Vai dabas likumi vienmēr bija un būs izmērāmi un nemainīgi? Profesora Auziņa zinātnes sleja

Tādi ir dabas likumi – mēdzam sacīt cits citam, tā apliecinot, ka tāda vienkārši ir pasaules lietu nemainīgā kārtība, kas nav cilvēka varā. Tomēr mūsdienu astrofiziķi un citi zinātnieki atrod iemeslus sākt apšaubīt fizikas nemainīgās konstantes konstantumu – nemainību. Par šo intrigu nākotnes fizikā un atklājumos šoreiz profesora Mārča Auziņa pārdomas.

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 atceras, kā fizikas skolotājs stāstīja par Ņūtona likumiem. Kāds varbūt atceras, ka tādu bija pat trīs – pirmais, otrais un trešais Ņūtona likums. Un Ņūtons ar saviem mehānikas likumiem nebūt nav izņēmums – dabā eksistē dabas likumi. Daudzi. Tādi ir visās dabaszinātņu nozarēs, gan fizikā, gan ķīmijā, gan arī bioloģijā. Šķiet vienkārši. Dabā ir noteikta kārtība, kā lietas notiek. Cilvēki šo kārtību izzina un savu sapratni par dabu uzraksta īsu apgalvojumu veidā, nosaucot tos par dabas likumiem.

Domāju, ka vārdu salikums "sava sapratne par dabu" ir ļoti būtisks. Tas pasaka, ka dabas likumi pavisam noteikti nevar tikt uzskatīti par patiesību "pēdējā instancē".

Dabas likumi ir zinātnieku piedāvātais šā brīža labākais tuvinājums mūsu sapratnei par to, kā materiālajā pasaulē notiek dažādas lietas. Tas nozīmē tikai to, ka nākotnē – tuvākā vai tālākā – mūsu sapratne ne tikai var, bet noteikti kļūs labāka.

Nākošā teorija nenoliedz iepriekšējo, bet – precizē

Tomēr šeit jāsaprot viens svarīgs fakts. Zinātnē praktiski nekad nākošā teorija, nākamais tuvinājums nenoliedz iepriekšējo. Parasti tas precizē iepriekšējos priekšstatus. Kā ideāls piemērs šeit var kalpot jau pieminētie Ņūtona likumi un Einšteina relatīvistiskā mehānika. Einšteins neapgāž Ņūtona likumus. Viņš tos precizē. Kamēr mēs pārvietojamies ar tādiem ātrumiem, kas mūsu ikdienas dzīvē ir sasniedzami, Ņūtona likumi apraksta notiekošo ļoti labi. Mašīnas pārvietošanos pa ceļu, tās paātrināšanos, nospiežot gāzes pedāli, vai tās bremzēšanu mēs ļoti precīzi aprakstām ar šiem klasiskās mehānikas vai Ņūtona likumiem. Tie ļauj mums konstruēt visas ikdienā lietojamās mehāniskās ierīces.

Tomēr, ja rodas īpašas situācijas, kad kustības ātrums kļūst ļoti liels un tas tuvojas pasaulē lielākajam iespējamajam kustības ātrumam jeb ātrumam, ar kādu izplatās gaisma, Ņūtona likumi ir jāprecizē. Tie vairs nav īpaši labs tuvinājums, un jāsāk lietot Einšteina relatīvistiskās mehānikas likumi. Piemēram, Eiropas Kodolpētniecības centrā Lielajā hadronu paātrinātājā ūdeņraža atoma kodoli kustas ar ātrumu, kas tikai par 3 metriem sekundē ir mazāks par gaismas ātrumu (~300 000 km/s).

Rodas jautājums, vai ir sagaidāms brīdis, kad mēs par dabu būsim sapratuši visu?

Iespējams, šis jautājums ir sarežģītāks, nekā pirmajā brīdī varētu šķist. Ir fiziķi, un pat ļoti prominenti, piemēram, nedaudz vairāk kā pirms gada aizsaulē aizgājušais Nobela prēmijas laureāts fizikā Stīvens Veinbergs, kurš uzskatīja, ka pavisam noteikti tuvākā vai tālākā nākotnē vismaz fizikas līmenī varēsim teikt, ka dabas izzināšana ir pabeigta. Noslēpumu vairs nav.

Darbs jau bija gandrīz pabeigts 500 gadus pirms mūsu ēras...

Tomēr lielākā daļa fiziķu un fizikas filozofu uzskata, ka tā tomēr nebūs. Te jāatceras racionālās Rietumu zinātnes paši pirmsākumi apmēram 500 gadu pirms mūsu ēras. Tieši tāpat, kā mūsdienās fiziķi mēģināja atrast tās dažas daļiņas, ko sauc par elementārdaļiņām, no kurām veidots viss Visums, tā arī domātāji Senajā Grieķijā cerēja šos pirmelementus atrast. Un tad, ja izdotos precīzi saprast, kā šīs elementārdaļiņas vai pirmelementi viens ar otru mijiedarbojas, tad arī visa zināmā fizikālā pasaule būtu saprasta. Senajā Grieķijā valdīja uzskats, ka šie pirmelementi ir četri – gaiss, ūdens, zeme un uguns. Mūsu ļoti senajiem priekštečiem bija sajūta, ka gandrīz viss jau ir skaidrs, vēl tikai jāprecizē dažas nelielas nianses, un sapratne par to, kādā pasaulē mēs dzīvojam, būs pilnīga. Darbs būs pabeigts uz visiem laikiem.

Tagad, skatoties pagātnē, mēs redzam, cik naivi un tāli no patiesības bija šie uzskati.

Vai šobrīd ir pamats domāt, ka vēl pēc ilgiem gadiem nākotnes cilvēki, skatoties uz mūsdienu zinātni, neteiks tieši to pašu – cik naivi viņi bija?

Taču, domājot par dabas likumiem, ir vēl viens interesants jautājums, ko uzdod fiziķi. Vai pati šī kārtība dabā, kuru mēs mēģinām aprakstīt ar aizvien precīzākiem dabas likumiem, ir nemainīga? Kā saprast šo jautājumu?

Slejā var lasīt:

Te jāprecizē dažas nianses saistībā ar dabas likumiem. Daudzi no tiem sastāv it kā no divām sastāvdaļām. Teiksim, mēs zinām, ar kādu spēku Zeme pievelk kādu ķermeni, piemēram, ābolu. Ja šo ābolu pacelsim augstu gaisā, lai tas atrastos divas reizes tālāk no Zemes centra, Zeme to pievilks četras reizes vājāk, trīskāršā augstumā – deviņas reizes vājāk. To sauc par apgriezto kvadrātu likumu. Ir interesanti atzīmēt, ka šai apgriezto kvadrātu sakarībai ir cieša saistība ar to, ka mēs dzīvojam trīsdimensiju pasaulē, kur lietām ir garums, platums un augstums.

Fantasti brīžiem liek iztēloties citas iespējas, piemēram, divdimensionālu pasauli. Šādā pasaulē lietām eksistē tikai platums un garums, augstuma nav. Pacelšanās virs šīs divdimensiju virsmas nozīmētu iziešanu ārpus eksistējošās divdimensiju telpas. Iespējams, ka šādā iedomātā divdimensiju pasaulē divdimensiju Zeme joprojām pievilktu divdimensiju ābolu. Taču, ja attālums starp šiem divdimensiju objektiem palielinātos divas reizes, tad pievilkšanās spēks nesamazinātos četras reizes, bet tikai divas. Attālumam palielinoties trīs reizes, spēks samazinātos arī trīs reizes un tā joprojām.

Tā kā šī reālajā pasaulē eksistējošā apgriezto kvadrātu sakarība Zemes pievilkšanas spēkam ir saistīta ar to, ka lietām ir garums, platums un augstums jeb, gudri izsakoties, mūsu pasaule ir trīsdimensionāla, ir grūti iedomāties, ka pagātnē tas varētu būt bijis citādi vai arī tas kaut kādā veidā mainīsies nākotnē.

Arī fiziķi, lai izzinātu nākotni, pēta pagātni

Taču dabas likumiem ir vēl arī otrs aspekts. Minētajā piemērā bez tā, ka mēs domājam par to, kā mainīsies pievilkšanas spēks, mainoties attālumam starp ķermeņiem, ir svarīgi, cik liels šis spēks ir skaitliski noteiktā attālumā. Ja tas joprojām ir ābols, tad mūs interesē ne tikai tas, vai Everesta virsotnē, gandrīz deviņus kilometrus virs jūras līmeņa, tas svērs tikpat, cik Rīgā, praktiski atrodoties jūras līmenī, bet arī tas, cik kilogramu rādīs svari Rīgā, ja uz tiem es uzlikšu lielu un skaistu ābolu.

Un te nonākam pie jautājuma, vai, sverot vienu un to pašu ābolu uz vieniem un tiem pašiem svariem šodien un pēc kāda miljarda vai dažiem miljardiem gadu, svari joprojām rādīs vienu un to pašu.

Šo svaru rādījumu noteiks attālums starp ābolu un Zemes centru, bet to ietekmēs arī viena no fundamentālajām fizikas konstantēm – gravitācijas konstante. Jautājums – vai Visuma pastāvēšanas laikā kopš Lielā sprādziena, kas notika gandrīz pirms četrpadsmit miljardiem gadu, Visumam izplešoties, gravitācijas konstante un citas līdzīgas dabu aprakstošas konstantes, ko fiziķi sauc par universālajām dabas konstantēm, ir palikušas nemainīgas? Visbiežāk mēs tā domājam, bet vai ir vēl kāds cits pamats tā domāt, nevis tikai sajūta, ka vismaz mūsu novērojumiem pieejamajā laikā šādas izmaiņas neredzam?

Fiziķi domā, ka stingra pamata šādiem apgalvojumiem nav.

Ieskatīties nākotnē, lai cik arī vilinoši tas šķistu, laikam tomēr nav iespējams, vismaz ne tik ilgi, pirms šī nākotne nav pienākusi un nav kļuvusi par šodienu. Taču mums ir iespēja ieskatīties pagātnē. Mēs varam novērot gaismu no ļoti tālām galaktikām. Tik tālām, ka gaismai, lai sasniegu mūs, ir nepieciešami vairāki miljardi gadu. Tas nozīmē, ka gaisma, kuru novērojam šodien, ir tikusi izstarota pirms vairākiem miljardiem gadu. Tas savukārt ļauj mums uzzināt, kādi bija šie miljardus gadu senie atomi, kuri šo gaismu izstaroja.

Nav iespējams gaidīt miljardu gadu un tad atkārtot eksperimentu

Fiziķi kopā ar astronomiem to arī pēta un 21. gadsimta sākumā – 2005. gadā – vienā šādā pētījumā ieguva rezultātus, kas šķita pārsteidzoši. Ja mēs noticam šiem mērījumiem, tad pirms dažiem miljardiem gadu vai nu elektrona lādiņš, vai gaismas ātrums, vai konstante, kas ir kvantu fizikas pamatā – Planka konstante –, bija ar citu vērtību nekā šodien.

Tātad ir iespējams, ka fundamentālās konstantes, kas ir daļa no dabas likumiem, nemaz tik konstantas vis nav.

Te gan jāsaka, ka šie 2005. gada un vēlāko pētījumu rezultāti ir uz tās robežas, cik precīzi mērījumi ir iespējami. Tādēļ fiziķi ir piesardzīgi, lai apgalvotu, ka ir skaidri pierādīts, – fundamentālās konstantes laikā mainās. Viņi saka, ka ir zināms pamats uzskatīt, ka tas ir iespējams, bet, lai atbilde būtu skaidra un viennozīmīga, pētījumi ir jāturpina, cenšoties paaugstināt eksperimentu precizitāti.

No astrofizikāliem mērījumiem šie eksperimenti pārvietojas uz laboratorijām. Tur mērījumus var veikt daudz precīzāk, nekā novērojot tālu galaktiku gaismu. Taču galaktikas gaismu ir izstarojušas pirms miljardiem gadu un, ja konstantes mainās visu laiku, tad tās ir izmainījušās vairāk nekā to dažu gadu laikā, ko iespējams atvēlēt laboratorijas eksperimentam. Bet nav iespējams gaidīt miljardu gadu un tad atkārtot eksperimentu.

Turklāt mēs nezinām, vai konstantes mainās laikā ar vienmērīgu ātrumu. Varbūt Visuma evolūcijas kādā periodā, piemēram, sākumā, tās mainījās strauji, bet mūsdienās temps zudis. Tad eksperimenti laboratorijā neko daudz nelīdzēs.

Un vēl. Viens no sapratnes par pasauli stūrakmeņiem ir enerģijas nezūdamības likums – enerģija nevar ne rasties, ne izzust. Tā var tikai pārvērsties no vienas formas citā. Bet enerģijas nezūdamības likums izriet no tā, ka dabas likumi laikā ir nemainīgi. Ja tomēr tie laikā mainās, lai arī ļoti nedaudz, tad jādomā, cik fundamentāls ir enerģijas nezūdamības likums?! Un tas jau ir nopietni.

Nu ko – gaidīsim, kāds būs šīs intrigas atrisinājums, ko fiziķi mums piedāvās. Vai fizikas konstantes ir konstantas vai varbūt arī nemaz tādas nav?

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