Πώς θα γίνουν οι μελλοντικές ανακαλύψεις στη Φυσική
Τι έρχεται μετά την εποχή των γιγάντιων επιταχυντών; Μπορεί το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων να έχει εξηγήσει ένα μεγάλο φάσμα φαινομένων με εκπληκτική ακρίβεια, ωστόσο πολλά ερωτήματα παραμένουν ακόμα αναπάντητα: Τι είναι η σκοτεινή ύλη; Γιατί η βαρύτητα είναι τόσο ασθενής δύναμη σε σχέση με τις άλλες; Γιατί το σύμπαν είναι τόσο αχανές;
Σύμφωνα με τον Σάββα Δημόπουλο, τα περισσότερα που έχουμε μάθει στη φυσική τα τελευταία 80 χρόνια ήταν διαμέσου ερευνών από μεγάλες συνεργασίες φυσικών. Τώρα μεταβαίνουμε σε μια νέα εποχή όπου η έρευνα γίνεται με μικρότερες ερευνητικές ομάδες, οι οποίες αγωνίζονται να βρούν απαντήσεις σε αναπάντητα μέχρι σήμερα θεμελιώδη ερωτήματα.
Ξεκινά την ομιλία του με το ερώτημα «τι είναι η Φυσική;«, αναφέροντας την ετυμολογία της λέξης από την ελληνική λέξη «Φύσις» και εξηγώντας πως ο σκοπός της Φυσικής είναι να οικοδομήσει μια θεωρία που να εξηγεί τα πάντα στο σύμπαν. Η Φυσική χρησιμοποιεί δύο βασικά εργαλεία για να το κάνει αυτό. Το ένα είναι τα μαθηματικά και το άλλο το πείραμα. Και τα δύο είναι εξίσου σημαντικά. Τα μαθηματικά είναι απλώς η έκφραση των φυσικών νόμων με μαθηματικούς τύπους. Και ο σκοπός του πειράματος είναι να καταλάβουμε τι είναι στην πραγματικότητα είναι αληθινό μέσω της παρατήρησης.
Αναφέρεται στους Πυθαγόρειους που συνειδητοποίησαν ότι τα μαθηματικά είναι σχετικά με τη φύση υποστηρίζοντας πως ο θεός γεωμετροποιεί τα πάντα. Και μας υπενθυμίζει τον Eugene Wigner που το 1960 έγραψε ένα πολύ ωραίο δοκίμιο με τίτλο «Η παράλογη αποτελεσματικότητα των μαθηματικών στις φυσικές επιστήμες». Τα μαθηματικά είναι ένα υπέροχο δώρο, για εμάς τους μικροσκοπικούς ανθρώπους πάνω σε έναν μικροσκοπικό βράχο, ενός απέραντου σύμπαντος. Μπορούμε να καταλάβουμε τα μαθηματικά, να κατανοήσουμε τη γλώσσα της φύσης και να καταλάβουμε τι συμβαίνει παντού στο σύμπαν. Τα μαθηματικά δεν είναι μόνο η γλώσσα της φύσης. Είναι σαν να έχεις έναν εξαιρετικά ισχυρό φίλο. Αν του δώσετε τους σωστούς κανόνες και κάνετε μια καλά καθορισμένη ερώτηση, θα σας δώσει την απάντηση. Όσο πιο ακριβής είναι η ερώτηση, τόσο πιο ακριβής θα είναι η απάντηση που θα πάρετε. Είναι λοιπόν ένα θαυματουργό εργαλείο. Είναι θεϊκό. Και η δύναμη των μαθηματικών έχει κάνει τους φυσικούς να λατρεύουν τα μαθηματικά. Αλλά, υπάρχει και κάτι που είναι εξίσου σημαντικό με τα μαθηματικά (ή τη θεωρία), κι αυτό είναι το πείραμα. Μάλιστα το πείραμα έχει και τον τελευταίο λόγο.
Ο Richard Feynman, είχε πει, ότι, δεν έχει σημασία πόσο όμορφες είναι οι θεωρίες σας. Δεν έχει σημασία πόσο έξυπνοι είστε. Αν δεν συμφωνoύν με το πείραμα, είναι λάθος. Και βέβαια, η Φυσική χωρίς πειραματική επιβεβαίωση δεν περιγράφει πραγματικά τη φύση. Είναι το «εύρηκα» του Αρχιμήδη. Αλλά και ο Αρχιμήδης, όπως και ο Ερατοσθένης που μέτρησε την ακτίνα της Γης πριν από 2400 χρόνια, ήταν στην πραγματικότητα μαθηματικοί. Ο Νεύτωνας ήταν θεωρητικός και έκανε επίσης πειράματα π.χ. στην οπτική. Ένα αντίθετο παράδειγμα σε αυτόν τον κανόνα είναι ο Faraday. Ο Faraday δεν ανήκε στη βρετανική αριστοκρατία. Έτσι, δεν έμαθε λογισμό, δεν έμαθε τριγωνομετρία, αλλά ήταν αναμφισβήτητα ένας από τους μεγαλύτερους πειραματιστές όλων των εποχών. Ανακάλυψε πολλές πτυχές του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού και εισήγαγε την έννοια του πεδίου. Ο τρόπος που κατανοούσε την Φυσική ήταν διαισθητικός.
Μέχρι τη δεκαετία το 1940, πολλοί από τους μεγάλους φυσικούς όπως ο Fermi, ήταν ταυτόχρονα θεωρητικοί και πειραματιστές. Αλλά, όλα τα πειράματα μέχρι τότε ήταν πειράματα μικρής κλίμακας. Η μετάβαση στην εποχή της μεγάλης επιστήμης ξεκίνησε με το Manhattan project το 1942. Έκτοτε ο κόσμος κατάλαβε ότι η επιστήμη είναι σημαντική και άρχισε να διοχετεύεται σ’ αυτή μεγάλη χρηματοδότηση. Το αποτέλεσμα, ήταν να κατασκευάζονται όλο και μεγαλύτερες πειραματικές διατάξεις.
Έτσι, ενώ οι επιταχυντές αρχικά ξεκίνησαν ως πειραματικές διατάξεις μερικών δεκάδων εκατοστών, σήμερα ο μεγαλύτερος επιταχυντής στον κόσμο έχει διάμετρο 27 χιλιόμετρα. Είναι ο Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων στη Γενεύη της Ελβετίας, τα πειράματα του οποίου ολοκλήρωσαν αυτό που ονομάζεται Καθιερωμένο Πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής. Καθώς επιτυγχάνονταν όλο και μεγαλύτερες ενέργειες στους επιταχυντές σωματιδίων, μελετήθηκαν φαινόμενα που αφορούν όλο και περισσότερα υποπυρηνικά συστατικά και στοιχειώδη σωματίδια. Κι αυτό οδήγησε στο Καθιερωμένο Πρότυπο. Ο καλύτερος τρόπος για να δείξουμε το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι μια εικόνα που προέρχεται από την ταινία που ονομάζεται «Πυρετός Σωματιδίων» . Πρόκειται για την εικόνα που ακολουθεί και μας δίνει μια ιδέα για τα διάφορα συστατικά του Καθιερωμένου Προτύπου. Στον εξωτερικό κύκλο περιέχονται τα στοιχειώδη σωματίδια και στον εσωτερικό τα σωματίδια-φορείς των αλληλεπιδράσεων:
Με αυτά τα σωματίδια και 20 παραμέτρους εξηγούνται, σχεδόν όλα όσα παρατηρούμε στο σύμπαν. Το Καθιερωμένο Πρότυπο, είναι μια απίστευτα επιτυχημένη θεωρία από πολλές απόψεις. Έχει ελεγχθεί εξονυχιστικά με πολυάριθμα πειράματα και επιβεβαιώθηκε με τεράστια ακρίβεια – σε κάποιες περιπτώσεις η μετρούμενη τιμή συμφωνεί με την θεωρητική μέχρι και το δωδέκατο δεκαδικό ψηφίο!
Αφού λοιπόν το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι μια τόσο σπουδαία θεωρία γιατί δεν μας ικανοποιεί και ψάχνουμε πέρα από αυτό; Ένας λόγος είναι ότι δεν μπορεί να περιγράψει την σκοτεινή ύλη (όπως και την σκοτεινή ενέργεια που αναφέρεται πιο κάτω.). Η συνηθισμένη ύλη, αυτή από την οποία είμαστε φτιαγμένοι είναι μόνο το 5% ττου σύμπαντος. Υπάρχει και η σκοτεινή ύλη που είναι πέντε φορές περισσότερη από την κανονική ύλη. Η σκοτεινή ύλη δεν εκπέμπει φως. Δεν ακτινοβολεί φως. Επομένως, δεν μπορούμε να τη δούμε. Αλλά ξέρουμε ότι υπάρχει επειδή μπορούμε να μετρήσουμε την βαρυτική της επίδραση στους γαλαξίες.
Ένας δεύτερος λόγος για τον οποίο θέλουμε να πάμε πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο είναι οι όχι και τόσο λίγες παράμετροι και σωματίδια που απαιτούνται για την περιγραφή του, δείχνουν ότι μάλλον δεν είναι μια πραγματικά θεμελιώδης θεωρία.
Ένα άλλο αναπάντητο ερώτημα είναι το πώς γίνεται το σύμπαν να είναι τόσο μεγάλο; Με διαφορετικά λόγια, είναι το πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς. Αποδεικνύεται ότι υπάρχει μια ποσότητα που ονομάζεται σκοτεινή ενέργεια, η οποία γνωρίζουμε ότι αποτελεί το μεγαλύτερο ποσοστό της ενέργειας του σύμπαντος. Η αναμενόμενη τιμή της σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο, είναι τέτοια ώστε το σύμπαν μας θα μεγάλωνε μόνο μέχρι το μέγεθος ενός χιλιοστού, περίπου. Για να προκύψει ένα σύμπαν πολύ μεγαλύτερο, πρέπει να τροποποιήσετε τη θεωρία, να βελτιώσετε κάποια παράμετρό της με απίστευτη ακρίβεια, περίπου 100 δεκαδικά ψηφία, και στη συνέχεια θα πάρετε ένα αρκετά μεγάλο σύμπαν. Αυτό ονομάζεται πρόβλημα της κοσμολογικής σταθεράς. Είναι το πιο σημαντικό πρόβλημα που αντιμετωπίζουμε σήμερα.
Και μετά υπάρχει το αναπάντητο πρόβλημα της ιεραρχίας. Το πρόβλημα της ιεραρχίας είναι απλά το ερώτημα γιατί η βαρύτητα είναι τόσο ασθενής. Γιατί η βαρύτητα είναι τόσο αδύναμη σε σύγκριση με τις άλλες δυνάμεις της φύσης; Ο Σάββας Δημόπουλος σ’ αυτό το σημείο της διάλεξής του εκτελεί ένα απλούστατο πείραμα που αναδεικνύει το πόσο ασθενής είναι η δύναμη της βαρύτητας ενός τεράστιου πλανήτη όπως η Γη σε σχέση με τις ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις στον ώμο του!
Στη συνέχεια, εξετάζει το πώς μπορούμε χτίσουμε μια θεωρία πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο. Αναφέρεται στην αρχή του μινιμαλισμού, στο ότι δεν πρέπει να προσθέτουμε περισσότερα στοιχεία στη θεωρία μας από όσα είναι απαραίτητα. Αυτό επιτυγχάνεται με την ενοποίηση. Η ενοποίηση είναι η ιδέα ότι δύο πολύ διαφορετικά φαινόμενα μεταξύ τους, εξηγούνται από την ίδια αρχή. Για παράδειγμα, ο Νεύτωνας τον 17ο αιώνα μπόρεσε να ενοποιήσει τα ουράνια και τα γήινα φαινόμενα: η κίνηση της Σελήνης και των πλανητών υπακούουν στον ίδιο νόμο με τα μήλα που πέφτουν κάτω από την μηλιά. Κι αυτό ήταν η αρχή της σύγχρονης επιστήμης. Οι μικροσκοπικοί κάτοικοι ενός μικρού πλανήτη μπορούν να κάνουν πειράματα, πειράματα με μήλα που πέφτουν στο έδαφος και να ανακαλύψουν αλήθειες που ισχύουν παντού στο σύμπαν, σε μακρινούς γαλαξίες και οποιαδήποτε στιγμή, ακόμα και στο αρχέγονο σύμπαν, μέχρι και λίγες στιγμές μετά την δημιουργία του. Βρίσκουμε μια παγκόσμια αλήθεια που ισχύει παντού και ανά πάσα στιγμή, απλώς κάνοντας πειράματα στα εργαστήριά μας. Αυτό ήταν πολύ απελευθερωτικό.
Κι αυτή η συνταγή της ενοποίησης που άρχισε με τον Νεύτωνα επαναλήφθηκε τουλάχιστον δύο φορές. Αρχικά, ο Maxwell τον 19ο αιώνα έδειξε ότι ο ηλεκτρισμός, ο μαγνητισμός και το φως σχετίζονται μεταξύ τους, και περιγράφονται από ένα σύνολο όμορφων εξισώσεων, τις εξισώσεις του Maxwell:
Και στη συνέχεια, την δεκαετία του 1970, οι φυσικοί βρήκαν τον τρόπο να ενοποιήσουν τον ηλεκτρομαγνητισμό του Maxwell με την ασθενή πυρηνική δύναμη. Η ενοποίηση του ηλεκτρομαγνητισμού και της ασθενούς δύναμης στη λεγόμενη ηλεκτρασθενή δύναμη, ολοκληρώθηκε θεωρητικά τη δεκαετία του 1960 και επιβεβαιώθηκε πλήρως πειραματικά από διάφορους επιταχυντές, συμπεριλαμβανομένου του LHC.
Θα θέλαμε να συμπεριληφθούν στην ενοποίηση η ισχυρή πυρηνική δύναμη και η δύναμη της βαρύτητας, ώστε προκύψει μια μεγάλη ενοποιημένη θεωρία, αλλά αυτό αποδεικνύεται εξαιρετικά δύσκολο. Είναι ένα εξαιρετικό πρόβλημα και υπάρχουν ιδέες πώς να το προσεγγίσουμε.
Αν συγκρίνετε την ηλεκτρική δύναμη και τη βαρυτική δύναμη μεταξύ δύο στοιχειωδών σωματιδίων, ας πούμε ενός ηλεκτρονίου και ενός πρωτονίου, θα διαπιστώσετε ότι η δύναμη της βαρύτητας είναι 40 τάξεις μεγέθους μικρότερη από την ηλεκτρική δύναμη. Αλλά, αν δύο πράγματα είναι τόσο διαφορετικά αριθμητικά, πώς θα μπορούσαμε να τα ενοποιήσουμε σε μία οντότητα; Αυτό είναι ένα τεράστιο πρόβλημα και υπάρχουν προσπάθειες για την επίλυσή του από τη δεκαετία του 1970.
Μια τέτοια προσπάθεια είναι η θεωρία των επιπλέον διαστάσεων: Φανταστείτε ότι είμαστε δισδιάστατα όντα και ότι το τρισδιάσττο σύμπαν μας περιορίζεται σε δυο διαστάσεις όπως στην παραπάνω εικόνα. Αν στο σύμπαν μας υπάρχουν και επιπλέον διαστάσεις που δεν αντιλαμβανόμαστε ακόμα, στο παραπάνω σχήμα μια τέτοια διάσταση αντιπροσωπεύεται από το ύψος, την κάθετη στο επίπεδο.
Όλα τα πράγματα με τα οποία είμαστε εξοικειωμένοι, δηλαδή τα ηλεκτρόνια, το φως, τα άτομα κ.λπ., βρίσκονται πάνω στο δισδιάστατο επίπεδο του σχήματος (που όπως είπαμε αντιστοιχεί στο τρισδιάστατο σύμπαν μας). Εκτός από ένα. Την βαρύτητα. Φανταστείτε ότι η βαρύτητα δεν περιορίζεται στις χωρικές διαστάσεις του σύμπαντός μας, αλλά εξαπλώνεται, στις πιθανές επιπλέον διαστάσεις (το ύψος στο απλοποιημένο σχήμα μας). Αν συμβαίνει αυτό, τότε η βαρύτητα εξασθενεί εξαπλούμενη στον χώρο των επιπλέον διαστάσεων και γι αυτό την αντιλαμβανόμαστε ασθενέστερη σε σχέση με τις άλλες δυνάμεις. Μια καλύτερη αναλογία αυτού είναι η ροή ενός ποταμού, που εξασθενεί όταν ο ποταμός χωρίζεται σε παραποτάμους καθώς εξαπλώνεται σε επιπλέον χώρο.
Επειδή λοιπόν η βαρύτητα εξαπλώνεται στις επιπλέον διαστάσεις, γίνεται ασθενέστερη από τον ηλεκτρισμό. Αυτή είναι η ιδέα και φυσικά αυτή η ιδέα έχει μια πολύ ωραία μαθηματική αναπαράσταση, όπως η θεωρία χορδών. Μια άλλη αναλογία που βοηθά στην κατανόηση των παραπάνω είναι ένα τραπέζι μπιλιάρδου. Φανταστείτε την επιφάνεια του μπιλιάρδου ως αντίστοιχη του σύμπαντός μας. Οι μπάλες του μπιλιάρδου είναι τα στοιχειώδη σωματίδια ή οτιδήποτε αντιλαμβανόμαστε.
Καθώς οι μπάλες του μπιλιάρδου κινούνται, συγκρούονται στην δισδιάστατη επιφάνεια του μπιλιάρδου, αλλά παράγουν και ήχο που διαδίδεται και στην τρίτη διάσταση κάθετα προς το τραπέζι – κι αυτός ο ήχος αντιστοιχεί στη βαρύτητα. Στην βαρύτητα που διαχέεται στην επιπλέον διάσταση. Αυτό σημαίνει ότι μέρος της ενέργειας των σφαιρών διαχέεται και μεταφέρεται από τα ηχητικά κύματα. Έτσι, αν μετρήσετε την ενέργεια των σφαιρών πριν και μετά τη κρούση, θα διαπιστώσετε ότι κάποια ενέργεια χάθηκε στο ηχητικό κύμα. Κι αυτό θα μπορούσε να είναι μια ένδειξη ότι υπάρχει μια τρίτη επιπλέον διάσταση. Κάτι παρόμοιο θα μπορούσε να εφαρμοστεί στις συγκρούσεις π.χ. πρωτονίων, εφόσον μπορούσαν να παράγουν βαρύτητα που εξαπλώνεται στις επιπλέον διαστάσεις κι αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα την επονομαζόμενη ελλείπουσα ενεργειακή υπογραφή. Άρα και μια ένδειξη επιπλέον διαστάσεων.
Ένας άλλος τρόπος έρευνας για επιπλέον διαστάσεις είναι ο εξής: Όλοι γνωρίζουμε το νόμο της βαρύτητας του Νεύτωνα. Ότι η δύναμη μεταξύ δύο μαζών μειώνεται αντιστρόφως ανάλογα με την απόσταση. Όμως, αν υπάρχει ας πούμε μια επιπλέον διάσταση, τότε ο νόμος του Νεύτωνα αλλάζει, γίνεται αντιστρόφως ανάλογος του κύβου της απόστασης. Αν υπάρχουν επιπλέον διαστάσεις που έχουν μέγεθος π.χ. 1 χιλιοστό και φέρετε δύο σωματίδια κοντά το ένα στο άλλο, πιο κοντά από ένα χιλιοστό, τότε θα διαπιστώσετε ότι ο νόμος του αντίστροφου τετράγωνου γίνεται νόμος του αντίστροφου κύβου και τέτοιες αποκλίσεις έχουν αναζητηθεί. Υπάρχουν πολλά πειράματα σε όλο τον κόσμο, που με βάση την παραπάνω ιδέα αναζητούν επιπλέον διαστάσεις. Πρόκειται για εντυπωσιακά ακριβή πειράματα μικρής κλίμακας, που αναμένεται να βελτιωθούν θεαματικά στο μέλλον.
Για να εξηγήσουμε το πρόβλημα της ιεραρχίας πρέπει να θεωρήσουμε ότι υπάρχουν επιπλέον διαστάσεις. Ας υποθέσουμε λοιπόν ότι υπάρχουν επιπλέον διαστάσεις. Έχοντας κατά νου την απλοποιημένη εικόνα που χρησιμοποιήθηκε παραπάνω, με το δισδιάστατο σύμπαν και την επιπλέον διάσταση ως η κάθετη στο επίπεδο, τότε μπορούμε φανταστούμε δύο παράλληλα σύμπαντα ή, αν είστε θεωρητικός φυσικός τρία ή και περισσότερα.
Έτσι, το να έχουμε επιπλέον διαστάσεις υπονοείται αυτόματα η πιθανότητα να υπάρχουν παράλληλα σύμπαντα. Το πολυσύμπαν είναι μια εξήγηση γιατί το σύμπαν είναι τόσο μεγάλο και μπορεί να περιλαμβάνει νέα σωματίδια που θα μπορούσαμε να τα αναζητήσουμε με πολλούς τρόπους. Μπορεί αυτά τα σωματίδια να συνιστούν την σκοτεινή ύλη και να συμπεριφέρονται σαν κύματα ή σαν σωματίδια. Αλλά ένα πράγμα είναι σίγουρο: οι ιδιότητες είναι τέτοιες που τα περισσότερα από αυτά δεν παρατηρήθηκαν και ίσως δεν μπορούν να παρατηρηθούν στους τωρινούς επιταχυντές. Θα μπορούσαν όμως να αναζητηθούν με πειράματα μικρής κλίμακας. Πολλά τέτοια πειράματα μικρής κλίμακας έχουν γίνει, γίνονται και άλλα προτείνονται για το μέλλον.
Ο Σάββας Δημόπουλος στην ομιλία του παρουσιάζει το πώς τα «επιτραπέζια πειράματα» βαρύτητας, οι κβαντικοί αισθητήρες, τα εξαιρετικά σταθερά ατομικά ρολόγια, οι ανιχνευτές βαρυτικών κυμάτων και οι έξυπνες υπογραφές «χαμένης ενέργειας» μπορούν να αποκαλύψουν νέα σωματίδια που διαφεύγουν από τους μεγάλους επιταχυντές. Συνυφαίνει την ιστορία (από τους Πυθαγόρειους μέχρι τον Feynman) με σαφείς αναλογίες (φύλλα χαρτιού, τραπέζια μπιλιάρδου και ποτάμια που χωρίζονται σε παραποτάμους) για να δείξει πώς τα μαθηματικά και το πείραμα μαζί αποκαλύπτουν την αλήθεια. Για να καταλήξει πως ολόκληρο το σύμπαν μας ίσως είναι μια ασήμαντη κουκκίδα σε ένα απέραντο πολυσύμπαν.
Αν λοιπόν σας ενδιαφέρει η σκοτεινή ύλη, η ασθενής βαρύτητα, οι επιπλέον διαστάσεις ή το πολυσύμπαν, στην διάλεξη που ακολουθεί θα βρείτε έναν χάρτη-οδηγό για το πώς και πού μπορεί να γίνει η επόμενη ανακάλυψη:
ΠΗΓΗ: physicsgg.me
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου
Σημείωση: Μόνο ένα μέλος αυτού του ιστολογίου μπορεί να αναρτήσει σχόλιο.