Ոչ հետաքրքիր գիտակարգեր չկան․ այս համոզմունքն ունի ֆիզիկոս Արմեն Ալլահվերդյանը։ Նրա համար հավասարապես հետաքրքիր են ինչպես ֆիզիկան, այնպես էլ լեզվագիտությունը, աշխարհագրությունը, պատմությունը, քիմիան կամ ցանկացած այլ ուղղություն։
Գիտնականը պատմում է՝ 1980-ականների Հայաստանում արվարձանները լավագույն վայրը չէին գրագիտության զարգացման տեսակետից, իսկ ինքը հենց արվարձանի դպրոց էր հաճախում։ Պատմություն, քիմիա, ֆիզիկա․ նա ամենից լավ սովորում էր հենց այս առարկաները, քանի որ բախտը բերել էր դրանց ուսուցիչների հարցում և հատկապե՛ս ֆիզիկայի ուսուցչի, որը նախկին գիտնական էր։
«Գիտելիքի ցանկացած ոլորտ գերհետաքրքիր է։ Բայց այդ ուսուցիչների գոյությունը, փաստորեն, ինչ-որ իմաստով ֆոկուսացրեց իմ ուշադրությունը»,- ասում է Արմեն Ալլահվերդյանը։
Մասնագիտական ընտրության փուլում այդ երեք առարկաներից բացառվեց պատմությունը։ Գիտնականը հիշում է՝ Խորհրդային Միության գոյության վերջին տարիներին՝ վերակառուցման շրջանում, պարզ դարձավ, թե որքան սուբյեկտիվ է շարադրված եղել պատմությունը, և որքան բարդ է այդ սուբյեկտիվ շերտերից դուրս գալն ու իրական պատմությանը հասնելը։
«ֆիզիկայից ու քիմիայից ես ընտրեցի ֆիզիկան․․․ Քիչ թե շատ` պատահական»,- ասում է նա։
Արմեն Ալլահվերդյանի հետ զրուցում եմ Ալիխանյանի անվան ազգային գիտական լաբորատորիայի (ԱԱԳԼ) կամ հայտնի Երևանի ֆիզիկայի ինստիտուտի աշխատասենյակներից մեկում, որը մյուս աշխատասենյակներից առանձնանում է իր խորհրդային կահավորանքով, և որտեղ գիտնականները հաճախ են հավաքվում քննարկումների։ Ֆիզիկայի ֆակուլտետում սովորելուց հետո հենց ԱԱԳԼ-ում գիտնականը սկսեց ու մինչև օրս էլ շարունակում է իր գիտական գործունեությունը, իսկ 2021-ից ղեկավարում է Քվանտային տեխնոլոգիաների բաժանմունքը։
Գիտական թիմերին հյուր գնալիս սովոր եմ տեսնել լաբորատոր անոթներ, կշեռքներ կամ ցենտրիֆուգներ։ Իսկ այստեղ աչքիս առաջ միայն գրատախտակներ են՝ ծածկված ինձ համար անհասկանալի բանաձևերով։
Ծանոթանում եմ Քվանտային տեխնոլոգիաների բաժանմունքի գիտնականների հետ, և զրույցի ենք բռնվում ինձ հոգեհարազատ մի թեմայով․ արդյո՞ք հնարավոր է բարդ գիտությունը բանաձևերի լեզվից թարգմանել «մարդկային» լեզվի ու մատչելի ներկայացնել։ Բաժանմունքի գիտնականներից միայն Վարազդատ Ստեփանյանն է համաձայնում ինձ հետ այն հարցում, որ հնարավոր է։
Բայց առաջարկում եմ մի պահ թողնել Քվանտային տեխնոլոգիաների բաժանմունքն ու մեր հետաքրքիր զրույցը 21-րդ դարում և տեղափոխվել 20-րդ դարի սկիզբ՝ փորձելով առանց բանաձևերի պատմել մեկը մյուսին հետևող կարևոր բացահայտումների մասին, որոնք դնելու էին քվանտային ֆիզիկայի հիմքերը։
Պատմությունից ֆիզիկա
Ֆրանսիական ազնվական ընտանիքից սերող արքայազն Լուի դը Բրոյլը հետաքրքրված էր պատմությամբ և այդ ոլորտում լուրջ կրթություն էր ստացել։ Գուցե արքայազնը հենց պատմության ու արխիվային հետազոտությունների մեջ էլ խորանար, եթե չլիներ նրա եղբայրը՝ դուքս Մորիս դը Բրոյլը։ Վերջինս ֆիզիկոս էր և Փարիզի Բայրոն փողոցի իր տան մի մասը վերածել էր լաբորատորիայի, որտեղ ուսումնասիրում էր ռենտգենյան ճառագայթները։
Լսելով եղբոր խոսակցությունները լույսի, ճառագայթների, քվանտների մասին՝ արքայազն Լուին աստիճանաբար կորցրեց հետաքրքրությունը արխիվային հետազոտությունների հանդեպ ու տարվեց ֆիզիկայով։
Լուի դը Բրոյլին (լուսանկարում) տանջում էր մի հարց․ մի կողմից, փորձերը ցույց էին տալիս, որ լույսն ունի ալիքային բնույթ, մյուս կողմից, Ալբերտ Այնշտայնն առաջ էր քաշել լույսի՝ նաև մասնիկային բնույթ ունենալու վարկածը։ Այդ ինչպե՞ս էր ստացվում, որ լույսի մասին խոսելիս գիտնականները չէին կարողանում բավարարվել միայն ալիքային կամ միայն մասնիկային նկարագրությամբ, հետևաբար՝ խոսում էին նրա երկակի բնույթի մասին, իսկ էլեկտրոնները նկարագրվում էին միայն որպես մասնիկներ:¹
Հենց այս հարցադրումն էր, որ բերեց 20-րդ դարի ֆիզիկայի ամենամեծ բացահայտումներից մեկին, բայց այդ մասին՝ մի փոքր ուշ․․․
Հակադիր գաղափաներ, որ պիտի միավորվեին
Լույսը ալի՞ք է, թե՞ մասնիկ․ սա ֆիզիկոսների համար բանավեճի թեմա է եղել՝ սկսած 17-րդ դարից։ Ըստ Իսահակ Նյուտոնի՝ լույսը բաղկացած էր արագընթաց մասնիկներից, Քրիստիան Հյուգենսն էլ պնդում էր, որ լույսը կազմված է ալիքներից, որոնք տարածվում են շատ նուրբ միջավայրում՝ եթերում:²
Այս գաղափարները հակադրվում էին միմյանց, մինչև 19-րդ դարի սկզբին Թոմաս Յունգն իրականացրեց, այսպես կոչված, կրկնակի ճեղքով փորձը, որը խոսում էր լույսի ալիքային բնույթի օգտին։ Փորձը Յունգն իրականացրեց այսպես․ լույսի փունջն ուղղեց դեպի պատնեշ, որի վրա երկու՝ իրար շատ մոտ ճեղքեր կային։ Ուղարկված լույսը, հանդիպելով պատնեշին, բաժանվում էր երկու մասի՝ անցնելով ճեղքերի միջով և ապա միավորվելով։³
Լույսի ինտերֆերենցիան (անիմացիան պատրաստվել է Claude AI-ով)
Պատնեշի մյուս կողմում տեղադրված էկրանի վրա առաջանում էին բազմաթիվ լուսավոր ու մութ կետեր։ Պատճառը ինտերֆերենցիայի երևույթն էր․ երբ լույսի՝ նույն ամպլիտուդով ալիքները հանդիպում էին իրար, և նրանց գագաթներն ու փոսերը համընկնում էին, լույսն ավելի էր պայծառանում, իսկ երբ գագաթը՝ փոսին, ու փոսը գագաթին էր հանդիպում, ալիքները կործանվում էին՝ առաջացնելով խավար։ Եթե լույսն իրեն դրսևորեր որպես մասնիկ, ինտերֆերենցիայի երևույթը տեղի չէր ունենա:⁴
Դե իսկ ֆիզիկայի հետագա մի շարք բացահայտումներ հանգեցրին Ջեյմս Մաքսվելի այն տեսությանը, որ լույսն էլեկտրամագնիսական ալիք է, այսինքն՝ կազմված է տատանվող, նույն փուլում գտնվող էլեկտրական և մագնիսական դաշտերից, որոնք տարածվում են մեկ ունիվերսալ արագությամբ (լույսի արագությունը վակուումում):⁵
Լույսը ալիք է․ այս տեսակետը գերիշխող էր, մինչև Մաքս Պլանկը ֆիզիկա ներմուծեց քվանտ տերմինը։
Պլանկն ուսումնասիրում էր 19-րդ դարի վերջի և 20-րդ դարի սկզբի ֆիզիկայի համար ակտուալ մի խնդիր, որը վերաբերում էր լույսի կլանմանն ու անդրադարձմանը։ Այս խնդիրն ուսումնասիրելիս Պլանկը հանգեց հետևյալ մտքին․ լույսն, ինչպես որ ընդունված պատկերացումն էր այդ ժամանակ, իսկապես ունի անընդհատ էներգիա, այսինքն՝ կարող է ընդունել էներգիական ցանկացած արժեք, բայց ինչ-որ կերպ նյութի հետ փոխազդում է էներգիական կոնկրետ արժեքներով, որոնք նա անվանեց քվանտներ (լատիներեն «quantum»՝ «քանակ» բառից):⁶
Պլանկի գաղափարն ավելի պարզ պատկերացնելու համար Քվանտային տեխնոլոգիաների բաժանմունքի հետազոտող Վարազդատ Ստեփանյանն առաջարկում է այսպիսի մի համեմատություն կատարել․ բոլորս էլ փոքր ժամանակ ունեցել ենք կամ մեր ձեռքով պատրաստել ենք պղպջակ արձակող խաղալիքներից։ Այդ խաղալիքներում կամայական քանակի օճառաջուր կարելի է լցնել, բայց երբ օղակաձև ծայրով հարմարանքը հայտնվում է օճառաջրի մեջ, այն կոնկրետ չափաբաժնով օճառաջուր է վերցնում ու դրանից պղպջակներ ձևավորում։
Պլանկն առաջարկում էր, որ լույսն էլ կարող է էներգիական ցանկացած արժեք ունենալ, սակայն երբ այն ընկնում է նյութի վրա, նյութի մոլեկուլների ու ատոմների հետ փոխազդում է էներգիայի որոշակի «չափաբաժիններով» կամ քվանտներով։ Հետևաբար՝ նյութի մոլեկուլները կարող են կլանել լույսի էներգիան միայն առանձին «չափաբաժիններով», ոչ թե անընդհատ։
Կարևոր է նշել, որ Պլանկը քվանտի գաղափարը ներմուծեց ոչ թե հենց լույսի համար, այլ բացատրելու համար, թե ինչպես է լույսի ու նյութի միջև տեղի ունենում էներգիայի փոխանակումը։ Մեկ այլ ֆիզիկոս՝ Ալբերտ Այնշտայնը, զարգացնելով Պլանկի գաղափարը, հանգեց այն ժամանակների համար ոչ միանշանակ ընկալելի մի մտքի․ իսկ ի՞նչ, եթե լույսն ինքը քվանտ է և ոչ միայն նյութի հետ է փոխազդում էներգիայի առանձին «չափաբաժիններով», այլև հենց ինքն է կազմված այդպիսի «չափաբաժիններից»:⁷
Այնշտայնը, փաստորեն, առաջ քաշեց լույսի մասնիկային բնույթի գաղափարը։ Պլանկն արդեն առաջարկել էր, որ լույսի և նյութի միջև էներգիայի փոխանակումը տեղի է ունենում քվանտներով: Այնշտայնը հասկացավ, որ այս վարքը բացատրելու համար լույսն ինքը պետք է ունենա մասնիկանման հատկություններ և չի կարող նկարագրվել միայն որպես անընդհատ ալիք:* Հետևաբար՝ լույսը տարածվում է որպես ալիք, սակայն կազմված է քվանտներից և նյութի հետ փոխազդում է որպես մասնիկ:⁸ Իսկ լույսի քվանտներին քիմիկոս Գիլբերտ Լյուիսը 1926-ին տվեց ֆոտոն անվանումը:
Այնշտայնը, սակայն, չմերժեց լույսի ալիքային բնույթը՝ 1909-ին գալով այն եզրահանգմանը, որ, ի վերջո, ֆիզիկայում պետք է առաջ քաշվի այնպիսի տեսություն, որը կմիավորի Նյուտոնի ու Հյուգենսի ժամանակներում հակադիր համարվող երկու գաղափարները։¹⁰
ֆիզիկայի բոլոր հանելուկներից դժվարագույնի վրա ընկնող լույսի առաջին տկար ճառագայթը
Լույսի երկակի բնույթի մասին պատկերացումներն արքայազն Լուի դը Բրոյլին, որը 1923-ին արդեն Փարիզի համալսարանի ասպիրանտ էր, հանգեցրին այն մտքին, որ նույնը կարելի է ասել նաև նյութի մասին։¹¹
Այսպիսով, Լուի դը Բրոյլն առաջ քաշեց այն վարկածը, որ նյութի մասնիկները՝ էլեկտրոնները, ունեն նաև ալիքային բնույթ, ավելին՝ նա բանաձև գրեց՝ հաշվելով էլեկտրոնի ալիքի երկարությունը։¹²
Արքայազնն այս գաղափարը հիմնավորող մի քանի հոդվածներ հրապարակեց, որոնք 1924-ին ամբողջացրեց իր դոկտորական ատենախոսության մեջ։ Համալսարանում, սակայն, չիմացան՝ ինչպես արձագանքել նրա ատենախոսությանը․ միայն կարողացան «ողջունել Դը Բրոյլի ջանքերը՝ ուղղված ֆիզիկոսների առջև ծառացած խնդիրները հաղթահարելուն»:¹³
Ի վերջո, ատենախոսությունն ուղարկվեց Այնշտայնին, վերջինս էլ հայտարարեց․ «Սա ֆիզիկայի բոլոր հանելուկներից դժվարագույնի վրա ընկնող լույսի առաջին տկար ճառագայթն է»։ Այսպիսով, հանձնաժողովը հաստատեց դը Բրոյլի ատենախոսությունը:
Այդ ժամանակ ֆիզիկոսների համար դժվար էր պատկերացնել, թե ինչպես կարող է մեկ էլեկտրոնի նման փոքր նյութական մասնիկը լինել տարածականորեն ընդարձակված ալիք։ Փորձարարական ֆիզիկան, սակայն, մի քանի տարի անց եկավ հաստատելու այս վարկածը:
Քլինթոն Դևիսոնը և Լեսթեր Գերմերը 1927-ին այսպիսի մի փորձ իրականացրին․ նրանք էլեկտրոններ ուղղեցին բյուրեղային կառուցվածքով նիկելից թիրախի վրա այնպես, որ էլեկտրոններն անդրադառնային նիկելի մակերևույթից և հարվածեին դետեկտորին։ Յուրաքանչյուր էլեկտրոն հարվածում էր դետեկտորի որոշակի կետի, ինչը համապատասխանում էր այն գաղափարին, որ էլեկտրոնը մասնիկ է։ Սակայն միլիոնավոր անդրադարձած էլեկտրոնները դետեկտորի վրա ստեղծում էին այնպիսի պատկեր, ինչպիսին կստեղծեին ալիքները։ Ավելին՝ Դևիսոնին և Գերմերին նույնիսկ հաջողվեց չափել փորձի ժամանակ դիտարկված պատկերի ալիքի երկարությունը։ Այն համընկնում էր ալիքի երկարության հետ, որը Դը Բրոյլը հաշվարկել էր էլեկտրոնների համար։¹⁴
էլեկտրոնների ստեղծած ալիքային պատկերը կարող եք տեսնել լուսանկարում (աղբյուրը)
Լույսի ու տարրական մասնիկների երկակի բնույթի մասին այս բացահայտումներն էին, որ հիմք դրեցին քվանտային ֆիզիկային, ու մինչև օրս գիտնականները շարունակում են բացահայտել քվանտային աշխարհի օրինաչափությունները։ Քվանտային աշխարհն են ուսումնասիրում նաև ԱԱԳԼ Քվանտային տեխնոլոգիաների բաժանմունքի գիտնականները, որոնց մենք թողել էինք 21-րդ դարում՝ ԱԱԳԼ աշխատասենյակներից մեկում։
Երիտասարդներին պահել է պետք
Քվանտային տեխնոլոգիաների բաժանմունքն, այսպիսով, ստեղծվեց 2021-ին։ Բաժանմունքի հիմքերը, սակայն, դրվել էին դեռ տարիներ առաջ։
Արմեն Ալլահվերդյանը հիշում է՝ 2000-ականներին ինքն ու գործընկերները բախվել էին մի խնդրի․ չէր ստացվում երիտասարդ կադրերին պահել Հայաստանում։ Նա պատմում է, որ ուսանողները գալիս էին այն ժամանակ Երևանի ֆիզիկայի ինստիտուտ (այժմ՝ ԱԱԳԼ), որոշ ժամանակ հետազոտություններ իրականացնում, իսկ հետո մեկնում էին արտասահման հետդոկտորական աշխատանքի ու այդպես էլ չէին վերադառնում։
Արմեն Ալլահվերդյանը բնական է համարում այն, որ երիտասարդ գիտնականները պետք է առնչվեն արտասահմանյան գիտական միջավայրին, քանի որ Հայաստանում գիտական համայնքը փոքր է, իսկ փոքր համայնքն ինչ-ինչ հարցերում բերում է սուբյեկտիվ մոտեցումների։ Գիտնականն ինքն էլ ժամանակին հետդոկտորական աշխատանք է իրականացրել եվրոպական գիտական կենտրոններում ու վերադարձել Հայաստան։ Ասում է՝ այն, ինչ իրեն Հայաստան հետ բերեց, ակադեմիական ազատությունն էր, որ չգտավ Եվրոպայում։
1990-ականներն ու 2000-ականները, սակայն, այնպիսի ժամանակներ են, որ արտասահման մեկնած երիտասարդների մեծամասնության համար այնքան էլ գրավիչ հեռանկար չէր վերադառնալն ու Հայաստանում գիտությամբ զբաղվելը։
«Մենք կարծես փոշեկուլ էինք, որ այստեղից կադրերը տանում էր միջազգային շուկա»,- անկեղծանում է գիտնականը։
«Խելոք ուղեղները երկրից դուրս հանելու» փաստը Արմեն Ալլահվերդյանին ու նրա գործընկերներին դուր չէր գալիս․ մարդկանց պահել էր պետք։ Խնդրին լուծում տալու նպատակով նրանք 2014-ին միջառարկայական թեմաներով գիտահանրամատչելի սեմինարների շարք սկսեցին, որոնց մասնակցում էին ուսանողներ, գործող ու նախկին գիտնականներ և մարդիկ, որոնք պարզապես հետաքրքրված էին գիտությամբ։
Սեմինարների ժամանակ նրանք զեկույցներ էին ներկայացնում, քննարկումներ էին տեղի ունենում։ Սեմինարների մասնակիցների շարքերն, իհարկե, ժամանակի ընթացքում նոսրացան, բայց 2019-ին Արմեն Ալլահվերդյանն ու գործընկերները հասկացան, որ իրենց նպատակին հասել են։
«Պարզվեց, որ մենք ունենք թիմ, որտեղ շատ մարդիկ են գալիս, հետաքրքիր է, տարբեր զեկույցներ են լինում։ Այդ զեկուցողներին ասացինք՝ ուզում եք դրամաշնորհների դիմել»,- պատմում է նա։
Սեմինարների մասնակիցների մեջ գիտությամբ զբաղվել ցանկացողների թիվն այնքան մեծ էր, որ նրանք միջազգային դրամաշնորհային միանգամից մի քանի ծրագրի դիմեցին։
Կադրերի հարցը, կարծես թե, լուծվել էր։ Գիտնականները, սակայն, բախվեցին մեկ այլ խնդրի․ մի կողմից՝ ԱԱԳԼ-ում կային ավագ սերնդի ներկայացուցիչներ, որոնք ղեկավարում էին թիմերը, մյուս կողմից՝ երիտասարդներն էին։ Ժամանակին երիտասարդ կադրերի մեծ արտահոսքի հետևանքով միջին տարիքի գիտնականները, որոնք ավելի հեշտ կարող էին լեզու գտնել երիտասարդների հետ, փոքր թիվ էին կազմում, հետևաբար՝ երիտասադրներին ղեկավարում էին հիմնականում ավագ սերնդի ներկայացուցիչները։
Նոր մոտեցում ու նոր շունչ էր պետք, և ծնվեց առանձին բաժանմունք ստեղծելու գաղափար։ Եվ այդպես մարդիկ, որոնք նախ միավորվել էին գիտահանրամատչելի սեմինարների շուրջ և ապա ներգրավվել գիտական թիմերում, 2021-ին ձևավորեցին ԱԱԳԼ Քվանտային տեխնոլոգիաների բաժանմունքը, որտեղ երիտասարդ գիտնականները հետազոտություններ էին իրականացնում հենց միջին տարիքի գիտնականների ղեկավարությամբ։
«Իսկ հիմա արդեն և՛ ղեկավարները, և՛ ակտիվ գիտնականները մեզնից ավելի երիտասարդ են»,- ասում է Արմեն Ալլահվերդյանը։
Գիտնականը նշում է՝ երիտասարդներին գիտության մեջ պահել արդեն ստացվում է․ ակտուալ է մնում միայն կրթության որակի խնդիրը։ Նրա խոսքով ուսանողներին շատ բաներ է անհրաժեշտ լինում սովորեցնել, մինչև նրանք կկարողանան հետազոտություններ իրականացնել։ Երեկոները Քվանտային տեխնոլոգիայի բաժանմունքի գիտնականները հաճախ անցկացնում են գրատախտակի մոտ՝ լրացնելով գիտելիքի այն բացը, որով բուհերից գալիս են ուսանողները։
Մարդիկ
Ֆիզիկա, կենսաֆիզիկա, համակարգչային գիտություններ ու անգամ տնտեսագիտություն․ Քվանտային տեխնոլոգիաների բաժանմունքում կգտնեք ամենատարբեր հետաքրքրություններ ունեցող մարդկանց։ Առաջարկում եմ ծանոթանալ նրանցից մի քանիսի հետ։
Քվանտային տեխնոլոգիաների բաժանմունքի գիտաշխատող Արիկ Ավագյանը հիշում է՝ Ֆիզիկոս դառնալու որոշում միանգամից չի կայացրել։ Դպրոցական տարիքից Արիկին գրավում էր դերասանի կարիերան, ու նրան հատկապես հետաքրքիր էր մի հարցի պատասխան․ ինչպե՞ս ստեղծել այնպիսի կերպարներ, որոնց փորձառությունը քո փորձառությունից շատ հեռու է։
«Նապոլեոնի դերն, օրինակ, ինչպե՞ս կխաղաս․ շատ սպեցիֆիկ անձ է՝ սպեցիֆիկ ժամանակաշրջանից»,- հարցնում է նա։
Դերասան Արիկը չդարձավ։ Ասում է՝ պատճառն իր՝ հարցեր տալու ու պատասխաններ փնտրելու բնավորությունն էր։ Լինել և՛ դերասան, և՛ խորասուզվել գիտական այս կամ այն ուղղության մեջ միաժամանակ հնարավոր չէր․ երկուսն էլ ամբողջական նվիրում էին պահանջում։ Այդպես նա ընտրեց ֆիզիկան։
Դեռ առաջին կուրսն էլ չէր ավարտել, երբ տեղափոխվեց Միացյալ Նահանգներ, որտեղ ինժեներություն ու ինժեներական ֆիզիկա էր սովորում։ Բակալավրն ավարտելուց հետո Արիկը մտածում էր կրթությունը շարունակել փիլիսոփայության ուղղությամբ, բայց մտափոխվեց ու հայտնվեց ֆիզիկայի ասպիրանտական ծրագրում։ Չնայած այդ որոշմանը՝ հիշում է, որ ասպիրանտական տարիներին տարված էր ոչ այնքան ֆիզիկայի տեսական հարցերով, որքան փիլիսոփայական թեմաներով։ Այդ թեմաներից ամենահետաքրքիրը նրա համար այն է, թե ինչպես է «աշխատում» մարդկային բանականությունը։
2023-ին Արիկը վերադարձավ Հայաստան ու ծանոթացավ ներկայիս թիմակցիների հետ։ Ասում է՝ Քվանտային տեխնոլոգիաների բաժանմունքին միացավ` վերագտնելու ֆիզիկայի ու մաթեմատիկայի տեսական հարցերի հանդեպ այն սերը, որ ուներ ուսանողական տարիներին՝ դեռ մինչև ասպիրանտուրան։
Իսկ ահա Մարիա Ապիտոնյանը դեռ ավագ դպրոցում էր հասկացել, որ իր համար ամենագրավիչ ուղղությունը ֆիզիկան է։ Մարիան շատ հետաքրքրություններ ուներ՝ սկսած հոգեբանությունից մինչև փիլիսոփայություն, բայց բոլոր ուղղությունների հանդեպ հետաքրքրությունն էլ ինչ-որ պահի բավարարում էր։ Միայն ֆիզիկան էր, որն, ինչքան սովորում էր, այնքան ավելի հետաքրքիր էր դառնում։
«Երբ ֆիզիկայից հեռանում էի, կարոտում էի»,- ասում է նա։
ԱԱԳԼ-ի մասին Մարիան առաջին անգամ իմացավ դպրոցական տարիքում, երբ ուսուցիչը նրանց դասարանին բերել էր այստեղ՝ մասնակցելու դպրոցականների համար կազմակերպված աստղաֆիզիկայի դպրոցին։
ԱԱԳԼ նա վերադարձավ արդեն ուսանող ժամանակ։ Մարիան նախ հայտնվեց Փորձարարական ֆիզիկայի բաժանմունքում, որտեղ որոշ ժամանակ հետազոտություններ իրականացրեց։ Սակայն տեսական ֆիզիկայի ու քվանտային մեխանիկայի հանդեպ հետաքրքրությունը նրան ի վերջո բերեց Քվանտային տեխնոլոգիաների բաժանմունք։
Մարիան որոշել է՝ շարունակելու է կրթությունը մագիստրատուրայում, հետո ասպիրանտուրայում և զբաղվելու գիտությամբ։
Քվանտային տեխնոլոգիաների բաժանմունքի հետազոտողներից Վարազդատ Ստեփանյանն արդեն ասպիրանտուրայում է։ ֆիզիկան նրա միակ մասնագիտությունը չէ․ Վարազդատը հասցրել է մասնագիտանալ համակարգչային գիտությունների ուղղությամբ։ Նա նաև հետաքրքրված է երաժշտությամբ ու կիթառ է նվագում իր և ընկերների հիմնադրած բենդում։
Վարազդատն այն գիտնականներից է, որոնց հաջողվում է պարզ լեզվով պատմել անգամ ամենաբարդ երևույթների մասին։ Հետևաբար՝ հենց Վարազդատի օգնությամբ առաջիկայում ավելի մանրամասն կծանոթանանք քվանտային աշխարհին, որը նրա ու թիմակիցների հետազոտությունների ոչ միակ, բայց հիմնական առարկան է։
Այն, ինչ թույլատրելի է «դասական» աշխարհում, արգելված է քվանտային աշխարհում
Քվանտային ֆիզիկան, այսպիսով, ուսումնասիրում է տարրական մասնիկների՝ էլեկտրոնների, պրոտոնների, նեյտրոնների, ֆոտոնների աշխարհն ու դրա օրինաչափությունները։
Տեսանելի առարկաների մասին խոսելիս դրանք նկարագրելը հեշտ է․ կլոր, քառակուսի, փափուկ, հարթ, գունավոր կամ ցանկացած այլ ածական․․․ Տարրական մասնիկները, սակայն, տեսանելի չեն ոչ միայն անզեն աչքով, այլև անգամ ամենահզոր մանրադիտակներով։ Դրանք չունեն ո՛չ գույն, ո՛չ համ, ո՛չ հոտ, ո՛չ կոշտ են, ո՛չ փափուկ, ո՛չ փայլուն, ո՛չ խամրած։¹⁵
Ավելին՝ այն կանոնները, որոնք տարածվում են դասական աշխարհի օբյեկտների վրա, քվանտային աշխարհում չեն գործում։ Վերցնենք, օրինակ, էներգիան։ Բաժակով սուրճը, որը հիմա դրված է իմ սեղանին, կարող է ունենալ ջերմային էներգիայի անընդհատ արժեք՝ շատ սառից մինչև շատ տաք։ Եթե վերցնենք, օրինակ, 68°C-ից 80°C-ի միջակայքը, ապա սուրճն այս միջակայքում կարող է ունենալ բոլոր ջերմաստիճանները, և նրա համար չկան արգելված ջերմաստիճաններ։
Վարազդատը բացատրում է, որ քվանտային աշխարհում այդպես չէ․ այնտեղ տարրական մասնիկները կարող են ունենալ միայն որոշ թույլատրելի արժեքներ։
Ատոմի միջուկի շուրջ գոյություն ունեն էներգիական տարբեր մակարդակներ, որոնք նշվում են ամբողջ թվերով՝ 1, 2, 3 կամ 1-ին մակարդակ, 2-րդ մակարդակ, 3-րդ մակարդակ։ Վարազդատն առաջարկում է պատկերացնել բազմահարկ շենք, որի ամեն հարկը էներգիական մի մակարդակ է․ որքան բարձր է «հարկը», այնքան ավելի շատ էներգիա է պետք այնտեղ հասնելու համար։
Այս մակարդակները կամ «հարկերը» թույլատրելի են էլեկտրոնների համար, այսինքն՝ էլեկտրոններն այստեղ կարող են գտնվել։ Սակայն թույլատրելի մակարդակների միջև գոյություն ունեն արգելված գոտիներ, որտեղ էլեկտրոններ գտնվել չեն կարող, այսինքն՝ էներգիական այդ արժեքներն ունենալ չեն կարող։
Էլեկտրոնները սովորաբար նախընտրում են էներգիական ցածր մակարդակները, քանի որ այդտեղ նրանց դիրքն ավելի կայուն է։ Ավելի բարձր մակարդակներ էլ տեղափոխվել չեն կարող․ արգելված գոտիները խանգարում են։
Արգելված գոտիները հաղթահարել սեփական ուժերով չի ստացվում, հետևաբար՝ էլեկտրոններին լրացուցիչ էներգիա է անհրաժեշտ։ Այդ լրացուցիչ էներգիան կարող է փոխանցել օրինակ, լույսը։ Երբ լույսն ընկնում է ատոմի վրա, լույսի քվանտները՝ ֆոտոնները, էներգիա են փոխանցում էլեկտրոններին։ Եթե ֆոտոնի փոխանցած էներգիան համապատասխանում է արգելված գոտու էներգիային, էլեկտրոնները տեղափոխվում են էներգիական ավելի բարձր մակարդակներ, իսկ հետո վերադառնում են նախկին մակարդակ՝ արձակելով կլանած էներգիան։
Դասական ֆիզիկայում այդպես չէ․ առարկաները, որոնք շրջապատում են մեզ, կազմված են միլիարդավոր ատոմներից, և այդ մեծ համակարգերում թույլատրելի էներգիական մակարդակների միջև տարբերություններն այնքան փոքր են, որ նկատելի էլ չեն։ Հենց այդ է պատճառը, որ մեզ տեսանելի աշխարհում առարկաներն էներգիական անընդհատ արժեքներ կարող են ընդունել։*
Կատուն և՛ ողջ է, և՛ մեռած
Թույլատրելի արժեքները քվանտային աշխարհի միակ առանձնահատկությունը չեն։ Նայեք ձեր շուրջը եղող առարկաներից ցանկացածին՝ հեռախոսին, որով հավանաբար կարդում եք այս նյութը, ժամացույցին կամ աթոռին․․․ Դուք հստակ կարող եք ասել, թե թվարկածս առարկաներից յուրաքանչյուրը որտեղ է․ հեռախոսը ձեր ձեռքին է, ժամացույցը կախված է պատից, աթոռը դրված է սենյակի անկյունում՝ սեղանի կողքին։ Ավելին՝ ձեզ համար հստակ է, որ հեռախոսը չի կարող գտնվել միաժամանակ և՛ ձեր ձեռքին, և՛ սեղանին, աթոռն էլ չի կարող միաժամանակ դրված լինել սենյակի և՛ մի անկյունում, և՛ կենտրոնում։
Բայց արի ու տես, որ քվանտային աշխարհում այդպես չէ․․․ Ինչպե՞ս։ Էլեկտրոնները ատոմի միջուկի շուրջը չունեն գտնվելու կոնկրետ վայր։ Եթե փորձեք «տեղորոշել», այո՛, նրանց կհայտնաբերեք կոնկրետ տեղում, սակայն քանի դեռ չեք փորձել հասկանալ, թե որտեղ են, դրանք մի վիճակում են, որը նկարագրվում է որպես մի քանի տեղերում միաժամանակ գտնվելու սուպերպոզիցիա։
Վարազդատը հիշեցնում է կրկնակի ճեղքով փորձը, որն իրականացվել է նաև էլեկտրոնների մասնակցությամբ։ Դա այն փորձն է, որի ժամանակ տեղադրվում է պատնեշ` երկու ճեղքերով։ Գիտնականը բացատրում է՝ երբ էլեկտրոններն ուղղում են դեպի պատնեշը, նկատվում է ինտերֆերենցիոն պատկեր՝ բազմաթիվ լուսավոր ու մութ կետեր։ Մասնիկներն ինտեֆերենցիա առաջացնել չեն կարող, հետևաբար էլեկտրոններն այս դեպքում իրենց դրսևորում են ինչպես ալիք։ Իսկ ալիքները կենտրոնացած չեն կոնկրետ կետում, այլ տարածականորեն ընդարձակված են։
Լուսանկարում կարող եք տեսնել էլեկտրոնների առաջացած ինտերֆերենցիոն պատկերը (աղբյուրը)
Սակայն երբ պատնշեի վրա դետեկտոր է տեղադրվում՝ հետևելու էլեկտրոններին, ամեն առանձին էլեկտրոն իրեն դրսևորում է ինչպես մասնիկ՝ անցնելով ճեղքերից միայն մեկի միջով ու հարվածելով էկրանին (ի դեպ, լույսի մասնիկները՝ ֆոտոնները ևս դիտարկելու դեպքում այս փորձի ժամանակ իրենց դրսևորում են ինչպես մասնիկներ)։
Քվանտային աշխարհի առանձնահատկություններից մեկն էլ, այսպիսով, այն է, որ երբ չափվում է տարրական մասնիկների որևէ վիճակ, օրինակ՝ կոորդինատը, ապա մասնիկները հայտնաբերվում են կոնկրետ վիճակում։ Բայց երբ չափում չի իրականացվում, դրանք գտնվում են մի քանի վիճակներում միաժամանակ, կամ, ինչպես ընդունված տերմինն է, մի քանի վիճակների սուպերպոզիցիայում։
Եթե դուք էլ ինձ նման փորձեցիք այս երևույթի անալոգը գտնել ձեզ շրջապատող «դասական» աշխարհում ու խճճվեցիք, ապա իսկական ժամանակն է ծանոթանալու «Ինֆոքոմի» հարևան կատուների հետ։
Փիլիսոփաների մտագրոհ կամ ինչպես հասնել ճիշտ հասկացման
Գիտությունը դեռ չի տվել այն հարցի պատասխանը, թե ինչպես է որևէ մասնիկ (ալիք) միաժամանակ գտնվում մի քանի վիճակներում, բայց չափում իրականացնելու դեպքում հայտնաբերվում է կոնկրետ մեկ վիճակում։ Տարիների ընթացքում փորձ է արվել այս երևույթին ամենատարբեր մեկնաբանություններ տալ։
Վարազդատը նշում է, որ այդ մեկնաբանություններից ոչ մեկը չի հակասում ֆիզիկայի օրենքներին, բայց նաև չկա այնպիսի մեկնաբանություն, որը փորձով ապացուցված է ու հաստատված։ Հետևաբար՝ ինքը փորձում է խուսափել մեկնաբանություններից ու վստահել մաթեմատիկական բանաձևերին։
Ես, իհարկե, չեմ դիմանա գայթակղությանն ու կպատմեմ այդ մեկնաբանություններից մեկի մասին, որն առաջ է քաշել Հյու Էվերեթ Երրորդը։ Այն կոչվում է բազմաթիվ աշխարհների մեկնաբանություն։ Արմեն Ալլահվերդյանը բացատրում է՝ ըստ այս մեկնաբանության՝ գոյություն ունեն բազմաթիվ զուգահեռ աշխարհներ։
«Շատ աշխարհներ կան, որտեղ մեզ նման մարդիկ են, բայց ինչ-որ դետալներով տարբերվող։ Էլի նստել են, խոսում են այս թեմաների մասին, բայց այդ աշխարհներից մեկում ես ձեռքս ուրիշ կերպ շարժեցի, կամ այդ աշխարհներից մեկում հեռախոսն այստեղ է դրված, ոչ թե այդտեղ (տեղաշարժում է հեռախոսը)։ Մի աշխարհ էլ կա, որտեղ արդեն ես եմ կին, Դուք՝ տղամարդ, և ես եմ Ձեզ հետ այս նույն հարցազրույցը անցկացնում։ Գուցե այսպես կամաց-կամաց հեռանում են այդ աշխարհներն իրարից ընդհուպ այնքան, որ շատ աշխարհներում ո՛չ ես գոյություն ունեմ, ո՛չ Դուք»,- ասում է նա։
Եվ ըստ այս տեսության՝ երբ գիտնականները չափում են քվանտային համակարգերը, նրանք «ընկնում են» զուգահեռ աշխարհներից միայն մեկի վրա, իսկ մյուս աշխարհները շարունակում են գոյություն ունենալ։ Այդ է պատճառը, որ տարրական մասնիկները կարող են գտնվել միաժամանակ մի քանի վիճակում։
Արմեն Ալլահվերդյանն ասում է՝ ինքն էլ չի դիմացել գայթակղությանն ու մի քանի անգամ փորձել է հասկանալ բազմաթիվ աշխարհների մոտեցումը, որը առաջ է քաշվել լուծելու քվանտային չափումների խնդիրը, բայց լուծման չի բերել և դարձել է, ինչպես գիտնականն է ձևակերպում, «պարզապես արտասովոր պատմություն, եթե ոչ առասպել»։
Գիտնականների մեծ մասը չի հավատում այս վարկածին, և միայն շատ քչերն են հայտարարել, որ լիովին հասկանում են այն։
Վարազդատը նշում է, որ քվանտային աշխարհի տարբեր մեկնաբանություններ շատ հաճախ ստեղծվում են այն հույսով, որ փորձարարական ֆիզիկայի չափումները մի օր դրանցից մեկի կամ մյուսի օգտին խոսող որևէ արդյունք կգրանցեն։ Իսկ մինչ այդ դրանք ո՛չ ճիշտ կարող ենք համարել, ո՛չ սխալ։
«Դա միշտ իրական գիտությանն օգնել է, գիտությունը միշտ մեկնաբանությունից ճշմարտություն կամ սխալմունք ու հաջորդ մեկնաբանություն է շարժվում։ Պարզապես դա գիտության քայլ չէ. փիլիսոփաների մտագրոհն է»,- ասում է գիտնականը։
Եթե անգամ գիտնականների համար է դժվար, որոշ հարցերում՝ նույնիսկ անհնար, ամբողջությամբ պատկերացնել այն օրինաչափությունները, որոնք գործում են քվանտային աշխարհում, ապա պատկերացրեք, թե որքան դժվար է մարդկանց համար, որոնք խորությամբ չեն ուսումնասիրել այդ թեմաները։
Մարդկային բանականությանը վերաբերող թեմաների սիրահար Արիկ Ավագյանը պատմում է մի տեսության մասին, ըստ որի՝ մեր բանականությունն էլ այնպիսի մի ունակություն է, ինչպիսին թռչունների թռչելու կարողությունն է․ մարդու ուղեղը ադապտացված է մակրոսկոպիկ չափերի աշխարհը հասկանալուն, հետևաբար, երբ փորձում ենք մեր ուղեղն օգտագործել միկրոսկոպիկ աշխարհը հասկանալու համար, չենք հաջողում։
Արիկն ինքը, իհարկե, թերահավատ է այս տեսության հանդեպ։
Իսկ արդյո՞ք միայն մաթեմատիակայի լեզվով ինչ-որ երևույթներ հասկանալը բավարար է։ Այս հարցին պատասխանելով` Արմեն Ալլահվերդյանն ասում է․ «Ճիշտ հասկացումը պետք է դուրս գա մաթեմատիկայի շրջանակներից, ահագին էմոցիոնալ, նույնիսկ մարմնային բաներ պարունակի։ Այսինքն՝ ինչ-որ իմաստով դու պետք է ավելի շուտ զգաս, օրինակ, էլեկտրոնը, քան նայես նրա բանաձևին։ Սովորական մարդկային բանականության սահմաններից դուրս գալու հիմնական ճանապարհը էմոցիաներն են և պատկերները»։
Քվանտային երևույթների կիրառությունները
Որքան էլ քվանտային աշխարհն առեղծվածային ու չպարզաբանված է որոշ հարցերում, դրա օրինաչափությունները հասցրել են կիրառություն գտնել տարբեր ոլորտներում՝ օպտիկայից մինչև հաշվողական համակարգեր ու նյութագիտություն։*
Հիշում եք, չէ՞, սուպերպոզիցիան՝ տարրական մասնիկների՝ միաժամանակ մի քանի վիճակներում գտնվելու երևույթը։ Այս երևույթի արդյունքն են քվանտային համակարգիչները։ Դասական համակարգիչներում ինֆորմացիան պահպանվում, մշակվում և փոխանցվում է բիթերով՝ 0-ներով կամ 1-երով։ Տարրական մասնիկներն, ինչպես արդեն նշեցինք, կարող են ունենալ միաժամանակ երկու վիճակ։ Հետևաբար, եթե փորձեք համակարգիչներում ինֆորմացիան մշակել հենց տարրական մասնիկների (օրինակ՝ ֆոտոնների) միջոցով, ապա դրանք կարող են ունենալ միաժամանակ ոչ թե մեկ արժեք՝ 0 կամ 1, այլ երկուսը՝ 0 և 1։ Սա որոշ խնդիրների լուծման համար հաշվարկային ավելի մեծ հնավարություն է տալիս։¹⁶
Վարազդատի խոսքով արդեն գոյություն ունեն տարբեր քվանտային սիմուլյացիոն համակարգիչներ, որոնք օգտագործվում են նյութագիտության ուսումնասիրություններում։ Գիտնականը, սակայն, նշում է՝ այն, որ տեսականորեն քվանտային համակարգիչները որոշ խնդիրներ շատ ավելի արագ կարող են լուծել, քան դասական համակարգիչների` ներկայիս գոյություն ունեցող ալգորիթմները, չի նշանակում, որ մի օր հաշվողական այդպիսի կարողությունների չեն հասնի նաև դասական համակարգիչները։ Հետևաբար՝ երբեմն չափազանցված են այն խոսակցությունները, որ քվանտային համակարգիչները փոխարինելու են դասական համակարգիչներին։
Իսկ թե ինչպես կարող է ինֆորմացիան մշակվել քվանտային համակարգիչներում, կամ քվանտային ինչ նոր տեխնոլոգիաներ կարող են կիրառություն գտնել, գիտական հետաքրքիր խնդիրներ են, որոնց պատասխաններ է պետք տալ նախ տեսական մակարդակում։
Քվանտային տեխնոլոգիաների բաժանմունքը զբաղվում է գիտական հենց այսպիսի խնդիրներով՝ փորձելով տեսական մակարդակում մշակել քվանտային նոր տեխնոլոգիաներ։ Արմեն Ալլահվերդյանը նշում է՝ քվանտային տեխնոլոգիաների ուսումնասիրմամբ աշխարհում շատ գիտնականներ են հետաքրքրված, հետևաբար իրենք ուսումնասիրում են ոչ թե եղածները, այլ աշխատում են գտնել էականորեն նոր տեխնոլոգիաներ։ Իսկ նոր տեխնոգիաների կիրառման տիրույթն այնքան լայն է և ոչ շատ մոտ ապագային միտված, որ նրանց հետազոտությունները երբեմն մնում են հենց տեսությունների շրջանակում։ Բաժանմունքի, ինչպես գիտնականն է ձևակերպում, ամբիցիոզ նպատակը, սակայն, հենց այնպիսի տեխնոլոգիաների հայտնաբերումն է, որոնք մի օր կարող են կիրառություն գտնել այս կամ այն ոլորտում։
Բացի քվանտային տեխնոլոգիաներից՝ թիմում զբաղվում են նաև միջառարկայական տարբեր հետազոտություններով։ Կենաֆիզիկայի ուղղությամբ հետազոտությունների նպատակն, օրինակ, կենսաբանական երևույթները բացատրելն է՝ օգտագործվելով ֆիզկայի հիմնարար սկզբունքները։
Բաժանմունքի ուղղություններից մեկն էլ որոշումների տեսությունն է, որ գտնվում է մաթեմատիկայի, ֆիզիկայի, տնտեսագիտության ու վիճակարգրության մեջտեղում և այդ գիտակարգերի տեսանկյունից ուսումնասիրում է տարբեր համակարգերում որոշումների կայացման գործընթացը։*
Մարիա Ապիտոնյանը հիշում է՝ երբ առաջին անգամ եկավ Քվանտային տեխնոլոգիաների բաժանմունք, իրեն զարմացրեց, թե որքան՝ առաջին հայացքից իրար հետ կապ չունեցող ուղղություններ կան այստեղ։ Բայց հենց այդ միջառարկայական լինելն է, որ երիտասարդ գիտնականին բաժանմունքում ամենից շատ է դուր գալիս։
«Այդ բոլոր ոլորտների խաչմերուկներում այնքան խոսակցություններ են տեղի ունենում»- ասում է Մարիան։
Քվանտային տեխնոլոգիաների բաժանմունքի ղեկավար Արմեն Ալլահվեդրյանը նշում է՝ իրենք հնարավորինս բաց են այն երիտասարդների համար, որոնք ցանկանում են գալ ու այստեղ հետազոտական որևէ նոր ուղղությամբ զբաղվել։ Այս հարցում բաժանմունքը հավատարիմ է մնում այն համոզմանը, որ «բոլոր գիտությունները հավասարաչափ հետաքրքիր են»։
Հղումներ
¹Emilio Segrè, From X-rays to Quarks: Modern Physicists and Their Discoveries,
²Emilio Segrè, From X-rays to Quarks: Modern Physicists and Their Discoveries,
³Ethan Siegel, The surprising origins of wave-particle duality,
⁴Emilio Segrè, From X-rays to Quarks: Modern Physicists and Their Discoveries,
⁵Ethan Siegel, The surprising origins of wave-particle duality,
⁶Robert P. Crease, Charles C. Mann, The Second Creation: Makers of the Revolution in Twentieth-Century Physics,
⁷Robert P. Crease, Charles C. Mann, The Second Creation: Makers of the Revolution in Twentieth-Century Physics,
⁸Ethan Siegel, The surprising origins of wave-particle duality,
⁹Helge Kragh, Quantum Generations: A History of Physics in the Twentieth Century
¹⁰Emilio Segrè, From X-rays to Quarks: Modern Physicists and Their Discoveries,
¹¹Art Hobson, Tales of the Quantum: Understanding Physics' Most Fundamental Theory,
¹²Louis De Broglie, The wave nature of the electron,
¹³Emilio Segrè, From X-rays to Quarks: Modern Physicists and Their Discoveries,
¹⁴Art Hobson, Tales of the Quantum: Understanding Physics' Most Fundamental Theory,
¹⁵Robert P. Crease, Charles C. Mann, The Second Creation: Makers of the Revolution in Twentieth-Century Physics,
¹⁶Veritasium, How Quantum Computers Break The Internet... Starting Now։
*Աստղանիշով նշված հատվածները գեներացված են արհեստական բանականությամբ։
Հեղինակ՝ Աննա Սահակյան, տեսանյութերը և լուսանկարները՝ Սարգիս Խարազյանի, մոնտաժը՝ Ռոման Աբովյանի
«Լաբորատորիայից ներս» շարքն իրականացվում է «Երիտասարդ գիտնականների աջակցության ծրագրի» (ԵԳԱԾ) ֆինանսավորմամբ։