Kāpēc bez Šrēdingera «kaķa eksperimenta» nebūtu viedtālruņu. Profesora Auziņa zinātnes sleja

Apmēram pirms simt gadiem dabaszinātnieki vai, vēl precīzāk, fiziķi, radot jaunu fizikas teoriju – kvantu fiziku –, sāka šķietami acīmredzamo pasaules kārtību apšaubīt. Tā apgāza kājām visus līdzšinējos priekšstatus par zinātni un bez sapratnes par kvantu tehnoloģijām, nebūtu arī mūsu tik iecienīto viedtālruņu.

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 daudzi no mums atceras bērnībā lasīto Alekseja Tolstoja grāmatu par Buratīno. Vienā no epizodēm bija aprakstīts notikums ar galveno varoni – koka cilvēciņu Buratīno, kuram mežā bija gadījušās nepatikšanas, un nebija skaidrs, vai viņš vēl ir dzīvs vai jau miris. Tad tika sarīkots meža konsīlijs, kurā piedalījās slavenais doktors Pūce, feldšeris Krupis un pūšļotājs Sienāzis. Īsi sakot, konsīlija slēdziens bija ļoti vienkāršs un galvenais – dzelžaini loģisks: ja Buratīno ir dzīvs, tad tā ir droša zīme, ka viņš nav miris. Taču, ja viņš tomēr ir miris, tad tā ir tikpat droša zīme, ka viņš nav dzīvs. Grūti iebilst šim konsīlija slēdzienam.

Zinātnieki par trešo iespēju – ne tikai melns un balts

Taču aiz šīs bērnišķīgi rotaļīgās spēlēšanās ar vārdiem ir apslēpta liela nopietnība. Tāda ir pasaule, kurā mēs dzīvojam. Ja kaut kas ir dzīvs, tad tas nav miris.

Ja lieta ir balta, tad tā nav melna, un tā varētu turpināt. Trešās iespējas nav – vai nu viens, vai otrs. Bet vai patiešām tā ir?

Jautājums varētu šķist dīvains un tāds, par ko abstrakti diskutē vienīgi sholastiķi.

Kontekstam noder stāsts par kvantu fizikas rašanos un fiziķi Maksu Planku, kura idejas ievadīja kvantu fiziku. Kad jaunais Makss iestājies Minhenes Universitātē Vācijā, viens no viņa profesoriem esot apgalvojis, ka fiziku studēt varētu būt nepateicīga nodarbošanās. Pēc profesora un arī citu tā laika fiziķu domām, fizika 19. gadsimta beigās bija tuvu tādai situācijai, ka viss ir izpētīts jeb, citiem vārdiem sakot, mēs par dabu zinām visu. Esam sapratuši, kā darbojas tas "pulksteņa mehānisms", kas nosaka visu fizikālajā pasaulē. Un, ja pulksteņa mehānismu esam izpētījuši, tad ar to arī var teikt, ka darbs padarīts un varam atpūsties.

Šī saruna risinājās tikai dažus gadus pirms tam, kad fizikā notika, nepārspīlējot, revolūcija, apgriežot kājām gaisā līdzšinējos priekšstatus.

Einšteins radīja jaunu mehāniku jeb mācību par to, kā pārvietojas ķermeņi – relativitātes teoriju, un Makss Planks aizsāka pētījumus, kuriem vēlāk pievienojās vēl daudzi citi fiziķi, un radās kvantu teorija jeb mācība par to, kā ir uzbūvēti atomi.

Kvantu fizika un tās dīvainības

Bet atgriežamies pie sākuma stāsta par Buratīno un paskatīsimies uz to no kvantu fiziķu skatpunkta. Kvantu fizika vispār ir ļoti neparasta teorija, kas bieži nonāk pretrunā ar mūsu ikdienas pieredzē balstītu intuīciju. Tā saka, ka atomu līmenī daļiņas, piemēram, elektroni, tā īsti nemaz neeksistē līdz brīdim, kad tie tiek nomērīti, nosakot elektrona atrašanās vietu. Līdz mērījuma brīdim pastāv tikai dažādu iespēju, kur elektrons tiks atrasts, kopums. Ar noteiktu varbūtību to varēs ieraudzīt vienā vai kādā citā vietā.

Visdīvainākais ir tas, ka pirms mērījuma nav iespējams pateikt, kurā vietā elektrons atrodas. Pat vēl vairāk, kvantu fizika apgalvo, ka elektronam pirms mērījuma nav noteiktas atrašanās vietas. Tas neatrodas nekur, bet mērīšanas laikā var tikt ieraudzīts jebkurā vietā.

Sapratāt? Iespējams, sapratāt to, kas tiek apgalvots, bet diez vai to – kā tas ir iespējams. Vienīgais, ko varu teikt, ka neesat "vientuļš vilks" šajā nesapratnes mežā,

bet atrodaties labā kompānijā kopā ne tikai ar daudziem fiziku nestudējušiem cilvēkiem, bet pat ar tādām fizikas autoritātēm kā Alberts Einšteins un citiem. Mēdz pat teikt, ka saprast to nav iespējams. Pie tā ir iespējams vienīgi pierast. Izklausās dīvaini? Tomēr ne tik dīvaini, kā šķiet pirmajā brīdī. Tā tas ir ar daudzām lietām pasaulē un fizikā tai skaitā.

Un te vēl viens stāsts, kas to ilustrē. Tā ir kāda intervija ar Albertu Einšteinu, viņam esot jau ļoti cienījamā vecumā. Šīs intervijas laikā (atstāsts aptuvens) žurnālists viņam sacīja: "Einšteina kungs, jūs gan savu dzīvi un profesionālo karjeru varat uzskatīt par ļoti veiksmīgu. Sākotnēji, kad radījāt savu slaveno relativitātes teoriju, neviens jums neticēja. Taču vēlāk jums izdevās visus pārliecināt par savas teorijas patiesumu…" Uz to Einšteins esot atbildējis: "Jums, cienītais kungs, nav taisnība. Patiesībā visā manā dzīves laikā man nav izdevies pārliecināt par teorijas patiesumu nevienu cilvēku, kurš manai teorijai neticēja.

Vienkārši man ir palaimējies nodzīvot pietiekami ilgi, lai tie, kas man neticēja, tagad būtu jau miruši. Savukārt jaunākas paaudzes fiziķiem no paša sākuma tika stāstīta mana teorija, un viņi to pieņēma."

Tāpat ir ar kvantu fiziku. Diez vai to iespējams tik vienkārši saprast. Pie atomu pasaules dīvainībām var tikai pierast.

Kaķis, kurš vienlaikus bija gan dzīvs, gan miris

Domājot par šīm dīvainībām, austriešu fiziķis un Nobela prēmijas laureāts Ervins Šrēdingers prātoja par šādu domu eksperimentu (domu eksperiments ir kaut kas tāds, ko mēs iztēlojamies, bet nemēģinām darīt praktiski). Šrēdingers piedāvāja iedomāties atomu, kam ir iespēja atrasties divās vietās. Bet, kā teicu iepriekš, atoms līdz mērījuma brīdim neatrodas nevienā no tām vai atrodas abās vietās vienlaikus. Tikai paskatoties, kur atoms atrodas, un izdarot mērījumu, mēs piespiežam atomu nonākt vienā no divām iespējamajām vietām. Šis atoms tiek ievietots slēgtā kastē kopā ar kaķi, sauktu par Šrēdingera kaķi, un "elles mašīnu".

Elles mašīna darbojas šādi: ja atoms atrodas pirmajā no divām iespējamajām tā atrašanās vietām, tas iedarbina ierīci, kas sadauza ampulu ar indi, un inde izplūst gaisā, nogalinot kaķi. Taču, ja atoms atrodas otrajā vietā, tas elles mašīnas mehānismu neiedarbina, un kaķis paliek dzīvs.

Kā Šrēdingers piedāvā par šo domāt? Tātad, kamēr mēs uz atomu neesam paskatījušies un noteikuši tā atrašanās vietu, tas atrodas abās vietās vienlaikus. Savukārt tas nozīmē, ka "elles mašīnas" mehānisms ir gan iedarbināts, gan arī neiedarbināts, un inde – gan izplūdusi, gan neizplūdusi, bet kaķis tātad ir vienlaikus gan dzīvs, gan miris. Tas ir līdz brīdim, kamēr mēs atveram kasti un paskatāmies, kurā vietā atoms atrodas.

Kāds ir secinājums? Es ceru, ka vismaz daļa no lasītājiem man noticēja un pieņēma domu, ka atoms tik tiešām var atrasties divās vietās vienlaikus. Daudz mazāk noticēja, ka kaķis var būt vienlaikus gan dzīvs, gan arī miris. Un jums taisnība! Tik tiešām fiziķi eksperimentos novēro to, ka atoms var atrasties dažādās vietās vienlaikus. Taču neviens nav spējis ieraudzīt kaķi, kurš vienlaikus ir gan dzīvs, gan miris.

Tas nozīmē, ka eksistē iemesli, kas neļauj šīm kvantu pasaules dīvainībām izpausties mūsu ikdienas dzīvē.

Šobrīd tikai teikšu, ka arī šos mehānismus fiziķi ir samērā labi sapratuši. Taču to aprakstīšana šeit prasītu pārāk daudz laika.

Domāt precīzi par šķietami neiespējamām lietām

Kāda no šī stāsta varētu būt mācība? Kāpēc man šķiet interesanti par to domāt? Atbildes varētu būt vairākas. Viena – šīs kvantu pasaules neparastās īpašības mēs esam padarījuši praktiski noderīgas, veidojot dažādas kvantu tehnoloģijās balstītas ierīces.

Bez sapratnes par to, kā atomu līmenī darbojas pasaule, nebūtu ne mūsu tik iecienīto viedtālruņu,

vienā no kuriem jūs, iespējams, šobrīd lasāt šo rakstu, ne daudzu citu ikdienā noderīgu elektronisko ierīču.

Bet ir vēl arī otrs iemesls, kāpēc domāt par kvantu fiziku ir noderīgi katram no mums. Tā mēs iemācāmies domāt precīzi par šķietami neiespējamām lietām. Šādas precīzas domāšanas prasmes palīdz atšķirt tikai šķietami neiespējamas, bet dabā eksistējošas lietas, kā atoms atrodas divās vietās vienlaikus, no tādām, ko mums kāds, varbūt pats tam ticot vai bieži vien arī apzināti mānot, mēģina iestāstīt, piemēram, ka kaķis vienlaikus ir gan dzīvs, gan arī miris.

Prieks par dīvaino, bet neizbēgamo pasauli, ko sniedz prasme domāt, kuru savukārt var rosināt kvantu fizika, ir daudz plašāks, nekā tikai analizējot parādības fizikā.

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