Kvant fizikasining tug‘ilgan kuni

14-dekabr zamonaviy va mumtoz fizika o‘rtasida aniq chegara o‘tkazilgan sana hisoblanadi. Ya’ni bu kun — kvant fizikasining tavallud kunidir. 1900 yilning 14-dekabr sanasida buyuk olmon olimi Maks Plank (1858-1947) Berlin fizika institutining navbatdagi majlisida ishtirok etdi va nutq so‘zladi. o‘sha kuni uning nutqida fizik olimlar o‘zlariga notanish so‘z bo‘lgan «kvant» so‘zini ilk bora eshitib bir-birlariga xayron qarashgandi. Shu tarzda ilm-fan uchun tamomila yangi olam — kvant dunyosi eshiklari ochilgan edi. Jahon ilmiy jamoatchiligi bu yil 14-dekabr sanasida kvant nazariyasining 115-chi yubileyni nishonlamoqda.

Plank aslida mutlaqo yangi fan sohasini barpo qilishni o‘ziga maqsad qilgan emasdi. U aslida mumtoz fizika sohasining qonunlari orqali aniq bir masalaning aniq bir xususiy holini tekshirmoqchi edi. U mutlaq qora jism deb ataluvchi faraziy qattiq jism modelini tadqiq qilgan. Bunday qora jism nazariy jihatdan qaralganda, o‘zining sovuq holatida sirtiga kelib tushayotgan barcha nurlanishlarni yutishi, qiziganda esa, o‘zidan barcha diapazonda nurlanish taratishi lozim edi. Plankkacha ham qora nurlanish nazariyasini barpo qilishga bo‘lgan urinishlar ko‘p uchragan, lekin ularning barchasi oqibatda barbod bo‘lgan edi. Qisqa to‘lqinli nurlanishlar sohasini o‘ta aniqlik bilan bayon qiluvchi formulalar (masalan Vin formulasi) uzun to‘lqinli nurlanishlar sohasiga tadbiq qilinganida nihoyatda beo‘xshov xatoliklar berardi. Va aksincha, uzun to‘lqinli nurlanishlar sohasini mufassal bayon qiluvchi formula (Reley-Jins formulasi) qisqa to‘lqinli nurlanishlar sohasi uchun umuman yaramas edi.

 

Plank ushbu formulalarini umumlashtirib, elektromagnit nurlanishlarning hamma sohasi uchun umumiy bo‘lgan tenglamani keltirib chiqarishni maqsad qiladi. U empirik yo‘ldan borib, muayyan haroratda, nurlanish energiyasining to‘lqin uzunligiga bo‘lgan nisbatini katta aniqlik bilan o‘lchash orqali izlanishga kirishdi. Uzoq va mashaqqatli izlanishlardan so‘ng Plank shunday ixcham va mukammal formulani olishga muvaffaq bo‘ladi. Lekin bu formula olim oldiga katta bir shart qo‘ymoqda edi: unga (formulaga) ko‘ra xulosa qilinsa qora jismning nurlanishi, shu choqqacha amalda bo‘lgan mumtoz fizika uqtirganidek, uzluksiz ravishda sodir bo‘lishi mumkin emas ekan. Aksincha, qora jismning nurlanishi diskret ravishda, ya’ni, alohida-alohida bo‘laklar (porsiyalar) ko‘rinishida taralar ekan. Shunday nurlanish porsiyasining birlik qiymatini (ya’ni, bir porsiya nurlanishni) Maks Plank «kvant« deb nomladi. Kvant — lotin tilidagi «quantum«, ya’ni, «qancha?« degan ma’noni anglatadi. Shu tarzda Plank fizika fanini tamomila yangi o‘zanga burib yubordi.

1900 yilning 14-dekabr sanasida u Berlin fizika jamiyati oldida ma’ruza qilar ekan, o‘zi olib borgan ushbu tadqiqotlar va uning xulosalari haqida hamkasblariga g‘alati hissiyot bilan axborot berdi. U o‘zi ham arang anglab yetgan bunday ziddiyatli xulosani, hamma ko‘nikib qolgan eski fizik tushunchalar asosida bayon qila olmasligini yaxshi bilardi va olim hamkasblarining ham uning bayonotining mohiyatini tushunmay qolishlaridan xavotirda edi. Kvant g‘oyasini ham u shunchaki matematik uslub deb qarashni tavsiya qilgan. Plank o‘z davrining mashhur fizik olimi AQSHlik Robert Vudga shunday yozgan edi:

Bu avvalo shunchaki gipoteza bo‘lib, maqsad nima bo‘lganda ham ijobiy natijaga erishish edi… Maks Plank avvaliga o‘zining amalga oshirgan ushbu inqilobiy kashfiyotiva nazariyasiga o‘zi ham ishonqiramay qaragan. o‘zi bayon etgan ushbu ilmiy ishga nisbatan bo‘lgan tanqidlarni ham to‘g‘ri qabul qilib, keyinchalik o‘zi ham o‘z g‘oyasining keskin tanqidchilari qatoridan joy olgan. Lekin u har qanday ilmiy g‘oyani istalgan olim bilan batafsil muhokama qilishga qodir, ochiq fe’lli va tabiatan o‘ta sinchkov inson bo‘lganidan, aytilgan tanqidlarni ham avvalo tahlil qilib chiqar, bu boradagi har qanday muhokama va fikrlarni xushnudlik bilan qarshi olardi. Biroq u kvant sohasida tekshiruv boshlamoqchi bo‘lgan yosh olim hamkasblariga bu borada chuqurlashmaslikni tavsiya qilgan holatlari ham bo‘lgan. Aytaylik Plankning akademik Ioffega aynan shunday maslahat bergani ma’lum. Balki u shunchaki, bunday g‘ayritabiiy g‘oyaning oxiri puch yong‘oq bo‘lib chiqishi ehtimolidan cho‘chigandir…

Ammo, oradan atiga 5 yil o‘tib, olmon ilm-fani olamida porlab chiqayotgan yangi yulduz, keyinchalik fan tarixidagi eng buyuk olimlar qatoriga kirgan mashhur fizik Albert Eynshteyn, kvant gipotezasini fotoeffekt hodisasiga tadbiq etish bilan ilm-fanda navbatdagi to‘ntarishni amalga oshirdi. o‘sha yillari fiziklar yorug‘lik hodisalari bilan bog‘liq g‘alati bir qonuniyatni payqab qolishgandi: jism sirtiga kelib tushayotgan yorug‘lik ta’sirida jismdan uchib chiqib ketayotgan elektronlarning tezligi yorug‘likning intensivligi (jadalligi) ga bog‘liq emas ekan; aksincha uchib chiquvchi elektronlarning tezligini kelib tushayotgan yorug‘likning chastotasi belgilar ekan. Mumtoz elektrodinamika qonunlari va qarashlari orqali bu hodisani tushuntirish mushkul (deyarli imkonsiz) narsa edi. Lekin Plankning yangi nazariyasi — kvantlar haqidagi g‘oyani tadbiq qilinsa, fotoeffekt nihoyatda jo‘n tushuntiriladigan jarayonga aylanardi. Eynshteyn fotoeffekt hodisasini kvant gipotezasi orqali tushuntirar ekan, porsiyalar ko‘rinishida mavjud bo‘luvchi jarayon aslida yorug‘lik nurlanishining yutilishi va tarqalishigina emas ekanligini, balki, nurlanishning aynan o‘zi ham alohida obyektlar tarzida — yorug‘lik kvantlari ko‘rinishida mavjud bo‘lishini taxmin qildi.

Kvant g‘oyasi favqulodda sermahsul bo‘lib chiqdi. 1913-yilda Daniyalik mashhur olim Nils Bor elektronlar orbitalarini kvant g‘oyasi asosida tahlil qilish orqali atom nazariyasini barpo qildi. 11 yil o‘tib esa farang olimi Lui de Broyl umumiy korpuskulyar-to‘lqin dualizmi haqidagi g‘oyani ilgari surdi. Unga ko‘ra istalgan zarracha aslida bir vaqtning o‘zida to‘lqin ham ekanligi ma’lum bo‘ldi. De Broyl g‘oyasining amaliy tasdiqni ilm-fan 1927-yilga kelib guvoh bo‘ldi. o‘sha yili tarixda ilk bor fiziklar elektronlarning difraksiyasini, ya’ni, sof to‘lqin hodisasini kuzatishga muvaffaq bo‘lishgandi. Bundan atiga bir yil avval esa, Avstriyalik olim Ervin Shryodinger bunday to‘lqinlarning xossalarini bayon qiluvchi tenglamani keltirib chiqargan, Germaniyalik Maks Born esa bu tenglama va hodisa uchun statistik-ehtimoliylik talqinini bayon qilgandi.

Bornning g‘oyasining mohiyati shunday: istalgan to‘lqin fazoda cheksiz tarqalishi tufayli, har bir zarrachani ham fazoning istalgan joydan topish mumkin, lekin fazoning turli qismlarida muayyan zarrachani topish ehtimolligi turlicha. Bu fikr esa, fiziklar uchun olamni aslida ayni vaqtda o‘ta aniq, shu bilan birga ehtimoliylik nuqtai nazaridan idrok qilish kerakligi haqidagi masalani ko‘ndalang qo‘ydi.

Bunday ketma-ket qayd etilgan olamshumul ilmiy kashfiyot va gipotezalar olimlarni borgan sari boshi berk ko‘chaga olib kirayotgandek edi. Uning ayrim faktlari bilan murosa qilish, ayrim yaqqol ochiq-ravshan bo‘lib yuzaga kelgan, lekin eski fizika qolipiga tushmaydigan tushunchalarni tan olish fiziklar uchun haqiqiy sinovga aylandi. Nils Borning shogirdi bo‘lgan mashhur nazariyotchi fizik Xendrik Kramers shunday yozgan edi: «Kvant fizikasi va mexanikasi yolg‘on g‘alabaga o‘xshaydi: avval siz g‘olib bo‘lgandek tuyulaveradi va siz ikki oycha g‘oliblikdan sarmast yurasiz; keyin esa aslida sizni kiydirib ketishganini anglaysiz va yillab yig‘lab yurasiz…«

Bunga javoban Shryodinger ham shunday xitob qilgan: «Agar ushbu la’nati kvant sakrashlari fizikada hali-beri qoladigan bo‘lsa, men endi hayotimni fizika bilan bog‘laganimga afsus qilib yursam kerak«. Eynshteyn esa bularga javoban juda kuchli o‘xshatish keltiradi: «Sen (Shryodingerni aytapti) tuyaqushga o‘xshaysan, yaramas kvantlarni ko‘rmaslik uchun kallangni qumga tiqib olgansan«. Maks Bornga yo‘llagan xatida esa, «Kvant mexanikasi so‘zsiz hurmatga loyiq, lekin qandaydir ichki ovoz menga buni noto‘g‘ri ekanini aytmoqda… Nima bo‘lganda ham, Xudoning ishlari o‘yin emas…« deb yozgan.

Ko‘rib turibmizki, Plankning kvant nazariyasi dunyoga kelgach, dastlabki chorak asr davomida fizik olimlar orasida nihoyatda xilma-xil munosabatlarga uchragan. Shunga qaramay u borgan sari alohida fan sifatida shakllanib, tiklanib bordi. Kvant mexanikasi juda tez sur’atlar bilan fizika sohasining deyarli hamma jabhalarini qamrab oldi. U orqali fizik hodisalarning nihoyatda keng doirasini muvaffaqiyat bilan ilmiy asoslab tushuntirish va bayon qilish imkoniyatlari ochildi. Mumtoz fizika qolipiga sig‘magan ko‘plab hodisalar kvant mexanikasi vositasida yengil tahlil qilinadigan ko‘rinishga keldi. Kvant nazariyasi orqali fizikada yana ko‘plab yangi ilmiy yo‘nalishlar, gipoteza va nazariyalar vujudga keldi. Xususan, atom spektrlari nazariyasi, kimyoviy bog‘lanish nazariyasi, molekulalar tuzilishi, ferromagnetizm sohalarini shu jumlaga kiritish mumkin. Va albatta, kvant mexanikasisiz elementlar zarralar fizikasini tasavvur ham qilib bo‘lmaydi.

Elementlar zarrachalar ichida eng birinchi bo‘lib elektron kashf etilgan edi: 1897-yilda J.J. Tomson o‘z ilmiy ishi orqali shuni ko‘rsatib berdiki — anchadan beri fanga ma’lum katod nurlari aslida elektron oqimi ekan. 1911-yilda ingliz olimi Ernest Rezerford yupqa metall folgani alfa-zarralar bilan bombardimon qilar ekan, atom markazida musbat zaryad mavjud ekanligi haqidagi xulosaga keladi. Yetti yil o‘tib esa aynan uning o‘zi protonlarni «tutishga« muvaffaq bo‘ldi. Yadro tarkibiga kiruvchi yana bir zarrachani 1932-yilda Jon Chedvik kashf qildi.

Kashf qilinayotgan elementlar zarrachalar soni tezlik bilan o‘sib bordi. Ularni «elementar« deb atash esa faqatginaan’anatariqasida saqlanib qoldi xolos. Sababi, ularning aksar qismi juda murakkab tuzilishga ega bo‘lib, o‘z navbatida yanada kichik zarrachalarga bo‘linadi. Ularning xossalari esa aynan kvant fizikasi yordamida aniqlanadi va o‘rganiladi. Kvant fizikasi, umuman olganda mikrodunyo hodisalarini o‘rganishda esa mumtoz fizikaga oid tushunchalar va qonunlar mutlaq to‘g‘ri kelmaydi. Bir so‘z bilan aytgan kvant olami — biz ko‘nikib qolgan olam bilan umuman taqqoslab bo‘lmaydigan o‘ziga xos anitqa olamdir. Shu sababli ham ushbu olamga taalluqli obyektlarga — kvant zarrachalariga «g‘alati«, «maftun«, «rang», «xushbo‘y«, «ko‘rkam« kabi nomlarni berishga to‘g‘ri keldi. Ta’kidlash joiz, bu nomlarning birortasining ham, o‘zining til-adabiyot lug‘atlaridagi an’anaviy ma’nolariga mutlaqo aloqasi yo‘q. Ya’ni, kvant fizikasi sohasida bu atamalar umuman boshqa mohiyat kasb etadi.

Haqiqiy ma’nodagi «asl elementar«, strukturasiz (qismlarga bo‘linmas) zarrachalar sifatida hozirda 16 zarracha tan olinadi. ulardan 13 tasining o‘z antizarrasi mavjud. Olti xil kvarklarni antikvarklar bilan turli tartibda o‘zaro birlashishidan protonlar, neytronlar va boshqa zarrachalar (adronlar) hosil bo‘ladi. Kvarklar haqidagi gipoteza ilk bora 1964-yilda AQSHlik fiziklar Myurrey Gell-Mann va undan mustaqil ravishda Jorj Tsveyg tarafidan ma’lum qilingan edi. Hozircha so‘ngi bo‘lib turgan kvarkni esa 1994 yilda kashf etishdi.
Elementar zarrachalardan yana oltitasi leptonlar deyiladi. Ularga elektron, myuon va taonlar mansabdir. Aynan ushbu zarrachalar bilan, mikrodunyoning eng sirli obyekti — neytrino bog‘liqdir.

Neytrinoning har qanday muhitdan o‘ta olishdek fenomenal xossasi, zaryadning mavjud emasligi va favqulodda kichik massasi tufayli, u juda uzoq yillar mobaynida fizik olimlar uchun tutqich bermas qahramon sifatida gavdalangandi. XX asrning so‘nggi yilida ham, neytrinoning tabiatda haqiqatan mavjudligi haqida faqat bilvosita belgilar orqali taxmin qilinardi. Faqatgina 2000 yil iyul oyiga kelibgina uni, Chikago yaqinidan joylashgan Xalqaro Fermi laboratoriyasida, «DONUT Collaboration« usuli orqali amalda «ushlash«ga muvaffaq bo‘lindi.

So‘nggi to‘rtta zarrachalar esa o‘zaro ta’sirlarni tashuvchilar hisoblanadi. Zamonaviy fizikada o‘zaro ta’sirlarning to‘rt turi mavjud deb qaraladi. Bilar: gravitatsion o‘zaro ta’sir, elektromagnit o‘zaro ta’sir, hamda, kuchli va kuchsiz o‘zaro ta’sirlardir. Bu ro‘yxatda gravitasiya oti qashqasidek turadi. Chunki u shunchalik kuchsizki, mikrodunyoga oid jarayonlarda gravitasiya amalda deyarli ishtirok etmaydi. Elektromagnit o‘zaro ta’sirni fotonlar tashiydi. Kuchli o‘zaro ta’sir vositasida zarrachalar ichida kvarklar glyuonlar bilan birlashadi. Zarrachalar orasidagi kuchsiz o‘zaro ta’sirni esa, W- hamda, Z-bozonlar amalga oshiradi.

Hozirgi zamon fiziklarining yakdil e’tirofiga ko‘ra, qachonlardir, koinot yaratilgan ilk paytlarda ushbu o‘zaro ta’sirlarning barchasi yagona universial o‘zaro ta’sir kuchi bo‘lgan bo‘lishi mumkin. To‘rtala o‘zaro ta’sirni yagona nazariya ostida birlashtirib, umumiy nazariya (ba’zilar uni tugal nazariya ham deyishadi) ostida birlashtirishga bo‘lgan urinishlar hozircha muvaffaqiyatsizlikka uchramoqda. Hozirgi paytda faqatgina ulardan ikkitasi — elektromagnit o‘zaro ta’sir va kuchsiz o‘zaro ta’sir nazariyalarini umumlashtirib, elektrokuchsiz o‘zaro ta’sir nazariyasini barpo etishga erishildi xolos. Fiziklarning bu boradagi eng katta muvaffaqiyati esa, hozirda Standart model deb nomlanadigan va mikrodunyoning bir qadar tugal manzarasini ifodalovchi nazariyot bo‘lib turibdi. U uch xil (elektromagnit, kuchli va kuchsiz) o‘zaro ta’sirlarni umumiy ravishda bayon qilish imkonini beradi. Standart model tamoyillariga qarama-qarshi keladigan birorta ham tajriba yoki fizik hodisa hozircha aniqlanmagani, bu modelning to‘g‘ri ekanligiga ishora sifatida qaralmoqda.

Ta’kidlash joizki, hozirgi paytda materiyaning ichkarisiga kirib borishga qaratilgan fizik tajribalar birmuncha sustlashgan. Sababi zarrachalar tezlatkichi deb nomlanuvchi kollayder apparatlarning hozirgi rivojlanish darajasi talab darajasida emas. Bu boradagi izlanishlarni olib borish uchun nihoyatda ulkan energiya sarflash zarur bo‘ladi va bunday ulkan miqdordagi energiyani Yer sharoitida hosil qilish benihoya murakkab va mushkul ishdir. Shunga qaramay, dunyoning yetakchi fizika tadqiqotlari institutlari va laboratoriyalarida qudratli tezlatkichlarni qurish va ularda kvant olami hodisalari — elementlar zarralar tabiati bilan bog‘liq tajribalar o‘tkazish davom etmoqda. Fransiya va Sheytsariya chegarasida joylashgan Katta Adron Kollayderi (KAK), AQSHdagi Brukkxeven kollayderi shular jumlasidandir. Bu ilmiy dargohlar yaqin yillarda Plankdan ibtido olgan kvant fizikasi olamini yanada yangi kashfiyotlar bilan boyitishda davom etishi shubhasizdir.

Saytimizdan tavsiya: kvant nazariyasiga oid elektron kitobni yuklab oling:

 

---