Neaiztikt skaistumu
Būs tādi, kuri teiks, ka varavīksne ir tik skaista un pat romantiska dabas parādība, ka mēģināt to skaidrot ar fiziku vai pat matemātiku ir vardarbīga skaistuma iznīcināšana, aizstājot to ar gaismas staru gaitas analīzi un formulām. Starp citu, šādi domāja arī Volfgangs Gēte, kuru visbiežāk asociējam ar viņa slaveno lugu "Fausts" un dzeju.
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.
Varbūt mazāk zināms ļoti interesants fakts, ka Volfgangs Gēte nopietni pievērsās arī gaismas īpašību izpētei un 1810. gadā publicēja savu pētījumu par krāsu veidošanos. Šo pētījumu Gēte pats vērtēja vismaz tikpat augstu kā savu literāro devumu, visādi mēģinot padarīt pamanāmu tālaika zinātnieku sabiedrībā, taču pamatā par to saņēma tikai kritiku. Par sava priekšgājēja Īzaka Ņūtona skaidrojumu, kā stikla prizma sadala baltu saules gaismu, spektrā iegūstot uz ekrāna visas varavīksnes krāsas, viņš rakstīja, ka "Ņūtons ir izkropļojis dabas būtību". Dzejnieki ar mazāk izteiktu interesi par zinātni nekā Gēte ir bijuši vēl kategoriskāki. Tā angļu dzejnieks Džons Kīts, ko pazīstam kā izteiktu romantiķi, kādās svinīgās vakariņās uzsauca tostu par Īzaku Ņūtonu un apjukumu, ko rada viņa matemātika. Tomēr fiziķu un matemātiķu aizstāvībai es gribētu piebilst, ka nemaz tik nejūtīgi pret varavīksnes estētisko un māksliniecisko skaistumu viņi nav. Tā varavīksnes matemātiskā apraksta celmlauzis Renē Dekarts rakstīja: "Varavīksne ir tik brīnišķīga Dabas parādība, ka man ir grūti izvēlēties vēl labāku piemēru, ar kuru demonstrēt manas metodes pielietojamību." Pie atšķirībām starp šiem pretējiem dižgaru viedokļiem un pie tā, kāds racionāls grauds tomēr bija Gētes gaismas un krāsu teorijā, mēs vēl atgriezīsimies.
"Viss ir vienkārši"
Taču tagad par otru cilvēku grupu, kura, iespējams, teiks: "Varavīksne, tas ir pavisam vienkārši. Es zinu, kā tā veidojas." Šis otrs viedoklis atsauc atmiņā trīs grāmatas, kas bija populāras manos skolas gados. Tās bija tulkotas no franču valodas – "Radio. Tas ir ļoti vienkārši!" un līdzīgi par televizoru un tranzistoru. Atceros, ka man, kam fizika un tehnika vienmēr ir interesējusi, lasot šīs grāmatas, radās tāda dīvaina sajūta, ka autors varbūt tomēr ir mazliet bravurīgs un tas radio tik vienkāršs, kā apgalvo grāmatas, tomēr nav. Te svarīgi vairāki sapratnes līmeņi. Vienkāršākajā pietiks, ja zināsim skolā mācīto, ka gaismas stari lūst, no gaisa nonākot citā vidē, kur to izplatīšanās ātrums ir mazāks, piemēram, stiklā vai ūdenī. Un tad ir nākamie līmeņi, kur varavīksnes dažādu nianšu izpratnei jāatceras, ka gaisma ir ne tikai stari, kas izplatās pa taisnu līniju, bet tai ir arī viļņu īpašības. Gaismas vilnis, sastopot savā ceļā kādu necaurspīdīgu šķērsli, veido ne tikai šā šķēršļa ēnu, bet izplatoties to nedaudz arī apliec. Šādu parādību fiziķi ir nosaukuši par gaismas difrakciju. Vēl, vienam vai vairākiem gaismas viļņiem satiekoties, tie var viens otru gan pastiprināt, gan pavājināt. Šo parādību savukārt sauc par gaismas interferenci. Abām šīm parādībām ir noteikta loma, veidojoties varavīksnei. Un tad vēl arī smalkāki efekti, kas ļauj izprast varavīksni aizvien labāk un ko fiziķi joprojām turpina pētīt, pilnveidojot mūsu fizikālo izpratni par varavīksni.
Bet ko varam ievērot, vērīgi ielūkojoties varavīksnē, un kā tā tomēr veidojas?
Pirmais, kas par šo jautājumu aizdomājās vēl pirms mūsu ēras, bija Aristotelis. Taču Aristoteļa fizikas teorijas bieži izrādījās ja nu ne galīgi nepareizas, tad tomēr samērā tālu no patiesības. Par varavīksni Aristotelis domāja, ka tā veidojas, gaismai noteiktos leņķos atstarojoties no mākoņa kā no spoguļa. Aristotelim bija taisnība, ka atstarošanās spēlē noteiktu lomu varavīksnes veidošanā. Taču, pateicoties Renē Dekartam, tagad zinām, ka varavīksne veidojas, gaismai ieejot lietus lāses ūdens pilienā un sadaloties spektrā, tāpat kā gaisma sadalās krāsu spektrā, ieejot stikla prizmā. Taču tālāk gaisma atstarojas lietus piliena iekšpusē un tikai tad izkļūst no tā, veidojot šo krāsu gammu vai krāsu spektru. Šī atstarošanās nosaka to, ka, skatoties uz varavīksni, saule vienmēr ir aiz muguras. Vēl viena lieta, ko Aristotelis bija nojautis pareizi, ka varavīksne ir kā horizonts – tie abi neatrodas kādā noteiktā vietā, uz kuru var aiziet. Gan varavīksne, gan arī horizonts vienmēr būs kaut kur tālu priekšā, lai cik ilgi arī ietu to virzienā. Tādēļ abus, gan varavīksni, gan horizontu, dzejnieki nereti izmanto par metaforu tālam, skaistam, bet nesasniedzamam mērķim, vēlmēm, kam nav lemts piepildīties, nojausmām, kam nav lemts materializēties.
Daudzi ir redzējuši, ka virs viena varavīksnes loka saskatāma otra varavīksne. Tā ir vājāka un tādēļ ne vienmēr uzreiz pamanāma. Tās loks ir lielāks nekā pamata varavīksnes loks. Ja pēc pirmās sajūsmas par varavīksnes skaistumu to turpinām uzmanīgi vērot, tad pamanīsim, ka pamata varavīksnē krāsu secība ir tāda, ka varavīksnes ārējā mala ir sarkana un tad krāsas caur oranžu, dzeltenu, zaļu, zilu, indigo nonāk līdz violetai. Varbūt retāk būs gadījies ievērot, ka ārējā, šajā otrajā, varavīksnē krāsu secība ir pretēja. Tās iekšmala ir sarkana un ārmala violeta. Tas tādēļ, ka šī otrā varavīksne veidojas, gaismas staram pirms izkļūšanas no lietus piliena tā iekšienē atstarojoties divas reizes.
Kādēļ tas maina krāsu secību varavīksnē?
Arī tas ir gandrīz tikpat vienkārši kā radio… Esam taču pamanījuši, ka, redzot sevi spogulī, mūsu attēls ir gandrīz tāds pats kā mēs spoguļa šajā pusē, bet ar vienu īpatnību. Ja, piemēram, es esmu labrocis, tad mans spoguļa dvīnis ir kreilis, un, protams, otrādi – kreiļa spoguļa dvīnis ir labrocis. Tātad labā un kreisā puse, gaismai atstarojoties, ir samainījušās vietām. Tāpat tas noticis pirmajā un otrajā varavīksnē. Gaismas papildatstarošanās samaina krāsu secību vietām.
Te vērts atcerēties Gēti, kurš savā traktātā par gaismu pievērsa uzmanību arī tam, kā cilvēks uztver krāsu. Dabiski rodas jautājums, kāpēc mēs sakām, ka varavīksni veido tieši septiņas krāsas, nevis piecas vai deviņas, vai vēl kāds cits skaitlis? Fiziķi pamatoti teiktu, ka krāsa mainās nepārtraukti un tās spektrā nav diskrētu krāsu. Šo dalījumu, ka, piemēram, ir dzeltena krāsa, kas pāriet zaļā, bet tā pāriet zilā, nosaka mūsu uztvere, ja gribat, cilvēka prāts. Vēl vairāk, pastāv uzskats, ka šāds dalījums septiņās pamatkrāsās mūsu uztverē ir izveidojies pavisam nesen, pēdējos pāris tūkstošos gadu. Piemēram, Homēra laikos, kurš dzīvoja apmēram 800 gadu pirms mūsu ēras, cilvēka prāts vēl nemaz tik daudz krāsu neizšķīra. Ir zināms apgalvojums, ka Homērs bijis akls dziesminieks. Šā apgalvojuma pamatā ir fakts, ka redzošs cilvēks tik dīvaini neaprakstītu krāsas, piemēram, sakot, ka jūra bija sarkanvīna krāsā. Iespējams, un tā uzskata virkne antīkās pasaules pētnieku, ka ar Homēra redzi viss bija kārtībā. Vienkārši tajā laikā tumši sarkans un tumši zils netika uztverts kā atšķirīgas krāsas. Šim apgalvojumam ir vēl arī citi pamatojumi, bet par tiem citreiz.
Ko vēl var redzēt varavīksnē?
To, ka debesis starp abām varavīksnēm ir ievērojami tumšākas nekā pamata varavīksnes loka iekšpusē un aiz otrā varavīksnes loka tā ārpusē. Esmu pārliecināts, ka mūsu ēras otrajā gadsimtā dzīvojošais grieķu filozofs Aleksandrs no Afrodīzijas nebija pirmais, kas šo tumšāko debess daļu starp varavīksnēm pamanīja, bet viņš ir pirmais zināmais cilvēks, kurš to aprakstījis, un tādēļ mūsdienās to saucam par Aleksandra tumšo joslu.
Nākamais jautājums varētu būt par to, kādēļ gaisma, veidojoties varavīksnei, sakoncentrējas šajās divās skaistajās krāsu joslās? Izrādās, ka šīs joslas veido robežvirsmas, ko svešvārdā sauc par "kaustikām", un gaisma šajās varavīksnēs tiek sakoncentrēta no Aleksandra joslas. Tieši tāpēc tā ir tumša. No turienes "savāktā" gaisma ir nonākusi varavīksnes lokos.
Un vēl par parādību varavīksnē, ko ne tik daudzi būs pamanījuši. To ir grūtāk ievērot, un ne vienmēr tā redzama. Tie ir ļoti šauri gaiši un tumši loki, kas parādās pamata varavīksnes iekšējā malā. Gaišos lokus nosaka virzieni, kuros gaismas viļņi viens otru pastiprina, un starp tiem esošos tumšos lokus veido virzieni, kuros viļņi viens otru dzēš. Ieskatieties spilgtā varavīksnē, un tos pamanīsiet! Ir vērts saprast fiziku, lai zinātu, kur meklēt skaisto un to nepalaistu garām nepamanītu…
Nobeigumā gribu vēl ko piebilst. Varavīksnes parādībai, izrādās, ir liela loma arī kvantu fizikā. Lai saprastu, kas "lācītim vēderā", un izpētītu atoma kodola uzbūvi vai kvantu daļiņu, tādu kā protons un neitrons, struktūru, bieži izmanto izkliedes eksperimentus, kad vienas daļiņas apstaro ar citām. Tas ir ļoti līdzīgi, kā lietus pilienus apstarot ar gaismu. Pēc tā, kādu "varavīksni" veido daļiņas pēc mijiedarbības ar pētāmo daļiņu, par šo izpētes objektu var pateikt ļoti daudz ko. Šīs izkliedes teorijas pamatā ir tā pati varavīksnes veidošanās teorija ar visām tās niansēm. Tikai šoreiz jādomā kvantu kategorijās, ka daļiņa brīžam var uzvesties kā daļiņa, bet dažreiz izpausties kā vilnis. Ne velti kvantu fizikā to sauc par daļiņas un viļņa duālismu. Varavīksnes gadījumā tas nozīmētu, ka tik ilgi, kamēr par gaismu runājam kā par staru, kas izplatās taisnā virzienā, mēs domājam par gaismu kā par daļiņu plūsmu, bet tad, kad sakām, ka gaisma nedaudz apliecas ap šķēršļiem vai gaismas viļņi viens otru var gan pastiprināt, gan arī dzēst, par gaismu runājam kā par vilni.
Tieši tik vienkārši un sarežģīti vienlaikus.
Profesora Auziņa zinātnes sleja
