EDGARS IMANTS SILINŠ - Lielo patiesību meklējumi

Jaunā teorija viegli izskaidroja visas galvenās optiskās parādības: gan gais­mas stara izplatīšanos pa taisni, gan difrakciju — apliekšanos ap šķēršļiem, gan interferenci — gaismas savstarpēju pastiprināšanos un pavājināšanos, ko bija novērojis jau Ņūtons («Ņūtona gredzeni»), gan laušanu un atstarošanu. Ari dažādu gaismas staru krāsu varēja viegli izskaidrot ar gaismas viļņu dažādo garumu. Bet kas tad svārstās šajos viļņos? Angļu fiziķis Džeimss Klārks Maksvels 1873. gadā teorētiski pierādīja, ka gaisma ir elektromagnētisks vilnis, kas izplatās telpā, kuru pilda hipotētiskā ideāli elastiskā nekustīgā vide — pasaules ēters. Jau likās — beidzot pielikts punkts. Šķita atrisināts viens no lielākajiem dabas noslēpumiem, izzināta dzīvības nesējas gaismas būtība…

Pētījumi gaismas viļņu mehānikā 17.-19. gs. it kā nepārprotami apstipri­nāja, ka Heigensa-Junga-Frenela viļņu teorija ir pareiza, bet Ņūtona kor­puskulārā gaismas teorija — maldīga. Tai pašā laikā gaismas viļņu teorija un pasaules ēters itin labi iekļāvās mehāniskā determinisma shēmā. Ak vai, šai gaismas viļņu paradigmas šķietamā triumfa brīdī zinātne vēl bija tālu no patie­sības par gaismas dabu!

5.4. Korpuskulārā un vilnu paradigma kā komplementāri pretmeti

Turpmākā notikumu gaita parādīja, ka abas paradigmas — korpuskulārā un viļņu— ir divas Lielās Patiesības komplementārās puses, kas viena otru pa­pildina un abas ir adekvātas. Lielo Patiesību atklāja tā pati stikla prizma, kuru Ņūtons bija novietojis Saules stara ceļā pirms vairāk nekā diviem gadsimtiem.

Ilgus gadu desmitus neviens nebija nopietni pievērsies šiem eksperimen­tiem. Vajadzēja paiet ap 150 gadiem, kamēr vācu aptiekārs un zinātņu cienī­tājs Jozefs Fraunhofers 1814. gadā, izmantojot krietni uzlabotu un papildi­nātu iekārtu — spektroskopu, atkal aplūkoja Saules spektru. Uz Ņūtona aprakstītās septiņkrāsu ainas fona viņš ieraudzīja virkni tumšu, šauru līniju, kuras vēl tagad sauc par Fraunhofera līnijām. Arī citi zinātnieki sāka intere­sēties par Fraunhofera instrumentu un aplūkoja dažādu sāļu iekrāsotas liesmas vai elektriskās izlādes. Šajā gadījumā spektrā novēro nevis nepārtrauktu sep­tiņu krāsu ainu, bet lielāku vai mazāku skaitu šauru, krāsainu līniju.

Pēc nepilna pusgadsimta (1859.-1861. g.) divi vācu zinātnieki — fiziķis Gustavs Kirhofs un ķīmiķis Roberts Bunzens — paziņoja, ka katram vielas atomam, katram ķīmiskam elementam ir sava, tikai tam vien piederoša līniju kopa, savs spektrs, kas to atšķir no citiem elementiem. Laižot baltu gaismu caur elementu tvaikiem, uz nepārtrauktās krāsainās ainas fona tieši tajā vietā, kur iekrāsotā liesma tās izstarojusi, parādās tumšas līnijas — tās pašas Fraun­hofera līnijas.

Kāpēc rodas līniju spektrs? Kāpēc līnijām ir tik skaidri noteikta frekvence? Kāds tam visam sakars ar vielas atomiem? Lai uz to atbildētu, cilvēcei vajadzēja nodzīvot vēl pusgadsimtu, pilnu ar dramatiskiem jauniem atklājumiem, strī­diem, šaubām, pārdomām un drosmīgām jaunām hipotēzēm un teorijām. Tai skaitā ari par gaismas dabu.

No visām pusēm nāca triecieni gaismas viļņu elektromagnētiskajai teorijai, kas jau it kā bija visu izskaidrojusi un sevī ietvērusi klasiskās fizikas manto­jumu — gan mācību par viļņiem un to izplatīšanos, gan Maikla Faradeja atziņas par elektrisko un magnētisko lauku, gan Frenela mantojumu un Mak- svela vispārinājumus.

Vispirms jau pats Saules «baltais» spektrs izrādījās ciets rieksts. «Baltu» jeb nepārtrauktu spektru izstaro nokaitētā Saules virsma — fotosfēra. Tādu pašu spektru izstaro jebkurš sakarsēts ķermenis. Taču neviens nespēja izskaidrot, kāpēc un kādā veidā spektrā rodas nevienmerīgs, katrai temperatūrai rakstu­rīgs sadalījums.

Viens no radioviļņu atklājējiem Heinrihs Hercs 1887. gadā konstatēja, ka gaismas iedarbībā no metāliem tiek izsisti elektroni. Un atkal gaismas elek- tromegnētisko viļņu teorija izrādījās bezspēcīga šo parādību izskaidrot.

Gadu agrāk amerikānis Alberts Maikelsons ar izbrīnu atklāja, ka tāda pasaules ētera nemaz nav! Neticēdams pats sev, viņš pēc gada kopā ar Eduardu Morliju eksperimentu atkārtoja. Tas pats rezultāts! Arī vēlāk precīzāki eksperi­menti šo secinājumu apstiprināja. Bet tad taču nevar arī pastāvēt gaismas viļņi! Jo nav vides, kur tie varētu izplatīties.

Atrisinājums nāca līdz ar jauno gadsimtu, kas cilvēcei atnesa jaunu fiziku un līdz ar to arī jaunu paradigmu.

Maksam Plankam 1900. gadā beidzot izdevās izskaidrot sakarsēto ķermeņu «balto» spektru. Sev pašam par pārsteigumu un pat nepatiku, viņš, audzināts klasiskās fizikas labākajās tradīcijās, bija spiests konstatēt, ka tas iespējams tikai tad, ja pieņem, ka gaisma ir nevis vilnis, bet gan sīku enerģijas daļiņu plūsma. Katras tādas daļiņas enerģija ir proporcionāla attiecīgā gaismas vilna frekvencei.

Ja četrdesmit divus gadus vecais Planks pats vēl šaubījās par jaunatklāto patiesību, nemaz nenojauzdams, ka iezvanījis jaunu laikmetu fizikā, tad divdesmitsešgadīgais Bernes patentu biroja darbinieks Alberts Einšteins pēc pieciem gadiem drosmīgi uztvēra šo jauno ideju un ģeniāli vienkārši izskaid­roja fotoelektrisko efektu, vienlaikus nosaucot Planka gaismas enerģijas daļi­ņas par gaismas kvantiem. Vēlāk radās vēl viens apzīmējums — fotons. Tikai daudz vēlāk šie epohālie darbi tika atzīmēti ar Nobela prēmiju (sk. 1. tabulu).

1. tabula

Deviņi mūsu gadsimta izcilākie zinātnieki —

kvantu fizikas pamatlicēji, kas par saviem atklājumiem saņēmuši pasaules prestižāko balvu zinātnē —

Nobela prēmiju fizika (sk. [157])

N.

p.k.

vārds, uzvārds

Nobela prēmijas

piešķiršanas gads

1.

Makss Planks (M. K. E. L. Planck, 1858-1947),

1918

vācu fiziķis

2.

Alberts Einšteins (A. Einstein, 1879-1955), vācu fiziķis

1921

3.

Nilss Bors (N. H. D. Bohr, 1885-1962), dāņu fiziķis

1922

4.

Luijs Viktors de Brojī (L. de Broglie, 1892-1987),

1929

franču fiziķis

5.

Verners Heizenbergs (W. Heisenberg, 1901-1976),

1932

vācu fiziķis

6.

Ervīns Šrēdingers {E. Schrddinger, 1887-1961),

1933

austriešu fiziķis

7.

Pols Adriens Moriss Diraks {P. A. M. Dirac, 1902-1984),

1933

angļu fiziķis

8.

Volfgangs Pauli (W. Pauli, 1900-1958),

1945

šveiciešu fiziķis

9.

Makss Borns {M. Born, 1882-1970), vācu fiziķis

1954

Šajā deviou ģēniju plejādē īpaši jāizceļ Lielais Kvintets — Bors, Heizcnbergs, Diraks, Pauli un Borns. Viņi izstradāja kvantu mehānikas statistisko interpretāciju. Filozofiski ievirzītais trio — Bors, Heizenbergs un Pauli — izveidoja kvantu fizikas filozofiskos pamatus, kas pazīstami ka Kopenhāgenas interpretācija (sk. 77. eseju).

Priekšstats par gaismas kvantiem divdesmit astoņus gadus veco dāni Nilsu Boru 1913. gadā beidzot noveda pie atomu spektru noslēpuma atrisinājuma. Elektroni atomā var atrasties tikai noteiktos enerģijas stāvokļos. Pārejot no viena stāvokļa otrā, tie vai nu iegūst enerģiju, uzņemot noteiktu enerģijas porciju, vai arī atdod to, izstarojot pilnīgi noteiktu enerģijas daudzumu gaismas kvanta veidā. Tā radās jaunā kvantu fizika, ko izstrādāja nākamajos divpadsmit gados.

Šie šķietami dīvainie zinātnes attīstības ceļi gaismas dabas izpētē ar atkārto­jošos pretēju paradigmu maiņu var kalpot par uzskatāmāko piemēru Lielo Patiesību meklējumos un demonstrē šo Patiesību komplementāro dabu.