Οι φυσικοί καταδιώκουν μια εκλεπτυσμένη «πέμπτη δύναμη» της φύσης, κρυμμένη μέσα στα διάκενα των άλλων τεσσάρων. Αυτό που δεν έχουμε βρει είναι ακόμα πιο εκπληκτικό.
Στο γύρισμα του 20ου αιώνα, η ανακάλυψη μιας νέας μορφής ακτινοβολίας θα μπορούσε να βάλει την καριέρα του φυσικού σε ένα fast track. Ο Βίλχελμ Ρέντγκεν άλλαξε τον κόσμο με την ανακάλυψη των ακτινών-Χ το 1895. Λίγο μετά οι Ernest Rutherford και Paul Villard προσδιόρισαν τρεις διαφορετικούς τύπους ακτινοβολίας, με τις ονομασίες άλφα, βήτα, και ακτίνες γάμμα, που εκπέμπονται από τις ραδιενεργές ενώσεις. Το 1903 ο Γάλλος επιστήμονας ο René Blondlot αναστάτωσε τον κόσμο με την ανακοίνωση του ακτίνων-Ν, μια παράξενα δημοκρατική μορφή ακτινοβολίας που εκπέμπεται από το ξύλο, το σίδερο, τους ζώντες οργανισμούς – δηλαδή από ότι ξέρουμε σήμερα τίποτα από όλα αυτά .
Περίπου 300 επιστημονικά άρθρα γράφτηκαν για την ακτινοβολία N. Υπήρχε μόνο ένα πρόβλημα: Δεν ήταν πραγματική. Ένας δύσπιστος φυσικός, ο Robert Wood, επισκέφθηκε το εργαστήριο του Blondlot και κρυφά αφαίρεσε ένα βασικό μέρος της συσκευής του. Αυτό όπως φάνηκε δεν είχε καμία επίδραση στην αντίληψη του Blondlot για την ύπαρξη των N-ακτίνων, δείχνοντας έτσι ότι ήταν καθαρά ένα προϊόν της φαντασίας του Blondlot.
Το πάθημα του Blondlot χρησίμευσε ως υπενθύμιση ότι ο κόσμος δεν είναι στην πραγματικότητα γεμάτος από αμέτρητα είδη ακτινοβολίας, που περιμένουν υπομονετικά να ανακαλυφθούν από κάποιον φυσικό. Η φύση είναι πιο φειδωλή από όσο πιστεύουμε. Μετά, καθώς οι μορφές της ακτινοβολίας φαινόταν να πολλαπλασιάζονται, η κυρίαρχη θεωρία της φυσικής οδηγήθηκε προς την ενοποίηση. Οι ακτίνες X και οι ακτίνες γάμμα αναγνωρίστηκαν ως διαφορετικές μορφές της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, όπως τα ραδιοκύματα και το ορατό φως, αλλά πιο ενεργητικές. Οι ακτίνες βήτα είναι απλά ηλεκτρόνια κινούμενα πολύ γρήγορα και οι ακτίνες άλφα είναι ομοίως γρήγοροι πυρήνες ηλίου.
Κάτω από την απίστευτη ποικιλία των νέων φαινομένων κρύβονται μερικά μόνο απλά συστατικά.
Η τάση προς την ενοποίηση και απλοποίηση αποτελεί σημαντικό θέμα της σύγχρονης φυσικής. Την ίδια στιγμή, η φύση έχει τρόπους να μας εκπλήσσει, και αξίζει να είμαστε προσεκτικοί. Γνωρίζουμε πολλά για τη φυσική του μακροσκοπικού κόσμου, όμως μπορούμε να είμαστε βέβαιοι ότι δεν λείπει από το οπλοστάσιο μας ένα από αυτά τα ζωτικής σημασίας συστατικά; Η απάντηση είναι ναι: Σε ορισμένες σαφώς καθορισμένες περιπτώσεις, μπορούμε να είμαστε πολύ σίγουροι. Οι φυσικοί εδώ και πολύ καιρό έχουν χαρτογραφήσει όλο το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Η σύγχρονη εκδοχή της αναζήτησης για νέα είδη ακτινοβολίας, είναι η αναζήτηση νέων δυνάμεων της φύσης. Και ενώ μπορεί να υπάρχουν άγνωστες δυνάμεις που περιμένουν να ανακαλυφθούν, μπορούμε να πούμε με μεγάλη βεβαιότητα ότι αυτές οι δυνάμεις πρέπει να είναι τόσο αδύναμες που μόνο ένας επαγγελματίας φυσικός θα ενδιαφερόταν πραγματικά.
Σύμφωνα με τη σύγχρονη φυσική, ο κόσμος κατά βάση αποτελείται από σωματίδια που αλληλεπιδρούν μέσω δυνάμεων. Κατά τη διάρκεια του 20ου αιώνα, οι ερευνητές ανακάλυψαν πολλά νέα σωματίδια που αλληλεπιδρούν με πολλούς διαφορετικούς τρόπους. Αλλά σταδιακά κατέστη σαφές ότι η συντριπτική πλειονότητα αυτών των σωματιδίων είναι απλώς διαφορετικοί συνδυασμοί κάποιων μικρότερων, και η μεγάλη ποικιλία των αλληλεπιδράσεων συνοψίζεται σε λίγες μόνο δυνάμεις. Όταν καταλάγιασε η σκόνη στη δεκαετία του 1970, είχαμε μείνει με δύο είδη στοιχειωδών σωματιδίων: τα κουάρκ, τα οποία συνθέτουν βαρύτερα υλικά, όπως είναι τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Και τα ελαφρύτερα σωματίδια που ονομάζονται λεπτόνια, όπως το ηλεκτρόνιο και το νετρίνο, τα οποία μπορεί να κινούνται ελεύθερα (ειδικά το νετρίνο) χωρίς να παίρνουν μέρος σε βαρύτερους συνδυασμούς.
Περιέργως, τα σωματίδια αυτά αλληλεπιδρούν μόνο μέσω τεσσάρων διαφορετικών δυνάμεων. Με τιε δύο είμαστε εξοικειωμένοι – τη βαρύτητα και τον ηλεκτρομαγνητισμό. Η βαρύτητα είναι η πιο αναγνωρίσιμη δύναμη. Αγκομαχούμε εναντίον της κάθε φορά που ανεβαίνουμε πολλά σκαλοπάτια. Αλλά ο ηλεκτρομαγνητισμός είναι πιθανώς πιο ζωτικής σημασίας για την καθημερινή μας ζωή.
Σχεδόν όλα όσα βιώνουμε που δεν οφείλονται άμεσα στη βαρύτητα τελικά οφείλονται στον ηλεκτρομαγνητισμό. Ένα τραπέζι είναι σταθερό, διότι τα άτομα σε αυτό συνδέονται μεταξύ τους με ηλεκτρομαγνητικές δυνάμεις. Σκεφτείτε πως ό,τι συμβαίνει μέσα στον εγκέφαλό σας μπορεί να εντοπιστούν μέσα σε χημικά σήματα που διαπερνούν μεταξύ των νευρώνων, ενώ αυτές οι χημικές ουσίες κινούνται χάρις τον ηλεκτρομαγνητισμό. Τα ραδιοκύματα, το ορατό φως και οι ακτίνες Χ είναι όλες διαφορετικές μορφές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας.
Οι άλλες δύο δυνάμεις είναι η ισχυρή πυρηνική δύναμη και η ασθενής πυρηνική δύναμη. Εμείς δεν τις προσέχουμε στην καθημερινή ζωή, επειδή είναι μικρής εμβέλειας, που εκτείνονται μόνο σε μικροσκοπικές αποστάσεις, μικρότερες και από ένα άτομο. Η ισχυρή πυρηνική δύναμη συνδέει τα κουάρκ μέσα στα πρωτόνια και τα νετρόνια, ενώ τα τελευταία ‘συγκολλιόνται’ για να φτιάξουν τους ατομικούς πυρήνες. Η ασθενής πυρηνική δύναμη τέλος είναι υπεύθυνη για μη οικεία και γνωστά φαινόμενα. Είναι πάρα πολύ αδύναμη. Αλλά αν απομονώσουμε ένα μόνο νετρόνιο μακριά από κάθε πρωτόνιο, τότε αυτό μέσα σε λίγα λεπτά θα διασπαστεί σε άλλα σωματίδια. Αυτή η διάσπαση προκαλείται από την ασθενή πυρηνική δύναμη.
Τέσσερις δυνάμεις λοιπόν ελέγχουν ολόκληρο το σύμπαν; Είναι ένας πολύ εκπληκτικός ισχυρισμός.
Στην πραγματικότητα, βάζοντας στην άκρη μικροσκοπικές διεργασίες που συμβαίνουν στο εσωτερικό των ατόμων, όλα όσα βλέπουμε μπορεί να αποδοθούν με όρους αλληλεπίδρασης των σωματιδίων μόνο στην βαρύτητα και στον ηλεκτρομαγνητισμό. Από τις τροχιές των πλανητών έως το λύγισμα των μυών σας, κάθε κίνηση στον μακροσκοπικό κόσμο προκύπτει από την αλληλεπίδραση αυτών των δύο όψεων της φύσης.
Τουλάχιστον, αυτή είναι η τρέχουσα εικόνα. Αν αυτό δεν είναι σωστό, όλα τα στοιχήματα είναι χαμένα. Πώς μπορούμε να είμαστε τόσο σίγουροι ότι δεν υπάρχουν άλλες δυνάμεις που εμείς απλά δεν έχουμε ακόμα αρκετά έξυπνες συσκευές ώστε να τις βρούμε;
Η απάντηση είναι, ότι μπορούμε να τις ψάξουμε. Ξέρουμε πού να κοιτάξουμε, και πράγματι έχουμε ψάξει. Άλλες δυνάμεις δεν υπάρχουν εκεί έξω, τουλάχιστον όχι σε σημαντικό βαθμό. Οποιαδήποτε νέα δύναμη που θα μπορούσαμε να ανακαλύψουμε κάποια μέρα πρέπει να μην είναι σπουδαία στις καθημερινές αποστάσεις, να μην μπορεί δηλαδή να επηρεάσει τον μακροσκοπικό κόσμο. Αν η τυχόν άγνωστη δύναμη μπορούσε, θα την είχαμε ήδη βρει. Και όμως μερικές ερευνητές συνεχίζουν την έρευνα, δεδομένου ότι ακόμη και μία απειροελάχιστη νέα δύναμη θα είχε τεράστια θεωρητική σημασία.
Αν θέλετε να εφεύρετε μια νέα δύναμη της φύσης, πρέπει να καθορίσετε τρία πράγματα: τα σωματίδια που αισθάνονται αυτή τη δύναμη, πόσο ισχυρή είναι, και το φάσμα στο οποίο αλληλεπιδρά. Μόλις καθοριστούν αυτές οι ιδιότητες, ξέρετε τα πιο σημαντικά για την υποθετική δύναμη σας, και μπορείτε έτσι να θέσετε τις βάσεις για την παρακολούθηση της. Για παράδειγμα, η βαρύτητα επιδρά απολύτως στα πάντα, και το εύρος της είναι άπειρο. Η βαρύτητα γίνεται ασθενέστερη καθώς κινείστε μακριά από έναν πλανήτη ή ένα αστέρι, αλλά ποτέ δεν σβήνει εντελώς. Η βαρύτητα είναι στην πραγματικότητα μία πολύ ασθενής δύναμη σε σύγκριση με τις άλλες, αλλά επειδή αλληλεπιδρά με τα πάντα, αυτή αθροίζεται όταν έχετε να κάνετε με ένα πραγματικά τεράστιο αντικείμενο. Γι ‘αυτό η βαρύτητα είναι η πιο σημαντική δύναμη σε αστρονομικές αποστάσεις.
Ο ηλεκτρομαγνητισμός έχει επίσης ένα άπειρο εύρος, και είναι πολύ ισχυρότερη από τη βαρύτητα. Αλλά λειτουργεί μόνο σε ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια. Τα ουδέτερα σωματίδια, όπως τα νετρόνια ή τα νετρίνα (τα ονόματα δεν είναι τυχαία) δεν επηρεάζονται. Επιπλέον, τα ηλεκτρικά φορτία μπορεί να είναι θετικά (όπως ένα πρωτόνιο) ή αρνητικά (όπως ένα ηλεκτρόνιο). Ακόμα τα ομώνυμα φορτία απωθούνται, ενώ τα αντίθετα έλκονται. Παρά το γεγονός ότι ο ηλεκτρομαγνητισμός είναι ισχυρότερη δύναμη από τη βαρύτητα, είναι λιγότερο σημαντική για τα αστέρια και τους γαλαξίες, επειδή είναι κατασκευασμένα από ίσο αριθμό θετικών και αρνητικών φορτίων, μηδενίζοντας το άθροισμα των ηλεκτρικών δυνάμεων. Στην εξαιρετικά μικρή κλίμακα των ατόμων, ωστόσο, η άπωση και η έλξη των ηλεκτρονίων και των πρωτονίων είναι αυτή που ελέγχει τις χημικές αντιδράσεις, συμπεριλαμβανομένων και της κάθε ένωσης και κάθε διαδικασίας στο σώμα σας.
Οι πυρηνικές δυνάμεις είναι μόνο μικρής εμβέλειας, ώστε μπορούμε να τις αγνοήσουμε στον μακροσκοπικό κόσμο. Οι περισσότεροι φυσικοί αναμένουν ότι υπάρχουν πολλές άλλες, άγνωστες μέχρι τώρα, δυνάμεις μικρής εμβέλειας εκεί έξω. Ψάχνουμε για αυτές σε επιταχυντές σωματιδίων.
Αλλά για την καθημερινή ζωή μας, αυτό που μας ενδιαφέρει είναι οι μεγάλης εμβέλειας δυνάμεις.
Οι θεωρητικοί έχουν κάποιες ιδέες για νέες μεγάλης ακτίνας δυνάμεις, ενώ οι πειραματιστές ψάχνουν για αυτές, για αρκετό διάστημα τώρα. Το αγαπημένο πειραματικό εργαλείο μας προς αυτή την κατεύθυνση είναι μια απατηλά απλή συσκευή, που ονομάζεται ισορροπία στρέψης: δύο αντικείμενα με διαφορετική σύνθεση που βρίσκονται στα αντιδιαμετρικά άκρα μιας ράβδου η οποία κρέμεται από ένα σύρμα. Κάθε δύναμη που ενεργεί διαφορετικά πάνω στα δύο αντικείμενα θα προκαλέσει την συστροφή του σύρματος.
.
Οι ισορροπίες στρέψης έχουν μια μακρά ιστορία. Είχαν χρησιμοποιηθεί ήδη από τη δεκαετία του 1880 από τον Ούγγρο φυσικό Eötvös Loránd για να δείξει ότι η βαρύτητα ενεργεί εξ ίσου σε αντικείμενα κατασκευασμένα από διάφορα υλικά – με άλλα λόγια, ότι δεν υπάρχουν ενδείξεις για οποιαδήποτε νέα μεγάλης ακτίνας δύναμη.
Μετά τον Eötvös, πολλοί άνθρωποι υπέθεσαν πως το θέμα αυτό διευθετήθηκε. Αυτό όμως άλλαξε το 1986 όταν ο Ephraim Fischbach του Πανεπιστημίου Purdue ανέλυσε και πάλι τα δεδομένα του αρχικού πειράματος και ισχυρίστηκε ότι υπάρχουν αποδεικτικά στοιχεία ότι παραμονεύει μια νέα δύναμη στα αποτελέσματα του Eötvös. Μεταγενέστερες έρευνες ποτέ δεν υποστήριξαν αυτό τον ισχυρισμό, αλλά ο ενθουσιασμός έκανε τους φυσικούς να το σκεφτούν και τους οδήγησε σε νέες πειραματικές προσπάθειες.
Η πιο ακριβής σύγχρονη εκδοχή του πειράματος Eötvös είναι μία που εκτελέστηκε από τον Eric Adelberger και την ομάδα του στο Πανεπιστήμιο στο Σιάτλ, οι οποίοι αναιδώς αποκαλούν τους εαυτούς τους ομάδα “Eöt-Wash." Έχουν τελειοποιήσει μια ποικιλία έξυπνων, υπερευαίσθητων πειραμάτων ισορροπίας στρέψης, ενώ έχουν περάσει πάνω από 25 χρόνια ψάχνοντας για οποιαδήποτε συστροφή που θα υποδηλώνει την παρουσία νέων δυνάμεων που λειτουργούν σε μεγάλες αποστάσεις.
Και μέχρι στιγμής, δεν βρέθηκε τίποτα απολύτως. Σε περίπτωση που έδιναν βραβείο Νόμπελ για μηδενικά αποτελέσματα, αυτά τα παιδιά θα ήταν στην κορυφή της λίστας. Εάν υπάρχουν νέες δυνάμεις, τότε, θα είναι είτε πολύ ασθενείς ή πολύ μικρής εμβέλειας που θα σχετίζονται με τον μακροσκοπικό κόσμο μας. Οι φυσικοί εξακολουθούν να ελπίζουν κάτι που θα φανεί, ίσως και σε ισχυρότερους επιταχυντές σωματιδίων, γιατί η ανακάλυψη νέων δυνάμεων θα σήμαινε ότι θα είχαν να αναπτύξουν εντελώς νέες θεωρίες. Αλλά αν τις βρούμε, αυτές οι κρυμμένες δυνάμεις δεν θα αφήνουν κανένα αποτύπωμα πάνω στις κινήσεις των ατόμων, των μορίων, ή σε μεγαλύτερα αντικείμενα, όπως ο εαυτός μας.
Τα κακά νέα είναι, ότι δεν υπάρχουν ελκτικές ακτίνες. Αν θέλουμε να φτιάξουμε μία συσκευή που να ασκεί δυνάμεις σε μεγάλες αποστάσεις, πρέπει αυτή να περιορίζεται στη χρήση της βαρύτητας και του ηλεκτρομαγνητισμού. Ακόμα κι αν αυτό είναι ένα αδιαμφισβήτητο γεγονός αυτό, όμως, θέτει τόσες ερωτήσεις σε όσες απαντά. Γιατί μόνο οι δύο αυτές δυνάμεις; Γιατί αυτές αλληλεπιδρούν με τον τρόπο που το κάνουν; Πώς αυτές σχετίζονται με τις ενδεχομένως κρυφές δυνάμεις που δρουν σε μικρότερες αποστάσεις;
Μπορούμε να θαυμάσουμε το πόσο καλά καταλαβαίνουμε ορισμένες πτυχές της φύσης, ενώ ποτέ δεν ξεχνάμε πόσο μακριά έχουμε πάει.
Άρθρο του Sean Carroll, που δημοσιεύτηκε στο discovermagazine. Ο Sean Carroll είναι ένας θεωρητικός φυσικός στο Caltech που επικεντρώνεται στον πληθωρισμό και το βέλος του χρόνου.
0 comments:
Δημοσίευση σχολίου