ფიზიკა – მეცნიერება მოდელების შესახებ

“ოცნებობენ ფიზიკოსები სფერულ ძროხებზე ვაკუუმში?” 

ასეთი კურიოზით დავიწყებ: ერთ ფერმაში ძროხები აღარ იწველებიან. გაგიჟდნენ. დაუძახეს ინჟინრებს და ფიზიკოსებს, გვიშველეთო. ორ კვირაში ინჟინრებმა ელექტრული ძროხები მიიყვანეს ფერმაში, რომლებიც 3.1-ჯერ უფრო მეტს იწველიდნენ (შეიძლება ოდნავ მეტსაც). სამ თვეში მივიდნენ ფიზიკოსები და მოახსენეს ფერმერებს, თქვენი პრობლემა გადავჭერით, ოღონდ სფერული ძროხებისთვის ვაკუუმშიო.1https://en.wikipedia.org/wiki/Spherical_cow

რა ქნეს აქ ფიზიკოსებმა? თქვენ იტყვით, არც არაფერი კარგიო. მე შეგეწინააღმდეგებით! ცხადია, ამ შემთხვევიდან მშვენიერი ამბავი გამოვიდა მოსაყოლად. ასეც ხდება ხოლმე მეცნიერებაში: დღეს კვერცხი გაქვს, კი გინდა, მაგრამ უტაფოდ ხარ. ხვალ კიდევ – ჰოპ და ქათამი. მერე კიდევ უფრო ბევრი კვერცხი… მეცნიერებაში იქმნება თეორიები, რომლებიც, ერთი შეხედვით, შემქმნელის და მისი მეგობრების გარდა არც არავის ანაღვლებს, თუმცა, საბოლოოდ, ხშირად მაინც ჰპოვებენ ისინი გამოყენებას, თუნდაც კურიოზულ შემთხვევად.

და მაინც, რა ქნეს აქ ფიზიკოსებმა? პირდაპირი მნიშვნელობით თუ გავიგებთ, მათ შემოგვთავაზეს პრობლემის გადაჭრა გარკვეულ პირობებში. მათ შექმნეს წარმოსახვითი სამყარო, სადაც ძროხები სფერულები არიან და რაც მთავარია – ვაკუუმში. აი, მაგ სამყაროში, მათ შეუძლიათ გადაჭრან ძროხების მოწველის პრობლემა. ზუსტად ისე, როგორც სულ პირველ სტატიაში მოგახსენეთ, ფიზიკოსებმა მოვალეობისამებრ შეასრულეს თავიანთი მთავარი მიზანი (ნუ დავკონკრეტდებით რამდენად კარგად) – მათ აღწერეს ბუნება!

სანამ განუყოფელს გავყოფდით და უმცირეს ზომებში ჩავიდოდით, ვისაუბრებდით თვალით უხილავ, თითქოს ხელშეუხებელ ელექტრონებზე ან ხილულ, მაგრამ შორეულ, უზარმაზარ ვარსკვლავებზე, არისტოტელეს დროს, ყველაფერი ბუნებაზე დაკვირვებით დაიწყო.

მაგ დროიდან მეტ-ნაკლებად სწორი ინტერპრეტაციებით იწყება ჩვენი დაკვირვების შედეგის ახსნა, მაგრამ მნიშვნელობა არ აქვს, რამდენად სწორი იყო ვიღაც ბერძენი (პლატონი), როდესაც ამბობდა, ადამიანი უბუმბულო ორფეხოსანიაო ან რამდენად სწორად გააბათილებდა მის დებულებას გაპუტული ქათამი.

თუმცა, ცხადია, აღწერილი მნიშვნელოვანია და, აი, რატომ: გვაქვს შემდეგი ემპირიული მოცემულობა, არსებობს სამყარო და მასში – ადამიანები. ამ სამყაროში კი ადამიანის გონებას უნდა დაინახოს გარკვეული წესრიგი. ის ცდილობს დაადგინოს, სამყაროს რა ნაწილში ჯდება ადამიანი. უფრო ზუსტად, ის გვთავაზობს გარკვეულ მოდელს, რომელშიც საეჭვოდ, თუმცა გარკვეული წარმატებით, ახსნილია თუ რა არის ადამიანი.

კიდევ უფრო მნიშვნელოვანია ამ დებულების გამტყუნება, რაც ცხადყოფს იმას, რომ “უბუმბულო ორფეხოსანის” დებულება არ არის აღქმული როგორც ცხადი და ზოგადი ჭეშმარიტება. არა, მოდელი შეიძლება გამტყუნდეს. ის უბრალოდ მოდელია, რომელიც დაკვირვებიდან გამომდინარე აღწერს ბუნებას.

საკმარისია ერთი უბუმბულო ქათამი, განსხვავებული დაკვირვება ბუნებაში, რომ მოდელი გამცდარდეს. თუმცა, მეცნიერებაში ყველაფერი ასე არ მთავრდება, ხდება არსებული მოდელის დახვეწა, ოდნავი შეცვლა, პირობების დამატება და დიახ, თავის დროზე, ზემოთ მოყვანილ მოდელს დაემატა პირობა – „ბრტყელფრჩხილებიანი“. გენიოსი იყო პლატონი.

დიოგენე პლატონს: “იხილეთ, კაცი!!!” 2https://www.laphamsquarterly.org/animals/miscellany/plato-and-diogenes-debate-featherless-bipeds

ამგვარად, მეცნიერების საფუძველი უნდა ვეძებოთ ადამიანის სურვილში, გადაიწეროს ყველანაირი ინფორმაცია მისთვის აღქმად ერთეულებში. როდესაც პირველყოფილ ადამიანს არ ჰქონდა წარმოდგენა, როდის მოდიოდა წვიმა, როდის დაუბერავდა ქარი და დააჭერდა მზე, ის თხოვდა და მიაწერდა პირველს წყალს, მეორეს – სუნთქვას და მესამეს – ცეცხლს. შემდეგ, როდესაც არ გვქონდა წარმოდგენა, რანაირად ღამდებოდა და თენდებოდა, მოვიგონეთ ჰელიოსი, აპოლონი, რა და რა აღარ… რითია ჰელიოცენტრულ მოდელზე ნაკლები მზის ეტლით ბოდიალი? რატომაც არ შეიძლება იყოს ის მეცნიერული მოდელი?

თავის დროზე მითოლოგია მართლაც ითავსებდა სამყაროს წყობის ახსნას, თუმცა ჩვენს კულტურებში ნელ-ნელა იხვეწება მოდელების მიმართ მოთხოვნა, ისინი სულ უფრო და უფრო “ლოგიკურად” გამართული უნდა იყოს. ბოლოს და ბოლოს, სისულელეა მზის ეტლით ტარება, ის თავისით ბრუნავს დედამიწის გარშემო. ესეც ხომ მოდელია, როგორ უნდა გაამტყუნო? როგორ და ისევ ექსპერიმენტით. დააკვირდები ვარსკვლავებს, მთვარეს, ათას რაღაცას და ნახავ, რომ არც ისე ჭკვიანურია ბრტყელი დედამიწა და მის გარშემო მორბენალი მზე.

რთულად, მაგრამ რაღაც ეტაპზე კაცობრიობა აანალიზებს, რომ სამყაროს შესახებ ჩვენი შეხედულებები არ არის მაინცდამაინც ჭეშმარიტი. არსებობს სამყარო და არავინ იცის ზუსტად, როგორია ის. ჩვენ რაღაცნაირად აღვიქვამთ მას, თუმცა არ გვაქვს გარანტია, რომ ჩვენი აღქმა (ჩატარებული ექსპერიმენტი) აბსოლუტურად ზუსტად ასახავს სამყაროს (როგორც იტყვიან: ვერ ვხედავთ სამყაროს თავისთავადს). იქნებ, შედეგი, რომელსაც პირობითად ელექტრონის “ფერხორციანობას” მივაწერ, სინამდვილეში მისი “მოწიფულობიდან” მოდიოდეს? ამ შეუცნობელის წინაშე ვცდილობთ „აზრი“ მივანიჭოთ ყველაფერს და ჩვენთვის მისაღებად ვხსნით მოვლენებს – ვქმნით მოდელებს.

ბოლოს და ბოლოს, რატომ უნდა ვიყოთ დარწმუნებული, რომ ნიუტონის სამივე კანონი უნივერსალურია ან აუცილებლად ჭეშმარიტი? კი, ამას გვიდასტურებს ყოველი ექსპერიმენტი და კიდევ, კი, ამას ძალიან ცხადად ვგრძნობთ ინტუიციით, მაგრამ ხომ შეიძლება, სამყარო ისეთი იყოს, დღეს, დილის ოთხ საათზე, ნიუტონის მეორე კანონში აჩქარების წინ რომ მასის კოეფიციენტი ზის (ჩვენი საყვარელი \(\vec{F}=m\vec{a} \) ) დროზე აღმოჩნდეს დამოკიდებული? იქნებ სულაც სხვა, რაღაც უფრო ფუნდამენტურის გამო ხდება ყველაფერი ისე, როგორც ჩვენ ნიუტონის კანონებით აღვწერთ?

ამიტომაცაა, რომ ყველაფერს, რითაც სამყაროს აღვწერთ, მოდელად მოვიხსენიებ. ჩვენ ჩამოვთვლით წესებს და ამ წესებით ვცდილობთ აღვწეროთ ყველაფერი. თუმცა ეს მათემატიკაა, ფიზიკაში ჩვენ კი არ ჩამოვთვლით წესებს, ბუნება გვკარნახობს, მასზე დაკვირვებით აღვიქვამთ ამ წესებს და ისე ვქმნით თეორიებს.

მოდით, ნათქვამი ისტორიებითაც გავამყაროთ. მეცხრამეტე-მეოცე საუკუნის მიჯნამდე ძალიან ბედნიერად ვქმნიდით კლასიკურ ფიზიკას – იქ ცოტა ნიუტონი, აქეთ მაქსველი, სულ იქით, მათემატიკისკენ, გაუსი და უცებ გვაქვს კლასიკური ფიზიკა: მექანიკა, თერმოდინამიკა, ჰიდროდინამიკა, ელექტრომაგნეტიზმი. ეს იყო სულ ყველაფერი, რაც ათასობით წლიანმა ინტუიციამ სამიოდე საუკუნეში “მეცნიერულად” შეკრა…

მაგრამ უცაბედად მატლი არეულა, ელექტრონი უკუღმა დატრიალებულა. აღმოვაჩინეთ, რომ არსებული მოდელებით ატომი უნდა ნადგურდებოდეს ელექტრონის ატომბირთვზე დაცემით, რომ მაიკლსონ-მორლის ექსპერიმენტი შედეგს უნდა იძლეოდეს. თუმცა არც წამის მეასედებში ვიხოცებით და არც სინათლე ემორჩილება საგზაო მოძრაობის წესებით დადგენილ სიჩქარის შეზღუდვებს და ეს ყველა “აღმოჩენა” ერთად დაგვატყდა თავს.

ვოლფგანგ პაული და ნილს ბორი ატრიალებენ ბზრიალას წაღმა-უკუღმა.

ჩვენივე მოდელები და ექსპერიმენტები ერთბაშად გვირღვევს წარმოდგენებს სამყაროზე. მაიკლსონ-მორლის ექსპერიმენტი გვეუბნება, რომ სინათლის სიჩქარე ინვარიანტია (მოძრავი და უძრავი დამკვირვებელიც ერთნაირად ხედავს). ამის ასახსნელად ლორენცი გვეუბნება, მოძრაობისას ზომები იკუმშებაო; აინშტაინმა დაასკვნა, რომ მოძრავი ადამიანისთვის დრო ნელდება; სხვა ფრონტზე დე ბროილმა ეგზისტენციალური წუხილით წამოიძახა, ტალღა ყოფილა ადამიანიო და დანარჩენებმა, “ელექტრონების” ყვირილით, სერიოზულად მიიღეს ნათქვამი.

თუმცა რას ჰქვია, ჩემთვის დრო სხვანაირად გადის და შენთვის სხვანაირად? ან რას მიქვია, ელექტრონები ნაწილაკები არიან და ტალღები? ელექტრონები კი არა, ყველი რომ ვჭამე წეღან, ეგეც ტალღაა? როგორც ჩანს, წინარე მოდელი, რომელიც მეუბნება, ან დღეა, ან ღამე, დრო აბსოლუტურია და ყველი ყველია, საკუთარ თავთან მოდის წინააღმდეგობაში

ამის შემდეგ ფეთქდება მეცნიერება. მთელი სამეცნიერო საზოგადოება, თითქოს აკადემიაში უბუმბულო ქათამი შეუგდესო, იბრძვის იმისთვის, რომ სამყარომ არ დაკარგოს „აზრი“, კვლავ იყოს ის ჩვენი ძალებით ახსნადი. პირველად ბორი შემოგვთავაზებს მოდელს, რითაც შეიძლება აიხსნას, რატომ არ ეცემა ელექტრონი ატომბირთვს. ძალიან მარტივად, რამდენიმე წესს (პოსტულატს) დაამატებს აქამდე არსებულ მოდელს და თითქოს მის ბზარებს იზოლეტას გადააკრავს.

ნახსენები პრობლემების წინაშე აღმოჩენილი მეცნიერების მდგომარეობის სრული სიმძაფრით აღსაქმელად, ეს ისტორიები ცალკე იმსახურებენ მოყოლას და ცხადია, მოგიყვებით კიდეც.

საბოლოოდ, ძალიან, ძალიან ბევრი შრომის შემდეგ, ორი უზარმაზარი მოდელი: კვანტური და ზოგადი რელატივისტური მექანიკა იქმნება. აქამდე ათასწლეულების განმავლობაში ჩვენი ინტუიცია მორბენალი ვეფხვის ზომით და გატყორცნილი შუბის სიჩქარით ყალიბდებოდა, ძალიან მცირე დროში კი მეცნიერებს გვიწევს ინტუიცია რელატივისტურ სიჩქარეებსა და ელექტრონებს მოვარგოთ. აღმოვაჩენთ, რომ ჩვენი სამყარო, რეალურად, რელატივისტური და კვანტურია, უბრალოდ, აქამდე არაფრისდიდებით არ გვქონდა ამის აღქმის საშუალება და ჩვენი კლასიკური თეორიები ისეთი ჭეშმარიტიც არაა, როგორიც გვეგონა…

ჩემი არ იყოს, თქვენთვისაც, მკითხველო, ჯერჯერობით ეს ყველაფერი შეიძლება ჯადოსნური ზღაპრის ელემენტებია. ვიცით ფაქტები, ვკითხულობთ, რომ ელექტრონი ორი ხვრელის ექსპერიმენტში ინტერფერენციულ სურათს გვაძლევს ანუ ის ტალღაა, თუმცა მისი შეგრძნება მაინც არ გვაქვს ისევე, როგორც არ გვაქვს შეგრძნება „ნიმბუს 2001-ის” მუშაობის პრინციპებისა. აი, აქ უფრო ცხადი ხდება, რომ მეცნიერება უბრალოდ მოდელებს გვთავაზობს. თუკი აქამდე ყველაფერი ინტუიციური იყო და თითქოს, ვერც გამცდარდებოდა, ახლა გადაჭრით ვეღარ ვიტყვით იმავეს. უკვე უფრო ცხადად ჩანს, რომ ნებისმიერი ჩვენი თეორია აღწერს სამყაროს მხოლოდ ისე, როგორც ჩვენ აღვიქვამთ.

სათითაოდ გატყორცნილი ელექტრონებით მიღებული ინტერფერენციული სურათის დემონსტრაცია. 3http://www.datadeluge.com/2017/03/demonstration-of-singleelectron-buildup.html

მაგრამ, მთლად ასეც არაა. მოდელი, რომელიც მილიონიდან ერთ შემთხვევაში მცდარდება, მაინც კარგი მოდელია. ქრისტეფორე მგალობლიშვილმა ცათმფრენი ხომ კლასიკური მექანიკით ააგო! რელატივისტური და კვანტური მექანიკები შინაგანი სიმხურვალის საკითხების გადაჭრისასაც არ გამოუყენებია და მაინც გაფრინდა!

ასე რომ, კიდევ ერთხელ, მოდელს მოეთხოვება აღწერდეს!

ამ საკითხებს კიდევ და კიდევ მოვუბრუნდებით სხვადასხვა სტატიაში. ეს არ არის ორიოდე გვერდში მოსახელთებელი, მაგრამ, იმედია, გარკვეულწილად აღვწერე მეცნიერების ერთ-ერთი მთავარი იდეა.

ბოლოს ვიტყვი, დასაწყისში ნახსენებ ფიზიკოსთა ნამუშევარმა გამოყენება სულ სხვა შემთხვევაში ჰპოვა. ძროხებისთისვის შექმნილი მოდელით სფერული ქათმების ფერმაში კვერცხის დადების პრობლემა გადაჭრეს.


წყაროები:
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Spherical_cow
[2] https://www.laphamsquarterly.org/animals/miscellany/plato-and-diogenes-debate-featherless-bipeds
[3] http://www.datadeluge.com/2017/03/demonstration-of-singleelectron-buildup.html
სფერული ძროხის ილუსტრაცია: https://www.pinterest.com/pin/61009769928245812/

ნიკო გიორგაძე

კვანტური პეროტერმინიზმის კლასიკური დოქტორი

Back to top