prof. Kurts Švarcs

Gaismas kvanti: no Saules dieviem līdz informācijas pārraidei

Domājams, ka Saule un gaisma bija pirmās parādības, kuras mūsu senči pielūdza pirms miljoniem gadu. Arheoloģija liecina, ka Homo erectus apguva uguni jau pirms 1.7 miljoniem gadu! Tā bija revolūcija, kas ietekmēja visu tālāko Homo evolūciju. Ugunskuri pagarināja seno cilvēku aktīvo dzīvi, pārejot uz ceptu un vārītu barību un dodot gaismu alu cilvēkiem.Gaismai visās reliģijās bija svarīga loma, kas saglabājusies līdz mūsu dienām. Senie cilvēki zināmā mērā nojauta Saules staru lomu dzīvības attīstībā uz Zemes (1.att.).

Reliģiskie kulti akmens laikmeta cilvēkiem droši vien radās ļoti sen, mēs nezinām kad. Precīzi datēts ir Stonehenge piemineklis Anglijā un tam līdzīgie arheoloģiskie objekti. Kopš seno civilizāciju rašanās Ēģiptē, Ķīnā, Indijā un citur ceturtā gadu tūkstotī p. Kr., reliģija kļuva šo kultūru neatņemama sastāvdaļa. Tā no vienas puses bija kultūras un zinātnes centrs (astronomija, matemātika), no otras puses, valdnieku varas ierocis. Visās senajās kultūrās bija arī Saules kults un Saules dievam cēla greznus tempļus (2.att.).Reliģija ne tikai apsolija cilvēkiem dzīvi pēc nāves, bet arī prasija cilvēku upurus dieviem (3.att).

1. Kas ir gaisma?

Redze un gaisma tika diskutēta arī senās civilizācijās. Līdz mums vislabāk nonākuši seno grieķu domātāju uzskati par gaismu. Viņu priekšstati par redzes uztveri un gaismu bija visai aprakstoši. Empedokls (490 – 430 p.Kr.) uzskatīja, ka priekšmeti izstaro dažādas krāsas gaismu, kas izraisa redzes sajūtu. Pēc Empedokla priekšmeti ir gaismas avoti. Citādi uzskati bija Eiklīdam (325 – 265). Viņš bija ģeniāls matemātiķis, kas radīja ģeometrijas pamatus, kurus vēl šodien māca skolās. Eiklīds gaismas staru salīdzināja ar taisni, aplūkoja perspektīvi un priekšmetu izmērus atkarībā no attāluma. Redzes sajūtu Eiklīds izskaidroja ar gaismas stariem (korpuskulas vai “redzes līnijas“), kas iziet no acīm. Senie grieķu filozofi intuitīvi nojauta gaismas korpuskulāro jeb kvantu dabu, kas fizikā tika atklāta tikai divdesmitā gadsimta sākumā. Redzes bioloģiskos procesus – acs uzbūvi un komplekso acs saiti ar smadzenēm noskaidroja tikai deviņpadsmitā gadsimtā. Jau senajā Grieķijā gaismu izmantoja informācijas pārraidei – lāpu telegrāfs 12.gs.p.Kr.

Saules gaisma ir ne tikai dzīvības avots uz Zemes, bet arī ietekmē visu mūsu ikdienu. Deviņdesmit procentus informācijas par apkārtējo pasauli mēs uztveram vizuāli. Cilvēka acs ir unikāls “bioloģisks“ instruments, kas izveidojās miljoniem gadu ilgā evolūcijas procesā. Pateicoties acs tīklenes īpašībām, mēs pazīstamu cilvēku viegli saskatām pūlī.

Gaismas dabu (gaismas viļņi vai daļiņas) cilvēce izprata tikai divdesmitā gadsimta sākumā, kaut gan pielietojumi sākās daudz agrāk un būtiski ietekmēja dabaszinātņu attīstību (astronomiju, fiziku, bioloģiju). Pirmie optikas pielietojumi bija lēcas, tālskats un mikroskops. Tas notika uz 16. un 17.gadsimta robežas un saistās ar holandiešu briļļu meistariem H. Lipersheiju (Hans Lippershey, 1570 – 1630) un Z. Jansenu (Zachsarias Janssen, 1588 – 1631) un Galileo Galileju (Galileo Galilei, 1564 – 1641). Holandieši 1608.gadā Parīzē demonstrēja pirmo tālskatu, kuru Galilejs nedaudz vēlāk 1610.gadā pilnveidoja. Nedaudz vēlāk Galilejs konstruēja arī mikroskopu. Šie instrumenti atklāja cilvēcei gan Visuma tāles, gan mikropasauli, it īpaši bioloģijā. Jau 1609.gadā Galilejs atklāja četrus Jupitera pavadoņus, apstiprinot Kopernika Saules sistēmas modeli. Nedaudz vēlāk Galilejs pirmo reizi novēroja mūsu gslaktikas Piena Ceļa zvaigznes, atklājot Visuma grandiozos izmērus. Miljoniem gadus mūsu senči Piena Ceļu novēroja kā blāzmainu baltu joslu nakts debesīs. Galileja atklājumi bija zinātniskās astronomijas sākums.

Problēmai par gaismas izplatīšanās ātrumu ir gara vēsture. Jau akmens laikmeta cilvēki novēroja īsus gaismas signālus kā zibensizlādi vai krītošās zvaigznes – meteorus. Empedokls šos novērojumus vispārināja, apgalvojot, ka gaisma ir kaut kas kustīgs un signālu ātrums ir ļoti liels. Pagāja gadsimti un tikai Galileo Galilejs mēģināja šo ātrumu noteikt eksperimentāli ar lukturiem no diviem pauguriem varāku kilometru attālumā. Galileja eksperiments parādija, ka gaismas ātrums ir nesalīdzināmi lielāks par redzes inerci un lukturu aizklāšanas ātrumu. Tagad mēs zinām, ka gaisma viena kilometra attālumu noiet trīs mikrosekundēs – daudz īsākā laikā nekā cilvēka redzes uztveršanas laiks (0.015 sekundes = 15 ms). Pirmos eksperimentālos gaismas ātruma mērījumus veica dāņu astronoms Olafs Rēmers (Olaf Römer, 1644 – 1710), novērojot Jupitera pavadoņa apgriešanās periodu no dažādām Zemes orbitas pozicijām. Viņa rezultāti deva gaismas ātrumu c = 213 000 km/s, kas bija 30% zemāks par precīziem mērījumiem (Rēmeram bija nepareizi dati par Zemes orbitas izmēriem). Pēc spektrālās analīzes atklāšanas 19.gs. vidū arī zvaigžņu ķīmiskais sastāvs tika noteikts pēc Fraunhofera līnijām to emisijas spektros. Optiskie novērojumi ļoti sekmēja astronomijas attīstību.

Deviņpadsmitā gadsimta beigās gaismas parādības noveda fiziku strupceļā, kuru izdevās atrisināt tikai ar Alberta Einšteina (Albert Einstein, 1879 – 1955) realativitātes teoriju un Maksa Planka (Max Planck, 1858 – 1947) gaismas starojuma kvantu teoriju. Pirmā pretruna saistās ar gaismas ātrumu mērījumiem no astronomiskiem novērojumiem un laboratorijas ekperimentiem, kas pierādīja, ka gaismas ātrums nav atkarīgs no gaismas avota kustības. Šie novērojumi bija pretrunā ar Ņūtona kustības likumiem.

Otra problēma bija gaismas starojums no sakarsētiem ķermeņiem – siltuma starojums. Šis starojums piemīt visiem sakarsētiem ķermeņiem, kuru tempertūra ir augstāka par absolūto nulli (T > 0 K). Vācu teorētiķis Maks Planks, aprēķinot starojuma intensitāti atkarībā no frekvences, nonāca pie secinājuma, ka gaisma no sakarsētiem ķermeņiem netiek izstarota nepārtraukti, bet ar diskrētām porcijām – gaismas kvantiem. Planka secinājums pamatoja gaismas korpuskulāro dabu. Gaismas kvantu enerģija ir proporcionāla gaismas frekvencei un kvantu enerģija (? ) ir vienāda ? = h?, kur h ir Planka konstante un ? ir gaismas frekvence (? = c/? = gaismas ātrums/viļņu garums). Ar saviem teorētiskiem aprēķiniem Maks Planks uz 19.un 20.gadsimta robežas atklāja jaunu ēru – kvantu fiziku, kas atvēra jaunas izziņas par atoma uzbūvi, atoma kodoliem un elementārdaļiņām. Kvantu fizika izveidojās 20.gadsimtā un tā turpina savu uzvaras ceļu līdz mūsu dienām. Šo ceļu izcirta desmitiem ģēniāli fiziķi – Nobela prēmijas laureāti.

Problēmu par gaismas ātrumu 1905.gadā atrisināja Einšteina speciālā relativitātes teorija, kas aplūkoja kustības likumsakarības pie ātrumiem, kas tuvi gaismas ātrumam. Speciālā relativitātes teorija postulēja gaismas ātrumu kā maksimālo ķermeņu kustības ātrumu. Šo postulātu apstiprināja visi eksperimentālie novērojumi līdz mūsu dienām. Tai pašā 1905.gadā Alberts Einšteins ar kvantu priekšstatiem (fotoniem) aprakstīja arī fotoefektu (par šo darbu Einšteins 1922.gadā saņēma Nobela prēmiju). Nedaudz vēlāk, 1915.gadā Einšteins publicēja vispārīgo relativtātes teoriju, kas gravitāciju aprakstīja kā laiktelpas īpašību. Einšteina teorijas būtiski izmainīja mūsu priekšstatus par laiku, telpu un enerģiju, atļaujot izprast Visuma uzbūvi un evolūciju. Kvantu fizika un realativitātes teorija ietekmēja visu tālāko dabaszinātņu un tehnikas attītību.

2.Zinātne un industriālās revolūcijas

Dabaszinātņu sasniegumi 18. un 19.gadsimtā deva daudz praktisku pielietojumu, kas sekmēja rūpniecības un arī lauksaimniecības attīstību. Minēsim tikai dažus svarīgākos pielietojumus. Džeims Vats (James Watt, 1736 – 1819) 1765.gadā izgudroja tvaikmašīnu, kas būtiski ietekmēja rūniecības un transporta attīstību. Jau 1825.gadā Anglijā tika atklāta pirmā dzelzsceļa līnija un nedaudz vēlāk dzelzsceļa tīkli pārklāja visus kontinentus. N. Oto (Nicolaus Otto, 1832 – 1891) 1876.gadā izgudroja četrtakta benzīna motoru, un drīzi vien uzvaras ceļu uzsāka automobīļi. Verners Simens (Werner von Siemens, 1836 – 1892) 1879.gadā būvē pirmo elektrisko tramvaja līniju. Tomas Edisons (Thomas Alva Edision, 1847 – 1931) 1880.gadā izgudro kvēlspuldzi. Visi šie tehniskie izgudrojumi bija zinātnisko atklājumu rezultāts, kas balstījās uz siltuma likumsakarībām (termodinamiku), Ņūtona mehaniku un Maikla Faradeja elektromagnētismu. Viens no kvantu fizikas celmlaužiem V. Heizenbergs (Werner Heisenberg, 1901 – 1976) šo industriālo revolūciju nosauca par “mehanisko“ atšķirībā no dabas zinātņu un tehnikas attīstības divdesmitā gadsimtā.

Divdesmitā gadsimta atklājumi fizikā, ķīmijā un bioloģijā būtiski ietekmēja zinātnes saites ar rūpniecību un tehnisko progresu. Jau 19.gadsimta beidzamos gados Vilhelma Rentgena (Wilhelm Röntgen, 1845 – 1923) atklātie rentgenstari (1895.gads) un gadu vēlāk Anrī Bekerela (Antoine–Henri Becquerel, 1852 – 1908) atklātā urāna radioaktivitāte bija sensacionāli atklājumi. Tie bija sākums kodolfizikai, ar kuras palīdzību divdesmitā gadsimtā radīja atombumbas un atomelektrostacijas. Divdesmitais gadsimta pārvērta zinātni par tehniskā progresa galveno dzenošo spēku. Zinātne radīja jaunus ieročus jau pirmajā pasaules karā (indīgās gāzes) un zinātnes loma kļuva izšķiroša otrajā pasaules karā. Pēc pirmiem atombumbu sprādzieniem kļuva skaidrs, ka zinātniskie atklājumi var būt bīstami cilvēcei un ka zinātnieki savu atklājumu likteni nevar iespaidot.

Minēsim tikai dažus piemērus par atklājumiem, kas pārveidoja pasauli. 1947.gadā amerikāņu zinātnieki Džons Bardīns, Volters Brateins un Viljams Šoklijs izgudroja pusvadītāja tranzistoru, kas dažos gadu desmitos pārveidoja elektroniku un sakaru tehniku. Pusvadītāji aizstāja radiolampas un kvantu fizika strauji ieviesās ikdienā – no tranzistoru radio līdz datoriem. Jau 1961.gadā tika ražotas pirmās silicija (Si) integrālās shēmas un 1971.gadā amerikāņu firma Texas producēja pirmo Si mikroprocesoru ar 8000 elementiem. Šodien datoros izmanto integrālās shēmas ar pieciem miljardiem (5x10⁹) tranzistoriem (elementu skaits palielinājās gandrīz miljons reižu)! Procesorus programmēšanai izmanto visur – no veļas mazgājamās mašīnas līdz lidmašīnas autopilotam. Teodors Maimans (Theodore Maiman, 1927 – 2007) 1960.gadā konstruēja pirmo rubīna lāzeru (Al₂O₃:Cr kristāli). Drīz lāzeri tika izmantoti visās dzīves nozarēs – no skalpeļa medicīnā līdz jaudīgiem lāzeriem termokodolu sintēzes reaktoros. Pusvadītāju lāzeri iekarojuši sakaru tehniku un pusvadītāju diodes (angliski LED – Light Emitting Diodes) mūsu dzīvokļos ar lielāku efektivitāti aizstāj parastās kvēlspuldzes.

Aplūkosim mazliet, kā divdesmitā gadsimta fizikas atklājumi pārveidoja sakaru tehniku. Telefona priekštecis bija elektromagnētiskais telegrāfs, kur kodētus signālus pārraida ar elektriskiem vadiem (kabeļiem). Pirmie mēģinājumi tikai uzsākti jau 18.gs. beigās, kaut gan tehnisks sasniegums bija S. Morzes (Samuel F.B. Morse, 1791 – 1872) izveidotais telegrāfs ar morzes ābeci – punktu un svītriņu sistēmu, kurā katram burtam bija savs simbols. Morze konstruēja īpašu slēdzi īso (punkts) un garo (svītiņa) pārraidei. Šo sistēmu vēl tagad izmanto informācijas pārraidei.

Aleksandrs Bels (Alexander Graham Bell, 1847 – 1922) 1876.gadā saņēma ASV patentu par telefonu. Telefona izgudrojumi sākās jau pirms Bela un viņš izmantoja A. Meuči (Antonio Meucci, 1808 – 1889) tehniskās izstrādes. Bela nopelns ir sava izgudrojuma novešana līdz plašam patēriņam, ko sekmēja 1877.gadā nodibinātā firma (Bell Telephone Company). Vairāk nekā pusgadsimta telefons bez lielām izmaiņām kalpoja sakaru tehnikai, izmantojot divus vadus katram telefona abonentam. Sakariem izmantoja simtiem kabeļu pārus, kas, montēti uz stabiem, “krāšņoja“ pilsētas. Tā tas bija līdz pagājušā gadsimta trīsdesmitajiem gadiem (4.att).

Telefona izgudrošanās laikā neeksistēja elektriskie tīkli un katram telefonam vajadzēja savu bateriju, kas sastāvēja no skābes un diviem metāla elektrodiem. Nebija arī individuāla abonentu izvēle un telefona centrāli izsauca ar elektrisku signālu, ko ieguva griežot indukcijas spoli (kloķa telefons, 4.att.). Tikai 1923.gadā vācu firma Siemens&Halske ieveda automātisku numuru izvēli ar ciparu disku. Pagājušā gadsimta trīsdesmito gadu beigās telefona sakariem izmantoja koaksālos kabeļus, kas būtiski uzlaboja telefona sakarus, it īpaši pārraides ātrumu un jaudu (5.att.). Uzlabojot pārraides tehniku un ievedot frekvenču modulāciju, šodien maksimālais ātrums metālu koaksālos kabeļos ir miljons bitu vienā sekundē (10⁶ biti/s).

Satelīti kopš pagājušā gadimta 60–tiem gadiem uzsāka globālos telefona sakarus. Kopš 1987.gada ISDN (Integrated Service Digital Network – integrētā servisa cipartīkls) nodrošināja datu, audio un video informācijas pārraidi pa telefona tīkliem. Firma Apple 2007.gadā ar pirmo iPhone, izmantojot internetu, apvienoja mobilo telefonu ar fotoaparātu, video–kameru, mūziku un datora sistēmu. Vairums iPhone īpašnieku nezina, ka daudzveidīgie paklpojumi saistīti ar gaismu un optolektroniku.

1.att. Fotosintēze augu lapās saista no atmosfēras ogļskābo gāzi (CO2) un sintezē cukuru, ogļhidrātus un taukus, izdalot skābekli atmosfērā. Tikai fotosintēze radīja skābekļa atmosfēru uz Zemes un ir nepieciešamais faktors dzīvības attīstībai uz sauszemes.	2.att. Senās Ēģiptes saules dievu – Atonu – simbolizēja kā Saules disku. Faraons Ehnatons 13.gs.p.Kr. Atonu atzina kā vienīgo dievu Ēģiptē.
3.att. Maiju un acteku kultūrā Amerikā starp daudzajiem dieviem saules dievam bija īpaša loma un šim dievam upurēja arī cilvēkus.	4.att. Aleksandrs Bells 1876.gadā saņēma ASV patentu un noveda telefonu līdz svarīgākam sakaru līdzeklim: a – kloķa telefons 1896.gadā; b – telefona kabelis ar metāla vadiem prasīja divus vadus katram abonentam.
	5.att. a Metāla telefona kabelis: 2000 vara stieples ar šķērsgriezumu 0.4 mm2 un kopējo diametru 30 mm; informācijas pārraides ātrums 3x104 bits/s. b Koaksālais kabelis: 1 – vara centrālā stieple; 2 – polietilēna izolācija; 3 – ārējais metāla slānis; 4 – ārējais izolāijas aizsargslānis; informācijas pārraides ātrums 3x107 bits/s. c Optiskā viļņvada shēma: 1 – optiskā šķiedra (angliski core – serde) ar diametru 10 – 1500 mikrometriem; 2 – apvalks (angliski cladding) – optisks materiāls ar mazāku gaismas laušanas koeficientu; 3 – aizsargslānis; informācijas pārraides ātrums 1014 bits/s. Informācijas pārraides ātrums optiskos kabeļos ir ap miljonu reižu lielāks nekā koaksālos metāla kabeļos.