Το θεματικό πάρκο των υποατομικών σωματιδίων και το Καθιερωμένο Πρότυπο

 

Στο μαγικό κόσμο της σύγχρονης φυσικής, υπάρχουν αρκετά στοιχειώδη σωματίδια που συνιστούν τον κόσμο μας σε υποατομικό επίπεδο. Από αυτά άλλα είναι μποζόνια που αποτελούν φορείς των τριών εκ των τεσσάρων θεμελιωδών δυνάμεων και άλλα είναι φερμιόνια. Τι είναι όμως τα μποζόνια και τι τα φερμιόνια;


Μποζόνια-Φερμιόνια

Κάθε υποατομικό σωμάτιο μπορεί να χαρακτηριστεί είτε σαν μποζόνιο είτε σαν φερμιόνιο. Μαθηματικά αυτό σημαίνει ότι ακολουθεί στατιστικά διαφορετικές κατανομές, τις Bose-Einstein και Fermi-Dirac, αντίστοιχα. Τι σημαίνει όμως πρακτικά; Ας σκεφτούμε ενα φορτισμένο σωμάτιο ελεύθερο στον χώρο π.χ. το ηλεκτρόνιο. Η κλασσική φυσική του ηλεκτρομαγνητισμού μας λέει οτι αυτό δημιουργεί γύρω του ένα μαγνητικό πεδίο. Αυτό υποδηλώνει πως ένα κινούμενο φορτίο συμπεριφέρεται σαν μαγνήτης δηλαδή το φορτίο είναι μία πηγή του μαγνητισμού.

Το 1922 οι Stern-Gerlach στο ομώνυμο πείραμα τους, προώθησαν  μια δέσμη ατόμων αργού μέσα σε ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο. Το αναμενόμενο αποτέλεσμα θα ήταν σύμφωνα με τα παραπάνω, τα άτομα του αργού να έχουνε το καθένα (όπως θα είχανε οι αντίστοιχοι μαγνήτες) διαφορετικό προσανατολισμό. Κι αυτό διότι, τα βομβαρδίζαμε τυχαία μέσα στο πεδίο. Όμως, κάτι τέτοιο δεν παρατηρήθηκε, η δέσμη χωριζότανε στα δύο με 50% άτομα σε κάθε μεριά, που σήμαινε πως το φορτίο δεν είναι αρκετό ως πηγή του μαγνητισμού. Αυτή η πηγή αποδείχτηκε πως είναι το λεγόμενο σπιν που είναι ένα καθαρά κβαντικό μέγεθος χωρίς κλασσικό ανάλογο. Τα σωμάτια που έχουν ημιακέραιο σπιν (λεπτόνια, quark, βαρυόνια κ.α.) ονομάζονται φερμιόνια ενώ τα σωμάτια με ακέραιο σπιν (μεσόνια, φορείς δυνάμεων κ.α.) ονομάζονται μποζόνια.

 Το θεματικό πάρκο των υποατομικών σωματιδίων

Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 60, είχανε βρεθεί εκατοντάδες σωματίδια, τα αδρόνια, τα οποία  διακρίνονται σε μεσόνια και βαρυόνια. Τα αδρόνια αρχικά θεωρούνταν στοιχειώδη,δηλαδή σωματίδια που δεν διασπώνταν περαιτέρω. Ήτανε τόσα πολλά και τόσο διαφορετικά στα χαρακτηριστικά τους που ήταν σαν να ένας ‘’ζωολογικός κήπος’’ ή ένα θεματικό πάρκο με 100 διαφορετικά είδη. Η επιστημονική κοινότητα της εποχής πίστευε πως αυτα τα είδη ειναι στοιχειώδη σωμάτια της φύσης με αποτέλεσμα να βαδίζουνε σε μια λάθος απο την βάση της  χτισμένη εξήγηση της φύσης. Βλέποντας και κατανοώντας την ασυνέπεια αυτήν άρχισαν να κατηγοριοποιούν τα σωμάτια σύμφωνα με τις ιδιότητες τους όπως μάζα, φορτίο, χρόνο ζωής και φυσικά του σπιν.

Advertisement

Μετά από ραγδαία εξέλιξη στον χώρο των μαθηματικών (θεωρία ομάδων, Grassmann άλγεβρα κ.α.), προτάθηκε το 1964, από τους Murray Gell-Μann και George Zweig, το μοντέλο των quarks ενώ το 1969 ανακαλύφθηκαν 3 από αυτά (up,down και strange). Στα χρόνια που ακολούθησαν ανακαλύφθηκαν και άλλα quarks. Μάλιστα το 6ο και τελευταίο  βρέθηκε μόλις το 1995 στο Fermilab. Έτσι, αποκαλύφθηκε ότι τα αδρόνια δεν ήταν πλέον στοιχειώδη! Τα μεσόνια αποτελούνται από ένα quark και ένα antiquark και τα βαρυόνια από 3 quark.  Ο ζωολογικός κήπος/θεματικό πάρκο άρχισε να ερημώνει και ένα μεγαλοπρεπές στερέωμα ξεκίνησε να οικοδομείτε στην θέση του.

Περίληψη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των σωματίων απο το Καθιερωμένο Πρότυπο.

 

Το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειώδων σωματιδίων με τις 3 γενιές της ύλης, τα μποζόνια βαθμίδας στην 4η στήλη και το σωματίδο του Higgs στην 5η.

Το Καθιερωμένο Πρότυπο

Με την γνώση πως τα quark είναι τα νέα στοιχειώδη σωματίδια στην θέση των αδρονίων, μια νέα εποχή ξεκίνησε για την φυσική  δίνοντας ζωή στο Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model). Επιπρόσθετα με τα quarks, υπάρχουν και άλλοι στοιχειώδη γενεσιουργοί λίθοι της ύλης που ονομάζονται λεπτόνια. Αυτά αποτελούνται από τα ηλεκτρόνια, τα μυόνια, τα ταυ σωμάτια και τα αντίστοιχα νετρίνα τους. Επιπλέον, στους λίθους της ύλης το Καθιερωμένο Πρότυπο ενσωματώνει τις θεμελιώδης δυνάμεις. Κάθε θεμελιώδης δύναμη χαρακτηρίζεται απο σωμάτια που ονομάζονται μποζόνια ανταλλαγής/βαθμίδας ή φορείς αλληλεπίδρασης.

Για την ασθενή πυρηνική αλληλεπίδραση έχουμε τα μποζόνια W και Ζ. Αυτή, εξηγεί την παραγωγή ενέργειας στον ήλιο και είναι υπεύθυνη για την ραδιενεργό β-διάσπαση. Η ηλεκτρομαγνητική δύναμη επιδρά σε σωμάτια που διαθέτουν φορτίο και έχει φορέα αλληλεπίδρασης τα φωτόνια. Φυσικά είναι υπεύθυνη  για την διάδοση του φωτός, του μαγνητισμού κ.α. Η ισχυρή πυρηνική δρα στα quarks κρατώντας τα ‘’κολλημένα’’ μεταξύ τους μέσα στα πρωτόνια και νετρόνια και κρατάει επίσης τον πυρήνα του ατόμου ενωμένο. Αυτό γίνεται μέσω των φορέων της ισχυρής πυρηνικής που ονομάζονται γλουόνια.

Advertisement

Τέλος, υπάρχει το περίφημο μποζόνιο του Higgs, που είναι υπεύθυνο για την απόκτηση μάζας των λοιπών σωματιδίων κατά την μεγάλη έκρηξη. Το μποζόνιο Higgs, προτάθηκε το 1964 από μία ομάδα 6 φυσικών αναμεσά τους και ο Peter Higgs. To σωμάτιο βρέθηκε πειραματικά μετα απο 48 χρόνια το 2012. Την επόμενη χρονιά ο Peter Higgs και Francois Englert τιμήθηκαν για αυτήν τους την προσφορά με το βραβείο Nobel φυσικής.

Σύνοψη των σωματιδίων και των δυνάμεων της σωματιδιακής φυσικής.

Πέρα απο το Καθιερωμένο Πρότυπο

Η θεωρία του Καθιερωμένου προτύπου εξηγεί μεν με επιτυχία την σχέση και την συμμετρια μεταξυ των 3 δυνάμεων, άλλα υπάρχουνε δυστυχώς κενά και ανακρίβειες . Το πιο τρανταχτό απο αυτά είναι η αδυναμία του να εντάσσει την βαρυτική δύναμη σε μια κοινή θεωρία των Πάντων μαζί με τις υπόλοιπες δυνάμεις. Είναι ένα απο τα μεγαλύτερα αναπάντητα προβλήματα της σημερινής φυσικής και σίγουρα το άγιο δισκοπότηρο των σύγχρονων φυσικών. Υπερσυμμετρία, παραπάνω διαστάσεις, θεωρία χορδών, κβαντική βαρύτητα βρόχων είναι κάποιες απο τις προσπάθειες να καλυφθούν τα κενά ή να δημιουργηθούν καινούργιες θεωριές απο την αρχή. Αυτές, είναι ακόμα σε θεωρητική μορφη με ελάχιστα πειραματικά δεδομένα. Προς το παρόν μπορούμε απλά να κάτσουμε αναπαυτικά παρακολουθώντας τις εξελίξεις πάνω στο μεγαλύτερο μυστήριο της συγχρονης φυσικής· το Καθιερωμένο Πρότυπο, αυτην την φορά ολοκληρωμένο σε μια θεωρία των πάντων.

Παρόμοια άρθρα που μπορεί να σ’ενδιαφέρουν:

Advertisement

SHARE:

Εβδομαδιαία ενημέρωση απο το maxmag στο email σου

Η ενημέρωση σου, για όλα τα θέματα, επί παντός επιστητού, είναι προτεραιότητα για μας στο MAXMAG. Αυτός είναι κ ο λόγος, για τον οποίο κάθε εβδομάδα οι συντάκτες μας θα επιλέγουν τα 15 σημαντικότερα άρθρα, από όλες τις στήλες του περιοδικού και θα φροντίζουμε να τα λαμβάνεις απευθείας στο email σου. Όλες οι σημαντικές ειδήσεις θα σε περιμένουν να τις ανοίξεις. Το μόνο που χρειάζεται να κάνεις είναι μια εγγραφή στο Newsletter μας. Τι περιμένεις λοιπόν;

Follow Newsweek

Κάνοντας εγγραφή στο newsletter μας θα λαμβάνετε όλα τα τελευταία νέα που ανεβαίνουν στην ιστοσελίδα του MAXMAG

Advertisement

Λίγα λόγια για τον συντάκτη

Το πάθος μου για την σύγχρονη φυσική με οδήγησε να ακολουθήσω μεταπτυχιακές σπουδές στην θεωρητική φυσική. 'Οντας πτυχιουχος του τμήματος φυσικής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης, συνεχίζω την πορεία μου σκαλίζοντας μέσα στις κρύες ανεξερεύνητες ακόμα για μένα γωνιές του σύμπαντος. Καθώς η μετάδοση της γνώσης είναι για μενα οτι σημαντικότερο, θα κλείσω παραφράζοντας Adorno: Το ζητούμενο δεν ειναι η τέλεια γνώση, αλλα περισσότερη γνώση.

Αφήστε το σχόλιο σας

Το MAXMAG είναι ένα περιοδικό που μπήκε δυναμικά στο χώρο της διαδικτυακής ενημέρωσης. Κοινό όλων: η αγάπη για την αρθρογραφία, την οποία ο καθένας ξεχωριστά τη συνδέει με το αντικείμενο που γνωρίζει καλά και, συνήθως, έχει σπουδάσει.

Follow Newsweek

Κάνοντας εγγραφή στο newsletter μας θα λαμβάνετε όλα τα τελευταία νέα που ανεβαίνουν στην ιστοσελίδα του MAXMAG