Ֆիզիկան, բնության փիլիսոփայությունն ու չեզոք պիոնի կյանքի տեւողությունը
Հյուսիսային Կարոլինայի պետական համալսարանի պրոֆեսոր Աշոտ Գասպարյանի գլխավորած գիտնականների խումբը երկար տարիներ հետազոտություններից հետո կարողացել է չափել չեզոք պիոնի (π0) կյանքի տեւողությունը, ինչը գիտականորեն բարդ չափվող մեծություն է համարվում։ Այս հետազոտության մեկնարկը տրվել է Հայաստանում՝ Երեւանի ֆիզիկայի ինստիտուտում, որտեղ ժամանակին աշխատում էր Աշոտ Գասպարյանը, այնուհետեւ շարունակվել է Թոմաս Ջեֆերսոնի անվան ազգային արագացուցչային լաբորատորիայում (ԱՄՆ)՝ համախմբելով բազմաթիվ գիտնականների՝ աշխարհի տարբեր երկրներից։ Աշոտ Գասպարյանից բացի՝ հետազոտության վրա եւս երեք հայ գիտնական է աշխատել՝ Ալիխանյանի անվան ազգային գիտական լաբորատորիայի (Երեւանի ֆիզիկայի ինստիտուտ) գիտաշխատող Ալբերտ Շահինյանը, Թոմաս Ջեֆերսոնի անվան ազգային արագացուցչային լաբորատորիայից Ստեփան Ստեփանյանը եւ Հյուսիսային Կարոլինայի գյուղատնտեսական եւ տեխնիկական պետական համալսարանի պրոֆեսոր Սամվել Դանագուլյանը։
Սկիզբ առնելով սիմետրիայից
Սիմետրիան կարեւոր դեր ունի ֆիզիկայի հիմնարար տեսությունների զարգացման գործում: Դրանք ոչ պակաս կարեւոր են տարրական մասնիկների հիմնական հատկությունները հասկանալու համար: Ժամանակակից ֆիզիկայում ապացուցված է, որ ոչ միայն սիմետրիաները, այլեւ դրանց մասնակի խախտումների երեւույթները խիստ կարեւոր են բնության մեջ տեղի ունեցող ֆիզիկական գործընթացներում:
Սիմետրիայի խախտման գործընթացները զուտ քվանտային մեխանիկական երևույթի՝ Ֆիզիկական օբյեկտների (դաշտերի) միջեւ քվանտային տատանումների կամ խառնաշփոթությունների արդյունք են: Այս տատանումները քվանտային ֆիզիկայի հայտնի անորոշության սկզբունքի անմիջական հետեւանքներն են, որոնք առկա չեն բնության դասական նկարագրության մեջ:
Աստղագիտական մասշտաբով այս նոր ֆիզիկական իրականության առաջին հաջող իրագործումը տիեզերաբանության երկարամյա խնդրի հնարավոր լուծումն էր, այսպես կոչված, տեղեկատվական պարադոքսը սեւ խոռոչների շուրջ:
Ենթատոմային աշխարհում այդ քվանտային անորոշություններն առավելապես գերակշռում են՝ առաջացնելով էֆեկտներ, որոնք ուղղակիորեն դիտվում են փորձերի ժամանակ: Մասնավորապես, երկու հիմնարար սիմետրիաներն ուղղակիորեն մասնակցում են չեզոք պիոնի գոյության եւ կյանքի տեւողության մեջ:
Չեզոք պիոնը, որպես բնության մեջ ուժեղ փոխազդեցության ամենաթեթեւ քվարկային համակարգ, առավել զգայուն է այդ ազդեցությունների նկատմամբ: Առանցքային սիմետրիայի բացահայտ խախտումը, նույն քվանտային տատանումների պատճառով, բնության մեջ առաջացնում է ինտրիգային էֆեկտներից մեկը՝ այսպես կոչված քիրալային անոմալիան:
Այս նոր ֆիզիկական երեւույթի հայտնաբերումից առաջ գոյություն ունեցող տեսությունները չէին կարող բացատրել չեզոք պիոնի փորձնականորեն դիտված անսովոր կարճ կյանքը: Քիրալային անոմալիան, առաջին անգամ, ոչ միայն բացատրեց այս մասնիկի կայնքի կարճ տեւողությունը, այլեւ կանխատեսեց կյանքի տեւողությունը ֆիզիկայի մի քանի հիմնարար հաստատուններով, որոնք հնարավոր էր փորձարկել բարձր ճշգրտությամբ:
Ֆիզիկան եւ բնության փիլիսոփայությունը
«π0-ի կյանքի տեւողության չափումը ուղղակիորեն արտացոլում է բնության հետաքրքիր երեւույթներից մեկը՝ ֆիզիկայի ու մաթեմատիկայի մեջ սիմետրիայի (համաչափության) գաղափարը, որի վրա հիմնված է ամբողջ ֆիզիկական տեսությունը։ Աշխարհը ստեղծվել է բնության սիմետրիաների խախտման հիման վրա։ Աշխարհի զարգացումը կատարվել է յուրաքանչյուր սիմետրիայի մի փոքր խախտումով»,- Մեդիամաքսին տված հարցազրույցում ասել է Աշոտ Գասպարյանը։
Դասական ֆիզիկայում այդ սիմետրիայի օրենքը ենթադրվում էր, որ պետք է բացարձակ լինի։
«Քվանտային ֆիզիկայի մեջ 100 տարի առաջ Հայզենբերգի ու այլ տաղանդավոր մարդկանց կողմից ֆրուկտուացիաների (անորոշություններ) փիլիսոփայությունը մտցվեց։ Այդ սկզբունքի համաձայն՝ բնությունը կարճ ժամանակում կարող է խախտել ինչ-որ բան։ Գիտության մեջ մտցվեց անորոշության գաղափարը, որը տարբերվում էր դասական ֆիզիկայի գաղափարից։ Այն տվեց նոր ֆիզիկա, ծնեց 20-րդ դարի գիտությունը՝ քվանտային ֆիզիկան։ Հայզենբերգը հասկացավ, թե ինչպես է գործում բնությունը»,- ասել է Աշոտ Գասպարյանը։
Հետազոտության մեկնարկը՝ Երեւանում
Պիոնները մասնակցում են բոլոր հայտնի փոխազդեցություններին՝ ուժեղ, էլեկտրամագնիսական, թույլ եւ գրավիտացիոն։ Երեք անկայուն տարրական մասնիկների այս խմբի երկու մասնիկը լիցքավորված են, իսկ երրորդը՝ չեզոք։
Չեզոք պիոնը (π0) միջուկային ֆիզիկայի մեջ համեմատվում է ջրածնի ատոմի հետ, ամենապարզ ատոմն է, ինչպես ջրածինը՝ Մենդելեեւի աղյուսակում: π0-ի հատկությունները կարեւոր են ֆիզիկայում:
«Մենք այս աշխատանքը սկսեցինք անել Երեւանում, երբ երիտասարդ էինք։ Ես նոր էի ավարտել համալսարանն ու Երեւանի ֆիզիկայի ինստիտուտում էի շարունակում գիտական գործունեությունս: Մեր լաբորատորիայի թիմին հետագայում միացավ Ալբերտ Շահինյանը:
Իմ գիտական ղեկավար Ռոբերտ Պիխտիլեւի ղեկավարությամբ ենք սկսել հետազոտությունը: Այստեղ էլ եղավ առաջին հաջողությունը եւ ցույց տրվեց, որ չեզոք պիոնի կյանքի տեւողությունը կարելի է չափել, բայց ինչ-ինչ պատճառներով չհաջողվեց ճշգրտությամբ ավարտել չափումները։ Նույն գաղափարն օգտագործեցինք Ամերիկայում՝ Ջեֆերսոնի լաբորատորիայում՝ 2000 թվականից սկսած։ Այդ ժամանակ ամերիկյան կառավարությունը մեր առաջարկությունն այնքան կարեւորեց, որ տրամադրեց $1 մլն»,- պատմել է Աշոտ Գասպարյանը:
«Այս հետազոտության համար անհրաժեշտ էր պատրաստել փորձարարական սարքավորում։ Որպես փորձարարական սարքավորումների մասնագետ՝ իմ ներդրումը եղավ կալորիմետրի նախագծման աշխատանքներին անմիջական մասնակցությունն ու իմ պատրաստած սարքավորման անխափան աշխատանքի ապահովումն ամբողջ գիտափորձի ընթացքում։ Այդ կալորիմետրը մենք անվանեցինք «Հայկալ»՝ հիմքում դնելով գաղափարը, որ դա հայկական գիտական մտքի արդյունք է եւ համաշխարհային գիտության մեջ ներկայացնում է Հայաստանի եւս մեկ ներդրումը»,- ասել է Ալբերտ Շահինյանը:
Մութ ֆիզիկայից մինչեւ նոր ֆիզիկա
Գոյություն ունեցող փորձնական արդյունքները, մինչ Աշոտ Գասպարյանի ղեկավարած գիտնականների խմբի փորձը, կամ չունեին բավարար ճշգրտություն քիրալային անոմալիայի կանխատեսումը ստուգելու համար, կամ համաձայնեցված չէին դրա հետ երեք ստանդարտ շեղումների մակարդակով:
Դա վերաբերում էր այսպես կոչված «ուղղակի մեթոդին», որը համարվում էր ոլորտում կատարված առավել ճշգրիտ չափումը: Աշոտ Գասպարյանի խումբը մշակել եւ իրականացրել է փորձնական մեթոդի մի քանի էական բարելավում եւ Ջեֆերսոնի լաբորատորիայում կատարել չեզոք պիոնի կյանքի տեւողությունը չափող երկու նոր փորձ:
Science ամսագրում հրապարակված վերջնական արդյունքը, որն աննախադեպ 1,5% ընդհանուր անորոշությամբ էր, ներկայացնում է մինչ օրս այս հիմնարար մեծության առավել ճշգրիտ չափումը: Այս հետազոտության արդյունքն ուղղակի կերպով հաստատում է ուժեղ փոխազդեցությունների տեսության մեջ քիրալային անոմալիայի կանխատեսումը:
Գիտնականների այս չափման արդյունքը բերում է շատ պրակտիկ գիտական օգտագործման։
«Միջուկային եւ մասնիկների ֆիզիկայի մեջ հիմա առկա է մի մեծ խնդիր եւ շարժում՝ գտնել, թե որտեղ է նոր ֆիզիկան։ Այսպես կոչված մութ մասնիկների եւ մութ էներգիայի խնդիրը վերջին 20-30 տարում ակտուալ է եւ ավելի է զարգանում։ Մեր արդյունքը պետք է օգնի գտնել նոր ֆիզիկան»,- ասել է Աշոտ գասպարյանը:
Գիտական խումբը նախատեսում է հետագայում չափել չեզոք պիոնի հատկությունը՝ կախված որոշակի ֆիզիկական պարամետրերից, եւ այդ արդյունքն ավելի լայն կիրառությամբ պետք է օգտագործվի նոր ֆիզիկայի չափման արդյունքների մեջ։
«Հուսով եմ՝ առաջիկա 2-3 տարիներին կանենք այդ աշխատանքը: Հարցն այն է լինելու, թե, արդյոք, առկա է տարբերություն ֆիզիկական տեսության եւ բնության մեջ, թե ոչ: Եթե այդ տարբերությունը գիտնականները կարողանան տեսնել, դա նոր եւ հետաքրքրական դռներ կբացի գիտության համար»,- ասել է Աշոտ Գասպարյանը։
Մարի Թարյան
Հյուսիսային Կարոլինայի պետական համալսարանի պրոֆեսոր Աշոտ Գասպարյանի գլխավորած գիտնականների խումբը երկար տարիներ հետազոտություններից հետո կարողացել է չափել չեզոք պիոնի (π0) կյանքի տեւողությունը, ինչը գիտականորեն բարդ չափվող մեծություն է համարվում։ Այս հետազոտության մեկնարկը տրվել է Հայաստանում՝ Երեւանի ֆիզիկայի ինստիտուտում, որտեղ ժամանակին աշխատում էր Աշոտ Գասպարյանը, այնուհետեւ շարունակվել է Թոմաս Ջեֆերսոնի անվան ազգային արագացուցչային լաբորատորիայում (ԱՄՆ)՝ համախմբելով բազմաթիվ գիտնականների՝ աշխարհի տարբեր երկրներից։ Աշոտ Գասպարյանից բացի՝ հետազոտության վրա եւս երեք հայ գիտնական է աշխատել՝ Ալիխանյանի անվան ազգային գիտական լաբորատորիայի (Երեւանի ֆիզիկայի ինստիտուտ) գիտաշխատող Ալբերտ Շահինյանը, Թոմաս Ջեֆերսոնի անվան ազգային արագացուցչային լաբորատորիայից Ստեփան Ստեփանյանը եւ Հյուսիսային Կարոլինայի գյուղատնտեսական եւ տեխնիկական պետական համալսարանի պրոֆեսոր Սամվել Դանագուլյանը։
Սկիզբ առնելով սիմետրիայից
Սիմետրիան կարեւոր դեր ունի ֆիզիկայի հիմնարար տեսությունների զարգացման գործում: Դրանք ոչ պակաս կարեւոր են տարրական մասնիկների հիմնական հատկությունները հասկանալու համար: Ժամանակակից ֆիզիկայում ապացուցված է, որ ոչ միայն սիմետրիաները, այլեւ դրանց մասնակի խախտումների երեւույթները խիստ կարեւոր են բնության մեջ տեղի ունեցող ֆիզիկական գործընթացներում:
Սիմետրիայի խախտման գործընթացները զուտ քվանտային մեխանիկական երևույթի՝ Ֆիզիկական օբյեկտների (դաշտերի) միջեւ քվանտային տատանումների կամ խառնաշփոթությունների արդյունք են: Այս տատանումները քվանտային ֆիզիկայի հայտնի անորոշության սկզբունքի անմիջական հետեւանքներն են, որոնք առկա չեն բնության դասական նկարագրության մեջ:
Աստղագիտական մասշտաբով այս նոր ֆիզիկական իրականության առաջին հաջող իրագործումը տիեզերաբանության երկարամյա խնդրի հնարավոր լուծումն էր, այսպես կոչված, տեղեկատվական պարադոքսը սեւ խոռոչների շուրջ:
Ենթատոմային աշխարհում այդ քվանտային անորոշություններն առավելապես գերակշռում են՝ առաջացնելով էֆեկտներ, որոնք ուղղակիորեն դիտվում են փորձերի ժամանակ: Մասնավորապես, երկու հիմնարար սիմետրիաներն ուղղակիորեն մասնակցում են չեզոք պիոնի գոյության եւ կյանքի տեւողության մեջ:
Չեզոք պիոնը, որպես բնության մեջ ուժեղ փոխազդեցության ամենաթեթեւ քվարկային համակարգ, առավել զգայուն է այդ ազդեցությունների նկատմամբ: Առանցքային սիմետրիայի բացահայտ խախտումը, նույն քվանտային տատանումների պատճառով, բնության մեջ առաջացնում է ինտրիգային էֆեկտներից մեկը՝ այսպես կոչված քիրալային անոմալիան:
Այս նոր ֆիզիկական երեւույթի հայտնաբերումից առաջ գոյություն ունեցող տեսությունները չէին կարող բացատրել չեզոք պիոնի փորձնականորեն դիտված անսովոր կարճ կյանքը: Քիրալային անոմալիան, առաջին անգամ, ոչ միայն բացատրեց այս մասնիկի կայնքի կարճ տեւողությունը, այլեւ կանխատեսեց կյանքի տեւողությունը ֆիզիկայի մի քանի հիմնարար հաստատուններով, որոնք հնարավոր էր փորձարկել բարձր ճշգրտությամբ:
Ֆիզիկան եւ բնության փիլիսոփայությունը
«π0-ի կյանքի տեւողության չափումը ուղղակիորեն արտացոլում է բնության հետաքրքիր երեւույթներից մեկը՝ ֆիզիկայի ու մաթեմատիկայի մեջ սիմետրիայի (համաչափության) գաղափարը, որի վրա հիմնված է ամբողջ ֆիզիկական տեսությունը։ Աշխարհը ստեղծվել է բնության սիմետրիաների խախտման հիման վրա։ Աշխարհի զարգացումը կատարվել է յուրաքանչյուր սիմետրիայի մի փոքր խախտումով»,- Մեդիամաքսին տված հարցազրույցում ասել է Աշոտ Գասպարյանը։
Դասական ֆիզիկայում այդ սիմետրիայի օրենքը ենթադրվում էր, որ պետք է բացարձակ լինի։
«Քվանտային ֆիզիկայի մեջ 100 տարի առաջ Հայզենբերգի ու այլ տաղանդավոր մարդկանց կողմից ֆրուկտուացիաների (անորոշություններ) փիլիսոփայությունը մտցվեց։ Այդ սկզբունքի համաձայն՝ բնությունը կարճ ժամանակում կարող է խախտել ինչ-որ բան։ Գիտության մեջ մտցվեց անորոշության գաղափարը, որը տարբերվում էր դասական ֆիզիկայի գաղափարից։ Այն տվեց նոր ֆիզիկա, ծնեց 20-րդ դարի գիտությունը՝ քվանտային ֆիզիկան։ Հայզենբերգը հասկացավ, թե ինչպես է գործում բնությունը»,- ասել է Աշոտ Գասպարյանը։
Հետազոտության մեկնարկը՝ Երեւանում
Պիոնները մասնակցում են բոլոր հայտնի փոխազդեցություններին՝ ուժեղ, էլեկտրամագնիսական, թույլ եւ գրավիտացիոն։ Երեք անկայուն տարրական մասնիկների այս խմբի երկու մասնիկը լիցքավորված են, իսկ երրորդը՝ չեզոք։
Չեզոք պիոնը (π0) միջուկային ֆիզիկայի մեջ համեմատվում է ջրածնի ատոմի հետ, ամենապարզ ատոմն է, ինչպես ջրածինը՝ Մենդելեեւի աղյուսակում: π0-ի հատկությունները կարեւոր են ֆիզիկայում:
«Մենք այս աշխատանքը սկսեցինք անել Երեւանում, երբ երիտասարդ էինք։ Ես նոր էի ավարտել համալսարանն ու Երեւանի ֆիզիկայի ինստիտուտում էի շարունակում գիտական գործունեությունս: Մեր լաբորատորիայի թիմին հետագայում միացավ Ալբերտ Շահինյանը:
Իմ գիտական ղեկավար Ռոբերտ Պիխտիլեւի ղեկավարությամբ ենք սկսել հետազոտությունը: Այստեղ էլ եղավ առաջին հաջողությունը եւ ցույց տրվեց, որ չեզոք պիոնի կյանքի տեւողությունը կարելի է չափել, բայց ինչ-ինչ պատճառներով չհաջողվեց ճշգրտությամբ ավարտել չափումները։ Նույն գաղափարն օգտագործեցինք Ամերիկայում՝ Ջեֆերսոնի լաբորատորիայում՝ 2000 թվականից սկսած։ Այդ ժամանակ ամերիկյան կառավարությունը մեր առաջարկությունն այնքան կարեւորեց, որ տրամադրեց $1 մլն»,- պատմել է Աշոտ Գասպարյանը:
«Այս հետազոտության համար անհրաժեշտ էր պատրաստել փորձարարական սարքավորում։ Որպես փորձարարական սարքավորումների մասնագետ՝ իմ ներդրումը եղավ կալորիմետրի նախագծման աշխատանքներին անմիջական մասնակցությունն ու իմ պատրաստած սարքավորման անխափան աշխատանքի ապահովումն ամբողջ գիտափորձի ընթացքում։ Այդ կալորիմետրը մենք անվանեցինք «Հայկալ»՝ հիմքում դնելով գաղափարը, որ դա հայկական գիտական մտքի արդյունք է եւ համաշխարհային գիտության մեջ ներկայացնում է Հայաստանի եւս մեկ ներդրումը»,- ասել է Ալբերտ Շահինյանը:
Մութ ֆիզիկայից մինչեւ նոր ֆիզիկա
Գոյություն ունեցող փորձնական արդյունքները, մինչ Աշոտ Գասպարյանի ղեկավարած գիտնականների խմբի փորձը, կամ չունեին բավարար ճշգրտություն քիրալային անոմալիայի կանխատեսումը ստուգելու համար, կամ համաձայնեցված չէին դրա հետ երեք ստանդարտ շեղումների մակարդակով:
Դա վերաբերում էր այսպես կոչված «ուղղակի մեթոդին», որը համարվում էր ոլորտում կատարված առավել ճշգրիտ չափումը: Աշոտ Գասպարյանի խումբը մշակել եւ իրականացրել է փորձնական մեթոդի մի քանի էական բարելավում եւ Ջեֆերսոնի լաբորատորիայում կատարել չեզոք պիոնի կյանքի տեւողությունը չափող երկու նոր փորձ:
Science ամսագրում հրապարակված վերջնական արդյունքը, որն աննախադեպ 1,5% ընդհանուր անորոշությամբ էր, ներկայացնում է մինչ օրս այս հիմնարար մեծության առավել ճշգրիտ չափումը: Այս հետազոտության արդյունքն ուղղակի կերպով հաստատում է ուժեղ փոխազդեցությունների տեսության մեջ քիրալային անոմալիայի կանխատեսումը:
Գիտնականների այս չափման արդյունքը բերում է շատ պրակտիկ գիտական օգտագործման։
«Միջուկային եւ մասնիկների ֆիզիկայի մեջ հիմա առկա է մի մեծ խնդիր եւ շարժում՝ գտնել, թե որտեղ է նոր ֆիզիկան։ Այսպես կոչված մութ մասնիկների եւ մութ էներգիայի խնդիրը վերջին 20-30 տարում ակտուալ է եւ ավելի է զարգանում։ Մեր արդյունքը պետք է օգնի գտնել նոր ֆիզիկան»,- ասել է Աշոտ գասպարյանը:
Գիտական խումբը նախատեսում է հետագայում չափել չեզոք պիոնի հատկությունը՝ կախված որոշակի ֆիզիկական պարամետրերից, եւ այդ արդյունքն ավելի լայն կիրառությամբ պետք է օգտագործվի նոր ֆիզիկայի չափման արդյունքների մեջ։
«Հուսով եմ՝ առաջիկա 2-3 տարիներին կանենք այդ աշխատանքը: Հարցն այն է լինելու, թե, արդյոք, առկա է տարբերություն ֆիզիկական տեսության եւ բնության մեջ, թե ոչ: Եթե այդ տարբերությունը գիտնականները կարողանան տեսնել, դա նոր եւ հետաքրքրական դռներ կբացի գիտության համար»,- ասել է Աշոտ Գասպարյանը։
Մարի Թարյան