No kādiem ķieģeļiem būvēta māja, ko sauc par Visumu? Profesora Auziņa zinātnes sleja

Pasaule, kurā mēs dzīvojam, ir tik interesanta un krāsaina tieši tādēļ, ka tā ir tik dažāda. Katru dienu ieraugām jaunas un jaunas iepriekš nepamanītas tās izpausmes. Taču tad, kad gribam paskatīties uz pasauli no racionāla skatpunkta, rodas vēlme saprast, kā tā ir uzbūvēta, ne tikai vērot. Gluži kā arhitekts, skatoties uz skaistu māju un mēģinot saprast, kā tā ir būvēta un no kādiem ķieģeļiem, arī mēs kādā filozofiskā pārdomu brīdī jautājam sev, no kā, no kādiem "ķieģeļiem" veidota pasaule, kurā dzīvojam? Cik daudz dažādu veidu "ķieģeļu" ir bijis Lielā Sprādziena vai, kāds cits varētu teikt, Radītāja arsenālā?

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.

Šis jautājums ir tikpat vecs kā cilvēce. To uzdeva gan Senajā Divupē, gan Ēģiptē, gan arī Senajā Grieķijā, Indijā un Ķīnā. Arī atbilde uz šo jautājumu ir pārsteidzoši līdzīga daudzās senajās kultūrās. Senajā Ēģiptē priesteri apgalvoja, ka dievi pasauli veidojuši no pieciem elementiem. Tie ir zeme, ūdens, gaiss, uguns un satverama viela – ēteris. Ļoti līdzīgi uzskatīja budistu mūki Senajā Indijā – pasaule ir veidota no zemes, ūdens, uguns un gaisa, kam kā piektais elements pievienojas apziņa. Viegli redzēt, ka ir četri ikdienā sastopami elementi, kam pievienojas kaut kas viens noslēpumains, neaptaustāms, abstrakts.

Mūsdienu dabaszinātnēs varam ieraudzīt līdzīgu pieeju. Pasauli piepilda ļoti daudz un dažādu lietu, kas ir būvētas no neskaitāmiem ķieģelīšiem – atomiem. Bet arī dažāda veida atomu ir daudz par daudz, lai tie būtu pamatķieģelīši. Šobrīd ķīmisko elementu inventāra sarakstā jeb ķīmisko elementu periodiskajā tabulā ir vairāk nekā simts dažādu atomu veidu.

Domājot un ejot aizvien dziļāk sapratnē par pasauli, fiziķi nonāca pie atziņas, ka atoms, kas tulkojumā no sengrieķu valodas nozīmē nedalāmais, tik nedalāms nemaz nav. Arī atomi ir būvēti no vēl mazākiem ķieģelīšiem, ko fiziķi sauc par elementārdaļiņām. Iespējams, ka dēvēt šīs daļiņas par elementārajām, tātad tālāk nesadalāmajām, ir tikpat naivi, kā domāt, ka atomus nav iespējams sadalīt tālāk vai ka pasaule uzbūvēta no zemes, ūdens, gaisa un uguns… To rādīs laiks, bet šoreiz par elementārdaļiņām – tiem ķieģelīšiem, no kā (vismaz šobrīd tā domājam) ir uzbūvēts viss esošais. Šo Visuma ēkas jeb, lietojot celtnieku terminoloģiju, "Visuma inženiertehnisko projektu" fiziķi sauc par Standarta Modeli.

Standarta Modelis nozīmē, ka viss eksistējošais ir veidots no trīs dažādu veidu daļiņām. Viens veids ir kvarki. Eksistē seši dažādi kvarki, un visas masīvās vielu veidojošās daļiņas, tai skaitā dažādu atomu kodolus veidojošie protoni un neitroni, ir veidoti no šiem kvarkiem. Pašu nosaukumu "kvarks" 1963. gadā izdomāja amerikāņu fiziķis, Nobela prēmijas laureāts Marijs Gells-Manns. Viņš to aizguva no Džeimsa Džoisa romāna "Finegana vāķēšana". Džeimsa Džoisa stilā arī angliski neko nenozīmējošs vārds – kvarks – romānā parādās, autoram spēlējoties ar vārdiem frāzē – "Trīs kvarkus misteram Markam". Šāda ne līdz galam saprotama vārda izvēle elementārdaļiņai arī nav pavisam nejauša. Domāju, ka tā raksturo zināmu fiziķu apmulsumu, pasaules uzbūves pamatā noliekot šādu neparastu daļiņu. Lai raksturotu tās neparastumu, šobrīd pietiks, ja teikšu, ka eksistē pavisam seši dažādi kvarki. Kvarki ir daļiņas, kam tāpat kā elektroniem piemīt elektriskais lādiņš. Varbūt kāds atceras, ka skolā mācīja – elektrona lādiņš brīžiem tiek saukts arī par elementārlādiņu, jo tā ir mazākā lādiņa vienība, ko varam cerēt dabā novērot. Lūk, dažiem no šiem sešiem kvarkiem ir lādiņš, kas atbilst vienai trešdaļai no elektrona lādiņa, citiem – divas trešdaļas no elektrona lādiņa. Jautāsiet, kā tas var būt? Vai tad skolā mums mācīts nepareizi? Nē, skolā teiktais ir taisnība. Šo šķietamo pretrunu atrisina vēl viena neparasta kvarku īpašība. Tie parādās tikai un vienīgi grupās. Tos pat teorētiski nav iespējams izraut no šīs grupas un novērot pa vienam. Parasti grupu veido trīs kvarki. Piemēram, gan protonu, gan neitronu katru veido trīs kvarki. Turklāt grupa var izveidoties vienīgi tad, ja tās dalībnieku – kvarku – lādiņš summā ir pozitīvs vai negatīvs vesels skaitlis vai nulle. Taču dažreiz veidojas arī mazākas grupas (divi kvarki) vai lielākas (četri kvarki). Daļiņas, kas veidotas no diviem kvarkiem, sauc par mezoniem. Taču pietiks nogurdināt ar svešvārdiem.

Kas vēl atrodams pašu elementārāko Visuma būves ķieģelīšu inventāra sarakstā?

Vēl viena grupa ir vieglās daļiņas – leptoni. Tātad – otrs daļiņu veids. Pazīstamākais no leptoniem ir elektrons. Bet ir vēl divi – mions un tau daļiņa. Bez tam katram no šiem trim leptoniem ir atbilstošais neitrīno. Tātad trīs dažādi neitrīno. Tāpat kā bija seši kvarki, kopā ir seši leptoni. Secinām, ka visa mums zināmā viela ir veidota no 12 dažādiem ķieģelīšiem – sešiem kvarkiem un sešiem leptoniem. Arī šim skaitam ir zināms intriģējošs skaidrojums, bet par to citreiz.

Tātad viela ir izveidota no 12 daļiņām, kas "turas kopā". Šī frāze liek domāt, ka, lai saprastu, kā gan ikdienā redzamā pasaule, gan Visums kopumā ir veidots, tomēr kaut kā pietrūkst. Kā? Acīmredzot ir nepieciešami kaut kādi spēki, kas to visu satur kopā. Šis ir trešais būtiskais lielums, jo diez vai elementārdaļiņas tā vienkārši ir "sabērtas čupā".

Šobrīd elementārdaļiņu pasaulē zinām trīs dažādus spēkus, kas daļiņas notur kopā. Tā ir no skolas laikiem zināmā elektromagnētiskā mijiedarbība. Tātad daļiņas var iedarboties gan ar elektrisko, gan magnētisko spēku palīdzību. Skolā mums par šo mijiedarbību piedāvāja domāt samērā vienkārši. Lādētas daļiņas, kuru lādiņu zīmes ir vienādas, atgrūžas. Ja lādiņu zīmes ir dažādas, daļiņas pievelkas. Piemēram, ūdeņraža atoma kodols, kas ir protons, pievelk elektronu, kas ap to riņķo. Standarta modelis piedāvā par to domāt abstraktāk. Tad, kad protons un elektrons viens otru pievelk, tie apmainās ar fotoniem. Spēlē tādu kā pingponga spēli, kur bumbiņu vietā ir fotoni. Vēl abstraktāk, fotoni nav līdz galam īsti fotoni, bet gan virtuāli fotoni, kas eksistē tikai īsu brīdi un ko detektēt ar kādu mērinstrumentu nav iespējams. Tādēļ tos sauc par virtuāliem fotoniem. Lai vēl tālāk sarežģītu dzīvi, teikšu, ka bez elektromagnētiskās mijiedarbības, par kuru tiek runāts visbiežāk, elementārdaļiņu pasaulē eksistē vēl arī stiprā un vājā mijiedarbība. Tā ir līdzīga pinponga spēle, bet bumbiņas vietā šajās mijiedarbībās nav fotoni, bet dažas citas eksotiskas virtuālās daļiņas – gluons, kas pārnes stipro mijiedarbību, un trīs dažādu veidu vājo mijiedarbību pārnesošas daļiņas.

Žurnālisti un Tečere

Visbeidzot, pēdējais ķieģelītis, kas tika iebūvēts šajā būvē, ir Higsa bozons. Tā ir daļiņa, kas visām citām daļiņām piešķir masu. Atkal skan noslēpumaini.

Kā var piešķirt masu? Kas tās par tiesībām noteikt citu daļiņu masu?

Fiziķu aprindās ir populārs stāsts, kas to ilustrē. Iespējams, ka tas nav patiess visās detaļās, bet lietas būtību pasaka ļoti labi. Tiek stāstīts, ka laikā, kad Lielbritānijas premjerministre bija Margarēta Tečere, viņai bijis jāpieņem lēmums, vai Lielbritānijas valdībai turpināt finansēt ļoti dārgos Higsa bozona pētījumus, vai to nedarīt. Lai to izlemtu, viņa esot saaicinājusi pie sevis fiziķus un teikusi apmēram tā: "Paskaidrojiet man tā, lai es saprotu, kas ir Higsa bozons. Ja sapratīšu, tad arī sabiedrība sapratīs un naudu jūs dabūsiet. Ja nesapratīšu, tad arī sabiedrību nevarēšu pārliecināt, ka pētījumi jāfinansē, un naudas jums nebūs."

Fiziķiem Tečeres kundzi pārliecināt izdevās. Viņi teica: "Premjerministres kundze, iedomājieties, ka mēs ar jums esam ienākuši zālē, kas pilna ar žurnālistiem. Šie žurnālisti ir Higsa daļiņas. Ieraugot jūs un atpazīstot premjerministri, ap jums būs liels žurnālistu – Higsa daļiņu – pūlis. Katrs gribēs jums ko jautāt. Jūs varēsiet zālē pārvietoties ļoti lēni. Jūs būsiet kā ļoti smagnēja daļiņa ar lielu masu un lielu inerci. Turpretī nevienam nezināms fiziķis izraisīs zālē esošo žurnālistu mazu interesi un pārvietosies bez traucējumiem – ātri un viegli. Kā daļiņa ar mazu inerci, mazu masu. Tā, lūk, Higsa bozoniem dažādi mijiedarbojoties ar dažādām daļiņām, tie dažādām daļiņām piešķir dažādu masu."

Tečeres kundzi esot apmierinājis šāds skaidrojums, un pētījumi Lielbritānijā esot tikuši finansēti.

Tas kopējam ieskatam. Sīkāk par šo ļoti prominento un uzmanību piesaistījušo daļiņu – Higsa bozonu - atkal kādu citu reizi.

Nobeigumā tikai piebildīšu, ka katrai aprakstītajai daļiņai eksistē vēl arī tās dvīņubrālis vai dvīņumāsa – antidaļiņa. Kopumā tās veido antivielu. Antivielu, kura nespēj sadzīvot ar parasto vielu, un, nonākot ar to kontaktā, abas viena otru iznīcina – anihilē, pārvēršas tīrā enerģijā, elektromagnētiskajā vilnī, starojumā. Tas noved mūs sākuma punktā vēl vienam ļoti intriģējošam stāstam un līdz galam neatminētai mīklai. Saskaņā ar mūsu priekšstatiem par pasauli, Visumā vajadzētu būt vienādā daudzumā parastās vielas un antivielas. Taču antivielu mēs radām laboratorijā ļoti mazos daudzumos un Visumā to tikpat kā neredzam. Ja tā rodas kādā elementārdaļiņu pārvērtību procesā, tad ļoti nelielos daudzumos un uzreiz iet bojā anihilācijas procesos. Kur palikusi visa antiviela Visumā, mēs nezinām!

Bet varbūt tieši tajā ir skaistums un zinātnes attīstības loģika. Atrisinot kārtējo neatrisināto zinātnes uzdevumu un padziļinot sapratni par pasauli, kurā dzīvojam, mēs atklājam aizvien jaunus interesantus jautājumus. Saprotam, cik daudz mēs vēl nesaprotam.

Ceru, ka šis stāsts pagalam nenogurdināja. Vairākkārt uzrakstītās frāzes "… par to vairāk kādu citu reizi…" tikai parāda, cik daudz interesanta vēl slēpj Visuma uzbūves mīkla un cik daudz interesantu tēmu, par ko runāt.

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