რისგან შედგება სამყარო? ეს არის შეკითხვა, რომელიც ადამიანებს ჯერ კიდევ მაშინ აწუხებდათ, როდესაც თანამედროვე მეცნიერება საერთოდ არ არსებობდა.

ერთი შეხედვით, მატერიის დაყოფა მარტივი პროცესია. შეგვიძლია ავიღოთ ქვა, გავყოთ ის ორ ნაწილად, შემდეგ ერთ-ერთი ნაწილი კიდევ ორად გავყოთ და პროცესი გავაგრძელოთ...

და მაინც, აქ ჩნდება შეკითხვა: სადამდე შეგვიძლია ასე გაგრძელება? მივაღწევთ თუ არა საბოლოოდ ისეთ უმცირეს ნაწილს, რომლის გაყოფაც აღარ შეიძლება? თუ პირიქით, მატერია უსასრულოდ იყოფა?

დღეს ამ შეკითხვაზე პასუხის გაცემას ნაწილაკების ფიზიკის დახმარებით ვცდილობთ, თუმცა საკითხი ჯერ კიდევ ძველ საბერძნეთში წამოიჭრა.

პირველი ატომისტები

პირველი "ატომისტები" მეცნიერები არ იყვნენ, ეს ყველაფერი ფილოსოფიით დაიწყო.

ძვ.წ. მეხუთე საუკუნეში ბერძენი ფილოსოფოსები ლევკიპე და დემოკრიტე ფიქრობდნენ, რომ მატერიის უსასრულოდ დაყოფა შეუძლებელი უნდა ყოფილიყო. მათი წარმოდგენით, მატერიის სულ უფრო მცირე ნაწილებად დაყოფის შემთხვევაში საბოლოოდ უნდა მიგვეღო ისეთი ნაწილაკი, რომლის შემდგომი დაყოფაც შეუძლებელი იქნებოდა.

სწორედ აქედან მოდის სიტყვა "ატომი". ბერძნული atomos განუყოფელს ნიშნავს.

დემოკრიტეს წარმოდგენით, ყველაფერი, რასაც გარშემო ვხედავთ, ასეთი ატომებისა და მათ შორის არსებული სიცარიელისგან შედგებოდა. ფილოსოფოსისთვის ატომები მარადიული და უცვლელი იყო. ისინი ერთმანეთისგან ფორმით, ზომითა და განლაგებით განსხვავდებოდა. შესაბამისად, სხვადასხვა ნივთიერებაც განსხვავებული ატომებისა და მათი განსხვავებული კომბინაციების შედეგად წარმოიქმნებოდა.

მაგალითად, დემოკრიტე ფიქრობდა, რომ მყარ ნივთიერებებს უფრო უხეში ატომები ქმნიდა, ხოლო სითხეებს უფრო გლუვი. ის უფრო შორსაც წავიდა: მიაჩნდა, რომ გემოს განსხვავებული შეგრძნებები ატომების განსხვავებული ფორმითა და მათი ზემოქმედებით იყო გამოწვეული. ანტიკურ წყაროებში მის შეხედულებებს ასე აღწერენ: "ტკბილ გემოს შედარებით მრგვალ და გლუვ ატომებს უკავშირებდა, ხოლო მწარეს უხეშ, კუთხოვან/დაკბილულ ატომებს, რომლებიც შეგრძნების ორგანოზე სხვაგვარად მოქმედებს.

ეს, რა თქმა უნდა, თანამედროვე ატომურ თეორიასთან დაკავშირებული არ არის. მიუხედავად ამისა, თავად იდეა მნიშვნელოვანი იყო! დემოკრიტემ ივარაუდა, რომ ბუნების უზარმაზარი მრავალფეროვნების მიღმა შეიძლება ძალიან მცირე რაოდენობის ფუნდამენტური ერთეულები იდგეს.

მეორე მხრივ, დემოკრიტეს ატომები არ აღმოუჩენია. მას არც შესაბამისი ხელსაწყოები ჰქონდა და არც ექსპერიმენტები ჩაუტარებია, რომლებიც ატომების არსებობას დაადასტურებდა. ატომიზმი ფილოსოფიური მსჯელობის შედეგად მიღებული იდეა იყო.

არისტოტელეს განსხვავებული პასუხი

ყველა ბერძენი ფილოსოფოსი დემოკრიტეს არ ეთანხმებოდა.

არისტოტელე მატერიის სრულიად განსხვავებულ სურათს გვთავაზობდა. მისი წარმოდგენით, მატერია უწყვეტია და მისი სულ უფრო მცირე ნაწილებად დაყოფა პრინციპულად შეიძლება გაგრძელდეს. ეს ნიშნავს, რომ ბუნებაში აუცილებელი არ არის არსებობდეს საბოლოო, განუყოფელი ნაწილაკი.

დემოკრიტესა და არისტოტელეს შორის კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი განსხვავება სიცარიელეს ეხება. ატომისტებისთვის სიცარიელე აუცილებელი იყო. თუ ყველაფერი ატომებისგან შედგება, მათ შორის თავისუფალი სივრცეც უნდა არსებობდეს, რათა ატომებმა მოძრაობა შეძლოს.

არისტოტელე კი ვაკუუმის არსებობას უარყოფდა. მასთან ბუნების ფილოსოფიაში მნიშვნელოვანი იყო ოთხი ელემენტი: მიწა, წყალი, ჰაერი და ცეცხლი. ამ წარმოდგენის მიხედვით, ნივთიერებების განსხვავებული თვისებები ამ ელემენტების სხვადასხვა კომბინაციასთან იყო დაკავშირებული.

დღევანდელი გადმოსახედიდან შეიძლება მოგვეჩვენოს, რომ დემოკრიტეს თავისი სიმართლე უფრო მარტივად უნდა დაემტკიცებინა, მაგრამ საქმე ასე მარტივად არ იყო. დემოკრიტეს არ ჰქონდა ექსპერიმენტული მტკიცებულება, რომ ატომები არსებობდა. შესაბამისად, მაშინდელი ცოდნით შეუძლებელი იყო იმის შემოწმება, რომელი მოსაზრება აღწერდა ბუნებას უკეთ.

საბოლოოდ, სწორედ არისტოტელეს ბუნების ფილოსოფია გახდა ბევრად უფრო გავლენიანი და მისი გავლენა საუკუნეების განმავლობაში შენარჩუნდა.

ატომისტური იდეები სრულად არ გამქრალა. მათ განვითარებას მოგვიანებით ეპიკურე და რომაელი ფილოსოფოსი ლუკრეციუსიც აგრძელებდნენ, თუმცა ატომს მეცნიერებაში დასაბრუნებლად თითქმის ორი ათასწლეული დასჭირდა.

ატომის დაბრუნება

დემოკრიტეს "ქამბექი" ნელი პროცესი გამოდგა. მდგომარეობა თანდათან შეიცვალა XVII და XVIII საუკუნეებში, როდესაც ბუნების შესწავლისას ექსპერიმენტსა და რაოდენობრივ გაზომვებს სულ უფრო დიდი მნიშვნელობა მიენიჭა.

ატომისტური წარმოდგენებიც კვლავ გააქტიურდა, თუმცა თანამედროვე ატომური თეორიის ჩამოყალიბების მხრივ მნიშვნელოვანი ნაბიჯი XIX საუკუნის დასაწყისში ინგლისელმა ქიმიკოსმა ჯონ დალტონმა გადადგა.

დალტონმაც თქვა, რომ მატერია ატომებისგან შედგებოდა, თუმცა დემოკრიტესგან განსხვავებით, მას უკვე კონკრეტული ქიმიური დაკვირვებები ჰქონდა. ქიმიკოსებმა იცოდნენ, რომ ელემენტები ნაერთების წარმოქმნისას ერთმანეთს შემთხვევითი რაოდენობებით არ უკავშირდება. მათი მასები გარკვეულ კანონზომიერებებს ემორჩილება. დალტონმა ეს ატომების არსებობით ახსნა!

მისი თეორიის მიხედვით, თითოეული ელემენტი კონკრეტული ტიპის ატომებისგან შედგებოდა. სხვადასხვა ელემენტის ატომებს განსხვავებული მასა ჰქონდა, ხოლო ქიმიური რეაქციის დროს ისინი ერთმანეთს განსაზღვრული შეფარდებებით უკავშირდებოდა.

სწორედ აქ ჩნდება მნიშვნელოვანი განსხვავება დემოკრიტესა და დალტონს შორის. ორივე ატომებზე საუბრობდა, მაგრამ დემოკრიტეს შემთხვევაში ატომი ფილოსოფიური იდეა იყო, დალტონის ატომური თეორია კი უკვე ექსპერიმენტულად აღმოჩენილი ქიმიური კანონზომიერებების ახსნას ცდილობდა.

ამ მომენტიდან ატომი თანდათან მეცნიერების ნაწილი გახდა. მეორე მხრივ, პრობლემა კვლავ არსებობდა — ატომი ჯერ კიდევ არავის ენახა.

არსებობდა თუ არა ატომი სინამდვილეში — ბრაუნის მოძრაობა

დღეს ატომების არსებობა იმდენად ცხადად გვეჩვენება, რომ რთული წარმოსადგენია, მაგრამ XIX საუკუნეში ამ საკითხზე მეცნიერებს შორის დავა ჯერ კიდევ მიმდინარეობდა. ატომური თეორია ქიმიურ პროცესებს კარგად ხსნიდა, თუმცა ეს ავტომატურად არ ნიშნავდა, რომ ატომები აუცილებლად რეალური ფიზიკური ობიექტები იყო.

მაგალითად, ავსტრიელი ფიზიკოსი ერნსტ მახი ატომების არსებობას სკეპტიკურად უყურებდა. მსგავსი დამოკიდებულება ჰქონდა გერმანელ ქიმიკოს ვილჰელმ ოსვალდსაც. მათი პოზიცია გარკვეულწილად გასაგებიც იყო. ატომები იმდენად მცირე იყო, რომ მათ უშუალოდ ვერავინ აკვირდებოდა.

ვითარება მეოცე საუკუნის დასაწყისში შეიცვალა და ამაში მნიშვნელოვანი როლი ერთი შეხედვით სრულიად სხვა მოვლენამ შეასრულა. 1827 წელს ბოტანიკოსმა რობერტ ბრაუნმა მიკროსკოპით წყალში მოთავსებულ ძალიან მცირე ნაწილაკებს დააკვირდა.

მან შენიშნა, რომ ნაწილაკები მუდმივად და ქაოსურად მოძრაობდა. ამ მოვლენას მოგვიანებით ბრაუნის მოძრაობა ეწოდა.

თავიდან გაურკვეველი იყო, რა იწვევდა ასეთ მოძრაობას. პასუხის მნიშვნელოვანი ნაწილი თითქმის 80 წლის შემდეგ გამოჩნდა. 1905 წელს ალბერტ აინშტაინმა ბრაუნის მოძრაობა ატომურ-მოლეკულურ სურათს დაუკავშირა.

თუ წყალი მოლეკულებისგან შედგება და ეს მოლეკულები მუდმივად მოძრაობს, ისინი წყალში მოთავსებულ მცირე ნაწილაკებს ყველა მხრიდან ეჯახება.

საშუალოდ ეს შეჯახებები ერთმანეთს აბალანსებს, თუმცა კონკრეტულ მომენტში ნაწილაკს ერთი მხრიდან შეიძლება ოდნავ მეტი მოლეკულა შეეჯახოს, ვიდრე მეორიდან. შედეგად, მიკროსკოპით ხილული ნაწილაკი შემთხვევითი მიმართულებით გადაადგილდება.

მნიშვნელოვანი ის იყო, რომ აინშტაინმა მხოლოდ ასეთი ახსნა არ შემოგვთავაზა. მან მათემატიკურად გამოთვალა, როგორ უნდა ემოძრავა ნაწილაკებს იმ შემთხვევაში, თუ მატერიის მოლეკულური სურათი სწორი იყო.

შემდეგი ეტაპი ამ პროგნოზების ექსპერიმენტულად შემოწმება იყო. ფრანგმა ფიზიკოსმა ჟან პერენმა ბრაუნის მოძრაობაზე ექსპერიმენტები ჩაატარა და მიღებული შედეგები ატომურ-მოლეკულურ თეორიას შეადარა.

შედეგები თეორიულ პროგნოზებს დაემთხვა. ატომების არსებობის სასარგებლოდ უკვე აღარ არსებობდა მხოლოდ ქიმიური კანონზომიერებები, შესაძლებელი გახდა მათი არსებობის შედეგების რაოდენობრივად გაზომვაც.

XX საუკუნის დასაწყისისთვის დაგროვილმა მტკიცებულებებმა მეცნიერთა დიდი ნაწილი დაარწმუნა, რომ ატომები უბრალოდ მოსახერხებელი მათემატიკური მოდელი არ იყო — მატერიას მართლაც ჰქონდა დისკრეტული, ატომურ-მოლეკულური სტრუქტურა.

ამით თითქოს დემოკრიტეს 2 000 წელზე მეტი ხნის წინ დასმულ კითხვასაც გაეცა პასუხი: მატერია უბრალოდ უწყვეტი ნივთიერება არ არის... მაგრამ მეცნიერება მარტივი რამ არ არის, მით უმეტეს თუ საქმე უმცირეს ნაწილაკებს ეხება.

ახალი პრობლემა

მალევე მეცნიერები ახალ პრობლემას წააწყდნენ. სიტყვა atomos "განუყოფელს" ნიშნავს, დემოკრიტესთვის კი ატომი სწორედ ის საბოლოო ერთეული იყო, რომლის იქით მატერიის დაყოფა აღარ შეიძლებოდა.

პრობლემა აქ გაჩნდა: სანამ მეცნიერები ატომების არსებობაში საბოლოოდ დარწმუნდებოდნენ, უკვე აღმოჩენილი იყო რაღაც, რაც ატომის შიგნით არსებობდა. 1897 წელს ჯ. ჯ. ტომსონმა ელექტრონი აღმოაჩინა. ატომი რეალური აღმოჩნდა, მაგრამ მისი განუყოფლობა არა!

რას ნიშნავდა ეს? მატერიის ფუნდამენტური შემადგენლის ძიება მხოლოდ ახლა იწყებოდა.

დღეს უკვე ვიცით, რომ ატომები კიდევ უფრო მცირე ნაწილაკებისგან შედგება, ხოლო მათი ზოგიერთი შემადგენელი თავადაც უფრო მცირე ნაწილაკებად იშლება. ამ გზამ ფიზიკოსები კვარკებამდე, ელექტრონებამდე და სხვა ნაწილაკებამდე მიიყვანა, რომლებსაც თანამედროვე ფიზიკა, ყოველ შემთხვევაში ჩვენი დღევანდელი ცოდნით, ფუნდამენტურად მიიჩნევს.

ნიშნავს თუ არა ეს, რომ დემოკრიტეს მიერ თითქმის 2500 წლის წინ ნავარაუდევ ნამდვილ "განუყოფელ" დონეს ბოლოს და ბოლოს მივაგენით? ამაზე პასუხი ჯერ არ გვაქვს. უფრო მაღალი ენერგიის ექსპერიმენტები, ნაწილაკების სულ უფრო ზუსტი გაზომვები და სტანდარტული მოდელის მიღმა ახალი ფიზიკის ძიება შეიძლება დაგვეხმაროს გავარკვიოთ, აქვს თუ არა დღევანდელ "ფუნდამენტურ" ნაწილაკებსაც უფრო ღრმა სტრუქტურა.

შესაძლოა, რეალობის "საბოლოო აგურამდე" უკვე მივედით... შესაძლოა, მის ძიებაში ჯერ კიდევ მხოლოდ გზის შუაში ვართ.