Prof. Kurts Švarcs

Gaisma, Eiklīds, Einšteins un Visums

Gaisma gan kā reliģijas simbols, gan kā svarīgākais cilvēka informācijas avots tika aplūkota visās senajās 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 (4./3. gs. p. Kr.). Viņš bija ģeniāls matemātiķis, kas apkopoja tā laika matemātiskās zināšanas savā darbā "Elementi". Eiklīds arī attīstīja mūzikas teoriju un aplūkoja perspektīvi - priekšmetu izmērus atkarībā no attāluma. Senie grieķu filozofi intuitīvi nojauta gaismas korpuskulāro dabu, kas fizikā tika atklāta tikai 20. gadsimta sākumā [1]. Gaisma ir cilvēka galvenais informācijas avots par apkārtējo pasauli - 90% mēs saņemam vizuāli. Gaisma atklāja cilvēcei Visuma noslēpumus un gaismas parādības noveda pie Alberta Einšteina relativitātes teorijām un kvantu mehanikas.

1. Eiklīds un Zelta griezums

Eiklīds ir vienīgais antīkās Grieķijas matemātiķis, kurš ietekmēja visu tālāko matemātikas attīstību līdz šodienai. Eiklīds apkopoja visu antīko matemātiku (ģeometriju, skaitļu teoriju, irracionālos skaitļus) savā trīspadsmitdaļīgajā darbā "Elementi", kas bija pirmais darbs matemātikā ar stingru loģiku un aksiomātiku un kas gadsimtiem ilgi sekmēja matemātikas attīstību. Ģeometrija vēl šodien tiek pasniegta skolās tā, kā Eiklīds to aprakstīja. Ģeometrija sekmēja gan astronomijas attīstību, gan arī matemātikas attīstību, ieskaitot abstrakto neeiklīda ģeometriju [1].

Eiklīds savā darbā "Elementi" detalizēti aprakstīja zelta griezumu, pazīstams arī kā zelta šķēlums vai dievišķā proporcija (1. att.). Zelta griezums ir attālumu proporcija Ф = a/b = 1.618, kuru var atrast dažādās ģeometriskās figūrās, ieskaitot piecstūru zvaigzni, kas bija antīkās Pitagoriešu skolas simbols (1. att.) [1]. Skaitlis Ф ir vienkāršā kvadrātvienādojuma (x² - x -1 = 0) atrisinājums Ф = x₁= (√5 +1)/2 = 1.618... Zelta griezumu jau pirms Eiklīda plaši izmantoja arhitektūrā un mākslā. Uzskata, ka šāda izmēru attiecība ir patīkama vizuālai uztverei. Leonardo da Vinči uzskatīja, ka cilvēka ķermeņa skaistums atbilst zelta šķēluma proporcijām.

Daudzi senatnes pieminekļi (piramīdas, tempļi) satur zelta griezuma elementus. Līdz mūsdienām ir saglabājies grieķu dievietei Atēnai celtais templis Partenons, kas satur daudzus zelta šķēluma elementus (2. att.). Zelta griezuma proporcijas tiek izmantotas arī modernajā arhitektūrā (3. att.).

2. Einšteins un gaisma

Gaismas dabu (gaismas viļņi vai daļiņas) cilvēce izprata tikai 20. gadsimta sākumā, kaut gan tās pielietojums sākās daudz agrāk un būtiski ietekmēja dabaszinātņu attīstību (astronomiju, fiziku, bioloģiju). Kā pirmie optikas pielietojumi minami - lēcas, tālskatis un mikroskops. Tas notika 16. un 17. gadsimta mijā un saistās ar holandiešu briļļu meistariem H. Lipersheiju (Hans Lippershey, 1570 - 1630) un Z. Jansenu (Zachsarias Janssen, 1588 - 1631), kā arī Galileo Galileju (Galileo Galilei, 1564 - 1641). Šie instrumenti atklāja cilvēcei gan Visuma tāles, gan mikropasauli, it īpaši bioloģijā. Astronomijā šodien izmanto visus elektromagnētiskā starojuma veidus - no radioviļņiem, infrasarkanās un redzamās gaismas līdz ultravioletajiem un rentgenstariem.

19. 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 ātruma 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 temperatūra ir augstāka par absolūto nulli (T > 0 K). Vācu teorētiķis M. Planks, aprēķinot starojuma spektru, nonāca pie secinājuma, ka gaisma no sakarsētiem ķermeņiem netiek izstarota nepārtraukti, bet ar diskrētām porcijām - gaismas kvantiem. M. Planka secinājums pamatoja gaismas korpuskulāro dabu. M. Planks par saviem rezultātiem bija pārsteigts un sākumā pieņēma, ka gaisma tikai tiek izstarota diskrēti kvantu veidā un tālāk izplatās nepārtraukti kā gaismas vilnis.

Problēmu par gaismas ātrumu 1905. gadā atrisināja A. 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 apstiprinājuši visi eksperimentālie novērojumi līdz mūsdienām. A. Einšteins atklāja jaunu ēru ne tikai fizikā un astronomijā, bet visā lielo ātrumu tehnikā un kosmonautikā. Savu pirmo ģeniālo darbu Einšteins veica izolācijā no zinātniskās sabiedrības. Tajā pašā gadā sekoja vēl trīs publikācijas. Pēc ekspertu novērtējuma, visi četri darbi atbilda Nobela prēmijas prasībām un būtiski ietekmēja zinātnes attīstību. Šie darbi bija par fotoefektu (Nobela prēmija 1921. gadā), molekulu kustību šķidrumos (Brauna kustību) un par enerģijas un masas ekvivelenci (slavenā formula E = mc², kur c ir gaismas ātrums). Visus šos ģeniālos darbus A. Einšteins veica, būdams Šveices Patentu pārvaldes eksperts, tas ir, no darba brīvajā laikā. Tikai 1907. gadā A. Einšteins kļuva docents Cīrihes universitātē un 1911. gadā Prāgas universitāte ievēlēja viņu par profesoru.

Maksa Planka gaismas kvanti un Alberta Einšteina realativitātes teorijas bija 20. gadsimta zinātniskās revolūcijas sākums, kas sekmēja visu tālāko tehnisko progresu līdz šodienai, tajā skaitā arī kosmosa apgūšanu un Visuma uzbūvi (4. un 5.att.).

3. Einšteins un pasaule

Alberts Einšteins (1879. - 1955.) piedzima Ulmā (Vācija), komersantu ģimenē. Vispārīgo izglītību Alberts ieguva ģimnāzijā Minhenē, kuru 15 gadu vecumā atstāja, protestējot pret "ķeizarisko disciplīnu" skolā. A. Einšteins jau 17 gadu vecumā atteicās no Vācijas pilsonības (protests pret militāro atmosfēru) un tikai 1901. gadā ieguva Šveices pavalstniecību, kuru saglabāja līdz mūža beigām. 1896. gadā pēc ģimnāzijas pabeigšanas Šveicē, Alberts Einšteins iestājās Šveices Federālajā tehnoloģiju augstskolā, kuru pabeidza 1900. gadā ar diplomu "Fizikas un matemātikas skolotājs". 1905. gadā Einšteins aizstāvēja doktora disertāciju par tēmu "Jauns molekulāro dimensiju novērtējums" (Eine neue Bestimmung der Moleküldimensionen). No 1902. līdz 1907. gadam A. Einšteins strādāja Bernē Patentu birojā kā trešās kategorijas tehniskais eksperts. Kaut gan A. Einšteina izcilie darbi tika publicēti jau 1905. gadā, viņa popularitāte pieauga un materiālais stāvoklis uzlabojās tikai 1913. gadā, kad M. Planks piedāvāja A. Einšteinam īpašu zinātnisko pozīciju Prūsijas Zinātņu akadēmijā (toreiz viena no Eiropas vadošajām zinātniskajām organizācijām). A. Einšteina pozīcija akadēmijā deva iespēju pilnīgi pievērsties zinātniskajam darbam bez pedagoģiskās slodzes (6.att.). Šeit arī 1915. gadā "dzima" vispārīgā relativitātes teorija, kas atklāja jaunus gravitācijas efektus un Visuma uzbūvi un evolūciju.

A. Einšteins uzauga vācu kultūras iespaidā (ģimene, skola) un vācu valodā tika rakstītas visas pirmās ģeniālās publikācijas. Neraugoties uz to, A. Einšteins krasi vērsās pret prūšu militārismu un Pirmā pasaules kara sākumā, būdams Prūsijas Zinātņu akadēmijas loceklis, neparakstīja Vācijas vadošo zinātnieku uzsaukumu atbalstīt karu. A. Einšteins vēlāk atzīmēja, ka vācu valodā viņam pretīgākais vārds ir "Zwang" - tulkojumā - spaids, piespiešanās.

Alberts Einšteins instinktīvi vērsās pret vardarbību, ko viņš raksturoja vārdiem: "Mans pacifisms ir mana instinktīvā sajūta, ka nogalināt ir noziegums. Mana attieksme nāk nevis no spekulatīvas teorijas, bet pamatojas dziļā nepatikā pret jebkāda veida vardarbību un naidu". Pēc Pirmā pasaules kara A. Einšteins atbalstīju organizācijas, kas vērsās pret karu. Vēstulē psihoanalīzes dibinātājam Z. Freidam (Sigmund Freud, 1856. - 1939.) A. Einšteins rakstīja: "Vai ir iespējams atbrīvot cilvēkus no kara briesmām?" Zigmunds Freids izsmeļošā vēstulē atbildēja, ka tas nav iespējams sociālo pretrunu un cilvēka varas instinkta dēļ ([2] 405. lpp.; 419. - 430.lpp.). Diemžēl Z. Freida atbilde ir piepildījusies līdz mūsdienām.

Nacisti jau pirms Ā. Hitlera nākšanas pie varas ienīda A. Einšteina politskos uzskatus, kritizēja viņa sociāli politisko darbību vietējā presē un draudēja viņu nogalināt. Pēc Ā. Hitlera nākšanas pie varas 1933. gada janvārī, A. Einšteins atteicās no Vācijas pavalstniecības un no visiem akadēmiskajiem amatiem dažādās zinātņu akadēmijās. 1933. gada "neāriešu" grāmatu dedzināšanā tika iekļauti arī A. Einšteina darbi. Nacistiskajā Vācijā relativitātes teorija bija aizliegta!

Kaut gan Alberts Einšteins bija pacifists un karu pretinieks, viņš saprata, ka fašismu var uzvarēt tikai ar ieročiem. Pirms Otrā pasaules kara sākumā jau bija atklāta neitronu izraisītā urāna kodolu (²³⁵U) dalīšanās reakcija ar lielu enerģijas atbrīvošanu. Fiziķu aprindās bija skaidrs, ka šos procesus var izmantot arī kā jaunu efektīgu ieroci ar sprādziena un inducētās radioaktivitātes efektiem. Neviens, protams, 1939. gadā nezināja, kā to veikt un cik daudz kilogrammu urāna būs vajadzīgs šādai atombumbai. Tā kā kodola dalīšanās reakcija tika atklāta 1938. gadā Berlīnē, profesora Oto Hāna (Otto Hahn, 1879. - 1968.) vadībā, fiziķu aprindās bija bažas, ka hitleriskā Vācija aktīvi strādā pie atomieroču projekta. Pēc fašistu nākšanas pie varas Vācijā, Italijā, Ungārijā un citās Eiropas valstīs, daudzi vadošie zinātnieki, tajā skaitā fiziķi, emigrēja uz Amerikas Savienotajām Valstīm, kur bija koncentrēts milzīgs intelektuāls potenciāls. Šie fiziķi labāk izprata briesmas par atomieročiem fašistu rokās. Lai pārliecinātu ASV valdību par nepieciešamību izstrādāt atomieročus pirms fašistiskās Vācijas, ungāru izcelsmes amerikāņu fiziķis Leo Silārds (Leo Szilard, 1898. - 1964.) 1939. gada augustā lūdza Albertu Einšteinu parakstīt viņa sastādīto vēstuli ASV prezidentam Franklinam Rūzveltam (Franklin Delano Roosvelt, 1882. - 1945.).

A. Einšteina parakstītā vēstule bija ietekmīga un 1943. gada septembrī ASV sāka darboties Manhetenas projekts, kas izstrādāja pirmās atombumbas, kuras 1945. gada augustā tika nomestas uz Japānas pilsētām Hirosimu un Nagasaki. Vienā mirklī aizgāja bojā vairāk nekā 200 000 cilvēku, atombumbas sagrāva ēkas vairāku kilometru rādiusā un vēlāk prasīja vēl vairāk upurus no staru slimības.

A. Einšteins bija sašutis. Arī daudzi fiziķi, kas aktīvi piedalījās atombumbas izstrādāšanā, bija pret šo ieroču izmantošanu. Vēlāk Leo Silārds apgalvoja, ka pirmās atombumbas nomešana bija "kļūda" un otrā atombumba bija "drausmīga". Jau 1945. gada septembrī Leo Silārds vēlreiz griezās pie Alberta Einšteina šoreiz ar lūgumu piedalīties pasākumos par atomieroču aizliegšanu. Vēlāk, gadu pirms savas nāves, A. Einšteins sarunā ar Nobela prēmijas laureatu Lainusu Polingu (Lainus Pauling, 1901. - 1994.) atzīmēja [3]: "Vislielākā kļūda, manā dzīvē ir vēstule prezidentam Rūzveltam, iesakot kodolieroču bumbas projektu; zināms pamatojums tam bija risks, ka vācieši varētu to radīt agrāk."

Attēli (pdf)

Literatūra

[1] Störig, H. J. Kleine Weltgeschichte der Wissenschaft, Fischer Taschenbuch Verlag, Frankfurt (M), 2007.

 [2] Grüning, M. Ein Haus für Albert Einstein - Erinnerungen-Briefe-Dokumente, Verlag der Nation, Berlin, 1990.

[3] Pauling, L. Note to Self regarding a meeting with Albert Einstein, November 16, 1954.