ვინ აღმოაჩინა ნაწილაკების თეორია?

მატერიის ნაწილაკების თეორია იმდენად არ იქნა აღმოჩენილი, რამდენადაც ჩამოყალიბდა და ეს ფორმულირება ანტიკურ საბერძნეთში დაიწყო.

ადამიანი, რომელსაც დამსახურებულად მიიჩნევს, რომ სამყარო პაწაწინა, განუყოფელი ნაწილაკებისგან შედგება, არის ფილოსოფოსი დემოკრიტე, რომელიც ძვ. წ. 460 – დან 370 წლამდე ცხოვრობდა. მან თავისი იდეის დასამტკიცებლად მოიფიქრა ექსპერიმენტი, ხოლო დემოკრატიუსის ექსპერიმენტი შეიძლება ზედმეტად გამარტივებული ჩანდეს დღეს ეს დაეხმარა ატომის კონცეფციის გაჩენაში, რაც ცენტრალური მნიშვნელობისაა თანამედროვე გაგებაში მატერია.

ექსპერიმენტის შემდეგ საუკუნეებში დემოკრიტეს ნაწილაკების თეორიამ დიდი პროგრესი არ განიცადა, მაგრამ მეცხრამეტე საუკუნის მიჯნაზე ის ინგლისელმა ქიმიკოსმა და ფიზიკოსმა ჯონ დალტონმა მიიღო (1766 - 1844).

დალტონის ნამუშევრები საუკუნის ბოლო პერიოდში პრაქტიკულად უცვლელი დარჩა, სანამ თანამედროვე ფიზიკოსთა ეკიპაჟი ჩაერთო, როგორიცაა ტომპსონი, რეზერფორდი, ბორი, პლანკი და აინშტაინი. ამ დროს დაიწყო ნაპერწკლების ფრენა და სამყარო ბირთვულ ხანაში შევიდა.

ისე ჟღერს, თითქოს სიტყვა "დემოკრატია" მისი სახელიდან მომდინარეობს, მაგრამ დემოკრიტე არ იყო პოლიტიკური ფილოსოფოსი. სინამდვილეში ეს სიტყვა ბერძნული სიტყვებიდან მოდის

ცნობილი როგორც "იცინის ფილოსოფოსი" იმის გამო, რომ მან დიდი მნიშვნელობა მიანიჭა მხიარულებას, დემოკრიტემ მოიგო კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი სიტყვა: ატომი. მან მოიხსენია მცირე ნაწილაკები, რომლებიც სამყაროში ყველაფერს ქმნის ატომოსი, რაც ნიშნავს დაუჭრელ ან განუყოფელს.

ეს არ იყო მისი ერთადერთი პიონერი წვლილი მეცნიერებაში. დემოკრიტემ ასევე პირველმა თქვა, რომ შუქი, რომელსაც ჩვენ ირმის ნახტომიდან ვხედავთ, არის უამრავი ცალკეული ვარსკვლავის გაერთიანებული სინათლე. მან ასევე შესთავაზა სხვა პლანეტების არსებობა და მრავალი სამყაროს არსებობაც კი გამოაცხადა, იდეა, რომელიც დღეს მეცნიერების მწვერვალზე დგას.

არისტოტელეს (ძვ. წ. 384 - 322) თანახმად, დემოკრიტეს სწამდა, რომ ადამიანის სული ცეცხლის ატომებისა და დედამიწის ატომების სხეულისგან იყო დაკომპლექტებული. ეს ეწინააღმდეგებოდა არისტოტელეს რწმენას, რომ სამყარო შედგება ჰაერის, ცეცხლის, დედამიწისა და წყლის ოთხი ელემენტისგან და რომ ელემენტების თანაფარდობამ განსაზღვრავს საკითხის მახასიათებლებს.

არისტოტელეს სჯეროდა კიდეც, რომ ელემენტები შეიძლებოდა გარდაქმნილიყო ერთმანეთში, იდეა, რომელიც ხელს უწყობდა ფილოსოფიური ქვის ძიებას მთელ შუა საუკუნეებში.

არც არისტოტელეს და არც თანაბრად გავლენიან პლატონს (დაახლოებით ძვ. წ. 429 - 347) არ გამოუცხადებიათ დემოკრიტეს ნაწილაკების თეორია და 2000 წელი დასჭირდებოდა "სიცილის ფილოსოფოსის" აღებას სერიოზულად ამას შეიძლება ჰქონდეს კავშირი იმ ექსპერიმენტთან, რომელიც დემოკრიტემ მოიფიქრა თავისი თეორიის დასამტკიცებლად, რაც არანაკლებ დამაჯერებელი იყო.

დემოკრიტე ფიქრობდა, რომ თუ ქვას ან სხვა საგანს აიღებ და განაგრძობ მას შუაზე გაყოფას, საბოლოოდ მიდიხარ იმ ნაჭერთან, რომელიც იმდენად მცირეა, რომ მისი გაყოფა აღარ შეიძლება. ნათქვამია, რომ მან ეს ექსპერიმენტი ზღვის ნაჭუჭით შეასრულა და როდესაც მან შეამცირა ჭურვი წვრილ ფხვნილამდე, რომელსაც ვეღარ შეძლებდა პატარა ნაჭრებად დაჭრას, მან განიხილა მისი თეორემის მტკიცებულება.

დემოკრიტე მატერიალისტი იყო, პლატონისა და არისტოტელესგან განსხვავებით, რომლებიც თვლიდნენ, რომ მოვლენების მიზნები უფრო მნიშვნელოვანი იყო, ვიდრე მათი მიზეზები. ის იყო პიონერი მათემატიკასა და გეომეტრიაში და იმ დროს ის რამდენიმე ადამიანი იყო, ვისაც მიაჩნდა, რომ დედამიწა სფერული იყო. მაშინაც კი, თუ ამას დამაჯერებლად ვერ დაამტკიცებდა, მისი წარმოდგენა ატომების შესახებ, ძირითადად არსებულ ცარიელ სივრცეში, თითოეულს ცოტა აქვს velcro სტილის კაკალი, რამაც მას სხვა ატომებთან დაკავშირების საშუალება მისცა, არც თუ ისე შორსაა თანამედროვე სამეცნიერო მოდელისგან ატომი.

სწორი იყო დემოკრიტეს თეორია? პასუხი არის კვალიფიციური დიახ, მაგრამ ეს არც კი განიხილებოდა, როგორც შესაძლებლობა 1800 წლამდე. ამ დროს ჯონ დალტონმა ის ხელახლა დაათვალიერა, როდესაც ის მუშაობდა ფრანგი ქიმიკოსის ჯოზეფ პრუსტის მიერ შემუშავებული მუდმივი კომპოზიციის კანონზე. პრუსტის კანონი პირდაპირ გამომდინარეობდა მასის შენარჩუნების კანონიდან, რომელიც აღმოაჩინა სხვა ფრანგმა ქიმიკოსმა, ანტუან ლავუაზიემ.

მუდმივი კომპოზიციის კანონი ნათქვამია, რომ სუფთა ნაერთის ნიმუში, რაც არ უნდა იყოს მიღებული, ყოველთვის შეიცავს ერთსა და იმავე ელემენტებს იმავე მასის პროპორციით. დალტონი ხვდებოდა, რომ ეს მხოლოდ სიმართლე იქნებოდა, თუ მატერია განუყოფელი ნაწილაკებისგან შედგებოდა, რომლებსაც მან ატომები უწოდა (თავის ქნევით დემოკრატისკენ). დალტონმა გააკეთა ოთხი განცხადება საკითხის შესახებ ეს ერთად წარმოადგენს მის ატომურ თეორიას:

• ყველა მატერია შედგება დაანგრევადი და განუყოფელი ნაწილაკებისგან, რომლებსაც ატომები ეწოდება.
• კონკრეტული ელემენტის ატომები იდენტურია მასით და თვისებებით.
• ატომებს შეუძლიათ გაერთიანდნენ და შექმნან ნაერთები.
• როდესაც ხდება ქიმიური რეაქცია, ეს გამოწვეულია ატომების გადაწყობით.

დალტონის ატომური თეორია პრაქტიკულად უცვლელი დარჩა XIX საუკუნის უმეტესი პერიოდის განმავლობაში.

მეცხრამეტე საუკუნის განმავლობაში მიმდინარეობდა კამათი სინათლის ბუნების შესახებ - ტალღად ან ნაწილაკად ვრცელდებოდა იგი. მრავალმა ექსპერიმენტმა დაადასტურა ტალღის ჰიპოთეზა და ბევრმა კიდევ დაადასტურა კორპუსკულური. 1887 წელს გერმანელმა ფიზიკოსმა ჰაინრიხ ჰერცმა აღმოაჩინა ფოტოელექტრული ეფექტი, როდესაც ის ატარებდა ექსპერიმენტებს ნაპერწკლების ხარვეზის გენერატორთან. ეს აღმოჩენა გაცილებით მნიშვნელოვანი აღმოჩნდა, ვიდრე ჰერცი ხვდებოდა.

იმ პერიოდში ინგლისელმა ფიზიკოსმა ჯ. ტომპსონმა აღმოაჩინა პირველი ქვეატომიური ნაწილაკი, ელექტრონი, კათოდური სხივების ქცევის შესწავლით. მისი აღმოჩენა დაეხმარა აეხსნა, თუ რას წარმოადგენს ელექტრული განმუხტვა გამტარ ფირფიტაზე, როდესაც მას ანათებ შუქზე - რაც არის ფოტოელექტრული ეფექტი - მაგრამ არა ის, რაც იწვევს განმუხტვას და არც რატომ არის დაკავშირებული ელექტრული იმპულსის სიძლიერე სინათლის სიხშირესთან. გამოსავალი უნდა დაელოდოს 1914 წელს.

ალბერტ აინშტაინის გარდა არავინ ახსნა ფოტოელექტრული ეფექტი ენერგიის მცირე პაკეტების მიხედვით კვანტი ეს შემოთავაზებული იყო გერმანელი ფიზიკოსის მაქს პლანკის მიერ 1900 წელს. აინშტაინის განმარტებამ დაადასტურა კვანტური თეორია და ამისათვის მას მიენიჭა ნობელის პრემია.

კვანტა, როგორც პლანკმა ჩაფიქრდა, ერთდროულად ნაწილაკებიც იყო და ტალღებიც. პლანკის თანახმად, სინათლე შედგებოდა კვანტებისგან, რომლებსაც ფოტონები ეწოდებოდა, რომელთაგან თითოეულს განსაკუთრებული სიხშირე განსაზღვრული ენერგია ჰქონდა. 1913 წელს დანიელმა ფიზიკოსმა ნილს ბორმა გამოიყენა პლანკის თეორია ატომის პლანეტარული მოდელის მისაცემად, რომელიც ახალზელანდიელმა ფიზიკოსმა ერნესტ რუტერფორდმა შესთავაზა 1911 წელს, კვანტური გაკეთება.

ბორის ატომის მოდელში ელექტრონებს შეუძლიათ შეცვალონ ორბიტები ფოტონის გამოსხივებით ან შთანთქმით, მაგრამ რადგან ფოტონები დისკრეტული პაკეტებია, ელექტრონებს მხოლოდ დისკრეტული რაოდენობით შეუძლიათ შეცვალონ ორბიტები. ორმა ექსპერიმენტანტმა, ჯეიმს ფრანკმა და გუსტავ ჰერცმა, შეიმუშავეს ექსპერიმენტი, რომელიც დაადასტურა ბორის ჰიპოთეზა მერკური ატომების ელექტრონებით დაბომბვით და მათ ეს გააკეთეს ისე, რომ არც კი იცოდნენ ამის შესახებ ბორის შემოქმედება.

ორი მოდიფიკაციით ბორის მოდელმა დღემდე გადარჩა, თუმცა თანამედროვე ფიზიკოსთა უმეტესობა მას მიახლოებით მიიჩნევს. პირველი მოდიფიკაცია იყო რეზერფორდის მიერ პროტონის აღმოჩენა 1920 წელს, ხოლო მეორე იყო ნეიტრონის აღმოჩენა ბრიტანელმა ფიზიკოსმა ჯეიმს ჩედვიკმა 1932 წელს.

თანამედროვე ატომი დემოკრატიუსის ნაწილაკების თეორიის დადასტურებაა, მაგრამ ეს ასევე უარყოფა. ატომები არ არიან განუყოფელი და ეს ასევე ეხება ელემენტარულ ნაწილაკებს, რომლებიც მათგან შედგება. შეგიძლიათ ელექტრონები, პროტონები და ნეიტრონები დაყავით უფრო მცირე ნაწილაკებად, რომლებსაც კვარკები ჰქვია და შეიძლება კვარკის დაყოფაც კი იყოს შესაძლებელი. კურდღლის ხვრელში მოგზაურობა შორს არის დასრულებული.