dzīvsudrabs. Varat iedomāties šādu iekārtu? Kā jums šķiet, vai dzīvsudrabs iztecēs no caurulītes? Par šādu iekārtu domājot, bieži gribas teikt – nē, vismaz neiztecēs pavisam. Caurulītē virs dzīvsudraba veidosies tukšums – vakuums – un tas neļaus visam dzīvsudrabam iztecēt, tā teikt, sūks to atpakaļ. Tā? Ne gluži. Fiziķi piedāvā par šo ainu domāt citādi. Gaisa spiediens spiež uz traukā ielietā dzīvsudraba virsmu. Šis spiediens spiež dzīvsudrabu stikla caurulītē uz augšu. Un tikai tad, kad dzīvsudraba stabiņa augstums ir tāds, ka tas spiež pretī ar tādu pašu spēku kā atmosfēra, iestājas līdzsvars. Varbūt ir gadījies dzirdēt vai redzēt kādā senāka barometra skalā, ka atmosfēras spiediens ir, piemēram, 760 milimetru dzīvsudraba stabiņa? Lūk, tā ir tieša atsauce uz Toričelli barometru, jo viņa iekārtā dzīvsudraba stabiņš stikla caurulītē virs dzīvsudraba līmeņa traukā paceļas jeb atmosfēras spiediens to "uzspiež" apmēram 760 milimetru augstumā.
Varētu jautāt, ar ko tad dzīvsudrabs tik īpašs. Kāpēc tieši to izmanto barometrā? Īstenībā varētu izmantot jebkuru šķidrumu.
Dzīvsudrabs ir ērts, jo tas ir smags. Viena tā tilpuma vienība ir ar vislielāko masu, salīdzinot ar visiem pieejamajiem šķidrumiem. Tātad mazāks stabiņa augstums nodrošina spiedienu, kas ir līdzsvarā ar atmosfēras spiedienu. Ar citiem šķidrumiem stabiņa augstums būtu lielāks un barometra stikla caurulītei būtu jābūt ļoti garai. Piemēram, barometra, kurā tiktu izmantots ūdens, stikla caurulītei jābūt vairāk nekā desmit metru garai. Toričelli barometru ar dzīvsudrabu var novietot telpā uz galda, bet ūdens barometram būtu jāveido īpaša telpa ar ļoti augstiem griestiem. Starp citu, iepriekš pieminētais Blēzs Paskāls francūzim piedienīgā veidā savā laikā publiski demonstrēja barometru, kurā tika izmantots vīns. Nav grūti iedomāties, ka vīns ir tikai mazliet blīvāks par ūdeni, tādēļ Paskāla izveidotais barometrs arī bija ļoti liels.
Kāds tam visam sakars ar kāpšanu kalnos? Vistiešākais.
Tad, kad kalnos kāpēji tuvojas kalna, piemēram, Everesta, virsotnei, gaisa stabs, kas spiež uz vienu virsmas laukumu, ir kļuvis par kalna augstumu mazāks. Everesta gadījumā tā augstums ir samazinājies vairāk nekā par astoņiem kilometriem. Izrādās, ka tādā augstumā arī atmosfēras spiediens ir kļuvis apmēram trīs reizes mazāks nekā jūras līmenī. Ko tas nozīmē cilvēkam? Mazāks spiediens – vieglāka sajūta? Nē! Tas nozīmē, ka gaiss ir trīs reizes mazāk blīvs un tātad katrā elpas vilcienā mēs ieelpojam trīs reizes mazāk gaisa, bet asinīs nonāk trīs reizes mazāk skābekļa. Pat nekustoties tas jau būtu ļoti grūti. Bet ekstrēmos apstākļos, zemā gaisa temperatūrā, kāpjot kalnos?… Tādēļ gandrīz vienmēr kalnos kāpēji izmanto skābekļa balonus un skābekļa maskas, lai varētu nodrošināt iespēju normāli elpot un saglabāt spēkus un enerģiju.
Tikai nedaudzi ir uzkāpuši Everestā, bet diez vai daudz būs tādu, kuri nav lidojuši ar lidmašīnu. No šiem lidojumiem, protams, atceramies apkalpes ne reizi neiztrūkstošo stāstu par skābekļa maskām. Tas ir nopietni. Lidmašīnas, it īpaši tās, kas lido tālos reisos pāri okeāniem, parasti paceļas 11 kilometru augstumā. Un, ja nu atgadās kļūme un lidmašīnas salons zaudē hermētiskumu, tad elpošanai skābekļa tik tiešām trūks.
Starp citu, jau kādreiz šajā slejā esam runājuši, ka Einšteina vispārīgā relativitātes teorija paredz, ka gravitācijas lauks palēnina laika gaitu, tātad arī pulksteņa gaitu.
Tas ir efekts, kas jāņem vērā, izmantojot satelītus globālajā pozicionēšanas sistēmā – pulksteņi satelītos nedaudz apsteidz pulksteņus uz Zemes. Rodas jautājums, vai kāpšana kalnos saskaņā ar relativitātes teoriju nenoved pie tā, ka cilvēks noveco ātrāk? Precīza atbilde ir – ja cilvēkam augstos kalnos relativitātes teorijas dēļ laiks rit ātrāk, viņš noveco straujāk. Taču diez vai par to ir vērts satraukties. Piemēram, ja cilvēks, dzīvojot līdzenumā, sasniegtu simts gadu vecumu, tad šā cilvēka dvīņubrālis, kurš to pašu laiku pavadītu Everesta virsotnē, būtu par trīs sekundes tūkstošdaļām vecāks. Diez vai par to ir vērts satraukties, kāpjot kalnos. Kāpēc tik maz? Gan Zeme ir ļoti neliela planēta kosmosa mērogos, gan arī cilvēks (ja atceramies, ka Zemes rādiuss ir apmēram 6400 km), uzkāpjot Everestā, nemaz tik daudz nav pakāpies. Tādēļ Everesta virsotnē daudzi citi izaicinājumi acīmredzot ir svarīgāki nekā straujāka novecošana, ko paredz Einšteins.
Nolaišanās okeāna dziļumos
Bet atgriezīsimies pie spiediena. Uz Zemes bez augstākajām kalnu virsotnēm, kur mēs gribam uzkāpt, ir dziļākās okeāna ieplakas, kur gribam nolaisties. Ja tagad lūgtu nosaukt dziļāko vietu okeānā, iespējams, es saņemtu mazāk skaidru atbilžu, kur tā atrodas un cik dziļa tā ir. Bet varbūt kļūdos. Kopš slavenais amerikāņu kinorežisors Džeimss Kamerons ar savu zemūdens aparātu nolaidās Klusajā okeānā Zemes dziļajā okeāna vietā – Marianas ieplakā, tā ik pa brīdim ir nonākusi pasaules ziņu virsrakstos. Marianas ieplakas dziļums ir lielāks nekā Everesta augstums. Tā ir gandrīz 11 kilometrus dziļa. Tātad uz dziļūdens aparātu, kas atrodas šādā dziļumā, bez gaisa staba spiež vēl 11 kilometrus augsts ūdens stabs. Katrs no mums zina, ka viena litra ūdens masa ir viens kilograms. Nav grūti iedomāties, kāda masa ir 11 kilometrus augstam ūdens stabam. Ja to aprēķinātu skaitliski, tad redzētu, ka katri desmit metri ūdens staba rada apmēram vienu atmosfēru lielu papildspiedienu. 11 kilometru dziļumā okeānā papildspiediens sasniedz 1000 atmosfēru. Tātad Marianas ieplakas apakšā uz katru kvadrātmetru spiež ūdens stabs, kura masa ir 10 000 tonnas. Tas nav joks. Ir pat grūti iedomāties, kādam jābūt zemūdens aparātam, lai spētu izturēt šādu spiedienu. Piemēram, Džeimsa Kamerona dziļūdens zemūdenes sfēriskā nodalījuma, kur atrodas cilvēks, tērauda sienas ir vairāk nekā sešus centimetrus biezas, un tajā pietiek vietas tikai vienam cilvēkam.
Vērts pieminēt vēl vienu atšķirību starp kāpšanu kalnos un nolaišanos okeāna dziļumos. Kā jau teicu, kalnos vienā elpas vilcienā būs mazāk skābekļa, nekā atrodoties jūras līmenī. Gaiss būs mazāk blīvs. Varētu domāt, ka viena tilpuma vienība ūdens okeāna dzīlēs būs saspiesta un, to paceļot ūdens virspusē, tā izpletīsies. Piemēram, litrs ūdens, kas paņemts okeāna dzelmē un pacelts uz kuģa, būs vairāk par litru ūdens. Tomēr nē. Šķidrums, tai skaitā ūdens, atšķirībā no gāzes, tai skaitā gaisa, ir nesaspiežams. Viens litrs ūdens dzelmē būs litrs ūdens okeāna virspusē.
Tādēļ nav nekāds brīnums, ka vairāk cilvēku ir pabijuši uz Mēness virsmas nekā nolaidušies Marianas ieplakā.
Laikā no 1969. gada, kad pirmais cilvēks – Nils Armstrongs – spēra kāju uz Mēness virsmas, līdz 1972. gadam jau 12 astronauti bija pabijuši uz Mēness. Pirmie divi cilvēki, kas dziļūdens aparātā sasniedza Marianas ieplakas dibenu, bija Dons Velšs un Žaks Pikārs 1960. gadā. Pēc tam līdz Džeimsa Kamerona ekspedīcijai 2012. gadā nolaisties Marianas ieplakā nevienam nebija izdevies. Un joprojām – Everesta virsotnē pabijušo skaits ir rēķināms tūkstošos un daži, parasti vietējie pavadoņi – šerpas – virsotnē ir bijuši divdesmit un vairāk reižu, bet cilvēku skaits, kam izdevies sasniegt okeāna dziļāko ieplaku, joprojām ir mērāms tikai desmitos, un zemūdens aparātu skaits, kas spēj nodrošināt šādu ekspedīciju, ir saskaitāms uz vienas rokas pirkstiem.
Profesora Auziņa zinātnes sleja
