Neredzamais atstāj pēdas

Es jūtu, kā mani pārņem šaubas. Ja šīs molekulas, atomi un elementārdaļiņas ir tik mazas, ka tās nav saskatāmas, kāpēc mēs tik pārliecinoši apgalvojam, ka tās eksistē? Vai var būt tā, ka tās vispār nepastāv?

Patiešām, atoma izmērs ir niecīgs. Un vēl nesen nebija mikroskopa, ar kuru tos varētu saskatīt. Taču tas nenozīmē, ka nevar būt pārliecināts, ka atomi un elementārdaļiņas pastāv.

Iedomājieties, ka jūsu mājā ir pele. Jūs to neredzat, bet droši zināt, ka tā tur ir: uz galda atstāts siera gabaliņš naktī pazūd, mājā ir peļu pēdas, un naktī jūs dzirdat šņākšanu. Tātad pele ir, lai gan tā nav redzama. Šo secinājumu mēs izdarījām, kā saka zinātnieki, pamatojoties uz netiešiem novērojumiem. Vai arī pa debesīm lido lidmašīna. Augsti un augstu, jūs to nemaz neredzat, un jūs nedzirdat tās dzinēju troksni. Taču jūs skaidri redzat balto pēdu, ko tā atstāj debesīs. Zinātnieki to sauc par inversijas pēdām.

Nu, tā ir lieliska ideja, lai uzzinātu par daļiņu pastāvēšanu no to pēdām. Šādu pieeju izmantoja skotu fiziķis Čārlzs Vilsons, 20. gadsimta sākumā izveidojot ievērojamo Vilsona kameru. Caurspīdīgajā kamerā ir pārsātināti ūdens tvaiki. Pietiek tikai mazākā iejaukšanās šajos tvaikos, lai gaisā peldošās ūdens molekulas sāktu salipt kopā, veidojot acīm redzamus ūdens pilienus. Šo procesu sauc par kondensāciju, un to bieži var redzēt, kad automašīnas logi ir aizsvīduši vai kad no rīta pēc aukstas nakts uz zāles un ziediem krīt rasa. Starp citu, tieši šādi debesīs veidojas lidmašīnas pēdas. Ūdens tvaiku kondensāciju izraisa no dzinēja izlidojošās nepilnīgi sadegušās degvielas daļiņas. Tāpēc inversijas pēdu bieži sauc par kondensācijas pēdu.

Elementārā daļiņa, elektrons vai protons, ko fiziķi pirms tam stipri paātrina īpašos daļiņu paātrinātājos – ciklotronos, ielido šādā kamerā. Acumirklī daļiņa izlido cauri kamerai un atstāj aiz sevis kondensācijas pēdu, kas sastāv no ūdens pilieniem. Šī pēda, ko fiziķi dēvē par pēdu, nepazūd uzreiz, tāpēc pētniekiem ir laiks to nofotografēt. Attēli ir pārsteidzoši skaisti. Fiziķi ne tikai skatās uz tām, bet lasa tās kā grāmatu par elementārdaļiņu dzīvi un notikumiem, kas notiek, tām saduroties Vilsona kamerā.

Izmantojot netiešās metodes, var pierādīt arī neredzamo molekulu pastāvēšanu. Skotijas botāniķis Roberts Broughtons gandrīz pirms 200 gadiem pamanīja ko neparastu. Ja sīkas ziedu putekšņu daļiņas ievieto ūdenī un novēro caur mikroskopu, redzams, ka putekšņu daļiņas nestāv uz vietas, bet visu laiku veic nejaušus lēcienus. Šo nepārtraukto daļiņu juceklīgo klaiņošanu šķidruma tilpumā par godu atklājējam nodēvēja par Brauna kustību.

Taču šīs daļiņas ir nedzīvas, tās nevar kustēties pašas no sevis, tāpēc kāds tās spiež no dažādām pusēm un ļoti spēcīgi. Kas tas varētu būt? Gandrīz 80 gadus vēlāk, 1905. gadā, viens no 20. gadsimta ievērojamākajiem zinātniekiem Alberts Einšteins izteica pieņēmumu, ka daļiņas stumj šķidruma molekulas, kas savukārt arī atrodas nepārtrauktā kustībā. To ir daudz, tās nāk uz daļiņu no dažādām pusēm, un, ja pēkšņi kādā brīdī molekulas vienā pusē «aizķeras», bet otrā sāpīgāk, daļiņa izkustēsies no vietas un aizlidos kādu attālumu.

Alberts Einšteins to visu izklāstīja savā slavenajā zinātniskajā darbā par Browna kustību. Viņš pat teorētiski pamatoja un paredzēja, cik daudz putekļu daļiņām šķidrumos vajadzētu kustēties, ja tās spiež molekulas.

Tomēr tas viss bija tikai pieņēmums, teorija, un Einšteins pats šaubījās, vai kāds spēs to pārbaudīt eksperimentāli. Taču tāds bija. Franču fiziķim Žanam Baptistam Perēnam 1908. un 1913. gadā izdevās veikt vislabāko eksperimentu: viņš izsekoja tūkstošiem daļiņu ceļu šķidrumā un izmērīja to pārvietojumu. Rezultāti pilnībā atbilda Einšteina prognozēm, molekulārā teorija triumfēja, un pats Žans Baptists Perēns 1926. gadā saņēma augstāko zinātnes apbalvojumu – Nobela prēmiju fizikā.