ΑρχικήΕπικοινωνίαΠρόσβασηΣυχνές ΕρωτήσειςΠεριεχόμενα
Επιλογές για ΑΜΕΑ:Enlarge fontsReduce fonts
ΤΟ ΙΔΡΥΜΑ
ΥΠΟΤΡΟΦΙΕΣ
ΕΚΔΟΤΙΚΟ ΤΜΗΜΑ
ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΗ
ΠΛΑΝΗΤΑΡΙΟ
Ιστορικό
Παραστάσεις
Τεχνική Περιγραφή
Αστροπύλη
1001 Λέξεις
Το Θέμα του Μήνα
Ο Άνθρωπος και το Σύμπαν
Αστρονομικά Links
Συνεργασίες
Νέα
ΔΙΑΔΡΑΣΤΙΚΗ ΕΚΘΕΣΗ Ε&Τ
ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΣΥΝΕΔΡΙΩΝ
ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ
ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ
Σύνθετη αναζήτηση
  ΨΗΦΙΑΚΕΣ ΣΥΛΛΟΓΕΣ
ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΙΔΡΥΜΑΤΟΣ
ΨΗΦΙΑΚΗ ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΗ
ΑΣΤΡΟΠΥΛΗ
ΨΗΦΙΑΚΟΣ ΚΟΣΜΟΣ
Valid HTML 4.01 Transitional
ΝέαΗμερολόγιοΠρόγραμμα ΠροβολώνΕνημερωτικό ΔελτίοΔ. Τύπου
 
ΙΔΡΥΜΑ ΕΥΓΕΝΙΔΟΥΠΛΑΝΗΤΑΡΙΟΑστροπύληΤο Θέμα του Μήνα
PrintEmailBack

Θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις και στοιχειώδη σωματίδια

Αλέξης Δεληβορίας

 

 

Ποια είναι η θεμελιώδης δομή της ύλης, από τον πιο μικροσκοπικό κόκκο σκόνης στα γιγάντια υπερσμήνη των γαλαξιών του σύμπαντος; Το θεμελιώδες αυτό ερώτημα που πρώτοι έθεσαν και πρώτοι προσπάθησαν να απαντήσουν οι φυσικοί φιλόσοφοι της αρχαίας Ελλάδας συνεχίζει μέχρι σήμερα να απασχολεί τους επιστήμονες. Αν και έχουν περάσει περίπου 2,5 χιλιάδες χρόνια από τότε που ο Λεύκιππος και ο Δημόκριτος διατύπωσαν πρώτοι τη ριζοσπαστική θέση ότι τα πάντα στο σύμπαν αποτελούνται από μικροσκοπικά και αδιαίρετα σωμάτια, που τα ονόμασαν άτομα, το εντυπωσιακό συμπέρασμα στο οποίο οδήγησε η επιστημονική έρευνα στις δυόμισι χιλιετίες που ακολούθησαν βρίσκεται εκπληκτικά κοντά στη σύλληψη των δύο μεγάλων ατομικών φιλοσόφων της αρχαιότητας. Και αυτό γιατί, απ’ όσα γνωρίζουμε μέχρι σήμερα, τα πάντα στο σύμπαν είναι κατασκευασμένα από 12 μόλις βασικά δομικά υλικά, τα οποία αλληλεπιδρούν και ενώνονται μεταξύ τους χάρη σε 4 μόνο θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις.

 

Έτσι, όταν οι επιστήμονες συνειδητοποίησαν ότι όντως υπάρχουν κάποια μικροσκοπικά σωματίδια, τα οποία εκ πρώτης όψεως δεν φαινόταν να είχαν εσωτερική δομή, τα ονόμασαν άτομα, θεωρώντας ότι είχαν ανακαλύψει τη μη διαιρετή πεμπτουσία της ύλης, που είχαν προτείνει ο Λεύκιππος και ο Δημόκριτος. Σήμερα, βέβαια, γνωρίζουμε ότι τα άτομα αυτά αποτελούνται από αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια, τα οποία περιστρέφονται γύρω από τους θετικά φορτισμένους πυρήνες τους, που με τη σειρά τους αποτελούνται από θετικά φορτισμένα πρωτόνια και ουδέτερα νετρόνια. Είναι όμως τα σωματίδια αυτά τα θεμελιώδη συστατικά της ύλης ή μήπως έχουν και αυτά εσωτερική δομή; Η απάντηση για το ηλεκτρόνιο φαίνεται ότι είναι καταφατική. Αντίθετα, τα πρωτόνια και τα νετρόνια ανακαλύφθηκε ότι αποτελούνται από συνδυασμούς δύο άλλων σωματιδίων, τα οποία οι φυσικοί ονόμασαν πάνω (up) και κάτω (down) κουάρκ. Από όσα γνωρίζουμε μέχρι σήμερα, το ηλεκτρόνιο μαζί με τα up/down κουάρκ και ένα άλλο, επίσης ουδέτερο και με ελάχιστη μάζα σωματίδιο, το νετρίνο του ηλεκτρονίου, είναι τα μόνα σωματίδια που απαιτούνται ώστε να δημιουργηθεί ολόκληρη η ορατή ύλη που υπάρχει στο Σύμπαν! Τα τέσσερα αυτά στοιχειώδη σωματίδια, τα οποία είναι και τα ελαφρύτερα που υπάρχουν στη φύση, αποτελούν την πρώτη γενεά των σωματιδίων της ύλης.

Γνωρίζουμε, όμως, ότι υπάρχουν και άλλες μορφές ύλης, περισσότερο σπάνιες, οι οποίες αποτελούνται από άλλα θεμελιώδη σωματίδια, τα οποία συγκροτούν τη δεύτερη και την τρίτη γενεά της ύλης. Έτσι, η δεύτερη γενεά των σωματιδίων αποτελείται από το μιόνιο, το νετρίνο του μιονίου και δύο ακόμα κουάρκ, τα οποία οι φυσικοί βάφτισαν γοητευτικό (charm) και παράξενο (strange), ενώ η τρίτη γενεά των σωματιδίων αποτελείται από το σωματίδιο ταυ, το νετρίνο ταυ και τα κουάρκ ψηλό (top) και χαμηλό (bottom). Τα σωματίδια της δεύτερης και της τρίτης γενεάς «ζουν» για κλάσματα του δευτερολέπτου, αφού διασπώνται ταχύτατα μετατρεπόμενα σε σωματίδια της πρώτης γενεάς και μόνο οι τεράστιες ενέργειες που επιτυγχάνονται στους σωματιδιακούς επιταχυντές, όπως αυτούς του Ευρωπαϊκού Οργανισμού Πυρηνικών Ερευνών CERN, μπορούν να επαναφέρουν κάποια από αυτά στη ζωή. Όλα αυτά τα στοιχειώδη σωματίδια της ύλης, που συλλογικά φέρουν το όνομα φερμιόνια, συνυπήρξαν για ελάχιστο χρονικό διάστημα μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, που δημιούργησε το Σύμπαν. Τα θεμελιώδη σωματίδια της πρώτης γενεάς, ενώνονται μεταξύ τους προκειμένου να σχηματίσουν τις δομές του μικρόκοσμου και του μακρόκοσμου, από το πρωτόνιο και τα άτομα, μέχρι τις τεράστιες συγκεντρώσεις ύλης που παρατηρούνται στα άστρα και στους γαλαξίες του Σύμπαντος. Αυτό επιτυγχάνεται διά μέσου τεσσάρων θεμελιωδών αλληλεπιδράσεων: της βαρυτικής, της ηλεκτρομαγνητικής, της ασθενούς και της ισχυρής. Η βαρύτητα, η ασθενέστερη απ’ όλες, είναι η αλληλεπίδραση που ασκείται μεταξύ όλων των σωμάτων που έχουν μάζα, και περιγράφεται με μεγάλη επιτυχία από τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αν και σε  μεγάλες κλίμακες η βαρύτητα είναι που καθορίζει το σχηματισμό και την εξέλιξη της δομής στο σύμπαν, στο βασίλειο του μικρόκοσμου είναι αμελητέα.

Πραγματικά, η βαρυτική έλξη μεταξύ δύο πρωτονίων είναι περίπου 1035 φορές ασθενέστερη από την ηλεκτρομαγνητική τους αλληλεπίδραση, τη δεύτερη από τις τέσσερεις βασικές δυνάμεις της φύσης, η οποία, όπως και η βαρύτητα εξάλλου, έχει άπειρη εμβέλεια. Οι ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις ασκούνται μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων και σε αυτές οφείλεται το γεγονός ότι τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια συγκρατούνται στους θετικά φορτισμένους πυρήνες των ατόμων, ενώ αποτελούν και την αιτία σύνδεσης των ατόμων μεταξύ τους για το σχηματισμό των μορίων. Οι άλλες δύο θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις, σε αντίθεση με τον ηλεκτρομαγνητισμό και τη βαρύτητα, έχουν περιορισμένη εμβέλεια, καθώς γίνονται αισθητές μόνο σε υποατομικές κλίμακες. Από αυτές, η ισχυρή πυρηνική συγκρατεί τα κουάρκ στο εσωτερικό των σωματιδίων, όπως είναι το πρωτόνιο και το νετρόνιο και ακριβώς επειδή είναι κατά πολύ ισχυρότερη της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης, εμποδίζει τα θετικά φορτισμένα πρωτόνια που απωθούνται μεταξύ τους, να «διαλύσουν» τους ατομικούς πυρήνες, στους οποίους είναι συγκεντρωμένα. Η ασθενής πυρηνική αλληλεπίδραση τέλος, ευθύνεται για τις διασπάσεις των σωματιδίων της δεύτερης και της τρίτης γενεάς σε αυτά της πρώτης, αλλά και για τη μετατροπή των πρωτονίων σε νετρόνια, επιτρέποντας έτσι τις πυρηνικές αντιδράσεις στο εσωτερικό των άστρων όπως του Ήλιου.

Η θεωρία που περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο τα 12 αυτά στοιχειώδη σωματίδια και οι 3 από τις 4 βασικές αλληλεπιδράσεις, εξαιρουμένης της βαρύτητας, σχετίζονται μεταξύ τους, είναι το Καθιερωμένο Πρότυπο της φυσικής των στοιχειωδών σωματιδίων, το οποίο αναπτύχθηκε στη διάρκεια των δεκαετιών του ΄60 και του ΄70. Σύμφωνα με αυτό, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των διαφορετικών σωματιδίων ύλης οφείλονται στην ανταλλαγή «σωματιδίων-φορέων» της κάθε αλληλεπίδρασης, τα οποία ονομάζονται μποζόνια και τα οποία μεταφέρουν διακριτά ποσά ενέργειας από το ένα σωματίδιο ύλης στο άλλο. Κάθε αλληλεπίδραση έχει και τα δικά της χαρακτηριστικά μποζόνια: τα φωτόνια για την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση, τα γλουόνια ή γλοιόνια για την ισχυρή και τα μποζόνια W και Ζ για την ασθενή. Με τη σχετικά πρόσφατη παρατήρηση του νετρίνου ταυ, τα 12 φερμιόνια τα 4 μποζόνια (στην πραγματικότητα υπάρχουν 8 διαφορετικά είδη γλουονίων και δύο είδη  μποζονίων W, ενώ στα 12 θεμελιώδη φερμιόνια που αναφέρθηκαν θα πρέπει να προστεθούν και τα 12 αντισωματίδιά τους) έχουν πλέον παρατηρηθεί, ενώ αξίζει να σημειωθεί ότι η ύπαρξη των 7 από τα 16 αυτά σωματίδια είχε προβλεφθεί από το Καθιερωμένο Πρότυπο προτού επιβεβαιωθεί η ύπαρξή τους πειραματικά. Το ΚΠ χαρακτηρίζεται με δυο λόγια από αξιοθαύμαστη προβλεπτική ισχύ για μια σειρά φαινομένων που παρατηρούνται στο μικρόκοσμο των σωματιδίων, ενώ αλλεπάλληλα πειράματα που διεξήχθησαν στους επιταχυντές του CERN και αλλού έχουν επανειλημμένα επιβεβαιώσει τις επιμέρους προβλέψεις του.

Οι φυσικοί, όμως, γνωρίζουν ότι δεν μπορεί να είναι αυτή η τελική εικόνα του κόσμου. Αν και το ΚΠ αποτελεί την καλύτερη ίσως περιγραφή που έχουμε μέχρι σήμερα για το μικρόκοσμο των στοιχειωδών σωματιδίων, μια σειρά από θεμελιώδη ερωτήματα εξακολουθούν να παραμένουν αναπάντητα, με πρώτο το γεγονός ότι η βαρυτική αλληλεπίδραση, η οποία εικάζεται ότι μεταδίδεται και αυτή με την ανταλλαγή μποζονίων, δεν περιγράφεται καθόλου από το ΚΠ. Το «Άγιο Δισκοπότηρο» της θεωρητικής φυσικής, η ενοποίηση δηλαδή και των τεσσάρων αλληλεπιδράσεων σε μια ενιαία Θεωρία των Πάντων δεν έχει ακόμα επιτευχθεί, αφού η κβαντική θεωρία που χρησιμοποιείται για την περιγραφή του μικρόκοσμου και η γενική θεωρία της σχετικότητας που χρησιμοποιείται για την περιγραφή του μακρόκοσμου είναι δύο μαθηματικές δομές που κανένας ως τώρα δεν κατάφερε να ταιριάξει. Επιπλέον, αν και το Καθιερωμένο Πρότυπο ενοποιεί ικανοποιητικά τις ηλεκτρομαγνητικές με τις ασθενείς αλληλεπιδράσεις στην ηλεκτρασθενή αλληλεπίδραση, όπως ονομάζεται, η ενοποίηση αυτής της τελευταίας με την ισχυρή αλληλεπίδραση δεν έχει επιτευχθεί μέχρι σήμερα. Κάτι τέτοιο αναμένεται να επιτευχθεί στα πλαίσια μιας ομάδας ευρύτερων θεωριών από το Καθιερωμένο Πρότυπο, που συλλογικά έχουν ονομαστεί Μεγάλες Ενοποιημένες Θεωρίες.

Άλλα ερωτήματα που εξακολουθούν να παραμένουν αναπάντητα είναι και τα εξής: από πού πηγάζει ο μηχανισμός που απαιτείται για να δώσει μάζα στα σωματίδια; Από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη; Γιατί υπάρχουν μόνο τρεις γενεές σωματιδίων; Εάν η ύλη και η  αντιύλη δημιουργούνται πάντα σε ίσες ποσότητες, πού πήγε η αντιύλη που θα πρέπει να δημιουργήθηκε αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη; Οι θεωρητικές προσεγγίσεις για την απάντηση τέτοιων ερωτημάτων έχουν ήδη αρχίσει. Η συμβολή του LHC, του νέου επιταχυντή του CERN, στην πειραματική επαλήθευση των προσεγγίσεων αυτών αναμένεται με ιδιαίτερο ενδιαφέρον από τους ερευνητές.

ΙΔΡΥΜΑ ΕΥΓΕΝΙΔΟΥ © 2007Λ. Συγγρού 387 - 175 64 Π.ΦΑΛΗΡΟ - Τηλ: 210 9469600 - Fax:210 9417372 - Email:admin@eugenfound.edu.grΌροι ΧρήσηςΔικαιώματα