Ֆիզիկոս Անն Լ'Յուիլիեն դասախոսության էր Լունդի համալսարանում, երբ դասամիջոցին նկատեց, որ մի քանի բաց թողած զանգ ունի։ Լ'Յուիլիեն զանգում էին Նոբելյան կոմիտեից՝ հայտնելու, որ նա Նոբելյան մրցանակ է ստացել։ Դասախոսության վերջին կես ժամը շատ դժվար անցավ Լ'Յուիլիեի համար։ Նա, փաստորեն, դարձավ հինգերորդ կին գիտնականը, որը Ֆիզիկայի բնագավառում Նոբելյան մրցանակի է արժանացել։

Լ'Յուիլիեն Նոբելյան մրցանակ ստանալու մասին լուրն իմացավ դասամիջոցի ժամանակ

Այս տարի Ֆիզիկայի բնագավառում, Լ'Յուիլիեից բացի, Նոբելյան մրցանակ ստացան նաև Պիեռ Ագոստինին և Ֆերենց Կրաուսին։ Երեք գիտնականներն իրենց գործունեության ընթացքում փորձեր են իրականացրել, որոնց միջոցով հնարավոր է դարձել ստանալ գերարագ լազերային իմպուլսներ։ Սրանք կարող են օգտագործվել մեր աշխարհը ամենափոքր մասշտաբներով հետազոտելու համար և կիրառություն գտնել քիմիայի, կենսաբանության ու ֆիզիկայի բնագավառներում: Հիմա հասկանանք, թե ինչպես:

Արագ գործընթացները մշուշվում են

Փոքրիկ կոլիբրի թռչունը կարող է վայրկյանում իր թևերը թափահարել 80 անգամ, բայց մենք նրա թևերի թափահարումն ընկալում ենք որպես մշուշոտ շարժում, քանի որ այն շատ արագ է։ Մարդու զգայարանների համար արագ շարժումները միասին մշուշվում են, և չափազանց կարճ իրադարձություններն անհնար է դիտարկել: 

Այսպիսով, եթե ուզենանք կոլիբրիի շարժվող թևերի պարզ ու հստակ պատկերը ստանալ, ապա պիտի լուսանկարենք ավելի արագ, քան նրա թևերի շարժման արագությունն է, ինչպես նաև լուսավորության համար օգտագործենք բարձր ինտենսիվությամբ լույսի ճառագայթ։

Մոլեկուլների և ատոմների ներսում տեղի են ունենում գործընթացներ, որոնց արագությունն ուղղակի համեմատելի չէ կոլիբրիի թևերի շարժման արագության հետ։ Էլեկտրոններն ատոմների ներսում շարժվում են մեկից մի քանի հարյուր ատտովայրկյան արագությամբ։ Պատկերացնելու համար, թե ինչքան արագ է ատտովայրկյանը, պետք է պարզապես իմանալ, որ մեկ վայրկյանում կա այնքան ատտովայրկյան, որքան վայրկյան անցել է տիեզերքի ստեղծման օրվանից․․․

Այս գերարագ գործընթացների չափումը պետք է կատարվի ավելի արագ, քան այն ժամանակն է, որն անհրաժեշտ է ուսումնասիրվող համակարգի նկատելի փոփոխության համար, հակառակ դեպքում արդյունքը մշուշոտ է ստացվում: Այսպիսով, էլեկտրոնների շարժումները ատոմային մասշտաբով դիտարկելու համար անհրաժեշտ են լույսի բավականաչափ կարճ իմպուլսներ։

Ֆիզիկայի բնագավառում այս տարվա Նոբելյան մրցանակակիրներն իրենց փորձերի ժամանակ ստացել են լույսի այնքան կարճ իմպուլսներ, որ դրանք չափվում են ատտովայրկյաններով։ Այս իմպուլսները կարող են օգտագործվել ատոմների և մոլեկուլների ներսում ընթացող գերարագ գործընթացների պատկերներ ստանալու համար:

Բացահայտում, որը սկիզբ դրեց նոր փորձերի

Լույսը բաղկացած է ալիքներից։ Լույսի յուրաքանչյուր գույն ունի ալիքի տարբեր երկարություն  (wavelength): Օրինակ՝ կապույտ լույսն ալիքի ավելի կարճ երկարություն ունի, քան կարմիրը։ Արևի լույսը կազմված է ալիքի տարբեր երկարություններ ունեցող լույսից: Մեր աչքերը ալիքի երկարությունների այս խառնուրդը տեսնում են որպես սպիտակ լույս:

Իսկ լազերները մի փոքր այլ են և բնության մեջ չեն հանդիպում։ Լազերներն առաջացնում են լույսի նեղ ճառագայթ, որում լույսի բոլոր ալիքներն ունեն ալիքի շատ նման երկարություններ: Լազերային լույսը մնում է կենտրոնացած և շատ չի տարածվում, ինչպես կտարածվեր լապտերի լույսը։ 

Լույսի հնարավոր ամենակարճ իմպուլսը կարող ենք պատկերացնել որպես լույսի ալիքի մեկ ցիկլի երկարությունը, երբ ալիքը մեկական անգամ հասնում է ամենաբարձր ու ամենացածր կետերին, ապա վերադառնում սկզբնական արժեքին: Ավելի պարզ ասած՝ դա այն ամենափոքր ընթացքն է, որը մի ցիկլի ընթացքում անցնում է լույսի ալիքը։ Բայց 1980-ականներին լույսի հայտնի ամենակարճ իմպուլսով էլ հնարավոր չէր չափել կամ պատկերել էլեկտրոնների շարժումները։

NASA-ի այս լուսանկարում լավ երևում են լույսի ալիքի տարբեր երկարությունները (աղբյուրը)

Ամեն բան փոխվեց 1987-ին, երբ Անն Լ'Յյուիլյեն և նրա գործընկերներն իրենց լաբորատորիայում մի հետաքրքիր երևույթ բացահայտեցին։ Նրանք նկատեցին, որ երբ ինֆրակարմիր լազերային ճառագայթն անցնում է իներտ գազի միջով, սկսում են առաջանալ ինֆրակարմիր լույսի օվերտոններ։ 

Օվերտոն հասկացությունը գալիս է երաժշտությունից։ Մեր ականջը տարբեր կերպ է ընկալում նույն նոտան, որը նվագում են կիթառով և դաշնամուրով։ Պատճառն այն է, որ երբ երաժշտական գործիքով որևէ նոտա ենք նվագում, բացի այդ նոտան առաջացնող հիմնական տատանումից՝ ի հայտ են գալիս լրացուցիչ տատանումներ, որոնք հիմնական նոտայից կրկնակի կամ եռակի բարձր հաճախականությամբ են հնչում։ Այս լրացուցիչ տատանումները կոչվում են օվերտոններ, և հենց օվերտոնների միջոցով է, որ ամեն երաժշտական գործիք ունի իր յուրահատուկ ձայնը։

Ֆիզիկայի բնագավառում այս տարվա Նոբելյան մրցանակի իլյուստրացիան․ նկարում երևում է, թե ինչպես է էլեկտրոնը հեռանում միջուկից

Հենց նման մի երևույթ էլ նկատեցին Լ'Յյուիլյեն ու գործընկերները, պարզապես լույսի ալիքների դեպքում։ Նրանց փորձի ընթացքում այդ երևույթն ի հայտ եկավ լազերի ու իներտ գազի փոխազդեցության հետևանքով․ երբ լազերն անցնում էր գազի միջով, ազդում էր գազի ատոմների վրա, ու երբեմն էլետրոնները հեռանում էին ատոմների միջուկներից։ Իսկ հետո, երբ այդ հեռացած էլեկտրոնները վերադառնում էին միջուկների մոտ, ճանապարհին ավելորդ էներգիա էին կուտակած լինում, որը բաց էին թողնում, որ կարողանային միանալ միջուկներին։ Հենց այս արձակված էներգիան էլ լույսի իմպուլսն էր, որն ուներ ալիքի կարճ երկարություն և լազերի հիմնական լույսի համար օվերտոն էր։

Երբ այս օվետրոններն առաջանում են, փոխազդում են միմյանց հետ, ու դրա արդյունքում լույսը երբեմն ավելի ինտենսիվ է դառնում, և լույսի յուրաքանչյուր իմպուլս ունենում է մի քանի հարյուր ատտովայրկյան երկարություն։ Հենց այս բացահայտումն էլ հիմք դարձավ հետագա շատ կարևոր փորձերի համար։

Հետագա փորձերը

2001 թվականին Պիեռ Ագոստինիին հաջողվեց ստանալ և ուսումնասիրել լույսի մի շարք հաջորդական իմպուլսներ, որոնցում յուրաքանչյուր իմպուլսը տևեց ընդամենը 250 ատտովայրկյան։

Պիեռ Ագոստինին (լուսանկարի հեղինակ՝ Clotaire Achi/REUTERS)

Միևնույն ժամանակ, Ֆերենց Կրաուշը մեկ այլ փորձ էր իրականացնում։ Այս փորձը հնարավորություն տվեց մեկուսացնելու լույսի մեկ իմպուլս, որը տևեց 650 ատտովայրկյան։ Կրաուշն ու գործընկերներն օգտագործեցին իրենց մեկուսացրած իմպուլսը` հետևելու և ուսումնասիրելու, թե ինչպես են էլեկտրոնները հեռանում իրենց ատոմներից:

Ֆերենց Կրաուշը

«Մենք այժմ կարող ենք բացել դեպի էլեկտրոնների աշխարհ տանող դուռը: Ատտովայրկյանային ֆիզիկան մեզ հնարավորություն է տալիս հասկանալու մեխանիզմները, որոնք կառավարվում են էլեկտրոններով: Հաջորդ քայլը կլինի դրանց օգտագործումը»,- ասում է Ֆիզիկայի բնագավառում Նոբելյան կոմիտեի նախագահ Եվա Օլսոնը:

Օգտագործված աղբյուրներ՝

The Nobel Prize in Physics 2023, nobelprize.org;

Popular science background: Electrons in pulses of light, nobelprize.org;

Physicists who built ultrafast ‘attosecond’ lasers win Nobel Prize, nature.com;

Overtone Series, Addition of Waves and Tone Quality, phys.uconn.edu;

What Is a Laser?, spaceplace.nasa.gov․

Գլխավոր լուսանկարը՝ BBVA Foundation, Kenneth Ruona/Lund University, Ohio State University

Աննա Սահակյան