Οι 4 Δυνάμεις του Σύμπαντος και το Καθιερωμένο Πρότυπο

17 σωματίδια, τέσσερις δυνάμεις, ένα σύμπαν. Πάμε να το γνωρίσουμε!

Για να φτάσουμε στο σημείο όμως να μιλήσουμε για αυτές τις τέσσερις δυνάμεις και να κατανοήσουμε τον τρόπο που αλληλεπιδρούν θα ξεκινήσουμε την παρουσίαση μας, με την γνωριμία μας,  με το καθιερωμένο πρότυπο της φυσικής.  Για να κατανοήσουμε δηλαδή τον τρόπο που τέσσερις δυνάμεις κυβερνούν τα πάντα θα πρέπει πρώτα να δούμε από τι αποτελούνται τα πάντα.

ΤΟ ΚΑΘΙΕΡΩΜΕΝΟ ΠΡΟΤΥΠΟ

Το καθιερωμένο πρότυπο της σωματιδιακής φυσικής είναι η καλύτερη υπάρχουσα θεωρία για την περιγραφή των πιο βασικών δομικών στοιχείων και τη συμπεριφορά του σύμπαντος.  Μας περιγράφει,  πως ορισμένα στοιχειώδη σωματίδια αλληλεπιδρούν προκειμένου να σχηματίσουν μεγαλύτερες δομές και πως τα σωματίδια αυτά ανταποκρίνονται στις θεμελιώδεις δυνάμεις της φύσης.  Όλη η ύλη που βλέπουμε γύρω μας είναι φτιαγμένη από κάποια στοιχειώδη σωματίδια μπορούμε να τα φανταστούμε σαν τουβλάκια lego.  Και ανάλογα με την ποσότητα και τον τρόπο διάταξης τους φανερώνουν τα διαφορετικά χαρακτηριστικά της ύλης,  όπως αν χρησιμοποιήσουμε τα ίδια τουβλάκια lego μπορούμε με την κατάλληλη φαντασία να φτιάξουμε είτε μια γέφυρα είτε έναν πύργο.

Ο ΧΑΡΤΗΣ ΤΩΝ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ( ΦΕΡΜΙΟΝΙΑ-QUARKS-ΛΕΠΤΟΝΙΑ-ΜΠΟΖΟΝΙΑ)

Το καθιερωμένο πρότυπο αποτελείται από 17 στοιχειώδη σωματίδια εκ των οποίων μέχρι πριν 100 χρόνια γνωρίζαμε την ύπαρξη μόνο δύο, του ηλεκτρονίου και του φωτονίου.  Αν κοιτάξετε λίγο στην εικόνα θα δείτε πως στον χάρτη αυτό έχω κάνει δύο μεγάλες κατηγοριοποιήσεις όπως φαίνονται στα άγκιστρα από πάνω.  Η πρώτη μεγάλη κατηγορία είναι τα φερμιόνια τα οποία είναι 12 και τα σωματίδια αυτά αποτελούν τους δομικούς λίθους της ύλης.  Η δεύτερη κατηγορία είναι τα μποζόνια, πέντε στον αριθμό και είναι υπεύθυνα για τον τρόπο που τα σωματίδια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους.  Για τον λόγο αυτό τα χαρακτηρίζουμε και ως φορείς δυνάμεων.  Μέχρι τις αρχές του 1960 γνωρίζαμε πως η ύλη αποτελείται από άτομα.  Και τι ήταν ένα άτομο;  Ένα άτομο αποτελείται από έναν πυρήνα και γύρω από αυτόν κινούνται τα ηλεκτρόνια σε τροχιά.  Αν κάνουμε ζουμ στον πυρήνα βλέπουμε πως αυτός αποτελείται από έναν αριθμό πρωτονίων και νετρονίων.  Όμως η ιστορία δεν τελειώνει εκεί μιας και ανακαλύφθηκε πως τα πρωτόνια και τα νετρόνια δεν είναι θεμελιώδη σωματίδια,  αποτελούνται δηλαδή από μικρότερα ακόμα σωματίδια τα οποία ονομάζουμε quarks. Πιο συγκεκριμένα από 2 quarks  τα οποία ακούν στο όνομα άνω και κάτω quark. Οτιδήποτε βλέπουμε λοιπόν γύρω μας αποτελείται από αυτά τα τρία στοιχειώδη σωματίδια τα άνω quark, κάτω quark και τα ηλεκτρόνια.  Αν πάρουμε δηλαδή δύο άνω και ένα κάτω quark συνθέτουμε ένα πρωτόνιο.  Εάν πάρουμε δύο άνω και ένα κάτω κουάρκ συνθέτουμε ένα νετρόνιο αν πάρουμε από αρκετά από αυτά και τα φέρουμε κοντά κοντά τότε συνθέτουμε έναν πυρήνα  και αν στη συνταγή προσθέσουμε μερικά ηλεκτρόνια να περιστρέφονται γύρω από αυτόν έχουμε ένα άτομο και αρκετά από αυτά τα άτομα συνθέτουν όλη την ύλη που βλέπουμε γύρω μας. Και τώρα εάν το καλοσκεφτούμε συνειδητοποιούμε πως όλη η ύλη που βλέπουμε γύρω μας αποτελείται από αυτά τα τρία στοιχειώδη σωματίδια.  Και εδώ γεννάται η εξής ερώτηση:  τι δουλειά έχουν αυτά τα 17 σωματίδια που τοποθετήσαμε  σε αυτόν τον χάρτη εφόσον όλη η ύλη αποτελείται μόνο από αυτά τα τρία σωματίδια; Συνεχίζουμε και πάμε στο σωματίδιο που ακούει στο όνομα νετρίνο.  Ένα σωματίδιο φάντασμα.  Είναι τόσο ελαφρύ που στην πραγματικότητα δεν αλληλεπιδρά με την ύλη.  Αυτή τη στιγμή που μιλάμε διαπερνούν το σώμα σας τρισεκατομμύρια από αυτά τα σωματίδια και η μεγαλύτερη ποσότητα από αυτά προέρχεται από τον ήλιο.  Και κάπως έτσι ολοκληρώσαμε την πρώτη σειρά, την πρώτη γενιά σωματιδίων όπως ονομάζονται,  στην οποία γνωρίσαμε τα τρία σωματίδια που αποτελούν τα πάντα γύρω μας και φυσικά το νέτρινο που σουλατσάρει χωρίς να ενοχλεί κανέναν.

ΔΕΥΤΕΡΗ ΚΑΙ ΤΡΙΤΗ ΓΕΝΙΑ ΣΩΜΑΤΙΔΙΩΝ

Και τώρα αρχίζουν και περιπλέκονται κάπως τα πράγματα μιας  και υπάρχουν κάποια κομμάτια του παζλ που ακόμα δεν έχουμε κατανόηση.  Για άγνωστους προς το παρόν λόγους η φύση αποφασίζει να δημιουργήσει δυο κόπιες,  δυο αντιγραφές αυτών των πρώτων τεσσάρων σωματιδίων με μόνη διαφορά ότι τα σωματίδια αυτά είναι βαρύτερα των αρχικών.  Για το πρώτο κουάρκ το UP  έχουμε το βαρύτερο του Charm αντίστοιχα για το Down Quark  έχουμε τον πρώτο συγγενή του το strange quark και ακριβώς παραδίπλα έχουμε τους επόμενους συγγενείς του γενεαλογικού δέντρου οι οποίοι είναι ακόμα βαρύτερη σε σχέση με τους προηγούμενους.  Ιδια διαδικασία συμβαίνει και στο κάτω μέρος των Φερμιονίων.  Δηλαδή το διπλά σωματίδιο του ηλεκτρονίου είναι το μιουόνιο, το οποίο έχει ίδιο φορτίο αλλά είναι 200 φορές πιο βαρύ σε σχέση με το ηλεκτρόνιο και παραδίπλα το σωματίδιο που ακούει στο όνομα tau  που είναι σχεδόν τρεισήμισι χιλιάδες φορές πιο βαρύ από το ηλεκτρόνιο.  Αντίστοιχα ίδια διαδικασία και στην οικογένεια των νετρίνο.  Και τι γίνεται τώρα; Εξαιτίας του γεγονότος ότι η δεύτερη και η τρίτη γενιά είναι σωματίδια τα οποία είναι πολύ βαρύτερα και πολύ πιο ασταθή δεν ζουν για πολύ χρονικό διάστημα διότι εξαιτίας της αστάθειας τους από τη στιγμή της δημιουργίας τους διασπώνται σε άλλα στοιχειώδη σωματίδια.  Άρα για να συνοψίσουμε ως προς το παρόν τα σωματίδια της πρώτης κατηγορίας που ονομάζονται φερμιόνια είναι οι δομικοί λίθοι της ύλης εκ των οποίων μόνο τα τρία από αυτά συνθέτουν τα πάντα το άνω,  το κάτω Quark  και τα ηλεκτρόνια.

ΜΠΟΖΟΝΙΑ. ΦΟΡΕΙΣ ΔΥΝΑΜΕΩΝ/ΑΛΛΗΛΕΠΙΔΡΑΣΗΣ

Και πάμε στο δεύτερο και πολύ σημαντικό κομμάτι, τα σωματίδια τα οποία χαρακτηρίζουν ως φορείς των δυνάμεων.  Διότι σκεφτείτε…  Καλά και ωραία όλα αυτά τα πρώτα σωματίδια που είναι οι δομικοί λίθοι της ύλης, τα τουβλάκια lego του σύμπαντος. Αλλά χωρίς τις δυνάμεις…  Θα ήταν απλώς ένα σωρό σωματιδίων που θα περιφέρονταν δεξιά αριστερά όπως ακριβώς τα τουβλάκια lego που τα βγάζει κάνεις από το κουτί και έχουν απλωθεί σε ολόκληρο το δωμάτιο χωρίς να σχηματίσουν δομές.  Υπάρχουν τέσσερις δυνάμεις στο σύμπαν και αυτές είναι η βαρυτική, η ηλεκτρομαγνητική,  η ισχυρή πυρηνική και η ασθενής πυρηνική.  Και ίσως εκπλαγείτε όταν σας πω για ποια από αυτές γνωρίζουμε τα λιγότερα.  Ποιο όνομα από αυτές τις δυνάμεις σας φαίνεται το πιο οικείο;  Υποθέτω η βαρυτική!  Μιας και είναι η δύναμη της οποίας τα αποτελέσματα βλέπουμε παντού γύρω μας.  Κι όμως η υπεράνω πάσης υποψίας βαρυτική  είναι η δύναμη για την οποία γνωρίζουμε τα λιγότερα. Προτού ξεκινήσουμε την ανάλυση της κάθε δύναμης θα ήθελα να σιγουρευτούμε ότι έχουμε κατανοήσει τον ρόλο των σωματιδίων που ακούν στο όνομα φορείς αλληλεπιδρασης,  οπότε ας προσπαθήσουμε να το εξηγήσουμε λίγο καλύτερα μέσω ενός παραδείγματος.  Έστω ότι θέλουμε να αγοράσουμε κάτι, ας πούμε ένα πιτόγυρο.  Η πράξη της αγοράς είναι αυτή που θα φέρει εμένα και το πιτόγυρο σε αλληλεπίδραση. Αλλά στην προκειμένη περίπτωση για να πετύχουμε αυτή την σύνδεση (εμού και του το γύρου) χρειαζόμαστε κάτι για να φέρει εις πέρας αυτή την σύνδεση.  Τι;  Ένα χαρτονόμισμα των 5 ευρώ. Χωρίς αυτό εγώ θα ήμουν πεινασμένος στη μία άκρη του δωματίου ενώ το πιτόγυρο θα κρύωνε στην άλλη άκρη του δωματίου.  Όπως ακριβώς αυτό το χαρτονόμισμα είναι υπεύθυνο και ικανό για να αλληλεπιδράσω εγώ με το πιτόγυρο έτσι ακριβώς και αυτή η κατηγορία σωματιδίων είναι υπεύθυνη για να αλληλεπιδράσουν μέσω τριών δυνάμεων τα προηγούμενα σωματίδια, οι δομικοί λίθοι.

ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ

Ας ξεκινήσουμε λοιπόν με την περίφημη ηλεκτρομαγνητική δύναμη.  Η Ηλεκτρομαγνητική δύναμη δρά πανω σε οποιοδήποτε σωματίδιο φέρει φορτίο, όπως παραδείγματος χάρη στο ηλεκτρονικό και τα ξαδερφάκια του και την οικογένεια των κουάρκ όχι όμως στα νέτρινο μιας και είναι ουδέτερα.  Ας πάρουμε ένα ηλεκτρόνιο… Αν το ηλεκτρόνιο αυτό είναι ακίνητο τότε εξαιτίας του φορτίου του δημιουργεί γύρω του ένα ηλεκτρικό πεδίο και αν τεθεί σε κίνηση δημιουργείται και ένα μαγνητικό πεδίο.  Σύμφωνα με το πεδίο αυτό αλληλεπιδρά με σωματίδια που έχουν φορτίο.  Στην περίπτωση που αυτά είναι αρνητικά τα απωθεί,  στην περίπτωση που είναι θετικά τα έλκει.  Και θα μου πείτε…  Τι ακριβώς είναι αυτό το πεδίο;  πώς θα μπορούσαμε να το φανταστούμε;  Θα μπορούσαμε να το φανταστούμε σαν ένα μισόαόρατο θολό συννεφάκι το οποίο αναπτύσσεται συμμετρικά και σφαιρικά γύρω από ένα ηλεκτρόνιο;  Στην πραγματικότητα θα μπορούσαμε να το φανταστούμε έτσι μιας και θα εξυπηρετούσε την εικόνα που θα χτίζαμε για αυτό.  Αν όμως κοιτάξουμε προσεκτικότερα μέσα σε αυτό το πεδίο θα δούμε πως αποτελείται από κάποια μποζόνια και ποια μποζόνια;  Τα φωτόνια.  Μεταξύ φορτισμένων σωματιδίων γίνεται ανταλλαγή φωτονίων και έτσι καταφέρνουν και βρίσκονται σε αλληλεπίδραση και αναπτύσσονται μεταξύ τους η ηλεκτρομαγνητική δύναμη.  Άρα λοιπόν το υπεύθυνο σωματίδιο για την ηλεκτρομαγνητική δύναμη είναι το φωτόνιο.  Εάν θα θέλατε να το φανταστείτε λίγο καλύτερα μέσω ενός παραδείγματος σκεφτείτε εμένα στη μία άκρη του δωματίου και εσάς στην άλλη άκρη του δωματίου και θα θέλαμε να παίξουμε βόλεϊ.  Για να παίξουμε βόλεϊ όμως χρειαζόμαστε μία μπάλα.  Ο τρόπος που πετάμε ο ένας στον άλλον αυτήν την μπάλα είναι ο τρόπος που εμείς οι δύο βρισκόμαστε σε αλληλεπίδραση.  Ακριβώς έτσι και δύο φορτισμένα σωματίδια ανταλλάσσουν μεταξύ τους φωτόνια και κατά αυτό τον τρόπο βρίσκονται σε αλληλεπίδραση υπό την σκέπη της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης.

ΙΣΧΥΡΗ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ

Η ισχυρή πυρηνική δύναμη είναι η δυνατότερη με μεγάλη διαφορά όλων των δυνάμεων.  Είναι αυτή η οποία κρατάει σε συνοχή τους δομικούς λίθους της ύλης,  τα quarks, τα οποία με τη σειρά τους σχηματίζουν τα πρωτόνια και τα νετρόνια.  Το σωματίδιο το οποίο είναι υπεύθυνο για αυτήν την δύναμη είναι το γλουόνιο,  θα μπορούσε να το χαρακτηρίσει κανείς ως την κόλλα των quark.  Το γλουόνιο  δημιουργεί και αυτό ένα πεδίο το οποίο μοιάζει περισσότερο με έναν σωλήνα ροής,  μέσα στον οποίο το γλουόνιο κινείται και κινείται μέχρι να βρει τον προορισμό του.  Ποιος είναι αυτός ; Ο προορισμός του θα βρεθεί  μόνο όταν συναντήσει ένα αντίστοιχο σωλήνα ροής που δημιουργείται από ένα quark διαφορετικού είδους.  Αν παραδείγματος χάρη το πρώτο γλουόνιο κινείται μέσα σε έναν σωλήνα ροής που έχει δημιουργηθεί από ένα up quark τότε θα συναντήσει και θα συνδεθεί ουσιαστικά με ένα γλουόνιο  το οποίο κινείται μέσα σε έναν σωλήνα ροής το οποίο δημιουργείται από ένα downw quark.  Έτσι λοιπόν τα δύο γλουόνια αυτά συνδέονται υπό την επίδραση της ισχυρής πυρηνικής δύναμης.

ΑΣΘΕΝΗΣ ΠΥΡΗΝΙΚΗ ΔΥΝΑΜΗ

Τα επόμενα δύο σωματίδια που θα μας απασχολήσουν ακούν στο όνομα w και z μποζόνια.  Τα μποζόνια αυτά είναι φορείς της ασθενούς πυρηνικής δύναμης, η οποία διαφέρει σε σχέση με τις άλλες δυνάμεις ως προς το εξής.  Έχουμε συνηθίσει όταν ακούμε για μία δύναμη να υποθέτουμε πως τα αποτελέσματα αυτής θα είναι μόνο η έλξη και η άπωση.  Σε αντίθετη περίπτωση η ασθενής πυρηνική δύναμη προκαλεί κάτι τελείως διαφορετικό, προκαλεί μία διάσπαση. Εξαιτίας της δύναμης αυτής ένα κουάρκ θα μπορούσε να αλλάξει αυτό που είναι.  Παραδείγματος χάρη ένα κάτω κουάρκ μπορεί να γίνει άνω κουάρκ υπό την επίδραση των δύο μποζονίων που αναφέραμε.  Και κατά την διαδικασία αυτή απελευθερώνονται ένα νέτρινο και ένα ηλεκτρόνιο.  Η  διαδικασία αυτή καλείται ραδιενεργός βήτα διάσπαση.  Η ασθενής πυρηνική δύναμη είναι άκρως σημαντική μιας και είναι υπεύθυνη για τις πυρηνικές συντήξεις που συμβαίνουν συνεχώς στον ήλιο.  Και υποθέτω πως περιμένετε με το δίκιο σας κι όλα να ακούσετε για την γνωστή και αγαπητή βαρυτική δύναμη.  Για να δούμε…

Η δύναμη αυτή είναι η ασθενέστερη μεταξύ των δυνάμεων που αναφέραμε αρχικά.  Ας δούμε ένα παράδειγμα με αριθμούς για να κατανοήσουμε το πόσο  ασθενής είναι.  Αν θεωρήσουμε πως η ισχυρή πυρηνική δύναμη ασκεί δύναμη μιας μονάδας τότε η ηλεκτρομαγνητική είναι 100 φορές μικρότερη η ασθενής πυρηνική 100.000 φορές μικρότερη και η βαρυτική 1.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000  φορές μικρότερη. Παρόλο που η δύναμη αυτή συγκρατεί πλανήτες, ηλιακά συστήματα, γαλαξίες συνειδητοποιεί κάνεις πως σε σωματιδιακό επίπεδο δεν πιάνει μία μπροστά στις άλλες δυνάμεις. Δεν έχει σχεδόν καμία επίδραση μεταξύ των θεμελιωδών σωματιδίων.  Για τον λόγο αυτό λοιπόν είναι τόσο δύσκολο να μελετηθεί σε σωματίδιακό επίπεδο και να εξάγουμε τα συμπεράσματα που θέλουμε για αυτήν.  Και περνάμε στον μεγάλο μαέστρο.

ΜΠΟΖΟΝΙΟ HIGGS

Αν κοιτάξουμε λίγο τον χάρτη των σωματιδίων βλέπουμε και γνωρίζουμε πως κάποια από αυτά τα σωματίδια έχουν μάζα και κάποια όχι.  Παραδείγματος χάρη το φωτόνιο δεν έχει μάζα.  Και γεννάται η εξής ερώτηση:  γιατί κάποια έχουν και κάποια όχι;  γιατί συμβαίνει δηλαδή αυτή η διαφοροποίηση;  Η  απάντηση έρχεται το 1964.  Σκεφτείτε πως όλα αυτά τα σωματίδια δεν έχουν μάζα, τίποτα,μηδέν.  Αλλά φανταστείτε πως  σε ολόκληρο το σύμπαν υπάρχει ένα πεδίο.  Ένα πεδίο που έχει την ιδιότητα να προσφέρει μάζα σε οποιοδήποτε σωματίδιο είναι ικανό να αλληλεπιδράσει με αυτό το πεδίο.  Το πεδίο αυτό καλείται πεδίο higgs και το σωματίδιο για την ύπαρξη αυτού του πεδιού είναι το μποζόνιο higgs.

Το καθιερωμένο πρότυπο  είναι η καλύτερη περιγραφή για τον τρόπο που λειτουργεί το σύμπαν,  αλλά δεν εξηγεί ακόμα ολόκληρη την εικόνα.  Υπάρχουν πολλά αναπάντητα ερωτήματα εκεί έξω τα οποία περιμένουν να βρουν το δρόμο τους.