ΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΣΤΟ CERN ΚΑΙ ΤΟ ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ HIGGS

Transcript

1 Τακαρίδης Γεώργιος ΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΣΤΟ CERN ΚΑΙ ΤΟ ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ HIGGS ΘΕΩΡΙΕΣ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΑΙ ΒΙΒΛΙΚΗ ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ ΣΕ ΘΕΣΗ ΑΝΤΙΘΕΣΗ ΚΑΙ ΣΥΝΘΕΣΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ που υποβλήθηκε στο Τμήμα Ποιμαντικής και Κοινωνικής Θεολογίας του Α.Π.Θ. ΔΕΚΕΜΒΡΙΟΣ 2012

2 ΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΣΤΟ CERN ΚΑΙ ΤΟ ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ HIGGS ΘΕΩΡΙΕΣ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΑΙ ΒΙΒΛΙΚΗ ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ ΣΕ ΘΕΣΗ ΑΝΤΙΘΕΣΗ ΚΑΙ ΣΥΝΘΕΣΗ 1

3 Σε όλους εκείνους που αναζητούν τη βαθύτερη συνάντηση 2

4 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ...5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ...9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ: ΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΣΤΟ CERN ΚΑΙ Η ΑΝΑΖΗΤΗΣΗ ΤΟΥ ΣΩΜΑΤΙΔΙΟΥ HIGGS Σύντομη παρουσίαση του CERN Πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στο CERN κατά το παρελθόν Η περίπτωση του σωματιδίου Higgs...19 I. Η σχέση του σωματιδίου Higgs με το Καθιερωμένο Πρότυπο...19 II. Η προ του LHC (Large Hadron Collider) κατάσταση...20 III. Η κατάσταση από την έναρξη του LHC μέχρι σήμερα Άλλα πειράματα που διεξάγονται σήμερα στο CERN...27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ: ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΚΑΙ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΠΟΡΕΙΑ ΠΡΟΣ ΤΟ ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ HIGGS Η μάζα και η ύλη για τη Φυσική...31 I. Οι κλασικές αντιλήψεις για την έννοια της μάζας...31 II. Οι σύγχρονες αντιλήψεις για την έννοια της μάζας Οι δύο «γλώσσες» της Επιστήμης Η πορεία προς το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard model)...45 I. Σύντομη παρουσίαση των σωματιδίων του Προτύπου...45 II. Τα εικονικά σωματίδια του μοντέλου ή οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των υλικών σωματιδίων Η ενοποίηση των δυνάμεων Οι συμμετρίες στη Φύση και η ρήξη τους Το σωματίδιο Higgs...69 I. Τα αναγκαία μαθηματικά προσόντα μιας φυσικής θεωρίας για την περιγραφή της μικροσκοπικής δομής της ύλης...69 II. Τα μαθηματικά προσόντα του μηχανισμού Higgs...73 III. Ποιοτική προσέγγιση της δράσης του πεδίου σωματιδίου Higgs...76 IV. Τελικά τι είναι τα σωματίδια Higgs, τι η μάζα και τι η ύλη;

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΡΙΤΟ: Η ΒΙΒΛΙΚΗ ΚΟΣΜΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΟΙ ΕΡΜΗΝΕΙΕΣ ΤΩΝ ΠΑΤΕΡΩΝ Η Παλαιά Διαθήκη Ο ιδιαίτερος χαρακτήρας της Η Βιβλική Κοσμολογία...94 I. Ο ιδιαίτερος χαρακτήρας του βιβλίου της Γενέσεως...94 II. Η διήγηση της δημιουργίας Προϋποθέσεις προσέγγισης κατανόησης και ερμηνείας της διήγησης της Γενέσεως Η «επιστημονικότητα» της δια του θείου φωτισμού προσέγγισης κατανόησης και ερμηνείας της διήγησης της Γενέσεως «Ἐν ἀρχῇ ἐποίησεν ὁ θεὸς τὸν οὐρανὸν καὶ τὴν γῆν. Ἡ δὲ γῆ ἦν ἀόρατος καὶ ἀκατασκεύαστος» I. «Ἐν ἀρχῇ ἐποίησεν ὁ θεὸς» II. «τὸν οὐρανὸν καὶ τὴν γῆν» III. «Ἡ δὲ γῆ ἦν ἀόρατος καὶ ἀκατασκεύαστος» ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΤΕΤΑΡΤΟ ΑΝΤΙΘΕΣΗ ΚΑΙ ΣΥΝΘΕΣΗ Διάκριση νοερών και αισθητών δημιουργημάτων κτιστής και Άκτιστης φύσης Τα όρια των δύο Επιστημών. Αντίθεση και σύνθεση ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Πηγές Έργα πατέρων και εκκλησιαστικών συγγραφέων Βοηθήματα Α. Θεολογίας Φιλοσοφίας Β. Φυσικής Φιλοσοφίας της Φυσικής Γ. WEB

6 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Πολλά έχουν ακουστεί και άλλα τόσα έχουν γραφεί για το σωματίδιο Higgs που εκλαϊκευμένα αποκαλείται «σωματίδιο του Θεού» ή εντελώς λανθασμένα από κάποιους «σωματίδιο Θεός». Η εργασία αυτή φιλοδοξεί, αφενός να ρίξει φως στο σωματίδιο από την επιστημονική του πλευρά και αφετέρου να προχωρήσει στην θέαση του νέο αποκαλυπτόμενου κόσμου των στοιχειωδών σωματιδίων από θεολογικής πλευράς. Από κάποιους επιστήμονες όχι Φυσικούς άκουσα να λέγεται «άντε να βρεθεί και αυτό το σωματίδιο και τέρμα οι παπάδες, τέρμα και τα μανουάλια!». Θα μπορούσε άραγε η ανακάλυψη ενός σωματιδίου να κλονίσει την παρουσία του Θεού μέσα στον κόσμο; Η αφορμή για την συγγραφή της εργασίας αυτής δόθηκε στην πρώτη μου κιόλας επαφή με τη Θεολογική Σχολή, όταν για να εισαχθώ στα προγράμματα μεταπτυχιακών σπουδών του Τμήματος Κοινωνικής και Ποιμαντικής Θεολογίας έπρεπε ως πτυχιούχος της Σχολής Θετικών Επιστημών του Α.Π.Θ. εκτός των άλλων τυπικών διαδικασιών, να περάσω από συνέντευξη. Ο τότε πρόεδρος του Τμήματος κ. Χρήστος Οικονόμου ευθύς εξαρχής μου έθεσε την ερώτηση εάν ως φυσικός θα μπορούσα να ασχοληθώ με το θέμα του σωματιδίου Higgs και εν πάση περιπτώσει «ποιος αέρας» θα μπορούσε να οδηγήσει έναν φυσικό στην Θεολογική Σχολή. Ως προς το πρώτο σκέλος του απάντησα πως δεν ήμουν βέβαιος εκ των προτέρων για την έκβαση ενός τέτοιου εγχειρήματος. Ως προς το δεύτερο δε, του είπα: «οι φυσικοί στο CERN ψάχνουν μέσα από τη συνάντηση των άψυχων σωματιδίων να ανακαλύψουν το σωματίδιο του Θεού. Εγώ στην Θεολογική ήρθα για να βρω πώς οι θεολόγοι μέσα από τη συνάντηση των προσώπων ανακαλύπτουν τον ίδιο τον Θεό». Τώρα που έφτασα στο τέλος αυτού του πονήματος, μπορώ να πω με βεβαιότητα πως το πρώτο (η έρευνα των φυσικών) είναι κάτι πολύ συναρπαστικό σε γεμίζει με θαυμασμό, με έκπληξη, με δέος για τα μυστήρια της Φύσης. Το δεύτερο σε ολοκληρώνει ως άνθρωπο, σε καθιστά αληθινό πρόσωπο στο βαθμό βέβαια που μετέχεις και βιώνεις μία αυθεντική συνάντηση, συνύπαρξη, κοινωνία προσώπων, ανθρώπων και Θεού. Τι είναι όμως αυτό που δημιούργησε ένα τέτοιου είδους κλίμα γύρω από ένα σωματίδιο; Από την αρχή πρέπει να τονιστεί πως ο 83χρονος σήμερα Βρετανός φυσικός Peter Higgs, εμπνευστής του περιβόητου 5

7 σωματιδίου, είναι όχι μόνο διαμετρικά αντίθετος με τον χαρακτηρισμό «σωματίδιο του Θεού», αλλά και ιδιαίτερα ενοχλημένος, όπως άλλωστε και πολλοί άλλοι επιστήμονες. Για την ιστορία του πράγματος αναφέρω πως η ονομασία αυτή πρωτοακούστηκε, όταν κυκλοφόρησε το βιβλίο του νομπελίστα φυσικού Λέον Λέντερμαν (Leon Lederman) The God Particle : If the Universe Is the Answer, What Is the Question? («Το Σωματίδιο του Θεού: Αν το Σύμπαν είναι η απάντηση, τότε ποια είναι η ερώτηση;») που εκδόθηκε το Λέγεται ότι ο Λέντερμαν παραδέχτηκε πως του ασκήθηκαν πιέσεις από τους εκδότες του βιβλίου, ώστε ο τίτλος του να γίνει πιο προκλητικός και επομένως πιο ελκυστικός, ενώ ο ίδιος είχε προτείνει τον τίτλο The Goddamn Particle, «το καταραμένο σωματίδιο». Όπως και αν έχει το πράγμα, τελικά η ονομασία αυτή καθιερώθηκε, χρησιμοποιήθηκε και χρησιμοποιείται ακόμη και από επιστήμονες (όχι βέβαια σε επιστημονικές εργασίες), έστω και αν αυτό γίνεται για λόγους μάρκετινγκ όπως πολλοί τους κατηγορούν, έστω και αν με τον τρόπο αυτό προσπαθούν να δικαιολογηθούν έμμεσα τα τεράστια χρηματικά ποσά που δαπανώνται για τη λειτουργία των εγκαταστάσεων ανά τον κόσμο, όπου πραγματοποιούνται πειράματα για τον εντοπισμό του. Υπάρχει τελικά κάποιος ιδιαίτερος λόγος για να μπορέσει να συντηρηθεί όλη αυτή η φιλολογία περί του σωματιδίου πέραν των παραπάνω; Ενώ πράγματι σε κάποιο βαθμό έχει προκληθεί υπερβολικός θόρυβος, το σωματίδιο αυτό έχει κάποια ιδιαιτερότητα, όπως διεξοδικά αναλύεται στην εργασία. Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) αποτελεί μία σχεδόν πλήρη θεωρία για την περιγραφή του κόσμου των στοιχειωδών σωματιδίων, ατομικών και υποατομικών. Στην πρωταρχική μορφή του μοντέλου οι μαθηματικές εξισώσεις που περιέγραφαν την συμπεριφορά όλων των στοιχειωδών σωματιδίων δεν προέβλεπαν τη μάζα τους. Στη μαθηματική θεωρητική θεμελίωσή τους εμφανίζονται ως «άμαζα» 1, γεγονός που συγκρούεται ευθέως με την καθημερινή εμπειρία. Ο Higgs λοιπόν, πριν από περίπου 50 χρόνια, ήταν αυτός που επινόησε θεωρητικά μία φυσική διαδικασία για το πώς τα σωματίδια αποκτούν τη μάζα τους και στη συνέχεια την επεξεργάστηκε μαθηματικά, ώστε να δώσει ένα πλήρες μοντέλο περιγραφής. Με τον τρόπο αυτό προσπάθησε να καλύψει το κενό περί της μάζας των σωματιδίων σε θεωρητικό επίπεδο. Η 1 Η έκφραση "άμαζο σωματίδιο", όσο και αν ηχεί παράξενα, αποτελεί μια πολύ συγκεκριμένη έννοια στη σχετικιστική κβαντομηχανική, δηλαδή την κβαντομηχανική που ενσωματώνει την ειδική θεωρία σχετικότητας του Einstein. Βλ. Τράκας Ν., «Τι είναι, επί τέλους, αυτό το σωματίδιο higgs;», διαθέσιμο στο < 6

8 ορθότητα του μοντέλου Higgs ωστόσο έπρεπε να επιβεβαιωθεί και πειραματικά, κάτι που είναι αναγκαίο και επιβεβλημένο στην Επιστήμη, ώστε να καταλήξει σε οριστικά συμπεράσματα. Κεντρικό στοιχείο του μοντέλου Higgs είναι το ομώνυμο σωματίδιο, το οποίο αλληλεπιδρώντας με τα άμαζα αρχικά σωματίδια, είναι αυτό που τελικά τους προσδίδει μάζα. Η υλική μας υπόσταση είναι τόσο προφανής, τόσο αδιαμφισβήτητη από τις αισθήσεις και την εμπειρία μας, ώστε προκαλεί και τον πλέον αδιάφορο η πεποίθηση της Επιστήμης ότι στα πρώτα στάδια της ζωής του σύμπαντος τα πάντα ήταν «άϋλα» 2, υπήρχε μόνο ενέργεια και απαιτούνταν κάποιος «μηχανισμός» ή κάποιο σωματίδιο, που θα οδηγούσε στην «ενύλωση» των αρχικά ενεργειακών οντοτήτων. Τον περασμένο Ιούλιο ανακοινώθηκε η ανακάλυψη ενός νέου σωματιδίου με ιδιότητες παρόμοιες με αυτές που προβλέπει η θεωρία για το σωματίδιο Higgs. Πριν από έναν μόλις μήνα δημοσιεύτηκαν οι εργασίες σε διεθνή επιστημονικά περιοδικά. Απομένει ένας ενδελεχής έλεγχος για την ταυτοποίηση του σωματιδίου. Ακόμη και αν δεν ταυτοποιηθεί το σωματίδιο Higgs, θα ταυτοποιηθεί κάποιο νέο με παρόμοιες ιδιότητες. Η Επιστήμη προχωρά και θα εξακολουθήσει να προχωρά. Αργά ή γρήγορα ο «μηχανισμός» Higgs ή κάποιος άλλος θα δώσει την ερμηνεία για το πώς έγινε η μετάβαση από τις ενεργειακές οντότητες στις αντίστοιχες υλικές. Πρόκειται για έναν μηχανισμό της Φύσης ή καλύτερα για μία λειτουργία της. Για έναν νόμο της. Για έναν λόγο που ενυπάρχει σ αυτήν. Για την Ορθόδοξη Θεολογία δεν τίθεται θέμα αποδοχής ή απόρριψης του σωματιδίου, ούτε κάποιος κρυφός φόβος ότι τάχα θα έχανε την ισχύ της ή την εγκυρότητά της ή θα κλονιζόταν τα θεμέλιά της. Αλήθεια, εάν αυτό το σωματίδιο είναι του Θεού, τότε τα άλλα τίνος είναι; Ακόμη και όταν πρόκειται γι αυτό το σωματίδιο που έχει τις συγκεκριμένες ιδιότητες. Οφείλω βαθύτατες ευχαριστίες στον καλό Θεό, που μου έδωσε την ευκαιρία να ασχοληθώ συστηματικά με το θέμα αυτό, με φώτισε και με βοήθησε να ξεκαθαρίσω έννοιες λεπτές τόσο από πλευράς Επιστήμης όσο και από πλευράς της Βιβλικής θεολογίας και της αστείρευτης πατερικής παράδοσης. Ευχαριστίες οφείλω στον σύμβουλο καθηγητή μου κ. Αθανάσιο Παπαρνάκη, ο οποίος μου προσέφερε απεριόριστη ελευθερία στην έρευνά μου, διαρκή ηθική στήριξη και επιστημονική, κάθε φορά που την χρειαζόμουνα. Εύχομαι ο καλός Θεός να του ανταποδώσει πλουσίως το 2 Για την λέξη άϋλα χρησιμοποιούνται εισαγωγικά, διότι όπως αναπτύσσεται επαρκώς στη μελέτη αυτή, οι ενεργειακές οντότητες των πρώιμων σταδίων του σύμπαντος ήταν εξίσου υλικές, αν και δεν είχαν εμφανίσει ακόμα τα στοιχεία εκείνα που πιστοποιούσαν την υλική τους υπόσταση. 7

9 καλό που μου έκανε. Ευχαριστίες οφείλω στους καθηγητές του Τομέα Πυρηνικής Φυσικής και Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων της Σχολής Θετικών Επιστημών του Τμήματος Φυσικής του Α.Π.Θ. κ.κ. Αναστάσιο Λιόλιο και Χρήστο Ελευθεριάδη, για τη συνεργασία που είχαμε στο μάθημα των στοιχειωδών σωματιδίων του μεταπτυχιακού προγράμματος του Τμήματός τους, καθώς και για τις συζητήσεις και τους προβληματισμούς που μοιράστηκαν μαζί μου. Ευχαριστίες οφείλω στον ομότιμο καθηγητή Θεωρητικής Φυσικής του Α.Π.Θ. κ. Γεώργιο Γούναρη για την αγάπη με την οποία με περιέβαλε και με στήριξε στην προσπάθειά μου να ερμηνεύσω κάποιες λεπτές θεωρητικές έννοιες για τα στοιχειώδη σωματίδια. Ευχαριστίες οφείλω στον καθηγητή του Τομέα Πυρηνικής Φυσικής και Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων κ. Γεώργιο Κίτη για τους φιλοσοφικούς και θεολογικούς προβληματισμούς, που αντάλλαξε μαζί μου πάνω σε θέματα της Επιστήμης και των ερευνητικών του προγραμμάτων. Ευχαριστίες οφείλω στον καθηγητή Αστρονομίας του Α.Π.Θ. κ. Σταύρο Αυγολούπη για τις πολύ χρήσιμες συζητήσεις μας πάνω σε θέματα Φυσικής, Φιλοσοφίας, Αστρονομίας και Θεολογίας. Τέλος ευχαριστίες από βάθους καρδίας οφείλω και σε όλους όσοι αφανώς και αδιαλείπτως με αγκαλιάζουν με την αγάπη τους και τις ευχές τους. Κλείνοντας, παρακαλώ τους μη σχετικούς με το χώρο της Φυσικής να κάνουν λίγη υπομονή διαβάζοντας το τμήμα της εργασίας που παραθέτει τις έννοιές της. Προσπάθειά μου ήταν να μη γίνει μία ξερή παράθεση εννοιών και πληροφοριών, αλλά η όλη ανάπτυξη να αποτελεί μία συνεπή ακολουθία νοημάτων, που οδηγούν κατά το δυνατό στις λεπτές και για τη Φυσική έννοιες του σωματιδίου Higgs, της μάζας των σωμάτων, της ενέργειας και της μεταξύ τους σχέσης. Εύχομαι και ελπίζω το ταπεινό αυτό πόνημα να φωτίζει έστω και λίγο το παρεξηγημένο για πολλούς θέμα του «σωματιδίου του Θεού» και της σχέσης που μπορεί να έχει η επιστήμη της Φυσικής με την Θεολογία. Γιώργος Τακαρίδης Οκτώβριος

10 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η εργασία αυτή πραγματεύεται ένα θέμα αρκετά δύσκολο και σε κάποιο βαθμό προκλητικό, καθώς το αντικείμενό της φαίνεται να είναι ακραιφνώς επιστημονικό και φιλοδοξεί να το προσεγγίσει μέσα από δύο δρόμους, της Φυσικής και της Θεολογίας. Υπάρχει άραγε κάποια συμβατότητα, κάποιο σημείο που θα μπορούσαν οι δύο αυτοί χώροι να συναντηθούν; Τι σχέση μπορεί να έχει η Θεολογία με το σωματίδιο Higgs; Μήπως το μοναδικό πεδίο συνάντησης είναι αυτό της αντιπαράθεσης; Έχω την αίσθηση ότι δεν πρέπει να βιαστεί κανείς για πρόωρα συμπεράσματα. Είναι πιο συνετό να γίνει ένας απροκατάληπτος διάλογος για τις θέσεις του κάθε χώρου, από όπου μπορούν να προκύψουν είτε συμφωνίες είτε διαφωνίες και εν συνεχεία να βγουν τα συμπεράσματα. Υπάρχουν βέβαια σε κάποιο βαθμό δικαιολογημένες αντιρρήσεις και ενστάσεις για το διάλογο αυτό από την πλευρά πολλών επιστημόνων, διότι ιστορικά η Εκκλησία πολλές φορές στάθηκε όχι μόνο τροχοπέδη στην πορεία της Επιστήμης, αλλά και φανατική πολέμιός της 3. Έτσι πολλοί επιστήμονες είναι επιφυλακτικοί έως και εκ προοιμίου αρνητικοί, υποπτευόμενοι το όψιμο ενδιαφέρον της Εκκλησίας για διάλογο, ως ένα μέσο διάσωσής της από την οριστική απολίθωσή της. Χωρίς διάθεση παραμικρής αντιπαλότητας αξίζει να τονιστεί ότι μία τέτοια στάση 3 Αξιόλογη είναι η κριτική που κάνει για το θέμα αυτό στην Ρωμαιοκαθολική Εκκλησία ο Hans Kung ένας ρωμαιοκαθολικός ιερέας και πανεπιστημιακός καθηγητής της Τυβίγγης Γερμανίας. Με απλότητα και ευθύτητα αναγνωρίζει ως απαράδεκτη τη στάση της Ρωμαιοκαθολικής Εκκλησίας η οποία «ως ιδρυματικός θεσμός, αντί να μεριμνά για πνευματική κατανόηση, προσπάθεια και εργασία, καθιέρωσε έλεγχο, Index απαγορευμένων βιβλίων και Ιερά Εξέταση». Με τον τρόπο αυτό κατέστησε τον εαυτό της μία «αυστηρά συντηρητική και αντιδραστική δύναμη και επέφερε μια σχεδόν αθόρυβη μετανάστευση των φυσικών επιστημόνων από την Εκκλησία και μία διαρκή σύγκρουση μεταξύ της Φυσικής Επιστήμης και της κυρίαρχης Θεολογίας». Βλ. Kung Hans, Η ΑΡΧΗ ΤΩΝ ΠΑΝΤΩΝ, Φυσικές Επιστήμες και Θρησκεία, Εκδόσεις Ουρανός, Αθήνα 2009, σελ Επίσης βλ. Γραμματικάκης Γιώργος, Η ΑΥΤΟΒΙΟΓΡΑΦΙΑ ΤΟΥ ΦΩΤΟΣ, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης, 4η έκδοση, Ηράκλειο 2006, σελ ,

11 απέναντι στην Επιστήμη ποτέ δεν παρατηρήθηκε σε επίπεδο θεσμικό στην Ορθόδοξη Εκκλησία. Τέτοιες πρακτικές αναπτύχθηκαν στο έπακρο κατά κανόνα σε θεσμικό επίπεδο στη Ρωμαιοκαθολική Εκκλησία, η οποία μετά την εκκοσμίκευσή της και την εγκαθίδρυση του θρησκευτικού ουμανισμού οδήγησε τον δυτικό κόσμο στον θρησκευτικό αποχρωματισμό. Όσον αφορά στην πρόοδο της Επιστήμης δε χρειάζεται να πει κανείς πολλά. Είναι κάτι παραπάνω από προφανής και αντικατοπτρίζεται σε υπερθετικό βαθμό στην καθημερινότητα του ανθρώπου μέσα από τα επιτεύγματα, τα οποία αφενός τον κατακλύζουν και αφετέρου βοούν για την ορθότητα των προβλέψεών της. Η Επιστήμη με τον τρόπο που εργάζεται αποδεικνύει χειροπιαστά ότι ο λόγος της «σαρκώνεται». Η Βιβλική και Αγιοπατερική Θεολογία κηρύττει ότι «ὁ Λόγος σὰρξ ἐγένετο καὶ ἐσκήνωσεν ἐν ἡμῖν» 4. Για το θεολογικό λόγο ο Λόγος σαρκώθηκε στην ανθρώπινη Ιστορία, κινδυνεύει όμως να μετατραπεί σε απολίθωμά της στη συνείδηση των ανθρώπων, αν δε συνεχίσει να σαρκώνεται μέσα στο καθημερινό βίωμα. Λόγος που δεν μπορεί να αποκτήσει σάρκα και οστά, να μετατραπεί σε μεγέθη της καθημερινότητας, να ψηλαφηθεί μέσα σ αυτήν, είναι κενός περιεχομένου. Αυτό συμβαίνει κάθε φορά που, είτε σε ατομικό είτε σε συλλογικό επίπεδο εκκοσμικεύεται το φρόνημα. Έτσι μπορεί να δημιουργηθεί χάσμα μεταξύ των δύο χώρων, όταν στον έναν ο λόγος γίνεται πράξη και στον άλλο μένει στη θεωρία. Προϋπόθεση επομένως για τον όποιον διάλογο είναι τα απτά αποτελέσματα της σάρκωσης του λόγου που εκφράζει ο κάθε χώρος. Στην Ορθόδοξη Θεολογία πράγματι η σάρκωση του λόγου της, δηλαδή η εμπειρική βίωση του Θεού Λόγου, αποτελεί αναγκαία και ικανή συνθήκη για την επαλήθευση της ορθότητας των παραδοχών της. Όσο και αν αυτό ακούγεται παράξενο ή ουτοπικό, αποτελεί την πεμπτουσία της Ορθόδοξης Θεολογίας. Ο Άγιος Γρηγόριος ο Παλαμάς, ως γνήσιος φορέας της ζώσας ευαγγελικής και πατερικής παράδοσης, εκφράζει αυτήν την διαχρονική αλήθεια που πηγάζει από την ενιαία αγιοπνευματική εμπειρία της Εκκλησίας, μιλώντας για ανθρώπους που δεν «μαθαίνουν τα θεία» αλλά τα «παθαίνουν» 5. Απαραίτητη προϋπόθεση επομένως για την προσέγγιση και κατανόηση του θεολογικού λόγου γίνεται το «πάσχειν τὰ θεῖα», δηλαδή η ενεργειακή μετοχή του ανθρώπου στις άκτιστες ενέργειες του Θεού. Ο βιβλικός λόγος που εκφράζει είτε την προαναγγελία της σάρκωσης του Θεού Λόγου (ως Παλαιά Διαθήκη), είτε τα γεγονότα της 4 Ιω. 1:14 5 «πάσχειν καὶ αὐτῷ τὰ θεῖα ψυχὴ ἡ τὰ θεῖα πεπονθυῖᾳ», Αγίου Γρηγορίου Παλαμά, Ὑπὲρ τῶν ἱερῶς ἡσυχαζόντων, Λόγος 2,2, 12, Π. Χρήστου 1, 518, 18 19, ΕΠΕ 2, 314,

12 ιστορικής σάρκωσής Του (ως Καινή Διαθήκη), αλλά και ο μετέπειτα εκκλησιαστικός λόγος της πατερικής παράδοσης δεν φοβάται το λόγο της Επιστήμης ούτε τον περιμένει ως σωτήρα ή υπερασπιστή των αληθειών του. Απεναντίας χαίρεται και δέχεται την πορεία και την πρόοδο του επιστημονικού λόγου ως ερμηνευτικού των δικών του αληθειών στα πεδία βέβαια της συνάντησής τους. Όπως η Επιστήμη δεν έχει ανάγκη ούτε και δεσμεύεται υποχρεωτικά από τις απόψεις και το λόγο κάποιου συγκεκριμένου επιστήμονα, αλλά με υπομονή πορεύεται, βελτιώνει τις απόψεις της, απορρίπτει εσφαλμένα μοντέλα, που ενδεχομένως χρησιμοποιήθηκαν για μεγάλα χρονικά διαστήματα ως ορθά, επειδή ο γνώμονάς της είναι η προσέγγιση της αλήθειας του λόγου των όντων και όχι η προσκόλληση στις απόψεις κάποιας θεωρίας, έτσι και ο βιβλικός λόγος δεν έχει ανάγκη ούτε και δεσμεύεται από συγκεκριμένες θεωρίες της Επιστήμης. Απλά χρησιμοποιεί για λόγους ερμηνευτικούς τον επιστημονικό λόγο και ασκεί κριτική, όποτε αυτό χρειάζεται, περιμένοντας με υπομονή μέσα από την αέναη εξέλιξη του επιστημονικού λόγου ολοένα και περισσότερες ψυχές να οδηγηθούν από τον λόγο στον Λόγο και από την κτίση στον Κτίστη. Οι παραπάνω διευκρινίσεις αποτελούν έναν από τους άξονες πάνω στους οποίους βασίζεται η παρούσα εργασία. Προφανώς ούτε η βιβλική κοσμολογία ούτε και η πατερική γραμματεία ασχολήθηκε με το σωματίδιο Higgs ή με τον συγκεκριμένο μηχανισμό της μετατροπής της ενέργειας σε ύλη. Ούτε ο συγγραφέας της Βίβλου γνώριζε κάτι γι αυτό, ούτε και οι Πατέρες της Εκκλησίας. Στόχος των εκκλησιαστικών συγγραφέων δεν ήταν η προσκόλληση στην κτίση και τους μηχανισμούς της, ούτε βέβαια η προσκόλληση σε κάτι εξωκοσμικό, αλλά η αρμονική ενεργειακή μετοχή του κτιστού κόσμου της Φύσης, που μελετά η Επιστήμη, με τον άκτιστο κόσμο του Θεού. Για την Επιστήμη ό,τι δεν ενεργεί δεν μπορεί να μετρηθεί και επομένως είτε δεν υπάρχει είτε αδυνατεί να το μελετήσει μέχρι να βρει τρόπο ενεργειακής αλληλεπίδρασης, ώστε να το ανιχνεύσει. Μελετώντας την Φύση, δηλαδή την κτίση, τον κόσμο της κτιστότητας δεν θα μπορούσε σε καμία περίπτωση να ανιχνεύσει κάτι το οποίο ανήκει σε άλλη οντολογική περιοχή. Για τον βιβλικό και πατερικό λόγο, ο Λόγος δεν είναι εκ του κόσμου τούτου 6, ανήκει σε άλλη οντολογική κατηγορία. Έτσι η Ορθόδοξη Θεολογία χωρίς να παραθεωρεί τη μέθοδο και τις εμπειρίες της Επιστήμης, εισάγει την εμπειρία μιας άλλης διάστασης, ενός άλλου κόσμου, που δεν μπορεί να προσεγγιστεί από τις επιστήμες πρόκειται για 6 Ιω. 18:36, «Ἡ βασιλεία ἡ ἐμὴ οὐκ ἔστιν ἐκ τοῦ κόσμου τούτου» 11

13 την εμπειρία του Θεού, για την εμπειρία της άκτιστης ενέργειας του Θεού μια εμπειρία μη μετρήσιμη από οποιαδήποτε κτιστά μέσα, αλλά που μπορεί να βιωθεί, και να οδηγήσει στην απόκτηση μίας άλλου είδους γνώσης της γνώσης και γεύσης του Θεού από την οποία απορρέει γνώση και για τα κτιστά όντα. Η εμπειρία αυτή της μετοχής στην άκτιστη Χάρη του Θεού, δεν πραγματοποιείται στη σφαίρα της νόησης ή της φαντασίας, ούτε εκτός του σώματος, αλλά πρόκειται για μια εμπειρία στην οποία μετέχει ο όλος άνθρωπος με όλες του τις δυνάμεις. Μεθοδολογικά θα μπορούσαμε να πούμε ότι και στην περίπτωση αυτής, της κατά Θεόν γνώσης, απαιτείται ενεργειακή αλληλεπίδραση μεταξύ του κτιστού πλάσματος και του άκτιστου πλάστη του. Τότε και μόνον τότε ο θεολογικός λόγος σαρκώνεται στην πράξη, όταν η κτιστή ανθρώπινη φύση μετέχει ενεργειακά και επομένως κατά κάποιον τρόπο ανιχνεύει, ψηλαφά το μυστήριο αυτής της υπερφυούς ένωσης. Πιστεύω λοιπόν πως το κλειδί της όποιας συνάντησης των δύο Επιστημών της Φυσικής και της Θεολογίας βρίσκεται στον ορθό προσδιορισμό του πεδίου ορισμού και του τρόπου εργασίας του κάθε χώρου και αυτό θα προσπαθήσω στο πόνημα που ακολουθεί. 12

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΠΡΩΤΟ 1. ΤΑ ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΣΤΟ CERN ΚΑΙ Η ΑΝΑΖΗΤΗΣΗ ΤΟΥ ΣΩΜΑΤΙΔΙΟΥ HIGGS 13

15 1.1. Σύντομη παρουσίαση του CERN Το CERN είναι αυτή τη στιγμή το μεγαλύτερο κέντρο πυρηνικών ερευνών στον κόσμο. Το όνομά του παράγεται από τη σύνθεση των αρχικών γραμμάτων του ερευνητικού κέντρου Conseil Europeéne pour la Recherche Nucléaire και βρίσκεται στη Γενεύη κοντά στα γαλλοελβετικά σύνορα 7. Η ίδρυσή του οφείλεται σε πρόταση του σπουδαίου θεωρητικού φυσικού και νομπελίστα Louis de Broglie ( ). Στα 1949 και μετά από τη μαζική μετανάστευση επιστημόνων προς τη βόρεια Αμερική που επέφερε ο Β Παγκόσμιος Πόλεμος, ο de Broglie πρότεινε την ίδρυση του κέντρου με σκοπό να ανακτήσει ο ευρωπαϊκός χώρος την αίγλη του στην επιστημονική έρευνα. Λίγα μόλις χρόνια αργότερα, στα , υπογράφηκε η σύμβαση για τη δημιουργία του κέντρου και από το 1959, όταν τέθηκε σε λειτουργία ο πρώτος μεγάλος επιταχυντής με το όνομα «Σύγχροτρο Πρωτονίων» (Proton Synchrotron) 9, που πέτυχε ρεκόρ επιτάχυνσης πρωτονίων, το CERN άρχισε να καθιερώνεται ως ένα από τα κορυφαία ερευνητικά κέντρα του κόσμου μαζί με τα αντίστοιχα του Berkeley και του Brookheaven της Αμερικής. Στα μέσα της δεκαετίας του 1960 αποφασίστηκε η επέκταση του CERN προς την πλευρά της Γαλλίας με την κατασκευή του πρώτου πρωτονικού επιταχυντή, που θα ήταν παράλληλα και συγκρουστής, δηλαδή θα έδινε τη δυνατότητα στα επιταχυνόμενα πρωτόνια να συγκρούονται με μεγάλες ταχύτητες πάνω σε ακίνητους στόχους, ώστε να μελετώνται τα παράγωγα της σύγκρουσης 10. Στα 1971 ο επιταχυντής συγκρουστής με το όνομα ISR (Interactive Storage Rings) μπήκε σε λειτουργία, ενώ διαπιστώθηκε πως το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που αποκτούσαν τα σωματίδια χανότανε πάνω στον ακίνητο στόχο. Αποφασίστηκε έτσι η κατασκευή επιταχυντή συγκρουστή, όπου δύο δέσμες πρωτονίων μετά την επιτάχυνσή τους θα συγκρούονταν μεταξύ τους, ώστε να καθίσταται δυνατή η εκμετάλλευση όλης της παραγόμενης ενέργειας. Η κατασκευή του πρώτου κυκλικού επιταχυντή, του SPS (Super Proton Collider) πραγματοποιήθηκε σταδιακά μέχρι το 1976 μέσα σε μία

16 υπόγεια σήραγγα μήκους 7 χιλιομέτρων. Σε λιγότερο από μία δεκαετία, στα 1985, άρχισε η κατασκευή του γιγάντιου επιταχυντή LEP (μεγάλου συγκρουστή ηλεκτρονίων ποζιτρονίων, Large Electron Positron Collider) 11. Οι τεχνικές δυσκολίες διάνοιξης νέας υπόγειας σήραγγας και οι διαστάσεις της 27 χιλιόμετρα μήκος, σε βάθος από 35 μέχρι και 135 μέτρα κάτω από το έδαφος ήταν τόσο μεγάλες, ώστε καμία εταιρεία δεν αναλάμβανε το έργο. Οι μηχανικοί του CERN, εκμεταλλευόμενοι την προηγούμενη εμπειρία από την κατασκευή του SPS, προχώρησαν και από το 1989 μέχρι το 2000 ο LEP συνεισέφερε τα μέγιστα στην έρευνα της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων. Το Νοέμβριο του 2000 έπαψε η λειτουργία του LEP, εφόσον είχε φτάσει πλέον στα όρια των κατασκευαστικών του προδιαγραφών 12, ενώ παράλληλα αποφασίστηκε η δημιουργία του LHC (μεγάλου συγκρουστή αδρονίων, Large Hadron Collider), που επρόκειτο να αντικαταστήσει τον LEP μέσα στην ίδια σήραγγα των 27 χιλιομέτρων. Ο LHC τέθηκε σε λειτουργία το 2008 και σταδιακά ρυθμίζεται και συντηρείται, ώστε να φτάσει κάποια στιγμή στο μέγιστο της απόδοσής του. Σήμερα, και ίσως για πολλά χρόνια ακόμα ο LHC αποτελεί τον ισχυρότερο επιταχυντή συγκρουστή σωματιδίων. Η ενέργεια που δίνει σήμερα στις συγκρουόμενες δέσμες είναι περίπου 8TeV 13, ενώ αυτή που θα δώσει στα σωματίδια, όταν θα φτάσει στο ζενίθ της απόδοσής του, θα είναι 14TeV. Ο προηγούμενος σε ισχύ επιταχυντής, ο Tevatron, στο εργαστήριο Fermilab στο Ιλλινόις των Ηνωμένων Πολιτειών, έφτασε στα 2TeV και τερμάτισε τη λειτουργία του στις 30 Σεπτεμβρίου του Το τεράστιο κόστος του LHC περίπου 6 δισεκατομμύρια ευρώ, αλλά και το γεγονός ότι για την υλοποίηση τέτοιων κατασκευών αγγίζονται τα όρια των τεχνολογικών δυνατοτήτων της ανθρωπότητας, δείχνουν πως, τουλάχιστον προς το παρόν, είναι απαγορευτικός ένας σχεδιασμός για πιο εξελιγμένο επιταχυντή στο κοντινό μέλλον. Ο λόγος που δημιουργήθηκαν και εξελίχθηκαν οι επιταχυντές σε όλο τον κόσμο είναι ο πειραματικός έλεγχος των διαφόρων θεωριών για τη δομή και την προέλευση της ύλης, όπως επίσης και ο έλεγχος της επικρατέστερης μέχρι τώρα θεωρίας για την γένεση και εξέλιξη του Σύμπαντος, που είναι αυτή της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang) 14. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου μετά τη Μεγάλη Έκρηξη τα πάντα ήταν ενεργειακής υπόστασης. Τίποτε δεν είχε ακόμη

17 μάζα υλική υπόσταση, η οποία εμφανίστηκε αργότερα, καθώς το Σύμπαν διαστέλλονταν, ψύχονταν και παράλληλα μειώνονταν η πυκνότητα της ενέργειας. Έτσι δημιουργήθηκαν τα πρώτα στοιχειώδη σωματίδια, τα οποία με τη σειρά τους αλληλεπιδρώντας έδωσαν σταδιακά τους σχηματισμούς εκείνους που δομούν τη γνωστή μας σήμερα ύλη. Οι επιταχυντές δίνουν τεράστια ποσά ενέργειας σε διαφόρων ειδών σωματίδια, τα οποία, ενώ έχουν αποκτήσει ταχύτητες που πλησιάζουν ασυμπτωτικά την ταχύτητα του φωτός, στη συνέχεια υποχρεώνονται σε σύγκρουση. Με τον τρόπο αυτό δημιουργούνται πολύ υψηλές πυκνότητες ενέργειας, τέτοιες που δε μπορούν να παρατηρηθούν σε φαινόμενα της καθημερινότητας. Από τη γνωστή σχέση ισοδυναμίας μάζας ενέργειας E=mc 2 της Ειδικής Θεωρίας της Σχετικότητας του Einstein κατανοείται ότι η ενέργεια με τη μάζα είναι μεγέθη στενά αλληλοσχετιζόμενα και ότι η μία μπορεί να μετατραπεί στην άλλη και αντίστροφα. Στους επιταχυντές, μετά την επιτάχυνση και τη σφοδρή σύγκρουση των σωματιδίων, μέρος της μάζας μετατρέπεται σε ενέργεια. Όσο πιο μεγάλες είναι οι πυκνότητες ενέργειας που επιτυγχάνονται, τόσο περισσότερο πλησιάζουμε στις συνθήκες που επικρατούσαν πολύ κοντά στη χρονική στιγμή της Μεγάλης Έκρηξης. Η πολύ μεγάλη και πυκνή ποσότητα ενέργειας που παράγεται στα σημεία σύγκρουσης, μετατρέπεται και πάλι σε ένα μεγάλο πλήθος στοιχειωδών σωματιδίων. Τα σωματίδια αυτά, που είναι εξαιρετικά βραχύβια, καταγράφονται από γιγάντιους ανιχνευτές και στη συνέχεια ακολουθεί η ανάλυση των πειραματικών δεδομένων για την ταυτοποίησή τους και την πιστοποίηση των ιδιοτήτων τους. Με τον τρόπο αυτό επιχειρείται η ανασύνθεση της εικόνας της πορείας και της εξέλιξης του Σύμπαντος στα πρώτα κλάσματα του δευτερολέπτου μετά τη δημιουργία του. Μέσα σ αυτήν την ανασύνθεση κρύβεται και η επιθυμία κατανόησης του τρόπου με τον οποίο δημιουργήθηκε η μάζα από την ενέργεια 15. Στην κατεύθυνση αυτή βρίσκεται και η έρευνα για τον εντοπισμό του σωματιδίου Higgs. Το σωματίδιο αυτό βασίζεται στον ομώνυμο μηχανισμό, ο οποίος δίνει θεωρητικά μία αρκετά πειστική απάντηση για τη «δημιουργία» 16 της μάζας. Καταλαβαίνουμε λοιπόν γιατί γίνεται όλη αυτή η προσπάθεια για την κατασκευή ολοένα και ισχυρότερων επιταχυντών. Αφενός ικανοποιείται η σφοδρή επιθυμία του ανθρώπου μέσω της προσπάθειας των επιστημόνων Τα εισαγωγικά μπαίνουν στην λέξη δημιουργία, διότι όπως θα εξηγηθεί παρακάτω αναλυτικά στην πραγματικότητα δεν πρόκειται για δημιουργία αλλά για εμφάνιση της μάζας που προϋπήρχε και δεν είχε εκδηλωθεί λόγω των συνθηκών που επικρατούσαν στο πρώιμο Σύμπαν. 16

18 να διερευνήσει και να οδηγηθεί στους λόγους των όντων και αφετέρου κρύβεται για κάποιους η περιέργεια και για κάποιους η αγωνία της προέλευσής τους. Άραγε λοιπόν πίσω από όλα αυτά κρύβεται ο Λόγος ή τα πάντα είναι απλώς προϊόντα των λόγων της Φύσης; 1.2. Πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στο CERN κατά το παρελθόν Όπως θα αναπτύξουμε διεξοδικότερα παρακάτω, οι προσπάθειες των επιστημόνων να κατανοήσουν τη βαθύτερη δομή της ύλης οδήγησε στη δημιουργία ενός μοντέλου περιγραφής, που ονομάστηκε Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model). Το Καθιερωμένο Πρότυπο συγκεντρώνει όλες τις μέχρι σήμερα γνώσεις των επιστημόνων για τη δομή της γνωστής ύλης και τις δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των διαφόρων στοιχειωδών σωματιδίων δεν αποτελεί ωστόσο την τελική πρόταση της Φυσικής 17. Πολλά είναι ακόμη τα αναπάντητα ερωτήματα, όπως η προέλευση και η δομή της άγνωστης σε μας μορφής ύλης που αποκαλείται «σκοτεινή ύλη» και η άγνωστη μορφή ενέργειας που αποκαλείται «σκοτεινή ενέργεια». Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις των επιστημόνων η γνωστή ύλη και ενέργεια, δηλαδή αυτή που αντιλαμβανόμαστε με τις αισθήσεις και τα όργανα μέτρησης που διαθέτουμε, αποτελεί μόλις το 4% της συνολικής υλοενέργειας στο Σύμπαν. Το υπόλοιπο 23% αποτελείται από σκοτεινή ύλη και το 73% από σκοτεινή ενέργεια 18. Τα πειράματα στο CERN αλλά και στους άλλους επιταχυντές ανά τον κόσμο, είχαν και συνεχίζουν να έχουν ως στόχο τους την αναζήτηση των νόμων της Φύσης που διέπουν τον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων και την όσο το δυνατόν βαθύτερη κατανόησή τους. Το Καθιερωμένο Πρότυπο αποδείχθηκε ανθεκτικό στα πειράματα που έγιναν και συνεχίζουν ακόμη να γίνονται. Μία σειρά σωματιδίων που είχαν ανιχνευτεί πριν από την δημιουργία του Προτύπου ερμηνεύτηκαν από αυτό, αλλά και μία σειρά άγνωστων σωματιδίων, που προβλέφθηκαν από αυτό, ανιχνεύτηκαν και επιβεβαιώθηκαν στην πορεία του χρόνου στους μεγάλους επιταχυντές Βλ. Αυγολούπης Σταύρος, ΑΡΧΗ ΚΑΙ ΤΕΛΟΣ, Η Ιστορία του Σύμπαντος, Εκδόσεις Πλανητάριο Θεσσαλονίκης, Θεσσαλονίκη 2009, σελ

19 Ενδεικτικά αναφέρουμε ορισμένα από τα σημαντικότερα πειράματα που συνέβαλαν στην επιβεβαίωση της ορθότητας του Καθιερωμένου Προτύπου 19. Το 1979, το CERN πήρε την απόφαση να μετατρέψει τον Super Proton Synchrotron (SPS) σε επιταχυντή συγκρουστή πρωτονίων αντιπρωτονίων. Οι πρώτες συγκρούσεις πρωτονίων αντιπρωτονίων πραγματοποιήθηκαν μόλις δύο χρόνια μετά την έγκριση του σχεδίου, και σε δύο πειράματα με ονόματα UA1 και UA2, άρχισαν να ψάχνουν τα προϊόντα «συντρίμμια» της σύγκρουσης. Το 1983, το CERN ανακοίνωσε την ανακάλυψη των W και Ζ σωματιδίων που επιβεβαίωναν την εγκυρότητα του Καθιερωμένου Προτύπου για την ενοποίηση των ηλεκτρομαγνητικών με τις ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις. Η ανακάλυψη ήταν τόσο σημαντική, ώστε οι δύο βασικοί επιστήμονες Carlo Rubbia και Simon van der Meer έλαβαν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής μόλις ένα χρόνο αργότερα 20. Ακολούθησε ο επιταχυντής LEP, ο οποίος ήταν και εξακολουθεί να είναι ο μεγαλύτερος επιταχυντής ηλεκτρονίων ποζιτρονίων που έχει κατασκευαστεί ποτέ. Άρχισε να λειτουργεί το καλοκαίρι του 1989 και για έξι χρόνια η ενέργεια σύγκρουσης των ηλεκτρονίων και των ποζιτρονίων του ήταν ρυθμισμένη ακριβώς στην τιμή που χρειαζόταν για την παραγωγή του ουδέτερου φορέα της ασθενούς δύναμης, το μποζόνιο Z 0. Από το καλοκαίρι του 1996, ο LEP λειτουργούσε στην ενέργεια ακριβώς που χρειαζόταν για την παραγωγή ζευγών των φορτισμένων φορέων της ασθενούς δύναμης, των μποζονίων W + και W -. Στους τέσσερις τεράστιους ανιχνευτές του, ALEPH, DELPHI, L3 και OPAL, παρατηρήθηκαν και ανιχνεύτηκαν εκατομμύρια σωματίδια Z 0 και εκατοντάδες W, που επέτρεψαν την πραγματοποίηση ελέγχων εξαιρετικής ακριβείας για το Καθιερωμένο Πρότυπο. Επιπλέον οι μετρήσεις, που πραγματοποιήθηκαν στον LEP, επιβεβαίωσαν το γεγονός ότι υπάρχουν τρεις και μόνο τρεις γενιές σωματιδίων της ύλης 21. Σε συνδυασμό με τις ανακαλύψεις των υπολοίπων επιταχυντών στον κόσμο, το Καθιερωμένο Πρότυπο απέκτησε κύρος ισχυρού μοντέλου, εφόσον βασιζόταν σε στέρεα πλέον θεωρητικά και πειραματικά θεμέλια. 19 Η συνεισφορά του Cern δεν εξαντλείται στα πειράματα επιβεβαίωσης του Καθιερωμένου Προτύπου. Αναφέρονται αυτά διότι σχετίζονται άμεσα με την παρούσα εργασία

20 1.3. Η περίπτωση του σωματιδίου Higgs I. Η σχέση του σωματιδίου Higgs με το Καθιερωμένο Πρότυπο Το σωματίδιο Higgs αποτελεί το τελευταίο και πιο παράξενο σωματίδιο που προβλέπει το Καθιερωμένο Πρότυπο. Αρχικά οι εξισώσεις του Προτύπου όχι μόνο δεν προέβλεπαν μάζα για τα σωματίδια που είναι φορείς των αλληλεπιδράσεων 22, αλλά επιπλέον ο όρος της μάζας μέσα στις εξισώσεις αυτές ερχόταν σε αντίθεση με τους αυστηρούς όρους αυτοσυνέπειας της θεωρίας 23. Αρκετοί επιστήμονες ασχολήθηκαν με το θέμα αυτό προκειμένου να βρεθεί ένας μηχανισμός που να δίνει λύση συμβατή με τις εξισώσεις του Προτύπου και να ερμηνεύει τον τρόπο με τον οποίο οι αρχικά ενεργειακές οντότητες αποκτούν μάζα υλική υπόσταση. Τον Αύγουστο του 1964 οι Robert Brout και Francois Englert, βασισμένοι σε εργασίες άλλων επιστημόνων και κυρίως στο θεώρημα του Goldstone, δημοσίευσαν μία εργασία σχετικά με έναν μηχανισμό, που είναι συμβατός αφενός με τις μαθηματικές εξισώσεις και αφετέρου είναι ικανός να ερμηνεύσει την «απονομή» μάζας στα ενεργειακά σωματίδια. Τον Σεπτέμβριο του ίδιου έτους ο Peter Higgs εισήγαγε στο μηχανισμό και ένα μποζόνιο (αυτό που σήμερα αποκαλείται σωματίδιο Higgs) και τις ιδιότητές του στην εργασία του με τίτλο «Σπασμένες συμμετρίες και οι μάζες των μποζονίων» 24. Έτσι κατέστη εφικτό, μέσα στα αυστηρά μαθηματικά πλαίσια, να μπορεί το Καθιερωμένο Πρότυπο να ερμηνεύει την εμφάνιση της μάζας με ένα μηχανισμό, ο οποίος αρκετά αργότερα, στα 1972, προς τιμήν του Higgs πήρε το όνομά του. Η σημασία του σωματιδίου είναι όμως καθοριστική, όχι μόνο γιατί ερμηνεύει την αλλαγή από την αϋλότερη ενεργειακότερη υφή των σωματιδίων σε υλικότερη καθώς τα «υποχρεώνει» να εμφανίσουν την μάζα τους, αλλά και γιατί η επιβεβαίωσή του έρχεται να κλείσει τον κύκλο και να ολοκληρώσει την εικόνα του Καθιερωμένου Προτύπου, του οποίου οι 22 Για τα σωματίδια αυτά υπάρχει εκτενέστερη αναφορά στην παράγραφο 2.4. ΙΙ. 23 Τράκας Ν., Τι είναι, επί τέλους, αυτό το σωματίδιο higgs; 24 Η εργασία του αυτή αρχικά δημοσιεύτηκε με ελλείψεις στο PHYSICS LETTERS το Σεπτέμβριο του 1964: Broken Symmetries, Massless Particles and Gauge Fields, Higgs P., Physics Letters, v. 12, No 2, pages , (1964). Στη συνέχεια μετά από συμπλήρωσή της δημοσιεύτηκε τον Οκτώβριο του ίδιου χρόνου στο PHYSICAL REVIEW LETTERS: Broken Symmetry and the Masses of Gauge Bosons, Higgs P., Phys. Rev. Lett., v. 13, No 16, pages , (1964) 19

21 προβλέψεις συμφωνούν πλήρως με όλα τα πειραματικά δεδομένα της τελευταίας τριακονταετίας 25. Η ενοποίηση της ασθενούς με την ηλεκτρομαγνητική δύναμη, μία από τις κορυφαίες κατακτήσεις της Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων, βασίστηκε πάνω στο μηχανισμό Higgs, βάσει του οποίου προβλέφθηκαν τα σωματίδια φορείς W +, W - και Ζ 0, τα οποία στη συνέχεια ανιχνεύτηκαν και επιβεβαιώθηκαν. Βέβαια το Καθιερωμένο Πρότυπο, όπως προαναφέρθηκε, δεν αποτελεί μία συνολική πρόταση που επιλύει όλα τα προβλήματα και τις ερωτήσεις για την ύλη και τον κόσμο μας υπάρχουν και άλλα πολλά θέματα που περιμένουν να απαντηθούν και να επιλυθούν. Ωστόσο, η επιβεβαίωση του σωματιδίου Higgs θα σημάνει το κλείσιμο μιας επίμονης και επίπονης προσπάθειας χιλιάδων επιστημόνων. Εάν το σωματίδιο επιβεβαιωθεί, επιβεβαιώνονται συνολικά και όλες οι προηγούμενες επιτυχίες του Προτύπου που βασίστηκαν πάνω σ αυτό. Εάν δεν επιβεβαιωθεί, τότε υπάρχουν δύο ενδεχόμενα είτε πρέπει να επινοηθεί ένας νέος μηχανισμός που θα ερμηνεύει την εμφάνιση της μάζας μέσα στα αυστηρά μαθηματικά πλαίσια του Προτύπου, για να συνεχίσει το Πρότυπο να είναι συνολικά αυτοσυνεπές, είτε το Καθιερωμένο Πρότυπο πλήττεται σοβαρά, εφόσον αδυνατεί να ερμηνεύσει την μάζα των σωματιδίων. Παράλληλα πλήττεται και η βασική ιδέα της ρήξης της συμμετρίας, ενός μηχανισμού με ισχυρό μαθηματικό υπόβαθρο που ερμηνεύει με κομψότατο τρόπο τις αλλαγές φάσης στη Φύση 26. Σε μία τέτοια περίπτωση απαιτείται παραγωγή νέας θεωρίας στη Φυσική, η οποία θα πρέπει να προβλέπει και να ερμηνεύει όλα αυτά που πέτυχε το Καθιερωμένο Πρότυπο, με την πρόσθετη απαίτηση να ερμηνεύει και το μηχανισμό απονομής μάζας. II. Η προ του LHC (Large Hadron Collider) κατάσταση Ίσως εύλογα προκύπτει η απορία γιατί αυτό το σωματίδιο με τον τόσο ιδιάζοντα ρόλο που παίζει, άργησε τόσο πολύ να ανακαλυφθεί. Σύμφωνα με αυτά που προβλέπει η θεωρία, το σωματίδιο Higgs ενεργεί με έναν πολύ ιδιαίτερο και πολύ ανεπαίσθητο τρόπο μέσα στη Φύση, γι αυτό και απαιτείται υψηλή τεχνολογία και προχωρημένη επιστημονική γνώση, για να ανιχνευτεί. Το Καθιερωμένο Πρότυπο αδυνατεί να προβλέψει τη μάζα του συγκεκριμένου σωματιδίου ή σωματιδίων, εάν υπάρχουν 25 Τράκας Ν., όπ. παρ., 26 Για τις συμμετρίες και το σπάσιμό τους υπάρχει εκτενής αναφορά στην παράγραφο

22 περισσότερα από ένα διαφορετικών μαζών σωματίδια Higgs, όπως προβλέπουν κάποιες διευρυμένες εκδοχές του Καθιερωμένου Προτύπου 27. Επιπλέον οι αλληλεπιδράσεις του με σωματίδια της ύλης είναι ανάλογες της μάζας τους, δηλαδή όσο πιο μικρή μάζα έχει ένα σωματίδιο τόσο πιο ασθενικά αλληλεπιδρά με το σωματίδιο Higgs 28, και επομένως τόσο μικρότερη είναι η πιθανότητα να ανιχνευτεί στις αλληλεπιδράσεις του με τα μικρής μάζας σωματίδια που απαντώνται στη Φύση. Στο σημείο αυτό αξίζει να αναφερθεί πως η φύση ευνοεί τα χαμηλής μάζας σωματίδια που έχουν και χαμηλότερο ενεργειακό περιεχόμενο. Το βαρύτερο σταθερό σωμάτιο είναι το πρωτόνιο με μάζα περίπου 1 GeV. Έτσι τα μεγάλης μάζας σωματίδια ανιχνεύτηκαν και έγιναν γνωστά είτε από την κοσμική ακτινοβολία που φτάνει στη Γη από το διάστημα, είτε παράχθηκαν στους μεγάλους επιταχυντές μέσα στο εργαστήριο. Χαρακτηριστικό γνώρισμα όλων αυτών των σωματιδίων υψηλής μάζας είναι ο πολύ μικρός χρόνος ζωής τους, καθώς διασπώνται σε ελαφρότερα και σταθερότερα σωματίδια. Από τη σχέση ισοδυναμίας μάζας ενέργειας, μεγάλη τιμή μάζας αντιστοιχεί και σε μεγάλη τιμή ενέργειας και αντίστροφα. Αυτό σημαίνει πως όσο οι επιταχυντές δε μπορούσαν να δώσουν υψηλές τιμές ενέργειας στις συγκρουόμενες δέσμες, τόσο μικρότερες ήταν οι μάζες των σωματιδίων που παρήγαγαν, άρα τόσο μικρότερη ήταν και η πιθανότητα ανίχνευσης του Higgs. Επομένως, αφενός αυτό έπρεπε να αναζητηθεί σε υψηλές περιοχές ενέργειας, όπου η πιθανότητα ανίχνευσής του ήταν μεγαλύτερη, αφετέρου ήταν άγνωστη η ακριβής περιοχή μαζών ενεργειών όπου έπρεπε να γίνει η αναζήτηση. Το γεγονός αυτό καθιστούσε ακόμη πιο δύσκολο τον εντοπισμό του σωματιδίου, διότι ανάλογα με την κλίμακα μάζας που γίνεται η αναζήτηση χρησιμοποιείται και διαφορετική τεχνική. Επιπρόσθετα πρέπει να αναφερθεί ότι παρόλο που η μάζα του ίδιου του Higgs δεν είχε ακριβώς προσδιοριστεί, οι εκτιμήσεις έδιναν μεγάλες τιμές μάζας, που σημαίνει πως είναι εξαιρετικά ασταθές σωματίδιο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ταχύτατη διάσπασή του σε άλλα ελαφρύτερα και επομένως αναμένεται η παρατήρησή του να είναι έμμεση μέσα από τα λεγόμενα κανάλια διάσπασής του. Στην τελευταία φάση λειτουργίας του επιταχυντή LEP, όταν αναβαθμίστηκε και μπορούσε να δώσει τις θεωρητικά απαιτούμενες ενέργειες, έγινε συστηματική προσπάθεια για τον εντοπισμό του σωματιδίου. Στον ανιχνευτή ALEPH, στα 114 GeV ενδεχομένως το σωματίδιο να έδωσε κάποια σήματα, που δε μπόρεσαν όμως να επιβεβαιωθούν στατιστικά. Η πειραματική επιβεβαίωση ενός σωματιδίου απαιτεί υψηλή στατιστική βεβαιότητα κάτι το οποίο δεν ήταν εφικτό από Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, Εισαγωγή στα στοιχειώδη σωμάτια & την κοσμολογία, Εκδόσεις Συμεών, Αθήνα 2000, σελ

23 τα στοιχεία που έδινε ο LEP. Αυτό συνέβη διότι ο επιταχυντής έφτανε στα πάνω όρια λειτουργίας που του επέτρεπαν οι κατασκευαστικές του προδιαγραφές. Η λειτουργία του LEP διακόπηκε όταν φάνηκε πως είχαν πλέον εξαντληθεί τα όρια του. Με τη διακοπή της λειτουργίας του επιταχυντή LEP και αναμένοντας την κατασκευή του νέου επιταχυντή LHC που απαίτησε μία οκταετία, τα βλέμματα και οι ελπίδες των επιστημόνων στράφηκαν στον επιταχυντή Tevatron στο εργαστήριο Fermilab των Ηνωμένων Πολιτειών, ο οποίος διαδραμάτισε σπουδαίο ρόλο στην Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων. Η δυνατότητά του 2 TeV ήταν μία τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από αυτήν του LEP, δηλαδή μπορούσε να δώσει στις συγκρουόμενες δέσμες μέχρι και 10 φορές περισσότερη ενέργεια από αυτήν που έδινε ο LEP. Στην εποχή του, παρήγαγε περίπου 10 εκατομμύρια συγκρούσεις πρωτονίων αντιπρωτονίων κάθε δευτερόλεπτο, από τις οποίες οι 200 περίπου καταγράφονταν από τους ανιχνευτές για περαιτέρω ανάλυση 29. Στον Tevatron ανακαλύφθηκε το 1995 το βαρύτερο κουάρκ που απαντάται στη φύση, το top κουάρκ. Η σημασία της ανακάλυψης αυτής ήταν μεγάλη, διότι αφενός το κουάρκ αυτό ήταν το τελευταίο σωματίδιο του Καθιερωμένου Προτύπου που δεν είχε επιβεβαιωθεί πειραματικά και αφετέρου η ανακάλυψή του έδινε σημαντικά στοιχεία για την περαιτέρω προσέγγιση της μάζας του μποζονίου Higgs 30. Το παζλ της Φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων, μετά από επίπονη πορεία δεκαετιών, έδειχνε ότι φτάνει στην ολοκλήρωσή του. Μετά το top κουάρκ απέμενε μία τελευταία ψηφίδα, ένα τελευταίο μποζόνιο, το σωματίδιο Higgs. Έτσι άρχισαν τα πειράματα που σε πρώτη φάση θα περιόριζαν την επιτρεπόμενη περιοχή ενεργειών στην οποία θα προσδιορίζονταν το παράξενο σωματίδιο. Τον Μάρτιο του 2009 πραγματοποιήθηκε η πιο ακριβής μέτρηση του μποζονίου W, που οδήγησε σε αυστηρότερα όρια εκτίμησης της μάζας του Higgs. Τον Μάρτιο του 2011 αποκλείστηκαν κάποιες περιοχές ενέργειας και υποδείχθηκε η περιοχή GeV ως η καταλληλότερη. Στις 30 Σεπτεμβρίου του 2011 πραγματοποιήθηκαν στον Tevatron οι τελευταίες συγκρούσεις πρωτονίων αντιπρωτονίων και η λειτουργία του διακόπηκε, ενώ συλλέχθηκαν στοιχεία που θα απαιτήσουν αρκετά χρόνια για να αναλυθούν. Από τη διακοπή λειτουργίας του και μετά, οι ανακοινώσεις που ακολούθησαν επιβεβαίωναν την ορθότητα του Καθιερωμένου Προτύπου με ολοένα και μεγαλύτερη ακρίβεια. 29 Fermilab: 30 Γνωρίζοντας τη μάζα του top κουάρκ, του μποζονίου W και τη συμπεριφορά του μποζονίου Ζ στην παραγωγή και τις διασπάσεις του, καθίσταται ευκολότερη η εκτίμηση της μάζας του σωματιδίου Higgs. Fermilab, όπ. παρ. 22

24 III. Η κατάσταση από την έναρξη του LHC μέχρι σήμερα Ο LHC, όπως προαναφέρθηκε, είναι ο πιο σύγχρονος και ο ισχυρότερος επιταχυντής που κατασκευάστηκε ποτέ. Οι δυνατότητές του αγγίζουν τα όρια της επιστημονικής γνώσης και των ανθρωπίνων δυνατοτήτων. Η θερμοκρασία που επικρατεί στο εσωτερικό του είναι 271,3 C κάτω από το μηδέν (1,9 Κ), και είναι χαμηλότερη αυτής που επικρατεί μέσα στο αχανές Σύμπαν (περίπου 2,7 Κ). Η ταχύτητα που προσδίδει στα επιταχυνόμενα πρωτόνια φτάνει στο 99, % της ταχύτητας του φωτός. Για να αποφευχθεί η σύγκρουση των επιταχυνόμενων δεσμών με τα μόρια του αερίου στο εσωτερικό του επιταχυντή, δημιουργείται εξαιρετικά υψηλό κενό. Η εσωτερική πίεση του LHC είναι atm, δηλαδή περίπου δέκα φορές μικρότερη από την πίεση που επικρατεί στη Σελήνη. Κατά τη σύγκρουση των επιταχυνόμενων δεσμών οι θερμοκρασίες που παράγονται είναι πάνω από φορές υψηλότερες από αυτές που επικρατούν στην καρδιά του Ήλιου, εστιασμένες σε ένα μικροσκοπικό χώρο 31. Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό του LCH, που τον κάνει να υπερτερεί έναντι οποιουδήποτε προηγουμένου του, είναι η πολύ μεγαλύτερη ένταση της δέσμης επιταχυνομένων σωματιδίων που μπορεί να δημιουργήσει. Ο Tevatron παρήγαγε περίπου 10 εκατομμύρια συγκρούσεις σωματιδίων κάθε δευτερόλεπτο 32, ενώ ο LHC παράγει περίπου 600 εκατομμύρια συγκρούσεις το δευτερόλεπτο 33. Αυτό σημαίνει πως αυξάνει σημαντικά ο αριθμός των γεγονότων που παράγονται σε κάθε περιοχή ενέργειας, με αποτέλεσμα τα συμπεράσματά μας να είναι πολύ μεγαλύτερης στατιστικής βεβαιότητας. Επιπλέον οι ενέργειες που μπορεί να δώσει ο LHC στα επιταχυνόμενα σωματίδια είναι μία τάξη μεγέθους μεγαλύτερη από αυτές που μπορούσε ο Tevatron και είναι τόσο μεγάλες, ώστε υπάρχει το ενδεχόμενο, μετά από τις συγκρούσεις και καθώς η ενέργεια μετατρέπεται σε μάζα, να παραχθούν νέα άγνωστα σωματίδια πολύ μεγάλων μαζών που δεν έχουν παρατηρηθεί ποτέ στη Φύση αλλά ούτε και σε κάποιον από τους επιταχυντές που λειτούργησαν μέχρι σήμερα. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό, διότι θα σημάνει την έναρξη νέας γνώσης στη Φυσική. Μέχρι τώρα ανακαλύφθηκαν πολλά άγνωστα σωματίδια, που προβλέπονταν όμως από το Καθιερωμένο Πρότυπο με εξαίρεση το σωματίδιο Higgs. Επομένως Fermilab:

25 ανακάλυψη νέου σωματιδίου διαφορετικού του Higgs θα σημάνει πράγματι την έναρξη νέας Φυσικής. Υπάρχουν βέβαια κάποια θεωρητικά μοντέλα τα οποία περιμένουν και αυτά με τη σειρά τους την επιβεβαίωση ή την απόρριψή τους, όπως με πολλή υπομονή και σε βάθος χρόνου έγινε με το Καθιερωμένο Πρότυπο, αλλά οπωσδήποτε θα πρόκειται για μία νέα έναρξη στην πορεία της αναζήτησης και σε βαθύτερο πλέον επίπεδο. Οι συγκρούσεις καταγράφονται σε τέσσερις διαφορετικούς γιγάντιους ανιχνευτές, τους ALICE, ATLAS, LHCb και CMS, που βρίσκονται σε διαφορετικά σημεία του LHC (βλέπε εικόνα 1). ΕΙΚΟΝΑ 1 Σχηματική αναπαράσταση της περιοχής που βρίσκονται οι εγκαταστάσεις του CERN. Στο βάθος φαίνονται τα λευκά όρη, η λίμνη της Γενεύης, η Γενεύη και τα Γαλλοελβετικά σύνορα. Ο κύκλος παριστάνει την υπόγεια σήραγγα μήκους 27 km όπου βρίσκεται ο LHC σε μέσο βάθος 100m περίπου. Επίσης διακρίνονται οι τέσσερις τεράστιοι ανιχνευτές ALICE, ATLAS, LHCb και CMS, όπου πραγματοποιούνται οι συγκρούσεις των δεσμών σωματιδίων και καταγράφονται τα αποτελέσματα 34. Ο LHC ξεκίνησε την λειτουργία του τον Σεπτέμβριο του και, μετά από μία βλάβη που υπέστη, μπήκε σε κανονική λειτουργία τον Την Παρασκευή 19 Σεπτεμβρίου 2008 παρουσιάστηκε πρόβλημα στο τμήμα 34 του επιταχυντή. Μία εσφαλμένη ηλεκτρική επαφή οδήγησε σε μεγάλη διαρροή Ηλίου μέσα στο τούνελ. Η επανεκκίνηση πραγματοποιήθηκε τον Οκτώβριο του Γ.Ι. Γούναρης, Τι ελπίζουμε να δούμε στον Μεγάλο Αδρονικό Επιταχυντή (LHC), στη διεύθυνση: ή και 24

26 Οκτώβριο του Η λειτουργία του ξεκίνησε από χαμηλές σχετικά τιμές ενέργειας και σταδιακά αυξανόταν η ισχύς του, ώστε να γίνονται σωστές ρυθμίσεις, με σκοπό να αποφευχθούν τα οποιαδήποτε λάθη απροσεξίας που θα μπορούσαν να αποβούν μοιραία για την ορθή λειτουργία του. Από τότε πολλές από τις μετρήσεις του επιβεβαίωσαν για πολλοστή φορά μαζί με τον Tevatron την ισχύ και την εγκυρότητα των πειραμάτων που προηγήθηκαν τις προηγούμενες δεκαετίες. Επιπλέον νέα επιτεύγματα κατέστησαν εφικτά, όπως η δημιουργία θερμοκρασίας 5 τρισεκατομμυρίων βαθμών Κελσίου 36 θερμοκρασία υπερπολλαπλάσια αυτής που επικρατεί στο εσωτερικό του ήλιου μία θερμοκρασία κατά 40% μεγαλύτερη από την αμέσως προηγούμενή της (στον RHIC, στις ΗΠΑ), που επιτρέπει την ακόμη μεγαλύτερη προσέγγιση των συνθηκών του Big Bang. Στην θερμοκρασία αυτή πιστεύεται ότι παράγεται πλάσμα κουάρκς γκλουονίων, όπου παύουν να ισχύουν οι δυνάμεις που συγκρατούν τα κουάρκς μέσα στους πυρήνες των ατόμων και η ύλη μετατρέπεται σε μία «αρχέγονη σούπα» όμοια με αυτήν που επικρατούσε στα πρώτα μικροκλάσματα του δευτερολέπτου μετά τη δημιουργία του Σύμπαντος. Ακόμη στο πείραμα ALPHA στον antiproton decelerator (AD) επιτεύχθηκε η δημιουργία και ο εγκλωβισμός μερικών εκατοντάδων ατόμων «αντι υδρογόνου» για δεκαπέντε ολόκληρα λεπτά, σημειώνοντας σημαντική επιτυχία, καθώς η προηγούμενη προσπάθειά τους είχε επιτρέψει τον εγκλωβισμό ατόμου αντιύλης μόλις για μερικά κλάσματα του δευτερολέπτου 37. Παράλληλα εντείνονταν οι προσπάθειες για τον εντοπισμό του σωματιδίου Higgs. Τα πειράματα που στήθηκαν για τον εντοπισμό του σωματιδίου είναι τα ATLAS και CMS 38. Τον Δεκέμβριο του 2011 δόθηκαν οι πρώτες ενδείξεις για τον εντοπισμό ενός νέου σωματιδίου στην περιοχή ενεργειών που αναμένονταν το Higgs με στατιστική βεβαιότητα 2 σίγμα, ενώ η απαιτούμενη βεβαιότητα για να αναγνωριστεί επίσημα μία νέα ανακάλυψη είναι 5 σίγμα, που σημαίνει πως η πιθανότητα λάθους είναι μία στο εκατομμύριο. Τον Μάρτιο του 2012 φυσικοί του Tevatron ανακοίνωσαν ενδείξεις όμοιες μ αυτές του LHC εργαζόμενοι ανεξάρτητα πάνω στα δικά τους δεδομένα. Από τον Απρίλιο του 2012 εντάθηκαν ακόμη περισσότερο οι προσπάθειες στο CERN ενώ οι ενέργειες της σύγκρουσης έφταναν στα 8TeV έναντι των 7TeV που έφταναν το , ώστε να 36 Η ανακοίνωση αυτή έγινε στο συνέδριο Quark Matter 2012 στην Ουάσιγκτον, βλέπε

27 καταστεί βέβαιη η ύπαρξη του σωματιδίου με μεγαλύτερη στατιστική βεβαιότητα. Στις 2 Ιουλίου του 2012 ο εκπρόσωπος του πειράματος CDF στον Tevatron ανακοίνωσε την ύπαρξη του νέου σωματιδίου με στατιστική βεβαιότητα 2,9 σίγμα, με τη διευκρίνιση ότι η όποια περαιτέρω βεβαιότητα θα προκύψει από τον LHC. Δύο μέρες αργότερα, στις 4 Ιουλίου, στο Διεθνές Συνέδριο Φυσικής Υψηλών Ενεργειών που έγινε στη Μελβούρνη, ανακοινώθηκε η ανακάλυψη νέου σωματιδίου με την απαιτούμενη στατιστική βεβαιότητα των 5 σίγμα. Ο εκπρόσωπος του πειράματος CMS Joe Incandela δήλωσε: «Τα αποτελέσματα είναι προκαταρκτικά, αλλά το σήμα των 5 σίγμα που βλέπουμε περίπου στα 125 GeV είναι δραματικό. Αυτό είναι πράγματι ένα νέο σωματίδιο. Γνωρίζουμε ότι πρέπει να είναι ένα μποζόνιο και είναι το βαρύτερο μποζόνιο που έχει βρεθεί ποτέ. Οι επιπτώσεις είναι πολύ σημαντικές και για το λόγο αυτό ακριβώς πρέπει να είμαστε εξαιρετικά επιμελείς σε όλες τις μελέτες μας και τους διασταυρωτικούς ελέγχους» 40. Την ίδια ημέρα η επικεφαλής του πειράματος ATLAS 41 Dr. Fabiola Gianotti δήλωσε: «Εντοπίσαμε στα δεδομένα μας σαφείς ενδείξεις για ένα νέο σωματίδιο με μάζα γύρω στα 125 GeV. Η εξαιρετική απόδοση του επιταχυντή LHC και του πειράματος ATLAS καθώς και οι μεγάλες προσπάθειες πολλών επιστημόνων μάς οδήγησαν σε αυτό το συναρπαστικό αποτέλεσμα. Χρειάζεται λίγος χρόνος ακόμα για την οριστικοποίηση αυτών των αποτελεσμάτων. Περισσότερα δεδομένα όμως και εξειδικευμένες μελέτες θα χρειασθούν για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων του νέου σωματιδίου» 42. Στις 17 Σεπτεμβρίου δημοσιεύτηκαν επίσημα πλέον οι εργασίες εντοπισμού του νέου σωματιδίου στο Physics Letters 43, στο ίδιο περιοδικό που 48 χρόνια πριν δημοσιεύτηκε η εργασία του Peter Higgs. Δε χωράει πλέον αμφιβολία ότι η ανακάλυψη του νέου σωματιδίου είναι γεγονός. Τα επόμενα στάδια για την κοινότητα των φυσικών υψηλών ενεργειών είναι να βρουν τις ιδιότητες αυτού του σωματιδίου και να συγκρίνουν τα ευρήματα με τις προβλεπόμενες ιδιότητες του μποζονίου Το πείραμα ATLAS πραγματοποιείται ανεξάρτητα από το CMS και χρησιμοποιούνται διαφορετικές τεχνικές, ώστε να μπορεί να γίνει διασταύρωση των αποτελεσμάτων Physics Letters B, Volume 716, Issue 1, Pages 1 81 (17 September 2012) 1. Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC, Pages Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC, Pages Search for the Standard Model Higgs boson in the H WW (*) lν lν decay mode with 4.7fb -1 of ATLAS data at s = 7TeV, Pages

28 Higgs. Ήδη κάποιες από αυτές τις ιδιότητες ταυτίζονται με τις προβλέψεις, δηλαδή το νέο σωματίδιο εμφανίστηκε στα προβλεπόμενα κανάλια διάσπασης και με μάζα που προέβλεψαν άλλες έμμεσες μετρήσεις. Στο προσεχές διάστημα που ίσως διαρκέσει μήνες ή και χρόνια θα μετρηθούν καλύτερα αυτές οι ιδιότητες, καθιστώντας έτσι σαφέστερη την εικόνα του κατά πόσον αυτό το σωματίδιο που εντοπίστηκε είναι όντως το μποζόνιο Higgs, ή το πρώτο μιας μεγάλης οικογένειας τέτοιων σωματιδίων, ή τέλος κάτι τελείως διαφορετικό Άλλα πειράματα που διεξάγονται σήμερα στο CERN Όπως ήδη έχει αναφερθεί, το σωματίδιο Higgs είναι ένα από τα ζητούμενα στα πειράματα που πραγματοποιούνται στο CERN. Πολλά άλλα θέματα είναι ανοικτά για τα οποία υπάρχουν ενδείξεις ή υπόνοιες ή αποτελούν θεωρητικά μοντέλα που περιμένουν επιβεβαίωση ή απόρριψη. Ο LHC κατασκευάστηκε με σκοπό να βοηθήσει τους επιστήμονες να απαντήσουν στα αναπάντητα ερωτήματα της σωματιδιακής φυσικής. Η πρωτοφανής ενέργεια που επιτυγχάνει, μπορεί να οδηγήσει ακόμα και σε απροσδόκητα αποτελέσματα που ενδεχομένως κανείς δεν έχει σκεφτεί ποτέ. Το Καθιερωμένο Πρότυπο δίνει απαντήσεις για τα σωματίδια που δομούν την ύλη τα φερμιόνια και τα σωματίδια που είναι φορείς δυνάμεων τα μποζόνια μέσω των οποίων αλληλεπιδρούν τα πρώτα 44. Αυτή η ύλη σήμερα πιστεύεται ότι αποτελεί, όπως προαναφέραμε, μόλις το 4% της συνολικής υλοενέργειας του Σύμπαντος. Επομένως οι μέχρι τώρα θεωρίες μας και οι επιβεβαιώσεις τους σχετίζονται μ αυτό το 4% της γνωστής υλοενέργειας το υπόλοιπο 96% αποτελείται από σκοτεινή ύλη (23%) και από σκοτεινή ενέργεια (73%). Αν στο Σύμπαν υπήρχε μόνο η γνωστή μας ύλη, δε θα μπορούσαν να συγκροτηθούν οι γαλαξίες. Στον Γαλαξία μας και σε κάθε άλλο γαλαξία οι μετρήσεις δείχνουν ότι αν υπήρχε μόνον η γνωστή ύλη, τότε θα έπρεπε αυτός να διαλύεται, ενώ το φαινόμενο είναι πολύ πιο έντονο στα σμήνη γαλαξιών. Επομένως υπάρχει επιπλέον ύλη, αυτή που ονομάστηκε σκοτεινή ύλη 45, η οποία δεν είναι 44 Διεξοδικότερη περιγραφή των σωματιδίων αυτών γίνεται παρακάτω στις παραγράφους 2.4.Ι και 2.4.ΙΙ

29 ανιχνεύσιμη με τα μέσα που διαθέτουμε μέχρι σήμερα, και η οποία συμπληρώνει τη μάζα που απαιτείται, ώστε να εξασφαλίζεται η σταθερότητα του κάθε γαλαξία. Η θεωρία που προτάθηκε για να καλύψει το κενό της σκοτεινής ύλης αποκαλείται χαϊδευτικά SUSY (Super Symmetry) είναι μια επέκταση του Καθιερωμένου Προτύπου βασισμένη στην κομψή μαθηματική ιδέα της συμμετρίας και προβλέπει ότι για το κάθε ένα φερμιόνιο του Προτύπου υπάρχει και ένα υπερσυμμετρικό πολύ βαρύτερο μποζόνιο, που έχει όλες τις ιδιότητές του ίδιες εκτός από το spin και τη μάζα. Η σκοτεινή ενέργεια με τη σειρά της καθίσταται αναγκαία θεωρητικά για να ερμηνεύσει την επιβεβαιωμένη επιταχυνόμενη διαστολή του Σύμπαντος χωρίς αυτήν το Σύμπαν θα έπρεπε να διαστέλλεται επιβραδυνόμενα λόγω της βαρύτητας που είναι μόνο ελκτική. Η διερεύνηση της φύσης της σκοτεινής ύλης και της σκοτεινής ενέργειας είναι μία από τις μεγαλύτερες προκλήσεις σήμερα στους τομείς της σωματιδιακής φυσικής και της κοσμολογίας. Τα πειράματα ATLAS και CMS θα ψάξουν για υπερσυμμετρικά σωματίδια δοκιμάζοντας κάποιες πιθανές υποθέσεις για τη δομή της σκοτεινής ύλης 46. Ένα δεύτερο σοβαρό θέμα υπό διερεύνηση στα πειράματα του CERN είναι αυτό της αντιύλης 47. Ο κόσμος στον οποίο ζούμε είναι φτιαγμένος από σωματίδια της ύλης. Γνωρίζουμε όμως και έχουμε ανιχνεύσει και σωματίδια της αντιύλης, που αποτελούν τη δίδυμη έκδοση των σωματιδίων της ύλης και έχουν ως μοναδική διαφορά τους αντίθετο ηλεκτρικό φορτίο. Όταν σωματίδια ύλης έρχονται σε επαφή με σωματίδια αντιύλης, εξαφανίζονται και τα δύο καθώς μετατρέπονται σε ενέργεια. Σύμφωνα με το μοντέλο του Big Bang κατά τη γέννηση του Σύμπαντος, όταν η ενέργεια άρχισε να υλοποιείται, παράχθηκαν και ύλη και αντιύλη. Όμως για κάποιο λόγο η αντιύλη ήταν ανεπαίσθητα λιγότερη. Έτσι, όταν με την επακολουθήσασα πτώση της θερμοκρασίας έγινε η αλληλοκαταστροφή ύλης και αντιύλης, έμεινε η διαφορά που σήμερα αποτελεί την ύλη του Σύμπαντος. Για ποιον λόγο στο Σύμπαν που ζούμε επικράτησε η ύλη; Στο πείραμα LHCb 48 γίνεται αναζήτηση των διαφορών μεταξύ ύλης και αντιύλης ώστε να δοθεί ενδεχομένως μία απάντηση. Σε προηγούμενα πειράματα έχει ήδη παρατηρηθεί μια μικρή διαφορά στη συμπεριφορά, αλλά τα μέχρι στιγμής συμπεράσματα δεν είναι αρκετά για να δώσουν

30 οριστική απάντηση στην προφανή ανισορροπία ύλης αντιύλης στο Σύμπαν 49. Στο πείραμα ALICE 50 γίνεται η προσπάθεια δημιουργίας πλάσματος κουάρκς γκλουονίων (της «αρχέγονης σούπας» που μνημονεύτηκε στην προηγούμενη παράγραφο) και ανάλυσης των ιδιοτήτων του, κάτι που μέχρι σήμερα δεν ήταν εφικτό, πλησιάζοντας ολοένα και περισσότερο στις αρχικές συνθήκες της Μεγάλης Έκρηξης. Τέλος στον LHC γίνεται και αναζήτηση περισσοτέρων διαστάσεων 51 στη Φύση εκτός των τεσσάρων γνωστών τριών χωρικών και του χρόνου. Ο Einstein στη θεωρία της Γενικής Σχετικότητας έδειξε ότι οι τρεις διαστάσεις του χώρου σχετίζονται με το χρόνο. Μεταγενέστερες θεωρίες, όπως η θεωρία των χορδών, προτείνουν την πιθανή ύπαρξη περαιτέρω κρυμμένων διαστάσεων του χώρου. Σύμφωνα με τη θεωρία αυτή τα θεμελιώδη συστατικά του Σύμπαντος δεν έχουν τη μορφή μικροσκοπικών σφαιριδίων αλλά χορδών που πάλλονται με διαφορετικές συχνότητες. Κάτι τέτοιο μπορεί να γίνει ανιχνεύσιμο μόνο σε πολύ υψηλές ενέργειες. Έτσι στο CERN θα πρέπει να αξιολογηθούν τα δεδομένα από όλους τους ανιχνευτές και να αναλυθούν προσεκτικά, ώστε να ψηλαφηθούν τα ίχνη των επιπλέον διαστάσεων. Κλείνοντας την ενότητα της σύντομης παρουσίασης των πειραμάτων που επιτελούνται στο CERN αξίζει ίσως να αναφέρουμε ότι, εκτός από τη βασική έρευνα που επιτελείται για την παραγωγή γνώσης στη Φυσική με σκοπό την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο η Φύση υπάρχει και λειτουργεί, προκύπτουν και πολλά πρακτικά οφέλη. Στην προσπάθεια βελτίωσης της τεχνολογίας στο CERN προέκυψε η τομογραφία ποζιτρονίων (PET) 52, το διαδίκτυο 53, το πρωτοποριακό σύστημα διαδικτύου, το GRID, η τεχνολογία μαγνητικών κυκλωμάτων με πολλαπλές εφαρμογές στην ιατρική, στη βιολογία, στην αστροφυσική, στη μετεωρολογία, στη βιομηχανία. Τα παραπάνω καταγράφονται ως απάντηση στον σκεπτικισμό για τα μεγάλα ποσά που δαπανώνται για τις έρευνες στο CERN

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΕΥΤΕΡΟ 2. ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΚΑΙ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΠΟΡΕΙΑ ΠΡΟΣ ΤΟ ΣΩΜΑΤΙΔΙΟ HIGGS 30

32 2.1. Η μάζα και η ύλη για τη Φυσική I. Οι κλασικές αντιλήψεις για την έννοια της μάζας «Η ψυχή της ύλης, κατά την επιστήμη, η μη αναγώγιμη ουσία της ήταν η μάζα» 54 Frank Wilczek Νόμπελ Φυσικής 2004 Η μάζα για την ανθρώπινη αντίληψη ανέκαθεν σχετίζονταν με την ύλη και την υλικότητα αποτελεί μια πραγματικότητα που για τις ανθρώπινες αισθήσεις είναι ορατή αλλά κυρίως απτή. Η ύπαρξή της είναι αδιαμφισβήτητη, εφόσον επιβεβαιώνεται από το σύνολο των αισθήσεων. Κάποια υλικά σώματα έχουμε τη δυνατότητα να τα γευτούμε, κάποια να τα οσφρανθούμε, κάποια να τα ακούσουμε, τα περισσότερα να τα αγγίξουμε και σχεδόν όλα να τα δούμε. Στον αντίποδα της μάζας και της ύλης βρίσκονταν και συνεχίζει να βρίσκεται το άϋλο, που εκφραζόταν ως φωτιά 55 ή φως αυτό που πάντα ήταν άϋλο, πάντα φευγαλέο, συνδεδεμένο με τη ζωή και τις δραστηριότητες, αναγκαίο όσο και το οξυγόνο, προφανές και ακατάληπτο αυτό που πάντα αποκάλυπτε χωρίς το ίδιο να αποκαλύπτεται 56. Κανείς δε μπορεί να αμφισβητήσει την παρουσία του, όπως και κανείς δε μπορεί να το περιγράψει. Ως άϋλη φύση είναι συνδεδεμένο με κάτι εξωτικό, αιθέριο, ουράνιο και ίσως πνευματικό. Η σχέση μεταξύ των δύο ακραίων φυσικών οντοτήτων της ύλης και του φωτός θεωρούνταν αδιανόητη. Ο Πλάτωνας στο έργο του «Τίμαιος» αποτυπώνει αυτή την γενικευμένη αντίληψη και παρουσιάζει τα Εμπεδόκλεια στοιχεία ως συστατικά του κόσμου. Το σώμα του κόσμου αποτελείται από τέσσερα στοιχεία, τη φωτιά, τη γη, τον αέρα και το νερό. Η φωτιά είναι το πρώτο σίγουρο συστατικό του, εφόσον αυτή τον καθιστά ορατό. Η γη είναι το δεύτερο, εφόσον αυτή τον καθιστά απτό και στερεό. Οι χαρακτήρες όμως των δύο αυτών συστατικών είναι τόσο διαφορετικοί, ώστε καθίσταται αδύνατη η παραγωγή όλων των άλλων αισθητών σωμάτων από την μείξη 54 Frank Wilczek, Η ελαφρότητα του είναι, Εκδόσεις Κάτοπτρο, Αθήνα 2010, σελ Είναι γνωστή η άποψη του Εμπεδοκλή για τα τέσσερα συστατικά στοιχεία του σύμπαντος, πυρ γη, αήρ ύδωρ. Τα δύο ακρότατα ήταν η άϋλης υπόστασης φωτιά και η υλικής υπόστασης Γη. 56 Βλ. Γραμματικάκης Γιώργος, όπ. παρ., σελ

33 τους. Απαιτούνται επομένως και κάποια στοιχεία ενδιάμεσου χαρακτήρα με συνδετικές συγκολλητικές ιδιότητες, βοηθητικά των δύο πρώτων. Τα στοιχεία αυτά είναι το νερό και ο αέρας και αποτελούν τους δεσμούς μεταξύ των ετερόκλητων στοιχείων φωτιάς και γης. Με την ανάμειξη των τεσσάρων αυτών στοιχείων παράγεται το οποιοδήποτε αισθητό υλικό σώμα. Η ποσότητα των τεσσάρων στοιχείων δεν είναι τυχαία, αλλά υπακούει σε συγκεκριμένη γεωμετρική αναλογία 57. Ο Αριστοτέλης στα τέσσερα συστατικά της ύλης πρόσθεσε και τις δύο δυνάμεις που δρούσαν σ αυτά τη δύναμη της βαρύτητας, δηλαδή την τάση των δύο βαριών συστατικών, γης και νερού, να πέφτουν προς τα κάτω, και τη δύναμη της ελαφρότητας, δηλαδή την τάση των δύο ελαφριών συστατικών, αέρα και φωτιάς, να κινούνται προς τα πάνω. Οι δύο αυτές δυνάμεις προέκυπταν από την τρίτη υπόθεσή του σύμφωνα με την οποία το καθένα από τα στοιχεία τείνει να καταλάβει τη φυσική του θέση στο Σύμπαν 58. Το βαρύτερο και υλικότερο όλων στοιχείο, η γη, έπρεπε να καταλάβει τη φυσική της θέση που βρίσκεται κάτω από όλα τα άλλα στοιχεία, και είναι το κέντρο του Σύμπαντος. Το νερό, ως το αμέσως επόμενο στην ιεραρχία της υλικότητας έπρεπε να βρίσκεται πάνω από τη γη, ο αέρας ως ελαφρύτερος πάνω από το νερό και η φωτιά ως η πλέον άϋλη πάνω και από τον αέρα. Οι απόψεις αυτές αυτούσιες ή ελαφρά διαφοροποιημένες κυριάρχησαν στην ανθρώπινη σκέψη, διότι απεικόνιζαν τη βαθύτερη αντίληψη για τον κόσμο. Έτσι δεν μοιάζει να είναι τυχαίο το ότι στη Νευτώνεια Φυσική, την αποκαλούμενη και Κλασική Φυσική, η μάζα αρχικά τουλάχιστον ορίζεται ως η ποσότητα της ύλης ενός σώματος. Ο ορισμός αυτός απεικονίζει την αποτύπωση πλέον της συλλογικής αντίληψης για την έννοια της μάζας στα επιστημονικά συγγράμματα. Ο Νεύτωνας στα έργα του χρησιμοποιεί το σύμβολο της μάζας m και φραστικά την αποκαλεί «ποσότητα ύλης». Αποτελεί γι αυτόν μία ποσότητα αμετάβλητη που διατηρείται, επομένως μία έννοια που δε χρήζει περαιτέρω ανάλυσης. Οποιεσδήποτε μεταβολές παρατηρούμε στον κόσμο μας αποτελούν γι αυτόν ανακατανομές των δομικών συστατικών της ύλης, τα οποία καθεαυτά είναι αναλλοίωτα. Δε μπορούν να δημιουργηθούν από το μηδέν ή από κάτι άλλο, ούτε και να καταστραφούν παρά μόνο να 57 Βλ. Πλάτωνος «Τίμαιος» (32c), Οξφόρδη, Burnet. 58 Βλ. Βάρβογλης Χάρης, Ιστορία και Εξέλιξη των Ιδεών στη Φυσική, Εκδόσεις Πλανητάριο Θεσσαλονίκης, Θεσσαλονίκη 2011, σελ ή και Stephen Hawking, ΤΟ ΧΡΟΝΙΚΟ ΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ, Από τη Μεγάλη έκρηξη έως τις μαύρες τρύπες, Εκδόσεις Κάτοπτρο, Αθήνα 1997, σελ

34 ανακατανεμηθούν, ώστε να δημιουργήσουν τις οποιεσδήποτε νέες συνθέσεις 59. Στο έργο του για την Οπτική (Optics, 1704) αναφέρεται στα στοιχειώδη σωματίδια της ύλης, θεωρώντας τα ως θεμελιώδεις οντότητες απλά γιατί έτσι είναι, έτσι τα σχημάτισε πιθανόν ο Θεός 60. Στο μνημειώδες έργο του Μαθηματικές Αρχές της Φυσικής Φιλοσοφίας, που δημοσίευσε στα 1686, συσχέτισε την έννοια της μάζας μ αυτήν της αδράνειας. Η αδράνεια είναι η ιδιότητα που έχει κάθε υλικό σώμα να αντιστέκεται σε μεταβολές της κινητικής του κατάστασης. Είναι πιο εύκολο να θέσουμε σε κίνηση ένα ελαφρύ σώμα, που έχει δηλαδή μικρή μάζα, παρά ένα βαρύτερο. Έτσι η μάζα πλέον απέκτησε και έναν δεύτερο ορισμό αποτελεί το μέτρο της αδράνειας ενός σώματος. Στη σημαντικότερη εξίσωση των Αρχών, που αποτελεί τον πυρήνα της Κλασικής Φυσικής, F=ma, η μάζα δεν έχει τη δυνατότητα να μηδενιστεί 61. Σε περίπτωση μηδενισμού, το σώμα θα αποκτούσε άπειρη επιτάχυνση, ένα παράλογο αποτέλεσμα. Κάτι τέτοιο βέβαια για την εποχή που διατυπώθηκε δεν δημιουργούσε κανένα πρόβλημα από τη στιγμή που η εμπειρική πραγματικότητα θα θεωρούσε τουλάχιστον αφελή τον ισχυρισμό της ύπαρξης μιας οντότητας με μηδενική μάζα. Από το χώρο της Χημείας η εντύπωση αυτή της αυστηρά καθορισμένης και αναλλοίωτης μάζας ενισχύονταν. Είναι γνωστός ο νόμος του Lavoisier για την αφθαρσία της ύλης. Μπορεί από δύο αρχικές ουσίες που αντιδρούν μεταξύ τους να προκύπτουν νέες, αλλά η συνολική αρχική μάζα είναι ίση με την τελική. Κατά βάθος εκφράζονταν η βαθειά φιλοσοφική πεποίθηση που ξεκινούσε από την αρχαία Ελλάδα και υποστήριζε πως δε μπορεί να γεννηθεί τίποτε από το τίποτε ούτε και να καταλήξει στο τίποτε, και οδηγούσε αυθόρμητα στην ιδέα περί της αϊδιότητας της ύλης. Η άποψη αυτή ήταν γενικευμένη και διατυπωνόταν τόσο από φιλοσόφους που απέρριπταν την έννοια του θείου και επομένως η ύλη υπήρχε ανέκαθεν και από μόνη της, όσο και από αυτούς που 59 Βλ. Frank Wilczek, όπ. παρ. σελ «Μου φαίνεται πιθανόν ότι ο Θεός εν αρχή σχημάτισε την ύλη σε στερεά, σκληρά αδιαπέραστα, ικανά να κινηθούν σωματίδια με μάζα, τέτοιου μεγέθους και σχημάτων, και με τέτοιου είδους λοιπές ιδιότητες, και με τέτοιες αναλογίες στο χώρο, ώστε να συμβάλλουν τα μέγιστα στην επίτευξη των σκοπών για τους οποίους τα σχημάτισε και ότι τούτα τα πρωτογενή σωματίδια, όντας στερεά, είναι ασυγκρίτως σκληρότερα από οποιοδήποτε πορώδες σώμα συντίθεται από αυτά, τόσο πολύ σκληρά ώστε να μη φθείρονται ή τεμαχίζονται ποτέ, και καμία συνήθης δύναμη να μην έχει τη δυνατότητα να χωρίσει ό,τι ο ίδιος ο Θεός κατέστησε ενιαίο και αδιαίρετο με την πρώτη Δημιουργία» Βλ. Frank Wilczek, όπ. παρ. σελ F η δύναμη που ασκείται σ ένα σώμα, m η μάζα του και α η επιτάχυνση που αποκτά με την επίδραση αυτής της δύναμης. 33

35 πίστευαν στην τελεολογία και στην εξ αυτής αποδοχή του Θείου Δημιουργού. Χαρακτηριστικές είναι οι απόψεις του Πλάτωνα στον Τίμαιο, όπου αναφέρει πως ο Θεός ως κοσμήτορας, ως άριστος τεχνίτης «παρέλαβε όλα όσα ήταν ορατά και ποτέ δεν ησύχαζαν, αλλά βρίσκονταν σε άτακτη και ακανόνιστη κίνηση και τα έβαλε από την αταξία στην τάξη» 62. Δε δημιούργησε επομένως την ύλη ο Θείος Δημιουργός παρά έβαλε σε τάξη τη μέχρι τότε αιωνίως προϋπάρχουσα ύλη, που βρισκόταν σε χαοτική, άμορφη κατάσταση. Η συμβολή του Θεού στη δημιουργία ήταν καλλιτεχνικής φύσης, εφόσον μορφοποίησε το άμορφο και δημιούργησε το κόσμημα που ονομάστηκε κόσμος. Η φύση της μάζας ύλης επομένως στην κλασική κοσμοαντίληψη ήταν απόλυτη, άφθαρτη, προφανής και προπαντός χωρίς καμία σχέση με το φως ή την ενέργεια. Ποτέ κανείς και για κανένα λόγο δε θα μπορούσε να φανταστεί πως το φως ή η ενέργεια θα μπορούσε να αποτελέσει συστατικό της ύλης. Έτσι ήταν αδύνατη η περιγραφή του φυσικού κόσμου με έναν ενιαίο τρόπο, εφόσον ύλη και φως ή μάζα και ενέργεια ήταν δύο εντελώς ανεξάρτητες φύσεις. Όσο λοιπόν η επιστημονική κοινότητα αντιλαμβάνονταν τις δύο έννοιες ως δύο ετερόκλητες φύσεις, τόσο η ενιαία περιγραφή του κόσμου ήταν αδύνατη. II. Οι σύγχρονες αντιλήψεις για την έννοια της μάζας Στην Κλασική Φυσική η έννοια της ενέργειας κατανοούνταν ως μία φυσική ποσότητα που παίρνει συνεχείς τιμές. Δε μπορούσε να φανταστεί κανείς ότι ένα θερμό σώμα εκπέμπει θερμότητα ασυνεχώς, δηλαδή διακοπτόμενα, με τη μορφή πακέτων ενέργειας ούτε ότι μία πηγή φωτός εκπέμπει το φως της κατ αυτόν τον τρόπο, εφόσον κάτι τέτοιο είναι αδιανόητο για την ανθρώπινη αντίληψη που βασίζεται στα εμπειρικά δεδομένα. Στα τέλη όμως του 19ου αιώνα ( ) και για να μπορέσει να δώσει μία συνεπέστερη απάντηση στο πώς τα σώματα εκπέμπουν ή απορροφούν ακτινοβολία, ο Planck 63 εισήγαγε την άποψη ότι αυτό γίνεται μόνο με την μορφή πακέτων ενέργειας, ενώ ταυτόχρονα, χωρίς ακόμη να έχει αντιληφθεί τις συνέπειες της πρότασής του, έδινε το έναυσμα για τη 62 Βλ. Πλάτωνος «Τίμαιος»(30α), Οξφόρδη, Burnet. 63 Max Planck: Γερμανός θεωρητικός φυσικός, κάτοχος βραβείου Νόμπελ, θεμελιωτής της Κβαντικής Θεωρίας. 34

36 θεμελίωση της Κβαντικής Φυσικής 64. Λίγα μόλις χρόνια αργότερα και βασισμένος στις απόψεις του Planck, ο Einstein στα 1905 ερμήνευσε το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο με μία πραγματικά επαναστατική διατύπωση. Το φως εμφανίζεται πάντα με τη μορφή πακέτων ενέργειας, των κβάντων ενέργειας που ονομάζονται φωτόνια. Η επαναστατικότητα της διατύπωσης αυτής έγκειται στο γεγονός ότι για πρώτη φορά προσεγγίστηκε η άποψη ότι το φως έχει διπλή φύση. Είναι και κύμα και σωματίδιο. Κάποια από τα φαινόμενα που σχετίζονται με το φως ερμηνεύονται με τη βοήθεια της σωματιδιακής του φύσης και κάποια με τη βοήθεια της κυματικής. Έτσι το κβάντο φωτός είναι πλέον μία οντότητα ενεργειακή, που δεν έχει υλικότητα, δεν έχει μάζα, αλλά συμπεριφέρεται και ως κύμα που φέρει ενέργεια και ως σωματίδιο. Όσο και αν εκπλήσσει ή εντυπωσιάζει μία τέτοια θέση, τελικά δεν έχει χαρακτήρα μόνο ερμηνευτικό των φυσικών φαινομένων που σχετίζονται με το φως, αλλά αποκαλύπτει και τη βαθύτερη ουσία του είναι διπλή λοιπόν η φύση του, κυματική και σωματιδιακή, ενώ η καθαρή ουσία του είναι ενεργειακή. Την ίδια χρονιά που ερμήνευσε ο Einstein το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο ερμηνεία που του χάρισε βραβείο Νόμπελ Φυσικής στα 1921 δημοσίευσε την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας από την οποία προκύπτει η γνωστή και πολύ σημαντική σχέση E=mc 2. Η μεγάλη σημασία της σχέσης αυτής δεν έγκειται μόνο στο γεγονός ότι από μία ποσότητα μάζας μπορούμε να πάρουμε τεράστια ποσά ενέργειας, κάτι που επιβεβαιώθηκε αρχικά με την κατασκευή της ατομικής βόμβας και στη συνέχεια με τους πυρηνικούς αντιδραστήρες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η μεγάλη της σημασία έγκειται στο γεγονός ότι για πρώτη φορά η έννοια της μάζας σχετίζεται τόσο στενά με αυτήν της ενέργειας. Το άρθρο που δημοσίευσε ο Einstein έφερε τον τίτλο: «Εξαρτάται η αδράνεια ενός σώματος από το ενεργειακό του περιεχόμενο;» 65. Με άλλα λόγια ο Einstein διατύπωνε το ερώτημα κατά πόσο μπορούμε να κατανοήσουμε τη μάζα και να την εξηγήσουμε με όρους ενέργειας ή ακόμη πιο απλά, κατά πόσο μπορούμε να πούμε πως το βαθύτερο περιεχόμενο της μάζας είναι ενεργειακό. Ακολούθησε η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Einstein στα Βάσει αυτής όλα τα σώματα, υλικής ή ενεργειακής υπόστασης, θα πρέπει να δέχονται βαρυτικές έλξεις από τα ουράνια σώματα. Κάτι τέτοιο 64 Πρόκειται για τη γνωστή σχέση Ε=hf, όπου Ε η ενέργεια ενός πακέτου ή κβάντου ενέργειας μιας ακτινοβολίας, h η σταθερά του Planck και f η συχνότητα της ακτινοβολίας αυτής. Βλ. Frank Wilczek, όπ. παρ. σελ ή και Βάρβογλη Χάρη, όπ. παρ. σελ Βλ. Frank Wilczek, όπ. παρ. σελ

37 ήταν αδιανόητο για την κλασική βαρύτητα του Νεύτωνα. Δε θα μπορούσαν ποτέ να «αισθανθούν» βαρυτική έλξη οντότητες μηδενικής μάζας. Οι εξισώσεις έδιναν αποτέλεσμα μηδενικό για μηδενικές μάζες. Αν η νέα θεωρία της Γενικής Σχετικότητας είναι σωστή, θα πρέπει να επιβεβαιωθεί η έλξη των φωτονίων που έχουν μηδενική μάζα και να παρατηρηθεί καμπύλωση στην πορεία των ακτίνων του φωτός από τα ουράνια σώματα. Λίγα μόλις χρόνια μετά, στα 1919, κατά τη διάρκεια μίας ηλιακής έκλειψης, ο Άγγλος αστρονόμος Eddington παρακολούθησε το φως αστέρων καθώς αυτοί περνούσαν κοντά από τον ήλιο. Οι μετρήσεις του συμφωνούσαν με τη θεωρία της σχετικότητας. Την εποχή εκείνη απαιτούνταν ηλιακή έκλειψη για να γίνει η παρατήρηση αυτή. Σήμερα οι γνώσεις και η τεχνολογία επιτρέπουν τη διεξαγωγή αυτού του πειράματος οποιαδήποτε ώρα της ημέρας 66. Επομένως η βαρυτική δύναμη επιδρά στα «άϋλα» μηδενικής μάζας σωματίδια και ενισχύει την άποψη ότι η ενέργεια και η μάζα σχετίζονται στενά με άλλα λόγια η μάζα είναι μία από τις μορφές με τις οποίες εμφανίζεται η ενέργεια. Τα επόμενα βήματα έγιναν στο χώρο της Κβαντικής Φυσικής. Στα 1923 ο De Broglie έκανε την υπόθεση ότι η ύλη μπορεί να έχει κυματική συμπεριφορά (κυματοσωματιδιακός δυϊσμός) και επομένως τα υλικά σωματίδια συμπεριφέρονται σε ορισμένες περιπτώσεις ως κύματα, γνωστά και ως κύματα De Broglie ή υλοκύματα. Σύμφωνα με την κυματική αυτή υπόθεση, σε κάθε ελεύθερο σωματίδιο μάζας m που κινείται με ταχύτητα v αντιστοιχίζεται ένα μήκος κύματος λ, που είναι χαρακτηριστικό μόνο κυματικό δηλαδή ενεργειακό. Η πειραματική επιβεβαίωση της υπόθεσης χάρισε στον De Broglie βραβείο Νόμπελ Φυσικής στα 1929 και ενίσχυσε ακόμη περισσότερο την άποψη ότι μάζα και ενέργεια αποτελούν δύο όψεις του ιδίου νομίσματος. Τα επόμενα βήματα μάς βρίσκουν πολύ κοντά στο θέμα της παρούσας εργασίας. Δε χωρούσε πλέον αμφιβολία για την άρρηκτη σχέση μεταξύ των δύο φυσικών μεγεθών. Η θεωρία της σχετικότητας, η κβαντική θεωρία πεδίου και αργότερα η κβαντική χρωμοδυναμική αποτέλεσαν τα 66 Η σημερινή τεχνολογία με τη χρήση μικροκυμάτων, αντί ορατής ακτινοβολίας, πραγματοποιεί με πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια το ίδιο πείραμα. Τη θέση του αστεριού παίρνει το κβάσαρ 3C279 και οι μετρήσεις γίνονται στην περιοχή των μικροκυμάτων, στην οποία μπορούμε να πούμε πως ο ήλιος βρίσκεται πάντα σε έκλειψη, εφόσον η ακτινοβολία του σε μικροκύματα είναι πολύ ασθενική. Παρατηρείται πράγματι καμπύλωση στην πορεία του φωτός και μετριέται η απόκλισή του με μεγάλη ακρίβεια που συμφωνεί με τη Γενική Σχετικότητα. Βλ. Jayant Narlikar, Η ελαφρότητα της Βαρύτητας, Εκδόσεις Τροχαλία, Αθήνα, σελ

38 απαραίτητα εργαλεία για την κατανόηση της έννοιας της μάζας. Το άϋλο φωτόνιο, με τη χρήση του δυϊσμού σωματιδίου κύματος, κωδικοποιήθηκε χωρίς τον παραμικρό ενδοιασμό στα στοιχειώδη σωματίδια που συγκροτούν το γνωστό μας σύμπαν. Κλείνοντας την εισαγωγική παρουσίαση για τις σύγχρονες απόψεις γύρω από τη μάζα και την ενέργεια, αξίζει ίσως να αναφερθεί ένα παράδειγμα που ανατρέπει και σε επίπεδο αριθμών την κλασική αντίληψη της αφθαρσίας της ύλης και επιβεβαιώνει την αλληλεξάρτηση μάζας και ενέργειας. Στον μεγάλο επιταχυντή συγκρουόμενων δεσμών ηλεκτρονίων ποζιτρονίων που έφερε το όνομα LEP (Large Electron Positron Collider) και λειτούργησε στο CERN τη δεκαετία του 1990, ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια επιταχύνονταν σε ταχύτητες που άγγιζαν την ταχύτητα του φωτός, σε αντίθετες κατευθύνσεις και στη συνέχεια έρχονταν σε σύγκρουση. Η πολύ υψηλή ενέργεια που είχαν οι δέσμες οδηγούσε στην παραγωγή ενός πλήθους θραυσμάτων από νέα σωματίδια, διάφορα των αρχικών. Από μία τυπική σύγκρουση παράγονταν δέκα πιόνια, ένα πρωτόνιο και ένα αντιπρωτόνιο. Συγκρίνοντας τις ολικές μάζες πριν και μετά τη σύγκρουση προκύπτει: 1 ηλεκτρόνιο + 1 ποζιτρόνιο: 2x10-28 γραμμάρια. 10 πιόνια + 1 πρωτόνιο +1 αντιπρωτόνιο: 6x10-24 γραμμάρια. Τα σωματίδια που παράχθηκαν από τη σύγκρουση έχουν τριάντα χιλιάδες φορές μεγαλύτερη μάζα από αυτά που συγκρούστηκαν 67. Δε χωράει πλέον η παραμικρή αμφιβολία ότι η σύγχρονη άποψη περί της μάζας είναι η ορθή ότι η μάζα προέρχεται από ενέργεια. Έτσι γεννιέται και η εύλογη απορία. Πώς η ενέργεια μετατρέπεται σε μάζα ή τι ακριβώς συμβαίνει και τα σωματίδια εμφανίζουν κάποια στιγμή μάζα ενώ αρχικά δεν φαίνονταν να έχουν; Η προσπάθεια ανεύρεσης του σωματιδίου Higgs και κατανόησης των ιδιοτήτων του βοήθησε πολύ προς την κατεύθυνση αυτή. 67 Βλ. Frank Wilczek, όπ. παρ. σελ

39 2.2. Οι δύο «γλώσσες» της Επιστήμης "...το θαύμα να είναι η γλώσσα των μαθηματικών τόσο κατάλληλη για τη διατύπωση των νόμων της Φυσικής, είναι ένα εξαίσιο δώρο που ούτε το καταλαβαίνουμε ούτε το αξίζουμε" 68 Eugene P. Wigner Νόμπελ Φυσικής 1963 Μέχρι τον 16ο μ.χ. αιώνα οι φυσικές επιστήμες βασίζονταν κατά κύριο λόγο στην παρατήρηση των φυσικών φαινομένων, στην καταγραφή τους και στην φιλοσοφική από εκεί και πέρα ερμηνεία τους, γεγονός που οδηγούσε σε μία επιστημονική θεωρία με τον χαρακτήρα του πιστεύματος, της πεποίθησης για το πώς λειτουργεί η φύση. Μία τέτοια προσέγγιση καθιστούσε περισσότερο φιλοσοφική τη θεώρηση της φυσικής πραγματικότητας, παρά επιστημονική θεωρία με την σύγχρονη έννοια του όρου. Προφανώς οι διατυπώσεις ήταν λογικές ή λογικοφανείς, έλλειπε όμως η επιβεβαίωσή τους μέσα από τη συστηματική πειραματική διαδικασία. Έτσι παρά την λογικότητά τους πολλές φορές έπεφταν σε εσωτερικές αντιφάσεις 69. Δεν πρέπει βέβαια να παραθεωρηθεί η συστηματική και επίπονη προσπάθεια που έγινε πολλές φορές για μία μαθηματικού τύπου προσέγγιση φαινομένων κυρίως σε θέματα αστρονομίας αστρολογίας 70. Από τον Γαλιλαίο όμως και μετά εισάγεται το πείραμα ως αναπόσπαστο κομμάτι της επιβεβαίωσης της επιστημονικής 68 Η ρήση αυτή για την αρμονία μεταξύ της αφηρημένης μαθηματικής γλώσσας και της περιγραφής της φυσικής πραγματικότητας που επιτυγχάνεται με τη βοήθειά της, ανήκει στον Ουγγρικής καταγωγής νομπελίστα Φυσικής (1963) Eugene P. Wigner. Πολλά έχουν γραφεί για το θέμα αυτό. Ενδεικτικά αναφέρονται: Βλ. Penrose Roger, The Road to Reality, A Complete Guide to the Laws of the Universe, Jonathan Cape, London 2004, p , Ταμπάκης Νίκος: ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΕΙΣ ΤΟΥ ΚΟΣΜΟΥ, Πραγματικότητα και σύγχρονη φυσική, Γκοβόστης, Πολλά έχουν γραφτεί για το θέμα αυτό. Ενδεικτικά αναφέρεται μία πρόσφατη εργασία του καθηγητή Αστρονομίας του Α.Π.Θ. κ. Βάρβογλη Χάρη, που εκδόθηκε σε βιβλίο με τίτλο: Ιστορία και Εξέλιξη των Ιδεών στη Φυσική, Εκδόσεις Πλανητάριο Θεσσαλονίκης, Θεσσαλονίκη 2011, σελ Ενδεικτικά αναφέρεται ως χαρακτηριστικό παράδειγμα η θεωρία του γεωκεντρικού ηλιακού συστήματος, που διαμορφώθηκε μαθηματικά από τον Ίππαρχο (2 ος π.χ. αι.) και το Πτολεμαϊκό σύστημα ερμηνείας της κίνησης των πλανητών με τους επίκυκλους που επινόησε ο Πτολεμαίος (2 ο μ.χ. αι.) και ερμήνευε με πολύ μεγάλη ακρίβεια τις κινήσεις και τις θέσεις των πλανητών σε συνάρτηση με τον χρόνο. Το βιβλίο του Μεγίστη Αστρονομική Σύνταξη αποτέλεσε το βασικό σύγγραμμα Αστρονομίας για 15 περίπου αιώνες. Βλ. Βάρβογλη Χάρη, όπ. παρ., σελ. 29, ή Jayant Narlikar, όπ. παρ., σελ

40 θεωρίας 71. Κάθε θεωρία ελέγχεται πλέον μέσα από τα πειράματα και τις μετρήσεις και οφείλει να είναι συνεπής προς το σύνολο των μετρήσεων αυτών. Τα πειραματικά δεδομένα αποτελούν αδιαμφισβήτητες αλήθειες της φυσικής πραγματικότητας είτε αυτά προέρχονται από την άμεση παρατήρηση δια των αισθητηρίων οργάνων είτε από την έμμεση με τη βοήθεια συσκευών και είναι αυτά που κρίνουν την ορθότητα της κάθε θεωρίας. Η θεωρία, αρχικά τουλάχιστον, σχετίζεται με τη φαντασία, τη διαίσθηση και την ενόραση των επιστημόνων και τελικά είναι αυτή που προσπαθεί να αποκαλύψει τους νόμους της φύσης, δηλαδή τους ιστούς της κοινής συμπεριφοράς των οντοτήτων μέσα στη φυσική πραγματικότητα. Ο Γαλιλαίος ωστόσο δεν αρκείται στις παρατηρήσεις του και στα πειράματά του προχωράει και σε μία κατά το δυνατόν μαθηματική περιγραφή των νόμων της φύσης. Έτσι αναγνωρίζεται σταδιακά η ανάγκη υποστήριξης της λεκτικής περιγραφής των φαινομένων από μαθηματικά μοντέλα περιγραφής, ικανά να δίνουν απαντήσεις σε όλα τα παρόμοια φαινόμενα και να κάνουν προβλέψεις. Έχει ωριμάσει η άποψη ότι η φυσική πραγματικότητα έχει μία βαθειά σχέση με τα μαθηματικά ότι εγγενώς, η ομορφιά, η αρμονία, η «τελειότητα» της φύσης σχετίζεται με μία εξίσου όμορφη, αυστηρή γλώσσα, ικανή να «μιλήσει», να αποκαλύψει κάποια και γιατί όχι για κάποιους υπεραισιόδοξους ή ενδεχομένως και αλαζόνες όλα τα μυστικά της φύσης. Έτσι σταδιακά η Επιστήμη οδηγείται στην διαμόρφωση δύο «γλωσσών» περιγραφής της φυσικής πραγματικότητας: αυτής που απορρέει από τις αισθήσεις και τις δι αυτών πειραματικές μετρήσεις και αυτής του αφηρημένου μαθηματικού λογισμού, που καλείται με μία πολύ αυστηρή πλέον γλώσσα να περιγράψει την αλήθεια της φύσης, να αποκαλύψει τους λόγους των όντων. Όταν μία θεωρία που βασίζεται και στις δύο αυτές περιγραφές απαντάει ικανοποιητικά στα διάφορα φαινόμενα που καλείται να ερμηνεύσει, τότε εδραιώνεται και αποκτάει τον χαρακτήρα του νόμου της φύσης και έχει αδιαμφισβήτητο κύρος. Όταν νέες παρατηρήσεις και πειράματα αποκαλύπτουν κάποια ασυμφωνία μεταξύ θεωρίας και πραγματικότητας, τότε οι ερευνητές πρέπει να ξανααφουγκραστούν τη φύση, είτε διότι κάτι άγνωστο μέχρι τότε στην επιστημονική κοινότητα πρόκειται να ανακαλυφθεί και να ερμηνεύσει τις αποκλίσεις των μετρήσεων, είτε διότι η θεωρία χρήζει συμπλήρωσης, είτε γιατί κάποιες φορές η θεωρία απορρίπτεται πλήρως και απαιτείται νέα προσπάθεια για την θεωρητική μαθηματική υποστήριξη και ερμηνεία 71 Βλ. Γραμματικάκης Γιώργος, όπ. παρ., σελ

41 των πειραματικών δεδομένων 72. Το βέβαιο είναι πως οι δύο αυτές γλώσσες «μιλούν» και κινούνται παράλληλα αλληλοσυμπληρώνοντας η μία την άλλη και οδηγώντας την Επιστήμη σε ουσιαστική εξέλιξη. Πότε προηγείται το πείραμα και απαιτεί την θεωρητική κάλυψη και πότε η θεωρία, βασισμένη σε πειραματικά δεδομένα, κάνει άλματα και ερμηνεύει φαινόμενα που ακόμη δεν έχουν παρατηρηθεί και επιβεβαιωθεί πειραματικά Η πορεία προς το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) Το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι η θεωρία που συμπεριλαμβάνει όλες τις μέχρι τώρα γνώσεις της Φυσικής για τη συγκρότηση της ύλης από τα στοιχειώδη συστατικά της και τον τρόπο που αυτά αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Απαντάει στην ερώτηση πώς είναι φτιαγμένος ο γνωστός μας κόσμος, ποια τα δομικά του συστατικά και πώς αυτά αλληλεπιδρούν, ώστε με έναν συνεπή τρόπο να δίνει απαντήσεις στα φαινόμενα που παρατηρούνται. Είναι μία θεωρία βασισμένη και στις δύο γλώσσες που περιγράφηκαν παραπάνω και έχει ως βασική της επιδίωξη την κατανόηση της δομής και των βασικών νόμων της Φύσης. Η ανάγκη για τη δημιουργία του προέκυψε, όταν πολλά πειραματικά δεδομένα από τον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων έπρεπε να μπουν σε μία τάξη. Οι πρωτόγνωρες συμπεριφορές τους και ο αριθμός των νέων σωματιδίων που αποκάλυπτε η Φύση στους επιστήμονες με τη βοήθεια των ολοένα και πιο εξελιγμένων οργάνων απαιτούσε συστηματική παρατήρηση, ώστε να αποκαλυφθεί και ο λόγος τους, δηλαδή ο ιστός της κοινής τους συμπεριφοράς και στη συνέχεια να εκφραστεί, να γίνει λόγος γραπτός και προφορικός τέτοιος, ώστε να περιγράφει τη συμπεριφορά τους με την καλύτερη δυνατή ακρίβεια. Η λεκτική ωστόσο διατύπωση της κοινής συμπεριφοράς έπρεπε να συνοδεύεται οπωσδήποτε από την αυστηρή γλώσσα των μαθηματικών, ώστε να επιβεβαιώνονται οι συμπεριφορές αυτές αλλά και να γίνονται νέες προβλέψεις. Η κατάσταση της σύγχυσης που δημιουργήθηκε στην επιστημονική κοινότητα από τον μεγάλο αριθμό των στοιχειωδών σωματιδίων δεν ήταν 72 Πειραματικά δεδομένα από το χώρο της αστρονομίας ήταν αυτά που έθεσαν σε αμφισβήτηση την Νευτώνεια Μηχανική και οδήγησαν τελικά στη Γενική Σχετικότητα. Βλ. Jayant Narlikar, Η ελαφρότητα της Βαρύτητας, Εκδόσεις Τροχαλία, Αθήνα, σελ

42 κάτι το καινοφανές. Πηγαίνοντας πιο πίσω χρονικά, βλέπουμε να συμβαίνει κάτι αντίστοιχο, όταν οι επιστήμονες ανακάλυψαν και επιβεβαίωσαν την ατομική δομή της ύλης 73, μία θεωρία που πρωτοδιατυπώθηκε σε φιλοσοφικό τουλάχιστον επίπεδο από τον Δημόκριτο και τον Λεύκιππο τον 4ο π.χ. αιώνα. Μελετώντας τα άτομα της ύλης κατέληξαν στο συμπέρασμα πως υπάρχουν πολλά διαφορετικά από αυτά, με πολλές αντίστοιχα διαφορετικές συμπεριφορές που αρχικά τουλάχιστον προκαλούσαν σύγχυση ως προς την συστηματοποίηση και ταξινόμησή τους 74. Μια πρώτη σοβαρή απλοποίηση που επέτρεπε την καλύτερη κατανόηση της δομής της ύλης επιτεύχθηκε, όταν στις αρχές του 20ου αιώνα ανακαλύφθηκαν τα τρία βασικά υποατομικά σωματίδια που συνθέτουν το οποιοδήποτε άτομο: το ηλεκτρόνιο, το πρωτόνιο και το νετρόνιο 75. Διαφορετικός αριθμός από αυτά είναι που συνθέτει τα πολλά διαφορετικά άτομα. Και ενώ τα πράγματα έδειχναν να απλοποιούνται με τη χρήση των τριών υποατομικών σωματιδίων και να καθίσταται εφικτή η περιγραφή όλου του σύμπαντος με τρία μόνο σωματίδια, η ίδια κατάσταση επαναλήφθηκε σε βαθύτερο αυτή τη φορά επίπεδο. Το μέχρι τότε αιώνιο, στατικό και αναλλοίωτο σύμπαν ακόμη και για τους πιο ευφάνταστους επιστήμονες 76 άρχισε να στέλνει τις πρώτες πληροφορίες ότι υπάρχει βαθύτερη δομή στην ύλη. Στις ακτινοβολίες που έρχονται από το διάστημα, και για πρώτη φορά τότε άρχισαν να ανιχνεύονται, συναντήθηκε το μεγάλο με το μικρό το αχανές σύμπαν με τη μικροσκοπική και αθέατη ύλη από την ανθρώπινη όραση και τα οπτικά όργανα παρατήρησης. Για πρώτη φορά οι επιστήμονες κατάλαβαν πως τα στοιχειώδη σωματίδια που δομούν 73 Τον 18ο αιώνα ο Lavoisier, μαζί με μια πληθώρα άλλων επιστημόνων, επιβεβαίωσαν με πειράματά τους την ορθότητά της. Παρ όλα αυτά η διαμάχη με τους υποστηρικτές της αντίθετης άποψης, ότι δηλαδή η ύλη είναι συνεχής, δε διευθετήθηκε οριστικά υπέρ των ατομιστών παρά μόνον στις αρχές του 20 ου αιώνα. Βλ. Stephen Hawking, όπ. παρ., σελ Πρόκειται για τα γνωστά στοιχεία του Περιοδικού Πίνακα, τα οποία παρά τη διαφορετικότητά τους κατάφεραν να τα κατατάξουν και να τα ομαδοποιήσουν με βάση κοινές τους ιδιότητες. 75 Το ηλεκτρόνιο ανακαλύφθηκε στα 1897 από τον J. J. Thomson, το πρωτόνιο στα 1914 από τον Rutherford και το νετρόνιο στα 1932 από τον Chadwick. Βλ. Stephen Hawking, όπ. παρ., σελ Είναι γνωστό πως οι εξισώσεις της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας προέβλεπαν ένα σύμπαν δυναμικό, κάτι που έρχονταν σε αντίθεση όχι μόνο με την γενική συλλογική συνείδηση του ανθρώπου αλλά και των επιστημόνων. Έτσι ο Einstein εισήγαγε στις εξισώσεις μία σταθερά, την λεγόμενη κοσμολογική σταθερά η οποία απέτρεπε αυτή την διαστολή. Εκ των υστέρων ο ίδιος ο Einstein ομολόγησε πως αυτό ήταν το μεγαλύτερο λάθος που θα μπορούσε να κάνει στη ζωή του. Βλ. Αυγολούπη Σταύρου, Αρχή & τέλος. Η ιστορία του Σύμπαντος, όπ. παρ., σ. 20, 27 ή Jayant Narlikar, όπ. παρ. σελ ή Stephen Hawking, όπ. παρ., σελ

43 τον μικρόκοσμο μπορούν να δώσουν απαντήσεις για τα μεγάλης ή και τεράστιας κλίμακας φαινόμενα που συμβαίνουν στο σύμπαν, όπως η γέννηση νέων αστέρων ή ο σχηματισμός γαλαξιών. Για πρώτη φορά κατάλαβαν πως το σύμπαν που μας φιλοξενεί όχι μόνο δεν είναι στατικό, αιώνιο και αναλλοίωτο, αλλά απολύτως δυναμικό βρίσκεται σε φάση διαρκούς εξέλιξης, διαρκούς ανανέωσης, διαρκούς κτισίματος, διαρκούς δημιουργίας. Το μικρό όχι μόνο συνθέτει το μεγάλο, αλλά παίζει καθοριστικό ρόλο στις συμπεριφορές του μεγάλου. Δεν είναι απλά και μόνον ένα δομικό του στοιχείο, ένα μέρος του, αλλά ένα οργανικό μέλος του. Η πρόκληση πλέον για την Φυσική Στοιχειωδών Σωματιδίων έγινε ακόμη μεγαλύτερη. Δεν θα κατανοούνταν μόνο η δομή και η συμπεριφορά της ύλης σε μικροσκοπικό επίπεδο, αλλά και το πώς η συμπεριφορά του μικρού και αθέατου κόσμου μπορεί να επιδρά καταλυτικά στην αέναη κοσμογονία. Οι κοσμικές ακτίνες λοιπόν που άρχισαν να ανιχνεύονται στη γη έδειξαν ότι τα στοιχειώδη σωματίδια ήταν πολύ περισσότερα. Η αρχική ονοματοδοσία τους με γράμματα του ελληνικού αλφαβήτου πι, δέλτα, σίγμα, ξι, ωμέγα δεν έδειχνε να βοηθάει ιδιαίτερα, καθόσον ολοένα και περισσότερα ανιχνεύονταν με διαφορετικές συμπεριφορές. Παράλληλα τα ίδια παράξενα σωματίδια άρχισαν να παράγονται πειραματικά στους μεγάλους επιταχυντές που έμπαιναν σε λειτουργία με την ανάπτυξη της τεχνολογίας. Η απλή συσσώρευση αλλόκοτων γεγονότων και σωματιδίων παράλληλα συσσώρευε και σύγχυση στους επιστήμονες 77. Και ενώ ξεκίνησε η κατάταξή τους με βάση τις ιδιότητές τους, όπως είναι η μάζα τους, το φορτίο τους, το spin τους, η διάρκεια ζωής τους 78, όπως ακριβώς είχε γίνει και με την κατάταξη των διαφορετικών στοιχείων στον περιοδικό πίνακα η ανάγκη για απλοποίηση και καλύτερη κατανόηση της σύνθετης εικόνας ήταν αδήριτη. Μία τέτοια ανάγκη βέβαια για απλοποίηση δεν οφείλεται μόνον στο ότι επιθυμούμε βαθύτερη κατανόηση, αλλά εκπηγάζει και από μία βαθιά, φιλοσοφικής φύσης πεποίθηση ότι το ωραίο είναι και απλό και επομένως και η φύση στους βαθύτερους λόγους της είναι απλή. Το κάλλος και η αρμονία της οδηγούν αυθόρμητα στην σκέψη αυτή. Αυτήν τη φορά η απλούστευση έγινε τεχνητά. Στις αρχές της δεκαετίας του '50, δύο θεωρητικοί φυσικοί ο George Zweig (ερευνητής στο CERN) και ο Murray Gell Mann (ερευνητής στο Caltech) εργαζόμενοι ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο και προσπαθώντας να ομαδοποιήσουν τα 77 Βλ. Frank Wilczek, όπ. παρ. σελ Τα περισσότερα από αυτά τα στοιχειώδη σωματίδια έχουν πολύ μικρή διάρκεια ζωής. Εξαφανίζονται καθώς διασπώνται σε ελαφρότερα και σταθερότερα σωματίδια. 42

44 σωματίδια με βάση τις κοινές τους συμπεριφορές ή τις κανονικότητές τους, όπως ονομάζονται στη γλώσσα της Επιστήμης, χρησιμοποίησαν τις αρχές της συμμετρίας 79 για να προβλέψουν την ύπαρξη θεμελιωδέστερων σωματιδίων από αυτά που μέχρι τώρα θεωρούνταν θεμελιώδη. Οι δύο φυσικοί αντιλήφθηκαν ότι τα παρατηρούμενα μοτίβα ή οι κανονικότητες που παρουσίαζαν οι μάζες, οι χρόνοι ζωής και τα spin πολλών σωματιδίων, μπορούσαν να απλουστευτούν με την εισαγωγή νέων απλούστερων οντοτήτων 80. Έστω λοιπόν ότι υπάρχουν αυτές οι οντότητες και έστω ότι ονομάζονται κουάρκς 81. Από εδώ και στο εξής αυτά θα αποτελούν τις δομικές μονάδες από τις οποίες σχηματίζονται τα γνωστά μας υποατομικά σωματίδια πρωτόνιο και νετρόνιο αλλά και τα περισσότερα από τα παράξενα σωματίδια που ανιχνεύτηκαν στις κοσμικές ακτινοβολίες. Απαιτείται πλέον η μαθηματική θεμελίωσή τους, ώστε να αποκτήσουν επιστημονική και όχι απλά φιλοσοφική υπόσταση. Στο σημείο αυτό γεννήθηκε το Καθιερωμένο Πρότυπο. Στην αρχική τους πρόταση οι Zweig και Gell Mann χρειάστηκαν τα τρία απλούστερα κουάρκς, που ονομάστηκαν up, down και strange. Θεωρητικά η επιτυχία του μοντέλου ήταν μεγάλη αφού όλα τα γνωστά σωμάτια μέχρι το 1974 μπορούσαν να κατασκευαστούν από τα τρία κουάρκς και τα αντισωματίδιά τους 82, αν και άφηνε αναπάντητα ερωτηματικά, όπως το εάν μπορούν να παραχθούν μονήρη κουάρκς ή ποιος νόμος διέπει τις μεταξύ τους δυνάμεις. Όπως όμως ήταν επόμενο, η αλήθεια της ύπαρξής τους έπρεπε να περάσει μέσα από την πειραματική επιβεβαίωση. Παρά τις επίμονες προσπάθειες που έγιναν για τον εντοπισμό τους, σε κανένα πείραμα δεν κατέστη δυνατό να εντοπιστούν ως μονήρη σωματίδια στη Φύση, ακόμα και μέχρι σήμερα 83. Απεναντίας σε κάποια από τα πειράματα προέκυπτε ασυμφωνία με τα θεωρητικά προβλεπόμενα 84. Πολλοί ήταν οι φυσικοί μεταξύ των οποίων και ο Gell Mann που πίστεψαν ότι τελικά τα κουάρκς είναι μία καλή θεωρητική 79 Αναλυτικότερα οι αρχές της συμμετρίας στη Φύση και οι ρήξεις των συμμετριών παρουσιάζονται παρακάτω. 80 Βλ. Frank Wilczek, όπ. παρ. σελ Η ονομασία κουάρκ δόθηκε από τον ίδιο τον Gell Mann και είναι παρμένη από έναν αινιγματικό στίχο του ποιήματος «Finnegan s Wake» του Ιρλανδού συγγραφέα James Joyce: "Three quarks for Muster Mark". Πηγή: Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ. 54 ή εναλλακτικά 82 Βλ. Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ Βλ. Frank Wilczek, όπ. παρ. σελ Τα πειράματα σκέδασης της μορφής e + + e - αδρόνια, δε συμφωνούσαν πάντα με την πρώτη απλή μορφή του μοντέλου των κουάρκς. Βλ. Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ

45 επινόηση και τίποτε παραπάνω. Ωστόσο η ανάγκη θεωρητικής βελτίωσης του μοντέλου αλλά και πολλά πειραματικά δεδομένα, που ερμηνεύονταν με το μοντέλο των κουάρκς, οδήγησαν όχι μόνο στην έμμεση επιβεβαίωσή τους (των κουάρκς), αλλά και στη θεωρητική πρόβλεψη νέων κουάρκς και επιπλέον ιδιοτήτων τους, όπως το χρωματικό φορτίο τους ή η μαγεία τους. Στα 1974 ανακαλύφθηκε επιβεβαιώθηκε το charm κουάρκ (απαντάται στην ελληνική γλώσσα ως χαριτωμένο ή γοητευτικό ή μαγευτικό κουάρκ), στα 1977 το bottom (χαμηλό ή πυθμένας) και τελευταίο στα 1995 το top (ψηλό ή κορυφή) 85. Περιττό ίσως είναι να αναφερθεί πως οι ανακαλύψεις αυτές συνοδεύτηκαν από τα αντίστοιχα βραβεία Νόμπελ Φυσικής. Μια επίπονη πορεία μεταξύ πειραμάτων και θεωρίας οδήγησε τελικά σ αυτό που σήμερα ονομάζουμε Καθιερωμένο Πρότυπο. Μια σχηματική αναπαράσταση που περιγράφει τις σύγχρονες απόψεις για τη δομή της ύλης από την επιβεβαίωση της ατομικής θεωρίας μέχρι τη δημιουργία του Καθιερωμένου Προτύπου φαίνεται στον πίνακα 1. ΠΙΝΑΚΑΣ 1 Η ΔΟΜΗ ΤΗΣ ΥΛΗΣ Βλ. Stephen Hawking, όπ. παρ., σελ Πηγή: 44

46 2.4. Το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard model) I. Σύντομη παρουσίαση των σωματιδίων του Προτύπου Σήμερα το Καθιερωμένο Πρότυπο περιλαμβάνει 17 βασικά θεμελιώδη σωματίδια: 6 κουάρκς, 6 λεπτόνια, 4 σωματίδια φορείς δυνάμεων και τελευταίο το σωματίδιο Higgs. Τα 12 από αυτά, που φαίνονται και στον πίνακα 1, είναι σωματίδια που δομούν τη μέχρι σήμερα γνωστή ύλη 87. Πρόκειται για τα 6 κουάρκς και τα 6 λεπτόνια, ενώ τα υπόλοιπα 5 (4 σωματίδια φορείς δυνάμεων και το σωματίδιο Higgs) δεν αποτελούν συστατικά της ύλης. Τα 4 σωματίδια φορείς δυνάμεων θεωρούνται εικονικά 88 ανταλλάσσονται μεταξύ των σωματιδίων που δομούν την ύλη κατά τις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις. Το σωματίδιο Higgs είναι αυτό που έρχεται να συμπληρώσει την εικόνα του Καθιερωμένου Προτύπου, αποτελεί την τελευταία ψηφίδα του και είναι αυτό που «δίνει» μάζα στα υλικά σωματίδια, τόσο σ αυτά που δομούν την ύλη, όσο και στα σωματίδια φορείς και στον εαυτό του. Τα έξι κουάρκς χωρίζονται σε τρία ζεύγη με ονόματα που αποκαλούνται και «γεύσεις» ή «αρώματα»: πάνω (up) και κάτω (down), χαριτωμένο (charm) και παράξενο (strange), ψηλό (top) και χαμηλό (bottom). Τα έξι λεπτόνια χωρίζονται επίσης σε τρία ζεύγη με ονόματα: ηλεκτρόνιο και νετρίνο ηλεκτρονίου 89, μιόνιο και νετρίνο μιονίου, ταυ και νετρίνο ταυ 90. Στην πραγματικότητα τα σωματίδια που δομούν τη γνωστή ύλη είναι μόλις τρία από τα κουάρκς μόνο τα δύο, τα up και down, και από τα λεπτόνια το ηλεκτρόνιο. Με τα τρία αυτά σωματίδια μπορούμε να εξηγήσουμε τη δομή οποιουδήποτε σωματιδίου και επομένως οποιουδήποτε σώματος της γνωστής ύλης. Αυτά τα τρία θεμελιώδη σωματίδια μαζί με το νετρίνο του ηλεκτρονίου, που συνοδεύει το ηλεκτρόνιο στις διάφορες αλληλεπιδράσεις, αποτελούν και την πρώτη γενιά στοιχειωδών σωματιδίων, όπως αποκαλείται, και είναι τα περισσότερο σταθερά στη φύση. Η δεύτερη γενιά σωματιδίων αποτελείται από όμοια με αυτά της 87 Αυτή που αποτελεί το 4% της συνολικής υλοενέργειας του Σύμπαντος. 88 Αναλυτικότερη περιγραφή για τα εικονικά σωματίδια γίνεται στην επόμενη παράγραφο. 89 Το νετρίνο είχε προβλεφθεί θεωρητικά από τον Pauli το 1930 και επιβεβαιώθηκε πειραματικά η ύπαρξή του το Είναι ένα ουδέτερο ηλεκτρικά σωματίδιο με τόσο μικρή μάζα μικρότερη από το σφάλμα που κάνουν οι πειραματικές συσκευές, ώστε να αντιμετωπίζεται σαν να μην έχει μάζα. Πηγή: 90 Περιγραφή και ιδιότητες των στοιχειωδών σωματιδίων αναφέρονται σε πολλές και ποικίλες επιστημονικές εργασίες. Ενδεικτικά αναφέρονται: Donald Perkins, Particle Astrophysics, Oxford Univercity Press, New York 2003, σελ , Βέργαδος Δ. Ι, Τριανταφυλλόπουλος Η., όπ. παρ., σελ , 45

47 πρώτης, αλλά είναι βαρύτερά τους και επομένως ασταθέστερα. Η τρίτη γενιά αποτελείται από επίσης όμοια σωματίδια με της πρώτης και δεύτερης γενιάς, αλλά είναι ακόμη βαρύτερα και ασταθέστερα. Πιστεύεται πως τα δεύτερης και τρίτης γενιάς σωματίδια υπήρχαν στα πρώτα στάδια της ζωής του σύμπαντος και δεν υπάρχουν πλέον, διότι είναι εξαιρετικά ασταθή, έχουν πολύ μικρούς χρόνους ζωής μόλις μερικά μικροσκοπικά κλάσματα του δευτερολέπτου και διασπώνται δίνοντας τα αντίστοιχα της πρώτης γενιάς. Η επιβεβαίωση της ύπαρξής τους έγινε στους μεγάλους επιταχυντές ανά τον κόσμο. Στο σημείο αυτό αξίζει να αναφέρουμε ότι για κάθε ένα από τα 12 συνολικά σωματίδια που αποτελούν τους βασικούς δομικούς λίθους του σύμπαντος υπάρχει και το αντίστοιχο αντισωματίδιό του. Στα 1928 ο Paul Dirac διατύπωσε μία θεωρία συμβατή με την Κβαντική Μηχανική και με την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας σχετικά με τη συμπεριφορά του ηλεκτρονίου και προέβλεψε πως το ηλεκτρόνιο πρέπει να έχει έναν σύντροφο ίδιας μάζας και αντίθετου φορτίου που ονομάστηκε ποζιτρόνιο εξαιτίας του θετικού του φορτίου. Τέσσερα μόλις χρόνια αργότερα στα 1932 ανιχνεύτηκε το πρώτο σωματίδιο αντιύλης, το αντιηλεκτρόνιο ή ποζιτρόνιο, και χάρισε στον Dirac το βραβείο Νόμπελ στα Σήμερα γνωρίζουμε πως για κάθε ένα σωματίδιο υπάρχει και το αντίστοιχο αντισωματίδιό του ίσης μάζας και αντίθετου φορτίου, το οποίο είναι σωματίδιο της αντιύλης. Όταν ένα σωματίδιο συναντιέται με το αντισωματίδιό του εξαϋλώνονται 91. Τα σωματίδια της λεγόμενης αντιύλης αν και ανιχνεύτηκαν και επιβεβαιώθηκαν πειραματικά, εξακολουθούν να αποτελούν ένα από τα μυστήρια της Φύσης και της Φυσικής, εφόσον ανιχνεύονται μόνο ως στοιχειώδεις οντότητες στα εργαστηριακά πειράματα και στην κοσμική ακτινοβολία, ενώ γεννώνται κατά την αλληλεπίδραση γνωστών σωματίων. Πουθενά προς το παρόν τουλάχιστον δεν έχει ανιχνευτεί οργανωμένη μορφή αντιύλης 92. Έτσι μπορούμε να πούμε πως ο αριθμός των στοιχειωδών σωματιδίων που έχουν υλική υπόσταση διπλασιάζεται 93. Επομένως σύμφωνα με τις απόψεις που καταγράφονται στο Καθιερωμένο Πρότυπο, η συντριπτική πλειοψηφία της γνωστής ύλης στο σύμπαν αποτελείται από τα τρία σωματίδια της πρώτης γενιάς, λόγω της αστάθειας των υπολοίπων και της μη παρατήρησης της αντιύλης σε μεγάλη κλίμακα. Αν στις τρεις γενιές σωματιδίων προσθέσουμε τα τέσσερα εικονικά σωματίδια φορείς δύναμης, που εξηγούν το πώς αλληλεπιδρούν μεταξύ 91 Βλ. Stephen Hawking, όπ. παρ., σελ Βέργαδος Δ. Ι, Τριανταφυλλόπουλος Η., όπ. παρ., σελ και Σε ορισμένες περιπτώσεις ουδετέρων σωματίων, το σωμάτιο ταυτίζεται με το αντισωμάτιο. Το φωτόνιο π.χ. συμπίπτει με το αντιφωτόνιο. Το Ζ 0 με το αντι Ζ 0. Το π 0 το αντι π 0. Ο διπλασιασμός επομένως δεν ισχύει απολύτως. 46

48 τους τα διάφορα σωματίδια που δομούν την ύλη και το σωματίδιο Higgs, ολοκληρώνεται η εικόνα του Καθιερωμένου Προτύπου. Στον πίνακα 2 παρουσιάζονται συνοπτικά τα σωματίδια του Προτύπου. ΠΙΝΑΚΑΣ 2 ΤΟ ΚΑΘΙΕΡΩΜΕΝΟ ΠΡΟΤΥΠΟ 94 Ο αριθμός των σωματιδίων που κλήθηκε να ερμηνεύσει το Καθιερωμένο πρότυπο ήταν πραγματικά μεγάλος. Περίπου διακόσια σωματίδια περίμεναν την ερμηνεία τους, την εύρεση της δομής τους και τις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις με βάση το μοντέλο αυτό. Τα σωματίδια αυτά δομούνται από συνδυασμούς των θεμελιωδών συστατικών του Προτύπου δίνοντας διαφορετικούς σχηματισμούς με ποικιλία διαφορετικών συμπεριφορών και ιδιοτήτων. Η προσπάθεια για κάποια συστηματικότερη κατάταξή τους με βάση κοινές τους ιδιότητες οδήγησε σε πολλές και παράξενες ονομασίες. Έτσι συνθέσεις από κουάρκς ή αντικουάρκς ονομάζονται αδρόνια. Σχηματισμοί τριών κουάρκς ονομάζονται βαρυόνια (είναι οι βαρύτεροι συνδυασμοί) και δίνουν σταθερά σωματίδια που δομούν την ύλη όπως τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Σχηματισμοί από δύο κουάρκς ή ακριβέστερα ενός κουάρκ και ενός αντικουάρκ ονομάζονται μεσόνια (οι μάζες τους είναι ενδιάμεσες μεταξύ βαρυονίων και λεπτονίων) και είναι ασταθείς, διότι το ζεύγος κουάρκ αντικουάρκ μπορεί να εξαϋλωθεί παράγοντας σταθερότερα σωματίδια 95. Όσα σωματίδια δεν έχουν 94 Πηγή: 95 Βλ. Stephen Hawking, όπ. παρ., σελ

49 εσωτερική δομή εκτός από τα κουάρκς ονομάζονται και λεπτόνια λόγω της «λεπτής» τους φύσης. Τα βαρυόνια και τα λεπτόνια έχοντας spin ημιακέραιο αριθμό ονομάζονται και φερμιόνια. Το spin είναι μία παράξενη ιδιότητα των σωματιδίων που σχετίζεται με το πώς φαίνεται το σωματίδιο από διαφορετικές κατευθύνσεις 96 και αποτελεί μία καθοριστικής σημασίας ιδιότητα για το σχηματισμό της ύλης όπως την γνωρίζουμε. Τα φερμιόνια υπακούν στην λεγόμενη απαγορευτική αρχή του Pauli, σύμφωνα με την οποία δε μπορούν ταυτόχρονα δύο φερμιόνια να καταλαμβάνουν την ίδια θέση. Συμπεριφέρονται θα λέγαμε όπως τα πιόνια στο σκάκι μόνον ένα πιόνι μπορεί να βρίσκεται σε κάθε τετραγωνάκι. Η ιδιότητα αυτή είναι καθοριστικής σημασίας για τη σύσταση της ύλης, εφόσον απαγορεύει τη συσσώρευση πολλών φερμιονίων στην ίδια θέση, κάτι που θα οδηγούσε σε κατάρρευση και στη δημιουργία μιας περίπου ομοιόμορφης πυκνής «σούπας» 97. Τα εικονικά σωματίδια φορείς δυνάμεων και τα μεσόνια έχοντας spin ακέραιο ονομάζονται μποζόνια. Τα μποζόνια δεν υπακούνε στην απαγορευτική αρχή του Pauli και έτσι μπορούν να συνωστίζονται στην ίδια θέση. Θα μπορούσαμε να τα παρομοιάσουμε με τα πούλια στο τάβλι, τα οποία μπορούνε να δημιουργούνε στήλες στην ίδια θέση. Στον πίνακα 3 παρουσιάζεται σχηματικά η κατηγοριοποίηση των διαφόρων σωματιδίων της ύλης που βρέθηκαν στη Γη ανάλογα με κοινές τους ιδιότητες. ΠΙΝΑΚΑΣ 3 Μία κατά το δυνατόν απλουστευμένη κατάταξη των στοιχειωδών σωματιδίων που αντιπροσωπεύουν τις πιο κοινές μορφές της ύλης που βρέθηκαν στη Γη Τα σωματίδια με spin 0 μπορούν να παρασταθούν με τελείες. Μία τελεία από οποιαδήποτε κατεύθυνση και αν τη δει κανείς είναι ίδια. Τα σωματίδια με spin 1 μπορούν να παρασταθούν με βέλη. Ένα βέλος το ξαναβλέπει κανείς ίδιο μόνο μετά από περιστροφή 360 ο. Τα σωματίδια με spin 2 μπορούν να παρασταθούν με διπλά βέλη. Ένα διπλό βέλος το ξαναβλέπει κανείς ως ίδιο μετά από περιστροφή 180 ο. Βλ. Stephen Hawking, όπ. παρ., σελ Βλ. Stephen Hawking, όπ. παρ., σελ Πηγή: 48

50 II. Τα εικονικά σωματίδια του μοντέλου ή οι δυνάμεις αλληλεπίδρασης μεταξύ των υλικών σωματιδίων Όπως αναφέρθηκε, τέσσερα από τα σωματίδια του Καθιερωμένου Προτύπου δεν αποτελούν συστατικά της ύλης, δεν έχουν άμεσα απτή υλική υπόσταση, δεν ανιχνεύονται άμεσα και γι αυτό ονομάζονται εικονικά (virtual particles) ή δυνάμει σωματίδια ή και σωματίδια φορείς των δυνάμεων. Τα σωματίδια αυτά υπάρχουν, υπολογίζονται ως μαθηματικές οντότητες, ανιχνεύονται έμμεσα στα πειράματα, αλλά δε μπορούν να αποθηκευτούν, δε μπορούν να συνενωθούν με άλλα για να δώσουν υλικούς σχηματισμούς. Κατανοούνται μόνο πάνω στην αλληλεπίδραση των δομικών σωματιδίων 99 της ύλης. Υπάρχουν και δρουν μόνο κατά τη διάρκεια της ενεργειακής ανταλλαγής πληροφορίας μεταξύ των σωματιδίων της ύλης. Τα σωματίδια αυτά εξηγούν το πώς ένα σώμα εξασκεί δύναμη σ ένα άλλο. Με μία πιο απλή προσέγγιση μπορούμε να πούμε ότι εάν τα υλικά σωματίδια του Προτύπου είναι τα γράμματα του αλφαβήτου, τα εικονικά σωματίδια αποτελούν τους κανόνες σύμφωνα με τους οποίους σχηματίζονται οι λέξεις ή οι προτάσεις ώστε να βγαίνει ένα πλήρες νόημα 100. Σύμφωνα με τις σύγχρονες απόψεις της Φυσικής η εξάσκηση της οποιασδήποτε μορφής δύναμης από ένα σώμα σ ένα άλλο γίνεται με την ανταλλαγή αυτών των εικονικών σωματιδίων. Όταν ένα σωματίδιο ύλης αλληλεπιδρά με ένα άλλο, το πρώτο εκπέμπει ένα δυνάμει σωματίδιο προς το δεύτερο. Η εκπομπή του σωματιδίου μεταβάλλει την κινητική κατάσταση του πρώτου και όταν απορροφηθεί από το δεύτερο μεταβάλλεται και η κινητική κατάσταση του δεύτερου 101. Όσο παράξενο ή ακατανόητο και αν είναι αυτό για την ανθρώπινη λογική που απορρέει από τις αισθήσεις μας, ένα απλό παράδειγμα μπορεί να βοηθήσει στην κατανόηση αυτής της πραγματικότητας. Βοηθητικά παρουσιάζεται ο πίνακας Βλ. Stephen Hawking, όπ. παρ., σελ. 106, Επίσης, βλ. Craig Dukes, University of Virginia, στην ηλ. διεύθυνση, Τράκας Νικόλαος, καθηγητής Ε.Μ.Π., Πηγή: Βλ. Stephen Hawking, όπ. παρ., σελ

51 ΠΙΝΑΚΑΣ 4 ΟΙ ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΣΤΗ ΦΥΣΗ ΚΑΙ ΤΑ ΕΙΚΟΝΙΚΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΑ ΦΟΡΕΙΣ ΤΟΥΣ 102 Όπως φαίνεται στο σχήμα του πίνακα 4 πετώντας τη μπάλα η μία κοπέλα στην άλλη θέτει σε κίνηση και τις δύο βάρκες, τη μία προς τα αριστερά και την άλλη προς τα δεξιά. Το ίδιο θα συνέβαινε αν οι δύο βάρκες ήταν κολλημένες και ακίνητες η μία δίπλα στην άλλη και οι κοπέλες ασκούσαν αμοιβαία απωστική δύναμη μεταξύ τους. Γίνεται έτσι κατανοητό πώς με την ανταλλαγή της μπάλας ουσιαστικά εξ αποστάσεως η μία ασκεί δύναμη στην άλλη. Το ίδιο συμβαίνει και στον κόσμο των στοιχειωδών σωματιδίων. Κάθε φορά που αλληλεπιδρούν δύο σωματίδια μεταξύ τους ανταλλάσουν και ένα διαφορετικό εικονικό σωματίδιο ανάλογα με το είδος της αλληλεπίδρασης. Οι αλληλεπιδράσεις που παρατηρούνται στη Φύση μεταξύ των σωματιδίων της ύλης είναι τέσσερις 103. Οι βαρυτικές, οι ηλεκτρομαγνητικές, οι ασθενείς πυρηνικές και οι ισχυρές πυρηνικές, όπως φαίνεται και στον πίνακα Πηγή: Περιγραφή των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των στοιχειωδών σωματιδίων της ύλης αναφέρονται σε πολλές και ποικίλες επιστημονικές εργασίες. Ενδεικτικά αναφέρονται: Donald Perkins, Particle Astrophysics, Oxford Univercity Press, New York 2003, σελ , Βέργαδος Δ. Ι, Τριανταφυλλόπουλος Η., όπ. παρ. σελ , Παν. Τσιλιμίγκρας, Φυσική Στοιχειωδών Σωματίων, Εκδοτικός Οργανισμός Γρηγ. Φουντάς, Αθήνα, σελ. 43 κ. ε. 50

52 Οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις είναι οι πλέον γνωστές από την καθημερινή ζωή του ανθρώπου και ερμηνεύουν την έλξη που δέχονται όλα τα σώματα από τη Γη και πέφτουν πάνω σ αυτήν, όταν τα αφήσουμε ελεύθερα να κινηθούν. Θεωρούνται υπεύθυνες για τη μακροσκοπική δομή του σύμπαντος, για τη δημιουργία γαλαξιών, για τις αμοιβαίες έλξεις μεταξύ των ουρανίων σωμάτων. Το σωματίδιο φορέας της δύναμης αυτής είναι το γκραβιτόνιο, ένα σωματίδιο που δεν έχει ανιχνευτεί ποτέ μέχρι σήμερα λόγω της εξαιρετικά μικρής ισχύος της δύναμης αυτής. Είναι 38 τάξεις μεγέθους ασθενέστερες από τις ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις και 35 τάξεις μεγέθους μικρότερες από τις ηλεκτρομαγνητικές (βλέπε πίνακα 4). Οι αλληλεπιδράσεις αυτές είναι μόνο ελκτικές έχουν άπειρη εμβέλεια, και είναι καθολικές, που σημαίνει πως οποιοδήποτε σωματίδιο ανάλογα με τη μάζα του ή την ενέργειά του δέχεται την επίδρασή τους. Οι ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις είναι επίσης γνωστές από την καθημερινή μας εμπειρία. Ασκούνται μεταξύ σωμάτων ή σωματιδίων που είναι ηλεκτρικά φορτισμένα και είναι υπεύθυνες για τη συγκρότηση του ατόμου καθώς ερμηνεύουν την έλξη μεταξύ του θετικού πυρήνα του ατόμου και των αρνητικών ηλεκτρονίων που περιφέρονται γύρω από αυτόν. Φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης είναι το φωτόνιο, γνωστό σε όλους ως φορέας του φωτός. Όλες οι μακροσκοπικά παρατηρούμενες δυνάμεις εκτός από τις βαρυτικές είναι ηλεκτρομαγνητικής φύσης, δηλαδή ασκούνται με την ανταλλαγή φωτονίων. Έτσι όσο παράξενο και αν ακούγεται, όταν σπρώχνουμε ένα σώμα με τα χέρια μας, κατά βάθος του εκπέμπουμε σωματίδια, τα δυνάμει φωτόνια και το τελικό αποτέλεσμα είναι αυτό που αισθανόμαστε εμπειρικά. Παρότι η εμβέλεια των δυνάμεων αυτών είναι επίσης άπειρη και η ισχύς τους υπερβολικά μεγαλύτερη από τις βαρυτικές, δεν κυριαρχούν στο μακρόκοσμο, διότι στα μεγάλα σώματα το πλήθος των θετικών και αρνητικών φορτίων είναι περίπου ίσο, με αποτέλεσμα οι έλξεις να εξουδετερώνουν τις απώσεις και η συνολική ηλεκτρομαγνητική δύναμη να είναι αμελητέα. Έτσι οι βαρυτικές δυνάμεις παρά την ασθενικότητά τους καταφέρνουν να κυριαρχούν στο μακρόκοσμο. Οι ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις περιγράφονται με εκπληκτική ακρίβεια από την Κβαντική Ηλεκτροδυναμική (QED) που ενσωματώθηκε στο Καθιερωμένο Πρότυπο, και αποτελεί ίσως την ακριβέστερη θεωρία που διαθέτει η Επιστήμη μέχρι σήμερα Η κβαντική ηλεκτροδυναμική είναι η θεωρία η οποία έχει ελεγχθεί με τη μεγαλύτερη ακρίβεια από κάθε άλλη φυσική θεωρία. Σαν παράδειγμα αναφέρεται η μέτρηση της μαγνητικής ροπής του ηλεκτρονίου με ακρίβεια 12 δεκαδικών ψηφίων από τον Hans Dehmelt (βραβείο Nobel φυσικής 1989). Τα πρώτα δέκα ψηφία συμφωνούν ένα προς ένα με τις προβλέψεις της θεωρίας. (Από το δελτίο τύπου του Νόμπελ Φυσικής που απονεμήθηκε στους Veltman και t Hooft στα The Nobel Prize in Physics 1999, Gerardus 't Hooft, Martinus J.G. Veltman). 51

53 Οι άλλες δύο αλληλεπιδράσεις δε γίνονται αντιληπτές άμεσα από τις αισθήσεις και γι αυτό κατανοήθηκαν μόλις μέσα στον 20 ο αιώνα. Τα σωματίδια φορείς τους δρούν μόνο στο μικρόκοσμο. Το γκλουόνιο είναι το σωματίδιο φορέας της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, αλληλεπιδρά μόνο με τον εαυτό του και τα κουάρκς και συμπεριφέρεται ως πανίσχυρη πυρηνική κόλλα που συγκρατεί τα κουάρκς είτε σε βαρυονικούς είτε σε μεσονικούς σχηματισμούς. Οι ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις θεωρούνται υπεύθυνες για τη συγκρότηση των πυρήνων των ατόμων, αλλά και των δομικών τους στοιχείων, πρωτονίων και νετρονίων. Παρόλο που τα πρωτόνια στον πυρήνα του ατόμου απωθούνται με πολύ ισχυρές ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις, οι ακόμα μεγαλύτερης ισχύος ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις τα συγκρατούν στον σχηματισμό του πυρήνα. Όπως αναφέρθηκε σε προηγούμενη παράγραφο, ελεύθερα ή αλλιώς μονήρη κουάρκς δεν έχουν ακόμα ανιχνευτεί. Σήμερα πιστεύεται ότι τα κουάρκς είναι μονίμως δέσμια μέσα στα συνηθισμένα σωματίδια εξαιτίας της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, η οποία τα εμποδίζει να ξεφύγουν. Σε πειράματα που έγιναν σε ισχυρότατους επιταχυντές, βομβαρδίστηκαν ακίνητα πρωτόνια με άλλα σωματίδια προκειμένου να επιτευχθεί η διάσπαση των πρωτονίων και να ανιχνευτούν ελεύθερα κουάρκς ως συστατικά τους. Το αποτέλεσμα έδειξε νέα σύνθετα σωματίδια αποτελούμενα από κουάρκς 105. Δηλαδή σα να λέμε πως στοχεύσαμε σε αδιαφανή μπουκάλια τα οποία γνωρίζαμε ότι περιείχαν τρεις μπαλίτσες προκειμένου να τις απελευθερώσουμε και μας προέκυψαν νέα μπουκάλια που περιείχαν πάλι κάποιες από τις αρχικές μπαλίτσες 106. Αυτό οφείλεται στα γκλουόνια τα οποία συμπεριφέρονται κατά κάποιον τρόπο σαν πανίσχυρα ελατήρια, ώστε όσο προσπαθεί κανείς να απομακρύνει τα κουάρκς μεταξύ τους μέσα σε ένα πρωτόνιο, τόσο η ισχυρή πυρηνική δύναμη αυξάνεται. Στην προσπάθεια να δοθεί περισσότερη ενέργεια, προκειμένου να διασπαστεί ο δεσμός μεταξύ των κουάρκς, το απαιτούμενο ποσό ενέργειας είναι τόσο μεγάλο που γεννώνται νέα γκλουόνια και ενισχύουν ακόμη περισσότερο την ισχυρή πυρηνική έλξη. Απεναντίας, όσο περισσότερο πλησιάζουν τα κουάρκς μεταξύ τους, τόσο ασθενέστερα αλληλεπιδρούν και τόσο πιο ελεύθερα κινούνται μέσα στο σωματίδιο που είναι δεσμευμένα. Συμπεριφέρονται θα λέγαμε όπως ένας φυλακισμένος ο οποίος έχει ελευθερία κινήσεων μέσα στο κελί του, αλλά στην προσπάθειά του να διαφύγει βρίσκει ανυπέρβλητα εμπόδια 107. Η συμπεριφορά αυτή της 105 Βλ. Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ Βλ. Παταριάς Ν., Η γοητεία των κουάρκ: χρώματα και αρώματα, στο περιοδικό Τεχνολογικά Χρονικά του ΑΤΕΙ Αθηνών, Τεύχος 18, σελ Βλ. Παταριάς Ν., όπ. παρ., σελ

54 ισχυρής πυρηνικής δύναμης ονομάστηκε ασυμπτωτική ελευθερία 108 και δηλώνει την παντοτινή σκλαβιά των κουάρκς. Για να ερμηνευτεί αυτή η παράξενη ιδιότητα των κουάρκς και των γκλουονίων επινοήθηκε η έννοια του χρωματικού φορτίου. Έτσι στα 1972 διαμορφώθηκε μια κβαντική θεωρία όμοιας μαθηματικής δομής με την Κβαντική Ηλεκτροδυναμική (QED) που περιγράφει τις ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις, με σκοπό να περιγραφούν πλήρως οι ισχυρές πυρηνικές αλληλεπιδράσεις. Η θεωρία αυτή ονομάστηκε Κβαντική Χρωμοδυναμική (QCD) και αποτελεί σήμερα μέρος του Καθιερωμένου Προτύπου. Σύμφωνα με την QCD κάθε ένα από τα κουάρκς και τα γκλουόνια φέρει μία ακόμη ιδιότητα που ονομάστηκε χρώμα ή χρωματικό φορτίο. Όπως κάποια σωματίδια φέρουν ηλεκτρικό φορτίο και εξαιτίας του αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, το ίδιο συμβαίνει και με τα σωματίδια που φέρουν χρωματικό φορτίο, το οποίο δεν έχει καμία σχέση με τα χρώματα του ορατού φωτός. Το χρωματικό φορτίο εμφανίζεται με τρία διαφορετικά χρώματα, κόκκινο πράσινο μπλε (RGB). Ο συνδυασμός των κουάρκς για το σχηματισμό ενός αδρονίου είναι τέτοιος ώστε το συνολικό χρώμα του σύνθετου σωματιδίου να είναι λευκό. Η επιλογή της Φύσης να δίνει μόνο λευκά ελεύθερα σωματίδια είναι κάτι που δεν έχει ερμηνευτεί, αλλά σίγουρα έχει παρατηρηθεί σε όλα τα μέχρι σήμερα πειράματα. Η επιλογή αυτή της «αχρωματοψίας» ερμηνεύει αφενός την ασυμπτωτική ελευθερία και αφετέρου το γιατί τα γκλουόνια δε μπορούν όπως και τα κουάρκς να παρατηρηθούν ελεύθερα. Τα σωματίδια φορείς της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης, τα φωτόνια, μπορούν να παρατηρηθούν ελεύθερα, διότι αν και ανταλλάσσονται μεταξύ ηλεκτρικών φορτίων τα ίδια δεν φέρουν ηλεκτρικό φορτίο. Τα γκλουόνια αντίθετα, ανταλλάσσονται μεταξύ σωματιδίων που φέρουν χρωματικό φορτίο, αλλά φέρουν και τα ίδια τους τέτοιου είδους φορτίο, με συνέπεια να αλληλεπιδρούν και μεταξύ τους άμεσα ώστε και αυτά να δίνουν αποτέλεσμα άχρωμο, και έτσι να παραμένουν δέσμια μέσα στους αδρονικούς σχηματισμούς 109. Η ισχυρή πυρηνική δύναμη, που ονομάζεται πλέον και χρωματική, παρουσιάζει όμοια συμπεριφορά με την ηλεκτρική δύναμη μεταξύ των ηλεκτρικών φορτίων. Τα «ομώνυμα» χρώματα απωθούνται και τα «ετερώνυμα» έλκονται. Έτσι δύο κόκκινα κουάρκς απωθούνται, ενώ ένα κόκκινο και ένα αντικόκκινο έλκονται και σχηματίζουν ένα μεσόνιο. Επίσης διαφορετικά χρωματισμένα κουάρκς έλκονται μεταξύ τους αλλά ασθενέστερα από τα αντίθετα χρώματα που φέρουν κουάρκς και αντικουάρκς. Αυτός ο τρόπος αλληλεπίδρασης μεταξύ των διαφορετικών χρωμάτων αποδεικνύεται καθοριστικής σημασίας για την κατανόηση της φύσης και την προέλευση της μάζας ενός πρωτονίου. Σήμερα γνωρίζουμε 108 Βλ. Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ Βλ. Παταριάς Ν., όπ. παρ., σελ

55 πως το πρωτόνιο είναι το σταθερότερο σωματίδιο της φύσης εντούτοις έχει δομή αποτελείται από ένα πλήθος ζευγών κουάρκς αντικουάρκς που αλληλοεξουδετερώνουν τους κβαντικούς τους αριθμούς, μία θάλασσα γκλουονίων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και με τα κουάρκς, και τρία κουάρκς, τριών διαφορετικών χρωμάτων, που δίνουν συνολικά λευκό χρώμα και καθορίζουν τις χαρακτηριστικές του ιδιότητες 110. Οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ τους είναι αδιάκοπες οι εξαϋλώσεις μεταξύ των ζευγών κουάρκς αντικουάρκς αλλά και οι ενυλώσεις διαρκείς, οι αλλαγές χρωμάτων αέναες. Ο συνδυασμός όλων αυτών των αέναων διεργασιών δίνει ως τελικό αποτέλεσμα ένα σωματίδιο που είναι το σταθερότερο στη φύση και αποτελεί τον πρώτο σταθερό δομικό λίθο του γνωστού μας σύμπαντος αποτελεί το σταθερότερο αλλά όχι το στατικότερο σωματίδιο μοιάζει με ένα ήρεμο ποτάμι που ενώ τα μόριά του αντικαθίστανται από νέα σε κάθε επόμενη χρονική στιγμή, αυτό δείχνει ήρεμο και αμετάβλητο 111. Μια αέναη διαδικασία μεταξύ εξαϋλώσεων και ενυλώσεων, ανταλλαγών χρωμάτων και ενέργειας, δημιουργική και συνάμα συντηρητική της φύσης του. Αποκαλύπτεται έτσι ο απόλυτα δυναμικός χαρακτήρας της φύσης. Ούτε και σ αυτήν την ύστατη, σύμφωνα με τις μέχρι τώρα γνώσεις μας, δομή υπάρχει κάτι το στατικό. Η δε μάζα του αποδεικνύεται κυρίως ενέργεια καθόσον τα τρία βασικά κουάρκς που το απαρτίζουν δε μπορούν να συνεισφέρουν περισσότερο από το 3 5% της συνολικής του μάζας 112. Για τις ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις, που ασκούνται επίσης στο μικρόκοσμο, φορείς είναι δύο σωματίδια τα W 113 και Ζ, και είναι αυτά που ανταλλάσσονται, όταν πραγματοποιούνται πυρηνικές διασπάσεις, δηλαδή είναι υπεύθυνα γι αυτό που αποκαλούμε ραδιενέργεια. Τα σωματίδια αυτά προέκυψαν ως μία ανάγκη στην πορεία της ενοποίησης των θεμελιωδών δυνάμεων στη φύση και παρατηρήθηκαν μόλις στα Οι ασθενείς 110 Παράλληλα με το μοντέλο των κουάρκς είχε προταθεί και το μοντέλο των παρτονίων για τη δομή του πρωτονίου από τον Feynman. Σύμφωνα με αυτό το πρωτόνιο και κάθε αδρόνιο αποτελείται από μέρη (part), που είναι τα δομικά του συστατικά. Πειράματα που έγιναν έδειξαν ότι πραγματικά ο «σάκος» του πρωτονίου περιέχει μέσα του κάτι σαν άμμο. Βλ. Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ Στην πορεία κυριάρχησε το μοντέλο των τριών κουάρκς ανά πρωτόνιο. Η φαινομενική ασυμφωνία αίρεται αν δεχτούμε πως σε πλήρη αναλογία με το πρότυπο των ηλεκτρονικών στοιβάδων και των ηλεκτρονίων σθένους, τα τρία κουάρκς είναι τα κουάρκς σθένους. Εκτός από αυτά, που καθορίζουν τις χαρακτηριστικές ιδιότητες του κάθε σωματιδίου, υπάρχει και μία ουδέτερη θάλασσα ζευγών κουάρκς αντικουάρκς που αλληλοεξουδετερώνουν τους κβαντικούς τους αριθμούς. Βλ. Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ Βλ. Frank Wilczek, όπ. παρ. σελ Βλ Το μποζόνιο W των ασθενών αλληλεπιδράσεων (Weak) συναντιέται με δύο μορφές, ως W + και ως W - ανάλογα με το φορτίο του. 114 Βλ. Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ

56 δυνάμεις θεωρούνται υπεύθυνες για το ότι ο ήλιος εκπέμπει ακτινοβολία και μας φωτίζει. Αναλυτικότερη περιγραφή τους γίνεται στην επόμενη παράγραφο όπου αναπτύσσεται η ιδέα της ενοποίησης των δυνάμεων. Το τελευταίο εικονικό σωματίδιο του Καθιερωμένου Προτύπου είναι το σωματίδιο Higgs, το οποίο δεν συμπεριλαμβάνεται ούτε στα σωματίδια που δομούν την ύλη, ούτε και στα σωματίδια φορείς των θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων. Είναι σωματίδιο φορέας μιας ιδιαίτερης αλληλεπίδρασης που θα περιγραφεί παρακάτω. Ο πίνακας 5 που ακολουθεί δείχνει τις διάφορες αλληλεπιδράσεις μεταξύ των θεμελιωδών σωματιδίων του Καθιερωμένου Προτύπου. ΠΙΝΑΚΑΣ 5 Συνοπτική παρουσίαση των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των σωματιδίων που περιγράφονται από το Καθιερωμένο Μοντέλο 115. Τα λεπτόνια και τα κουάρκς (υψηλότερο επίπεδο), δηλαδή τα σωματίδια που δομούν την ύλη, δεν αλληλεπιδρούν άμεσα μεταξύ τους αλλά μέσω των εικονικών σωματιδίων φορέων δυνάμεων (ενδιάμεσο επίπεδο). Με το σωματίδιο Higgs αλληλεπιδρούν όλα τα λεπτόνια και τα κουάρκς και τα W και Ζ από τα εικονικά σωματίδια, δηλαδή όσα έχουν μάζα. Κλείνοντας την παράγραφο για την περιγραφή των εικονικών σωματιδίων που είναι φορείς των αλληλεπιδράσεων, αξίζει να αναφέρουμε ότι τα μποζόνια των δυνάμεων είναι εικονικά όταν λειτουργούν ως φορείς της δύναμης μεταξύ δύο άλλων σωματιδίων (φερμιονίων) και δεν εμφανίζονται στην τελική κατάσταση. Όταν εμφανίζονται στην τελική κατάσταση είναι πραγματικά και (καθόλου εικονικά), όσο πραγματικά είναι και τα φερμιόνια. Έτσι για παράδειγμα, το φωτόνιο είναι εικονικό όταν ερμηνεύει την αλληλεπίδραση των ηλεκτρονίων με τον πυρήνα σε ένα άτομο, αλλά πραγματικό όταν έρχεται από τον ήλιο και φωτίζει τον κόσμο Πηγή: Βλ. Stephen Hawking, όπ. παρ., σελ

57 2.5. Η ενοποίηση των δυνάμεων Στην ιστορία της Επιστήμης οι θεμελιώδεις δυνάμεις δεν ήταν μόνο οι τέσσερις που περιγράφηκαν. Πριν από τον Νεύτωνα οι βαρυτικές δυνάμεις που καθόριζαν τις κινήσεις των ουρανίων σωμάτων και οι αντίστοιχες επί της Γης θεωρούνταν διαφορετικές. Με τις εξισώσεις του Νεύτωνα για τη βαρύτητα πραγματοποιήθηκε η πρώτη ενοποίηση στα τέλη του 17 ου αιώνα (1686). Η βαρύτητα συμπεριφέρεται με τον ίδιο τρόπο παντού. Η ουράνια και η επίγεια μηχανική ενοποιήθηκαν 117. Δύο αιώνες αργότερα ακολούθησε η δεύτερη μεγάλη ενοποίηση του ηλεκτρισμού με το μαγνητισμό. Ο Maxwell στα 1872 κατάφερε με τις περίφημες εξισώσεις του να δείξει την κοινή συμπεριφορά των ηλεκτρικών και των μαγνητικών δυνάμεων που θεωρούνταν μέχρι τότε διαφορετικές, θεμελιώνοντας την ηλεκτρομαγνητική θεωρία. Δεν υπάρχουν πλέον ο μαγνητισμός και ο ηλεκτρισμός ως ανεξάρτητες φυσικές πραγματικότητες με τις αντίστοιχες θεωρίες που περιγράφουν τη συμπεριφορά τους, αλλά μία φυσική πραγματικότητα που περιγράφεται από τη μία ενιαία θεωρία του ηλεκτρομαγνητισμού. Οι συμπεριφορές εκείνες που μοιάζουν μόνο ηλεκτρικές ή μόνο μαγνητικές αποτελούν πλέον κάποιες επιμέρους περιπτώσεις της ενιαίας θεωρίας. Μετά από τις δύο αυτές σπουδαίες ενοποιήσεις πραγματοποιήθηκαν και άλλες σε διαφορετικές έννοιες της φυσικής πραγματικότητας, όπως για παράδειγμα ο χώρος με τον χρόνο. Με την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας του Einstein ο χώρος δε μπορεί πλέον να νοηθεί χωρίς το χρόνο. Δε δημιουργήθηκε το Σύμπαν σε κάποια χρονική στιγμή ούτε και ο χρόνος άρχισε να τρέχει κάποτε μέσα σε ένα ήδη υπάρχον Σύμπαν. Καθίστανται έννοιες αλληλένδετες, ώστε να μη μπορεί να υπάρχει ο χώρος χωρίς τον χρόνο και αντίστροφα. Κατόπιν αυτών που αποτελούσαν μείζονος σπουδαιότητας ενοποιήσεις αλλά και κάποιων άλλων ίσως όχι τόσο σημαντικών, σε συνδυασμό με την ιδέα ότι το απλούστερο είναι και κομψότερο, σε κάποιο βαθμό δικαιολογημένα κυριάρχησε η σκέψη ότι δε μπορεί οι θεμελιώδεις δυνάμεις στη φύση να είναι τέσσερις. Δε μπορεί να υπάρχουν τέσσερις ξεκομμένοι χώροι που απαιτούν διαφορετικές ερμηνείες τη στιγμή μάλιστα που οι χώροι αυτοί στη φυσική πραγματικότητα είναι αλληλένδετοι. Μπορεί η Επιστήμη να προσεγγίζει τα φαινόμενα και να δίνει απαντήσεις στις διάφορες ερωτήσεις που 117 Βλ. Jayant Narlikar, όπ. παρ., σελ

58 τίθενται για τον κάθε χώρο ανεξάρτητα, δεν είναι όμως η προσέγγιση αυτή απολύτως ικανοποιητική, εάν πράγματι υπάρχει μία βαθύτερη θεωρία που δίνει ερμηνεία σε όλους τους χώρους ταυτόχρονα. Από φυσικής απόψεως θεωρείται πιο λογικό να υπάρχει μία κοινή βάση από την οποία προέρχονται οι τέσσερις διαφορετικές δυνάμεις σαν διαφορετικές όψεις του ιδίου νομίσματος. Έτσι έγιναν και εξακολουθούν να γίνονται προσπάθειες για την εξεύρεση της μιας και μοναδικής δύναμης της φύσης, η οποία εμφανίζει τέσσερα επιμέρους πρόσωπα στη σημερινή φυσική πραγματικότητα 118. Ακριβώς έναν αιώνα μετά την ενοποίηση του ηλεκτρισμού με το μαγνητισμό, οι Glashow, Salam και Weinberg στα πρότειναν την ενοποίηση των ηλεκτρομαγνητικών με τις ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις κάτω από μία ενιαία θεωρία η οποία ονομάστηκε ηλεκτρασθενής και ουσιαστικά θεμελίωνε το Καθιερωμένο Πρότυπο 119. Επικαλέστηκαν μία διαδικασία που ονομάστηκε «αυθόρμητη ρήξη συμμετρίας» 120, σύμφωνα με την οποία τα σωματίδια φορείς των ασθενών πυρηνικών δυνάμεων σε υψηλές ενέργειες εμφανίζουν την ίδια ακριβώς συμπεριφορά με τον φορέα των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων, το φωτόνιο. Στις ενέργειες αυτές υπάρχει λοιπόν συμμετρία ομοιομορφία τέτοια, ώστε δεν είναι δυνατό να γίνει διάκριση μεταξύ των δύο τύπων σωματιδίων. Για την ακρίβεια δεν πρόκειται καν για δύο τύπους σωματιδίων, αλλά για ένα μόνο σωματίδιο. Το ένα και μοναδικό σωματίδιο, μετά την ρήξη της ομοιομορφίας συμμετρίας σε χαμηλότερες τιμές ενέργειας, εμφανίζει τόσο διαφορετικές συμπεριφορές ώστε δίνει την εντύπωση πως πρόκειται για εντελώς διαφορετικά σωματίδια. Έτσι τα σωματίδια φορείς των ασθενών πυρηνικών δυνάμεων τα W και Ζ, έχουν πολύ μεγάλες μάζες και πολύ μικρή εμβέλεια, ενώ ο φορέας των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων, το φωτόνιο είναι άμαζο και έχει άπειρη εμβέλεια. Αυτό συμβαίνει μετά το σπάσιμο της συμμετρίας προηγουμένως, τα τόσο διαφορετικών χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων σωματίδια δεν είναι πολλά αλλά ένα και το αυτό. Αυτό το φαινομενικά παράδοξο γεγονός ερμηνεύεται, σύμφωνα με το μοντέλο των Glashow, Salam και Weinberg, το οποίο θεωρεί τα σωματίδια φορείς των δύο σήμερα διαφορετικών δυνάμεων αλληλεπίδρασης ως τις δύο όψεις του ιδίου νομίσματος. Στις χαμηλότερες τιμές ενέργειας που 118 Βλ. Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ Donald Perkins, Particle Astrophysics, Oxford Univercity Press, New York 2003, σελ και Για τις συμμετρίες και το σπάσιμό τους γίνεται διεξοδικότερη αναφορά στην επόμενη παράγραφο. 57

59 επικρατούν στη σημερινή κατάσταση του σύμπαντος, τα σωματίδια φορείς εμφανίζουν διαφορετικές συμπεριφορές, το καθένα στο πεδίο δράσης του. Σε υψηλότερες όμως ενεργειακά καταστάσεις αυτά δείχνουν όχι μόνο ότι έχουν κοινή προέλευση, αλλά ότι πρόκειται για το ίδιο σωματίδιο. Τέτοιες υψηλότερες ενεργειακά καταστάσεις επικρατούσαν στα πρώιμα στάδια της ζωής του σύμπαντος, σύμφωνα με το μοντέλο του Big Bang. Ο Hawking ερμηνεύει αυτήν την παράξενη φαινομενικά συμπεριφορά των σωματιδίων δίνοντας το παράδειγμα της ρουλέτας. Όταν η ρουλέτα περιστρέφεται γρήγορα, η μπίλια έχει αρκετή ενέργεια και συμπεριφέρεται με έναν μόνο τρόπο καθώς στριφογυρίζει μέσα στη ρουλέτα. Όταν όμως η ενέργεια περιστροφής της ρουλέτας μειωθεί, τότε η μπίλια πηγαίνει και καταλαμβάνει μία από τις τριάντα επτά εγκοπές. Εάν εμείς δεν είχαμε τρόπο να δώσουμε ενέργεια στη ρουλέτα ώστε η μπίλια να περιστρέφεται, και παρατηρούσαμε πολλές διαφορετικές ρουλέτες, μετά το τέλος της πολύ προσεκτικής έρευνάς μας θα καταλήγαμε στο συμπέρασμα πως υπάρχουν τριάντα επτά είδη μπίλιας! 121 Πάνω στην ίδια ιδέα βασίστηκε η ενοποίηση των ηλεκτρομαγνητικών με τις ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις στο Καθιερωμένο Πρότυπο από τους Salam και Weinberg. Το μαθηματικό μοντέλο πριν τη ρήξη της συμμετρίας υποδείκνυε μία οντότητα, ενώ μετά τη ρήξη της συμμετρίας υποδείκνυε τρεις επιπλέον οντότητες. Έτσι υπέθεσαν ότι μαζί με το φωτόνιο υπάρχουν τρία ακόμη σωματίδια, τρία βαριά διανυσματικά μποζόνια, τα οποία αποτελούν τους φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης. Πρόκειται για τα σωματίδια W +, W - και Ζ, των οποίων η μάζα υπολογίστηκε θεωρητικά γύρω στα 100 GeV. Αν θα μπορούσαμε να δώσουμε αυτήν την ενέργεια, θα ελέγχαμε αρχικά τουλάχιστον την αλήθεια του Καθιερωμένου Προτύπου, δηλαδή την ύπαρξη των τριών σωματιδίων που προβλέπει το θεωρητικό μοντέλο. Η επιβεβαίωση της απόλυτης ταύτισης των βαρέων μποζονίων με το φωτόνιο απαιτεί πολύ πιο υψηλές ενέργειες, περίπου ev, δηλαδή περίπου ένα εκατομμύριο φορές περισσότερη ενέργεια από αυτήν που απαιτείται για την ανίχνευσή τους 122. Όταν πρωτοδιατυπώθηκε η θεωρία αυτή, λίγοι επιστήμονες της έδωσαν σημασία. Οι τεχνικές δυνατότητες των επιταχυντών που λειτουργούσαν εκείνη την εποχή δεν επέτρεπαν τον έλεγχό της, διότι δεν ήταν εφικτό ακόμα να δοθούν ενέργειες του απαιτούμενου επιπέδου δεν αρκούσαν ούτε καν για την ανίχνευση των φορέων της ασθενούς δύναμης. Η επόμενη δεκαετία 121 Βλ. Stephen Hawking, όπ. παρ., σελ Βλ. Jayant Narlikar, όπ. παρ., σελ

60 υπήρξε καθοριστική για τη μερική επιβεβαίωση του μοντέλου στις χαμηλότερες ενέργειες που μπορούσαν να δώσουν οι επιταχυντές. Ήταν δε τόσες οι θεωρητικές προβλέψεις που επιβεβαιώθηκαν πειραματικά, ώστε η τριάδα Glashow, Salam και Weinberg τιμήθηκε με βραβείο Νόμπελ στα 1979, πριν ακόμα γίνει η επιβεβαίωση της ύπαρξης των βαρέων διανυσματικών μποζονίων W +, W - και Ζ. Σε σύντομο χρονικό διάστημα η αναβάθμιση των δυνατοτήτων των επιταχυντών έδωσε την ευκαιρία στον Carlo Rubia, το 1983 στο CERN να ανακαλύψει τα τρία διαφορετικά σωματίδια της ασθενούς αλληλεπίδρασης, με τις μάζες και τις ιδιότητες που προέβλεπε το μαθηματικό μοντέλο, και φυσικά να τιμηθεί με το επόμενο βραβείο Νόμπελ στα Η ενοποίηση των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων με τις ασθενείς πυρηνικές ήταν πλέον γεγονός. Η ιδέα της ενοποίησης αργά αλλά σταθερά έπαιρνε σάρκα και οστά. Οι θεμελιώδεις δυνάμεις πλέον στη Φύση είναι τέσσερις με την βεβαιότητα όμως ότι στο παρελθόν ή για την ακρίβεια στις πρώτες στιγμές μετά τη Μεγάλη Έκρηξη όπου η πυκνότητα της ενέργειας ήταν ασυγκρίτως μεγαλύτερη της σημερινής ήταν τρεις. Αυθόρμητα από κει και πέρα η σκέψη πηγαίνει στο γιατί όχι και δύο ή τελικά μία. Στον πίνακα 6 παρουσιάζεται η κατηγοριοποίηση των διαφορετικών ειδών δυνάμεων και η πορεία προς την ενοποίησή τους. ΠΙΝΑΚΑΣ 6 Η πορεία για την ενοποίηση των διαφόρων δυνάμεων που κατά καιρούς θεωρήθηκαν βασικές. Οι διακεκομμένες γραμμές αναφέρονται σε προσπάθειες που γίνονται τώρα και δεν έχουν καταλήξει ακόμα σε τελικά συμπεράσματα 123 Γήινη βαρύτητα Παγκόσµια βαρύτητα Ουράνια βαρύτητα Μοριακές δυνάµεις Ηλεκτρισµός Υπερβαρύτητα Ηλεκτροµαγνητισµός Μαγνητισµός Ασθενείς δυνάµεις Ηλεκτρασθενείς δυνάµεις Ισχυρές δυνάµεις Μεγαλοενοποιηµένες θεωρίες 123 Πηγή: Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ

61 Όπως γίνεται κατανοητό από τα παραπάνω, περαιτέρω ενοποίηση δυνάμεων στον μέχρι τώρα γνωστό μας κόσμο δεν είναι δυνατόν να επιτευχθεί, όπως συνέβη με τον ηλεκτρομαγνητισμό. Η ηλεκτρασθενής θεωρία πιστοποίησε την κοινή συμπεριφορά των ηλεκτρομαγνητικών και των ασθενών πυρηνικών δυνάμεων σε συνθήκες πολύ υψηλής ενέργειας, τέτοιες που δεν επικρατούν σήμερα στα συνήθη φαινόμενα. Ήταν επομένως ενοποιημένες οι δυνάμεις πριν τη ρήξη της συμμετρίας, η οποία πραγματοποιήθηκε εξαιτίας της σταδιακής μείωσης της πυκνότητας της ενέργειας στο Σύμπαν λόγω της διαστολής του. Έτσι το κλειδί στην πορεία προς την περαιτέρω ενοποίηση φάνηκε πως είναι η ενέργεια. Δίνοντας σε σωματίδια υψηλές τιμές ενέργειας και φέρνοντάς τα σε πολύ μικρές αποστάσεις μεταξύ τους, μπορούμε να δούμε πώς αυτά αλληλεπιδρούσαν μεταξύ τους, όταν επικρατούσαν τέτοιες συνθήκες στο Σύμπαν. Επιπλέον στο θεωρητικό πεδίο σημαντική ώθηση προς την ιδέα της περαιτέρω ενοποίησης έδωσε το γεγονός ότι οι εντάσεις των θεμελιωδών δυνάμεων εκτός της βαρύτητας δεν είναι σταθερές ποσότητες αλλά εξαρτώνται από την ενέργεια. Η ένταση των ισχυρών πυρηνικών δυνάμεων μειώνεται όσο αυξάνεται η ενέργεια. Αυτό οφείλεται στην ιδιότητα που έχουν και την περιγράψαμε ως ασυμπτωτική ελευθερία. Όσο πιο κοντά μεταξύ τους βρίσκονται τα κουάρκς τόσο πιο ελεύθερα «αισθάνονται» και τόσο πιο άνετα και με μεγαλύτερες ενέργειες κινούνται. Αυτό σημαίνει πως σε μεγαλύτερες ενέργειες αλληλεπιδρούν ασθενέστερα, και επομένως η ισχύς της δύναμης αυτής μειώνεται. Απεναντίας, δεν ισχύει το ίδιο για τις ηλεκτρομαγνητικές και τις ασθενείς πυρηνικές αλληλεπιδράσεις, στις οποίες όσο μεγαλώνει η απόσταση, τόσο μειώνεται η ισχύς τους 124. Στο σχήμα 1 φαίνεται ότι σε τιμές ενέργειας περίπου GeV οι εντάσεις των τριών δυνάμεων αποκτούν την ίδια τιμή. Τα GeV αντιστοιχούν σε πολύ μικρές αποστάσεις μεταξύ των σωματιδίων, τέτοιες που επικρατούσαν στα πρώτα απειροστά κλάσματα της ζωής του Σύμπαντος. Τα μοντέλα των Μεγαλοενοποιημένων Θεωριών (GUT, Grand Unification Theories) εκτιμούν πως το χρονικό διάστημα από μέχρι του δευτερολέπτου από τη Μεγάλη Έκρηξη η θερμοκρασία του Σύμπαντος κυμαίνονταν μεταξύ των τιμών και GeV, και επέτρεπε την ενιαία συμπεριφορά των θεμελιωδών δυνάμεων εκτός της βαρύτητας. Την περίοδο από μέχρι του δευτερολέπτου η θερμοκρασία σταδιακά έπεσε από στα 10 2 GeV. Στην αρχή αυτής της περιόδου διαχωρίστηκε η ισχυρή πυρηνική δύναμη από τις ηλεκτρασθενείς που ακόμη διατηρούνταν ενοποιημένες. 124 Βλ. Stephen Hawking, όπ. παρ. σελ

62 Από τη χρονική στιγμή του δευτερολέπτου και μετά, διαχωρίστηκαν και οι ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις από τις ηλεκτρομαγνητικές. Έκτοτε υπάρχουν και αναγνωρίζονται οι τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις του γνωστού μας κόσμου που περιγράψαμε 125. ΣΧΗΜΑ 1 Η μεταβολή των εντάσεων των τριών βασικών αλληλεπιδράσεων, ισχυρής, ασθενούς και ηλεκτρομαγνητικής 126 Αξίζει να σχολιαστεί πως οι μαθηματικές συναρτήσεις, βάσει των οποίων γίνονται οι μετρήσεις της ισχύος των θεμελιωδών δυνάμεων, ισχύουν και επιβεβαιώνονται σε χαμηλές τιμές ενέργειας, όπου υπάρχει η δυνατότητα της πειραματικής επιβεβαίωσής τους. Αυτό σημαίνει πως οι υπολογισμοί που γίνονται για τις υψηλότερες τιμές ενέργειας και οδηγούν στο συμπέρασμα της ενοποίησης, βασίζονται σε μία προέκταση των παραπάνω εξισώσεων. Επομένως υπάρχουν τρία ενδεχόμενα. Είτε η σύμπτωση των τριών δυνάμεων στα GeV είναι τυχαία, οπότε σε ακόμη υψηλότερες τιμές ενέργειας οι δυνάμεις διαχωρίζονται και πάλι, είτε σε υψηλότερες τιμές ενέργειας οι εξισώσεις δεν ισχύουν, είτε πράγματι είμαστε κοντά στην αλήθεια 127. Καταλαβαίνουμε λοιπόν πως οι Μεγαλοενοποιημένες θεωρίες δεν είναι ακόμη πλήρεις περιέχουν αρκετές παραμέτρους που οι τιμές τους δε μπορούν να προβλεφθούν από τη θεωρία, αλλά πρέπει να επιλεγούν έτσι ώστε να συμφωνούν με τα πειραματικά δεδομένα. Επιπλέον οι τιμές της ενέργειας που εκτιμάται ότι απαιτούνται ώστε να γίνει επιβεβαίωσή τους, είναι πολύ μακριά από τις σημερινές τεχνολογικές δυνατότητες. Παρόλα αυτά οι προσπάθειες 125 Βλ. Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ Πηγή: Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ Βλ. Ι. Δ. Βέργαδος, Η. Τριανταφυλλόπουλος, όπ. παρ., σελ

63 συνεχίζονται για την ενοποίηση των υπολοίπων δυνάμεων. Θεωρείται ότι αργά ή γρήγορα οι ισχυρές πυρηνικές δυνάμεις θα καταστεί εφικτό να ενοποιηθούν με τις ηλεκτρασθενείς, διότι έχουν δώσει δείγματα κάποιας κοινής συμπεριφοράς. Η βαρύτητα αποτελεί το μεγαλύτερο αίνιγμα στην υπόθεση της ενοποίησης, διότι η ισχύς της είναι κατά πολύ μικρότερη της ισχύος των υπολοίπων δυνάμεων. Όπως φαίνεται στον πίνακα 4 η ισχύς των βαρυτικών δυνάμεων είναι κατά 33 τάξεις μεγέθους ασθενέστερες από τις ασθενείς πυρηνικές και 38 τάξεις μεγέθους ασθενέστερες από τις ισχυρές πυρηνικές. Το γεγονός αυτό τις καθιστά ανύπαρκτες κατά τη σύγκρισή τους με τις υπόλοιπες στον κόσμο των αλληλεπιδράσεων των στοιχειωδών σωματιδίων. Για την επιβεβαίωση της ενοποίησης της βαρύτητας με τις υπόλοιπες δυνάμεις θα απαιτούνταν τόσο ισχυρός επιταχυντής, που θα έπρεπε να είχε μέγεθος συγκρίσιμο με αυτό του ηλιακού συστήματος 128. Ωστόσο, η βαρύτητα, παρά την «άρνησή» της να δώσει έστω και ένα μικρό δείγμα κοινής συμπεριφοράς με τις άλλες θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης, έδωσε ισχυρότατες αποδείξεις για την ενοποίηση της μάζας με την ενέργεια. Όπως αναπτύχθηκε στην παράγραφο 1.1.ΙΙ, η Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, που αποτελεί την πιο πλήρη μέχρι τώρα τουλάχιστον θεωρία για τη βαρύτητα, προέβλεψε την καμπύλωση της πορείας του άϋλου και άμαζου φωτός, κάτι το οποίο επιβεβαιώθηκε πειραματικά με εξαιρετικά μεγάλη ακρίβεια Οι συμμετρίες στη Φύση και η ρήξη τους Το μυστικό του Σύμπαντος είναι η ΣΥΜΜΕΤΡΙΑ αλλά ο Κόσμος μας είναι, σε μεγάλο βαθμό, προϊόν της ΡΗΞΗΣ των ΣΥΜΜΕΤΡΙΩΝ 129. David Gross, Νόμπελ Φυσικής 2004 Η έννοια της συμμετρίας είναι μία από τις πιο εντυπωσιακές έννοιες και ο τρόπος με τον οποίο εκφράζεται μέσα στη Φύση αποτελεί ίσως το εκπληκτικότερο και γοητευτικότερο χαρακτηριστικό της. Παρά ταύτα δεν είναι ιδιαίτερα εύκολο να δώσουμε έναν σαφή και ξεκάθαρο ορισμό της. Κάνοντας μία προσπάθεια να προσεγγίσουμε το εννοιολογικό της περιεχόμενο θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε λέξεις όπως ισορροπία, 128 Βλ. Stephen Hawking, όπ. παρ. σελ

64 αρμονία, ευχάριστες αναλογίες, κανονικότητα. Ωστόσο, από τον κόσμο που μας περιβάλλει λαμβάνουμε πληθώρα πληροφοριών που αποκαλύπτουν διαφόρων ειδών συμμετρίες. Σχήματα, φαινόμενα, μελωδίες, εποχές επαναλαμβάνονται τόσο μέσα στον χώρο όσο και στον χρόνο. Κατανόηση της συμμετρίας στη Φύση οδηγεί σε κατανόηση του τρόπου με τον οποίο αυτή δομείται ή του τρόπου με τον οποίο λειτουργεί αναδεικνύεται έτσι σε ισχυρό εργαλείο προσέγγισης τόσο των σταθερών και αναλλοίωτων χαρακτηριστικών της, όσο και των αλλαγών ή των διαφοροποιήσεων που παρατηρούνται σ αυτήν 130. Η βαθιά συσχέτιση των αρχών της συμμετρίας με τις Θετικές Επιστήμες είναι προϊόν του 20 ου αιώνα και ξεκίνησε με την ανατροπή που έφεραν στον τρόπο προσέγγισης της Φύσης οι σύγχρονες θεωρίες της Φυσικής, που βασίζονταν πλέον σε ισχυρά μαθηματικά θεμέλια. Στην προηγούμενη παράγραφο και στα πλαίσια της παρουσίασης της ενοποίησης των ηλεκτρομαγνητικών δυνάμεων με τις ασθενείς πυρηνικές αναφερθήκαμε στη συμμετρία που εμφανίζουν τα σωματίδια φορείς των δυνάμεων σε υψηλές τιμές ενέργειας και το σπάσιμο της συμμετρίας αυτής σε χαμηλότερες τιμές. Το φαινόμενο αυτό δεν αποτελεί ένα μεμονωμένο ή τυχαίο περιστατικό στη Φύση, ούτε κάποιο από τα λίγα ή περισσότερα που παρατηρήθηκαν. Μάλλον αποτελεί έναν κανόνα της Φύσης, ένα μυστικό της, που κρύβεται σχεδόν σε όλες της εκδηλώσεις της. Υπενθυμίζουμε το παράδειγμα της ρουλέτας του Hawking. Όσο η μπίλια έχει υψηλή τιμή ενέργειας, εμφανίζει μία μόνο συμπεριφορά, καθώς περιστρέφεται με ομοιόμορφο τρόπο μέσα στη ρουλέτα. Η κατάσταση αυτή χαρακτηρίζεται ως συμμετρική. Ένας είναι ο τρόπος θέασης της μπίλιας, ένα και το αποτέλεσμα από όπου και αν το παρατηρήσουμε. Όταν όμως η ενέργεια του συστήματος μειώνεται, τότε η μπίλια παύει να περιστρέφεται, σπάει η αρχική ομοιομορφία συμμετρία και αναγνωρίζονται τριάντα επτά νέες διάφορες μεταξύ τους καταστάσεις, χωρίς κάποια από αυτές να είναι περισσότερο πιθανή από τις υπόλοιπες τότε η ρήξη της συμμετρίας ονομάζεται και αυθόρμητη. Επομένως ο λόγος για τον οποίο σε υψηλότερες ενέργειες οι ηλεκτρομαγνητικές και οι ασθενείς πυρηνικές δυνάμεις εμφανίζουν ομοιόμορφη συμμετρική συμπεριφορά και σε χαμηλότερες τιμές ενέργειας διαφοροποιούνται, είναι η ρήξη της συμμετρίας. Το ίδιο θα μπορούσαμε να πούμε για το γνωστό παιχνίδι κορώνα γράμματα. Όταν το κέρμα περιστρέφεται στον αέρα αποτελεί μία οντότητα σε μία κατάσταση διαρκούς κίνησης, όπου το ενδεχόμενο να βλέπουμε την κορώνα ή τα γράμματα είναι ίδιο. Για την ακρίβεια δε βλέπουμε την κορώνα ή τα γράμματα, όταν το κέρμα περιστρέφεται γρήγορα. Αυτό όμως 130 Βλ. Skountzos P, Dr. Professor of Physics of TEI Peiraious, Η συμμετρία και η αξιοποίηση της ως εργαλείο στη διδακτική των Φυσικών Επιστημών. Από τα πρακτικά συνεδρίου στη διεύθυνση σελ

65 δε σημαίνει πως οι δύο όψεις, που ακόμη δεν είναι διακριτές, δεν αποτελούν πραγματικότητα. Η ομοιόμορφη αυτή κατάσταση στην οποία υπάρχουν αλλά δεν διακρίνονται εμφανώς οι δύο όψεις, είναι απολύτως συμμετρική. Όταν το κέρμα λόγω απώλειας ενέργειας πέσει στο έδαφος, παρατηρείται μία αυθόρμητη ρήξη της αρχικής ομοιομορφίας συμμετρίας. Οι παρατηρήσεις μας θα οδηγούν είτε στη μία όψη είτε στην άλλη. Η αυθόρμητη ρήξη έγκειται στο γεγονός ότι δεν υπάρχει κάποια ιδιαίτερη προτίμηση της Φύσης στην όψη που θα αποκαλύπτει σε μας και οι δύο όψεις είναι εξίσου πιθανές. Ένα παράδειγμα από το χώρο της Χημείας είναι η γνωστή σε όλους ένωση Η2Ο. Όταν η θερμοκρασία είναι υψηλότερη από 100 ο C, τα μόρια της ένωσης βρίσκονται σε αέρια κατάσταση και μιλάμε για υδρατμούς. Στην κατάσταση αυτή τα μόρια κινούνται αδιάκοπα προς όλες τις κατευθύνσεις με αποτέλεσμα να δημιουργούν μία ομοιόμορφη και συμμετρική εικόνα, που δεν εμφανίζει αυξομειώσεις στην πυκνότητά της ούτε και έχει κάποια προτιμητέα κατεύθυνση προς την οποία κινούνται τα μόρια. Εάν η θερμοκρασία πέσει κάτω από τους 100 ο C, αλλά όχι κάτω από τους 0 ο C, έχουμε ένα πρώτο σπάσιμο της αρχικής συμμετρίας λόγω αλλαγής της φάσης από την αέρια στην υγρή κατάσταση, χωρίς όμως η νέα κατάσταση να πάψει να είναι επίσης συμμετρική. Λέμε πως το νερό είναι ισοτροπικό, δηλαδή οι ιδιότητές του είναι ίδιες προς οποιαδήποτε κατεύθυνση. Εάν η θερμοκρασία πέσει κάτω και από τους 0 ο C, τότε έχουμε ένα αυθόρμητο σπάσιμο της δεύτερης συμμετρίας και το νερό μετατρέπεται σε πάγο, ο οποίος έχει κρυσταλλική μορφή και τα μόριά του είναι πλέον προσανατολισμένα σε συγκεκριμένες κατευθύνσεις μέσα στον κρύσταλλο. Από το χώρο της Φυσικής ένα παράδειγμα που βοηθάει στην κατανόηση του φαινομένου αντλείται από το σιδηρομαγνητισμό. Τα άτομα μίας συμπαγούς σιδερένιας σφαίρας συμπεριφέρονται ως στοιχειώδεις μαγνήτες (μαγνητικά δίπολα) και τείνουν να προσανατολιστούν παράλληλα μεταξύ τους εξαιτίας των μαγνητικών αλληλεπιδράσεων. Όταν η θερμοκρασία αυξηθεί αρκετά και υπερβεί ένα όριο που ονομάζεται «σημείο Curie» (για τον σίδηρο αυτή η θερμοκρασία είναι περίπου 770 ο C), η κινητικότητα των ατόμων ή αλλιώς η θερμική τους διέγερση υπερνικά την τάση τους για μαγνητική ευθυγράμμιση και έτσι το υλικό αφενός χάνει τις μαγνητικές του ιδιότητες, αφετέρου εμφανίζει έναν ομοιόμορφα τυχαίο προσανατολισμό των διπόλων του. Η κατάσταση του υλικού θεωρείται πλέον συμμετρική. Όταν η θερμοκρασία πέσει κάτω από το «σημείο Curie» τότε δίνεται η δυνατότητα στα άτομα να προσανατολιστούν παράλληλα εξαιτίας των αμοιβαίων μαγνητικών αλληλεπιδράσεων. Για μία ακόμα φορά παρατηρούμε μία αυθόρμητη ρήξη συμμετρίας, εφόσον η κατεύθυνση προς την οποία προσανατολίζονται τα άτομα δίπολα του υλικού είναι τυχαία, υπό την προϋπόθεση ότι δεν υπάρχει ένα εξωτερικό 64

66 μαγνητικό πεδίο που θα επιβάλλει προσανατολισμό προς συγκεκριμένη κατεύθυνση 131. Στην πράξη, όταν η ψύξη δεν πραγματοποιείται πολύ αργά, παρατηρούνται περιοχές μαγνήτισης με διαφορετικές κατευθύνσεις, όπως φαίνεται στο σχήμα 2. ΣΧΗΜΑ 2 (α) (β) (γ) Πάνω από τη θερμοκρασία Curie ο προσανατολισμός των μαγνητικών διπόλων είναι απολύτως τυχαίος συμμετρικός (σχήμα α). Κάτω από τη θερμοκρασία αυτή, και στην περίπτωση που η ψύξη γίνεται πολύ αργά, τα δίπολα προσανατολίζονται προς την ίδια (αυθαίρετη) κατεύθυνση, οπότε παρατηρείται αυθόρμητη ρήξη συμμετρίας (σχήμα β) 132. Στην πράξη, όπου η ψύξη κατά κανόνα είναι ταχύτερη, οι κατευθύνσεις μαγνήτισης προσανατολίζονται ανά περιοχές 133. Σε όλα τα παραπάνω παραδείγματα υπάρχουν κάποια κοινά στοιχεία που αξίζει να επισημανθούν. Πρώτα απ όλα διαπιστώνουμε πως η ομοιόμορφη συμμετρική κατάσταση αντιστοιχεί σε υψηλότερες ενεργειακά καταστάσεις, ενώ μετά τη ρήξη της συμμετρίας αναγνωρίζονται καταστάσεις χαμηλότερης ενέργειας. Εάν στις καταστάσεις αυτές, της χαμηλότερης ενέργειας, δεν είχαμε τη δυνατότητα να δώσουμε με κάποιον τρόπο την απολεσθείσα ενέργεια, ποτέ δε θα μπορούσαμε να καταλάβουμε ότι οι νέες διαφορετικές καταστάσεις που προέκυψαν προέρχονται από μία και μόνον αρχική κατάσταση. Έτσι στη ρουλέτα θα διαπιστώναμε και θα κωδικοποιούσαμε τριάντα επτά διαφορετικές μπίλιες που θα αντιστοιχούσαν σε τριάντα επτά διαφορετικές καταστάσεις της Φύσης. Το ίδιο θα συνέβαινε και με το κέρμα. Αν δεν είχαμε τη δυνατότητα να δώσουμε στο κέρμα την απαιτούμενη ενέργεια για να το ανασηκώσουμε, τότε θα διαπιστώναμε και θα κωδικοποιούσαμε δύο διαφορετικές οντότητες που θα έμοιαζαν σε κάποια από τα χαρακτηριστικά τους, αλλά θα είχαν διαφορετική εμφάνιση. Το ίδιο ακριβώς θα συνέβαινε με το μόριο του H2O. Αν ο πάγος απαιτούσε θερμοκρασίες πολύ υψηλές για να λιώσει, τέτοιες που δε θα μπορούσαμε 131 Βλ. Penrose Roger, The Road to Reality, A Complete Guide to the Laws of the Universe, Jonathan Cape, London 2004, p Πηγή: Βλ. Penrose Roger, όπ. παρ., σελ