[Физика ғажабы] "Scio me nescire", немесе "Мен ештеңе білмейтінімді білемін"

[Физика ғажабы] "Scio me nescire", немесе "Мен ештеңе білмейтінімді білемін"

Осы шығарылым арқылы біз физика ғылымының таңғажайып аспектілерімен таныстыратын “Физика ғажабы неде” атты мақалалар топтамасын жариялауды бастаймыз. Біздің әлем физика заңдарына негізделген. Онсыз біз замыранды ғарышқа ұшыра, көлік пен смартфонды жасай алмайтын едік.

Бір қарағанда адамзат зерттеу мүмкін құбылыстардың бәрін ашқандай көрінуі мүмкін. Осы сенімге сүйеніп, профессор Филлип Джолли \(1878\) жылы Мюнхен университетінде теориялық физиканы оқуға ниет білдірген жас Макс Планкты ойынан айнытуға тырысты. Себебі, профессордың ойынша, физика ғылымы толықтай зерттелді және біраз екінші кезектегі сұрақтарға ғана жауап беру қалды. Бірақ Планк физика ғылымымен жаңа ашулар үшін емес, өзінің білімін тереңдету үшін шұғылдануға асық болды және профессордың көзқарасына қарамастан теориялық физик болуға шешім қабылдады. Көп ұзамай ол физика заңдарын жақсы түсінуге үлес қосып қана қоймай, сонымен қатар, физиканы зерттеу жолының мәресінен қаншалықты алшақ екенін анық көрсетті. Ол біздің қаншалықты аз білетінімізді және қаншалықты үйренуіміз керек екенін айдан анық ұғынған алғашқы ғалымдардың бірі болды.

Макс Планк. Сурет дереккөзі

Планк тұрақтысы және оның физика жайындағы “сұрақ пен жауаптарында” алатын орны

Физик-теорияшы Макс Планк өз өмірін термодинамика, оптика, кванттық және салыстырмалылық механиканың теорияларын зерттеуге арнады. Оның есімін мәңгі тарих беттерінде қалдырған басты мұраларының бірі – физика заңдары әлемінде ойып тұрып орын алатын Планк тұрақтысы. Планк тұрақтысы гравитация күшін сипаттайтын гравитация тұрақтысы және жарық жылдамдығымен (табиғаттағы мүмкін ең максималды қозғалыс жылдамдығы) қатар маңызды табиғат тұрақтыларының бірі болып саналады.

Планк тұрақтысының белгіленуі келесідей: \(h=6.626· 10^{-34}\: Дж·с\)

Планк тұрақтысы \(1900\) жылы алғаш рет Планктың өзімен ұсынылған қарапайым формуласында кездескен болатын.

\[E = h \nu   \quad (1)\]

Сол кезде жарықтың электромагнит толқыны екендігі және сәуле арқылы таралатындығы белгілі болды. Планк жарықтың шын мәнінде кішкене бөліктермен, яғни физика тілінде “кванттармен” таралатындығын болжады. Осы теңдеу фотон деп те аталатын жұмбақ жарық кванттарын сипаттайды:

\(E\) – бір фотон энергиясы, \(h\) – Планк тұрақтысы, \(\nu\) – электромагниттік толқын жиілігі.

Физиктер үшін жасыл не қызыл сәуле шығару түрлері түстерімен қоса, электромагниттік толқын жиіліктерімен ерекшеленді. Жасыл жарықтың қызыл жарық толқындарына қарағанда жиілігі жоғары, демек, көбірек энергияға ие болады (осы тура тәуелділікті (\(1\)) теңдеудің өзінен байқауға болады). Мысалы, квант-гамма сәулелері (ең жоғарғы жиілікке ие электромагниттік толқын сәулелерінің) радиотолқын квантына (төмеңгі суретте қараңыз) қарағанда \(10^{20}\) есе көп энергияға ие. Планк энергия мен жиілік арасындағы байланысты байқаған соң, \(h\) тұрақтысының мағынасын оның қаншалықты маңызды екенін білмей тұрып анықтады.

Сәулелену түрлері, олардың толқын ұзындығы мен жиілігін бақылауға арналған электромагниттік спектр. Сурет дереккөзі.

Бастапқыда Планк жарықты кванттау гипотезасын сол замандағы абсолют қара дененің сәулеленуі сынды өзекті мәселелерді түсіндіретін қарапайым математикалық моделі ретінде санады. ХХ ғасыр басында жарық толқын бола тұрып шын мәнінде бөліктеніп таралатындығына сену қиын болатын.

Алайда ғылым бір орында тоқтап қалмай, “жарық-бөлшекте” ( бөлшек ретіндегі жарықта) қажетсінген басқа да құбылыстарды ашумен және ілгері дамуды жалғастыру жолында болды . Осылайша Планк тұрақтысы басқа да физика заңдарында жиірек қолданыла бастады.

Шредингер теңдеуі (\(1925\) жыл)

Атақты Шредингер теңдеуінде де Планк тұрақтысы бар, бірақ оның түрі біраз өзгерген (\( \hbar = \frac{h}{2\pi} \)). Әрине, оны бірінші теңдеу (\(1\)) сияқты қарапайым деуге болмайды. Алайда оның мәнін түсіну үшін математикалық құраушысына тереңдетіп тоқталу қажет емес.

\[i\hbar \frac{\partial \Psi}{\partial t} = -\frac{\hbar^2}{2m}\frac{\partial^2 \Psi}{\partial x^2} + V \Psi  \quad (2)\]

Бұдан бұрын көптеген тәжірибелер нәтижесінде физиканың жалпы қабылданған заңдары субатомдық ортада жұмыс істемейтіндігі дәлелденді. Дененің кеңістіктегі қозғалысы мен орналасуы жайлы классикалық түсінік те мағынасыз болатын. Онда да Шредингер бәрі белгісіз болған кезде жерді дүр сілкіндірген таңғажайып нәрсеге қол жеткізген болатын. Ол дененің белгілі бір уақытта кеңістікте болуы немесе жағдай ықтималдығын сипаттайтын (\Psi\) толқындық функцияларды қолдануға ұсынды. Шредингер теңдеуі түрлі бөлшектер мен олардың өзара әрекеттесуі үшін толқындық функцияларын дәл сипаттады.

Атақты Шредингердің жартылай тірі, жартылай өлі мысығы. Дәл солай субатомдық бөлшектер бір уақытта әр түрлі күйде (яғни кванттық суперпозиция, толығырақ осы жерден оқи аласыз) болуы мүмкін. Сурет дереккөзі.

Осылайша Шредингер теңдеуі кванттық механика, яғни бөлшектердің субатомдық ортадағы қозғалысы мен әсерлесуін зерттейтін физика бөлімінің басты қағидасына айналды. Шредингер теңдеуі өзінің кванттық физика негізіне айналу сипатымен классикалық механикадағы Ньютон заңдарымен салыстыруға келеді.

Гейзенберг анықталмағандық принципі (\(1927\) жыл)

\[\Delta x \Delta p_{x} \geq \frac{h}{4 \pi}  \quad (3)\]

Гейзенбергтің анықталмағандық принципі арқылы физикалық жүйені сипаттайтын координат пен импульс шамаларының (демек жылдамдық та) бір уақытта дәл мәндер қабылдай алмайтындығын тұжырымдайды. Үшінші теңдеуде (\(3\)) көрініп тұрғандай, импульс пен координат өлшемдері қателіктерінің көбейтіндісі \(4 \pi\) санына бөлінген Планк тұрақтысынан үлкен немесе тең болуы тиіс. Бұл бір шаманы (мысалы, импульсті) жоғары дәлдікпен есептеу кезінде екінші шама (осы жағдай үшін координата) үлкен қателікке ие болады, демек, оны анықтау мүмкін емес.

Алайда Планк тұрақтысының шамасы тым аз болғандықтан бізге осы қарама-қайшы әрекет көп уақыт бойы байқалмады. Ол тек субатомдық ауқымдарға ауысқан кезде ғана ғалымдардың көзіне түсті. Осылайша атом, электрон, протон және өзге элементар бөлшектер үшін бір уақытта жылдамдық пен орналасуын анықтауға мүмкін емес болып шығады. Осы жаңалық Шредингер теңдеуі сияқты сол заманның белгілі физика заңдарына сәйкес келмеді. Біз үйреніп қалған ауқымдарда жұмыс істейтін классикалық механика әлемінде, мысалы, қозғалыстағы көліктің кеңістіктегі жылдамдығы мен орнын анықтау оңай, бірақ субатомдық бөлшектер әлемінде қозғалатын электрон үшін анықтау қиын.

Классикалық механика заңдарына бағынбайтын жарықты кванттау әрекеті, Шредингер теңдеуі мен Гейзенбергтің анықталмағандық принципін тек элементар бөлшектер әлемінде ғана қолдануға болатыны зерттеу жұмыстарын қиындатты. Сонымен қатар, осы аймақтағы зерттеулерді іске асыру үшін салыстырмалы түрде жақында пайда болған жоғары дәлдікті құрылғы қажет. Осыған орай, керемет құбылыстар мен бөлшектер жайлы заңдар ұзақ уақыт бойы адам көзінен таса жерде жасырынды. Жоғарыда келтірілген ашылулар біздің ауқымды ғаламды түсінуіміз әлі де толық емес екендігін анық көрсетті. Бұл орасан зор және ғажайып ашылулардың тек бастамасы болса керек.

"Мен кванттық механиканы әлі де ешкім түсінбейтіндігін сенімді айта аламын".
— Ричард Фейнман

Физиканың өзге әлемінде

Альберт Эйнштейн \(1905\) жылы арнайы салыстырмалылық теориясы (АСТ) жайында жұмысын жариялады. Осы теория барлық жылдамдық (жарық жылдамдығына жақын шамаларға да) үшін уақыт пен кеңістік арасындағы байланысты, механика заңдарын және қозғалысты сипаттайды. Эйнштейннің жаңалығы Ньютонның классикалық теориясы баяу жылдамдық үшін жуықталған заң ғана екендігін және оны ғаламдық масштабтағы жылдамдықтар жағдайларында, яғни жарық жылдамдығына жақын жылдамдықтарға қолдануға болмайтындығын көрсетті. Салыстырмалылық теориясынан ауқымды денелер жарық жылдамдығына жете алмайды деген қорытынды шығады. Алайда, классикалық теория максималды жылдамдыққа жетуге ешқандай шектеу қоймады. \(1915\) жылы Эйнштейн АСТ-сын талдап қорытатын және гравитацияны кеңістіктің түрөзгеруі ретінде сипаттайтын жалпы салыстырмалылық теория туралы жұмысын жариялады. Қайтадан Ньютонның гравитация заңдары әлсіз тартылыс күштері үшін ғана жұмыс істейтін заң екені осыдан шығады. Енді ғана толықтырылған гравитация теориясы, тіпті, жарық пен алып денелерлің қозғалысынан кеңістіктің қисаюын туындататын гравитациялық толқындары сол жерден сыртқа шыға алмайтын алып денелердің бар екендігін мойындады. Болашақта аталмыш денелер “қара құрдым” деп аталып кетті. Сол уақытта осы денелердің болуы мүмкін емес болып көрініді.

Осылайша \(1930\) жылға қарай жарты ғасыр аралығында ғана физика әлемі түбегейлі өзгеріске ұшырады. “Аяқталуға жақын болған ғылым” біз білеміз деген құбылыстардың бәрін сұрақ алдына қойды. \(2020\) жылы күллі әлем физиктері әлі де “біз тіпті нені білеміз?”, – деп сауалдарды жаудыратады. Әрине, соншама жыл аралығында біз көптеген құбылыстармен танысқан болатынбыз. Тіпті, профессор Филип Жолли болжай алмаған нәрселелерді: қара құрдым түсірілген алғашқы фотосуретін алдық, алғаш рет гравитациялық толқындарды анықтадық, атомдар әрекеттесуінің толқындық функцияларын есептедік. Адамзат кванттық механика мен салыстырмалылық теориясы арқасында ғаламның толығырақ сипаттамасын құрастыра алды. Алайда олардың өзара қайшылығы әлі де “Неліктен әлем жалғыз болса да, физикалық заңдар оны әр түрлі сипаттайды?” сұрағына жауап бермейді. Әзірше екі теорияны біріктіруге бағытталған көптеген талпыныстар нәтижесіз болып қала береді.

Қара құрдым түсірілген алғашқы сурет. Сурет дереккөзі

Ғалам жайында түсінігіміздің кеңеюімен жаңа сұрақтар мен қарама-қайшылықтар көбірек туындай бастады. Мысалы, біз әлемнің \(95\) пайызына жуығы қара энергия мен материядан тұратынын ұйғармағанша галактикалар қозғалысы әлі де көпшілікке мәлім заңдарға бағынбайды. Егер олар шын мәнінде бар болса, онда теңдеу үйлесімді болып шығады, бірақ қара энергия мен материя қалай пайда болды? Бөлме температурасы жағдайында асқын өткізгішті жасау мүмкін бе? Нейтрино массасы нешеге тең? Ал массаның өзі қалайша пайда болады?

Жауаптар одан әрі сұрақтарды тудырып, бізді жаңа жұмбақтарға кездестіреді. Адамзат білімі күннен күнге кеңейе түсетіні шүбәсіз. Біз нәтижені білмей тұра жаңа құбылыстарды зерттеп, ілгері қарай аяқ басамыз. Сонда да, біздің қаншалықты нәрсені білмейтініміз өзімізге әлі белгісіз!

“Beyond Curriculum” қоры “Пән ғажабы неде” циклы материалдарын “Караван знаний” жобасымен серіктестікте және “Шеврон” компаниясының қолдауымен жариялауда. “Караван знаний” - жетекші қазақстандық және халықаралық сарапшылардың қатысуымен орындалған алдыңғы қатарлы білім тәжірибелерін зерттеу мен талқылау бойынша бастама.

Аударған: Киреева Азиза