მატერიის ცნებამ ადამიანის აზროვნების ისტორიის მანძილზე მრავალი სახეცვლილება გაიარა. განსხვავებული ფილოსოფიური სისტემები განსხვავებულ ინტერპრეტაციას იძლეოდა. სიტყვის ყველა ეს განსხვავებული მნიშვნელობა მეტნაკლებად დღემდე არსებობს იმაში, რასაც ახლა აღვიქვამთ სიტყვად „მატერია“.
ადრეული ბერძნულმა ფილოსოფიამ თალესიდან ატომისტებამდე, საყოველთაო ცვალებადობაში გამაერთიანებელი პრინციპის ძიებისას ჩამოაყალიბეს ცნება კოსმოსური მატერიისა, სამყაროს ნივთიერებისა, რომელიც ყველა ამ გარდაქმნას განიცდის, რომლისაგანაც წარმოიქმნება ყველა ცალკეული საგანი და რომელშიც უკანვე ყველა გარდაიქმნება. ეს მატერია ნაწილობრივ იდენტიფიცირდებოდა გარკვეულ ნივთიერებასთან, მაგალითად წყალთან, ჰაერთან ან ცეცხლთან; მაგრამ მხოლოდ ნაწილობრივ, რადგან მას არ გააჩნდა სხვა ნიშანთვისება გარდა იმისა, რომ ისაა მასალა, რომლისგანაც არის შექმნილი ყველაფერი.
მოგვიანებით, არისტოტელეს ფილოსოფიაში, მატერია ფორმისა და მატერიის ურთიერთკავშირში მოიაზრება. ყველაფერს, რასაც ჩვენს ირგვლივ, მოვლენათა სამყაროში აღვიქვამთ, ფორმამიღებული მატერიაა. მატერია თავისთავად რეალობა კი არა, „potentia,“ შესაძლებლობაა, ის მხოლოდ ფორმის საშუალებით არსებობს. ბუნებრივ პროცესში „არსი,“ როგორც არისტოტელე მას უწოდებს, გადადის შესაძლებლობიდან სინამდვილეში ფორმის გავლით. არისტოტელეს მატერია ნამდვილად არაა გარკვეული სახის ნივთიერება - წყლის ან ჰაერის მსგავსი - არც უბრალოდ ცარიელი სივრცეა; ის რაღაცნაირი განუსაზღვრელი ნივთიერი სუბსტრატია, რომელშიც განივთებულია ფორმის საშუალებით სინამდვილეში გადასვლის შესაძლებლობა. მატერიასა და ფორმას შორის არისტოტელეს ფილოსოფიაში ამ დამოკიდებულების ტიპური მაგალითებია ბიოლოგიური პროცესი, რომლებშიც მატერია ფორმირდება ცოცხალ ორგანიზმად და ადამიანის სამშენებლო და შემოქმედებითი საქმიანობა. ქანდაკება პოტენციალურად არსებობს მარმარილოში, ვიდრე მას მოქანდაკე გამოკვეთავს.
შემდგომში, ბევრად უფრო გვიან, დეკარტის ფილოსოფიიდან მოყოლებული, მატერია უპირველესად გონის საპირისპიროდ მოიაზრება. სამყაროში ორი კომპლემენტარული ასპექტია, „მატერია“ და „გონი,“ ან როგორც დეკარტი ამბობს, „res extensa“ და „res cogitans.“ ვინაიდან ბუნებისმეტყველების, განსაკუთრებით კი მექანიკის ახალმა მეთოდურმა პრინციპმა გამორიცხა ნივთიერი მოვლენების ყოველგვარი კავშირი სულიერ ძალებთან, მატერია შეიძლებოდა განხილულიყო თავისთავად რეალობად, რომელიც დამოუკიდებელია გონისა და ყოველგვარი ზებუნებრივი ძალებისგან. ამ პერიოდის მატერია „ფორმირებული მატერიაა,“ ფორმირების პროცესი კი ინტერპრეტირებულია, როგორც მექანიკურ ურთიერთქმედებათა მიზეზობრივი ჯაჭვი; მას დაკარგული აქვს კავშირი არისტოტელეს ფილოსოფიის ვეგეტატიურ სულთან და შესაბამისად, მატერიისა და ფორმის დუალიზმი აზრს მოკლებულია. მატერიის სწორედ ეს ცნებაა სიტყვის ახლანდელი მნიშვნელობის ყველა სხვაზე ბევრად უფრო ძლიერი შემადგენელი ნაწილი.
საბოლოოდ, მეცხრამეტე საუკუნის ბუნებისმეტყველებაში სხვა დუალიზმი თამაშობდა გარკვეულ როლს, დუალიზმი ძალასა და მატერიას შორის. მატერიაა ის, რაზეც ძალა მოქმედებს; და მატერიაა ის , რაც ძალას წარმოქმნის. მატერია, მაგალითად, წარმოქმნის გრავიტაციულ ძალას, და ეს ძალა მატერიაზე მოქმედებს. მატერია და ძალა ნივთიერი სამყაროს ორი, გამორჩეულად განსხვავებული ასპექტია. იმდენად რამდენადაც ძალა შეიძლება ფორმის მიმცემი ძალა იყოს, ეს განცალკევება უახლოვდება არისტოტელესეულ განცალკევებას მატერიასა და ფორმას შორის. მეორეს მხრივ, თანამედროვე ფიზიკის უახლეს შედეგებში ეს განცალკევება სრულიად დაიკარგა, რადგან ნებისმიერი ძალის ველი შეიცავს ენერგიას და ამდენად, მატერიასაც. ყველა ძალის ველს მიეკუთვნება გარკვეული სახის ელემენტარული ნაწილაკი არსებითად იგივე თვისებებით, როგორიც მატერიის ყველა სხვა ატომურ ერთეულს აქვს.
როდესაც ბუნებისმეტყველება მატერიის პრობლემას იკვლევს, მას ამის გაკეთება მხოლოდ მატერიის ფორმების შესწავლით შეუძლია. მატერიის ფორმების უსასრულო მრავალფეროვნება და ცვალებადობა შესწავლის უშუალო ობიექტი უნდა იყოს და ძალისხმევა მიმართული უნდა იქნას ბუნებრივი კანონზომიერებების, გამაერთიანებელი პრინციპების საპოვნელად, რომლებიც ამ უზარმაზარ არეზე გზამკვლევის სამსახურს გასწევენ. შესაბამისად, ბუნებისმეტყველების – და განსაკუთრებით ფიზიკის – ინტერესი ხანგრძლივი დროის განმავლობაში თავმოყრილი იყო მატერიის აგებულების და ამ აგებულებაზე პასუხისმგებელ ძალების ირგვლივ.
გალილეოს დროიდან მოყოლებული ბუნებისმეტყველების ძირითადი მეთოდი ექსპერიმენტია. ამ მეთოდმა შესაძლებელი გახადა ზოგადი ხასიათის გამოცდილლებიდან კერძო ხასიათის გამოცდილებაზე გადასვლა, დამახასიათებელი ბუნებრივი პროცესების გამოცალკევება, რომელთაგანაც ბუნების „კანონების“ შესწავლა უფრო უშუალოდაა შესაძლებელი, ვიდრე ზოგადი გამოცდილებიდან. მატერიის აგებულების შესასწავლად მატერიაზე ექსპერიმენტი უნდა ჩატარებულიყო. საჭირო გახდა მატერიის ექსტრემალურ პირობებში ჩაყენება, რათა მისი გარდაქმნები შეესწავლათ იმ იმედით, რომ მოხერხდებოდა მატერიის ფუნდამენტური თვისებების აღმოჩენა, რომლებსაც ის უცვლელად ინარჩუნებს ყველა მისი აშკარა ცვლილების დროსაც კი.
თანამედროვე ბუნებისმეტყველების ადრეულ პერიოდში ეს ქიმიის საგანი იყო და ამ ძალისხმევამ საკმაოდ მალე ქიმიური ელემენტის ცნებასთან მიგვიყვანა. ნივთიერებას, რომლის შემდგომი დაშლა შეუძლებელია ქიმიკოსის ხელთ არსებული საშუალებებით – დუღილით, წვით, გახსნით, სხვა ნივთიერებებთან შერევით და ა.შ. - ელემენტი უწოდეს. ამ ცნების შემოღებით პირველი და უმნიშვნელოვანესი ნაბიჯი გადაიდგა მატერიის აგებულების გაგებისკენ. ნივთიერებათა უზარნაზარი მრავალფეროვნება შედარებით მცირე რაოდენობის უფრო ძირეულ ნივთიერებებზე, „ელემენტებზე“ იქნა დაყვანილი და სხვადასხვა ქიმიურ მოვლენებში გარკვეული სახის წესრიგი დაყარდა. შემდგომში სიტყვა „ატომი“ გამოყენებულ იქნა ელემენტის შემადგენელი მატერიის უმცირესი ერთეულის აღსანიშნავად, ხოლო ქიმიური ნაერთის უმცირესი ნაწილაკის წარმოდგენა შესაძლებელ გახდა განსხვავებული ატომების მცირე ჯგუფის საშუალებით. მაგალითად, ელემენტ რკინის უმცირესი ნაწილაკი რკინის ატომია, წყლის უმცირესი ნაწილაკი კი წყლის მოლეკულა, რომელიც ჟანგბადის ერთი და წყალბადის ორი ატომისგან შედგება.
შემდეგი, თითქმის იგივე მნიშვნელობის ნაბიჯი ქიმიურ პროცესში მასის შენახვის აღმოჩენა გახდა. როდესაც მაგალითად ელემენტ ნახშირბადის დაწვით ნახშირორჟანგი მიიღება, ნახშირორჟანგის მასა პროცესამდე ნახშირბადისა და ჟანგბადის მასების ჯამის ტოლია. სწორედ ამ აღმოჩენამ შესძინა რაოდენობრივი მნიშვნელობა მატერიის ცნებას: მატერიის გაზომვა მისი ქიმიური თვისებებისგან დამოუკიდებლად, მისი მასის საშუალებითაა შესაძლებელი.
შემდგომ პერიოდში, ძირითადად მეცხრამეტე საუკუნეში ახალი ელემენტების წყება აღმოაჩინეს; ჩვენს დროში მათმა რიცხვმა ასს მიაღწია. ამ განვითარებამ ცხადად გვაჩვენა, რომ ელემენტის ცნებას არ მიუღწევია იმ წერტილამდე, სადაც შესაძლებელი გახდებოდა მატერიის ერთიანობის გაგება. დამაკმაყოფილებლად ვერ ჩაითვლებოდა ის წარმოდგენა, რომ ამდენი სახის მატერია არსებობს, ერთმანეთისგან თვისობრივად განსხვავებული და ერთმანეთთან დაუკავშირებელი. მეცხრამეტე საუკუნის დასაწყისში ელემენტებს შორის არსებული კავშირის გარკვეული მტკიცებულებები გამოჩნდა იმ ფაქტში, რომ განსხვავებული ელემენტების ატომური წონები წყალბადის ატომური წონის ახლოს მყოფი უმცირესი ერთეულის ჯერადი აღმოჩნდა. ზოგიერთი ელემენტის ქიმიური თვისებების მსგავსებაც იგივე მიმართულებით მიანიშნებდა. თუმცა მხოლოდ ახალი ძალების აღმოჩენამ, რომლებიც სიძლიერით ბევრად აღემატება ქიმიურ პროცესებში მონაწილე ძალებს, გახადა შესაძლებელი განსხვავებულ ელემენტებს შორის კავშირის დამყარება და მატერიის ერთიანობასთან მიახლოება.
ეს ძალები რადიოაქტიურ პროცესში იპოვეს, რომელიც ბეკერელმა 1896 წელს აღმოაჩინა. კიურის, რეზერფორდის და სხვათა თანმიმდევრულმა კვლევამ რადიოაქტიურ პროცესში ელემენტების ურთიერთგარდაქმნები გამოააშკარავა. ამ პროცესებში ხდებაატომის ფრაგმენტების ამოფრქვევა ენერგიით, რომელიც დაახლოებით მილიონჯერ აღემატება ქიმიურ პროცესში ცალკეული ატომური ნაწილაკის ენერგიას. შესაბამისად, შესაძლებელი გახდა ამ ნაწილაკების გამოყენება ატომის შინაგანი აგებულების ახალ საკვლევ იარაღად. რეზერფორდის მიერ α-ნაწილაკების გაბნევაზე 1911 წელს ჩატარებული ექსპერიმენტების შედეგი ატომის ბირთვული მოდელია. ამ საყოველთაოდ ცნობილი მოდელის უმნისვნელოვანესი თვისება ატომის ორ, მკვეთრად განსხვავებულ ნაწილად, ატომურ ბირთვად და მის გარემომცველ ელექტრონულ შრეებად დაყოფაა. ატომის შუაგულში ბირთვს ატომით შევსებული სივრცის უკიდურესად მცირე ნაწილი უჭირავს (მისი რადიუსი დაახლოებით ასიათასჯერ ნაკლებია ატომისაზე), თუმც კი თითქმის მთელ მის მასას შეიცავს. მისი დადებითი ელექტრული მუხტი, რომელიც ე.წ. ელემენტარული მუხტის ჯერადია, განსაზრვრავს გარემომცველი ელექტრონების რაოდენობას და მათი ორბიტების ფორმას.
ატომის ბირთვსა და ელექტრონულ შრეებს შორის არსებულმა გამიჯვნამ მყისიერად მოუძებნა ახსნა იმ ფაქტს, რომ ქიმიისთვის ქიმიური ელემენტი მატერიის უკანასკნელი ერთეულია და რომ ელემენტების ერთმანეთში გარდასაქმნელად ბევრად უფრო ძლიერი ძალებია საჭირო. მეზობელ ატრომებს შორის ქიმიურ ბმას ელექტრონული შრეების ურთიერთქმედება განაპირობებს და ამ ურთიერთქმედების ენერგია შედარებით მცირეა. განმუხტვის მილაკში სულ რამდენიმე ვოლტის პოტენციალით აჩქარებული ელექტრონის ენერგია საკმარისია ელექტრონული შრის გამოსასხივებლად აღგზნებისათვის, ან მოლეკულაში ქიმიური ბმის გასაწყვეტად. თუმცა ატომის ქიმიურ თვისებებს, რომლებიც ელექტრონული შრეების საშუალებით ვლინდება, საბოლოოდ ბირთვის მუხტი განსაზღვრავს. ქიმიური თვისებების შესაცვლელად, ბირთვის შეცვლაა აუცილებელი, ეს კი დაახლოებით მილიონჯერ უფრო მეტი ენერგიას მოითხოვს.
თუმცა ატომის ბირთვული მოდელი ვერ ხსნის ატომის მგრადობას, თუ მას წარმოვიდგენთ, როგორც სისტემას, რომელიც ნიუტონის მექანიკის კანონებს ემორჩილება. როგორც ერთერთ წინა თავში ავღნიშნეთ, მხოლოდ კვანტური თეორიის ბორის შრომაში გამოყენებამ შეძლო იმ ფაქტის ახსნა, რომ ნახშირბადის ატომი მაგალითად, სხვა ატომებთან ურთიერთქმედების, ან გამოსხივების შემდეგ საბოლოოდ ისევ ნახშირბადის ატომად რჩება იგივე ელექტრონული შრეებით. ეს მდგრადობა მარტივად აიხსნება კვანტური თეორიის სწორედ იმ თვისებების წყალობით, რომლებიც შეუძლებელს ხდის ატომის აგებულების მარტივ, ობიექტურ აღწერას სივრცესა და დროში.
ასეთნაირად შეიქმნა პირველი საფუძველი მატერიის გაგებისთვის. ატომების ქიმიური და სხვა თვისებების ახსნა შესაძლებელი გახდა ელექტრონული შრეებისთვის კვანტური თეორიის მათემატიკური სქემის გამოყენებით. ამ საფუძველიდან უკვე შეიძლებოდა მატერიის აგებულების ანალიზის ორი მიმართულებით განვრცობა. შეიძლებოდა ატომების ურთიერთქმედების, მათი უფრო მოზრდილი ზომის ერთეულებთან - მოლეკულებთან, კრისტალებთან თუ ბიოლოგიურ ობიექტებთან ურთიერთმიმართების შესწავლა; აგრეთვე შესაძლებელი იყო ატომის ბირთვის და მისი შემადგენელი ნაწილების კვლევის საშუალებით მატერიის საბოლოო ერთიანობამდე შეღწევა. ბოლო ათწლეულებში კვლევა ორივე მიმართულებით მიმდინარეობდა და მომდევნო გვერდებზე ამ ორ სფეროში კვანტური თეორიის როლით დავკავდებით.
მეზობელ ატომებს შორის ძირითადად ელექტრული ძალები მოქმედებს, საპირისპირო მუხტებს შორის მიზიდვის და ერთგვარ მუხტებს შორის – განზიდვის; ელექტრონები მიიზიდება ბირთვის მიერ და განიზიდება ერთმანეთის მიერ. თუმცა ეს ძალები მოქმედებს არა ნიუტონის მექანიკის, არამედ კვანტური თეორიის კანონების მიხედვით.
ატომებს შორის ეს წარმოქმნის ორი სახის ბმას. ერთი სახის ბმაში ერთი ატომის ელექტრონი გადადის მეორე ატომში, მაგალითად, თითქმის შევსებული შრის შევავსებად. ამ შემთხვევაში ორივე ატომი იმუხტება და ფიზიკოსის თქმით, წარმოქმნის იონს, და ვინაიდან ამ იონებს საპირისირო მუხტები აქვს, ისინი ურთიერთმიიზიდება.
მეორე სახის ბმაში ელექტრონი ორივე ატომს ეკუთვნის, რაც კვანტური თეორიისათვისაა დამახასიათებელი. თუ ელექტრონული ორბიტების წარმოდგენას მივმართავთ, შეიძლება ითქვას, რომ ელექტრონი ორივე ატომის ირგვლივ ბრუნავს და ერთმანეთთან შესადარის დროს ატარებს თითოეულ ბირთვთან. ამ მეორე სახის ბმას ქიმიკოსები ვალენტურ ბმას უწოდებენ.
ეს ორი სახის ბმა, რომელიც ნებისმიერი თანაფარდობით შეიძლება შეგვხვდეს, განაპირობებს ატომების სხვადასხვანაირი დაჯგუფებების წარმოქმნას და მთლიანად განსაზღვრავს ნივთიერების ნებისმიერი სირთულის აგებულებას, რომელსაც ფიზიკა და ქიმია სწავლობს. ქიმიური ნაერთების წარმოქმნა ხდება ატომთა მცირე, ჩაკეტილი ჯგუფების ჩამოყალიბებით, სადაც თითოეული ჯგუფი ამ ნაერთის მოლეკულაა. კრისტალების წარმოქმნა ხდება ატომების რეგულარულ მესერში მოწესრიგებით. ლითონები წარმოიქმნება, როდესაც ატომები იმდენად მჭიდროდ არიან მოწყობილი, რომ მათ გარე ელექტრონებს შეუძლიათ მიატოვონ საკუთარი შრე და მთელ კრისტალში იხეტიალონ. მაგნეტიზმი ელექტრონის ბზრიალის წყალობით ჩნდება და ა.შ.
ყველა ამ შემთხვევაში ჯერ კიდევ შესაძლებელია მატერიასა და ძალას შორის დუალიზმის შენარჩუნება, ვინაიდან შეიძლება ბირთვი და ელექტრონები მატერიის ფრაგმენტებად განვიხილოთ, რომლებსაც ერთად ელექტრომაგნიტური ძალები აკავებს.
თუ მატერიის აგებულებასთან მიმართებით ფიზიკასა და ქიმიას შორის ამ გზით თითქმის სრული თანხმობა დამყარდა, ბიოლოგიას საქმე აქვს უფრო რთულ და რამდენადმე განსხვავებული სახის სტრუქტურებთან. მიუხედავად ცოცხალი ორგანიზმის ერთიანობისა, ცოცხალ და არაცოცხალ მატერიას შორის მკვეთრი საზღვრის გავლება ნამდვილად შეუძლებელია. ბიოლოგიის განვითარება გვაწვდის უამრავ ისეთ მაგალითს, რომელშიც შეიძლება დავინახოთ, რომ გარკვეული ბიოლოგიური ფუნქციები ხორციელდება განსაკუთრებული დიდი მოლეკულებით ან ასეთი მოლეკულების ჯგუფებითა თუ ჯაჭვებით, და თანამედროვე ბიოლოგიაში არსებობს ბიოლოგიური პროცესების ფიზიკისა და ქიმიის კანონზომიერებებით ახსნის მზარდი ტენდენცია. თუმცა მდგრადობა, რომელსაც ცოცხალი ორგანიზმები ავლენენ, რამდენადმე განსხვავებული ხარისხისაა კრისტალებში ატომების მდგრადობასთან შედარებით. ეს პროცესის თუ ფუნქციის მდგრადობა უფროა, ვიდრე ფორმის. ეჭვგარეშეა, რომ კვანტური თეორიის კანონზომიერებანი ძალიან მნიშვნელოვან როლს თამაშობს ბიოლოგიურ მოვლენებში. მაგალითად, ის სპეციფიურად კვანტურ-თეორიული ხასიათის ძალები, რომლებსაც მხოლოდ არაზუსტი მიახლოებით აღწერს ქიმიური ვალენტობის ცნება, არსებითია დიდი ზომის ორგანული მოლეკულების და მათი განსხვავებული გეომეტრიული წყობის გასაგებად; დასხივებით გამოწვეული ბიოლოგიური მუტაციების ექსპერიმენტებში ჩანს როგორც კვანტურ-თეორიული სტატისტიკური კანონზომიერებების რელევანტურობა, აგრეთვე გამაძლიერებელი მექანიზმების არსებობა. ჩვენი ნერვული სისტემის მუშაობას და თანამედროვე ელექტრონულ კომპიუტერის ფუნქციონირებას შორის მჭიდრო ანალოგიის არსებობა კვლავ ხაზს უსვამს ცოცხალ ორგანიზმში ცალკეული ელემენტარული პროცესების მნიშვნელობას. და მაინც, ეს ყველაფერი ერთად ვერ ამტკიცებს იმას, რომ ფიზიკა და ქიმია შეძლებს ევოლუციის ცნებასთან ერთად ერთ მშვენიერ დღეს ცოცხალი ორგანიზმის სრული აღწერა შემოგვთავაზოს. ექსპერიმენტატორი მეცნიერი ბიოლოგიურ პროცესს ბევრად უფრო მეტი სიფრთხილით უნდა მოეპყრას, ვიდრე ფიზიკურსა და ქიმიურს. ბორის აზრით, არაა გამორიცხული, რომ ცოცხალი ორგანიზმის აღწერა, რომელიც ფიზიკოსის თვალსაზრისით სრულად შეიძლება ჩაითვალოს, შეუძლებელიც კი აღმოჩნდეს, რადგან ისეთი ცდების ჩატარება მოითხოვოს, რომლებიც ზედმეტად ძლიერ ზემოქმედებას ახდენენ ბიოლოგიურ ფუნქციებზე. ბორმა ეს სიტუაცია შემდეგნაირად აღწერა: ბიოლოგიაში ჩვენ საქმე გვაქვს უფრო შესაძლებლობების გამოვლინებებთან იმ ბუნებაში, რომელსაც თავად ვეკუთვნით, ვიდრე ექსპერიმენტების შედეგებთან, რომლებსაც თავად ვატარებთ. კომპლემენტარულობის სიტუაცია, რომელზედაც ეს ფორმულირება მიანიშნებს, ტენდეციადაა წარმოდგენილი თანამედროვე ბიოლოგიურ კვლევაში, რომელიც ერთის მხრივ, სრულად იყენებს ფიზიკის და ქიმიია მეთოდებს, მეორეს მხრივ, ეყრდნობა ორგანული ბუნების ისეთ ცნებებს, რომლებსაც ფიზიკა და ქიმია არ შეიცავს, მაგალითად თვით სიცოცხლის ცნებას.
აქამდე ჩვენ მივყვებოდით ნივთიერების აგებულების ანალიზს ერთი მიმართულებით - ატომიდან უფრო რთული, მრავალი ატომისგან შედგენილი სტრუქტურებისკენ; ატომური ფიზიკიდან მყარი სხეულების ფიზიკისკენ, ქიმიისა და ბიოლოგიისკენ. ახლა პირი უნდა ვიბრუნოთ და თვალი მივადევნოთ კვლევის მიმართულებას ატომის გარე ნაწილებიდან შიდა ნაწილებისკენ, ბირთვიდან ელემენტრული ნაწილაკებისკენ. ესაა ხაზი, რომელსაც სავარაუდოდ შეუძლია მატერიის ერთიანობის გაგებასთან ჩვენი მიყვანა. მატერიის დამახასიათებელი სტრუქტურების ჩვენი ექსპერიმენტებით დანგრევის აქ აღარ უნდა გვეშინოდეს. როდესაც მატერიის საბოლოო ერთიანობის გამოცდის ამოცანაა დასმული, შეგვიძლია მასზე უძლიერესი შესაძლო ძალებით მოქმედება და მისი უკიდურეს პირობებში ჩაყენება, რათა შევძლოთ დანახვა, გარდაიქმნება თუ არა ნებისმიერი სახის მატერია სხვა სახის მატერიად.
ამ მიმართულებით პირველი ნაბიჯი ატომის ბირთვის ექსპერიმენტული ანალიზი იყო. ამ კვლევის საწყის პერიოდში, რომელიც ჩვენი საუკუნის ( მეოცე საუკუნის მთ. შენ.) პირველ სამ ათწლეულს მოიცავს, ერთადერთი ხელმისაწვდომი ექსპერიმენტული იარაღი რადიოაქტიური სხეულებიდან გამოსხივებული α-ნაწილაკების ნაკადი იყო. ამ ნაწილაკების საშუალებით რეზერფორდმა 1919 წელს მოახერხა რვა მსუბუქი ელემენტის ბირთვის გარდაქმნა, მან შეძლო, მაგალითად, აზოტის ბირთვისთვის α-ნაწილაკის დამატებით და იქიდან ერთი პროტონის ამოგდებით მისი ჟანგბადის ბირთვად გარდაქმნა. ესაა ბირთვულ დონეზე ჩატარებული პირველი ექსპერიმენტი, რომელიც ქიმიურ ცდას მოგვაგონებს, მაგრამ ელემენტების გარდაქმნამდე მივყავართ. შემდეგი არსებითი წინსვლა, როგორც ცნობილია, პროტონების მაღალი ძაბვის დანადგარით ხელოვნურად აჩქარება იყო ისეთ ენერგიებამდე, რომლებიც საკმარისია ბირთვული გარდაქმნების გამოსაწვევად. ამისათვის მილიონ ვოლტამდე ძაბვებია საჭირო და კოკროფტ - ვალტონის პირველ და გადამწყვეტ ექსპერიმენტში შეძლეს ელემენტ ლითიუმის ბირთვი ელემენტ ჰელიუმის ბირთვად გარდაექმნათ. ამ აღმოჩენამ კვლევის სრულიად ახალი მიმართულება გამოაჩინა, რომელსაც პირდაპირი მნიშვნელობით ბირთვული ფიზიკა შეიძლება დარქმეოდა და რომელმაც მოკლე დროში ატომური ბირთვის აგებულების თვისობრივ გაგებამდე მიგვიყვანა.
აღმოჩნდა, რომ ბირთვის აგებულება მართლაც ძალიან მარტივია. ატომის ბირთვი მხოლოდ ორი სახის ელემენტარული ნაწილაკისგან არის შედგენილი. ამათგან ერთი პროტონია, რომელიც ამავე დროს უბრალოდ წყალბადის ბირთვია; მეორეს ნეიტრონი ეწოდება; ამ ნაწილაკს დაახლოებით იგივე მასა აქვს, რაც პროტონს, მაგრამ ელექტრულად ნეიტრალურია. ნებისმიერი ბირთვის დახასიათება მასში შემავალი პროტონების და ნეიტრონების რიცხვითაა შესაძლებელი. ნახშირბადის ნორმალური ბირთვი მაგალითად, 6 პროტონს და 6 ნეიტრონს შეიცავს. არსებობს ნახშირბადის განსხვავებული ბირთვიც, რომელიც უფრო იშვიათია (მას პირველის მიმართ იზოტოპურს უწოდებებნ), რომელიც 6 პროტონისა და 7 ნეიტრონისგან შედგება, და ა.შ. ასე რომ საბოლოოდ მიღწეულ იქნა მატერიის აღწერა, რომელშიც მრავალი განსხვავებული ელემენტის ნაცვლად მხოლოდ სამი ძირეული ერთეული ფიგურირებს: პროტონი, ნეიტრონი და ელექტრონი. მთელი მატერია ატომებისგან შედგება, ამდენად ის ამ სამი ძირეული აგურითაა აგებული. ეს ჯერ არ ნიშნავდა მატერიის ერთიანობას, თუმც კი დიდი ნაბიჯი გადაიდგა ერთიანობისკენ და რაც შესაძლოა, უფრო მნიშვნელოვანიც კია – გამარტივებისკენ. რა თქმა უნდა, ბირთვის ორი სამშენებლო აგურის გაგებიდან მისი აგებულების სრულად გაგებამდე ჯერ კიდევ დიდი გზა იყო გასავლელი,. აქ პრობლემა რამდენადმე განსხვავებული ხასიათისა იყო გარე ატომური შრეების შესაბამისი პრობლემისგან განსხვავებით, რომელიც ოციანი წლების შუაში გადაწყვიტეს. ელექტრონულ შრეებში ნაწილაკებს შორის მოქმედი ძალები ცნობილი იყო ზედმიწევნით ზუსტად, თუმცა დინამიკური კანონები დასადგენი იყო და დადგინდა კიდეც კვანტური მექანიკის მეშვეობით. ბირთვში დინამიკური კანონები მყარი ვარაუდით ისევ კვანტური მექანიკისა უნდა ყოფილიყო, სამაგიეროდ ნაწილაკებს შორის ურთიერთქმედების ძალები იყო უცნობი; მათი დადგენა ბირთვის ექსპერიმენტული თვისებებით უნდა მოხდარიყო. ეს პრობლემა დღემდე სრულად გადაჭრილი არაა. ეს ძალები სავარაუდოდ ისეთი მარტივი ფორმისა არაა, როგორც ელექტრონულ შრეებში მოქმედი ელექტროსტატიკური ძალები. შესაბამისად, რთული ძალებიდან თვისებათა მათემატიკური გამოთვლის სირთულე და ექსპერიმენტების უზუსტობა წინსვლას აძნელებს. თუმცა ბირთვის აგებულების თვისობრი გაგება ნამდვილად მიღწეულია.
ამის შემდეგ დარჩა საბოლოო პრობლემა მატერიის ერთიანობისა. არის თუ არა ეს სამი ფუნდამენტური სამშენებლო აგური – პროტონი, ნეიტრონი და ელექტრონი - მატერიის საბოლოო და ურღვევი ერთეული, ატომი დემოკრიტეს გაგებით, ერთმანეთისგან სრულიად დამოუკიდებელი, თუ არ ჩავთვლით მათ შორის მოქმედ ძალებს, ან იქნებ ისინი ერთი და იმავე მატერიის განსხვავებული ფორმებია? შესაძლებელია თუ არა მათი ერთმანეთში გარდაქმნა? ამ პრობლემაზე ექსპერიმენტული შეტევის განხორციელება ატომურ ნაწილაკებზე ბევრად უფრო დიდი ძალებისა და ენერგიების კონცენტრაციას ითხოვს, ვიდრე ატომის ბირთვის კვლევისთვისაა აუცეილებელი. ვინაიდან ატომის ბირთვში თავმოყრილი ენერგია არასაკმარისია ასეთი კვლევის ინსტრუმენტის უზრუნველსაყოფად, ფიზიკოსებს ისღა დარჩენიათ, რომ კოსმოსური მასშტაბის ძალების, ან ინჟინერთა გონებამახვილობის და ოსტატობის იმედად იყვნენ.
სინამდვილეში წინსვლა ორივე მიმართულებით ხდება. პირველ შემთხვევაში ფიზიკოსები ე.წ. კოსმოსურ სხივებს იყენებენ. ვარსკვლავების ზედაპირზე ელექტრომაგნიტური ველი უზარმაზარ სივრცეშია განფენილი და გარკვეულ პირობებში შეუძლია დამუხტული ატომური ნაწილაკების, ელექტრონების და ბირთვების აჩქარება. ბირთვს მეტი ინერტულობის წყალობით ამაჩქარებელ ველში უფრო დიდი მანძილის გავლის მეტი შანსი აქვს, ამიტომ როცა ვარსკვლავის ზედაპირს ტოვებს და ცარიელ სივრცეში გადადის, რამდენიმე მილიარდი ვოლტის ამაჩქარებელი პოტენციალი აქვს გავლილი. აქ შესაძლებელია დამატებითი აჩქარების შეძენა ვარსკვლავთშორის სივრცეში არსებულ მაგნიტურ ველში; ყოველ შემთხვევაში ბირთვები სავარაუდოდ გალაქტიკის ფარგლებში რჩება ცვალებადი მაგნიტური ველების მოქმედებით და საბოლოოდ ისინი სივრცეს ე.წ. კოსმოსური გამოსხივებით ავსებებენ. ეს გამოსხივება დედამიწამდეც აღწევს და პრაქტიკულად ყველანაირი ბირთვისგან შედგება, მათ შორის წყალბადის, ჰელიუმის და ბევრი სხვა, უფრო მძიმე ელემენტის ბირთვებისგან, რომელთა ენერგია დაახლოებით ასეული და ათასეული მილიონი ელექტრონვოლტიდან იშვიათ შემთხვევებში მილიონჯერ უფრო მაღალ სიდიდეებსაც აღწევს. როდესაც ამ კოსმოსური გამოსხივების ნაწილაკები დედამიწის ატმოსფეროში შემოდის, ისინი აზოტის და ჟანგბადის ატომებს, ან ნებისმიერი ექსპერიმენტული დანადგარის ატომებს ეჯახება.
კვლევის მეორე მიმართულება დიდი ამაჩქარებლების აგებაა, რომელთა პროტოტიპი ლოურენსის მიერ კალიფორნიაში ოცდაათიანების ბოლოს შექმნილი ე.ც. ციკლოტრონია. ამ დანადგარების ძირითადი იდეა მაგნიტური ველის საშუალებით დამუხტული ნაწილაკების წრიული მოძრაობის შენარჩუნებაა, მაშინ როდესაც ელექტრული ველი მათ ამ მოძრაობის განმავლობაში კვლავ და კვლავ აჩქარებს. დანადგარები, რომლებშიც ასეულობით მილიონი ელექტრონვოლტის ტოლი ენერგია მიიღწევა, არსებობს დიდ ბრიტანეთში, ხოლო თორმეტი ევროპული ქვეყნის თანამშრომლობით ჟენევაში ამჟამად იგება ამ ტიპის დანადგარი, რომელიც ვიმედოვნებთ, 25 000 მილიონი ელექტრონ ვოლტის ენერგიას მიაღწევს. კოსმოსური სხივების და ამაჩქარებლების საშუალებით ჩატარებულმა ექსპერიმენტებმა მატერიის ახალი, საინტერესო თვისებები გამოამჟღავნა. მატერიის სამი ძირითადი სამშენებლო აგურის - ელექტრონის, პროტონის და ნეიტრონის გარდა აღმოაჩინეს ახალი ელემენტარული ნაწილაკები, რომელებიც ამ უმაღლესი ენერგიის მქონე პროცესებში წარმოიქმნება და მალევე ისევ ქრება. ახალ ნაწილაკებს ძველის მსგავსი თვისებები აქვს, იმ განსხვავებით, რომ ისინი არამდგრადია. მათგან ყველაზე სტაბილურის სისცოცხლის ხანგრძლივობა დაახლოებით წამის მემილიონედია, ნაკლებად სტაბილურიებისა კი ამაზე ათასჯერ უფრო მოკლე. დღეისათვის დაახლოებით ოცდახუთი ახალი ელემენტარული ნაწილაკია ცნობილი, რომელთა წარმოქმნაც ამ პროცესებშია შესაძლებელი; ამათგან ყველაზე ბოლოდროინდელი ნეგატიური პროტონია.
ეს შედეგი ერთი შეხედვით თითქოს გვაშორებს მატერიის ერთიანობის იდეას, რადგან მატერიის ფუნდამენტური ერთეულების რაოდენობა კვლავ განსხვავებული ქიმიური ელემენტების რაოდენობის შესადარისი გახდა. თუმცა ეს სწორი ინტერპრეტაცია არ იქნებოდა. ცდები გვიჩვენებს, რომ ეს ნაწილაკები სხვა ნაწილაკებიდან, ან უბრალოდ ასეთი ნაწილაკების კინეტიკური ენერგიიდან წარმოიქმნება, და კვლავ იშლება სხვა ნაწილაკებად. სინამდვილეში ეს ექსპერიმენტები მატერიის სრული ურთიერთცვალებადობის მაჩვენებელია. ნებისმიერი ელემენტარული ნაწილაკი, საკმარისად მაღალი ენერგიის პირობებში, შესაძლებელია სხვა ნაწილაკებად გარდაიქმნას, ან შესაძლებელია მათი წარმოქმნა კინეტიკური ენერგიიდან და მათი ანიჰილაციით ენერგიად, მაგალითად, გამოსხივებად გარდაქმნა. ამრიგად აქ საქმე გვაქვს მატერიის ერთიანობის საბოლოო მტკიცებულებასთან. ელემენტარული ნაწილაკები ერთი და იმავე სუბსტანციისაგან შედგება, რომელსაც შეიძლება ენერგია ან უნივერსალური მატერია ვუწოდოთ; ისინი მხოლოდ განსხვავებული ფორმებია, რომლითაც მატერია გვევლინება.
თუ ამ მდგომარეობას მატერიისა და ფორმის არისტოტელესეულ ცნებებს შევადარებთ, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ არისტოტელეს მატერია, რომელიც უბრალოდ „potentia“ არის, ენერგიის ჩვენეული ცნების შესადარისია რომელიც „სინამდვილეში“ ფორმის საშუალებით ვლინდება, როდესაც ელემენტარული ნაწილაკები წარმოიქმნება.
თანამედროვე ფიზიკა, რა თქმა უნდა, ვერ დაკმაყოფილდება მატერიის ფუნდამენტური აგებულების მხოლოდ თვისობრივი აღწერით; ის უნდა ეცადოს გულმოდგინე ექსპერიმენტული კვლევის საფუძველზე იმ ბუნებრივი კანონზომიერებების მათემატიკური ფორმულირება იპოვოს, რომლებიც მატერიის „ფორმებს“- ელემენტარულ ნაწილაკებს და მათ ძალებს განსაზღვრავს. ფიზიკის ამ ნაწილში მატერიასა და ძალებს შორის ცხადი განსხვავების მონახვა ვეღარ ხერხდება, რადგან თითოეული ელემენტარული ნაწილაკი არა მარტო წარმოქმნის გარკვეულ ძალებს და ექვემდებარება ძალების მოქმედებას, არამედ ამავე დროს წარმოადგენს კიდეც გარკვეული ძალის ველს. ტალღების და ნაწილაკების კვანტურ-თეორიული დუალიზმი ერთსა და იმავე ერთეულს მატერიადაც ავლენს და ძალადაც.
ელემენტარული ნაწილაკების მათემატიკური აღწერის ყველა მცდელობა დღემდე ტალღური ველის კვანტური თეორიით იწყებოდა. ამ ტიპის თეორიებზე მუშაობა ოცდაათიანი წლების დასაწყისიდან იღებს სათავეს. თუმცა პირველივე კვლევებმა ამ მიმართულებით სერიოზული სიძნელეები გამოაჩინა, რომელთა ფესვები კვანტური თეორიის და ფარდობითობის სპეციალურ თეორიის კომბინაციაშია. ერთი შეხედვით ამ ორ თეორიას, სახელდობრ კვანტურ თეორიას და ფარდობითობის სპეციალურ თეორიას ბუნების იმდენად განსხვავებულ ასპექტებთან აქვს საქმე, რომ ერთმანეთთან პრაქტიკულად არაფერი ესაქმება, ანუ წესით ადვილი უნდა იყოს ერთ ფორმალიზმში ორივეს მოთხოვნათა შესრულება. მიუხედავად ამისა ახლოდან შეხედვისას ჩანს, რომ ორ თეორიას აქვს ერთი შეხების წერტილი და სწორედ ამ წერტილიდან წარმოიქმნება მთელი სიძნელები.
ფარდობითობის სპეციალურმა თეორიამ გამოავლინა სივრცისა და დროის სტრუქტურა, რომელიც რამდენადმე განსხვავდება ნიუტონის მექანიკის დროიდან ზოგადად მიღებულისგან. ახალაღმოჩენილი სტრუქტურის ყველაზე უფრო დამახასიათებელი თვისება მაქსიმალური სიჩქარის არსებობაა, რომელსაც ვერ გადააჭარბებს ვერც მოძრავი სხეული და ვერც გავრცელებული სიგნალი. ეს სინათლის სიჩქარეა. ამის შედეგად ორ მოვლენას, რომლებიც დაშორებულ წერტილებში ხდება, ვერ ექნება უშუალო მიზეზობრივი კავშირი, თუ ისინი ისეთ დროს ხდება, რომ სინათლის სიგნალი, რომელიც ერთი წერტილიდან მოვლენის მომენტში გამოსხივდება, მეორე წერტილს მხოლოდ მაშინ აღწევს, როცა იქ მეოვლენა უკვე მოხდა და პირიქით. ამ შემთხვევაში ორ მოვლენას შეიძლება ერთდროული ეწოდოს. ვინაიდან ვერანაირი ქმედება ვერ გავრცელდება ერთი წერტილიდან, სადაც ერთი მოვლენა ხდება მეორე წერტილამდე იმ დროისთვის, როცა იქ მეორე მოვლენა ხდება, ეს ორი მოვლენა მიზეზობრივად დაკავშირებული ვერ იქნება.
ამ მიზეზით ნებისმიერი ქმედება მანძილზე, მაგალითად გრავიტაციული ძალებისა ნიუტონის მექანიკიდან, არათავსებადია ფარდობითობის სპეციალურ თეორიასთან. თეორიამ ასეთი ქმედება ჩაანაცვლა წერტილიდან წერტილამდე, ერთი წერტილიდან მხოლოდ უსასრულოდ მცირე დაშორების გარემომცველ წერტილებამდე ქმედებით. ყველაზე უფრო ბუნებრივი მათემატიკური გამოსახულება ამ სახის ქმედებისთვის ლორენცის გარდაქმების მიმართ ინვარიანტული დიფერენციალური განტოლებებია ველებისა თუ ტალღებისთვის. ასეთი დიფერენციალური განტოლებები გამორიცხავენ ნებისმიერ უშუალო ქმედებას „ერთდროულ“ მოვლენებს შორის.
ამრიგად ფარდობითობის სპეციალურ თეორიაში ასახული სივრცისა და დროის სტრუქტურა უსასრულოდ მკვეთრ საზღვარს ავლებს ერთდროულობის არეს, სადაც არავითარი ქმედება არ ვრცელდება, და სხვა არეებს შორის, სადაც შესაძლებელია ხდომილებათა შორის უშუალო ქმედების გადაცემა.
მეორეს მხრივ, კვანტურ თეორიაში განუზღვრელობის თანაფარდობები სრულიად განსაზღვრულად ზღუდავენ სიზუსტეს, რომლითაც შესაძლებელია მდებარეობის და იმპულსის, ან დროის და ენერგიის ერთდროული გაზომვა. ვინაიდან უსასრულოდ მკვეთრი საზღვარი ნიშნავს უსასრულო სიზუსტეს სივრცესა და დროში მდებარეობის თვალსაზრისით, იმპულსები და ენერგიები სრულიად განუსაზღვრელი უნდა იყოს, ანუ იმპულსის და ენერგიის რაგინდ მაღალი მნიშვნელობები შესაძლებელი ხდება დამთრგუნველი ალბათობით. ამდენად, ნებისმიერი თეორია, რომელიც ცდილობს როგორც სპეციალური ფარდობითობის, აგრეთვე კვანტური თეორიის მოთხოვნათა ერთდროულ შესრულებას, მათემატიკურ შეუსაბამობებამდე, ძალიან მაღალი ენერგიების და იმპულსების არეში განშლადობამდე მიდის. დასკვათა ეს თანმიმდევრობა იქნებ არც ისე მკაცრად სავალდებულოდ მოჩანს, ვინაიდან განხილული სახის ნებისმიერი მათემატიკური ფორმალიზმი ძალიან რთულია და შესაძლოა კვანტურ თეორიასა და ფარდობითობის თეორიას შორის შეჯახების თავიდან არიდების მათემატიკურ საშუალებას იძლეოდეს. თუმცა აქამდე ნაცადი ყველა მათემატიკური სქემა ან განშლადობას, ანუ მათემატიკურ წინააღმდეგობას იძლევა, ან ვერ აკმაყოფილებს ორივე თეორიის ყველა მოთხოვნას. ადვილი დასანახია, რომ ყველა ეს წინააღმდეგობა სწორედ ზემოაღნიშნულ წერტილში იღებს სათავეს.
ის, თუ რაგვარად ვერ აკმაყოფილებს კრებადი მათემატიკური სქემა ფარდობითობის ან კვანტური თეორიის მოთხოვნებს, თავისთავად ძალიან საინტერესოა. ერთ-ერთი ასეთი სქემა, მაგალითად, სივრცესა და დროში ფაქტიური მოვლენების ენაზე ინტერპრეტაციისას გარკვეული სახის დროის შექცევას იძლევა; ის წინასწარმეტყველებს მოულოდნელად სივრცის რომელიღაც წერტილში ნაწილაკების წარმოქმნას, რისთვისაც ენერგიას რომელიღაც სხვა წერტილში ელემენტარულ ნაწილაკებს შორის მომხდარი სხვა შეჯახება იძლევა. ფიზიკოსები ექსპერიმენტებიდან გამომდინარე დარწმუნებულნი არიან, რომ ასეთი სახის პროცესები ბუნებაში არ ხდება, სულ მცირე მაშინ, როდესაც ორი პროცესი გაზომვადი ინტერვალითაა დაშორებული სივრცესა და დროში. სხვა, განსხვავებული მათემატიკური სქემა ცდილობს განშლადობის თავიდან არიდებას მათემატიკური პროცესის საშუალებით, რომელსაც რენორმალიზაცია ეწოდება; შესაძლებელი აღმოჩნდა უსასრულობათა გადაწევა ფორმალიზმის ისეთ ადგილას, სადაც მათ აღარ შეუძლიათ ხელი შეუშალონ უშუალოდ დამზერად სიდიდეებს შორის ზუსტად განსაზღვრული თანაფარდობების დადგენას. სინამდვილეში ამ მიდგომამ კვანტურ ელექტროდინამიკაში საგრძნობი წინსვლა განაპირობა, რადგან წყალბადის სპექტრში ისეთი საინტერესო დეტალები ახსნა, რომელთა გაგებაც ადრე ვერ ხერხდებოდა. თუმცა ამ მათემატიკური სქემის დეტალური განხილვისას აღმოჩნდა, რომ ის სიდიდეები, რომლებსაც ნორმალურ კვანტურ თეორიის მიხედვით ალბათობის ინტერპრეტაცია უნდა ჰქონდეს, რენორმალიზაციის ფორმალიზმში გარკვეულ პირობებში ნეგატიურ მნიშვნელობებს იძენს. ეს ამ ფორმალიზმით მატერიის თანმიმდევრულ აღწერას აფერხებს.
ამ სიძნელეთა საბოლოო გადალახვა ჯერ ვერ მოხერხდა. ეს ერთ მშვენიერ დღეს გახდება შესაძლებელი განსხვავებული ელემენტარული ნაწილაკების, მათი წარმოქმნისა და ანიჰილაციის, მათ შორის მოქმედი ძალების შესახებ ზუსტი ექსპერიმენტული მონაცემების დაგროვებასთან ერთად. ამ დაბრკოლებათა გადალახვის შესაძლო გზების ძიებისას იქნებ ღირდეს, რომ გვახსოვდეს – დროის შექცევის შემცველი პროცესების, რომლებზეც ზემოთ ვიმსჯელეთ, ექსპერიმენტული უარყოფა ვერ მოხდება, თუ ისინი სივრცისა და დროის უკიდურესად მცირე, თანამედროვე ექსპერიმენტული ტექნიკისთვის მიუწვდომელ არეალში ხდება. რა თქმა უნდა, დროის შექცევის შემცველ პროცესების მიღებას შევეწინააღმდეგებით, თუ ფიზიკის განვითარების მომდევნო სტადიებზე შესაძლებელი გახდება ასეთ მოვლენების დაკვირვება ექსპერიმენტულად იგივე თვალსაზრისით, როგორც დღესაა შესაძლებელი ჩვეულებრივი ატომური მოვლენების დაკვირვება. თუმცა აქ კვანტური თეორიის და ფარდობითობის ანალიზი კვლავ შეიძლება დაგვეხმაროს პრობლემის ახლებურად დანახვაში.
ფარდობითობის თეორია ბუნების უნივერსალურ მუდმივასთან, სინათლის სიჩქარესთანაა დაკავშირებული. ეს მუდმივა განსაზღვრავს ურთიერთდამოკიდებულებას სივრცესა და დროს შორის, ამიტომ იგულისხმება ბუნების ნებისმიერ კანონში, რომელიც ლორენცის ინვარიანტულობის მოთხოვნებს აკმაყოფილებს. ჩვენი ბუნებრივი ენა და კლასიკური ფიზიკის ცნებები მხოლოდ იმ მოვლენებს აღწერს, რომელთათვისაც სინათლის სიჩქარე პრაქტიკულად უსასრულოდ შეიძლება ჩაითვალოს.
როდესაც ჩვენი ექსპერიმენტები სინათლის სიჩქარეს უახლოვდება, მზად უნდა ვიყოთ ისეთი შედეგებისთვის, რომელთა ინტერპრეტაცია ამ ცნებებით შეუძლებელია.
კვანტური თეორია მეორე უნივერსალურ მუდმივას უკავშირდება. ესაა პლანკის ქმედების კვანტი. სივრცესა და დროში მოვლენათა ობიექტური აღწერა მხოლოდ მაშინაა შესაძლებელი, როდესაც საქმე გვაქვს შედარებით დიდი მასშტაბის ობიექტებთან და პროცესებთან, სადაც პლანკის მუდმივა შეიძლება უსასრულოდ მცირედ ჩაითვალოს. როდესაც ჩვენი ექსპერიმენტები უახლოვდება არეალს, სადაც მოქმედების კვანტი არსებითი ხდება, ჩვეულებრივი ცნებებისთვის წარმოიქმნება ყველა ის სიძნელე, რომლებზეც ადრეულ თავებში ვიმსჯელეთ.
უნდა არსებობდეს ბუნების მესამე უნივერსალური მუდმივაც. ეს ცხადია წმინდა განზომილების მოსაზრებებით. უნივერსალური მუდმივები განსაზღვრავენ ბუნების მასშტაბს, დამახასიათებელ სიდიდეებს, რომელთა დაყვანა სხვა სიდიდეებზე შეუძლებელია. ერთეულთა სრული სისტემისთვის მინიმუმ სამი ერთეულია საჭირო. ეს ყველაზე მარტივად ჩანს ისეთი შეთანხმებების მაგალითზე, როგორიცაა ფიზიკოსების მიერ CGS სისტემის (სანტიმეტრი, გრამი, წამი) გამოყენება. სიგრძის, მასის და დროის თითო-თითო ერთეულის გამოყენება საკმარისია სრული ნაკრების შესაქმნელად; თუმცა სულ ცოტა სამი ერთეულია საჭირო. შესაძლებელია მათი ჩანაცვლება სიგრძის, სიჩქარის და მასის, ან სიგრძის, სიჩქარის და ენერგიის, და ა.შ ერთეულებით. თუმცა სამი ფუნდამენტური ერთეული აუცილებელია. სინათლის სიჩქარე და პლანკის მუდმივა მხოლოდ ორ ასეთ ერთეულს იძლევა. უნდა არსებობდეს მესამეც, და მხოლოდ ისეთ თეორიას, რომელიც ამ მესამე ერთეულსაც შეიცავს, შეეძლება სავარაუდოდ ელემენტარული ნაწილაკების მასის და სხვა თვისებების განსაზღვრა. ამ ნაწილაკების ჩვენს თანამედროვე ცოდნაზე დაყრდნობით მესამე უნივერსალური მუდმივას შემოყვანის ყველაზე უფრო გამართლებული გზა შეიძლება იყოს უნივერსალური სიგრძის ვარაუდი, რომელიც უხეშად 10-13 სმ რიგისაა, ანუ რამდენადმე უფრო მცირე, ვიდრე მსუბუქი ატომების ბირთვების რადიუსებია. როდესაც ასეთი ერთეულებისგან მასის განზომილების მქონე ერთეულს ვადგენთ, მას ელემენტარული ნაწილაკების მასათა შესადარისი რიგის სიდიდე აქვს.
თუ ვივარაუდებთ, რომ ბუნების კანონები შეიცავენ სიგრძის განზომილების მქონე მესამე უნივერსალურ მუდმივას, რომელიც სიდიდით 10-13 რიგისაა, მაშინ უნდა ველოდოთ, რომ ჩვენი ჩვეულებრივი ცნებების გამოყენება შესაძლრებებლი იქნება სივრცისა და დროის არეალში, რომელიც უნივერსალურ მუდმივაზე უფრო დიდი ზომისაა. აქაც ჩვენ მზად უნდა ვიყოთ თვისობრივად ახალი ხასიათის მოვლენებთან შესახვედრად, როდესაც ჩვენი ქსპერიმენტები უახლოვდება სივრცისა და დროის ისეთ არეალს რომელიც ბირთვის ზომაზე უფრო ნაკლებია. დროის შექცევის მოვლენა, რომელზეც ვიმსჯელეთ და რომელიც ჯერჯერობით მხოლოდ თეორიული განხილვის მათემატიკური შედეგია, შესაძლოა სწორედ ასეთ არეალს ეკუთნოდეს. თუ ასეა, სავარაუდოდ შეუძლებელი იქნება მისი ისეთნაირი დამზერა, რომელიც მისი კლასიკური ცნებებით აღწერის საშუალებას მოგვცემდა. ასეთი პროცესები, თუ მათი კლასიკური ცნებებით დამზერა და აღწერა ხერხდება, სავარაუდოდ დროის ჩვეულებრივ წესრიგს უნდა ემორჩილებოდეს.
თუმცა ყველა ეს პრობლემა ატომური ფიზიკის სამომავლო კვლევის საგანია. იმედი უნდა ვიქონიოთ, რომ მაღალი ენერგიების დიაპაზონში ჩატარებული ექსპერიმენტების და მათემატიკური ანალიზის კომბინირებული გამოყენება ერთ მშვენიერ დღეს მატერიის ერთიანობის სრულ გაგებამდე მიგვიყვანს. ტერმინი „სრული გაგება“ აღნიშნავს იმას, რომ არისტოტელეს ფილოსოფიის მნიშვნელობით მატერიის ფორმები წარმოგვიდგება, როგორც შედეგები, როგორც ამოხსნები ჩაკეტილი მათემატიკური სქემისა, რომელიც მატერიის ბუნებრივ კანონზომიერებს ასახავს.
No comments:
Post a Comment