10 უჩვეულო ფაქტი ფარდობითობიდან კვანტურ ფიზიკამდე
ფიზიკა მეცნიერების უცნაური დარგია და ამაზე ორი აზრი არ არსებობს. სწორედ აქ აღმოაჩენთ, რომ ნაწილაკები შეიძლება სულაც არ იმყოფებოდნენ ერთ ადგილზე და ალბათობის სახით არსებობდნენ. დრო იცვლება იმის მიხედვით, რამდენად სწრაფად მოძრაობთ. კატა ერთდროულად ცოცხალიცაა და მკვდარიც, სანამ ყუთს არ გახსნით. წარმოგიდგენთ ყველაზე უჩვეულო ფაქტებს ფიზიკის სამყაროდან, რომელიც კოსმოლოგმა და მწერალმა მარკუს ჩოუნმა შეკრიბა.
● მზე რომ ბანანებისგან იყოს შექმნილი, მაინც ისეთივე ცხელი იქნებოდა.
ცნობილია, რომ მზე უკიდურესად ცხელია. ამის მიზეზი კი მისი უზარმაზარი მასაა − 2 ნონილიონი (30 ნულიანი რიცხვი) ტონა − რაც წარმოშობს ძლიერ გრავიტაციას და მის გულს კოლოსალური წნევით აწვება. საბურავის გაბერვისას ტუმბო თბება, რადგან წნევა ტემპერატურას ზრდის. ანალოგიურად, უზარმაზარი წნევა უზარმაზარ ტემპერატურას ქმნის.
თუკი წყალბადის მაგივრად აიღებთ 2 ნონილიონ ტონა ბანანს და კოსმოსში „დაკიდებთ”, მასში ზუსტად ისეთივე წნევა შეიქმნება და შესაბამისად, იგივე ტემპერატურა. შესაბამისად სიცხის საკითხში მნიშვნელობა არ აქვს, მისი წყარო აირია, ბანანი თუ საოფისე ავეჯი.
თუმცა აქვე აღსანიშნავია ერთი რამ: შიდა წნევით გამოწვეული ტემპერატურა მზის მსგავსი იქნებოდა. მაგრამ რადგან მასალა წყალბადი არაა, არ მოხდებოდა ბირთვული რეაქციები, რომელიც მზეში მუდმივად მიმდინარეობს. ამიტომ ბანანის ვარსკვლავი სწრაფად დაიწყებდა გაციებას და ვერ შეძლებდა მილიარდობით წლების განმავლობაში ბრდღვიალს.
● ის მასალა, რომლისგანაც მთელი კაცობრიობა შედგება, შაქრის ნატეხის ზომისაა.
ატომების 99.9999999999999% ცარიელი სივრცეა. შეკარით მუშტი და წარმოიდგინეთ, რომ ატომის ბირთვი ამ ზომისაა. მაშინ მთლიანი ატომი ლონდონის წმინდა პავლეს ტაძრის ზომის იქნება. ხოლო წყალბადის ატომის შემთხვევაში ელექტრონი იქნება ცარიელ ტაძარში მოფარფატე ჩრჩილი.
ან წარმოიდგინეთ, რომ ატომი ფეხბურთის სტადიონის ზომისაა. შუაგულში მდებარე ფორთოხალი მისი ბირთვი იქნება, ქინძისთავები კი − მის გარშემო მოძრავი ელექტრონები.
თუკი ყველა ატომს ერთმანეთში შეზილავთ და ცარიელ სივრცეს გამორიცხავთ, დააწვებით იმ დონის წნევით, რომ ტაძრის ზომის სივრცე მუშტის ზომამდე შემცირდეს, მიღებული მასის ერთი ჩაის კოვზის ან შაქრის ნატეხის ზომის ნაწილი 5 მილიარდი ტონა იქნებოდა. ეს ამჟამად მცხოვრები ადამიანების ჯამურ წონას ათჯერ აღემატება.
ფიქრობთ, რომ ასეთი რამის მოხდენა გამორიცხულია? სწორედ მსგავს პროცესებს აქვს ადგილი ნეიტრონულ ვარსკვლავში, რომელიც სუპერნოვას შემდეგ დარჩენილი მასის უკიდურესად შემჭიდროების შედეგად მიიღება.
● მომავალში მომხდარმა ფაქტმა შეიძლება წარსულზე მოახდინოს გავლენა.
კვანტური სამყაროს უცნაურობა კარგადაა აღწერილი. ორმაგი ჭუჭრუტანის ექსპერიმენტი, რომელიც აჩვენებს, რომ სინათლეს აქვს როგორც ნაწილაკის, ისე ტალღური ბუნება, საკმაოდ უცნაურია. განსაკუთრებით იმის გამო, რომ ბუნებას იცვლის მაშინ, როცა ვინმე აკვირდება.
მაგრამ ვითარება შეიძლება ამაზე უჩვეულოც იყოს. ფიზიკოს ჯონ უილერის მიერ 1978 წელს შემოთავაზებული და მკვლევარების მიერ 2007 წელს განხორციელებული ექსპერიმენტის მიხედვით, ნაწილაკზე დაკვირვებამ შეიძლება შეცვალოს ის, თუ რა დაემართა მას წარსულში.
ორმაგი ჭუჭრუტანის ექსპერიმენტის მიხედვით, თუ დააკვირდები ჭუჭრუტანაში გასულ სინათლეს, შენ იმოქმედებ მასზე და აიძულებ, მოიქცეს ნაწილაკივით. ხოლო თუ არ დააკვირდები და შეხედავ, რა ადგილას ეხება ჭუჭრუტანების უკან მდებარე ეკრანს, ის მოიქცევა, როგორც ტალღა.
მაგრამ თუ დაიცდი, რომ გაიაროს ჭუჭრუტანა, შემდეგ კი დააკვირდები, რომელი გზით გაიარა, ეს იმოქმედებს მასზე, რომ განისაზღვროს, პირველი ჭუჭრუტანა გაიარა თუ მეორე. სხვა სიტყვებით რომ თქვათ, მიზეზ-შედეგობრიობა უკუღმა მოქმედებს − აწმყო წარსულს ცვლის.
ცხადია, ლაბორატორიულ ექსპერიმენტებში ეს ყველაფერი წამის უმცირეს მონაკვეთებში ხდება. თუმცა უილერმა წამოაყენა მოსაზრება, რომ დაკვირვებას შეიძლება იგივე ეფექტი ჰქონდეს იმ სინათლეზე, რომელიც შორეული ვარსკვლავებიდან მოდის. ეს იმას ნიშნავს, რომ ამ მომენტში კოსმოსურ ობიექტებზე დაკვირვებამ შეიძლება შეცვალოს ის, რასაც ადგილი ჰქონდა ათასობით ან შეიძლება მილიონობით წლების წინ.
● სამყაროს უდიდესი ნაწილი უხილავია.
დაკვირვებად სამყაროში სავარაუდოდ მინიმუმ 100 მილიარდი გალაქტიკაა. თითოეულ მათგანში 10 მილიონიდან ტრილიონამდე ვარსკვლავია. ჩვენი მზე, საკმაოდ პატარა და სუსტი ვარსკვლავი (რომელსაც „ყვითელი ჯუჯა” ეწოდება), 2 ნონილიონ ტონას იწონის და ვარსკვლავების უმეტესობა მასზე დიდია. ხილული მატერია მართლაც საკმაოდ დიდი რაოდენობითაა, შემაძრწუნებლად დიდი რაოდენობითაც კი.
მაგრამ ეს მთლიანი მასის მხოლოდ 4-5%-ია.
უკვე ცნობილია, რომ ხილული მატერიის გარდა სხვა რამეებიც არსებობს, ამაში კი გრავიტაცია გვეხმარება. საქმე იმაშია, რომ რასაც ვხედავთ, ნამდვილად არაა საკმარისი, აიხსნას ის გრავიტაციული ძალა, რომელიც მასიურ კოსმოსურ ობიექტებს გააჩნიათ. წესით ასეთი მასის მქონე ობიექტებს არ უნდა ჰქონდეთ იმხელა გრავიტაციული ეფექტი, როგორიც რეალურად აქვთ. ამ უხილავ მასალას, რომელიც ეფექტს ზრდის, უწოდეს „ბნელი მატერია” და ის ჩვეულებრივ მატერიაზე დაახლოებით 6-ჯერ მეტია.
კიდევ უფრო რომ დაიბნეთ, არსებობს მეორე უხილავი მასალაც და მას „ბნელი ენერგია” ეწოდება. მისი მეშვეობით იხსნება სამყაროს გაფართოების საკითხი. ჯერჯერობით ზუსტად არავინ იცის, რას წარმოადგენს ან ერთი ან მეორე.
● ნაწილაკმა შეიძლება სინათლეზე სწრაფად იმოძრაოს.
სინათლის სიჩქარე ვაკუუმში მუდმივი სიდიდეა: წამში 299,792,458 მეტრი. თუმცა სინათლე ყოველთვის ვაკუუმში არ მოძრაობს. მაგალითად წყალში ფოტონების სიჩქარე ამ სიდიდის 3/4-ია.
ბირთვულ რეაქტორებში ზოგიერთ ნაწილაკებს ავითარებინებენ ძალიან მაღალ სიჩქარეს და ზოგჯერ სინათლის სიჩქარესაც (ვაკუუმში) კი უახლოვდებიან. ხოლო თუ გზაში გადიან იზოლირებულ გარემოს, რომლის შემადგენელი ნივთიერებაც იწვევს ფოტონების სიჩქარის შემცირებას, მაშინ ეს ნაწილაკები ახლომდებარე სინათლეზე სწრაფად იმოძრავებენ.
როცა ეს ხდება, ისინი ლურჯად ანათებენ და ამ მოვლენას „ჩერენკოვის რადიაცია” ეწოდება. ეს შეგვიძლია შევადაროთ ბგერით ბუმს (ბგერის სიჩქარეზე სწრაფად მოძრაობისას წარმოქმნილი ეფექტი). სწორედ ამ მიზეზის გამო ხდება, რომ ბირთვული რეაქტორები სიბნელეში ანათებენ ხოლმე.
ყველაზე ზანტი სინათლე, რომელიც ოდესმე დაფიქსირებულა, მოძრაობდა წამში 17 მეტრი სიჩქარით, რაც დაახლოებით 60 კმ/სთ-ია. ის გადიოდა თითქმის აბსოლუტურ ნულამდე (-273.15°) გაციებულ რუბიდიუმში, რომლის დროსაც მიიღება მატერიის უცნაური ფორმა − ბოზე-აინშტაინის კონდენსატი.
ასევე ყოფილა შემთხვევა, როცა მეცნიერებმა სამყაროს ყველაზე სწრაფი ნაწილაკები მთელი ერთი წუთით გააჩერეს და კრისტალში „გამოამწყვდიეს”.
● ჩემმა უამრავმა „მემ” დაწერა ეს სტატია, თქვენი უამრავი „მე” კი კითხულობს.
კოსმოლოგიის ამჟამინდელი სტანდარტული მოდელის მიხედვით, დაკვირვებადი სამყარო – რომელიც ზემოთ ნახსენებ მილიარდობით გალაქტიკასა და ტრილიონობით ვარსკვლავს მოიცავს – მხოლოდ ერთ-ერთია უსასრულო რაოდენობის სამყაროებიდან, რომლებიც გვერდიგვერდ არსებობენ, როგორც ქაფში – საპნის ბუშტები.
რადგან მათი რაოდენობა უსასრულოა, ისტორიის ყველა შესაძლო ვარიანტი უნდა მომხდარიყო. თუმცა ისტორიების შესაძლო ვარიანტების რიცხვი სასრულია, რადგან სასრულია შესაძლო მოვლენებისა და მათი შედეგების რაოდენობა. ეს რიცხვი უზარმაზარია, მაგრამ მაინც სასრული. ამიტომ ეს კონკრეტული მოვლენა, რომელშიც მე ვწერ ამ სტატიას და თქვენ კითხულობთ, უამრავჯერ მომხდარა.
უფრო საოცარი ისაა, რომ თეორიულად იმის გაგებაც შეგვიძლია, რამდენი მეტრით შორსაა ჩვენი უახლოესი დოპელგანგერი (ჩვენი ასლი სხვა სამყაროში). ყველაზე რბილი ვარაუდით, ეს იქნება ძალიან დიდი რიცხვი – ერთიანი, რომელსაც 10 ნონილიონი ნული მოყვება.
● შავი ხვრელი სულაც არაა შავი.
შავი ხვრელები ძალიან ბნელები არიან, მაგრამ არა შავი. უფრო მეტიც – ისინი უმნიშვნელოდ ანათებენ მთელ სპექტრზე, მათ შორის ხილულ სინათლეს. ეს ხდება შავი ხვრელის გამოსხივების შედეგად, რომელსაც „ჰოკინგის რადიაცია” ეწოდება. სახელი დაერქვა ცნობილი პროფესორის, სტივენ ჰოკინგის მიხედვით, რომელმაც პირველად წამოაყენა მოსაზრება მის არსებობაზე. რადგანაც რადიაციის მუდმივად გამოყოფის გამო ისინი კარგავენ მასას, საბოლოოდ შავი ხვრელები გაუჩინარდებიან, თუკი არ ექნებათ ენერგიის სხვა წყარო, რომელიც მათ სტაბილურობას უზრუნველყოფს. მაგალითად ვარსკვლავთშორისი აირები ან სინათლე.
მიიჩნევა, რომ პატარა შავი ხვრელები რადიაციას უფრო სწრაფად გამოყოფენ თავიანთი მასის გამო, ამიტომ თუკი – როგორც ზოგიერთი თეორია წინასწარმეტყველებს – დიდი ადრონული კოლაიდერი შექმნის მინიატურულ შავ ხვრელებს, ისინი თითქმის მაშინვე შეწყვეტენ არსებობას. მეცნიერები კი რადიაციის მეშვეობით დააკვირდებიან მათ დაშლას.
● სამყაროს ფუნდამენტური აღწერა გამორიცხავს წარსულს, აწმყოსა და მომავალს.
ფარდობითობის სპეციალური თეორიის მიხედვით, არ არსებობს წარსული, აწმყო და მომავალი. დროის მსვლელობა ფარდობითია: მე ჩემი დრო მაქვს, თქვენ – თქვენი, პლანეტა Gliese 581-ს კი თავისი. ჩვენი დროები ერთმანეთს ჰგავს, რადგან დაახლოებით ერთნაირი სიჩქარით ვმოძრაობთ.
მაგრამ თუკი მნიშვნელოვნად განსხვავებული სიჩქარეებით ვიმოძრავებთ, აღმოვაჩენთ, რომ ერთ-ერთი ჩვენგანი უფრო სწრაფად დაბერდა. ანალოგიურად, თუკი ვინმე უფრო ახლოს იქნებოდა ისეთი ძლიერი გრავიტაციის მქონე ობიექტთან, როგორიცაა დედამიწა, მისი დაბერების პროცესი უფრო ნელი იქნებოდა, ვიდრე – მოშორებით მყოფების.
GPS თანამგზავრები სწრაფადაც მოძრაობენ და დედამიწიდან საკმაოდ არიან დაშორებული. ამიტომ მათ შიგნით განთავსებული საათები სხვა დროს უჩვენებს, ვიდრე ჩვენს სახლში არსებული. მუდმივად რომ არ ხდებოდეს მათი გასწორება, ეს სხვაობა დიდ არეულობას გამოიწვევდა დედამიწაზე მოქმედ GPS მექანიზმებზე.
● აქ მყოფმა ნაწილაკმა შეიძლება გავლენა მოახდინოს სამყაროს მეორე მხარეს მდებარე ნაწილაკზე.
როდესაც ელექტრონი ხვდება თავის ანტიმატერიულ მეწყვილეს, პოზიტრონს, ხდება ამ ორის ანიჰილაცია ენერგიის პატარა გაელვებად. აფეთქების შემდეგ კი გამოიყოფა ორი გამა-სხივური ფოტონი.
სუბატომურ ნაწილაკებს, როგორიცაა ფოტონები და კვარკები, გააჩნიათ თვისება, რომელიც ცნობილია, როგორც სპინი. ეს არის ღერძის გარშემო ბრუნვის მაჩვენებელი, ოღონდ კვანტურ დონეზე, რომელიც მნიშვნელოვნად განსხვავდება კლასიკური მექანიკის მოვლენებისგან. როდესაც ორი ასეთი ნაწილაკი ერთდროულად იქმნება, მათი სპინის მიმართულებები ერთმანეთს აბალანსებს – ისინი ურთიერთსაწინააღმდეგო ქმედებებს ახორციელებენ.
კვანტური მოძრაობის არასტაბილურობის გამო შეუძლებელია წინასწარ იმის თქმა, რომელი წავა „საათის ისრის მიმართულებით” და რომელი – საწინააღმდეგოდ. უფრო მეტიც, სანამ ერთ-ერთი ნაწილაკის სპინს არ დააკვირდებით, ორივე მათგანი ორივე მიმართულებით მოძრაობს.
თუმცა სიტუაცია უფრო უცნაურიც შეიძლება გახდეს. როდესაც ერთ მათგანს აკვირდებით, ის უეცრად ერთი მიმართულებით იწყებს მოძრაობას. ხოლო მისი მეწყვილე ტყუპისცალი კი ყოველთვის საპირისპიროდ იბრუნებს. ამასთან, მანძილს მნიშვნელობა არ აქვს, თუნდაც სამყაროს ორ ყველაზე დაშორებულ წერტილებში მდებარეობდნენ. ეს ყველაფერი დამტკიცებულია ექსპერიმენტებშიც (თუმცა მანძილი მხოლოდ ლაბორატორიის მეორე ბოლო იყო და არა სამყაროსი).
● რაც უფრო სწრაფად მოძრაობ, მით მეტად მძიმდები.
თუკი ძალიან, ძალიან სწრაფად ირბენ, წონაში მოიმატებ. თუმცა ცხადია, არა სამუდამოდ, რადგან ეს სრული დაცინვა იქნებოდა იმ ადამიანებისა, რომლებიც დიეტებისა და ვარჯიშის მეშვეობით ცდილობენ სასურველი ფორმის მიღწევას. ეს მხოლოდ მომენტალური ეფექტი იქნება და დროის მცირე მონაკვეთში განხორციელდება.
სინათლის სიჩქარე სამყაროში არსებული ზღვარია. თუკი რაიმე ობიექტი ამ მაჩვენებელს ძალიან მიუახლოვდება და თქვენ ხელს კრავთ, სინათლეზე სწრაფად მაინც ვერ იმოძრავებს. თუმცა თქვენ მას ენერგია გადაეცით და ეს ენერგია სადღაც უნდა „წავიდეს”.
ეს ენერგია მასას ემატება, ანუ ობიექტი წონაში მოიმატებს. ფარდობითობის მიხედვით, მასა და ენერგია ექვივალენტურია. ასე რომ რაც უფრო იზრდება ენერგია, მით უფრო მატულობს მასა. ადამიანის სიჩქარის შემთხვევაში ეს ცვლილება უმნიშვნელოა – უსაინ ბოლტს სირბილისას სულაც არ ემატება შესამჩნევი წონა უძრაობასთან შედარებით. მაგრამ რაც უფრო უახლოვდება ობიექტი სინათლის სიჩქარეს, მით მეტად მძიმდება. მაგალითად სინათლის სიჩქარის 10%-ის განვითარებისას მასა ნორმაზე მხოლოდ 0.5%-ით მეტია, მაგრამ 90%-ზე ორმაგდება. თუ ობიექტი ეცდება, სინათლის სიჩქარით იმოძრაოს, მისი მასა უსასრულო გახდება, ასევე იქნება ენერგიაც. სწორედ ამიტომ ჩვეულებრივი ობიექტისთვის სინათლის სიჩქარის განვითარება ან გადაჭარბება შეუძლებელია.
