Η ΧΗΜΕΙΑ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ ΤΟ ΤΑΞΙ Ι ΤΗΣ ΓΕΝΕΣΗΣ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΜΕΣΑ ΣΤΟ ΧΡΟΝΟ

Transcript

1 Η ΧΗΜΕΙΑ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ ΤΟ ΤΑΞΙ Ι ΤΗΣ ΓΕΝΕΣΗΣ ΤΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΜΕΣΑ ΣΤΟ ΧΡΟΝΟ Αθανάσιος Σαλίφογλου Τµήµα Χηµικών Μηχανικών Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης

2 ΤΑ ΣΤΟΙΧΕΊΑ ΣΤΗΝ ΑΝΟΡΓΑΝΗ ΦΥΣΗ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ Εισαγωγή Η ανόργανη χηµεία αποτελεί ένα πολυµορφικό πεδίο των χηµικών επιστηµών που καλύπτει τουλάχιστον 105 στοιχεία του Περιοδικού Πίνακα. Η ποικιλότητα στη φύση των στοιχείων που αναδύονται µέσα από την ανόργανη χηµεία προσδίδει ιδιαίτερη έµφαση στις φυσικές και συνθετικές εφαρµογές που αναπηδούν µέσα από την έρευνα των στοιχείων στα βάθη των ωκεανών, στις άκρες του πλανήτη και στις µακρινές και κρύες περιοχές του σύµπαντος. Οι φυσικές ιδιότητες των στοιχείων και των ενώσεων αυτών αποτελούν το θεµέλιο επιστηµονικών, βιοµηχανικών και καθηµερινών δραστηριοτήτων σε ατοµικό και συλλογικό επίπεδο της σύγχρονης κοινωνίας. Από το υπερ-ρευστό υγρό ήλιο, σε θερµοκρασίες τόσο χαµηλές που µόνο κβαντικά φαινόµενα µπορούν να προβληθούν, µέχρι το δύστηκτο διαµάντι που χαράζει, κόβει αλλά δεν τήκεται σε φλόγα ακετυλενίου (CH CH), οι φυσικοχηµικές ιδιότητες εκφράζουν βασικές έννοιες που χαρακτηρίζουν οµοιοπολικές και ιοντικές δοµές σε υλικά επιστηµονικής αξίας µε πρακτική σπουδαιότητα. Έτσι, πληθώρα φυσικοχηµικών ιδιοτήτων (ηλεκτρονικές, ηλεκτρικές, µαγνητικές, κ.ά.) ατόµων στοιχείων, ιόντων και οµάδων αυτών εναρµονίζονται µε οµοιοπολικά και ιοντικά πλέγµατα υλικών που υπόκεινται σε κινητικό και θερµοδυναµικό έλεγχο. Η πανδαισία αυτή της ανόργανης φύσης των στοιχείων στο περιβάλλον µιας οργανικής βιόσφαιρας στον πλανήτη Γη, εκφράζει ξεκάθαρα την πολυπλοκότητα των υπαρχόντων αβιοτικών και έµβιων συστηµάτων που συνεχίζουν να αναπτύσσονται στο δυναµικό περιβάλλον που ζούµε. Η κατανόηση αρχών που διέπουν την οργάνωση των συστηµάτων αυτών στο γήινο (Σχήµα 1) και κοσµολογικό στερέωµα αποτελούν την ύψιστη επιστηµονική πρόκληση που προβάλλει η χηµεία στην χηµική µηχανική του παρόντος και του µέλλοντος. Σχήµα 1. Ο πλανήτης Γη

3 3 Τα ανόργανα στοιχεία σε φυσικά συστήµατα Αδιαµφισβήτητα, η πλέον χαρακτηριστική πηγή ανόργανων στοιχείων είναι ο ίδιος ο πλανήτης Γη. Από την συνολική µάζα των Kg του πλανήτη, µόλις ένα µέρος στα δέκα δισεκατοµµύρια αποτελεί την οργανική υπόσταση. Το µεγαλύτερο µέρος της ανόργανης µάζας φυσικά βρίσκεται στο στερεό µέρος του πλανήτη, δηλαδή την λιθόσφαιρα. Η λιθόσφαιρα αποτελεί περίπου το 1/3 του πυρήνα (κατά µάζα) και τα /3 του µανδύα (Σχήµα ). Ο φλοιός του πλανήτη είναι λιγότερο από 0.5% της συνολικής µάζας του πλανήτη. Σήµερα, υπάρχουν αξιόπιστες χηµικές αναλύσεις για το άνω τµήµα του φλοιού που φθάνει περίπου στα 0. km κάτω από την ηπειρωτική υφαλοκρηπίδα και km κάτω από τον πυθµένα των ωκεανών. Τα αναλυτικά αυτά δεδοµένα για τα διάφορα ανόργανα στοιχεία είναι αρκετά αξιόπιστα ώστε να µπορούν να συγκριθούν µε αντίστοιχα δεδοµένα από το υπόλοιπο σύµπαν!! Οροσειρές Φλοιός θάλασσα Πυρήνας Μανδύας Ο µανδύας καλύπτει το 68.% της µάζας της Γης Ο ολικός ηπειρωτικός φλοιός αποτελεί το 0.3% της µάζας της Γης Σχήµα. Η δοµή της Γης Από την πληθώρα στοιχείων στον πλανήτη, εκείνα τα οποία είναι τεχνολογικά σηµαντικά βρίσκονται σε µεγάλες ποσότητες. Μεταξύ αυτών συγκαταλέγονται ο σίδηρος (Fe), το αργίλιο (Al), το µαγνήσιο (Mg), κ.ά. Από την άλλη πλευρά, στοιχεία όπως το µολυβδαίνιο (Μο), το βολφράµιο (Wo), ο κασσίτερος (Sn) κ.ά. δεν είναι τόσο άφθονα, ενώ στοιχεία όπως ο χρυσός (Au), ο λευκόχρυσος (Pt), ο άργυρος

4 (Ag) κ.ά. βρίσκονται σε ίχνη (δηλαδή σε συγκεντρώσεις ppm (parts per million) ή σε ppb (parts per billion)). Σε µεγάλη αφθονία βρίσκονται τα στοιχεία οξυγόνο (O) και πυρίτιο (Si), γεγονός που επιβεβαιώνεται από την παρουσία πυριτικών ορυκτών µε προσθήκες στοιχείων, όπως το αργίλιο, το ασβέστιο κ.ά. Τα περισσότερα πυριτικά ορυκτά είναι α) οι ολιβίνες (Σχήµα 3) ((Mg,Fe) SiO ) µε το πυρίτιο να φέρεται µε τη µορφή τετραεδρικών µονάδων SiO -, τα οποία συνδέονται µεταξύ τους (σε αλυσίδες) µε κατιόντα όπως Fe(II) και Mg(II), β) οι πυρόξενοι (Σχήµα ) (CaMgSi O 6 ), στους οποίους τετράεδρα SiO σχηµατίζουν πολυµερικές αλυσίδες µε συνολική σύσταση SiO 3 - µονάδων που συνδέονται µέσα στο κρυσταλλικό πλέγµα µε κατιόντα, όπως Fe(III), Ca(II) και Mg(II), και γ) ο χαλαζίας (Σχήµα 5) (quartz), στον οποίο τα τετράεδρα SiO συνδέονται προς σχηµατισµό τρισ-διάστατου πολυµερικού πλέγµατος µε συνολική σύσταση SiO 3. O O Si O O (Α) (Β) Σχήµα 3. Το πυριτικό ορυκτό ολιβίνης και η δοµή του. (Α). Πολυεδρικό µοντέλο στο οποίο τα τετράεδρα Si καλύπτουν κενά στις zig-zag αλυσίδες οκταέδρων Mg. (Β). Άτοµα Mg (πράσινα και κίτρινα) σχετίζονται µε τετράεδρα Si (µπλε άτοµα οξυγόνου και magenta άτοµα Si).

5 5 O O O Si O Si O Si O O O O O O O n Σχήµα. Το πυριτικό ορυκτό πυρόξενος και η δοµή του (Ca Mg Si O 6 ). Τα άτοµα Ca συνδέονται µε 8 οξυγόνα σε παραµορφωµένα οκτάεδρα. Τα άτοµα Mg atoms συνδέονται µε 8 οξυγόνα. Τα άτοµα Si συνδέονται µε οξυγόνα. Οι πυρόξενοι περιέχουν αλυσίδες από τετράεδρα Si παράλληλα µε τον άξονα c.

6 6 Σχήµα 5. Η βασική δοµή του quartz αποτελείται από σπειροειδείς αλυσίδες (έλικες) τετραέδρων Si γύρω από άξονες στροφοαναστροφής τρίτης και τετάρτης τάξεως. Στο αριστερό µέρος φαίνεται µια έλικα µε άξονα τρίτης τάξεως, ενώ στο δεξί µέρος διακρίνονται έλικες που συνδέονται σε δοµή. Κάθε τετράεδρο συµβολίζει µια δοµική µονάδα τετραεδρικού πυριτίου µε οξυγόνα. Πέραν των δισθενών και τρισθενών κατιόντων υπάρχουν µονοσθενή κατιόντα, όπως Na + και K + στον βραχώδη γήινο φλοιό. Τα στοιχεία αυτά δεν είναι τόσο συνηθισµένα στον γήινο µανδύα. Πάρα ταύτα, ο πυριτικός βραχώδης ιστός αποτελεί την σηµαντικότερη δοµή του µανδύα και διαφέρει από εκείνον στον φλοιό ως προς την σύστασή του. Περιέχει πολύ λιγότερο αργίλιο και µονοσθενή ιόντα και κατ αναλογία περισσότερα δισθενή ιόντα. Ο πυρήνας δεν είναι προσβάσιµος για απευθείας αναλυτικές και εν γένει πειραµατικές µελέτες. Από την γνωστή του πυκνότητα (σεισµολογικές µελέτες) και αναλύσεις µετεωριτών, πιστεύεται ότι αποτελείται από µεταλλικό κράµα σιδήρουνικελίου (Fe-Ni). Η πυκνότητά του είναι τόσο µεγάλη που υπάρχει πολύ λίγο οξυγόνο (που είναι σχετικά άφθονο στον µανδύα) και φαίνεται να υπάρχει διαφοροποίηση φάσης, όπου λίγο-πολύ βραχώδες πυριτικό στερεό επιπλέει στον υγρό πυρήνα, στον ποίο είναι αδιάλυτο. Η υδρόσφαιρα (~0.0% της µάζας του πλανήτη) αποτελείται από 98% θαλάσσιο νερό. Μόλις % είναι το νερό στις λίµνες, στους ποταµούς, στα υπόγεια ύδατα ή στο ατµοσφαιρικό νερό. Το θαλασσινό νερό περιέχει ~3.5% διαλυµένα άλατα, µε τα κατιόντα νατρίου (Na + ) και ανιόντα χλωρίου (Cl - ) να αποτελούν την πλειονότητα. Η µεγάλη διαλυτότητα των αλάτων νατρίου και καλίου επιβεβαιώνει την απουσία τους από τον µανδύα της λιθόσφαιρας. Οι φυσικές διαδικασίες κύκλοι - της εξάτµισης, της βροχής, της επαναπροώθησης µέσω ρευµάτων και της διάλυσης ανόργανων ιζηµατογενών πετρωµάτων συµβάλλουν στην διατήρηση της σύστασης του θαλάσσιου νερού στους διάφορους ωκεανούς.

7 7 Το βρώµιο (Br) και µαγνήσιο (Mg) παράγονται από τους ωκεανούς µέσω θαλάσσιου νερού ως πηγής µετάλλων, αν και το θαλάσσιο νερό αποτελεί, στην σύγχρονη εποχή, την κυριότερη πηγή πόσιµου νερού µέσω απόσταξης και αντίστροφης ώσµωσης (σε πολλές περιοχές του πλανήτη, όπου τα ηπειρωτικά αποθέµατα νερού έχον µειωθεί ή σωθεί). Από την άλλη πλευρά, η ατµόσφαιρα αποτελεί µόλις το της γήϊνης µάζας. Η δοµή της ατµόσφαιρας είναι τέτοια που καθορίζει τη σύστασή της και τη δυναµική της όσον αφορά τις φωτοχηµικές διαδικασίες που επηρεάζουν τη θερµοκρασία της και εκείνη της επιφάνειας του πλανήτη (Σχήµα 6). Η στοιχειακή σύσταση της ατµόσφαιρας ποικίλει ανάλογα µε το ύψος. Έτσι, τα ελαφρότερα στοιχεία όπως το υδρογόνο και το ήλιο διαδραµατίζουν σηµαντικό ρόλο ενώ οι φωτοχηµικές διαδικασίες ρυθµίζουν την παραγωγή µοριακών ειδών σε µεγάλα ύψη που δεν είναι δυνατόν να επιβιώσουν στα χαµηλά ατµοσφαιρικά ύψη λόγω µειωµένης σταθερότητας. Φωτοχηµικές διαδικασίες H Εξώσφαιρα O O + + e km 700 km He O N O-O Θερµόσφαιρα O O + + e - O O Μεσόσφαιρα 80 km N -O Στρατόσφαιρα O 3 O + O 50 km N -O Τροπόσφαιρα H O CO 1 km N -O 0 km Πλανήτης Γη Σχήµα 6. οµή της γήινης ατµόσφαιρας Η διαδικασία διαχωρισµού του αέρα στα κυριότερα συστατικά του, το µοριακό οξυγόνο (Ο ) και το άζωτο (Ν ) συµβάλλει ταυτόχρονα στην παραγωγή µεγάλων ποσοτήτων (τόνων) εµπορικής αξίας των ασυνήθιστων και ευγενών αερίων

8 8 του νέου (Ne), αργού (Ar), κρυπτού (Kr) και ξένου (Xe). Από τα ευγενή αέρια, το ήλιο (He), αν και παρόν, παράγεται σε µεγάλες ποσότητες κατά τη διαδικασία εξαγωγής φυσικού αερίου από τις αντίστοιχες φυσικές πηγές. Με την ανάπτυξη, όµως, των εφαρµογών της υπεραγωγιµότητας, η ανάγκη για υγρό άζωτο και ήλιο αναµένεται να αυξηθεί κατακόρυφα, ωθώντας την σύγχρονη βιοµηχανία προς νέες µεθόδους παραγωγής από τον ατµοσφαιρικό αέρα. Αν και η φυσική διαίρεση της; γήινης δοµής σε λιθόσφαιρα, υδρόσφαιρα και ατµόσφαιρα, φαίνεται να προβάλλει τις απεριόριστες δυνατότητες της χηµείας ανόργανων υλικών, η πραγµατική πρόκληση αναδύεται στη βιόσφαιρα. Στη βιόσφαιρα, η παρουσία ανόργανων µεταλλοϊόντων συναρµοσµένων µε οργανικά υποστρώµατα (αµινοξέα, πεπτίδια, πρωτεΐνες, ένζυµα, κ.ά.) αποτελεί πρόκληση για έρευνα, δεδοµένης της λειτουργικότητας των ανόργανων-οργανικών υβριδίων στη βιολογία και τη ζωή σε κατώτερους και ανώτερους οργανισµούς. Πέραν αυτού, όµως, η παρουσία ενώσεων µετάλλων µε απευθείας συναρµογή µε άνθρακα (σχηµατισµός δεσµού µετάλλου-άνθρακα) προβάλλει τη λειτουργικότητα της πολυποίκιλης χηµείας σε διεργασίες, όπως η κατάλυση. Η γενική αυτή διαδικασία καλύπτει όχι µόνο υλικά µε δεσµούς µετάλλου άνθρακα, αλλά και δεσµούς µετάλλουοξυγόνου, µετάλλου-αζώτου κ.ά., µε όλες αυτές τις οντότητες να συµβάλλουν στη ζωή του κυτταρικού κύκλου σε ολόκληρο το γενεαλογικό δένδρο των έµβιων όντων. Έτσι, η βιοανόργανη χηµεία και εµβιοµηχανική εµφανίζονται να διαδραµατίζουν σηµαίνοντα ρόλο στην ανάπτυξη της γνώσης ενός κόσµου πλούσιου σε ανόργανα συστατικά και αλληλεπιδρώντα µε την οργανική βάση του πλανήτη. Συστήµατα που περιέχουν µονοσθενή και δισθενή κατιόντα, όπως εκείνα του νατρίου (Να + ), καλίου (Κ + ), µαγνησίου (Mg(II)) και ασβεστίου (Ca(II)) αναπτύχθηκαν για να διαδραµατίζουν ρόλο όχι µόνο σε βιολογικές δοµές αλλά και σε προηγµένες βιολογικές λειτουργίες. Τέτοιες λειτουργίες συναντώνται στη βιολογικά εξελισσόµενη οντότητα διαφοροποιηµένων κυττάρων, όπως είναι τα νευρωνικά κύτταρα και τα νευρωνικά κυκλώµατα στα οποία αυτά ενέχονται. Το πεδίο αυτό γνώσης και έρευνας παρουσιάζει αυξηµένες δυνατότητες νέων ανακαλύψεων και αποτελεί γόνιµο έδαφος για την ανάπτυξη (βιο)χηµικής τεχνολογίας στο εγγύς και απώτερο µέλλον. Πέραν της Γης, υπάρχουν αναλυτικές εκτιµήσεις που αφορούν την αφθονία των στοιχείων σε εξωγήινα συστήµατα του ορατού σύµπαντος. Απευθείας αναλυτικά στοιχεία για τη σελήνη υπάρχουν λόγω των αποστολών του προγράµµατος Apollo. Οι εκτιµήσεις αυτές προέρχονται από φασµατοσκοπικές αστρονοµικές µετρήσεις. Έτσι, η Σελήνη εµφανίζεται να έχει σύσταση λίγο-πολύ παρόµοια µε εκείνη του γήινου φλοιού, µε σηµαντική απόκλιση στην παρουσία του νατρίου και καλίου (Πίνακας 1).

9 9 Πίνακας 1. Αναλυτικά στοιχεία σύστασης του γήινου φλοιού σε σύγκριση µε εκείνη της σελήνης Σχετική αφθονία µερικών στοιχείων στον φλοιό της Σελήνης και της Γης (% κατά βάρος) Στοιχείο Σελήνη Γη Si 18 (ποικίλει) 7. Al Ca Fe Mg Ti Na K Η εµφανιζόµενη αυτή απουσία των µονοσθενών κατιόντων λογικά αποδίδεται στο γεγονός ότι ο πλανήτης αυτός σχηµατίσθηκε από σωµατίδια στο αρχικό νεφέλωµα του ήλιου (Σχήµα 7) Σχήµα 7. Ο ήλιος του ηλιακού µας συστήµατος και σε υψηλότερες θερµοκρασίες από εκείνες στις οποίες σχηµατίσθηκε ο πλανήτης Γη (Σχήµα 8).

10 10 Σχήµα 8. Ο πλανήτης Γη Σε γενικές γραµµές, οι υφιστάµενες θεωρητικές µελέτες δείχνουν ότι υπήρχαν διαφορετικά στοιχεία σε µεγάλες ποσότητες και σε διαφορετικές αποστάσεις από τον ήλιο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας σχηµατισµού των πλανητών. Έτσι, η Σελήνη στην ίδια περίπου µέση απόσταση µε τη Γη από τον ήλιο, διαθέτει µικρό πυρήνα που πολύ πιθανόν περιέχει κράµα σιδήρου-νικελίου (όπως η Γη). Οι πλησιέστεροι πλανήτες προς τον ήλιο, η Αφροδίτη (Venus) και ο Ερµής (Mercury), θα πρέπει να έχουν µεγάλους πυρήνες σιδήρου ή κραµάτων σιδήρου-νικελίου, ενώ ο πυρήνας του Άρη (Mars) (Σχήµα 9) αναµένεται να έχει µεγάλες ποσότητες θείου. Έτσι, η µεγαλύτερη ποσότητα σιδήρου στον πυρήνα του Άρη περιέχει πολύ πιθανόν σουλφίδια του Fe(ΙΙ). Το γεγονός αυτό εξηγεί την µικρότερη πυκνότητα του πλανήτη αυτού από εκείνη της Γης. Σχήµα 9. Ο πλανήτης Άρης Οι πλέον αποµακρυσµένοι πλανήτες από τη Γη, έχουν διαφορετική στοιχειακή σύσταση από εκείνη των υπολοίπων πλανητών. Ετσι,, ο ίας (Jupiter) (Σχήµα 10)

11 11 έχει πυκνότητα 1.31 g/cm 3 σε σχέση µε τη Γη (5.5 g/cm 3 ). Η ατµόσφαιρά του αποτελείται κυρίως από υδρογόνο και ήλιο µε µικρότερες ποσότητες µεθανίου και αµµωνίας. Η παρουσία των τελευταίων προσδίδει στην ατµόσφαιρά του πλανήτη αυτού αναγωγική ικανότητα σε σχέση µε την οξειδωτική ατµόσφαιρά της Γης που αποτελείται από άζωτο (Ν ) 78% και οξυγόνο (Ο ) 0%, µε το διοξείδιο του άνθρακα CO, και ευγενή αέρια σε σηµαντικά µικρές ποσότητες. Κάτω από την ατµόσφαιρα του ία θεωρείται ότι υπάρχει υγρό υδρογόνο σε µεγάλο βάθος. Το βάθος της ζώνης αυτής είναι τόσο µεγάλο που κοντά στον πάτο το υδρογόνο πρέπει να βρίσκεται σε µεταλλική µορφή, δεδοµένης της ισχυρής συµπίεσης λόγω των βαρυτικών δυνάµεων. Κάτω από τη θάλασσα υπάρχει ένας σχετικά µικρός πυρήνας, ο οποίος λίγο πολύ είναι συγκρίσιµος σε µέγεθος µε αυτόν του πλανήτη Γη. Σχήµα 10. Εικόνες του πλανήτη ία Πέραν του ηλιακού µας συστήµατος, υπάρχουν φασµατοσκοπικές αποδείξεις σχηµατισµού αστέρων από βαρέα στοιχεία προερχόµενα από υδρογόνο και ήλιο, µε στοιχειακή αφθονία παρόµοια µε εκείνη που φαίνεται στον Πίνακα. Πιο πρόσφατες ανακαλύψεις έχουν δείξει ότι διαστρική σκόνη και αέρια περιέχουν έναν σηµαντικό αριθµό µικρών µορίων. Μερικά από αυτά είναι οργανικά µόρια (µεθανόλη CH 3 OH, ακετονιτρίλιο CH 3 CN, ακεταλδεϋδη CH 3 CH=O, κ.ά.), ενώ άλλα είναι ανόργανα (αµµωνία NH 3, νερό H O, µονοξείδιο του άνθρακα CO, υδροκυάνιο HCN, υδρόθειο H S, µονοξείδιο του θείου SO, µονοξείδιο του πυριτίου SiO, κ.ά.). Αναµφισβήτητα, πολλά άλλα µόρια, πιθανόν πιο πολύπλοκα, είναι δυνατόν να ανακαλυφθούν µε την ανάπτυξη νέας οργανολογικής τεχνολογίας και σύγχρονης µεθοδολογίας ταυτοποίησης οργανικών, ανόργανων και υβριδικών οργανικών-ανόργανων µορίων. Πως, όµως, αναδύθηκαν όλα αυτά τα είδη και προβάλλουν σήµερα την επιρροή τους στην γεωλογική και βιολογική ανάπτυξη του σύµπαντος, µέρος του οποίου αποτελεί και ο πλανήτης Γη? Η αναζήτηση απαντήσεων στα ερωτήµτα του είδους αυτού ανατρέχουν σε υφιστάµενες θεωρίες και πειραµατικές αποδείξεις γένεσης και εξέλιξης των βασικών σωµατιδίων της ύλης σε χηµικά στοιχεία και ενώσεις αυτών, όπως σήµερα είναι αντιληπτά από τον ανθρώπινο νου.

12 1 Πίνακας. Αφθονία στοιχείων στον γήινο φλοιό (συµπεριλαµβανοµένης της ατµόσφαιρας και των ωκεανών) και στο σύµπαν (ppm κατά βάρος). Ατοµικός αριθµός Σύµβολο στοιχείου Φλοιός της Γης Σύµπαν Ατοµικός αριθµός Σύµβολο στοιχείου Φλοιός της Γης Σύµπαν 1 H 1,00 739, Rb He , Sr Li Y Be Zr B Nb C 00,600 Mo N Ru O 6,000 10,700 5 Rh F Pd Ne Ag Na 3,00 8 Cd Mg 7, In Al 80, Sn Si 7, Sb P 1, Te S I Cl Xe Ar Cs K 16, Ba Ca 50, Sc La-Lu 5 Total 0.01 total

13 13 Ti 8, V Hf Cr Ta Mn 1, W Fe 58,000 1, Re Co Os Ni Ir Cu Pt Zn Au Ga Hg Ge Tl As Pb Se Bi Br Th Kr U 0.000

14 1 ΣΩΜΑΤΙ ΙΑ ΚΑΙ ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΕΙΣ Για την κατανόηση σηµαντικών φαινοµένων που σχετίζονται µε την ατοµική δοµή της ύλης, απαιτείται γνώση που αναδύεται από το πεδίο της σύγχρονης σωµατιδιακής φυσικής, ένα πεδίο το οποίο είναι µερικώς µόνο χαρτογραφηµένο ερευνητικά. Η γνώση αυτή αντανακλά την ύπαρξη θεµελιωδών σωµατιδίων. Τα σωµατίδια δεν είναι µόνιµα. Μπορούν να δηµιουργούνται και να καταστρέφονται. Κάθε σωµατίδιο έχει το αντισωµατίδιό του. Μερικές φορές το σωµατίδιο είναι ίδιο µε το αντισωµατίδιό του. Πολλά σωµατίδια είναι ασταθή και διασπώνται σε άλλα σωµατίδια. Έτσι, τα σωµατίδια αποτελούν φορείς διαφόρων αλληλεπιδράσεων. Οι αλληλεπιδράσεις αυτές (Πίνακας 3) χρήζουν περαιτέρω εντρύφησης. Οι αναγνωρισµένες κατηγορίες αλληλεπιδράσεων κατά σειρά µειωµένης ισχύος φαίνονται παρακάτω: 1. Ισχυρή αλληλεπίδραση. Ηλεκτροµαγνητική αλληλεπίδραση 3. Ασθενής αλληλεπίδραση. Βαρυτική αλληλεπίδραση Πίνακας 3: Οι βασικές αλληλεπιδράσεις στη φύση Σωµατίδιο φορέας Αλληλεπίδραση Ισχύς Εµβέλεια Σωµατίδιο Μάζα Φορτίο Spin φορέας ηρεµίας Ισχυρή 1 Μικρή Γλοιόνιο (~1 fm) (Gluon) Ηλεκτροµαγνητική 1/137 Μακρά Φωτόνιο (Photon) ( ) r Ασθενής 10-9 Μικρή W ±, Z 0 81, 91 ±e, 0 1 ( fm) Βαρυτική Μακρά Βαρυόνιο (Baryon) ( ) r

15 15 Από τις προαναφερθείσες δυνάµεις η ηλεκτροµαγνητική και η βαρυτική δύναµη είναι γνωστές από την κλασσική φυσική. Και οι δύο δυνάµεις είναι συναρτήσεις της απόστασης r (F~f(1/r )). Η δύναµη βαρύτητας είναι σαφώς ασθενέστερη της ηλεκτροµαγνητικής δύναµης. Έτσι, η βαρυτική δύναµη δύο πρωτονίων είναι ασθενέστερη από την ηλεκτροστατική τους άπωση κατά Η βαρυτική δύναµη διαδραµατίζει σηµαντικό ρόλο τόσο στη δοµή των ατόµων όσο και στην συµπεριφορά του σύµπαντος σε µεγάλο βαθµό. Πιστεύεται, όµως. ότι δεν διαδραµατίζει σηµαντικό ρόλο στις αλληλεπιδράσεις σωµατιδίων της περιοχής ενεργειών στις οποίες µπορούµε να έχουµε πρόσβαση σήµερα. Από τις υπόλοιπες δυνάµεις, η ισχυρή αλληλεπίδραση είναι υπεύθυνη για την πυρηνική δύναµη και την παραγωγή σωµατιδίων κατά τη διάρκεια συγκρούσεων σωµατιδίων σε υψηλές ενέργειες (π.χ. πιόνια). Η ισχύς της αλληλεπίδρασης αυτής περιγράφεται από την συνάρτηση f και έχει µονάδες ενέργειας επί την απόσταση. Ως καλύτερο συγκριτικό µέσο µε τις άλλες δυνάµεις χρησιµοποιείται ο λόγος f/hc που είναι αδιάστατος. Έτσι, η ισχυρή αλληλεπίδραση είναι 137 φορές ισχυρότερη από την ηλεκτροµαγνητική δύναµη. Η τέταρτη αλληλεπίδραση είναι η ασθενής αλληλεπίδραση και είναι υπεύθυνη για την διάσπαση β. Η διάσπαση αυτή αναφέρεται στο νετρόνιο και δίνει πρωτόνιο (p), ηλεκτρόνιο (e-) και αντινετρίνο (ν ). Η δύναµη αυτή είναι επίσης υπεύθυνη για την διάσπαση και άλλων σωµατιδίων, όπως των πιονίων σε µιόνια, των µιονίων σε ηλεκτρόνια, κ.ά. Πρόκειται για αλληλεπίδραση µικρής εµβέλειας, όπως η ισχυρή αλληλεπίδραση, αλλά είναι ασθενέστερη αυτής κατά 10-9.

16 16 ΘΕΜΕΛΙΩ Η ΣΩΜΑΤΙ ΙΑ Τα άτοµα δεν είναι αδιαίρετα. Από τη µελέτη ατοµικών φασµάτων των στοιχείων προέκυψε ότι αυτά διαθέτουν εσωτερική δοµή. Έτσι, σταδιακά ανακαλύφθηκαν τα βασικά και θεµελιώδη σωµατίδια. Αυτά περιλαµβάνουν: 1. το ηλεκτρόνιο e -. το πρωτόνιο p 3. το νετρόνιο n Πέραν των σωµατιδίων αυτών ανακαλύφθηκαν τα αντισωµατίδια. Τα αντισωµατίδια σχετίζονται µε τα σωµατίδια µέσω της ύπαρξης ζευγών µε χαρακτηριστικές ιδιότητες. Έτσι, π.χ. στα ζεύγη σωµατιδίων-αντισωµατιδίων = ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων παρατηρούνται: 1. Οι µάζες του ηλεκτρονίου και ποζιτρονίου είναι ίσες µεταξύ τους. Το φορτίο του ηλεκτρονίου είναι αντίθετο εκείνου του ποζιτρονίου 3. Το spin και η µαγνητική ροπή είναι οµοπαράλληλα στο ποζιτρόνιο και αντίθετα στο ηλεκτρόνιο. Το ηλεκτρόνιο συµβολίζεται µε e -. Το ποζιτρόνιο συµβολίζεται µε e +. Τα αντισωµατίδια περιλαµβάνουν 1. το ποζιτρόνιο e +. το αντιπρωτόνιο p 3. το αντινετρόνιο ν Μεταξύ των άλλων σωµατιδίων που ανακαλύφθηκαν περιλαµβάνονται Α. Τα µεσόνια (1935) Τα µεσόνια αποτελούν φορείς της πυρηνικής δύναµης 1. τα µιόνια (1936) Τα µιόνια διακρίνονται σε δύο είδη α) µ + µε φορτίο ίσο µε το φορτίο του ηλεκτρονίου β) µ - (αντισωµατίδιο) µε ίσο αλλά θετικό φορτίο µε το ηλεκτρόνιο Τα δύο σωµατίδια έχουν µάζα 07 φορές τη µάζα του ηλεκτρονίου.. τα πιόνια (197) πρόκειται για τρία σωµατίδια που φέρουν τον γενικό συµβολισµό π Τα φορτία τους είναι +e, -e και µηδέν και οι µάζες τους είναι 70 φορές τη µάζα του ηλεκτρονίου. Όλα τα σωµατίδια αυτά έχουν spin µηδέν.

17 17 Β. Τα λεπτόνια Τα λεπτόνια περιλαµβάνουν 1. τα ηλεκτρόνια ( e ). τα µιόνια 3. τα σωµατίδια ταυ (τ). τρία είδη νετρίνων Συνεπώς, υπάρχουν έξι λεπτόνια και έξι αντιλεπτόνια. Όλα τα λεπτόνια έχουν spin ½. Τα λεπτόνια υπακούουν σε µια αρχή διατήρησης. Στα τρία είδη λεπτονίων αντιστοιχούν τρεις λεπτονικοί αριθµοί L e, L µ και L τ. Το ηλεκτρόνιο e - και το νετρίνο του ηλεκτρονίου ν e έχουν L e = +1 και τα αντισωµατίδιά τους e + και νε έχουν L e = -1. Τα λεπτόνια µ και τ έχουν τους αντίστοιχους λεπτονικούς αριθµούς L µ και L τ. Για όλες τις αλληλεπιδράσεις κάθε λεπτονικός αριθµός διατηρείται ξεχωριστά. Τα διάφορα είδη λεπτονίων και οι ιδιότητές τους δίνονται στον παρακάτω πίνακα (Πίνακας ). Πίνακας : Τα λεπτόνια και οι ιδιότητές τους Όνοµα σωµατιδίου Σύµβολο σωµατιδίου Σύµβολο αντισωµατιδίου Μάζα ηρεµίας (MeV/c ) Λεπτονικός αριθµός Μέσος χρόνος ζωής (s) Τρόπος διάσπασης L e L µ L τ Ηλεκτρόνιο e - e Σταθερό Νετρίνο (e) ν e ν e 0 (?) Σταθερό Μιόνιο µ - µ e - ν e ν µ Νετρίνο (µ) ν µ ν µ 0 (?) Σταθερό Ταυ τ - τ < µ - ν µ ν τ, Νετρίνο (τ) ν τ ν 0 (?) Σταθερό τ e - ν e ν τ Από πλευράς ισχύος αλληλεπιδράσεων, τα σωµατίδια που αλληλεπιδρούν ισχυρά αποτελούν πολυπλοκότερη κατηγορία από τα λεπτόνια. Τα σωµατίδια αυτά ονοµάζονται αδρόνια. Υποδιαιρούνται σε 1. µεσόνια. βαρυόνια Τα µεσόνια έχουν spin 0 ή 1. Τα βαρυόνια έχουν spin 1/ ή 3/. Συνεπώς, όλα τα µεσόνια είναι µποζόνια και όλα τα βαρυόνια είναι φερµιόνια. Τα βαρυόνια περιλαµβάνουν τα νουκλεόνια και αρκετά σωµατίδια που ονοµάζονται υπερόνια, όπως το Λ, Σ, Ξ και το Ω. Τα σωµατίδια αυτά µοιάζουν µε

18 18 νουκλεόνια αλλά είναι βαρύτερα. Όλα τα υπερόνια είναι ασταθή και διασπώνται άλλα υπερόνια ή και νουκλεόνια. Τα βαρυόνια υπακούουν στην αρχή διατήρησης του βαρυονικού αριθµού. Έτσι, κάθε βαρυόνιο έχει βαρυονικό αριθµό Β = +1 και κάθε αντιβαρυόνιο έχει Β = - 1. Σε όλες τις αλληλεπιδράσεις ο ολικός βαρυονικός αριθµός διατηρείται. Αυτή η αρχή είναι αιτία για την οποία ο µαζικός αριθµός Α πρέπει να διατηρείται σε όλες τις πυρηνικές αντιδράσεις. Τα αδρόνια (Πίνακας 5) θεωρήθηκαν πριν από µερικές δεκαετίες ότι είναι σύνθετες δοµές που διαθέτουν ως συστατικά τους φερµιόνια µε spin ½, που ονοµάζονται quarks (Πίνακας 6). Έτσι, κάθε βαρυόνιο αποτελείται από τρία quark (qqq) και κάθε µεσόνιο αποτελείται από ένα ζεύγος quark-antiquark (qq ). Με βάση το σχήµα αυτό, προκύπτει ότι το quark έχει φορτίο ίσο µε το 1/3 και /3 του µέτρου του φορτίου του ηλεκτρονίου (το οποίο µέχρι πρότινος θεωρείτο ότι ήταν η µικρότερη µονάδα φορτίου). Τα quarks έχουν κλασµατικές τιµές βαρυονικού αριθµού Β. ύο quarks µπορούν να συνδυασθούν µε οµοπαράλληλο spin και να δώσουν ένα σωµατίδιο µε ακέραιο spin 1 ή µε αντιπαράλληλο spin και να σχηµατίσουν ένα σωµατίδιο µε spin 0. Κατά παρόµοιο τρόπο, τρία quarks µπορούν να συνδυασθούν έτσι ώστε να σχηµατίσουν σωµατίδια µε spin ½ ή 3/. Αρχικά τα σωµατίδια καταχωρήθηκαν σε τρεις κατηγορίες µε βάση τη µάζα τους 1. Λεπτόνια (ελαφρά σωµατίδια). Μεσόνια (ενδιάµεσα σωµατίδια) 3. Βαρυόνια (βαρέα σωµατίδια) Τα σωµατίδια επίσης διακρίνονται σε µποζόνια και φερµιόνια. Τα µποζόνια διαθέτουν ακέραιο ή µηδενικό spin. Τα φερµιόνια διαθέτουν ηµιπεριττό spin.

19 19 Πίνακας 5: Τα αδρόνια και οι ιδιότητές τους Όνοµα σωµατιδίου Σύµβολο σωµατιδίου Μάζα ηρεµίας (MeV/c ) Μέσος χρόνος ζωής (s) Τρόποι διάσπασης Περιεχόµενα quarks Μεσόνια Λόγος Q/e Spin Βαρυόνια Βαρυονικός αριθµός Β Παραδοξότητα S π γγ u u, d d π µ + ν µ u d π µ - ν µ u d Κ µ + ν µ us Κ µ - ν µ η ~10-18 γγ u s d u, d d, ss p ½ +1 0 Σταθερό --- uud n ½ p e - ν e udd Λ ½ p π ή uds n π 0 Σ ½ p π 0 ή uus n π + Σ ½ Λ 0 γ uds Σ ½ n π - dds Ξ ½ Λ 0 π 0 uss Ξ ½ Λ 0 π - dss / p π + uuu Ω / Λ 0 Κ - sss + Λ c ½ Σ + πππ udc

20 0 Πίνακας 6: Μερικά quarks και οι ιδιότητές τους Quarks Σύµβολο σωµατιδίου Λόγος Q/e Spin Βαρυονικός αριθµός Β Παραδοξότητα S u /3 1/ 1/3 0 d -1/3 1/ 1/3 0 s -1/3 1/ 1/3-1 c /3 1/ 1/3 0 b -1/3 1/ 1/3 0 t /3 1/ 1/3 0 Τα quarks αποτελούν τους δοµικούς λίθους των πρωτονίων και νετρονίων, όχι όµως των ηλεκτρονίων. Υπάρχουν έξι είδη quarks. Τα ονόµατά τους είναι (u) up, (d) down, (s) strange, (c) charm, (b) bottom, και (t) top. Αυτά δίνονται κατά τάξη βάρους, από τα ελαφρότερα προς τα βαρύτερα. Όλα τα quarks έχουν antiquarks. Τα antiquarks είναι αντίθετα των quarks. Τα quarks έχουν θετικά φορτία, ενώ τα antiquarks έχουν αρνητικά φορτία Quarks are the building blocks of protons, and neutrons, but not electrons. There are six kinds of quarks. There names are: up, down, strange, charm, bottom, and top. They are in order from lightest to heaviest in weight. All

21 1 Η ΘΕΩΡΙΑ ΤΗΣ ΜΕΓΑΛΗΣ ΕΚΡΗΞΗΣ ΚΑΙ ΤΟ ΙΑΣΤΕΛΛΟΜΕΝΟ ΣΥΜΠΑΝ Ας εξετάσουµε τώρα τη σχέση µεταξύ των θεωριών ανάπτυξης του σύµπαντος και των αλληλεπιδράσεων των θεµελιωδών σωµατιδίων. Για να γίνει αντιληπτή µια τέτοια σύγκριση θα πρέπει να είναι γνωστές οι διαστάσεις µεγεθών που συγκρίνονται. Έτσι, η εµβέλεια των αλληλοεπιδράσεων που λαµβάνονται υπόψη είναι της τάξης m και οι διαστάσεις του σύµπαντος είναι της τάξης 10 6 m. Είναι άξιο προσοχής συνεπώς ότι υπάρχει συσχετισµός µεταξύ αντικειµένων που κυµαίνονται σε µια περιοχή τάξεων µεγέθους. Από τις προαναφερθείσες αλληλεπιδράσεις, οι βαρυτικές αλληλεπιδράσεις συµβάλλουν σηµαντικά στην διαµόρφωση του σύµπαντος. Οι αλληλεπιδράσεις αυτές είναι απόρροια της νευτώνειας µηχανικής, που εφαρµόσθηκε σε πλανήτες και πλανητικά συστήµατα µέσα από τον νόµο της βαρύτητας. Έτσι, µέσα από µελέτες απλών συστηµάτων, όπως είναι οι διπλοί αστέρες, αναδεικνύεται η κίνηση των πλανητών γύρω από το κέντρο µάζας στο ηλιακό µας σύστηµα και αντικατοπτρίζεται εµφανώς η ύπαρξη βαρυτικών αλληλεπιδράσεων ως σηµαντικών παραγόντων στην διαµόρφωση των αστέρων, γαλαξιών και νεφελωµάτων. Με βάση την προαναφερθείσα αποδοχή, οι αστέρες, οι πλανήτες, και τα ηλιακά συστήµατα κινούνται το ένα σε σχέση µε το άλλο, ευρισκόµενα σε µια αέναη σχετική κίνηση. Άρα, το σύµπαν δεν µπορεί να είναι στατικό. Η µη στατικότητα, όµως, του σύµπαντος σε συσχετισµό µε την κίνηση συνεπάγεται είτε διαστολή είτε συστολή. Ποιο από τα δύο συµβαίνει? Η ύπαρξη βαρυτικών αλληλεπιδράσεων µεταξύ των αντικειµένων στο σύµπαν (αρχικά ευρισκόµενων σε ηρεµία) θα οδηγούσε κάποιον λογικά να σκεφθεί ότι τελικά η ανάπτυξη τέτοιων αλληλεπιδράσεων θα κατέληγε στην κατάρρευση του ενός πάνω στο άλλο, σχηµατίζοντας έτσι λόγω βαρύτητας ένα µεγάλο σωρό. Αυτό το ερώτηµα απασχόλησε ακόµη και τον ίδιο τον Νεύτωνα. Στην δεκαετία του 1930, οι έρευνες άρχισαν να αποδεικνύουν την µη στατικότητα του σύµπαντος και να καταγράφουν τις κινήσεις πλανητών και µακρινών γαλαξιών σχετικά µε τη Γη. Η καταγραφή αυτή της σχετικής κίνησης µακρινών ουράνιων συστηµάτων έγινε δυνατή µε τη βοήθεια της ανακάλυψης του φαινοµένου του Doppler (Σχήµα 11). Το φαινόµενο αυτό παρέχει τη δυνατότητα µέτρησης των µηκών κύµατος ακτινοβολίας που εκπέµπουν οι µακρινοί γαλαξίες.

22 Το αντικείµενο υποχωρεί (αποµακρύνεται) Μακρά ΚΟΚΚΙΝΑ κύµατα Το αντικείµενο πλησιάζει Βραχέα ΜΠΛΕ κύµατα Σχήµα 11. Το φαινόµενο Doppler Από το σχηµατικό αυτό διάγραµµα γίνεται κατανοητό ότι το φως από κινούµενα αντικείµενα (πηγές φωτός) εµφανίζεται να έχει διαφορετικά µήκη κύµατος ανάλογα µε τη σχετική κίνηση της πηγής και του παρατηρητή. Στην περίπτωση που ο ακίνητος παρατηρητής κοιτάζει ένα αντικείµενο να αποµακρύνεται από αυτόν, ο παρατηρητής βλέπει φως το οποίο έχει µεγαλύτερο µήκος κύµατος από ότι όταν αυτό εξεπέµπετο (ερυθρά µετατόπιση, red shift). Στην περίπτωση που ο ακίνητος παρατηρητής κοιτάζει την πηγή να πλησιάζει προς αυτόν, ο παρατηρητής βλέπει φως του οποίου το µήκος κύµατος µετατοπίζεται σε µικρότερα µήκη κύµατος (µπλε µετατόπιση, blue shift). Οι παρατηρούµενες µετατοπίσεις (Σχήµα 1) είναι προς την κατεύθυνση µικρών µηκών κύµατος, γεγονός που δείχνει ότι οι γαλαξίες φαίνονται να αποµακρύνονται από την Γη και ο ένας από τον άλλο. Η µαθηµατική σχέση που αναδύεται µέσα από την εφαρµογή του φαινοµένου του Doppler συσχετίζει το µήκος κύµατος λ του φωτός που εκπέµπεται από µια πηγή που αποµακρύνεται µε ταχύτητα v από ένα σταθερό παρατηρητή µε το µήκος κύµατος λ του φωτός που µετρείται στο σύστηµα ηρεµίας της πηγής.

23 3 Σχήµα 1. Σχηµατικό διάγραµµα κυµατικών µετατοπίσεων για διάφορα ουράνια σώµατα Το σχηµατικό αυτό διάγραµµα δείχνει έναν γαλαξιακό αστέρα στο αριστερό κάτω άκρο µε το φάσµα του στο δεξί κάτω άκρο. Το φάσµα δείχνει τις σκοτεινές γραµµές απορρόφησης που για πρώτη φορά είχαν ανακαλυφθεί από τον Fraunhofer. Οι γραµµές αυτές µπορούν να χρησιµοποιηθούν τόσο για την ταυτοποίηση χηµικών στοιχείων σε µακρινούς αστέρες όσο και για τον προσδιορισµό της ακτινικής τους ταχύτητας. Τα άλλα τρία φάσµατα και εικόνες από κάτω προς τα πάνω δείχνουν έναν κοντινό γαλαξία, έναν γαλαξία σε µεσαία απόσταση και έναν µακρινό γαλαξία, αντίστοιχα. Οι εικόνες στο αριστερό µέρος φυσικά είναι τα αρνητικά τους. Έτσι, τα λαµπρότερα τµήµατα των γαλαξιών είναι µαύρα. Αξίζει να δοθεί προσοχή στον τύπο των γραµµών απορρόφησης και πως ο κάθε τύπος γραµµών µετατοπίζεται προς το ερυθρό τµήµα του φάσµατος καθώς οι γαλαξίες γίνονται ολοένα και ασθενέστεροι (χρωµατικά). Οι αριθµοί που δίνονται στο διάγραµµα δηλώνουν τα µετρηθέντα µήκη κύµατος σε nm (1 nm = m). Σε έναν αστέρα, ο οποίος παραµένει ακίνητος σε σχέση µε εµάς (ακίνητος παρατηρητής ή πρότυπο εργαστήριο), τα µήκη κύµατος των γραµµών είναι 393 και 397 nm για το Ca(II). Για το ατοµικό υδρογόνο είναι 10, 3, 86 και 656 nm, για το ουδέτερο Mg είναι 518 nm και για το ουδέτερο άτοµο νατρίου Na είναι 589 nm. Μετρώντας το µέγεθος της µετατόπισης προς το ερυθρό τµήµα του φάσµατος µπορούµε να δούµε ότι ο λαµπρός γαλαξίας αποµακρύνεται µε ταχύτητα 3,000 km/sec, αριθµός που αποτελεί το 1% της ταχύτητας του φωτός. Αυτό συµβαίνει γιατί οι γραµµές του φάσµατος του συγκεκριµένου γαλαξία µετατοπίζονται σε µήκη κύµατος κατά 1% προς το ευρθρό τµήµα του φάσµατος. Η µαθηµατική σχέση που αναδύεται από την θεώρηση τoυ σχετικιστικού φαινοµένου Doppler είναι η εξής:

24 λ = λ0 c + v c - v Στη σχέση αυτή: λ είναι το µήκος κύµατος της ακτινοβολίας του φωτός από µια πηγή που αποµακρύνεται µε ταχύτητα v από τον παρατηρητή λ 0 είναι το µήκος κύµατος της ακτινοβολίας του φωτός που µετριέται στο σύστηµα ηρεµίας της πηγής και c είναι ταχύτητα του φωτός. Με βάση την προαναφερθείσα σχέση το µήκος κύµατος ακτινοβολίας αποµακρυνόµενης πηγής είναι πάντοτε µετατοπισµένο προς µεγαλύτερες τιµές. Το φαινόµενο αυτό ονοµάζεται µετατόπιση προς το ερυθρό. Η ταχύτητα αποµάκρυνσης µια πηγής δίνεται συνεπώς από την τροποποιηθείσα σχέση: λ ( ) λ0 v = λ ( ) λ 0 1 c + 1 Η εφαρµογή της σχέσης αυτής παρέχει σήµερα πληροφορίες για τη σχετική θέση γαλαξιακών συστηµάτων ως προς τον πλανήτη Γη και την ταχύτητα αποµάκρυνσής τους από αυτήν. Το φαινόµενο Hubble O Edwin Hubble µέτρησε την µετατόπιση της ακτινοβολίας προς το ερυθρό µέρος του φάσµατος για πολλά γαλαξιακά συστήµατα. Κατέληξε δε στο συµπέρασµα ότι: η ταχύτητα αποµάκρυνσης ενός γαλαξία είναι περίπου ανάλογη της απόστασης από τη Γη. Η σχέση αυτή ονοµάζεται νόµος του Hubble. Η µαθηµατική διατύπωση του νόµου αυτού αντικατοπτρίζεται µέσα από τη γραµµικότητα της εξίσωσης: v = H 0 r όπου Η 0 είναι µια εµπειρική σταθερά που ονοµάζεται σταθερά Hubble. Η σταθερά αυτή είναι κατά προσέγγιση Η 0 = s -1, δηλαδή έχει µονάδες αντίστροφου χρόνου. Όπως είναι φυσικό, η αβεβαιότητα στην εφαρµογή της µαθηµατικής διατύπωσης είναι αρκετά µεγάλη. Παρά ταύτα, η χρησιµότητά της είναι αδιαµφισβήτητα µεγάλη, ιδιαίτερα όταν ληφθεί υπόψη ο συσχετισµός της απόστασης που διανύει το φως σε ένα έτος µε την ταχύτητα του φωτός που είναι 300,000 km/s. Edwin Hubble το 1931 Με βάση τα προαναφερθέντα, η σταθερά Hubble µπορεί να εκφρασθεί σε µικτές µονάδες (m/s)/(έτος φωτός). H 0 = (m/s)/(έτος φωτός)

25 5 Τα τελευταία πειραµατικά δεδοµένα δείχνουν ότι η σταθερά Hubble µπορεί να µην είναι στην πραγµατικότητα σταθερά. Αυτό, όµως, χρήζει περαιτέρω εντρύφησης σε ερευνητικό επίπεδο. Η θεωρία Hubble αναδεικνύει και ένα άλλο σηµαντικό σηµείο. Οι γαλαξίες και οι αστέρες αποµακρύνονται από τον πλανήτη Γη ανεξάρτητα από την κατεύθυνση της παρατήρησης. ηλαδή, δεν έχει σηµασία από ποιο σηµείο του σύµπαντος γίνεται η παρατήρηση. Το σύµπαν σε µεγάλο βαθµό φαίνεται να είναι το ίδιο από όπου και αν το παρατηρήσουµε. Η παρατήρηση αυτή αποτελεί και την βασική κοσµολογική αρχή του σύµπαντος, µέσα από την οποία αναδύονται αναλλοίωτοι οι νόµοι της φυσικής. Προς τιµήν του µεγάλου αυτού ερευνητή δόθηκε το όνοµά του στο τηλεσκόπιο (Σχήµα 13) που βρίσκεται στο διάστηµα (έξω από την ατµόσφαιρα της Γης) και δίνει την ευκαιρία από τις παρατηρήσεις του να αποκτηθεί γνώση για το ηλιακό µας σύστηµα αλλά και άλλα γαλαξιακά συστήµατα κοιτάζοντας βαθειά µέσα στην άβυσσο του χρόνου. Σχήµα 13. Το τηλεσκόπιο Hubble στο διάστηµα

26 6 ΑΠΟ ΤΟΝ ΝΟΜΟ ΤΟΥ Hubble ΣΤΗ ΜΕΓΑΛΗ ΕΚΡΗΞΗ Η θεωρία του Hubble οδηγεί στο λογικό συµπέρασµα ότι σε κάποια χρονική στιγµή στο παρελθόν, θα πρέπει όλη η ύλη του σύµπαντος να ήταν συγκεντρωµένη σε µια µικρή περιοχή. Από την κατάσταση εκείνη, η ύλη του σύµπαντος βρέθηκε σήµερα να έχει διασκορπιστεί προς κάθε κατεύθυνση µέσω µιας µεγάλης έκρηξης. Άρα, εµφανίζεται το σύµπαν να ακολουθεί µια διαδικασία διαστολής!!! Η έκρηξη αυτή φέρεται ως Μεγάλη Έκρηξη, µια διαδικασία µέσω της οποίας η παρατηρήσιµη σήµερα ύλη απέκτησε τις θέσεις και ταχύτητες που διαθέτει σήµερα. Σε ποια χρονική στιγµή, όµως, συνέβη το γεγονός αυτό? Ο νόµος του Hubble προβλέπει ότι η ύλη που βρίσκεται σε απόσταση r από τον πλανήτη Γη κινείται µε ταχύτητα v = H 0 r. Ο χρόνος t που απαιτείται για να διανυθεί η απόσταση r είναι: t = r v = r H 0 = r 1 H 0 = s = years Με βάση συνεπώς τη θεωρία Hubble, η έναρξη της δηµιουργίας του σύµπαντος ξεκίνησε περίπου 18 δισεκατοµµύρια έτη. Φυσικά, ο χρόνος αυτός είναι προσεγγιστικός καθόσον σηµαντικοί παράγοντες, όπως η επιβράδυνση λόγω βαρυτικών έλξεων και άρα η µέση πυκνότητα της ύλης, δεν λαµβάνονται υπόψη. ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΤΗΣ ΙΑΣΤΟΛΗΣ ΤΟΥ ΧΩΡΟΥ Στην προαναφερθείσα θεώρηση του νόµου του Hubble η αποδιδόµενη διαστολή του σύµπαντος σχετίζεται άµεσα µε την αποµάκρυνση ουράνιων σωµάτων (αστέρων, γαλαξιών, κ.ά.) από τον πλανήτη Γη και εµφανίζεται ως µετρήσιµο µέγεθος µε τη µετατόπιση Doppler. Στην γενική θεωρία, όµως, της σχετικότητας η διαστολή αυτή στην πραγµατικότητα οφείλεται στη διαστολή του ίδιου του χώρου. Συνεπώς, η κατανόηση του φαινοµένου αυτού απαιτεί την δέουσα προσοχή και εντρύφηση. Ας παρακολουθήσουµε λοιπόν το εξής φαινόµενο. Αν υποτεθεί ότι ένα σκαθάρι βρίσκεται σε µια επιφάνεια, τότε αυτό µπορεί να συρθεί-κινηθεί µόνο πάνω στην επιφάνεια αυτή. εν µπορεί να ξεφύγει από αυτήν, δεν µπορεί να κοιτάξει πάνω ή κάτω. Μπορεί να κοιτάξει µόνο µπροστά. Με λίγα λόγια πρόκειται για κίνηση σε έναν δισδιάστατο χώρο. Αν η επιφάνεια είναι επίπεδη, τότε η θέση του σκαθαριού καθορίζεται από τις καρτεσιανές συντεταγµένες (x,y). Αν η επιφάνεια εκτείνεται στο άπειρο προς τις δύο κατευθύνσεις x και y, τότε ο χώρος αυτός δεν έχει όρια. Όσο και αν κινείται-προχωρεί το σκαθάρι στον δισδιάστατο αυτό χώρο δεν καταλήγει σε κάποιο σηµείο ή άκρο. Ένας εναλλακτικός χώρος δράσης θα µπορούσε να είναι η επιφάνεια µιας σφαίρας. µε ακτίνα R. Στην περίπτωση αυτή ο χώρος θα φαινόταν και πάλι άπειρος µε την έννοια ότι όσο και να κινείται το σκαθάρι πάνω στην επιφάνεια του χώρου αυτού δεν θα κατέληγε σε κάποιο σηµείο. Η διαφορά, όµως, από τον προαναφερθέντα επιπεδότοπο είναι ότι ο σφαιρικός αυτός χώρος είναι πεπερασµένος. Για να περιγραφεί η θέση του σκαθαριού στον χώρο αυτό απαιτούνται το γεωγραφικό πλάτος και µήκος ή εναλλακτικά οι σφαιρικές συντεταγµένες θ και φ.

27 7 Με βάση τα προαναφερθέντα, φαντασθείτε τώρα ότι η σφαίρα για την οποία εγένετο λόγος είναι ένα σφαιρικό µπαλόνι (Σχήµα 1). Αυτό το µπαλόνι µπορεί να φουσκωθεί. Καθώς, λοιπόν, φουσκώνει το µπαλόνι αυξάνει η ακτίνα και άρα η παράµετρος R. Πάρα ταύτα, όµως, δεν µεταβάλλονται οι συντεταγµένες ενός συγκεκριµένου σηµείου, ενώ η απόσταση µεταξύ δύο σηµείων αυξάνει. Περαιτέρω, καθώς αυξάνεται η παράµετρος R, ο ρυθµός µεταβολής της απόστασης µεταξύ δύο σηµείων (δηλαδή η σχετική ταχύτητα αποµάκρυνσής τους) είναι ανάλογος της αρχικής τους απόστασης. Η εξακρίβωση, όµως, αυτή συµβαδίζει µε τη θεωρία και τον νόµου του Hubble. Παραδείγµατος Χάριν: Η απόσταση Θεσσαλονίκης - Αλεξανδρούπολης είναι (330 km), διπλάσια από την απόσταση µεταξύ Θεσσαλονίκης-Καβάλας (165 km). Αν η Γη άρχιζε να φουσκώνει, τότε η Θεσσαλονίκη θα αποµακρυνόταν από την Αλεξανδρούπολη µε διπλάσια ταχύτητα από εκείνη µε την οποία αποµακρύνεται η Καβάλα. Συνεπώς, η παράµετρος R δεν είναι συντεταγµένη µεν, αλλά συµβάλλει στους υπολογισµούς των αποστάσεων. Εκφράζει στην ουσία την καµπυλότητα ενός δεδοµένου χώρου και έτσι αποτελεί µεταβαλλόµενο παράγοντα κλίµακας που αλλάζει καθώς το δισδιάστατο σύµπαν διαστέλλεται. Αξίζει να σηµειωθεί ότι υπό την θεώρηση αυτή το ίδιο το φαινόµενο Doppler είναι φυσικό επακόλουθο του περιγραφέντος φαινοµένου. Συγκεκριµένα, προκύπτει από το ίδιο το φαινόµενο ότι το µήκος κύµατος του φωτός αυξάνεται καθώς το ίδιο το σύµπαν διαστέλλεται (µετατόπιση στο ερυθρό). Στην περαιτέρω θεώρηση του χώρου τριών διαστάσεων τα πράγµατα αλλάζουν. Εκεί, θα πρέπει να θεωρηθεί ότι ο τρισδιάστατος χώρος αποτελεί µέρος ενός άλλου χώρου µε τέσσερις ή και περισσότερες διαστάσεις (όπως η δισδιάστατη επιφάνεια αποτελεί µέρος ενός γενικότερου τρισδιάστατου χώρου). Ο πραγµατικός τρισδιάστατος χώρος δεν είναι καρτεσιανός. Η περιγραφή των χαρακτηριστικών µιας συγκεκριµένης περιοχής χρήζει της εµπλοκής της καµπυλότητας του χώρου που στην προκειµένη περίπτωση είναι ο παράγων R. η ακτίνα της σφαίρας. Έτσι, αυτός ο παράγοντας κλίµακας περιγράφει το µέγεθος του σύµπαντος όπως ακριβώς η ακτίνα R περιγράφει την ακτίνα του δισδιάστατου σφαιρικού µας σύµπαντος. Εν τέλει, η θεώρηση της διαστολής του σύµπαντος µέσα από την προηγούµενη περιγραφή µας ανατρέχει στην κατάσταση που επικρατούσε στην ύλη σε µια µικρή περιοχή ή ένα σηµείο. Εκείνη η περιοχή ήταν τότε το σύµπαν. Από εκείνη δε την κατάσταση µέχρι σήµερα εκείνο που έχει συµβεί είναι όχι διαστολή της ύλης στο χώρο αλλά διαστολή του χώρου που περιείχε την ύλη.

28 Σχήµα 1: (Α) Τα σηµεία της επιφάνειας του σφαιρικού µπαλονιού περιγράφονται από τις συντεταγµένες του γεωγραφικού µήκους και πλάτους τους. (Β). Η ακτίνα του µπαλονιού διπλασιάσθηκε. Οι συντεταγµένες είναι οι ίδιες, αλλά η απόσταση αυξήθηκε. 8

29 9 ΤΟ ΣΗΜΕΙΟ ΜΗ ΕΝ - Η ΑΡΧΗ ΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ Οι προαναφερθείσες θεωρίες και τα µέχρι τώρα πειραµατικά δεδοµένα ρίχνουν άπλετο φως σε µερικές µόνον πτυχές της έναρξης κοσµογονίας. υστυχώς, το µεγαλύτερο µέρος αυτής της πολύπλοκης διαδικασίας εξακολουθεί να είναι σκοτεινό και αποτελεί το µεταίχµιο ερευνητικών δραστηριοτήτων σε πολλά πεδία φυσικής και χηµείας. Θα πρέπει, λοιπόν, να αναφερθούµε στην περίπτωση αυτή στην αλληλεπίδραση µεταξύ θεµελιωδών σωµατιδίων και µέσα από οργανωµένες φυσικές διεργασίες που διέπονται από θερµοδυναµικές αρχές να αναζητήσουµε απαντήσεις σε πολλά από τα ερωτήµατά της. Τα ερωτήµατα αυτά σχετίζονται µε την αρχή του χρόνου την έναρξη της κοσµογονικής διαδικασίας. Ποιες συνθήκες επικρατούσαν στα αρχικά στάδια του σύµπαντος? Το σύµπαν ήταν αρκετά συµπυκνωµένο και θερµό. Η µέσες ενέργειες των σωµατιδίων ήταν πολύ µεγάλες, πολλές τάξεις µεγέθους µεγαλύτερες από εκείνες που διαθέτουν τα σωµατίδια στο σηµερινό σύµπαν. Ο άµεσος συσχετισµός ενέργειας και θερµοκρασίας διαφαίνεται από την µαθηµατική σχέση Ε = 3/kΤ όπου κ είναι η σταθερά Boltzmann, η οποία συχνά εκφράζεται σε µονάδες ev/k. k = ev/k Συνήθως, όταν γίνεται συγκριτική αναφορά µεγεθών, παραλείπεται ο παράγοντας 3/ στην εξίσωση ή εναλλακτικά προσεγγίζεται το 3k/ µε το 10 - ev/k. Η εξέλιξη των γεγονότων σε συσχετισµό µε τις αλληλεπιδράσεις Σύµφωνα µε τις θεωρίες διαστολής του χρόνου που προαναφέρθηκαν, η εξελικτική πορεία του σύµπαντος είναι συνδεδεµένη µε α) την γραµµική µεταβολή του παράγοντα κλίµακας R. Ο παράγοντας αυτός µπορεί να θεωρηθεί ότι αντικατοπτρίζει σε ένα βαθµό το µέγεθος του σύµπαντος, και β) την µείωση της µέσης πυκνότητας ύλης. Στα πλαίσια µιας τέτοιας διασταλτικής διαδικασίας γένεσης, η ολική βαρυτική δυναµική ενέργεια αυξανόταν µε αντίστοιχη µείωση της θερµοκρασίας και µέσης ενέργειας των σωµατιδίων. Καθόσον συνέβαινε αυτό, ελάµβανε χώρα µια σταδιακή αποσύζευξη των βασικών αλληλεπιδράσεων που προαναφέρθηκαν ότι αναπτύσσονται µεταξύ θεµελιωδών σωµατιδίων (Σχήµα 15). Αυτή η αλληλουχία καταστάσεων µε εξάρτηση από τις βασικές αλληλεπιδράσεις γίνεται αντιληπτή από το γεγονός ότι η ενοποίηση της ηλεκτροµαγνητικής αλληλεπίδρασης µε την ασθενή αλληλεπίδραση πραγµατοποιείται σε ενέργειες αρκετά µεγάλες, ώστε να είναι συγκριτικά ασήµαντες οι διαφορές µαζών των µποζονίων µε spin 1, που είναι οι φορείς των αλληλεπιδράσεων αυτών. Ο φορέας των ηλεκτροµαγνητικών αλληλεπιδράσεων είναι το φωτόνιο, το οποίο έχει µηδενική µάζα. Από την άλλη πλευρά, οι φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης είναι τα µποζόνια W ± και Ζ 0 που διαθέτουν µάζες της τάξης των 90 GeV/c. Έτσι, σε ενέργειες µικρότερες από 90 GeV οι αλληλεπιδράσεις φαίνονται να είναι πολύ διαφορετικές, αλλά σε ενέργειες πολύ µεγαλύτερες από 90 GeV ενοποιούνται σε µια και µόνο αλληλεπίδραση, την ηλεκτρασθενή.

30 30 Σύµφωνα µε τις Θεωρίες της Μεγάλης Ενοποίησης, η ισχυρή αλληλεπίδραση ενοποιείται µε την ηλεκτρασθενή αλληλεπίδραση σε ενέργειες της τάξης 10 GeV/c, αλλά σε χαµηλότερες ενέργειες οι δύο αλληλεπιδράσεις εµφανίζονται να είναι τελείως διακριτές. Το παράδοξο είναι ότι οι θεωρίες που υφίστανται και αναφέρονται σήµερα ως οι κρατούσες εξακολουθούν και χρησιµοποιούνται ως παραδεκτές, καθόσον δεν υπάρχει πειραµατικός τρόπος ελέγχου αυτών στις εξεταζόµενες περιοχές ενέργειας, όταν µάλιστα αυτές βρίσκονται 11 τάξεις µεγέθους µακράν εκείνων που είναι εφικτό να παραχθούν κάτω από εργαστηριακές συνθήκες. Έτσι, σε πολύ υψηλές ενέργειες και άρα σε πολύ µικρές αποστάσεις, υποτίθεται ότι και η βαρυτική αλληλεπίδραση ενοποιείται µε τις άλλες τρεις (ισχυρή, ηλεκτροµαγνητική και ασθενή). Ποια, όµως, είναι η απόσταση που θα µπορούσε να λάβει χώρα ένα γεγονός όπως αυτό που περιγράφεται από τη Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης? Η απόσταση αυτή είναι της τάξης m και ονοµάζεται µήκος Planck l p Το µήκος αυτό προσδιορίζεται από την ταχύτητα του φωτός και από τις θεµελιώδεις σταθερές της κβαντοµηχανικής h/π και της βαρύτητας G. Συγκεκριµένα, το µήκος Planck ορίζεται ως: l p G = h 3 c = h όπου h = και c η ταχύτητα διάδοσης του φωτός π Ο χρόνος Planck t p =l p /c είναι ο χρόνος που χρειάζεται το φως για να διανύσει την απόσταση l p. Άρα, 35 m t p lp = c = hg 5 c = s Άρα, αν προχωρήσουµε µέσα στο χρόνο προς τα πίσω, θα φθάσουµε στον χρόνο s. Ο αριθµός αυτός προτείνει ότι δεν είναι γνωστό ποια ήταν η συµπεριφορά του σύµπαντος (τι συνέβη?) προ του χρόνου αυτού, όταν το µέγεθος του σύµπαντος ήταν µικρότερο από το µήκος Planck l p.

31 Σχήµα 15: ιάγραµµα χρόνων και αποσύζευξης των διαφόρων βασικών αλληλεπιδράσεων. Η ενέργεια παρουσιάζεται να µειώνεται καθώς η ηλικία του σύµπαντος αυξάνεται 31

32 3 ΤΟ ΚΑΘΙΕΡΩΜΕΝΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΓΕΝΕΣΗΣ ΤΟΥ ΣΥΜΠΑΝΤΟΣ Η ανάπτυξη κοσµολογικών θεωριών για την δηµιουργία του σύµπαντος κατέχει ιδιαίτερη θέση στην σύγχρονη επιστηµονική έρευνα. Εξέχουσα θέση µεταξύ των κρατουσών θεωριών έχει η θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης (Big Bang Theory). Σύµφωνα µε τη θεωρία αυτή, µια απίστευτα µικρή συσσώρευση µάζας-ενέργειας (πολύ πιθανώς µια τόσο µικρή σε µέγεθος που διαθέτει ακτίνα όχι µεγαλύτερη από 0.01 mm και πυκνότητα ενέργειας τόσο µεγάλη που αντιστοιχεί σε θερµοκρασία ~10 3 Κ) ξαφνικά άρχισε να διαστέλλεται αδιαβατικά. Σύµφωνα µε το µοντέλο αυτό, σχεδόν όλη η αρχική µάζα-ενέργεια υπήρχε µε τη µορφή ακτινοβολίας, της οποίας η δραστική µάζα θα µπορούσε να υπολογισθεί µε βάση την εξίσωση σχετικότητας του Einstein E = mc. Κατά τη διάρκεια της αδιαβατικής εκτόνωσης, η θερµοκρασία έπεσε απότοµα. Για χρόνο περίπου sec (µsec), πρωτόνια και αντιπρωτόνια συνυπήρχαν σε αφθονία λόγω του γεγονότος ότι η πυκνότητα θερµικής ενέργειας ήταν µεγαλύτερη από αυτήν που απαιτείται για την δηµιουργία ενός τέτοιου ζεύγους. Μετά την πάροδο του πρώτου µsec, σχεδόν όλα τα ζεύγη πρωτονίων-αντιπρωτονίων εξαφάνισαν το ένα το άλλο, αφήνοντας µια µικρή περίσσεια πρωτονίων και ίσως νετρονίων, πληµµυρισµένων από ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια (ένα άλλο ζεύγος ύληςαντιύλης η µικρότερη µάζα του οποίου επέτρεψε την ύπαρξη σταθερών ζευγών έως ότου η ψύξη προχώρησε σε µεγαλύτερο βαθµό). Ας εξετάσουµε, όµως, εµπεριστατωµένα την όλη διαδικασία µε βάση το αποδεκτό σήµερα µοντέλο που αναδύεται από ποικίλες θεωρίες, οι οποίες βασίζονται σε έγκυρα πειραµατικά δεδοµένα (στο βαθµό που αυτό είναι επιτεύξιµο σε ένα εργαστήριο της τρέχουσας τεχνολογίας σωµατιδιακής φυσικής). Στο καθιερωµένο αυτό µοντέλο της Μεγάλης Έκρηξης, η θερµοκρασία του σύµπαντος τη χρονική στιγµή t = 10-3 s (χρόνος Planck) ήταν περίπου 10 3 Κ. Με βάση την εξίσωση Ε = 3 κ T = (10 - ev/k) (10 3 K) = GeV Στις θεωρίες ενοποίησης, αυτή είναι περίπου η ενέργεια κάτω από την οποία η βαρύτητα αρχίζει να συµπεριφέρεται ως ξεχωριστή αλληλεπίδραση. Αυτός ο χρόνος σηµατοδοτεί την αρχή της περιόδου των Θεωριών Μεγάλης Ενοποίησης (Grand Unified Theories). Κατά την περίοδο της GUT, περίπου από t = 10-3 sec µέχρι t = sec, η ισχυρή και η ηλεκτρασθενής δύναµη εξακολουθούν να είναι ενοποιηµένες. Το σύµπαν την περίοδο αυτή συνίσταται από ένα µίγµα από quarks και λεπτόνια, τα οποία µετασχηµατίζονται µεταξύ τους µε ταχείς ρυθµούς, έτσι ώστε να είναι αδύνατος ο διαχωρισµός ανάµεσα στα δύο αυτά είδη σωµατιδίων. Κατά τη διάρκεια της περιόδου αυτής ο βαρυονικός αριθµός δεν διατηρείται. Έτσι, προς το τέλος της περιόδου αυτής οι αριθµοί των quarks και λεπτονίων ενδέχεται να µη είναι οι ίδιοι. Το ενδεχόµενο αυτό έχει σηµαντικές συνέπειες. Σε χρόνο t = s, η θερµοκρασία είχε ελαττωθεί στους 10 7 Κ και η µέση ενέργεια ήταν 10 1 GeV. Στο ενεργειακό αυτό επίπεδο η ισχυρή δύναµη διαχωρίσθηκε από την ηλεκτρασθενή, µε τον βαρυονικό Β και λεπτονικό L αριθµό να διατηρούν την διακριτότητά τους. Σύµφωνα µε αρκετά µοντέλα θεωριών (που

33 33 αποκαλούνται πληθωριστικά µοντέλα) ο διαχωρισµός των δύο δυνάµεων ήταν αποφασιστικής σηµασίας, σε βαθµό που να ισοδυναµεί µε αλλαγή φάσης (κατ αναλογία π.χ. µε την διεργασία βρασµού συνοδευόµενης από κάποια εξάτµιση θερµότητας). Σε µια τέτοια διεργασία η εξάτµιση ισοδυναµεί µε εξάτµιση ενός βαρέος πυρήνα. Κατά τη διάρκειά της, λαµβάνει χώρα αποµάκρυνση σωµατιδίων από ένα βαρύ πυρήνα, πέραν της µικρής ακτίνας της πυρηνικής δύναµης. Στα πλαίσια µιας τέτοιας αλλαγής φάσης, έλαβε χώρα µια ταχύτατη διαστολή του σύµπαντος. Σε χρόνο t = 10-3 s, το σύµπαν ήταν ένα µίγµα από quarks, λεπτόνια και µποζόνια. Το σύµπαν συνέχισε να διαστέλλεται και να ψύχεται από την πληθωριστική περίοδο µέχρι τον χρόνο t = 10-6 sec, οπότε η θερµοκρασία έπεσε στους Κ και η µέση ενέργεια περίπου στο 1 GeV. Η ενέργεια αυτή είναι συγκρίσιµη µε την ενέργεια ηρεµίας νουκλεονίου. Στο χρονικό αυτό διάστηµα τα νουκλεόνια άρχισαν να σχηµατίζουν δεσµικές καταστάσεις και να δηµιουργούν νουκλεόνια και αντινουκλεόνια. Μέχρι τα 10 - sec, υπήρχαν ακόµη αρκετά φωτόνια µε ενέργεια 1 GeV, η οποία είναι αρκετή για τη φωτοπαραγωγική δηµιουργία ζευγών νουκλεονίωναντινουκλεονίων και την παρεµπόδιση εξαΰλωσης των ζευγών αυτών. Υπήρχε µια µικρή περίσσεια νουκλεονίων έναντι αντινουκλεονίων, οπότε όλα τα αντινουκλεόνια και πολλά νουκλεόνια εξαϋλώθηκαν µεταξύ τους. Αργότερα φθάσαµε σε µια παρόµοια κατάσταση ισορροπίας φωτοπαραγωγής και εξαΰλωσης ζευγών ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου (e - -e + ). Σε χρόνο 1 s η µέση ενέργεια έπεσε κοντά στο 1 MeV, κάτω από το κατώφλι παραγωγής ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου. Μόλις σταµάτησε η παραγωγή ζευγών, όλα τα ποζιτρόνια εξαϋλώθηκαν, µε αποτέλεσµα να παραµείνουν στο σύµπαν περισσότερα πρωτόνια (p) και ηλεκτρόνια (e - ) από τα αντίστοιχα αντισωµατίδια. Μέχρι τον χρόνο 1 s, µπορούσαν να παραχθούν νετρόνια (n) σύµφωνα µε την παρακάτω αντίδραση: όπου 0 e 1 + p ( 1 1 H ) 1 0 n + ν e 0 1 είναι το ηλεκτρόνιο e p ( 1 1 H ) είναι το πρωτόνιο 1 0 n είναι το νετρόνιο ν e είναι το νετρίνο του ηλεκτρονίου Στην εξίσωση αυτή, ο δείκτης υποδεικνύει τον ατοµικό αριθµό (µονάδες θετικού φορτίου) και ο εκθέτης υποδεικνύει τις µονάδες ατοµικής µάζας, αγνοώντας διαφορές που αναδύονται από την απελευθέρωση πυρηνικής ενέργειας σύνδεσης (nuclear binding energy) Μετά τον χρόνο αυτό, τα περισσότερα ηλεκτρόνια δεν είχαν την ενέργεια να προκαλέσουν την αντίδραση αυτή. Μειώθηκε επίσης και η µέση ενέργεια των νετρίνων (ν) και καθώς το σύµπαν εξακολουθούσε να διαστέλλεται δεν µπορούσαν να πραγµατοποιηθούν αντιδράσεις ισορροπίας µε απορρόφηση νετρίνων. Ταυτόχρονα, η ροή νετρίνων (ν) και αντινετρίνων (ν ) αποσυζεύχθηκε από το υπόλοιπο σύµπαν. Η ροή αυτή εξακολουθεί να υφίσταται ακόµη και σήµερα παρά

34 3 την ψύξη λόγω διαστολής του σύµπαντος. Το σηµερινό µοντέλο πρόβλεπε ότι η θερµοκρασία των νετρίνων είναι περίπου Κ, αν και πειράµατα εξακρίβωσης της πρόβλεψης αυτής αποτελούν ακόµη και σήµερα ερευνητική πρόκληση. Σε χρόνο t = 1s, ο λόγος του αριθµού των πρωτονίων προς τον αριθµό των νετρονίων καθοριζόταν από την κατανοµή Boltzmann, e - Ε/kΤ, όπου η διαφορά Ε είναι η διαφορά ενέργειας ηρεµίας νετρονίου και πρωτονίου (~1.9 MeV), δηλαδή το ενεργειακό ισοδύναµο της διαφοράς µάζας τους. Με άλλα λόγια κάτω από τις συνθήκες αυτές, πρωτόνια και νετρόνια αλληλοµετατρεπόταν µέσα σε ένα είδος ισορροπίας που καθοριζόταν από την ενεργειακή κατανοµή Boltzmann. Αυτή η αλληλοµετατροπή συνέβαινε για πιθανώς τα πρώτα s, χρόνο κατά τη διάρκεια του οποίου η θερµοκρασία έπεσε στους Κ. Σε θερµοκρασία Κ βρίσκονται περίπου.5 φορές περισσότερα πρωτόνια από νετρόνια. Κάτω από τη θερµοκρασία αυτή, ηλεκτρόνια και ποζιτρόνια αλληλοκαταστρέφονται, παγώνοντας έτσι την ισορροπία πρωτονίων-νετρονίων σε περίπου 5% νετρόνια και 75% πρωτόνια. Μέχρι τη χρονική αυτή στιγµή, δεν υπήρχαν πολύπλοκοι πυρήνες, καθόσον η ενέργεια της ροής ακτινοβολίας ήταν κατά πολύ υψηλότερη από εκείνη που απαιτείται για την διάσπαση όποιων πυρήνων θα µπορούσαν να είχαν σχηµατισθεί. Τα ελεύθερα, όµως, νετρόνια διασπώνται αυθόρµητα σε πρωτόνια (µε χρόνο υποδιπλασιασµού 616 s). Αυτή η διάσπαση προκάλεσε αύξηση του λόγου πρωτονίων-νετρονίων µέχρι των χρόνο t = 5 s. Στον χρόνο αυτό η θερµοκρασία ήταν 10 9 Κ και η µέση ενέργεια είχε πέσει στα MeV. Η ενέργεια αυτή είναι κρίσιµη καθόσον βρίσκεται πολύ κοντά στην ενέργεια σύνδεσης του δευτερίου (δεσµικής κατάστασης πρωτονίου και νετρονίου) που είναι. MeV. Καθώς η ενέργεια µειωνόταν, ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο µπορούσαν να σχηµατίσουν ένα δευτέριο, ενώ είχαν µείνει πολύ λίγα φωτόνια µε ενέργεια. MeV ικανά να προκαλέσουν τη διάσπαση δευτερίου ( H 1 = 1D). Θα µπορούσε συνεπώς να γραφεί µια αντίδραση για τον σχηµατισµό του πυρήνα δευτερίου από ένα πρωτόνιο και ένα νετρόνιο. p ( 1 1 H ) + n 1 0 H 1D 1 = +. MeV Έτσι, η σύζευξη πρωτονίων και νετρονίων συνέβαλε στην παύση της διάσπασης ελεύθερων νετρονίων. Ο χρόνος t = 5 s ήταν σταθµός στην ανάπτυξης της πυρηνικής σύνθεσης, καθόσον σηµάδεψε την αρχή της περιόδου σχηµατισµού πυρήνων. Στον χρόνο αυτό, ο λόγος πρωτονίων προς νετρόνια ήταν 7:1. Το δευτέριο µπορεί να απορροφήσει ένα νετρόνιο και να σχηµατίσει τρίτιο ( 3 1 H) σύµφωνα µε την αντίδραση H 1 = 1D n 3 1 H ή να απορροφήσει ένα πρωτόνιο και να σχηµατίσει έναν πυρήνα ηλίου ( He 3 ).