Website is working in a trial mode

(Old version)
geo
facebook
youtube
twitter icon
linkedin icon

ქეთი ქააძე

თსუ კურსდამთავრებული, პროფესორი კანზასის (აშშ) უნივერსიტეტიდან: "ვიძიებთ ყველაფრის საწყისს, თუ რისგან შედგება სამყარო"


კანზასის სახელმწიფო უნივერსიტეტში ასისტენტ პროფესორად მუშაობა 2015 წელს დავიწყე. 2020 წლიდან ვარ ასოცირებული პროფესორი. გარდა იმისა, რომ ლექციებს ვატარებ ფიზიკაში, ასევე ჩართული ვარ სამეცნიერო კვლევებში. ეს არის ორი ძირითადი მოვალეობა.  სამეცნიერო საქმიანობით ვარ ექსპერიმენტული ნაწილაკების ფიზიკის სპეციალისტი. ამ განხრით კვლევების ერთ-ერთი მთავარი ცენტრი მსოფლიოში არის შვეიცარიაში - ბირთვული კვლევების ევროპული ორგანიზაცია (CERN). ჩემი კვლევები დაკავშირებულია სწორედ ცერნთან, იქ მოქმედ დიდ ადრონულ ამაჩქარებელთან (LHC) და CMS ექსპერიმენტთან.

 

ფიზიკაში არსებობს თეორია და არსებობს ექსპერიმენტი, რამაც უნდა შეამოწმოს ეს თეორია ძალაშია თუ არა. ყველა დარგში ასეა. ასევეა ნაწილაკების ფიზიკაშიც. როცა ვამბობ ნაწილაკებს, ვგულისხმობ უმცირეს ელემენტებს (ატომებზე გაცილებით მცირეს):  ელექტრონებს, მიუონებს, ქვარკებს, და ა.შ.,  რომლებიც შეადგენენ ჩვენს გარშემო მატერიას. მათ ვუწოდებთ ელემენტარულ ნაწილაკებს, რადგან მათ აღარ აქვთ შემადგენელი ნაწილები, ანუ არ აქვთ სტრუქტურა. ჩვენ ვიკვლევთ ამ ელემენტარულ ნაწილაკებს და მათ შორის ურთიერთქმედებებს. ვიკვლევთ იმ ნაწილაკებს, რომელიც უკვე აღმოჩენილია და ასევე, ვეძებთ ახალ ნაწილაკებს, რომელიც დღემდე ჯერ არ დაფიქსირებულა. ანუ ვიძიებთ ყველაფრის საწყისს თუ რისგან შედგება სამყარო.

 

ჩვენი ექსპერიმენტებით დროის თვალსაზრისით საწყისსაც ვიძიებთ. ფიზიკაში არის პირდაპირპროპორციული დამოკიდებულება ტემპერატურას და ენერგიას შორის (ე.წ. ბოლცმანის დამოკიდებულება), რაც მიუთითებს, რომ მაღალი ენერგია ნიშნავს მაღალ ტემპერატურას. ვიცით რომ სამყარო შეიქმნა დიდი აფეთქების შედეგად, რის დროსაც ტემპერატურა იყო ძალიან მაღალი, და ევოლუციის შედეგად მოხდა სამყაროს გაფართოება და შესაბამისად ტემპერატურის დაწევა. ენერგიები რაზეც ჩვენ ვახორციელებთ ექსპერიმენტს დიდ ადრონულ ამაჩქარებელეში ექვივალენტურია ისეთი მაღალი ტემპერატურის, რაც შეესაბამება დიდი აფეთქების თანმდევ საკმაოდ ადრეულ მოვლენებს. ასე, რომ ჩვენ გარკვეულწილად ვსწავლობთ წარსულს, იმ პროცესებს, რასაც ადგილი ჰქონდა დაახლოებით 13 მილიარდი წლის წინ, დიდი აფეთქების მომდევნო ძალიან მცირე პერიოდში. იმედი გვაქვს, რომ შეიძლება ისეთი მოვლენებიც დავაფიქსიროთ, რაც მაშინ მოხდა, მაგრამ დღეს ბუნებრივად უკვე აღარ ხორციელდება, თუმცა, ექსპერიმენტულ გარემოში შეიძლება განმეორდეს.

 

დაახლოებით საუკუნის წინ ჩვენ შევქმენით სურათი, რომ არსებობს ელექტრონი, არის პროტონი და ნეიტრონი, და ესენი ქმნიან სხვადასხვა ელემენტს. დროთა განმავლობაში ეს სურათი რეფორმირდა და ბოლო რამდენიმე ათეული წლის განმავლობაში გაირკვა, რომ არსებობს ელექტრონის უფრო მძიმე ვერსიები, ე.წ. მიუონი და ტაუონი. ამათ ყველას ერთად ვუწოდებთ ლეპტონებს. ასევე ვიცით, რომ პროტონი და ნეიტრონი შედგება ძირითადად ორი ტიპის ქვარკისგან, თუმცა არსებობს თითოეული ამ  ქვარკის ორი უფრო მძიმე ვერსიაც. ანუ, როგორც ნაწილაკთა ფიზიკაში ვამბობთ, გვაქვს ლეპტონების და ქვარკების სამი თაობა. ამ ნაწილაკთა თაობების და მათ შორის ურთიერთქმედების შესწავლა ხდება მაღალი ენერგიების ექსპერიმენტით. საინტერესო ისაა, რომ როდესაც ვამბობთ ნაწილაკთა შორის ურთიერთქმედებას, თვით ეს ურთიერთქმედების ველიც ხასიათდება ნაწილაკური ბუნებით, ანუ თითქოს კონკრეტული ნაწილაკია ამა თუ იმ ურთიერთქმედების ველის „სახე“. ამას ნაწილაკთა ფიზიკაში ვუწოდებთ ნაწილაკ-ტალღურ დუალიზმს (ორსახოვნებას). ამის ყველაზე მარტივი მაგალითია ელექტრომაგნიტური ველი, რომლის „წარმომადგენელი“ ნაწილაკი არის ფოტონი.

 

ცერნში ჩვენი ექსპერიმენტების შედეგი იყო ერთ-ერთი ასეთი მნიშვნელოვანი ნაწილაკის, ჰიგსის ბოზონის აღმოჩენა 2012-ში. ჰიგსის ბოზონი არის ჰიგსის ველის გამოვლინება, „სახე“ (ისევ ნაწილაკ-ტალღური დუალიზმი). ჰიგსის ბოზონს განსაკუთრებული ადგილი უკავია. ითვლება, რომ დანარჩენი ელემენტარული ნაწილაკები მასას იძენენ ჰიგსის ბოზონთან ურთიერთქმედების შედეგად. ეს თეორია შემუშავებულ იქნა 60-იან წლებში იმ მიზნით, რომ აეხსნათ თუ რა მექანიზმი განსაზღვრავს ელემენტარული ნაწილაკების მასას, რატომაა ზოგი ნაწილაკი უმასო და ხოლო დანარჩენების მასა ძალიან განსხვავდება ერთმანეთისგან. ამ თეორიის დადასტურებას დასჭირდა ათეულობით წლები და დიდი წინსვლა ნაწილაკების ფიზიკის შესწავლის ტექნოლოგიებში. მაღალი ენერგიების დიდი ადრონული ამაჩქარებლის შექმნა იყო საჭირო ამ აღმოჩენის მისაღწევად.   

 

ვიცით, რომ არსებობს ბნელი მატერია. მისი არსებობა დადასტურებულია არაერთი ასტრონომიული დაკვირვებით.  ჩვენ ჯერ არ ვიცით რა თვისებების მატარებელია  ბნელი მატერია, საერთოდ აქვს თუ არა ნაწილაკობრივი თვისება? არ ვიცით ბნელი მატერია როგორ ურთიერთქმედებს მაგალითად ჰიგსთან ან სხვა არსებულ ნაწილაკებთან. ალბათ, სადღაც ეს ურთიერქმედება გამოვლინდებოდა. ნაწილაკების სტანდარტულ თეორიაში, რომელიც არაერთგზის არის დადასტურებული დღევანდელი ექსპერიმენტული მონაცემებით, ბნელი მატერია არ ჯდება.

 

ფიზიკა და მათემატიკა მომწონდა, ზოგადად ბევრ კითხვას ვსვამდი, ადვილად არ ვკმაყოფილდებოდი პასუხებით. თუმცა, ვფიქრობ, რომ მეც ჩვეულებრივი ბავშვი ვიყავი. ალბათ ინტერესი მქონდა და ამიტომაც ვსწავლობდი კარგად ფიზიკას და მათემატიკას. თუმცა, ყველაფერს კარგად ვსწავლობდი, ბიოლოგიაც ძალიან მაინტერესებდა, ისტორიაც. ყველა საგანი მაინტერესებდა... დედაჩემი არის ექიმი და მამაჩემი იყო ინჟინერი. ბიძა არის ფიზიკოსი, თუმცა ნამდვილად ვერ ვიტყვი, რომ ბავშვობიდან ფიზიკაზე მესაუბრებდნენ. ალბათ უმთავრესი იყო ის, რომ ჩემს ოჯახში და უახლოეს გარემოში სწავლის და განათლების მიმართ იყო განსაკუთრებული დამოკიდებულება და ყველანაირი თანადგომა მქონდა ამ მხრივ. სკოლის ბოლო წლებში გადავწყვიტე ფიზიკოსობა. ბოლო კლასში ყოფნისას ჩვენთან რუსთავში, სადაც სკოლაში ვსწავლობდი, თსუ ფიზიკის ერთ-ერთი კათედრიდან  პროფესორი ჩამოვიდა, რომელიც ესაუბრებოდა სხვადასხვა სკოლიდან მოწვეულ იმ მოსწავლეებს, ვინც ფიზიკას და მათემატიკას კარგად სწავლობდნენ. მან მითხრა, რომ აუცილებლად ჩამებარებინა თსუ-ში ფიზიკის ფაკულტეტზე, თუმცა მე ეს უკვე გადაწყვეტილი მქონდა ისედაც. მოგვიანებით უნივერსიტეტში ფიზიკის ფაკულტეტზე იყო უკვე ოფიციალური გასაუბრება და ასე ჩავირიცხე 1999-ში. პირველი წლების განმავლობაში უნივერსიტეტში ძირითადად ზოგადი ფიზიკის და მათემატიკის საგნები ისწავლებოდა, და მხოლოდ ბოლო წლებში ხდებოდა სპეციალიზირება. ჩემს შემთხვევაში ეს იყო ნახევარგამტარების ფიზიკა.


ნაწილაკების ფიზიკა მოგვიანებით წამოვიდა წინ, როცა უკვე ამერიკაში წავედი სასწავლად. თსუ-ში სწავლის დასრულების პარალელურად ჩემი მონაცემები გადავაგზავნე რამდენიმე ამერიკულ უნივერსიტეტში და 2005 წელს გავაგრძელე ამერიკაში სწავლა დოქტორანტურაში (Ph.D.). ალბათ მთავარი მიზეზი ნაწილაკთა ფიზიკის არჩევის იყო ის, რომ ამ სფეროსთან ყველაზე ნაკლები შეხება მქონდა მანამდე, და დიდი ინტერესი გამიჩნდა რომ ასეთ ფუნდამენტურ კვლევებში მიმეღო მონაწილეობა.

 

ფიზიკის და მათემატიკის ცოდნის თვალსაზრისით არ მიგრძვნია ამერიკელი  სტუდენტებისგან განსხვავება. ერთადერთი, დასაწყისში  ინგლისური ენის მცირე ბარიერი იყო მიუხედავად იმისა, რომ ინგლისური საკმარის დონეზე ვიცოდი, რაც ბუნებრივია როდესაც მრავალმხრივი ურთიერთობა გიწევს უცხოენოვან ქვეყანაში. ამ ადაპტაციის პერიოდმა საკმაოდ მალე გაიარა. მიმაჩნია, რომ თსუ-ში ძალიან კარგი დონის განათლება მქონდა მიღებული, არამარტო ფიზიკის, არამედ მათემატიკის მიმართულებითაც, მიუხედავად იმისა, რომ ფიზიკის ფაკულტეტზე ვსწავლობდი.

 

CMS დეტექტორს ეწოდება ზოგადი მიზნის დეტექტორი, რომლითაც ნაწილაკთა ფიზიკის ბევრი განსხვავებული პროცესის შესწავლაა შესაძლებელი. მაგ.: არსებული ელემენტარული ნაწილაკების თვისებების განზომვა, ჰიგსის ნაწილაკის აღმოჩენა, ჯერ კიდევ უცნობი მოვლენის ძიება, და ა.შ.. დიდი ადრონული ამაჩქარებლის ექსპერიმენტის იდეა გასული საუკუნის 90-იან წლებში გაჩნდა. ფურცელზე დაწერილი იდეის და დიზაინის შექმნის შემდეგ ხდება ფაბრიკაცია და აწყობა. დეტექტორის შექმნა და აწყობა საკმაოდ ხანგრძლივი პროცესია, წლები სჭირდება.  CMS დეტექტორი როდესაც ეწყობოდა   სტუდენტი ვიყავი (2007-2008 წლებში). მაშინ დაახლოებით 6 თვის განმავლობაში მეც მომიწია მონაწილეობა. თუმცა, ამ ტიპის ტექნიკური მუშაობა არ არის ერთჯერადი.  დეტექტორის ტექნოლოგიური განახლება, როგორც წესი, დაახლოებით ყოველ ხუთ წელიწადში ერთხელ ხდება.

 

СMS ექსპერიმენტი არის საერთაშორისო კოლაბორაცია, რომელშიც მონაწილეობს ძალიან ბევრი სპეციალისტი სხვადასხვა ქვეყნიდან. ჩემი ერთი ხორვატიელი კოლეგა არის ნაწილაკთა ფიზიკის სპეციალისტი და ამავდროულად არის ბერი. ამ ადამიანს ერთხელ ვკითხეთ ღმერთის მიერ ქვეყნის შექმნასა და დიდი აფეთქების საკითხზე. მან ასეთი პასუხი გაგვცა - იქნებ ზუსტად ღმერთისგან მოდის ის რაც მოხდა: ეს აფეთქება, შემდგომ სამყაროს შექმნა და ცივილიზაციათა განვითარება, და ჩვენს მიერ ამის შეცნობა. ამაზე მეც არაერთხელ მიფიქრია. ჩემი აზრით, ღმერთი და დიდი აფეთქება ურთიერთგამომრიცხველი არ არის. ეს სულ სხვადასხვა ადგილს იკავებს ჩემს მსოფლმხედველობაში. აქ ჩართულია, ერთის მხრივ - რწმენა და მეორეს მხრივ - სამყაროს შეცნობა. პირველი არის შინაგანი სამყაროს ნაწილი, მეორე კი შენს მიერ გარე სამყაროს აღქმა, რაც დიდწილად ემპირიულ ფაქტებზეა დაფუძნებული.

 

ჩემი კვლევა ეხება ორ საკითხს: პირველი არის ჰიგსის ნაწილაკის შესწავლა, რომელიც აღმოჩენილია და ახლა მთავარი მისიაა, რომ დეტალურად შევისწავლოთ მისი თვისებები: აქვს თუ არა ის თვისებები, რასაც თეორია გვაკრნახობს.  მეორე არის იმ ფუნდამენტურ შეკითხვებზე პასუხის გაცემა, რასაც ახსნა არ მოეძებნება ნაწილაკთა სტანდარტულ თეორიაში. ასეთებია, მაგ.: რა არის ბნელი მატერია? რატომ შედგება დღევანდელი სამყარო მატერიისგან და რა პროცესებმა გააქრო ანტი-მატერია? რატომ გვაქვს ლეპტონების და ქვარკების სამი თაობა, რომლებიც მხოლოდ მასით განსხვავდება? და ა.შ.. ჩვენს მაღალი ენერგიების ექსპერიმენტებში შესაძლებელია გამოჩნდეს მოვლენები, რაც მიგვიყვანს ამ ფუნდამენტური შეკითხვებზე პასუხებამდე. ეს იქნება „ახალი ფიზიკის“ მოდელის დადასტურება. ტერმინი „ახალი ფიზიკა“ გულისხმობს იმ პროცესებს და მათ ფორმულირებას, რაც არ არის აღწერილი ცნობილი (ე.წ. „ძველი“ ან სტანდარტული) თეორიებით.

 

კვლევებიც და პედაგოგობაც ჩემთვის სასიამოვნო პროცესია. დეტექტორთან და ექსპერიმენტთან მუშაობა ძალიან მომწონს. ასევე ბევრჯერ ყოფილა ისეთი მომენტიც, როცა სტუდენტებთან მუშაობას დიდი სიამოვნება მოუნიჭებია. ინტერაქტიული ლექციები გაცილებით უფრო მეტად მომწონს. სტუდენტებთან ასეთი მიდგომით მუშაობა უფრო საინტერესო, და რაც მთავარია, უფრო შედეგის მომტანია. სტუდენტებში ხშირად შემიმჩნევია, რომ მარტივად უნდათ პასუხების გაგება, ელოდებიან მზა მითითებებს, თავს არიდებენ მასალის სიღრმისეულ გაცნობას. ვთვლი, რომ ამ დროს მასალის ათვისების კოეფიცენტიც გაცილებით დაბალია. ამიტომ ჩემს კლასებში გაცილებით ხშირად ვიყენებ დისკუსიას, ანალიზს, განსხვავებული მეთოდების განხილვას, და ა.შ..  ამ დროს სტუდენტების ჩართულობა გაცილებით მაღალია და სწავლებაც უფრო ეფექტიანი. სხვათაშორის, არაერთხელ მიუთითებიათ სტუდენტებს (სემესტრის ბოლოს ანონიმურ შეფასებებში), რომ სწორედ ეს ფაქტორია ერთ-ერთი რაც ძალიან მოსწონთ ჩემს კლასებში.

 

ყველაფერი? ოდესმე ამოიხსნება, ალბათ ბევრი რამ, იმაზე გაცილებით მეტი, ვიდრე რაც დღეისთვის ვიცით. თუმცა სიტყვა „ყველაფერი“ ძალიან ვრცელია.. ასევე, გააჩნია ეს „ოდესმე“ რა დროს გულისხმობს. რა თქმა უნდა, უნდა  ვიყოთ ოპტიმისტები. მაგალითად, ათასი წლის წინ ვიცოდით თუ დღეს რა იქნებოდა? იმხელა ევოლუცია განიცადა ცივილიზაციამ. დღეს ძალიან სწრაფად ვითარდება ყველაფერი, მათ შორის ტექნოლოგიებიც, რაც კიდევ უფრო აჩქარებს სამეცნიერო მიღწევებს. ეს უკანასკნელი თავისთავად კიდევ უფრო წინ სწევს ტექნოლოგიებს. ანუ ჯაჭვური რეაქციის მსგავსია,  ერთი მეორეს ასაზრდოებს და პირიქით. ველი, რომ უფრო მეტი წინსვლა იქნება ამ მხრივ, და კიდევ უფრო დავრწმუნდებით, რომ „ყველაფერი რაც დღეს ვიცით არის მხოლოდ მიახლოება იმისა რაც ჯერ კიდევ არ ვიცით“ [„And probably everything that we know today is an approximation of something else that we do not yet know“ – Carlo Rovelli „Reality Is Not What It Seems“] .