სინათლის ბუნების შესახებ

Posted on March 25, 2016

სინათლე ნივთიერების გამოსხივების ფართო სპექტრის მცირე, მაგრამ მნიშვნელოვანი ნაწილია. იგი ის მთავარი ფაქტორია, რითაც ადამიანი შეიცნობს გარე სამყაროს, მაგრამ მისი ბუნების შესახებ ცოტა რამ არის ცნობილი.

რამდენიმე საუკუნის განმავლობაში მეცნიერები ცდილობდნენ დაედგინათ, რას წარმოადგენდა სინათლე – კორპუსკულებს თუ ტალღებს. პერიოდულად იცვლებოდა შეხედულება სინათლის ბუნებაზე. მ. პლანკის მიერ XX საუკუნის დასაწყისში ენერგიისა და მოქმედების კვანტების აღმოჩენამ გარკვეულწილად შეცვალა წარმოდგენები სინათლეზე, მაგრამ დუალიზმი ამ საკითხში ბოლომდე მაინც ვერ აღმოიფხვრა. კორპუსკულები შეიცვალა სინათლის კვანტებით – ფოტონებით. მოვლენები, რომელიც ეხებოდა სინათლის გავრცელებას, მეცნიერებს შეეძლოთ განეხილათ მარტო ტალღური თვალთახედვით; ხოლო სინათლის ზემოქმედება ნივთიერებაზე (ფოტოეფექტი, კომპტონის მოვლენა) განიმარტებოდა მხოლოდ კორპუსულების ან ფოტონების შესახებ წარმოდგენის საფუძველზე.

ფოტონი არის ელექტომაგნიტური ველის კვანტი, ელემენტარული ნაწილაკი, რომელიც გარდა ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედებებისა, არ მონაწილებს სხვა (სუსტ და ძლიერ) ურთიერთქმედებებში. ასე რომ, სახეზეა ერთგვარი არაჩვეულებრივი სურათი: ერთი და იგივე ობიექტი (სინათლე ან γ გამოსხივება) ერთდროულად ნაწილაკიცაა და ტალღაც. დე ბროილმა გამოთქვა ვარაუდი: რაკი სინათლის ტალღებს აქვს ნაწილაკის თვისებები, შესაძლოა ელექტრონის ნაწილაკსაც ჰქონდეს ტალღის თვისება, ანუ მას, ისევე როგორც სინათლეს, ახასიათებდეს დუალიზმი. ბევრმა ფიზიკოსმა ირწმუნა ტალღა-ნაწილაკის რეალობა, თუმცა ეს არ იყო ადვილი, რადგან, როგორც ვიცით, ტალღა არის განუსაზღვრელი სივრცეში, ნაწილაკი კი კონცენტრირებულია წერტილში. მაგრამ ცხადი იყო, რომ ეს ორი შეუთავსებელი სახე ერთად იძლეოდა მიკროსამყაროს ამსახველ სრულ სურათს.

არსებობს თვალსაზრისი, რომ კვანტური მოვლენა არ ექვემდებარება ჩვეულებრივ ლოგიკას. ვ. ჰაიზენბერგმა მიკროსამყაროს ამსახველ თეორიებში შემოიტანა მარტიცული ცხრილების ალგებრა, რომელზედაც იწერება შემთხვევების ალბათობა და არა მოვლენის ამსახველი რაიმე სიდიდეები. იგი ეყრდნობოდა წარმოდგენას ელექტორნზე, როგორც ნაწილაკზე და პროცესზე, როგორც კვანტურ წყვეტილობაზე. სხვა გზა აირჩია ე. შრედინგერმა. მან მიკროსამყაროსათვის შექმნა ტალღური მექანიკა, რომელიც აღწერა მექანიკის ჩვეულებრივი ხერხით: იგი წარმოადგენდა ელექტრონს, როგორც ტალღას და რხევებს – როგორც უწყვეტ პროცესს.

კვანტური მექანიკის შესახებ არსებობს მოსაზრება, რომ ალბათობის თეორია „ალამაზებს“ ჩვენს პირად გაურკვევლობას სხვადასხვა ვითარებაში და ბუნების ისტორიის არცოდნას. თვით ბუნებამ კი ნამდვილად იცის თავისი ისტორია აბსოლუტური სიზუსტით. ამაში არასოდეს გასჩენია ეჭვი კლასიკურ ფიზიკას.

ნ. ბორი კოლეგებთან მეცნიერულ კამათში ხშირად აღნიშნავდა: „დროა შევთანხმდეთ იმაზე, რომ ჩვენ არ გვესმის რაღაც მთავარი!“. მიკროსამყაროს ფიზიკაში კომპლემენტურობის (დამატებითობის) პრინციპის შემოტანით ნ. ბორი შეეცადა გაუგებარი გასაგები გაეხადა. მან გამოაცხადა, რომ კლასიკური თვალსაზრისით, სინამდვილის ძნელად დასაკავშირებელი თვისებები ერთმანეთს კი არ გამორიცხავს, არამედ ავსებს.

ვ. ჰაიზენბერგმა ამავე მიზნით მათემატიკურად გამოიყვანა განუსაზღვრელობის თანაფარდობის კანონი, რომელიც ამტკიცებს, რომ ბუნება სულაც არ არის ზუსტი.

მიუხედავად იმისა, რომ არ გვაქვს მყარი საფუძველი, ჩვენ მაინც გვგონია, რომ ფიზიკოსთა უმრავლესობის შეხედულება ბუნებაში ნაწილაკების არსებობის შესახებ, კერძოდ კი წარმოდგენა ელექტრონზე, როგორც ტალღა-ნაწილაკზე, არ შეესაბამება სინამდვილეს, რადგან ისინი ემყარებიან ექსპერიმენტული შედეგების არასწორ ანალიზს, რაც გამოწვეულია სინათლის ბუნებაზე არსებული არასრულყოფილი თეორიით. ვეცდებით შეძლებისდაგვარად ავხსნათ ეს მოსაზრება. მიგვაჩნია, რომ საწყის ეტაპზე ელექტრონის ქცევის შესწავლის მიზნით საკმარისი იქნება განვიხილოთ ფიზიკოსთა მიერ წარსულში მრავლად ჩატარებული ცდები და ამ ცდების შედეგად მიღებული დასკვნები, რაშიც დაგვეხმარება „ფეინმანის ლექციები ფიზიკაში“. წიგნის 37-ე თავი – „კვანტური ქცევა“ იწყება ტყვიებით, ტალღებითა და ელექტრონებით ჩატარებული ცდების დეტალური განხილვით და მიღებული შედეგების ანალიზით. ფიზიკოსების აზრით, ელექტრონების ქცევის შესასწავლად საჭიროა ჩვეულებრივი მყარი ნაწილაკებისა და წყლის ტალღების ქცევის ურთიერთშეპირისპირება. ამისთვის იყენებდნენ ხან ერთ, ხან მეორე წარმოდგენას, რათა გაერკვიათ, თუ რა მოხდებოდა კონკრეტულ შემთხვევაში.

ზემოთ ხსენებული ცდები მიმდინარეობა საერთო სქემით. მკვლევარები სხვადასხვა ექსპერიმენტებში იყენებდნენ მყარი ნაწილაკების, ტალღებისა და ელექტრონების წყაროებს (ტყვიამფრქვევს – მყარი ნაწილაკების შემთხვევაში, წყლიან ვარცლსა და ტალღების „წყაროს“ – წყლის ტალღების შემთხვევაში და ელექტრონულ სატყორცნს – ელექტრონების შემთხვევაში). მათგან მიღებულ სათანადო ნაკადებს წინ ახვედრებდნენ გაუმტარ კედელს. ამ კედელს ჰქონდა ერთმანეთისგან არც თუ ისე დაშორებული, ერთნაირი ზომის ორი ნაპრალი, რომლებშიც დაუბრკოლებლივ გაედინებოდა  წყაროდან წამოსული ნაკადი. კედლის შემდეგ მოთავსებული იყო შთანმთქმელი ნაგებობა. ტყვიებით ჩატარებულ ცდაში შთანმთქმელის როლს არსრულებდა მიწაყრილი, წყლის ტალღებზე ჩატარებულ ექსპერიმენტში – ქვიშის მეჩეჩი, ელექტრონებით ჩატარებულ ცდაში კი ლითონის ფირფიტა, რომლებზედაც მიმაგრებული იყო დეტექტორი (ქვიშიანი ყუთი), ტალღების სიმაღლის (ინტენსიურობის) საზომი და ნაწილაკების მრიცხველი (მაგალითად, ჰეიგერის მრიცხველი). შესაძლებელი იყო დეტექტორის გადაადგილება კედლის გასწვრივ და მისი ცენტრიდან სხვადასხვა მანძილით დაშორებულ წერტილებში საკვლევი ნივთიერების მოხვედრის ალბათობის გამოკვლევა (წყლის ტალღების შემთხვევაში საინტერესო იყო ღერძზე ტალღების ინტენსიურობის განსაზღვრა).

კვლევის შედეგების აღსაწერად მიღებული იქნა სათანადო მრუდები. ეს მრუდები ორი სახისაა. პირველი სახის მრუდი (1) მიიღება იმ შემთხვევაში, როდესაც ცდაში არ შეინიშნება ინტერფერენცია, მეორე (2) – წყლის ტალღების შემთვევაში, როდესაც ტალღების ორ ნაპრალში გავლის შემდეგ ხდება დიფრაქცია და ინტერფერენცია. ელექტრონებით ჩატარებული ცდის შედეგად მიღებული მრუდი (3) აღმოჩნდა ტალღების მსგავსი, ხოლო ტალღების შემთხვევაში მიღებული მეორე მრუდის იდენტური. ე.ი ელექტრონებმა გამოამჟღავნა ტალღური ბუნება და მოგვცა ინტერფერენციული სურათი. განხილული შედეგების საფუძველზე გამოტანილ იქნა დასკვნა, რომ ელექტრონი არის „ტალღა-ნაწილაკი“. ბევრს მსჯელობდნენ იმის თაობაზე, თუ როგორ შეიძლებოდა ელექტრონებს მოეცათ შთანმთქმელ ზედაპირზე განაწილების ასეთი სურათი. ცდა განმეორდა იმ მცირე განსხვავებით, რომ პირველი კედლის უკან, ორ ნაპრალს შორის მოთავსდა ძლიერი სინათლის წყარო. ცნობილია, რომ ელექტრულ მუხტს აქვს თვისება, გაფანტოს მასზე დაცემული სინათლე. ამიტომ, ელექტრონის მიერ გაფანტული სინათლე ხვდება დამკვირვებლის თვალს და ეს უკანასკენლი დაინახავს, სად გაიარა ელექტრონმა. მიღებულ იქნა მოულოდნელი შედეგი: მრუდი 3-მა შეიცვალა სახე და დაემსგავსა მრუდ 1-ს. როდესაც გამოირთო ნათურა, ისევ გაჩნდა ინტერფერენციული სურათი, მრუდი 3 დაემსგავსა მრუდ 2-ს. აქედან გამომდინარე, გაკეთდა დასკვნა, რომ ელექტრონი, როდესაც მას უთვალთვალებენ, სხვაგვარად იქცევა, და შესაძლოა, „ელექტრონი ძლიერ დელიკატური რამ არის“. „ჩვენ არ ძალგვიძს ავხსნათ, როგორ მუშაობს იგი“ – ამბობს რ. ფეინმანი, „ჩვენ მხოლოდ შეგვიძლია მოგითხოთ ცდის შედეგებზე.“

ვ. ჰაიზენბერგმა დაუშვა, რომ განხილულ ცდაში ვლინდება განუსაზღვრელობის პრინციპი. რ. ფეინმანი თავის ლექციაში აღნიშნავს, რომ „კვანტური მექანიკის სრული თეორია, რომლითაც დღეს ჩვენ ვსარგებლობთ, ატომების და ე.ი მთლიანად ნივთიერებების აღწერისას დამოკიდებულია განუსაზღვრელობის პრინციპის სისწორეზე. მაგრამ, თუ მისი „განადგურების“ საშუალება გვექნება, მაშინ კვანტური მექანიკა მოგვცემს შეუსაბამო შედეგებს და ჩვენ იძულებული ვიქნებით გამოვრიცხოთ იგი ბუნების მოვლენების შესახებ  სწორი, მართებული თეორიების რიგებიდან“; და კიდევ ერთი პესიმისტური დასკვნა „ლექციებიდან“: „ჯერ არავის მიუგნია ამ თავსატეხის ამოხსნისათვის“ (აქ ნავარაუდევია ბოლოს განხილული ცდის შედეგები, ავტორის შენიშვნა). ამრიგად, ახლა იძულებული ვართ შემოვიფარგლოთ მხოლოდ ალბათობათა გამოთვლებით.

წინამდებარე სტატიაში ავტორის მიერ შემოთავაზებულია არსებული თეორიებისგან რამდენადმე გასხვავებული მოსაზრება სინათლის ბუნებაზე, აგრეთვე სინათლესთან დაკავშირებულ მოვლენებზე და ზემოთ მოყვანილი ექსპერტიმენტის შედეგად მიღებული ზოგიერთი თავსატეხის, კერძოდ, ელექტრონების ქცევის შესახებ, რომელიც, ფიზიკოსთა აზრით, „არაფერს არ ჰგავს“.

კლასიკურ მეცნიერებაში ითვლებოდა, რომ ფიზიკა სწავლობს ისეთ მოვლენებს, როდესაც „ნივთიერების არსი არ იცვლება“, თუმცა ჯერ კიდევ XVII საუკუნეში ი. ნიუტონი თავის „ოპტიკაში“ სხვა მნიშვნელოვან შეხედულებებთან ერთად ყურადღებას ამახვილებდა სინათლისა და ნივთიერებების ურთიერთქმედების საკითხზე და ამბობდა: „ხომ არ გარდაიქმნება სინათლე ნივთიერებად და ნივთიერება – სინათლედ?“ თანამედროვე ფიზიკა უკვე სწავლობს მოვლენებს, რომლის მიმდინარეობისას „საგნის არსი“ უფრო შესამჩნევად იცვლება, ვიდრე ქიმიური რეაქციების დროს. მაგალითად, ელექტრომაგნიტური გამოსხივების გარდაქმნა ნაწილაკად, რომელსაც აქვს არანულოვანი უძრაობის მასა. ცდით დადასტურდა, რომ განსაკუთრებით სწრაფი (განსაზღვრულ სიდიდეზე მეტი) რხევების მქონე ფოტონი გარდაიქმნება ნივთიერებად – დადებით და უარყოფით ელექტრონებად.

სტატიაში განხილული ექსპერიმენტების შედეგებზე დაყრდნობით და სინათლის ბუნებასა და მასთან დაკავშირებული მოვლენების შესახებ კლასიკური და თანამედროვე ფიზიკის მოწინავე მეცნიერთა მიერ გამოთქმული აზრებისა და შეხედულებების გათვალისწინებით, შესაძლებელია დავასკვნათ, რომ ნივთიერების ნებისმიერი სახის გამოსხივება, მათ შორის სინათლე, რთული შემადგენლობისაა. იგი ერთდროულად ორი ნაწილისაგან შედგება, სხივური და ტალღური გამოსხივებისგან, რომლებიც მატერიისა და ენერგიის ორი განსხვავებული ნაირსახეობაა, არ შეიცავს რაიმე დამუხტულ, უძრაობის მასის მქონე ნაწილაკს, ამიტომ კანონზომიერია ვარაუდი გამოსხივების ორმაგ ხასიათზე – ტალღურსა და სხივურზე.

ორივე სახის გამოსხივება ერთმანეთთან შეურევლად ვრცელდება სივრცეში გარკვეული სიჩქარით.

სივრცის იმ წერტილებში, სადაც სხივი გადაკვეთს ტალღის ქიმს, რომელსაც აქვს ტალღების ენერგიის მაქსიმალური მნიშვნელობა, სხივური და მაქსიმალური ტალღური ენერგიების ზედდებით, ვირტუალური ნაწილაკების გამყარებით ან გარემოში მყოფი რომელიმე ატომისაგან ელექტრონის გამოტყორცნის გზით, შეიქმნება მყარი, მუხტის მატარებელი ნაწილაკის წარმოქმნის პირობები. სავარაუდოა, რომ წარმოქმნილ ნაწილაკს არ ექნება საწყისი სიჩქარე (ან იგი სინათლის სიჩქარესთან შედარებით ძალზე მცირე იქნება) და მას ადვილად გაიტაცებს სინათლის ტალღის ქიმი, ამიტომ ელექტრონის მოძრაობის ტრაექტორია მიიღებს ტალღის ფორმას, ანუ ელექტრონი გამოავლენს თვისებას, რომელიც, ჩვეულებრივ მას არ გააჩნია. ამით შეიძლება აიხსნას ზემოთ განხილულ ცდებში მიღებული ელექტრონის გადაადგილების დიფრაქციული სურათი ორ ნაპრალში გავლის შემდეგ. აქედან გამომდინარე, შეიძლება დავასკვნათ, რომ ელექტრონი არის ნაწილაკი და არა „ტალღა-ნაწილაკი“ ან, როგორც მას მეცნიერებმა უწოდეს, „მიკრო-კენტავრი“, რომელიც XX საუკუნის ფიზიკოსებს ანცვიფრებდა თავისი გაუგებარი ქცევით.

ე. შრედინგერს ეკუთვნის გამოთქმა, რომ „მოძრავი ნაწილაკი სხვა არაფერია, თუ არა „ქაფი ტალღურ რადიაციაზე“. აქვე გავიხსენოთ ნ. ბორის მიერ წამოჭრილი კითხვები ფიზიკაში შემოღებული ცნების – „ტალღა-ნაწილაკის“ შესახებ: „იქნებ ბუნება მიკროდონეზე არ საჭიროებს თავისი ყოფიერებისთვის სათანადო საწყის პირობებს?“ და კიდევ – „ხომ არ არიან ისინი კოორდინატ-ჩამორთმეულნი?“ გამოჩენილი ფიზიკოსები კამათისა და მსჯელობის დროს ცდილობდნენ მიახლოებოდნენ ჭეშმარიტებას იმ დამუხტული ნაწილაკების ქცევის შესახებ, რომლებიც თავს იჩენს სინათლესთან დაკავშირებულ მოვლენებში.

გავიხსენოთ ი. ნიუტონის შეხედულება სინათლის ბუნებაზე: „ვფიქრობ, რომ სინათლე არის ის, რაც სხვადასხვაგვარად ვრცელდება მანათობელი სხეულისაგან. შეიძლება ვიარაუდოთ, რომ სინათლე არის მატერიალური ემანაცია ან მოძრაობა, ან იმპულსი, რომელიც იწვევს მოძრაობას, ან კიდევ რაიმე სხვა… მე მიმაჩნია, რომ სინათლე შედგება სხივებისაგან, რომლებიც ერთმანეთისგან განსხვავდება შემთხვევითი ვითარებებით, სიდიდით, ფორმით ან ძალით ისევე, როგორც ერთმანეთისაგან განსხვავდება ქვიშის მარცვლები, ტბაზე ტალღები“. ი. ნიუტონის თანამედროვეთა წარმოდგენით, სინათლის ატომების ნივთიერების ატომებისაგან განსხვავდება მხოლოდ სიჩქარითა და მცირე ზომით. როგორც ს. ვავილოვი აღნიშნავდა, ი. ნიუტონი მოგვიანებით გამოდიოდა კომპრომისული ჰიპოთეზით, რადგან იყენებდა ემისიური და ტალღური თვალსაზრისების უპირატესობებს. ე.ი. ნიუტონის ჭეშმარიტი წარმოდგენა სინათლეზე იყო კორპუსკულისა და ტალღის სახეების შერწყმა. თანამედროვე ფიზიკაც მივიდა ანალოგიურ დასკვნამდე, რომ სინათლე წარმოადგენს ფოტონებისა და ტალღების შერწყმას. ამრიგად, სინათლის ბუნების შესახებ ჩვენ მიერ გამოთქმული მოსაზრებები არ უნდა იყოს მიუღებელი თანამედროვე ფიზიკოსებისათვის.

ყველა ზემოთ მოყვანილი მოსაზრებების გათვალისწინებით, განვიხილოთ ელექტრონების ქცევისა და ბუნების შესასწავლად ჩატარებული ის ექსპერიმენტი, რომლის შედეგმაც დიდი „თავსატეხი“ გაუჩინა ფიზიკოსებს და იმ დასკვნამდე მიიყვანა, რომ ჩვენ ვერასოდეს ვერ ავხსნით, თუ რატომ ხდება ის, რაც მოხდა ამ ცდის ჩატარების დროს – რატომ იცვლებოდა ნათურის ჩართვისა და გამორთვის შედეგად ელექტრონების შთანმთქმელ ფირფიტაზე მათი განაწილების ამსახველი მრუდი და ღებულობდა ხან მყარი ნაწილაკებისთვის, ხან კი ტალღებისთვის დამახასიათებელ სახეს.

თუკი განვიხილავთ ელექტრონების ქცევის შესასწავლად ჩატარებული ექსპერიმენტების სქემას და შედეგებს ახლებურად გავაანალიზებთ, საინტერესო შედეგს მივიღებთ.

ამ შემთხვევაში ელექტრონების წყაროდ გამოყენებულია ე.წ „ელექტრონული ქვემეხი“. იგი წარმოადგენს ლითონის კოლოფში მოთავსებულ ვოლფრამის სადენს, რომელიც თბება დენით. კოლოფის წინა წახნაგს აქვს ხვრელი. სადენზე ხდება უარყოფითი, კოლოფზე კი დადებითი ძაბვის მიყვანა. როგორც ექსპერიმენტატორები ვარაუდობენ, სადენი გაცხელების დროს გამოასხივებს ელექტრონებს, რომლებიც კოლოფის კედლების ზემოქმედებით შეიძენს სიჩქარეს და ზოგი მათგანი გაძვრება ხვრელში. ელექტრონებს აქვს გარკვეული სიჩქარე, რომლითაც ისინი გადაადგილდებიან, და როდესაც მიაღწევენ კოლოფის წინ მოთავსებულ ორხვრელიან კედელში, გაძვრებიან მასში და მივლენ დეტექტორთან, ანუ დამუხრული ნაწილაკების მრიცხველთან. შედეგად მიღებული ელექტრონების განაწილების მრუდი ინტერფერენციის ამსახველი აღმოჩნდა.

ზემოაღნიშნული ვარაუდის თანახმად, ელექტრონულ ქცემეხში ვოლფრამის სადენის გავარვარებისას, ტალღებისა და სხივების სახით გამოსხივდება სინათლე და არა ელექტრონები. ისინი წარმოიქმენიან ტალღის ქიმზე სივრცეში სინათლის გავრცელებისას და გადაადგილდებიან ამ ქიმთან ერთად. ამიტომ, მათი X ღერძის გასწვრივ განაწილების მრუდი მიიღებს ტალღის სახეს და იქნება ინტერფერენციის ამსახველი. როდესაც აღწერილი ექსპერიმენტი განმეორდა იმ განსხვავებით, რომ ნაპრალებიანსა და შთანმთქმელ კედლებს შორის მოთავსდა სინათლის ძლიერი წყარო, მან თავისი გამოსხივებით და წარმოქმნილი ელექტრონებით შთანმთქმელ კედელზე ელექტრონების განაწილების საკუთარი სურათი „დააფიქსირა“. რადგან სინათლის ტალღები არ გადიოდა ორ სხვადასხვა ნაპრალში, ისინი ინტერფერენციას არ განიცდიდნენ და მიიღებოდა არაინტერფერენციული სურათი. სინათლის მეორე წყარო პირველზე ძლიერი იყო, მან აჯობა პირველს და გადაფარა მისგან წარმოქმნილი ინტერფერენციული სურათი. გარდა ამისა, პირველ და მეორე წყაროს შორის არსებულ სივრცეში სინათლის ტალღებისა და სხივების გავრცელების მიმართულება ერთმანეთის საწინააღმდეგოა და ამიტომ, პირველივე წყაროდან გამოსულ ელექტრონებს შესაძლოა ვერც მიეღწიათ მრიცხველამდე.

ზემოთ მოცემულ ჰიპოთეზაზე დაყრდნობით შესაძლებელი გახდება სხვა ექპერიმენტების შედეგების ახსნა და სინათლის ბუნებაზე ახალი თეორიის ჩამოყალიბება.

(სტატიის სრული ვერსია შეგიძლიათ იხილოთ მ. ნოდიას გეოფიზიკის ინსტიტუტი-ს შრომებში)

ო. ლომაია

Posted in UncategorizedTagged ახალი თეორია, მეცნიერება, სინათლის ბუნება, ფიზიკაLeave a comment