Ճամփորդություն դեպի ատոմի սիրտը
«Երևակայությունն ավելի կարևոր է, քան գիտելիքը»:
Սրանք հայտի ֆիզիկոս Ալբերտ Էյնշտեյնի խոսքերն են, ով նաև ավելացրել է. «Գիտելիքը սահմանափակ է, իսկ երևակայությունն ընդգրկում է ամբողջ Տիեզերքը»:
Եթե ուզում եք թափանցել ատոմի խորքերն ու բացահայտել այդ աշխարհի թաքնված գաղտնիքները, աշխարհի ողջ գիտելիքներին տիրապետելն անգամ բավական չէ: Նախ և առաջ հարկավոր է առաջնորդվել երևակայությամբ, քանի որ մեզ ծանոթ բազմաթիվ օրենքներ ենթատոմային աշխարհում դադարում են գործելուց: Ճիշտ այնպես, ինչպես, օրինակ, «Ալիսը հրաշքների աշխարհում» գրքում, այս նոր աշխարհը կարծես թե ծանոթ է, սակայն հաճախ՝ անհասկանալի է ու տարօրինակ: Այստեղ փոխվում են չափանիշերը, կերպարանափոխվում է նյութը: Ամեն ինչ նոր է՝ երկվորյակ-մասնիկներից սկսած մինչև հանելուկային նոր չափումները:
Բնությունը հաճախ է մեծագույն անակնկալներ մատուցում մեզ, այնպես որ՝ պատրաստվեք անսպասելի շրջադարձերի ու զարմանալի բացահայտումների: Նախկինում շատերն են երազել ու առաջարկել բազում ապշեցուցիչ տեսություններ ու խենթ գաղափարներ: Այդ տեսություններից ոմանք կարողացել են դիմանալ ժամանակի փորձությանն ու հաղթել ականավոր քննադատնների մի ամբողջ բանակի, մյուսները դեռ սպասում են իրենց ապացույցին:
Ինչ-որ մի օր, ինչ-որ մի տեղ ինչ-որ մեկը կարող է գտնել այս անլուծելի թվացող հանելուկների պատասխանները և նույնիսկ ամբողջական գլուխներ ավելացնել գիտության հավերժ անավարտ գրքի մեջ:
Տիեզերքի բաղադրատոմսը
Վերցրեք մեկ հսկայական պայթյուն՝ ստեղծելու համար լիքը աստղափոշի ու ահռելի ջերմություն: Գրեթե մեկ հավերժություն խառնեք դրանք մարմանդ տիեզերական միկրոճառագայթման ֆոնի վրա: Թողեք, որ բաղադրիչները թանձրանան ու սառչեն, ապա մատուցեք սառը վիճակում՝ համեմված փոքրիկ կենդանի օրգանիզմներով՝ 13.7 միլիարդ տարի հետո:
Հասկանալու համար, թե որոնք են եղել Տիեզերքի նախնական բաղադրիչներն ու «պատրաստման պայմանները», ատոմային ֆիզիկոսները պետք է համտեսեն այդ «ուտեստն» ու փորձեն քայլ առ քայլ պատկերացել Տիեզերքի ստեղծումը: Այդ անսահման լաբիրինթոսում ինչ-որ տեղ՝ ծածկագրված հուշումների հետևում, թաքնված է Տիեզերքի բաղադրատոմսը: Հարկավոր է միայն կարողանալ տեսնել ու վերծանել այն:
Խառնել մարմանդ կրակի վրա
Տարածություն, ժամանակ, նյութ… Այս ամենն առաջացել է ավելի քան 13.7 միլիարդ տարի առաջ՝ անասելիորեն հզոր Մեծ պայթյունի այդյունքում: Ապա՝ մի քանի կարճ ակնթարթ հետո, ծայրահեղ տաք ու խիտ Տիեզերքը սկսեց սառչել, և ստեղծվեցին բավարար պայմաններ՝ որպեսզի առաջանան նյութի հիմնաքարերը, մասնավորապես՝ քվարներն ու էլեկտրոնները, որոնցից էլ կազմված ենք մենք բոլորս: Այնուհետև՝ միլիոներորդական վայրկյաններ անց, քվարկները միաձուլվեցին՝ դառնալով պրոտոններ ու նեյտրոններ, որոնք էլ, իրենց հերթին, հաջորդ երեք րոպեների ընթացքում միացան՝ ստեղծելով ատոմների միջուկները:
Դրանից հետո, մինչ Տիեզերքը շարունակում էր ընդարձակվել ու սառչել, իրադարձությունները սկսեցին ավելի ու ավելի դանդաղ զարգանալ: Պահանջվեց ավելի քան 380.000 տարի, որպեսզի էլեկտրոններն ընկնեն միջուկների ուղեծրի մեջ՝ ստեղծելով առաջին ատոմները: Դրանք հիմնականում ջրածին ու հելիում էին, որոնք մինչև այսօր էլ համարվում են Տիեզերքի ամենատարածված տարրերը:
Մոտ 1.6 միլիոն տարի հետո, երբ գազային ամպերը սկսեցին ձևափոխվել՝ ծնունդ տալով աստղերին ու գալակտիկաներին, բացահայտվեց գրավիտացիան: Այդ ժամանակներից ի վեր առավել ծանր ատոմները, մասնավորապես՝ ածխածինը, թթվածինն ու երկաթը, որոնցից կազմված ենք մենք բոլորս, անդադար «եռում» են աստղերի սրտում և միախառնվում են մնացած Տիեզերքին ամեն անգամ, երբ որևէ աստղ կուրացուցիչ հրավառությամբ ավարտում է իր կյանքը՝ դառնալով սուպերնովա:
Առեղծվածային բաղադրիչներ
Կարծես թե՝ մինչև այստեղ ամեն ինչ պարզ է, բայց… Դեռ մնում է մի փոքրիկ խանգարող հանգամանք. տիեզերագիտական ու աստղաֆիզիկական տարբեր դիտարկումները ցույց են տվել, որ վերոհիշյալ ամեն ինչ ճիշտ է Տիեզերքի լոկ մի չնչին մասի՝ 4 տոկոսի համար: Այլ կերպ ասած՝ Տիեզերքի բուն էությունը ոչ այնքան տեսանելի նյութն է՝ մոլորակներն ու գալակտիկաները, այլ դրանք շրջապատող անծայրածիր դատարկությունը:
Տիեզերքի մեծամասնությունը կազմում են անտեսանելի բաղադրիչները, որ հայտնի են որպես «խավար նյութ» (26%) և «խավար էներգիա» (70%): Դրանք որևէ էլեկտրոմագնիսական ճառագայթներ չեն արձակում (այդպիսի ճառագայթում է, օրինակ, լույսը), այդ իսկ պատճառով դրանց գոյության մասին կարելի է դատել միայն ըստ իրենց թողած գրավիտացիոն ազդեցության: Դրանց բնույթն ու Տիեզերքի զարգացման մեջ խաղացած դերը գաղտնիք են մնում, սակայն այդ խավարի գրկում թաքնված են դեռևս անհայտ ֆիզիկայի հրաշքներն ու հանելուկները, որոնք չեն տեղավորվում Տիեզերքի ընդունված Ստանդարտ մոդելի սահմաններում:
Ստանդարտ փաթեթ
Անցած դարի ընթացքում հազարավոր ֆիզիկոսների հայտնագործությունների ու առաջարկած տեսությունների շնորհիվ գիտության հայացքը կարողացել է խորապես թափանցել տիեզերական նյութի կառուցվածքի գաղտնիքների մեջ. պարզվում է, որ Տիեզերքը կառուցված է հիմնային մասնիկներ կոչվող տասներկու առանցքային բաղադրիչներից, որոնց վրա իշխում են չորս հիմնային ուժերը։ Ստանդարտ մոդելը մեր պատկերացումների ու գիտելիքների ամբողջությունն է այն մասին, թե ինչպես են այդ տասներկու մասնիկներն ու չորս հիմնային ուժերից երեքը կապված իրար հետ։ Այն մշակվել է անցած դարի վաղ յոթանասունականներում և թույլ է տվել հաջողությամբ մեկնաբանել գիտափորձերի արդյունքում ստացված բազմաթիվ տվյալներ, ինչպես նաև ճշգրտորեն կանխատեսել է այդ ժամանակ դերևս անհայտ շատ ու շատ երևույթներ։ Ժամանակի ընթացքում, շատ գիտնականների անցկացրած բազում գիտափորձերից հետո, Ստանդարտ մոդելն ընդունվեց որպես ամուր գիտական հիմքեր ունեցող տեսություն։
Նյութի մասնիկները
Մեզ շրջապատող ամեն ինչ կառուցված է նյութի մասնիկներից, որոնք բաժանվում են քվարկներ ու լեպտոններ կոչվող երկու ընտանիքների։
Յուրաքանչյուր խումբը ներառում է վեց մասնիկ, որոնք, իրենց հերթին, բաժանվում են զույգերի կամ «սերունդների»։ Ամենաթեթև ու ամենակայուն մասնիկները կազմում են առաջին սերունդը, իսկ առավել ծանր ու անկայուն մասնիկները պատկանում են երկրորդ ու երրորդ սերնդին։ Տիեզերքի կայուն նյութն ամբողջովին կառուցված է առաջին սերնդի մասնիկներից, քանի որ մյուս՝ ծանր մասնիկները շատ արագ քայքայվում են՝ փոխակերպվելու համար կայուն մասնիկների։
Վեց քվարկները զույգ առ զույգ բաժանված են երեք սերնդների. դրանքն են՝ առաջին սերնդին պատկանող «բարձր քվարկն» ու «ցածր քվարկը», որոնց հետևում են «հմայքի քվարկն» ու «տարօրինակ քվարկը», ապա՝ «վերին քվարկն» ու «ստորին քվարկը»։ Վեց լեպտոնները նմանապես բաժանված են երեք սերնդների. «էլեկտրոն» և «էլեկտրոն-նեյտրինո», «մյուոն» և «մյուոն-նեյտրինո», «տաու» և «տաու-նեյտրինո»։ Էլեկտրոնը, մյուոնը և տաուն ունեն էլեկտրական լիցք ու կշիռ, մինչդեռ նեյտրինոները չեզոք են ու խիստ փոքր կշիռ ունեն։
Ուժեր և կրող մասնիկներ
Տիեզերքում գործում են չորս հիմնային ուժեր. ուժեղ ուժը, թույլ ուժը, էլեկտրամագնիսական ուժը և գրավիտացիոն ուժը։ Այս ուժերն ունեն ազդեցության տարբեր ոլորտներ և տարբեր հզորություններ։ Գրավիտացիան, օրինակ, ամենաթույլն է, սակայն գործում է անսահմանափակ տարածության մեջ։ Էլեկտրամագնիսական ուժի ազդեցության հեռավորությունն էլ է անսահմանափակ, բայց այն շատ ավելի ուժեղ է, քան գրավիտացիան։ Իսկ ուժեղ և թույլ ուժերն արդյունավետ են միայն շատ փոքր հեռավորությունների դեպքում և գործում են միայն ենթատոմային մասնիկների մակարդակում։ Չնայած իր անվանը՝ թույլ ուժը շատ ավելի ուժեղ է, քան գրավիտացիան, սակայն թույլ է մյուս երեք ուժերից։ Եվ, ի վերջո, ուժեղ ուժը բոլոր չորսից ամենահզորն է։
Մենք արդեն գիտենք, որ չորս հիմնային ուժերից երեքը պայմանավորված են այսպես կոչված կրող մասնիկներով, որոնք պատկանում են բոզոնների մեծ ընտանիքին։ Նյութի մասնիկները, բոզոններ փոխանակելով, իրար են փոխանցում որոշ քանակությամբ էներգիա։ Յուրաքանչյուր հիմնային ուժ ունի իր համապատասխան բոզոնը. ուժեղ ուժը «տեղափոխվում» է գլյուոնի միջոցով, էլեկտրամագնիսական ուժը՝ ֆոտոնի, իսկ W և Z բոզոնները պատասխանատու են թույլ ուժի համար։ Գրավիտացիայի կրող մասնիկը, չնայած դեռ հայտնաբերված չէ, պետք է, որ «գրավիտոնը» լինի։
Ստանդարտ մոդելը ներառում է էլեկտրամագնիսական, ուժեղ ու թույլ ուժերը և խիստ ավարտուն ու մանրամասն կերպով բացատրում է, թե ինչպես են այս ուժերն ազդում նյութի բոլոր մասնիկների վրա։ Այնուամենայնիվ՝ մեր ամենօրյա կյանքում ամենատարածված ու ծանոթ ուժը՝ գրավիտացիան, ստանդարտ մոդելի մեջ չի մտնում։ Պարզվեց, որ Ստանդարտ մոդելի շրջանակներում այն տեղավորելը մի քիչ բարդ գործ է։ Միկրոաշխարհը նկարագրող քվանտային տեսությունն ու մակրոաշխարհը նկարագրող հարաբերականության տեսությունը ասես երկու խռոված երեխաներ լինեն, որոնք իրար հետ լեզու չեն գտնում։ Մինչ այսօր ոչ ոքի դեռ չի հաջողվել այդ երկու տեսությունները մաթեմատիկորեն համապատասխանեցել իրար Ստանդարտ մոդելի շրջանակներում։ Բայց, ի երջանկություն ֆիզիկոսների, ենթատոմային մասնիկների մակարդակում գրավիտացիայի ազդեցությունն այնքան թույլ է, որ այն կարելի է անտեսել։ Գրավիտացիոն էֆեկտը գերիշխում է միայն ու միայն նյութի մեծ կուտակումների դեպքում, ինչպիսին ենք, օրինակ, մենք կամ մոլորակները։ Այդ իսկ պատճառով էլ Ստանդարտ մոդելը դեռ շատ լավ գործում է, չնայած որ չի ներառում չորս հիմնային ուժերից մեկը։
Կարծես թե ամեն ինչ լավ է…
…բայց ֆիզիկոսները դեռ շատ խնդիրներ ունեն լուծելու։ Չնայած որ Ստանդարտ մոդելն այսօր ենթատոմային աշխարհի մեր ունեցած լավագույն նկարագրությունն է, այն չի կարողանում բացատրել ամբողջ Տիեզերքի պատկերը։ Չէ՞ որ այն բացառում է չորս հիմնային ուժերից մեկը՝ գրավիտացիան։ Նյուտոնը շատ կվիրավորվեր։ Ուրիշ կարևոր հարցեր էլ կան, որոնց պատասխանը Ստանդարտ մոդելը չունի. օրինակ՝ թե ինչ է խավար նյութը, ուր է անհետացել կորած հականյութը և այլն։
Եվ, վերջապես, Ստանդարտ մոդելը մեծապես հիմնված է Հիգգսի բոզոնի վրա՝ մասնիկ, որի գոյությունը դեռևս ոչ մի գիտափորձով հնարավոր չի եղել ապացուցել։ Այժմ մի իսկական որս է ընթանում՝ գտնելու համար Հիգգսի բոզոնը, որը համարվում է մասնիկների կշռի բանալին։ Դրա հայտնագործումը հսկայական քայլ կլինի մասնիկների ֆիզիկայի համար, չնայած որ դա էլ չի դառնա գիտության գրքի ամփոփիչ գլուխը։
Այսպիսով, անկախ այն բանից, որ Ստանդարտ մոդելը հրաշալիորեն նկարագրում է իրեն առնչվող երևույթները, այն մնում է թերի ու անկատար։ Գուցե այն ընդամենը մեծ խճանկարի մի դետա՞լն է: Հաշվի առնենք, որ կարող է լինել միանգամայն նոր մի ֆիզիկա, որ դեռ թաքնված է ենթատոմային աշխարհի խորքերում կամ Տիեզերքի հեռավոր անկյուններում։ «Մեծ հադրոնային կոլայդերով» կատարվող նոր գիտափորձերն անկասկած կօգնեն գտնել այդ խճանկարի անհայտ դետալներից մի քանիսը։
Էջանիշներ