CERN-i teaduslinnaku sööklas sai alguse järgmine õpetlik lugu, mida kirjeldab oma 1993. aastal ilmunud raamatus "Speakable and unspeakable in quantum mechanics" ("Millest kvantmehaanika räägib ja millest vaikib") asjaosaline, üks 20. sajandi suuremaid füüsikateoreetikuid iirlane John Bell (1928-1990). Seesama, kellenimeline teoreem tõi lõpuks selguse pool sajandit kestnud diskussioonides kvantmehaanika "õige" mõistmise üle.
Lugu köiest ja kolmest kosmoselaevast
Ühel päeval kukkusid Bell ja prominentne füüsik-eksperimentaator lõunalauas vaidlema järgmise probleemi üle. Kolm kosmoselaeva, A, B ja C, hõljuvad vabalt kosmoses, eemal tähtedest ja muust ainest, ilma pöörlemata ja omavahelise suhtelise liikumiseta, kusjuures B ja C on ühekaugusel A-st.
Kaks lõdva paelaga ühendatud kosmoseraketti, B ja C, saavad üheaegse stardisignaali kolmandalt – A-lt. Illustratsiooni tegemisel on kasutatud fragmenti ulmekunstnik Don Brautigam'i kosmoseteemalisest pildist.
A-lt saadud signaali peale käivituvad täpselt ühesuguste ja üheraskuste laevade B ja C identsed footon-rakettmootorid ning kosmoselaevad hakkavad ühesuguse tasase kiirendusega liikuma A suhtes. Seega, koos kosmoselaevaga A paigale jäänud vaatleja jaoks on mõlemal iga hetk ühesugune kiirus ja jääv omavaheline kaugus. Olgu algselt laevade vahele kinnitatud pael või nõrk köis parajasti nii pikk, et lõdvalt ühendada B eespool asetseva C-ga. Edasi võiks arutleda nii: millalgi kasvab B ja C kiirus valguse kiiruse c suurusjärguni, mispuhul relatiivsusteooria kohaselt kõik kehad tõmbuvad liikumissuunas märgatavalt kokku nn Lorentzi kontraktsiooniefekti tõttu. Laevad, mille endi pikkus küll samuti kahaneb, ei lase aga sama teha köiel, mistõttu köis katkeb. Köis peab katkema, sest tema loomulikule kokkutõmbumisele on seatud kunstlik takistus - massiivsete laevade fikseeritud vahekaugus, mis pingutab köit üle tema katkemispiiri.
Kas selline arutlus on õige?
Kuna Belli oponent kategooriliselt keeldus tehtud järeldusega nõustumast, kutsuti vahekohtunikuks tippteadlased CERN-i teoreetilise füüsika osakonnast. Neile oli asi kohe selge - köis ei katke! Relatiivsusteooriaga sina peal olevad teoreetikud rakendasid harjumuspärast võtet ja vaatlesid situatsiooni kaasaliikuva taustsüsteemi seisukohalt, milles laevad B ja C on kogu aeg paigal. Seega pole köiel nagu põhjust katkeda. Alles hiljem, läbi teinud keerulised rehkendused, leidsid nad, et C-lt vaadates peab B üha rohkem ja rohkem maha jääma, seda vaatamata ühesugusele kiirendusprogrammile, ning kuigi köis ei lühene, ei ulata see teataval hetkel enam ühelt laevalt teiseni. Niisiis pidid nad lõpuks, surudes maha intuitiivsed kahtlused, nõustuma köie katkemisega - järeldusega, mis on instinktiivselt selge ja triviaalne kui käsitleda olukorda paigalejäänud laeva A taustsüsteemist jälgitava Lorentzi kontraktsiooniefektina. Bell tuletab loost kummastava moraali: ilmselt nõrgestab ülikõrge haridus õigeid instinkte ja mõtlemisvõimet.
Tõepoolest, vaidlusaluse probleemi õigeks lahenduseks on täiesti tarbetu relativistide professionaalne mõtteline meetod hüpata ühest taustsüsteemist teise. Veelgi enam - pole isegi vaja tunda relatiivsusteooriat, sest kontraktsiooniefekti tundsid juba kuulsad füüsikud iirlane George Fitzgerald (1851-1901), inglane Sir Joseph Larmor (1857-1942) ja hollandlane Hendrik Lorentz (1853-1928), kelle tööd valmisid kümmekond aastat enne, kui maailmakuulus Albert Einstein (1879-1955) erirelatiivsusteooria formuleeris.
Lugu unustatud ja uuesti avastatud valemist
Samasuguse kummalise järelduseni viib üks teine lugu, mis on küll vähe tuntud, ent mille tagajärjed on olnud hoopis tõsisemad kui jahtunud lõunasöök või arvutamise nahka läinud õhtupoolik. See on lugu Tšerenkovi kiirguse avastamisest 1934. aastal ja selle äraseletamisest, mille eest kolm Vene füüsikut Ilja Frank (1908-1990), Igor Tamm (1895-1971) ja Pavel Tšerenkov (1904-1990) said 1958. aastal Nobeli preemia.
Tšerenkovi kiirgus tekib optilise lööklainena - analoogiliselt akustilisele lööklainele ülehelikiirusega lennuki ülelennul -, kui laetud osake liigub aines murdumisnäitajaga n kiiremini kui valguse kiirus c/n selles aines. Kuid seda mõisteti alles 1937, kui hilisemad Nobeli preemia kaaslaureaadid Ilja Frank ja Igor Tamm andsid Tšerenkovi efektile teoreetilise selgituse ning tuletasid kiirgust kirjeldava valemi - valemi, mille oli juba 1904. aastal avaldanud Saksa füüsik Arnold Sommerfeld (1868-1951)! Sommerfeld oli näidanud teoreetiliselt, et elektron, mis liigub vaakumis valguse kiirusest kiiremini, võiks kiirata elektromagnetilist lööklainet. Ent kuna aasta hiljem avaldatud Einsteini relatiivsusteooria ühe põhipostulaadi kohaselt elektron ei saa liikuda kiiremini kui valguse kiirus, siis vajus Sommerfeldi artikkel unustusse ja meenus relatiivsusteooriast vaimustunud füüsikuile paremal juhul kui puhtakadeemiline näpuharjutus. Unustuse ja vaimustuse hind oli paraku ei rohkem ega vähem kui üle paarikümneaastane viivitus uue efekti avastamisel ja tervelt nelja-aastane lisaviivitus seda efekti seletava teooria loomisel. Selle, tänapäeval tuumaenergeetikast meditsiinini rakendust leidnud Tšerenkovi efekti oleks võinud avastada juba 20. sajandi algusaastail, toetudes Sommerfeldi tööle ning siis ... jagunenuks teisiti ka Nobeli preemia .
Otsapidi Eestis
Otsapidi ulatub too Tšerenkovi efekti lugu 20. sajandi lõppu ning puutub Eesti füüsikassegi. Nimelt avaldasid USA teoreetikud 1990. aastail tööd, kus leiti elektromagnetlainete võrrandeile eksootilisi impulsslahendeid, kus tegemist olla rühmakiirusega, mis on suurem kui valguse kiirus. Tulemus põrkus ägedale kriitikale, sest läbi kogu 20. sajandi oli füüsikuile juba tudengipõlves tambitud pähe õpikutõde, et ehkki valguslaine faasikiirus võib, näiteks lainejuhist torus, ületada valguse kiiruse, siis rühmakiirus, millega seostatakse energia ja signaali levi, ei saa seda teha. Väite autoriteetsuse kinnituseks viidatakse Einsteini relatiivsusteooriale. Meie aga siin Eestis võtsime kätte ja näitasime ära nii teoreetiliselt kui tõestasime eksperimentaalselt, et need eksootilised optilised lööklained on mitte ainult reaalselt tekitatavad, vaid nad tõepoolest liiguvadki ülevalguskiirusega, st nende rühmakiirus ületab valguse kiiruse.
Teadmised contra rutiinne mõtlemine
Milles siis konks? Aga selles, et nimetatud õpikutõde, mis küll juurdunud füüsikute kõrghariduses, on mõneti pealiskaudne järeldus relativistlikust elektromagnetlainete teooriast ega ole seega kogu tõde.
Nüüd kerkib küsimus, ega käesolev kirjatükk taha ometi väita, nagu polekski mõtet ära õppida füüsikatõdesid ja läbi hariduse omandada ekspertiisivõimet, mis lubaks aeganõudva detailse ad hoc analüüsita langetada otsuseid, kas mingi idee, leiutis või projekt on füüsikaga kooskõlas või ei, st on bluff. Teaduse ja tehnoloogia ajalugu ei toeta ju sellist väidet. Ilmekas näide on võtta juba ammusest ajast, aastast 1775, mil Prantsuse Teaduste Akadeemia, viidates energia jäävuse seadusele, lõpetas perpetuum mobile projektide vastuvõtmise ja läbivaatamise. Sellest ajast on võidule pääsenud arusaam füüsikaseaduste suurest heuristilisest ja praktilisest väärtusest. Eriti selliste seaduste väärtusest, mis formuleerituna tabudena "...pole võimalik..." on mänginud määravat rolli füüsika arengus.
Mida siis ikkagi kosta ülaltoodud näidete kohta, kus teadmine on mänginud tõkke rolli ja viinud ekslike tabudeni? Üks võimalik vastus oleks lihtsalt nentida, et erandid kinnitavad reeglit! Sisukama seletuseni jõuame, pannes tähele, et toodud näidetes on teadmise kõrval kaastegevad pealiskaudsus, rutiinne mõtlemine, isegi mood ja karjainstinkt - nähtused, mis on tõelise teadusliku lähenemise tuntud vaenlased.
LOE VEEL
- Peeter Saari, Kaido Reivelt. Evidence of X-Shaped Propagation-Invariant Localized Light Waves. - Physical Review Letters. 1997, 79.
- Peeter Saari. Valgusest kiiremad lained. Horisont 1/1998.
- Heik Sõnajalg, Peeter Saari. Valgusimpulsid, mis levivad laienemata, kuid pole solitonid. - Eesti Füüsika Seltsi aastaraamat 1996. 1997, 7.
-
Peeter Saari
artikkel veebilehel fyysika.ee
PEETER SAARI (1945) on lõpetanud Tartu Ülikooli cum laude teoreetilise füüsika erialal 1968. Samast aastast töötab Tartu Ülikooli Füüsika Instituudis, 1976. aastast kristallide spektroskoopia labori juhataja. Füüsika-matemaatikadoktor, Tartu Ülikooli professor, Eesti Teaduste Akadeemia akadeemik, Ameerika Optikaühingu ja Euroopa Teaduste Akadeemia liige. Täiendanud end USA-s, Prantsusmaal, Jaapanis, Saksamaal jm. Eesti Vabariigi teaduspreemia 2000. Tartu Rotary Klubi liige.
