Šiame straipsnyje apžvelgsime Fuko švytuoklės principą ir sąsajas su dirbtinio intelekto (DI) psichozės laikmečiu, kuriame gyvename. Gilinsimės į mokslinius reiškinius ir aptarsime, kaip mokslo pažanga susiduria su skepticizmu ir sąmokslo teorijomis.
Fuko švytuoklė: neginčijamas Žemės sukimosi įrodymas
Daugelis iš mūsų retai susimąsto apie faktą, kad šiuo metu skriejame milžinišku greičiu. Stovint ant kieto pagrindo, atrodo, kad Žemė yra stabili ir nejudanti, o saulė bei žvaigždės sukasi aplink mus. Nors astronomai jau šimtmečius žinojo tiesą apie heliocentrinę sistemą, paprastam žmogui tai suvokti intuityviai buvo sunku - juk mes nejaučiame sukimosi. Būtent šią problemą XIX amžiaus viduryje elegantiškai ir neginčijamai išsprendė prancūzų fizikas Léonas Foucault.
Prieš atsirandant garsiajai švytuoklei, mokslininkai jau turėjo daugybę astronominių įrodymų, kad Žemė sukasi. Tačiau visi šie įrodymai rėmėsi dangaus kūnų stebėjimu. Trūko eksperimento, kurį būtų galima atlikti uždaroje patalpoje, izoliuotai nuo dangaus skliauto, ir kuris vis tiek patvirtintų planetos judėjimą.
Fuko švytuoklė, pavadinta prancūzų fiziko Leono Foucault vardu, yra paprastas, bet elegantiškas eksperimentas, įrodantis Žemės sukimąsi. Leonas Foucault 1851 m. Paryžiaus Panteone ant 67 m ilgio grandinės pakabino 28 kg svorio žalvarinį rutulį. Ši švytuoklė, galinti svyruoti bet kurioje plokštumoje, per dieną pakeičia kryptį ir tiesiogiai įrodo Žemės sukimąsi. Originalus eksperimentas buvo įspūdingo masto inžinerinis projektas. Susirinkusi minia stebėjo, kaip bėgant laikui švytuoklės brėžiamos linijos smėlyje lėtai, bet užtikrintai kito.
Jo sukurta švytuoklė tapo ne tik moksliniu prietaisu, bet ir vienu gražiausių fizikos eksperimentų istorijoje, leidžiančiu plika akimi pamatyti tai, kas paprastai yra nematoma - mūsų planetos sukimąsi aplink savo ašį. Tokia švytuoklė įrengta ir Vilniaus universiteto Šv. Jonų bažnyčios varpinėje.
Fuko švytuoklės veikimo principas ir geografinės platumos įtaka
Norint suprasti, kodėl Fuko švytuoklė yra tokia ypatinga, reikia pasigilinti į Niutono dėsnius. Pagrindinė eksperimento idėja remiasi inercijos dėsniu. Švytuoklės svyravimo plokštuma pamažu sukasi, o tai yra tiesioginis įrodymas, kad Žemė sukasi aplink savo ašį. Tačiau mes, stebėtojai, nesame „pritvirtinti” prie erdvės ar žvaigždžių. Mes stovime ant Žemės paviršiaus, kuris nuolat sukasi. Dėl šios priežasties susidaro iliuzija, kad sukasi pati švytuoklė. Iš tikrųjų, švytuoklė tiesiog ignoruoja Žemės sukimąsi po ja.
Fizikoje šis reiškinys dažnai aiškinamas pasitelkiant Koriolio jėgą. Tai inercinė jėga, veikianti objektus, judančius besisukančioje atskaitos sistemoje (šiuo atveju - ant Žemės). Šiaurės pusrutulyje ši jėga „stumia” judančius objektus į dešinę. Vienas įdomiausių Fuko švytuoklės aspektų yra tai, kad jos elgesys tiesiogiai priklauso nuo geografinės platumos, kurioje ji įrengta. Švytuoklės sukimosi greitis priklauso nuo geografinės platumos - ašigaliuose ji sukasi greičiausiai, o ties pusiauju - visai nesisuka.
Šiaurės arba Pietų ašigalyje švytuoklės elgesys yra paprasčiausias. Kadangi ašigalis sutampa su Žemės sukimosi ašimi, švytuoklės plokštuma apsisuka pilną 360 laipsnių ratą tiksliai per 24 valandas (tiksliau, per vieną žvaigždinę parą - 23 val. 56 min. 4 sek.). Pusiaujyje Fuko švytuoklės efektas visiškai išnyksta. Svyravimo plokštuma nesisuka Žemės paviršiaus atžvilgiu. Lietuvoje, kuri yra vidutinėse platumose, švytuoklė elgiasi tarpiniu būdu. Pilnas apsisukimas trunka ilgiau nei 24 valandas. Pavyzdžiui, Vilniuje, esančiame maždaug 54 laipsnių platumoje, švytuoklė pilną ratą apsuka maždaug per 29-30 valandų. Pietų pusrutulyje (pvz., Australijoje ar Argentinoje) efektas yra atvirkščias. Ten švytuoklės plokštuma vizualiai sukasi prieš laikrodžio rodyklę.
Fuko švytuoklė Šv. Jonų bažnyčios varpinėje/Le pendule de Foucault/Foucault pendulum
Praktiniai aspektai ir šiuolaikiniai sprendimai
Nors teorija skamba paprastai, praktiškai sukurti veikiančią Fuko švytuoklę yra sudėtinga. Didžiausias priešas yra oro pasipriešinimas ir trintis pakabinimo taške. Paprasta vaikiška sūpynė sustoja per kelias minutes. Pirmiausia, rutulys turi būti labai sunkus ir aerodinamiškas, kad sukauptų didelę kinetinę energiją ir kuo mažiau stabdytųsi į orą. Antra, virvė turi būti ilga - kuo ilgesnė virvė, tuo lėtesnis periodas ir mažesnė įtaka pašaliniams trikdžiams. Namuose lubos dažniausiai yra per žemos (reikia bent 5-10 metrų aukščio geresniam efektui), o rutulys turi būti labai sunkus. Trumpos švytuoklės greitai sustoja dėl trinties, kol Žemės pasisukimas dar netapo pastebimas.
Šiuolaikiniuose muziejuose dažnai naudojami elektromagnetai, įrengti po grindimis arba pakabinimo taške. Jie suteikia nedidelį impulsą kiekvieno svyravimo metu, kompensuodami prarastą energiją, bet nekeisdami svyravimo krypties. Šiandien Fuko švytuoklės puošia daugelį pasaulio mokslo centrų, universitetų fojė ir muziejų. Aplink švytuoklės trajektoriją dažnai sustatomi nedideli kėgliai ar stulpeliai. Žemei sukantis, švytuoklės plokštuma tarsi „slenka” į šoną ir kas tam tikrą laiko tarpą numuša po vieną kėglį.
Viena iš priežasčių, kodėl šis prietaisas išliko toks populiarus beveik du šimtmečius, yra jo hipnotizuojantis poveikis. Lankantis vietoje, kurioje įrengta ši švytuoklė, verta sustoti ne minutei, o bent dešimčiai ar penkiolikai minučių. Iš pradžių atrodo, kad nieko nevyksta - sunkus rutulys tiesiog skrodžia orą pirmyn ir atgal. Tačiau įsižiūrėjus į grindų žymas ar specialiai pastatytus orientyrus, pradedama pastebėti vos juntamą poslinkį. Šis lėtas, bet nenumaldomas procesas primena mums apie didingus kosminius mechanizmus, kurių dalimi esame.
Įvadas į entropiją: betvarkės matas ir sistemos neunikalumas
Entropija yra labai svarbus ir reikšmingas bet kokios fizikinės sistemos matas. Deja, apie ją paprastai nekalbama mokyklose, o ir universitetuose dažnai pristatymas apsiriboja keliomis nieko nesakančiomis formulėmis, kurios iš galvų iškrenta iškart po egzamino ir vėliau pasilieka tik kaip kažkokio neaiškaus dalyko atsiminimas. Labai trumpas entropijos apibrėžimas būtų toks: entropija - tai betvarkės sistemoje matas. Bet šis apibrėžimas, nors dažnai naudojamas, ne tik kad nieko nepasako (žodį „betvarkė“ sunku suvesti su fizikiniais dydžiais), bet net yra klaidinantis, nes labai didelės entropijos sistemos atrodo kaip tik visiškai tvarkingos. Galbūt truputį teisingesnis, bet vis tiek nieko nepasakantis, apibrėžimas būtų, jog entropija nurodo sistemos neunikalumą.
Entropija - tai dydis, nurodantis skirtingų sistemos mikrobūsenų, atitinkančių tą pačią makrobūseną, kiekį. Ji paprastai žymima raide S ir aprašoma Bolcmano formule: S = k lnW. Čia k yra Bolcmano konstanta (1,38*10^-23 J/K, t.y. džaulių kelvinui), o W - mikrobūsenų kiekis. Vienos sistemos entropija nėra tvarus dydis - priklausomai nuo sistemos makrobūsenos, jos entropija gali būti labai skirtinga.
Entropijos pavyzdžiai
Pirmasis pavyzdys - visiškai abstraktus. Įsivaizduokime sistemą, sudarytą iš trijų dalelių. Vienintelė tų dalelių savybė yra jų energija. Pažymėkime daleles A, B ir C, o jų energijas E(A), E(B) ir E(C). Įsivaizduokime, jog kiekvienos dalelės energija gali turėti tik dvi vertes - 0 arba 1. Yra baigtinis kiekis būsenų, kuriose sistema gali būti. Kiekvienos dalelės energija gali turėti vieną iš dviejų verčių, dalelių yra trys, taigi galimų būsenų yra 2^3 = 8.
Bet jei dalelės viena nuo kitos skiriasi tik savo energija, kai kurios būsenos bus neatskiriamos viena nuo kitos: pavyzdžiui, būsena, kurioje E(A) = E(B) = 0 ir E(C) = 1 išoriškai nesiskiria nuo būsenos, kurioje E(A) = 1 ir E(B) = E(C) = 0. Tokių išoriškai skirtingų būsenų sistema turi keturias, kurias galime apibrėžti per dalelių energijų sumą (visgi energija - vienintelė išoriškai matoma sistemos savybė): E = 0, 1, 2 arba 3. Apie tokią sistemą sakome, jog ji turi keturias makrobūsenas (macrostates) ir aštuonias mikrobūsenas (microstates).
Makrobūseną E = 0 atitinka tik viena mikrobūsena E(A) = E(B) = E(C) = 0; analogiškai ir makrobūseną E = 3 atitinka tik viena mikrobūsena. O štai makrobūsenas E = 1 ir E = 2 atitinka po tris mikrobūsenas. Galima teigti, jog makrobūsenos E = 0 ir E = 3 yra labiau unikalios už dvi kitas.
| Makrobūsena (Energijos suma E) | Mikrobūsenos (E(A), E(B), E(C)) | Mikrobūsenų kiekis (W) | Entropija (S = k lnW) |
|---|---|---|---|
| E = 0 | (0, 0, 0) | 1 | k ln(1) = 0 |
| E = 1 | (1, 0, 0), (0, 1, 0), (0, 0, 1) | 3 | k ln(3) |
| E = 2 | (1, 1, 0), (1, 0, 1), (0, 1, 1) | 3 | k ln(3) |
| E = 3 | (1, 1, 1) | 1 | k ln(1) = 0 |
Savaime suprantama, realios sistemos yra žymiai sudėtingesnės už aukščiau pateiktą pavyzdį. Jas sudaro daugybė dalelių ir jos gali turėti milžinišką kiekį makrobūsenų, o mikrobūsenų - dar daugiau. Realus sistemos su įvairiomis makro- ir mikro-būsenomis pavyzdys yra atomas. Aplink branduolį besisukantys elektronai išsidėstę orbitalėse, taip pat turi sukinius. Jei elektronų yra du ir turi vienodus sukinius, tai juos sukeitus vietomis, sistemos energija nepasikeis, taigi makrobūsena išliks tokia pati. Jei elektronų daugiau, galimų perdėliojimų taip pat daugiau, taigi ir entropija didesnė.
Didesnėse sistemose entropiją kokybiškai įvertinti irgi galima mąstant panašiai, kaip ankstesniuose pavyzdžiuose. Štai kad ir arbatos puodelis. Pripilame jį karštos arbatos, o tada įpilame šalto vandens. Iš pradžių du skysčiai nėra susimaišę, taigi karšta ir šalta bei arbatinga ir vandeninga sistemos dalys yra fiziškai atskirtos viena nuo kitos. Perkėlus vieną dalelę (ar tai būtų vandens molekulė, ar arbatos) iš vienos srities į kitą, pasikeičia ir sistemos makrobūsena, tačiau toje pačioje srityje daleles kilnojant iš vietos į vietą, makrobūsena nekinta.
Dirbtinio intelekto psichozės laikmetis ir globalinės tendencijos
Gyvename dirbtinio intelekto psichozės laikais - stebime lenktynes, kuriose neaiškios nei taisyklės, nei starto ir finišo linijos. Kas laimės: duomenys, skaičiavimo našumas ar dirbtinio intelekto modeliai, o gal dirbtinio intelekto įrankiai?
Dirbtinio intelekto lenktynės ir geopolitinės pozicijos
Norint apmokyti dirbtinio intelekto modelius, neįmanoma išsiversti be skaičiavimo našumo - tam reikia ne tik patikimo skaičiavimo resurso (GPU), bet ir, žinoma, elektros energijos. Tad kurioje vietoje reikėtų dėti akcentą, kurio resurso kontrolė yra ilgalaikiai reikšminga ir lemia nepriklausomybę ir saugumą? JAV laikosi nuomonės, kad bendrojo dirbtinio intelekto (ypač, jeigu jis susijęs su dideliais baziniais modeliais, kurie gali būti naudojami kitų - mažesnių modelių kūrimui ir plėtojimui), kodo atvėrimas gali būti laikoma grėsme nacionaliniam saugumui. Visgi, ES laikomasi priešingos pozicijos - atviru kodu grindžiamos DI sistemos pačios savaime vertinamos palankiai, kadangi skatina inovacijas.
Ekspertų skaičiavimais, iki 2026-ųjų net 90 proc. interneto turinio bus sukurta DI ar kitu sintetiniu būdu. Gyvo bendravimo internete nebeliks - prekes pirksime, valgiaraščius sudarinėsime, investuosime, susirinkimus organizuosime, keliones, viešbučius, skrydžius užsakysime, restoranus rezervuosime ne mes patys, o mūsų vardu veikiantys DI agentai.
Reguliavimas ir Lietuvos galimybės
Geriausias DI produktas, kurį iki šiol sukūrė ES, yra reguliavimas - Dirbtinio intelekto aktas. Šiame kontekste ES pasiuntė itin stiprų signalą pasauliui ir globaliai rinkai - Europos Komisija taps DI super-reguliatoriumi, ES bus sukurtos pažangiausios DI elgesio taisyklės, o jų taikymas bei priežiūra sukurs nemažai naujų darbo vietų. Tuo tarpu Jungtinės Valstijos žengia kiek kitu keliu - nors DI reguliuojamas ir ten, tačiau esminis skirtumas tas, jog JAV reguliavimas nėra vientisas, jis išsibarstęs po atskiras valstijas ir temas, sektorius. Jeigu dirbtinio intelekto nereguliuosime, susidursime su sukčiavimais, nusikaltimais ir pan.
O ką šiose lenktynėse gali nuveikti Lietuva, neturinti nei skaičiavimo resursų, nei galinti apmokyti ar sukurti didelį kalbos modelį? Galimybės atsiveria kitur: dirbtinio intelekto mokymas, testavimas, pritaikymas, dokumentavimas, diegimas.
Skepticizmas ir sąmokslo teorijos: nuo Fuko švytuoklės iki dirbtinio intelekto
Kaip ir Fuko švytuoklės atveju, DI pažanga susiduria su skepticizmu ir sąmokslo teorijomis. Kai kurie žmonės abejoja DI galimybėmis, kiti baiminasi jo nekontroliuojamo vystymosi pasekmių. Tiesa, anot čekų fiziko Jano Slegro, tai netrukdo kai kuriems teigti, kad visos Foucault švytuoklės yra apgaulingos ir kad muziejuose naudojamos magnetinės ritės, kurios pasuka švytuoklės sukimosi plokštumą.
Plokščios Žemės teorija ir moksliniai įrodymai
Vadinamoji plokščios Žemės teorija yra archajiška ir seniai moksliškai paneigta. Senovės Egipte ir Mesopotamijoje buvo tikima, kad Žemė yra tarytum diskas, plūduriuojantis vandenyje. Panašiai rašė ir senovės graikų poetai Homeras bei Heziodas. Pastarųjų tautiečiai filosofai taip pat palaikė plokščios Žemės teoriją. Senovės Kinijoje irgi galvota, kad Žemė yra plokščia, bet kvadratinė, o dangus - apskritas.
VI a. pr. m. e. esą gyvenęs Pitagoras metė iššūkį tokiam įsitikinimui - tvirtino, kad planeta yra sferos formos. Maždaug 330 m. pr. m. e. Aristotelis ne tik pritarė šiai idėjai, bet ir paskelbė numanomą pusiaujo ilgį. Senovės Indijos religiniuose tekstuose vedose Žemė taip pat buvo aprašoma kaip diskas. Bet jau mūsų eros pradžioje astronominiuose tekstuose imta kalbėti apie rutulio formą. Krikščionybės pradžioje buvo laikomasi pastarojo požiūrio, nors buvo palaikančiųjų ir kitas idėjas. Islamo mokslininkai jau prieš daugelį šimtmetį manė, kad Žemė yra apvali. Plokščios Žemės teorija atgimė prieš porą šimtmečių.
Bendruomenės nariai tikėjo, kad Žemė yra apskritas diskas, kurio centre yra Šiaurės ašigalis, o disko kraštus juosia ledo siena, sulaikanti vandenynus. Tai, kas tapo šiuolaikine plokščios Žemės koncepcija, tyliai atsirado 1956 m. kaip Plokščios Žemės draugija (Flat Earth Society) - nedidelė marginalinė grupė taip pat Jungtinėje Karalystėje, jai priklausė mažiau nei 4 tūkst. žmonių. Dėl didėjančios interneto ir socialinės žiniasklaidos įtakos 2009 m. organizacija pradėjo veikti visame pasaulyje. Kai kurie draugijos modeliai atkartoja senovinį požiūrį į Žemę kaip į diską, virš kurio sukasi žvaigždžių kupolas. Kiti mano, kad plokščią planetą ir jos atmosferą gaubia didžiulis pusrutulio formos sniego gaublys, nuo kurio kraštų niekas negali nukristi. Vadinamieji plokščiažemininkai tiki, pavyzdžiui, kad vyriausybės kontroliuoja orus ar kad lėktuvai leidžia „chemtreilus“ - chemines ar biologines medžiagas.
Lengva būtų atmesti šiuos žmones kaip paprasčiausiai suklaidintus dėl išsilavinimo stokos. „Tai tikrai nėra išsilavinimo dalykas, - pabrėžia ji.- Iš tikrųjų tai susiję su nepasitikėjimu autoritetais ir institucijomis. Atrodo, kad tai grindžiama ir sąmokslo mąstysena, ir giliai įsišaknijusiu tikėjimu, kuris labai panašus į religingumą, bet nebūtinai konkrečiai susijęs su religija.“
Žemės apvalumo įrodymai
Žemė yra Saulės sistemos planeta, trečia pagal nuotolį nuo šios žvaigždės. Didžiausia, tankiausia ir masyviausia iš keturių Žemės grupės (kieto paviršiaus) planetų. Bene akivaizdžiausias planetos formos patvirtinimas yra jos nuotraukos, padarytos iš kosmoso. Jų radosi tik gerokai įsibėgėjus XX a. Pirmą nuotrauką, kurioje aiškiai buvo matyti Žemės išgaubtumas, padarė kapitonas Stevensas kartu su kapitonu Orvilu A. Andersonu. Pagal bendrą JAV karinių oro pajėgų korpuso ir Nacionalinės geografijos draugijos programą, 1935 m. lapkričio 11 d. jie pakilo iš Pietų Dakotos helio pripildytu balionu į tuo metu rekordinį 72 395 pėdų (22 066 metrų) aukštį. Vyrų padaryta nuotrauka parodė troposferos ir stratosferos ribą bei tikrąjį Žemės išlinkimą ir pademonstravo tolimosios žvalgybos iš didelio aukščio oro balionų galimybes.
1946 m. buvo padarytos pirmos planetos nuotraukos iš kosmoso, 1959 m. - pirmos nuotraukos iš orbitos. 1966 m. sovietų ryšių palydovas „Molnija 1-3“ padarė pirmą nuotrauką, kurioje Žemė buvo matoma visa. Kitąmet amerikiečių palydovas padarė pirmą spalvotą visos Žemės nuotrauką. Nors nuotraukose iš kosmoso Žemė, kaip ir kitos planetos, atrodo apvali, ji yra netaisyklingos formos elipsoidas. Dėl išcentrinės jėgos, atsirandančios planetai sukantis, Šiaurės ir Pietų ašigaliai yra šiek tiek plokšti. Dėl Žemės sukimosi, svyruojančio judėjimo ir kitų jėgų planetos forma keičiasi labai lėtai, tačiau ji vis dar yra apvali.
Yra dar keletas priežasčių, kodėl mokslininkai žino, kad Žemė yra apvali, o ne plokščia. Kai kuriuos dalykus galime patikrinti ir patys. Pavyzdžiui, jei planeta būtų plokščia, dairydamiesi lauke galėtume įžvelgti labai toli esančius dalykus, jei tik netrukdytų jokie pastatai. Vienas iš būdų tai patikrinti - stebėti saulėlydį. Kai saulė pasislepia už horizonto, palypėkite aukščiau - iš ten trumpam vėl ją matysite. Jei Žemė būtų plokščia, šešėliai būtų vienodo ilgio, nepriklausomai nuo vietos, mat Saulės spinduliai į visas Žemės vietas kristų tuo pačiu kampu. Iš tiesų dėl Žemės apvalumo kiekvieną vietą Saulė apšviečia vis kitaip.
Fuko švytuoklė yra dar vienas konkretus įrodymas, kad Žemė sukasi, o ne stovi vietoje, kas paneigia plokščios Žemės teorijos teiginius.