Уақытты микроскоппен қарауды елестетіп көрдіңіз бе?
Аттосекунд — адам үшін түкке тұрғысыз уақыт. Ал электрондар, атомдар мен молекулалар үшін — тұтас бір оқиға. Лазермен қаруланған ғалымдар дәл осы көзге көрінбейтін мезеттерде табиғаттың ең жылдам құбылыстарын ашып жатыр.
Бала кезімізде тығылмақ ойнағанда «бір мың бір, бір мың екі…» деп санағанымыз есімізде. Осылайша бір секундтың ұзақтығын шамалап сезінетінбіз. Егер адам 80 жыл өмір сүрсе, ол шамамен 2,5 миллиард секундты бастан кешіреді — соның бірде-бірі аса ұзақ болып сезілмейді. Біз уақытты әдетте секундтармен емес, минуттармен, күндермен, жылдармен өлшейміз. Олимпиадада жеңіс пен жеңіліс жүзден, тіпті мыңнан бір секундпен шешілетін спортшыларды есептемегенде, секундтан қысқа уақыт туралы көп ойлай бермейміз.
Ал егер уақытты микроскоппен қарауға болатындай елестетсек ше? Кеңістікті зерттейтін оптикалық, электрондық немесе сканерлеуші туннельдік микроскоптар сияқты, уақытты да үлкейтіп, оның ең ұсақ бөлшектеріне үңілуге мүмкіндік болса?
Дәл осыны жасап жүрген ғалымдар бар. Олар — қазіргі ғылымдағы ең жылдам «жолақта» жүргендер, яғни аттосекундтар әлемінде еңбек ететін зерттеушілер. Лазерлік технологияның дамуын пайдалана отырып, олар атомдар мен молекулалардағы электрондардың әрекетін микросекундтан наносекундқа, пикосекундтан фемтосекундқа, ал қазір — квинтиллионның бір бөлігіне тең аттосекундқа дейінгі уақыт ауқымында зерттеп жүр.
Физика мен химияның «ас үйіндегі» негізгі процесс дәл осы аттосекундтарда өтеді. Жарық пен электрондар энергияны бір-біріне көз ілеспес жылдамдықпен беріп-алып, қайта бөліседі. Электрондардың бір энергетикалық күйден екіншісіне ауысуы, молекулалардың реагенттен өнімге айналуы, химиялық сақиналардың ашылуы, электронның ұшып шығып ион түзуі немесе фотонның сыртқа ұшып, зерттеушіге ақпарат жеткізуі — мұның бәрі осы мезеттерде болады. Бұл құбылыстар фотосинтезден бастап көру қабілетінің физикалық негізіне, триллиондаған доллар айналатын химия өнеркәсібіне дейінгі бүкіл процестердің түбінде жатыр.
Калифорния университетінің (Беркли) физик-химигі Стивен Леоне мұндай уақыт шкаласында жұмыс істеу «мүлде жаңа кеңістікті ашады» дейді. Өзі аттосекундтық химия саласындағы өмірлік жолын сипаттаған ғалым қысқа лазерлік импульстер арқылы химиялық байланыстың үзілуі мен түзілуінің негізінде жатқан электрон қозғалысын тікелей бақылауға болатынын айтады.
Бір аттосекундтың өзі — 0,000000000000000001 секунд. Бір секундта Үлкен жарылыстан бері өткен секундтар санымен бірдей аттосекунд бар. Ал бір аттосекунд ішінде жарық бір атомның шамасындай ғана қашықтықты жүріп өтеді.
Аттосекунд — атомдар үшін табиғи уақыт бірлігі. Ұлттық стандарттар және технологиялар институтының физигі Джон Гилласпидің айтуынша, электронның ядроны айналу уақыты шамамен 1-ден 1000 аттосекундқа дейін созылады. Ол бұл жерде классикалық «электрон — планета» метафорасын қолдануға мәжбүр екенін әзілмен мойындайды, себебі кванттық бейнелеу көпшілікті абдыратып жіберуі мүмкін.
Аттосекундтық зерттеу жасау үшін алдымен фемтосекундтық инфрақызыл лазер қолданылады. Одан кейін жоғары гармоникалық генерация деп аталатын әдіс арқылы одан да қысқа — аттосекундтық импульстер алынады. Бұл технология 2023 жылғы физика бойынша Нобель сыйлығымен бағаланды.
Мұндай тәжірибелерде «сорғы-зонд» әдісі қолданылады: алдымен лазер атомдарға немесе молекулаларға әсер етеді, кейін аттосекундтық импульстер әртүрлі кідіріс уақытымен жіберіліп, шыққан сигналдар тіркеледі. Нәтижесінде электрондардың қозғалысын кадр-кадрмен түсірілген фильм секілді көруге болады.
Бұл әдістер химиялық байланыстың үзілуінен бөлек, реакцияны тежейтін немесе молекуланың пішінін өзгертетін нәзік энергетикалық процестерді де ашып отыр. Бұрын теорияда ғана белгілі болған «конустық қиылысулар» мен «энергетикалық қисықтардың түйісуі» секілді ұғымдар енді нақты өлшеніп жатыр.
Мұндай электрондық «таңдаулар» тірі ағзаларда да маңызды рөл атқарады. Мысалы, ДНҚ мен РНҚ ультракүлгін сәулені жұта отырып, энергияны тез таратып жіберу арқылы өзін зақымданудан қорғай алады. Бұл — күн сәулесі астында өмір сүруіміздің физикалық негіздерінің бірі.
Аттосекундтық зертханалар — тыныш, қараңғы, аса дәлдік талап ететін орта. Дірілді жұтатын үстелдер, айна мен линзадан құралған күрделі оптикалық жүйелер, вакуумдық камералар — бәрі көзге көрінбейтін уақытты «суретке түсіру» үшін қызмет етеді.
Болашақта бұдан да қысқа — зептосекундтық импульстерге қол жеткізу мүмкіндігі қарастырылып жатыр. Мұндай қысқа уақытқа сығылған энергия ғарыштық деңгейдегі қуат тығыздығын бере алады. Гилласпидің айтуынша, бұл кванттық вакуумды зерттеуге, тіпті виртуалды бөлшектерді «нақты» күйге шығаруға жол ашуы мүмкін.
Ал JILA зертханасының физигі Джун Е аттосекундтық технологияны мүлде басқа мақсатта — қара материяны анықтау үшін пайдаланбақ. Ол ядролық сағаттар арқылы атом ядросындағы ең ұсақ энергия ауытқуларын өлшеп, бізді қоршаған, бірақ көзге көрінбейтін материяның әсерін табуға үміттенеді.
Ғылым осылай дамиды: бір қарағанда таза қызығушылықтан туған жаңа құрал мен идеялар кейін күтпеген мүмкіндіктерге жол ашады. Аттосекундтық құбылыстар да дәл сондай — бүгін электронды бақылау үшін қолданылса, ертең бүкіл әлем туралы түсінігімізді өзгертуі әбден мүмкін.
