Στα τέλη του 16ου αιώνα ο Γαλιλαίος πρώτος μελέτησε τη δύναμη της βαρύτητας και εξέφρασε τους νόμους των σωμάτων που πέφτουν στη Γη. Ο πρώτος που μίλησε με πρακτικά μαθηματικά για τον ουρανό ήταν ο Γιόχαν Κέπλερ στις αρχές του 17ου αιώνα, περιγράφοντας τους κανόνες που υπολόγιζαν την κίνηση των πλανητών γύρω από τον Ήλιο. Μερικές δεκαετίες αργότερα ο Ισαάκ Νεύτων, ο μεγαλύτερος ίσως φυσικός επιστήμονας όλων των εποχών, διατύπωσε τη θεωρία του για τη βαρύτητα και ενοποίησε τον ουρανό με τη Γη υποστηρίζοντας ότι οι ίδιοι ακριβώς νόμοι ισχύουν παντού. Η βαρύτητα είναι η εμφανέστερη από τις δυνάμεις της φύσης και μαζί με το μαγνητισμό (πολύ λιγότερο) οι μόνες που απασχολούσαν τους ανθρώπους μέχρι τότε. Οι νόμοι του Νεύτωνα ήταν τόσο ακριβείς, που ακόμη και σήμερα χρησιμοποιούνται αυτούσιοι για το σύνολο των εφαρμογών της μηχανικής. Η απλότητα και η κομψότητα των εξισώσεων που περιέγραφαν τη βαρύτητα ήταν αφοπλιστικές. Ο Νεύτωνας όμως είχε ένα «ένοχο μυστικό»: Ποτέ δεν κατανόησε το μηχανισμό με τον οποίο εργάζεται η βαρύτητα.
Ο Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ στα μέσα του 19ου αιώνα διατύπωσε τις εξισώσεις του ηλεκτρομαγνητισμού, ενοποιώντας τις δύο μέχρι τότε θεωρούμενες διαφορετικές δυνάμεις, τον ηλεκτρισμό και το μαγνητισμό, σε ένα ενιαίο θεωρητικό πλαίσιο. Και πάλι οι εξισώσεις αποδείχθηκαν κομψές και απλές και χρησιμοποιούνται αυτούσιες μέχρι σήμερα σε όλες σχεδόν τις πρακτικές εφαρμογές.
Στις αρχές του προηγούμενου αιώνα, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν διατύπωσε τη δική του θεωρία της βαρύτητας μέσα από τη Γενική θεωρία της Σχετικότητας. Μια θεωρία που μέχρι σήμερα περιγράφει με απόλυτη αποτελεσματικότητα το σύμπαν σε πολύ μεγάλες κλίμακες πλανητών, αστεριών, γαλαξιών, του ίδιου του σύμπαντος στην έκτασή του. Όμω5 οι κόσμοι του Μάξγουελ και του Αϊνστάιν δεν συναντιόνταν πουθενά. Ο ηλεκτρομαγνητισμός και η βαρύτητα ήταν δύο δυνάμεις που περιγράφονταν από εντελώς διαφορετικά μαθηματικά πλαίσια. Ο Αϊνστάιν πέρασε το τελευταίο μέρος της ζωής του προσπαθώντας να διατυπώσει μια ενοποιημένη θεωρία, που θα περιέγραφε και τις δύο δυνάμεις. Δεν τα κατάφερε ποτέ, πράγμα όχι παράξενο όπως θα δούμε στη συνέχεια. Την ίδια εποχή που ο Αϊνστάιν δούλευε αποκομμένος στην ενοποιημένη θεωρία του, οι συνάδελφοί του φυσικοί Τζέι Τζέι Τόμσον, Έρνεστ Ράδερφορντ, Νιλς Μπορ και Τζέιμς Τσάντγουϊκ καθιέρωσαν το κλασικό μοντέλο του ατόμου, δηλαδή ενός πυρήνα με θετικά ηλεκτρικά φορτισμένα πρωτόνια και ουδέτερα νετρόνια (και τα δύο μεγάλης μάζας σωματίδια) και ελάχιστης μάζα5 αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια που περιστρέφονταν γύρω τους σε στοιβάδες. Τι ήταν όμω5 αυτό που κρατούσε τα πρωτόνια ενωμένα σφικτά στον πυρήνα τη στιγμή που ήταν ομώνυμα φορτισμένα (θετικά) και η ηλεκτρομαγνητική δύναμη τα απωθούσε μεταξύ του5; Η βαρύτητα ήταν πολύ ασθενική κατά μερικά εκατομμύρια δισεκατομμύρια, δισεκατομμύρια, δισεκατομμύρια, δισεκατομμυρίων φορές απ' όσο χρειαζόταν για να κάνει τη δουλειά (ένα δωδεκάκις εκατομμύρια φορές ασθενέστερη ή 10 στην 39η δύναμη).
.jpg)
Το 1968 πειραματιστές στο Γραμμικό Επιταχυντή του Στάνφορντ ανακάλυψαν ότι ούτε τα πρωτόνια ούτε τα νετρόνια ήταν στοιχειώδη, αλλά το καθένα αποτελούνταν από τρία άλλα σωματίδια, τα κουάρκ όπω5 τα ονόμασε ο Μούρεϊ Τζελ-Μαν. Αργότερα, καθώ5 η τεχνολογία επέτρεπε όλο και καλύτερους επιταχυντές σωματιδίων και όργανα, ανακαλύφθηκε μια στρατιά από υποατομικά σωματίδια. Οι επιστήμονες σιγά σιγά δημιούργησαν αυτό που σήμερα ονομάζουμε στάνταρτ μοντέλο και το οποίο περιγράφει με απίστευτη ακρίβεια τον κόσμο του πολύ μικρού.
Το στάνταρτ μοντέλο προέβλεψε υποατομικά σωματίδια τα οποία οι επιστήμονες ανακάλυψαν αργότερα.
Σύμφωνα με αυτό υπάρχουν τρεις οικογένειες σωματιδίων ύλης, οι οποίες αποτελούνται από τέσσερα σωματίδια η καθεμία. Όλη η γνωστή ύλη αποτελείται από τα τέσσερα σωματίδια της πρώτης ομάδας, το ηλεκτρόνιο, το νετρίνο, το άνω κουάρκ και το κάτω κουάρκ. Οι άλλες δύο οικογένειες αποτελούνται από πολύ βαρύτερα, ασταθέστερα και εκ τούτου εξαιρετικά βραχύβια σωματίδια, τα οποία μπορούν να υπάρξουν σε εξαιρετικά υψηλές θερμοκρασίες μόνο, πολύ υψηλότερες από την υψηλότερη θερμοκρασία που μπορούμε να βρούμε στο σύμπαν σήμερα (υπάρχουν μόνο στα εργαστήριά μας). Τα σωματίδια μέσα σε κάθε οικογένεια έχουν εξαιρετικά διαφορετικές ιδιότητες και χαρακτηριστικά όπως μάζα, φορτίο, σπιν, ενώ ανάμεσα στις οικογένειες τα σωματίδια διαφέρουν κυρίως ως προς τη μάζα, με τη δεύτερη και την τρίτη οικογένεια να είναι αυξανόμενα μαζικότερες. Όλα τα σωματίδια μάζας τα ονομάζουμε και φερμιόνια.
Τα σωματίδια της πρώτης οικογένειας σχηματίζουν την ύλη που βλέπουμε γύρω μας (ίσως και τεράστιες ποσότητες που δεν βλέπουμε). Έτσι, τα πρωτόνια σχηματίζονται από δύο άνω κουάρκ και ένα κάτω και τα νετρόνια από δύο κάτω και ένα άνω κουάρκ. Οπότε όλη η ορατή ύλη αποτελείται από τα δύο κουάρκ και ηλεκτρόνια, με τα νετρίνο να ταξιδεύουν συνέχεια αλληλεπιδρώντας ελάχιστα με την υπόλοιπη ύλη.
Τα κουάρκ συγκρατούνται μεταξύ τους για να σχηματίσουν πρωτόνια και νετρόνια από μια άλλη δύναμη που ανακαλύφθηκε, την Ισχυρή Αλληλεπίδραση. Μαζί της ανακαλύφθηκε μία ακόμη δύναμη, η Ασθενής, η οποία ευθύνεται για τη μετατροπή πρωτονίων σε νετρόνια, δηλαδή για τη ραδιενεργό διάσπαση. Για αυτές τις δυνάμεις δεν είχαμε την παραμικρή ιδέα πριν, επειδή έχουν πολύ μικρή εμβέλεια που δεν βγαίνει και πολύ έξω από έναν ατομικό πυρήνα (η βαρύτητα και ο ηλεκτρομαγνητισμός έχουν άπειρη εμβέλεια).
Η Ισχυρή Αλληλεπίδραση μέσα στον πυρήνα του ατόμου είναι 137 φορές ισχυρότερη της ηλεκτρομαγνητικής και είναι αυτή που συγκρατεί τα πρωτόνια και τα νετρόνια μέσα στον πυρήνα ενάντια στη διασπαστική επενέργεια της ασθενέστερης ηλεκτρομαγνητικής. Η Ασθενής Αλληλεπίδραση είναι 10.000 φορές ασθενέστερη της Ισχυρής. Η βαρύτητα ξεχωρίζει από τις άλλες τρεις με το ελάχιστο μέγεθός της που την κάνει πολλά εντεκάκις εκατομμύρια φορές ασθενέστερη των άλλων. Αυτή και ο ηλεκτρομαγνητισμός έχουν άπειρη εμβέλεια, αλλά η βαρύτητα είναι μόνο ελκτική, οπότε δρα σωρευτικά μέσα στο σύμπαν και γι' αυτό, παρ' ότι η ασθενέστερη με τεράστια διαφορά, είναι τελικά η κυρίαρχη δύναμη σε συμπαντικές αποστάσεις.
Κατά το στάνταρτ μοντέλο οι δυνάμεις ανάμεσα στα σωματίδια ύλης ασκούνται με την ανταλλαγή άλλων σωματιδίων που ονομάζουμε σωματίδια αγγελιαφόρους. Για παράδειγμα, ανάμεσα στην ύλη ενός μαγνήτη και ενός κομματιού σιδήρου ανταλλάσσονται φωτόνια τα οποία προκαλούν την ηλεκτρομαγνητική δύναμη που τα έλκει. Όσα περισσότερα φωτόνια ανταλλάσσονται τόσο ισχυρότερη είναι η δύναμη. Η Ισχυρή Αλληλεπίδραση προκαλείται από την ανταλλαγή άλλων σωματιδίων ανάμεσα στα κουάρκ, των γλουονίων, ενώ η Ασθενής με ανταλλαγή μποζονίων Ζ και W. Για τη βαρύτητα όμως το στάνταρτ μοντέλο δεν προβλέπει κάποιο σωματίδιο. Θεωρητικά το σωματίδιο αυτό το ονομάζουμε βαρυόνιο (ή γκραβιτόνιο).
Το στάνταρτ μοντέλο είναι εξαιρετικά επιτυχημένο και περιγράφει με μεγάλη ακρίβεια το σύμπαν στην κλίμακα του εξαιρετικά μικρού και τις τρεις από τις τέσσερις δυνάμεις της φύσης, ενώ δεν εφαρμόζεται σε μεγάλες αποστάσεις και στη βαρύτητα. Η σχετικότητα από την άλλη περιγράφει τη βαρύτητα σε συμπαντικές εκτάσεις με εξαιρετική ακρίβεια, αλλά καταρρέει όταν πάμε να την εφαρμόσουμε στον κόσμο του πολύ μικρού. Έχουμε λοιπόν δύο θεωρίες για τον ένα και μοναδικό κόσμο μας και αυτό είναι ενοχλητικό, καθώς δεν μπορεί να εξηγήσει τον κόσμο σε ακραίες καταστάσεις, όπως, για παράδειγμα, στην αρχή της γέννησής του ή στο κέντρο μίας μαύρης τρύπας, εκεί όπου τεράστιες μάζες και ελάχιστες διαστάσεις συνυπάρχουν.
Το ιερό δισκοπότηρο της σύγχρονης φυσικής είναι να δημιουργήσει ένα πλαίσιο κανόνων, μια θεωρία, η οποία θα εξηγεί το σύμπαν στο απείρως μικρό και στο απείρως μεγάλο, στο απόλυτο μηδέν και σε ακραία υψηλές θερμοκρασίες. Αυτή την ονομάζουμε θεωρία των Πάντων και μέχρι στιγμής μας διαφεύγει.
Το 1979 οι Στίβεν Βάινμπεργκ, Αμπντούς Σάλαμ και Σέλντον Γκλάσοου κέρδισαν το βραβείο Νόμπελ Φυσικής διότι κατόρθωσαν να ενοποιήσουν σε μία θεωρία την ηλεκτρομαγνητική και την ασθενή δύναμη. Η δύναμη ονομάστηκε ηλεκτρασθενής και η θεωρία επιβεβαιώθηκε στο εργαστήριο το 1983 όταν ανακαλύφθηκαν τα μποζόνια W και Z που αυτή προέβλεπε και με τις ιδιότητες που προέβλεπε. Η ηλεκτρασθενής θεωρία μας λέει ότι τόσο η ηλεκτρομαγνητική δύναμη όσο και η ασθενής αποτελούν διαφορετικές όψεις μίας και μοναδικής δύναμης. Τα σωματίδια W, Z και φωτόνια σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες αποκτούν ιδιότητες που τα κάνουν να συμπεριφέρονται με ενιαίο τρόπο, μεταλλάσσονται δηλαδή σε ένα και το αυτό σωματίδιο. Η ηλεκτρασθενής είναι μια ενοποιημένη θεωρία.
Οι επιστήμονες είναι πεπεισμένοι ότι σε ακόμη υψηλότερες θερμοκρασίες γλουόνια, φωτόνια, W και Z ενοποιούνται και οι τρεις δυνάμεις ενοποιούνται σε μία. Δεν έχει διατυπωθεί η θεωρία αυτή ακόμα, η Μεγάλη Ενοποιημένη θεωρία. Σε κάθε περίπτωση όμως η βαρύτητα φαίνεται να είναι μια ιδιαίτερη περίπτωση που δύσκολα θα ενοποιηθεί με τις άλλες δυνάμεις.
Και εδώ, στην αναζήτηση της θεωρίας των Πάντων μπαίνει στο παιχνίδι η θεωρία των χορδών. Να τι μας λέει με απλά λόγια: Τα πάντα αποτελούνται από μικρές μονοδιάστατες οντότητες ενέργειας που εύλογα ονομάζουμε χορδές. Οι χορδές έχουν μέγεθος μικρότερο από κάθε στοιχειώδες σωματίδιο, ύλης ή αγγελιαφόρου. Στην ουσία κάθε σωματίδιο είναι μία και μοναδική χορδή που πάλλεται. Τα σωματίδια διαφοροποιούνται μόνο από τον τρόπο με τον οποίο πάλλεται η χορδή που τα αποτελεί. Και το φωτόνιο και το γλουόνιο, και το ηλεκτρόνιο και τα κουάρκ και κάθε άλλο σωματίδιο είναι ένας διαφορετικός τρόπος με τον οποίο πάλλεται η χορδή.
Ας έρθουμε στην εύληπτη αναλογία που προαναγγείλαμε στην αρχή του άρθρου. Μπορούμε να θεωρήσουμε τις μικροσκοπικές χορδές που αποτελούν το σύμπαν μας ως χορδές μουσικού οργάνου. Όπως οι χορδές του οργάνου πάλλονται καθεμία με διαφορετικό τρόπο για να δημιουργήσει μια διαφορετική νότα, έτσι και οι χορδές της θεωρίας μας πάλλονται με διαφορετικό τρόπο για να δημιουργήσουν διαφορετικά σωματίδια. Και όπως οι νότες δημιουργούν στη συνέχεια τη μουσική, έτσι και τα σωματίδια δημιουργούν το σύμπαν.
Η θεωρία των χορδών, για να δημιουργήσει όλα τα γνωστά σωματίδια, απαιτεί από τις χορδές να πάλλονται σε 11 διαστάσεις. Εμείς μπορούμε να αντιληφθούμε μόνο τρεις χωρικές διαστάσεις και το χρόνο διότι οι υπόλοιπες επτά είναι κουλουριασμένες στον κόσμο του υπερβολικά μικρού. Ας χρησιμοποιήσουμε μια άλλη αναλογία: Βλέπουμε από πολύ μακριά ένα τεντωμένο σχοινί. Βλέπουμε ένα μονοδιάστατο αντικείμενο το οποίο έχει μόνο μήκος και πάνω στο οποίο κάποιος μπορεί να κινηθεί μόνο μπρος πίσω. Όμως για ένα μυρμήγκι πάνω στο σχοινί, η επιφάνεια φαίνεται δισδιάστατη, καθώς μπορεί να κινηθεί όχι μόνο μπρος πίσω αλλά και δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα πάνω στην καμπύλη επιφάνεια του σχοινιού. Για μας από μακριά, η διάσταση αυτή είναι καμπυλωμένη σε μια πολύ μικρή ακτίνα και δεν την αντιλαμβανόμαστε.
Η θεωρία των χορδών είναι σήμερα ένα μαθηματικό κατασκεύασμα το οποίο εν δυνάμει μπορεί να εξηγήσει το σύμπαν και να αποτελέσει τη θεωρία των Πάντων. Όμως τα μαθηματικά εργαλεία που έχουμε είναι ανεπαρκή αυτή τη στιγμή για την πλήρη ανάπτυξή της. Επιπλέον οι ιδιαίτερες προβλέψεις που κάνει πέρα από το στάνταρτ μοντέλο και τη σχετικότητα είναι εξαιρετικά δύσκολο να επιβεβαιωθούν σήμερα με πείραμα ή παρατήρηση εξαιτίας των τεράστιων ενεργειών που απαιτούνται ώστε να φτάσουμε στον κόσμο του τόσο μικρού. Όμως οι επιστήμονες περιμένουν από το μεγάλο νέο ευρωπαϊκό επιταχυντή σωματιδίων CERN να μπορέσει να επιβεβαιώσει τη θεωρία μέσα στα επόμενα χρόνια. Επίσης τα νέα διαστημικά τηλεσκόπια ψάχνουν τις εσχατιές του σύμπαντος για τον ίδιο σκοπό.
Σήμερα η θεωρία των χορδών είναι περισσότερο φιλοσοφία παρά επιστήμη. Η κομψότητά της όμως είναι εξαιρετικά ελκυστική στους θεωρητικούς φυσικούς.
Δεν υπάρχουν σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου