EDGARS IMANTS SILINŠ - Lielo patiesību meklējumi

Senkīniešu un vēlāk Dao un dzenbudistu filozofisko kategoriju un vispāri­nāto tēlu pretmetu uzskaitījumam Bors pievienoja fizikā visnozīmīgāko kom­plementāro pretmetu pāri: daļiņas (korpuskulas) un viļņa komplementaritāti.

Kā redzējām gaismas fizikālās dabas pētījumu apskatā (sk. 5. eseju), šie jēdzieni līdz pat kvantu mehānikas dzimšanai mūsu gadsimta divdes'mitajos gados šķita absolūti nesavienojami. Tajos it kā fokusējās visa fizikas pamat­ideju attīstības vēsture kopš Ņūtona laikiem. Vai gaisma ir da|inu plūsma vai vilnis kādā nepārtrauktā vidē?

Formālā loģika (un arī veselais saprāts) lika izvēlēties vai nu vienu, vai otru alternatīvu. Ņūtona mehānikā sakņotai domāšanai pieņemamākā bija gaismas korpuskulārā teorija. (Tā domāja arī senie ēģiptieši — Saules dieva pielūdzēji [40]).

Tomēr fiziķi — Ņūtona pēcteči, gaismas viļņu teorijas izveidotāji Kristiāns Heigenss, Tomass Jungs, Ogistēns Frenels un citi —, balstoties uz acīmredza­majiem interferences un difrakcijas efektiem, šķietami nepārprotami pierādīja gaismas vi|ņveida dabu. Šo attīstību vainagoja Maksvela elektromagnētisko viļņu teorija, kuras ietvaros, balstoties uz elegantu matemātisku formālismu (122. att. 282. lpp.), varēja vienotā sistēmā aprakstīt visu elektromagnētisko vi|ņu svārstību spektru no radioviļņiem līdz Rentgena un gamma starojumam.

Maksvela teorija šķita esam pati pilnība, perfekta kā pēc satura, tā arī pēc formas. Bet jau 20. gs. sākums nāca ar jauniem revolucionāriem atklājumiem un jaunām paradigmām, kas satricināja gan Ņūtona mehānikas, gan Maksvela elektrodinamikas toreiz jau par klasisko fiziku nosauktās teorētiskās sistēmas. Ja visas elektromagnētiskās svārstības — ari redzamā gaisma — izplatās kā viļņi, tad nepieciešama kāda nepārtraukta vide, kurā šie viļņi var izplatīties. Par tādu kļuva hipotētiskais ēters, kam bija jākļūst par fundamentu, uz kuru balstīt teorijas «arhitektoniskās» celtnes. Bet jaunu laikmetu iezvanīja, kā jau redzējām, kāds negatīvs eksperiments. Maikelsons un Morlijs, nosakot Zemes kustības sagaidāmo ietekmi uz gaismas ātrumu, konstatēja, ka šis ātrums ir konstants (c = 3 x 10^ km/s), neatkarīgs no Zemes kustības šajā ētera «jūrā». Tātad hipotētiskais ēters vispār neeksistē! Tas tika padzīts no fizikas «paradī­zes» un atrada savu vietu tikai masu mediju leksikā.

Šis atklājums saskanēja ar Einšteina speciālās relativitātes teorijas pamat­postulātu, kas kā plašāks mehānikas vispārinājums nomainīja līdz tam «nemal­dīgo» Ņūtona mehāniku vai, pareizāk sakot, inkorporēja to kā specifisku, noteiktiem apstākļiem tuvinātu mehānisko parādību aprakstu. Bet šis atklā­jums satricināja ari gaismas vilnu teorijas pamatnostādnes.

Tajā pašā 20. gs. pirmajā desmitgadē sekoja jauns dramatisks atklājums. Maksvela teorijai draudēja katastrofa no pavisam citas puses. Tā nekādi neva­rēja izskaidrot t. s. melnā ķermeņa starojuma spektru.

Vācu fiziķis Makss Planks 1900. gadā pierādīja, ka, lai izskaidrotu šā spek­tra raksturu, jāpieņem, ka gaisma nevis izplatās kā nepārtraukts viļņveidīgs starojums, bet sastāv no gaismas kvantiem, kuriem ir diskrēts, tātad faktiski korpuskulārs raksturs. Planks parādīja, ka gaismas kvantu enerģija aprakstāma ar ļoti vienkāršu formulu:

E = hv, (1)

kur v ir gaismas starojuma frekvence, bet h (tāpat kā gaismas ātrums c) ir universāla dabas konstante, saukta ari par akcijas kvantu h = 6,28 x 10 -34 J s un pazīstama kā Planka konstante. (Jāpiebilst, ka saskaņā ar Maksvela teoriju gaismas starojuma enerģijai vajadzētu būt proporcionālai nevis frekvencei, bet gan svārstību amplitūdas kvadrātam.)

Mazliet vēlāk — 1905. gadā — Alberts Einšteins atklāja, ka ari fotoelek- triskajā efektā gaisma parādās kā sastāvoša no korpuskulām, kuras nosauca par fotoniem. Tā bija it kā šķietami nesavienojamu īpašību izpausme: dažos proce­sos — piemēram, difrakcijā un interferencē — gaisma uzvedās kā vilnis, citos — piemēram, fotoelektronu emisijā un starojuma procesos — kā daļiņu, korpuskulu plūsma. Šāds vienas substances — gaismas — daļiņas un viļņa duālisms likās nesavienojams paradokss, kas runāja pretim klasiskās fizi­kas formālajai loģikai un šķietami ari veselajam saprātam (sk. 16. eseju un 35. att. 78. lpp.).

Negaidīti atklājumi sekoja arī mikrodaļiņu fizikā. 1924. gadā franču fiziķis, senas aristokrātu dzimtas atvase, hercogs Luijs de Brojī veica vienu no gad­simta ģeniālākajiem atklājumiem. Pie šā atklājuma viņu noveda paradoksāli vienkārša doma. Ja gaismas fotoni ir ne vien vilnis, bet arī daļiņas, kāpēc gan nevarētu būt, ka elektronam, kas līdz šim tika uzskatīts par daļiņu, nevarētu piemist arī viļņa daba? Tas bija tīri intuitīvs slēdziens, balstīts nevis uz deduk- (ivo analīzi, bet vienkārši uz analoģiju. Luijs de Brojī parādīja, ka ar elektronu (kā arī ar jebkuru citu mikrodaļiņu) saistītā viļņa garums X nosakāms ar ļoti vienkāršu formulu:

(2)

kur h ir Planka konstante, bet p — daļiņas impulss {p = mv, kur m ir daļiņas masa, bet v— tās ātrums).

Formulas (1) un (2) uzskatāmas par matērijas īpašību visuniversālāko aprakstu un, kā redzams, ir dievišķas savā vienkāršībā un skaidrībā. Pirmā for­mula (1) postulē gaismas viļņa korpuskulāro dabu, otrā (2) — daļiņu viļņ- veida dabu; abas kopā tās postulē viļņa un korpuskulas jebkuras matērijas formas komplementāro raksturu.

Pirmais, kas izprata de Brojī atklājuma nozīmīgumu, bija Alberts Einšteins. Vēstulē Lanževēnam viņš ar sev piemītošo filozofisko humoru rakstīja: «Er hat einen Zipfel des grossen Schleiers geliiftet (Viņš ir pacēlis liela plīvura stūri).» Tiešām, pagāja tikai daži gadi (1927. g.), un angļu fiziķi Dēvisons, Džermers un Tomsons eksperimentāli konstatēja elektrona difrakcijas ainu, elektronu plūsmai izejot caur plānu metāla foliju. Ar to tika eksperimentāli apstiprināts, ka elektroniem (un arī citām mikrodaļiņām — neitroniem un protoniem) tiešām piemīt daļiņas un viļņa īpašības. Pašlaik elektronu difrakcijas metodi plaši izmanto vielas struktūras pētījumos.

Līdz par Einšteina darbiem relativitātes teorijā klasiskā fizika aplūkoja vielu un enerģiju kā savstarpēji atrautus matērijas atribūtus. Atsevišķi bija formulēts vielas nezūdamības (Lavuazjē, Lomonosovs) un enerģijas nezūdamības (Maiers, Helmholcs, Džouls) likums. Einšteins parādīja, ka viela un enerģija ir komplementāri matērijas atribūti, un postulēja universālu vielas un enerģijas nezūdamības likumu, saskaņā ar kuru viela var pārvērsties enerģijā un ener­ģija — vielā. Šos abus matērijas atribūtus (vielu ar masu m un enerģiju E) atkal saista paradoksāli vienkārša formula:

E = mc 2 , (3)

kur c ir gaismas ātrums vakuumā (c = 3 x 10 10 cm/s), arī Visuma univer­sāla konstante. Šai konstantei ir tikpat ievērojama loma Einšteina relativitātes teorijā kā Planka konstantei h kvantu teorijā.

Loti aizraujoša un reizē pamācoša ir šīs vienkāršās formulas tapšanas vēs­ture. Sākotnēji 1912. gadā relativitātes teorijai veltītajā rakstā Einšteins šo for­mulu, paplašinādams Ņūtona mehānikas priekšstatus, bija uzrakstījis šādā vispārīgā formā:

EL = mc 2 + T j-q 2 + … (3a)

Kā redzams no manuskripta kopijas 34. att., lielumu L, kas bija domāts kā konstante, Einšteins drosmīgi nosvītrojis. īpaša nozīme nav arī otrajam locek­lim, kas apraksta ņūtonisko kinētisko enerģiju un nenoliedzami ir mazāks par pirmo locekli. Rezultātā paliek fundamentālā izteiksme (3), kas postulē