Զառ գցող Աստվածն ու կոճկվող մոլեկուլները․ ֆիզիկայի և քիմիայի նոբելյանները

2022 թվականին ֆիզիկայի և քիմիայի ոլորտների Նոբելյան մրցանակները շնորվել են երեքական գիտնականների․ Ալեն Ասպետը, Ջոն Կլաուզերը և Անտոն Ցայլինգերը փորձնականորեն ցույց են տվել, որ սխալվել կարող էր անգամ Ալբերտ Այնշտայնը, իսկ Քերոլայն Բերտոչին, Բարրի Շարփլեսը և Մորտեն Մելդալը զարգացրել են քլիք-քիմիան՝ մոլեկուլների քիմիական «լեգոն»։

Աստված զառ է գցում 

Ֆիզիկայի ոլորտի Նոբելյան մրցանակը, ըստ պաշտոնական հայտարարության, շնորհվել է «խճճված ֆոտոնների հետ կատարված փորձերի համար, որոնք հաստատել են Բելլի անհավասարության խախտումը և սկիզբ են դրել քվանտային ինֆորմատիկային»։

Գործնականորեն մրցանակակիրները քվանտային համակարգչի նախատիպ են տվել աշխարհին, որը թույլատրում է ինֆորմացիան կոդավորել այնպես, որ դրա վերծանումը ժամանակակից սարքերով հազարամյակներ տևի։ 

Այս աշխատանքները նորություն չեն գիտական աշխարհում․ փորձերը անցկացվել են 1970, 1980 և 1990-ականներին, իսկ 2010-ին գիտնականները Վոլֆի մրցանակ էին ստացել (ֆիզիկայի ոլորտում շատերի համար համարվում է հեղինակությամբ երկրորդը՝ Նոբելյան մրցանակից հետո)։

Առհասարակ քվանտային մեխանիկայի ուսումնասիրության առարկան տարրական մասնիկների վարքն է, ի տարբերություն մեր իմացած ֆիզիկայի, այստեղ ճշտգրտությունը զիջում է հավանականությանը։ 

Քվանտային աշխարհում մասնիկները կարող են միաժամանակ գտնվել մի քանի վիճակում, որոնք լիովին բացառում են իրար այն աշխարհում, որին մենք սովոր ենք։ Օրինակ՝ էլեկտրոնը չի պտտվում ատոմի միջուկի շուրջ (ինչպես մենք սովորում ենք դպրոցում), այլ գտնվում է ատոմի ուղեծրի բոլոր կետերում միաժամանակ՝ ուղղակի տարբեր հավանականություններով։ Քվանտային մեխանիկային բացասական էր վերաբերվում Ալբերտ Այնշտայնը։ 

«Աստված զառ չի գցում»,- ասում էր Այնշտայնը Նիլս Բորի (քվանտային տեսության հիմնադիրներից) հետ վեճի ժամանակ։

Այնշտայնի պարադոքսը կապված էր քվանտային աշխարհի երկու հիմնական հատկությունների հետ՝ անորոշությունների սկզբունքի և քվանտային խճճվածության։ Խճճվածությունը առաջանում է երկու քվանտների փոխազդեցության արդյունքում, երբ նրանց քվանտային պարամետրերը դառնում են կապակցված և մնում է, երբ դրանց միջև փոխազդեցությունը դադարում է։ Արտաքին ազդեցության բացակայության դեպքում, այս կապը պահպանվում է անգամ երբ մասնիկները գտնվում են իրարից հազարավոր լուսատարիներ հեռավորության վրա։ 

Այլ կերպ ասած, խճճված մասնիկները «շփվում են» իրար հետ և ազդեցություն են գործում իրար վրա, անգամ երբ դրանց միջև հսկայական հեռավորություն կա։ Իմանալով մի մասնիկի վիճակը՝ կարելի է վստահաբար կանխագուշակել մյուսինը։ 

Փաստացի ստացվում է, որ այսպիսի շփումը պահանջում է ինֆորմացիայի փոխանակման այնպիսի ձև, որի արագությունը կգերազանցի լույսի արագությանը։

Այնշտայնը և մի շարք այլ գիտնականներ գտնում էին, որ այս խճճվածությունը հակասում է անորոշությունների սկզբունքին։ Ըստ նրանց, ինֆորմացիայի փոխանակման այդպիսի ձև գոյություն չունի և ներկայիս քվանտային տեսության հետևում ուրիշ ինչ-որ բան կա՝ պարամետրեր, որոնք մարդկությունը դեռ չի բացահայտել։ 

1964 թվականին ամերիկացի ֆիզիկոս Ջոն Բելլը մաթեմատիկական սխեմա է առաջարկել, որի միջոցով հնարավոր էր ապացուցել՝ արդյո՞ք քվանտային տեսության մեջ կան թաքնված պարամետրեր թե՝ ոչ, միաժամանակ ստուգելով դրանց առկայությունը իրականության մեջ։ 

Բելլը կազմեց անհավասարություններ, որոնք եթե լուծվեին՝ կապացուցեին, որ թաքնված պարամետրեր, իրոք, գոյություն ունեն, իսկ քվանտային անորոշությունը ընդամենը ժամանակավոր լուծում է՝ անհեթեթություն։ Եթե անհավասարությունները չլուծվեին, ուրեմն քվանտային օբյեկտների աշխարհը իրոք անորոշ է, իսկ տեսությունը՝ ճիշտ։

Բելլի անհավասարությունների անլուծելիությունը ապացուցել են և շարունակում են ապացուցել 1972 թվականից։ Բոլոր փորձերը հաստատել են, որ անհավասարությունները չեն լուծվում և թաքնված պարամետրեր քվանտային մեխանիկայում չկան։ 2016 թվականին մի խումբ ֆիզիկոսներ, իրենց հերթին, ապացուցել են, որ անհավասարությունը խախտվում է նաև գալակտիկաների և աստղերի մասշտաբներում։

Նոբելյան մրցանակակիրներից մեկը՝ Անտոն Ցայլինգերը 1999 թվականին գիտական աշխարհ է ներմուծել քվանտային տելեպորտացիայի գաղափարը։ Ֆիզիկոսները փորձ են իրականացրել, որի ժամանակ մի մասնիկի քվանտային վիճակը ակնթարթորեն փոխանցվել է մյուսին։ 

Փորձի մեջ կիրառվել էին երեք ֆոտոններ․ երկու խճճված, իրարից հեռացված ֆոտոններ և մեկ՝ «տելեպորտացվող»։ Խճճված ֆոտոններից մեկի հետ փոխազդեցության մեջ մտնելով՝ «տելեպորտացվող» ֆոտոնի վիճակը անմիջապես փոխանցվում էր մյուս խճճված ֆոտոնին։ 

Ցայլինգերն իր աշխատանքի մեջ նշել էր, որ այս երևույթը կարելի է օգտագործել քվանտային համակարգչային ցանցեր ստեղծելու նպատակով, ինչը և արեցին հետագայում։

Քլիք ու պատրաստ է

Նոբելյան կոմիտեի հայտարարության համաձայն, քիմիայի ոլորտում Բարրի Շարփլեսին և Մորտեն Մելդալին մրցանակներ են շնորհվել՝ քլիք-քիմիայի գործնական հիմքերը դնելու համար։ Դրա շնորհիվ մոլեկուլյար բլոկերը արագ և արդյունավետ միանում են․ սա գործնականում կիրառել է Քերոլայն Բերտոչիին՝ երրորդ մրցանակակիրը, ուռուցքային բջիջներ փնտրելու համար։ 

Քլիք քիմիան գիտություն է, որը զբաղվում է անջատ մոլեկուլների միացման տարբեր միջոցների ուսումնասիրությամբ։ Մոլեկուլները, կարելի է ասել, կոճկում են միմյանց, ինչպես մենք անվտագնության գոտին ենք կապում։ Արդյունքում ստացվում է մեկ ամբողջականություն, որը կարելի է կիրառել տարբեր նպատակներով։

2001 թվականին Մելդալը, երբ սինթեզում էր պինդ-ֆազային սպիտակուցային շղթաներ, պատահաբար հայտնաբերեց, որ պղնձի յոդիդի առկայությամբ ընդամենը մի քանի րոպեում ազիդ-ալկինային ցիկլերի միացման ռեակցիա է ընթանում՝ օրգանական նյութերն իրար են կպնում։ 

Սկզբում հենց Մելդալը, այնուհետև 2001-ին արդեն Նոբելյան ստացած Բարրի Շարփլեսսը այս մասին հոդվածներ են հրապարակել։ Շարփլեսը քլիք-ռեակցիաների ցուցակը հավելել էր երկու այլ ռեակցիաներով։

Այս ռեակցիաները մի քանի հետաքրքիր հատկություններ ունեին՝

— ելանյութերի ատոմները ամբողջությամբ վերածվում են անհրաժեշտ պրոդուկտի և չեն ծախսվում կողմնակի բաների վրա
— ռեակցիայի ընթացքում ավելորդ նյութեր չեն առաջանում, միայն ածխածին-ածխածին կամ ածխածին-հետերոատոմ կապեր
— ռեակցիան կարող է անցկավել առանց լուծիչի կամ ջրում
— ելքը (արդյունավետությունը) հաճախ մոտ է լինում 100%-ի

Փաստացի, ռեակցիան բավականին հեշտ է ընթանում, ինչի պատճառով այն արագորեն գրավել էր քիմիկոսների ուշադրությունը։ Այս ռեակցիաների միջոցով սկսեցին դեղամիջոցներ և սոսինձներ ստանալ։ 

Շարփլեսի նախկին աշխատակիցներից Վալերի Ֆոկինը վերցրել էր երկու մետաղական մակերես, որոնցից մեկը պատել էր օրգանական ազիդով, իսկ մյուսը՝ ալկինով, ստանալով քլիք-սոսինձ։ Արդյունքում մակերեսներն այնքան ուժեղ էին իրար կպչում, որ երբ դրանք փորձում էին անջատել, ձգվում էր սոսնձված պղինձը։ 

«Քլիք-ռեակցիա» անվանումը առաջարկել էր հենց Շարփլեսը․ նրա կարծիքով այս ռեակցիաների նկատմամբ հարմարավետության և բավարարվածության զգացումը հիշեցնում էր ամրագոտու չխկոցի ձայնը՝ «քլիք»։

Երրորդ մրցանակակիր Քերոլայն Բերտոչին, իր հերթին ցույց է տվել, որ քլիք-քիմիան նաև արդյունավետ միջոց է կենդանի օրգանիզմների հետ աշխատելու համար՝ առանց դրանց կենսաքիմիան խախտելու։ Բերտոչին զբաղվում էր բջջաթաղանթներով և փնտրում դրանց օրգանական ֆրագմենտներ ամրացնելու միջոցներ։ Ընդ որում, այս միջոցները չպետք է որևէ կերպ ազդեին բջջի կենսագործունեության վրա։ 

Տեսնելով քլիք-քիմիայի մասին աշխատանքները՝ Բերտոչին հասկացավ, որ կարող է այս ռեակցիաներն օգտագործել սեփական նպատակներով։ Այս դեպքում բջիջների համար թունավոր պղինձ չէր կարող օգտագործվել, սակայն գիտնականը պարզեց, որ ռեակցիան հնարավոր է և առանց դրա։ Նա օգտագործեց այն փաստը, որ ազիդների միացումը կրկնակի կապերի հետ ավելի լավ է ընթանում, երբ դրանք ներառված են փոքր ցիկլում։ Գիտնականին հաջողվեց ֆլուորեսցենտ «պիտակ» ամրացնել բջիջների թաղանթին, ինչի միջոցով հնարավոր է քաղցկեղային բջիջներ փնտրել։

Ընդհանուր առմամբ քլիք-քիմիան իր գործառույթով նման է հակամարմիններին՝ այն հնարավորություն է տալիս ճանաչել կոնկրետ մոլեկուլ կամ բջիջ և ինչ-որ բան փակցնել դրան։ Սակայն ի տարբերություն հակամարմինների, մոլեկուլները շատ ամուր են փակցվում։ 

Հետևաբար, ինչպես և հակամարմինները, այս մեթոդը կարելի է տարբեր կերպ օգտագործել։ Օրինակ՝ կարելի է բջջաթաղանթներին նոր ընկալիչ ավելացնել, որ ավելի հեշտ լինի դեղանյութը բջիջ ներմուծել։

2022 թվականի դրությամբ Նոբելյան մրցանակը կազմում է մոտ 900 հազար դոլար: