Քվանտներ...

Էտյուդ երկրորդ

XX դարի ֆիզիկայի երկու հենասյուները՝ հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը, որի մասին խոսեցի նախորդ գլխում, և քվանտային մեխանիկան, որի հետ գործ կունենանք այս գլխում, չէին կարող իրարից շատ խիստ տարբերվել: Այս երկու տեսություններն էլ մեզ սովորեցնում են, որ բնության նուրբ կառուցվածքն ավելի հմուտ է նախագծված, քան թվում է: Այնուամենայնիվ հարաբերականության ընդհանուր տեսությունը խիտ մարգարիտ է. այն գրավիտացիայի, տարածության և ժամանակի պարզ և համաձայնեցված տեսլական է, որը հասանելի է միայն Ալբերտ Էյնշտեյնի հանճարեղ մտքին:

Քվանտային մեխանիկան կամ քվանտային տեսությունը հասել է անհամեմատ բարձր փորձարարական հաջողությունների և հանգեցրել է այնպիսի գործնական կիրառությունների ու հավելվածների ստեղծման, որոնք փոխել են մեր առօրյան (հիշենք, թեկուզ, համակարգիչը, որի վրա այժմ ես մուտքագրում եմ) - և այնուամենայնիվ, իր ծնունդից հարյուր տարի անց էլ, թերևս, այն եղել և մնում է անհասկանալի՝ առեղծվածային գաղտնի շղարշով պարուրված:

Սովորաբար ասում են, որ քվանտային մեխանիկան ծնվել է հենց 1900 թվականին՝ փաստացիորեն նշանավորելով բուռն, լարված մտքի դարաշրջանի մեկնարկը: Գերմանացի ֆիզիկոս Մաքս Պլանկը հաշվարկեց ջերմային հավասարակշռության մեջ գտնվող տաք արկղի էլեկտրական դաշտը: Դա կատարելու համար նա դիմեց հետևյալ հնարքի. պատկերացրեց՝ կարծես դաշտի էներգիան բաշխված է «քվանտներով», այսինքն՝ կենտրոնացված է առանձին փաթեթներում կամ էներգիայի բաժիններում: Այս հնարքն այնպիսի արդյունքների հանգեցրեց, որը հիանալի կերպով ամբողջովին վերարտադրում էր չափումները (և ուրեմն, ինչ-որ չափով անպայման որոշակիորեն ճիշտ էր), սակայն հակասում էր, չէր համընկնում այն ամենին, ինչը մինչ այդ հայտնի էր: Էներգիան համարվում էր անընդհատ փոփոխվող, և պատճառ չկար դրան վերաբերվել այնպես, կարծես թե այն կառուցված էր փոքր աղյուսներից: Էներգիայի պատկերացումը սահմանափակ փաթեթների տեսքով Պլանկի համար յուրահատուկ հաշվողական հնարք էր, որի արդյունավետության պատճառը մինչև վերջ էլ նրան անհասկանալի մնաց: Եվ նորից Էյնշտեյնը հինգ տարի անց հասկացավ, որ էներգիայի փաթեթներն իրական են:

Էյնշտեյնը ցույց տվեց, որ լույսը կազմված է բաժիններից՝ լույսի մասնիկներից: Այսօր մենք նրանց անվանում ենք ֆոտոններ: Նա իր հոդվածի նախաբանում գրել է.

«Ես իսկապես կարծում եմ՝ «սև մարմնի ճառագայթման», ֆոտոլյումինեսցենցիայի՝ ուլտրամանուշակագույն լուսավորման ազդեցությամբ կատոդային ճառագայթների առաջացումը և դրան առնչվող լույսի փոխակերպման այլ երևույթների դիտարկումներն ու հետազոտություններն առավել հեշտ է հասկացվում, եթե ընդունենք, որ լույսի էներգիան տարածության մեջ բաշխված է դիսկրետ: Համաձայն այս ենթադրության, կետային աղբյուրից դուրս եկած լույսի ճառագայթի էներգիան անընդհատորեն չի տեղաբաշխվում ընդարձակվող տարածության մեջ, սակայն բաղկացած է վերջավոր թվով քվատային էներգիաներից, որոնք տեղայնացված են տարածության կետերում, որոնք անբաժան տեղաշարժվում են և կարող են արտադրվել և կլանվել միայն որպես ամբողջական բաժիններ, միավորներ»:

Այս պարզ ու հստակ տողերը քվանտային տեսության ծնունդի իրական վկայությունն են: Ուշադրություն դարձրեք հրաշալի սկզբին «Ես կարծում եմ…», որոնք հղումն են այն նույն խոսքերի, որոնցով Դարվինը ներկայացնում է իր օրագրերում՝ նախորդելով տեսակների էվոլյուցիայի մեծ գաղափարը, և կամ այն «անվստահությունը», ինչպես Ֆարադեյն է գրել, երբ առաջին անգամ ներկայացրել է մագնիսական դաշտերի մասին իր հեղափոխական գաղափարը: Հանճարները կասկածում են…

Գործընկերներն Էյնշտեյնի աշխատանքին սկզբում վերաբերվեցին ինչպես բացառապես շնորհալի երիտասարդի անփորձ գրչի ստեղծագործություն: Հենց այս աշխատանքի համար նա հետագայում ստացավ Նոբելյան մրցանակ: Եթե Պլանկը տեսության հայրն է, ապա Էյնշտեյնը նրան դաստիարակած ծնողն է:

Սակայն, ինչպես ցանկացած երեխա, տեսությունը հետո գնաց իր սեփական ճանապարհով, որը նույնիսկ Էյնշտեյնը չէր կռահել: Միայն դանիացի Նիլս Բորը քսաներորդ դարի երկրորդ և երրորդ տասնամյակներում սկիզբ դրեց տեսության զարգացմանը՝ դառնալով այդ տեսության զարգացման ռահվիրաներից: Հենց Բորը հասկացավ, որ ատոմներում էլեկտրոնների էներգիան կարող է ունենալ միայն որոշակի արժեքներ, ինչպես լույսի էներգիան, և ամենակարևորը, որ էլեկտրոններն ունակ են միայն «ցատկել» ֆիքսված էներգիայով մի ատոմային ուղեծրից մյուսը՝ թռիչքի ժամանակ կլանելով կամ արտանետելով ֆոտոն: Սրանք հայտնի «քվանտային ցատկեր»-ն են: Եվ հենց Կոպենհագենում` Բորի ինստիտուտում, միասին հավաքվեցին դարի ամենափայլուն երիտասարդ ուղեղները, որպեսզի ուսումնասիրեն ատոմների աշխարհի վարքագծի այդ հանելուկային յուրահատկությունները՝ փորձելով կարգուկանոն հաստատել այդ խառնաշփոթ աշխարհում և ստեղծել չհակասող տեսություն: 1925 թվականին վերջապես հայտնվեցին տեսության հավասարումները՝ ամբողջությամբ փոխարինելով Նյուտոնի մեխանիկային:

Առավել մեծ ու կարևոր նվաճում դժվար է պատկերացնել: Մի հարվածով ամեն բան հասկանալի է դառնում, ամեն ինչ միանգամից իմաստ է ստանում, և դուք կարող եք այդ ամենը հաշվել: Վերցնենք մի պարզ օրինակ. հիշո՞ւմ եք Մենդելեևի կազմած տարրերի պարբերական աղյուսակը, որի մեջ թվարկված են Տիեզերքի կազմի մեջ մտնող բոլոր հնարավոր պարզ նյութերը՝ ջրածնից մինչև ուրան, և որը կախված է շատ դպրոցական դասարանների պատերին: Ինչո՞ւ են այնտեղ թվարկված հենց այս տարրերը, և ինչու պարբերական աղյուսակն ունի կոնկրետ այսպիսի կառուցվածք` այս պարբերություններով և տարրերով, որոնք ունեն հենց այսպիսի առանձնահատկություններ: Պատասխանը հետևյալն է, որ ամեն մի տարրը համապատասխանում է քվանտային մեխանիկայի գլխավոր հավասարման մի լուծմանը: Ամբողջ քիմիան առաջանում է մի հավասարումից:

Գերմանացի երիտասարդ հանճար Վերներ Հեյզենբերգը առաջինն էր, ով գրեց նոր տեսության հավասարումը՝ հիմնվելով աներևակայելի գաղափարների վրա:

Հեյզենբերգը ենթադրում էր, որ էլեկտրոնները միշտ չէ, որ գոյություն ունեն, այլ միայն այն ժամանակ, երբ ինչ-որ մեկը կամ ինչ-որ մի բան հետևում է նրանց, կամ, ավելի լավ է ասել, երբ նրանք փոխազդում են ինչ-որ բանի հետ: Նրանք նյութականանում են տեղում՝ հաշվարկելի հավանականությամբ, երբ բախվում են ինչ-որ բանի: Մի ուղեծրից մյուսն իրականացվող քվանտային ցատկերը նրանց տրամադրության տակ գտնվող միակ միջոցն են «իրական» լինելու. էլեկտրոնը մի փոխազդեցությունից մինչև մյուսը ցատկերի հավաքածու է: Երբ նրան ոչինչ չի անհանգստացնում, նա որևէ կոնկրետ, որոշակի տեղում չի լինում: Նա ընդհանրապես «տեղում» չի լինում:

Ասես Աստվածն իրականությունը պատկերել է ոչ թե հստակ գծով, այլ միայն որվագծել է հազիվ տեսանելի կետագծերով:

Քվանտային մեխանիկայում ոչ մի օբյեկտ չունի որոշակի դիրք, բացառությամբ այն դեպքերի, երբ նա ճակատ ճակատի բախվում է ինչ-որ բանի: Երկու փոխազդեցությունների միջև օբյեկտը նկարագրելու համար մենք օգտագործում ենք վերացական մաթեմատիկական բանաձև, որն իրական տարածությունում գոյություն չունի, այլ միայն վերացական մաթեմատիկայում: Բայց առջևում վատագույնն է. Այս փոխազդեցության վրա հիմնված ինտերակտիվ թռիչքները, որոնցով յուրաքանչյուր օբյեկտ մի տեղից մյուսն է տեղափոխվում, տեղի են ունենում ոչ թե կանխատեսելի ձևով, այլ մեծ հաշվով՝ պատահականորեն: Անհնար է կանխատեսել, թե որտեղ դարձյալ կհայտնվի, կարելի է միայն հաշվել հավանականությունը, որով նա կհայտնվի այստեղ կամ այնտեղ: Հավանականության մասին հարցը տանում է մինչև ֆիզիկայի սիրտը, որտեղ ամեն ինչ, ինչպես նախկինում էր թվում, կարգավորվում է խիստ՝ համընդհանուր և անխուսափելի օրենքներով:

Սա անհեթեթությո՞ւն եք համարում: Հենց այդպես էլ կարծում էր նաև Էյնշտեյնը: Մի կողմից նա առաջ քաշեց Հեյզենբերգի թեքնածությունը Նոբելյան մրցանակ ստանալու համար՝ խոստովա-նելով, որ նա աշխարհի մասին սկզբունքորեն կարևոր բան է հասկացել, մյուս կողմից` բաց չէր թողնում ոչ մի հնարավորություն փնթփնթալու, որ Հեյզենբերգի պնդումներում որևէ առանձնահատուկ հստակ իմաստ չկա:

Կոպենհագենի խմբի երիտասարդ առյուծները շփոթված էին՝ ինչպե՞ս է դա հնարավոր, որ Էյնշտեյնն այդպես մտածի: Նրանց հոգևոր հայրը՝ մարդ, որն առաջինը քաջություն ցուցաբերեց մտածել անհասկանալին, հիմա նահանջել և վախենում էր անհայտը տանող այս նոր թռիչքից. թռիչք, որը հենց ինքն էր հրահրել: Հենց այն նույն Էյնշտեյնը, ով ցույց տվեց, որ ժամանակը համընդհանուր չէ, և տարածությունը կորացած է, հիմա ասում էր, որ աշխարհը չի կարող այդքան տարօրինակ լինել:

Բորն Էյնշտեյնին համբերատար բացատրում էր նոր գաղափարները: Էյնշտեյնն առարկում էր՝ հորինելով մտավոր փորձեր՝ նոր գաղափարների հակասականությունը ցույց տալու համար: «Պատկերացրեք լույսով լցված արկղ, որից դուրս է թռչում մի ֆոտոն…», այսպես է սկսվում նրա հայտնի օրինակներից մեկը` «լույսի արկղի» հետ մտավոր փորձը: Ի վերջո, Բորին միշտ էլ հաջողվում էր Էյնշտեյնի առարկություններին հերքող պատասխաններ գտնել: … Նրանց երկխոսությունը շարունակվեց երկար տարիներ` դասախոսությունների, նամակների, հոդվածների տեսքով… Այս մտքերի փոխանակման ժամանակ երկու մեծ գիտնականներից յուրաքանչյուրն էլ ստիպված էր նահանջել, որպեսզի փոխեր սեփական մոտեցումները: Էյնշտեյնը ստիպված էր համաձայնել, որ նոր գաղափարների մեջ իրականում ոչ մի հակասություն չկա, իսկ Բորն` ընդունել, որ ամեն ինչ այնքան էլ հեշտ ու պարզ չէ, ինչպես նա ենթադրում էր ի սկզբանե: Էյնշտեյնը չէր ուզում զիջել այն հարցում, որն իր համար առանցքային էր համարում. կա օբյեկտիվ իրականություն, որը կախված չէ նրանից, թե ով և ինչի հետ է փոխազդում: Բորը չէր հրաժարվում սկզբունքորեն նոր եղանակից, որով քվանտային տեսությունը իմաստավորում էր իրականությունը: Վերջ ի վերջո, Էյնշտեյնն ընդունեց, որ այս տեսությունը հսկայական քայլ է աշխարհի մեր ընկալման հարցում, բայց մնաց այն համոզմունքին, որ ամեն ինչ չի կարող լինել այնքան տարօրինակ, ինչպես ենթադրվում է այս տեսությամբ, որ այս տեսությանը «կհետևի» հաջորդը՝ առավել խելամիտ բացատրությամբ:

Մեկ դար անց մենք դարձյալ նույն տեղում ենք: Քվանտային մեխանիկայի հավասարումները և նրանց հետևանքներն այսօր էլ օգտագործվում են ամենատարբեր ոլորտներում` ֆիզիկոսների, ճարտարագետների, քիմիկոսների, կենսաբանների կողմից: Նրանք չափազանց կարևոր դեր են խաղում ժամանակակից բոլոր տեխնոլոգիաներում: Առանց քվանտային մեխանիկայի չէին լինի տրանզիստորները: Բայց, այնուամենանիվ, նրանք առայժմ մնում են խորհրդավոր: Քանի որ նրանք չեն նկարագրում այն, թե ինչ է կատարվում ֆիզիկական համակարգի հետ, այլ միայն այն, թե ինչպես է մի ֆիզիկական համակարգն ազդում մյուսի վրա:

Ի՞նչ է սա նշանակում: Համակարգի իրական էությունն առհասարակ հնարավոր չէ՞ նկարագրել: Արդյո՞ք սա նշանակում է, որ մեզ չի հերիքում խճանկարի ընդամենը մի կտորը: Թե՞, ինչպես ինձ է թվում, դա նշանակում է, որ մենք պետք է հաշտվենք այն գաղափարի հետ, որ իրականու-թյունն ընդամենը փոխազդեցություն է: Մեր գիտելիքներն աճում են գործնականորեն աշխատելով: Դա մեզ թույլ է տալիս այն նորի ստեղծումը, ինչն առաջ նույնիսկ չէինք էլ ենթադրում: Սակայն այդ աճը բացահայտում է նոր հարցեր: Նոր հանելուկներ: Նրանք, ովքեր օգտագործում են տեսության հավասարումները լաբորատորիաներում, անկախ ամեն ինչից՝ հանգիստ շարունակում են դա անել, բայց հոդվածներում և գիտաժողովներում, որոնք վերջին տարիներին ավելի հաճախակի են դարձել, ֆիզիկոսներն ու փիլիսոփաները շարունակում են իրենց որոնումները: Ի՞նչ է քվանտային տեսությունը ծնունդից մեկ դար անց: Աննախադեպ խորասուզում բնության իրականության մե՞ջ: Մի մեծ սխալ հաշվա՞րկ, որը պատահականորեն աշխատում է: Թերի խճանկարի բեկո՞ր: Թե աշխարհի կառուցվածքի առավել խորը ընկալման որևէ բացարձակի բանալի, որը, սակայն, մենք դեռ պատշաճ կերպով չենք հասկացել:

Երբ Էյնշտեյնը մահացավ, նրա գլխավոր մրցակից Բորը նրա համար հիացմունքի հուզիչ բառեր գտավ: Երբ մի քանի տարի անց մահացավ նաև Բորը, ինչ-որ մեկը լուսանկարել էր նրա աշխատասենյակի գրատախտակը, որի վրա նկար կար. Էյնշտեյնի մտային փորձի լույսով արկղը:

Մինչև վերջ ինքն իրեն մարտահրավեր նետելու և ինքն իր հետ վիճելու ցանկություն՝ ավելին հասկանալու համար: Եվ մինչև վերջ` կասկած...

Աղբյուրը՝ "Seven Brief Lessons on Physics" Carlo Rovelli

Թարգմանությունը բնօրինակից՝ Նունե Թեմուրյան

Խմբագիր՝ Հասմիկ Թոփչյան