Ο άνθρωπος που εξηγεί το «σωματίδιο του Θεού» με τρόπο που το καταλαβαίνουμε
‘
| Τι είναι το CERN; |
| Το μεγαλύτερο κέντρο ερευνών με αντικείμενο τη σωματιδιακή φυσική στον κόσμο βρίσκεται στα σύνορα Γαλλίας-Ελβετίας και ιδρύθηκε το 1954 με την πρωτοβουλία 12 ευρωπαϊκών χωρών, μεταξύ των οποίων και η Ελλάδα. Διατηρώντας το ακρωνύμιο του Ευρωπαϊκού Συμβουλίου Πυρηνικής Έρευνας (Conseil Européen pour la Recherche Nucleaire), πλέον αριθμεί 22 κράτη-μέλη και απασχολεί χιλιάδες επιστήμονες και ερευνητές από ολόκληρο τον πλανήτη. Μετά από σειρά ανακαλύψεων (με πιο γνωστή τη θεμελίωση του World Wide Web), πλέον έχει εστιάσει στην πειραματική έρευνα και την παροχή υλικοτεχνικών υποδομών σε φυσικούς (με βασικότερες τους επιταχυντές σωματιδίων). Ο πλέον γνωστός είναι ο LHC (Μέγας Επιταχυντής Αδρονίων), ο οποίος απλώνεται σε μια υπόγεια σήραγγα συνολικής περιμέτρου 27 χιλιομέτρων. Το CERN τράβηξε πάνω του τα φώτα της δημοσιότητας το 2012, όταν ανακοινώθηκε η ανακάλυψη ενός σωματιδίου που “συμπεριφέρεται” όπως το μποζόνιο του Χιγκς. |
Αρχικά τον ρωτήσαμε πώς θα εξηγούσε το μποζόνιο Χιγκς και τη σωματιδιακή φυσική σε κάποιον που δεν έχει ιδέα από Φυσική.«Όσοι ασχολούμαστε με τη σωματιδιακή φυσική έχουμε στόχο να κατανοήσουμε τα θεμελιώδη σωματίδια και τις δυνάμεις που αποτελούν το “υλικό” από το οποίο είμαστε φτιαγμένοι –τα σώματά μας, η γη, οι πλανήτες, τα αστέρια. Από την εποχή των αρχαίων Ελλήνων φιλοσόφων αναζητούμε αυτά τα συστατικά της ύλης και μόνο τον τελευταίο αιώνα μοιάζουμε να έχουμε εντοπίσει τα θεμελιώδη σωματίδια (αν όχι όλα, τουλάχιστον αρκετά εξ αυτών). Αυτό είναι που ονομάζεται πλέον “Καθιερωμένο Πρότυπο” της σωματιδιακής φυσικής –ένα σύνολο σωματιδίων ύλης που ονομάζονται κουάρκ και λεπτόνια, και ένα σύνολο σωματιδίων που είναι υπεύθυνα για τις θεμελιώδεις δυνάμεις, τις οποίες μπορούμε να αποκαλέσουμε “φορείς της δύναμης”.
| Αυτά είναι τα σωματίδια που δεν αποτελούνται από μικρότερα σωματίδια. Τα στοιχειώδη σωματίδια είναι τα δομικά στοιχεία του σύμπαντος. | |
| Οι δύο κατηγορίες των στοιχειωδών σωματιδίων | |
| Φερμιόνια | Μποζόνια |
| Τα φερμιόνια είναι τα σωματίδια της ύλης. Όλη η ύλη είναι φερμιόνια. Αυτά χωρίζονται σε δύο τύπους: τα κουάρκ και τα λεπτόνια. | Τα μποζόνια είναι σωματίδια που μεταφέρουν δύναμη. Αυτό σημαίνει ότι αποτελούνται από μικροσκοπικές δέσμες ενέργειας. |
»Αυτό ακούγεται σαν να καταφέραμε να εξηγήσουμε τα πάντα, αλλά μόλις πριν από πενήντα χρόνια αναγνωρίσαμε ότι υπήρχε ένας δυσεπίλυτος γρίφος που αδυνατούσαμε να καταλάβουμε. Τα σωματίδια, που είναι οι φορείς των δυνάμεων (ηλεκτρομαγνητικές, αδύναμες, ισχυρές και βαρυτικές), έχουν διαφορετικές μάζες (αν δεν είστε εξοικειωμένοι με τη μάζα, σκεφτείτε το ως βάρος –δεν είναι επιστημονικά ορθό, αλλά βοηθά για την κατανόηση του φαινομένου). Τα “βάρη” αυτών των φορέων δύναμης και τα σωματίδια της στοιχειώδους ύλης καλύπτουν ένα πολύ μεγάλο εύρος. Από το μηδέν (χωρίς καθόλου “βάρος”!) στο κορυφαίο κουάρκ που μόνο του ζυγίζει όσο και ο χρυσός πυρήνας (πολύ βαρύς στον κόσμο της φυσικής των σωματιδίων!). Πώς θα εξηγήσουμε τον τρόπο που τα στοιχειώδη σωματίδια απέκτησαν το βάρος τους; Ποιος μηχανισμός είναι υπεύθυνος γι’ αυτό;».Πάνω που αρχίσαμε να ψάχνουμε το πώς συνδέονται όλα αυτά με το πολυθρύλητο μποζόνιο, ο κ. Τατς μας εξήγησε ότι η βασική ιδέα είναι ότι το σύμπαν είναι γεμάτο με κάτι που ονομάζεται «πεδίο Χιγκς» (ονομάστηκε από τον Πίτερ Χιγκς που μοιράστηκε το βραβείο Νόμπελ του 2013 γι’ αυτήν την ιδέα) και εξηγεί πώς τα σωματίδια αποκτούν το βάρος τους.
Για να μας το ερμηνεύσει πιο αναλυτικά, ο δρ. Τατς κατέφυγε σε μιαν αναλογία –αν και κατά τη γνώμη του οι αναλογίες στη φυσική ήταν ανέκαθεν προβληματικές, παρότι χρησιμεύουν ώστε να περιγράψουμε την κεντρική ιδέα. «Το “πεδίο” είναι κάτι που ενδεχομένως γνωρίζετε –σκεφτείτε ένα μαγνητικό πεδίο– αν κρατήσετε έναν μαγνήτη κοντά σε ένα καρφί, θα νιώσετε την έλξη προς τον μαγνήτη λόγω του μαγνητικού πεδίου που δημιουργείται. Πώς λειτουργεί η ιδέα του πεδίου Χιγκς; Ας χρησιμοποιήσουμε μια πολιτική αναλογία. Φανταστείτε ότι βρίσκεστε σε μια πολιτική συγκέντρωση –ας πούμε για την υποστήριξη του Ομπάμα. Όλοι οι άνθρωποι στη συγκέντρωση αντιπροσωπεύουν το πεδίο Χιγκς, καθώς περιφέρονται και γεμίζουν τον χώρο. Τώρα φανταστείτε ότι ο Ομπάμα περπατάει στην αίθουσα. Τι είναι λογικό να συμβεί; Το κοινό (το πεδίο Χιγκς) συγκεντρώνεται γύρω του, θέλει να του μιλήσει, να τον αγγίξει κ.λπ. Το αποτέλεσμα είναι ότι αν εκείνος σκοπεύει να διασχίσει την αίθουσα θα επιβραδυνθεί με τον ίδιο τρόπο που ένα ιδιαίτερα μεγαλόσωμο άτομο μπορεί να συναντήσει πρόβλημα μετακίνησης μέσα στην κατάμεστη αίθουσα. Τώρα φανταστείτε ότι περπατώ εγώ στην ίδια αίθουσα. Αφού κανείς δεν με ξέρει, μου είναι πολύ εύκολο να τη διασχίσω, και φαίνεται ότι είμαι πολύ “ελαφρύς”. Το “σωματίδιο-Ομπάμα” λοιπόν, είναι πολύ βαρύ και το “σωματίδιο-Τατς” πολύ ελαφρύ. Με αυτό τον τρόπο μπορούμε να σκεφτούμε ότι τα στοιχειώδη σωματίδια αποκτούν το βάρος τους. Εξαρτάται από το πώς κάθε σωματίδιο αλληλεπιδρά με το πεδίο Χιγκς».
Και πώς θα σιγουρευτούμε ότι το μποζόνιο Χιγκς υπάρχει πραγματικά; Ο καθηγητής καταφεύγει εκ νέου σε μιαν αναλογία. «Για να μάθω αν πράγματι υπάρχει αυτό το αδιανόητο σωματίδιο, θα ήθελα να δω μιαν εικόνα του. Τι μπορώ να χρησιμοποιήσω ως “φωτογραφική μηχανή” για να τραβήξω αυτήν την εικόνα; Μα, τον ανιχνευτή ATLAS! Τι φωτογραφίζουμε με αυτόν; Θυμηθείτε ότι για να παραχθεί ένα μποζόνιο Χιγκς, πρέπει να διεγείρουμε το πεδίο Χιγκς, κάτι που μπορεί να συμβεί αν δύο σωματίδια συγκρουστούν μεταξύ τους. Αυτό γίνεται χρησιμοποιώντας τον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN. Μέσα στον επιταχυντή συγκρούονται δέσμες πρωτονίων κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Αν η ενέργεια που θα παραχθεί είναι επαρκής (θυμάστε την περίφημη εξίσωση του Αϊνστάιν E = mc ^ 2;) θα μπορούμε να μετατρέψουμε την ενέργεια της κίνησης του σωματιδίου σε νέα σωματίδια ή μάζα. Στη συνέχεια πρέπει να διεγείρουμε το πεδίο Χιγκς, ώστε να παραχθεί ένα μποζόνιο Χιγκς μέσω αυτής της σύγκρουσης. Αποδεικνύεται ότι το μποζόνιο Χιγκς δεν διατηρείται για πολύ σε αυτή τη μορφή, καθώς γρήγορα διασπάται σε πιο “κοινά” σωματίδια. Αυτή είναι η “υπογραφή” που ψάχνουμε.
»Για να ανακεφαλαιώσουμε λοιπόν: από τη σύγκρουση ιδιαίτερα φορτισμένων πρωτονίων παράγονται πολλά νέα σωματίδια, ενώ εμείς αποτυπώνουμε μια “ψηφιακή εικόνα” της σύγκρουσης στη φωτογραφική μηχανή του ATLAS και ψάχνουμε σε όλες αυτές τις εικόνες για την ένδειξη ενός μποζονίου Χιγκς. Αν βρούμε αρκετά από αυτά για να είμαστε στατιστικά βέβαιοι, τότε μπορούμε να πούμε ότι έχουμε ανακαλύψει το μποζόνιο Χιγκς», καταλήγει, πιθανότατα αναμένοντας την επόμενη, αυτονόητη ερώτηση.
Ο κ. Τατς θεωρεί ότι οι λόγοι είναι πάρα πολλοί, αλλά επικεντρώνεται σε έναν: την ύπαρξή μας! «Αν δεν υπήρχε μποζόνιο Χιγκς, τότε δεν θα υπήρχε πεδίο Χιγκς. Εάν δεν υπήρχε πεδίο Χιγκς, τα στοιχειώδη σωματίδια θα είχαν μηδενική μάζα», λέει. «Εάν όλα τα στοιχειώδη σωματίδια είχαν μηδενική μάζα (όπως το ηλεκτρόνιο), τότε δεν θα μπορούσαμε να σχηματίσουμε άτομα και αν δεν μπορούμε να σχηματίσουμε άτομα δεν θα μπορούσε να σχηματιστεί ο άνθρωπος. Χωρίς αυτό λοιπόν, δεν θα υπήρχατε και αυτός είναι ο καλύτερος λόγος για τον οποίο θα πρέπει να ενδιαφέρεστε γι’ αυτό».Όσο για το αν τελικά αξίζει η επένδυση τόσου χρόνου και χρήματος, είναι κάθετος: «Απολύτως», δηλώνει και αναλύει τους τρεις βασικούς λόγους για τους οποίους η πολύ μεγάλη επένδυση είναι τόσο σημαντική: «Πρώτος λόγος, η προσπάθεια κατανόησης του τρόπου λειτουργίας της φύσης. Είμαστε ένα περίεργο είδος που ανέκαθεν προσπαθούσε να καταλάβει το σύμπαν στο οποίο ζούμε: Πώς δημιουργήθηκε; Πώς λειτουργεί; Πώς θα τελειώσει; Αυτά είναι μερικά από τα καίρια ερωτήματα που θέτουν ακόμη και τα μικρά παιδιά. Μας καθορίζουν ως είδος και είναι από τις ευγενείς αναζητήσεις μας. Για να παραφράσω έναν διάσημο φυσικό σωματιδίων όταν ρωτήθηκε πώς η δαπάνη τόσο μεγάλων ποσών θα βοηθήσει στη θωράκιση της χώρας μας, απάντησε ότι δεν θα βοηθήσει, αλλά ότι οι επενδύσεις αυτές καθιστούν τη χώρα μας άξια υπεράσπισης.
»Δεύτερον, η έρευνα αποτελεί τον κινητήρα που οδηγεί την τεχνολογία του μέλλοντος. Θα μπορέσει η ανακάλυψη του μποζονίου του Χιγκς να βελτιώσει τη ζωή μας σήμερα; Ή αύριο; Ή μετά από μια δεκαετία; Πιθανώς όχι. Αλλά αν η ιστορία επαναλαμβάνεται, η βασική έρευνα που οδήγησε στην ανακάλυψη του Χιγκς τελικά θα οδηγήσει σε τεχνολογικές καινοτομίες που δεν μπορούμε καν να προβλέψουμε. Ο Αϊνστάιν δύσκολα θα μπορούσε να φανταστεί ότι η θεωρία της γενικής σχετικότητας θα ήταν απαραίτητη για να διορθωθούν τα σήματα GPS και να λειτουργούν σωστά.»Τέλος, θέτοντας τα μεγάλα ερωτήματα σχετικά με το σύμπαν, εμπνέουμε τους νέους. Όταν τα παιδιά βλέπουν ότι οι φυσικοί θέτουν τα ίδια ερωτήματα που έχουν και τα ίδια, και ενδεχομένως μπορούν να δώσουν και απαντήσεις, πιθανότατα θα εμπνευστούν για να ακολουθήσουν μια καριέρα στην επιστήμη ή τη μηχανική. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1960 το διαστημικό πρόγραμμα έπαιξε τον ίδιο ρόλο, εμπνέοντας τους νέους».
Με δεδομένο ότι έχει παρέλθει μια πενταετία από την πρώτη ανακοίνωση, ρωτήσαμε τον Μάικλ Τατς πώς θα προχωρήσει στο εξής η έρευνα. «Πολλοί ρωτούν αν τελειώσαμε μετά την ανακάλυψη του μποζονίου Χιγκς. Η απάντηση είναι ένα ηχηρό όχι», μας απαντάει. «Αναβαθμίζουμε τον ανιχνευτή ATLAS ώστε να μπορεί να επωφεληθεί από έναν πιο ισχυρό επιταχυντή LHC με δυνατότητα για δεκαπλάσιο αριθμό συγκρούσεων. Υπάρχουν πολλά ακόμα που πρέπει να καταλάβουμε. Για παράδειγμα να κατανοήσουμε πραγματικά τη φύση αυτού του νέου σωματιδίου, να καταλήξουμε αν το μποζόνιο Χιγκς είναι αυτό που περιμέναμε και τι μας λέει για τη θεωρία των στοιχειωδών σωματιδίων. Υπάρχει τελικά υπερσυμμετρία (σ.σ. προτεινόμενη αρχή της φυσικής που εξηγείται στο παρακάτω βίντεο) και θα μπορούσαμε να ανακαλύψουμε αυτά τα σωματίδια; Είναι το σωματίδιο της σκοτεινής ύλης το ελαφρύτερο υπερσυμμετρικό σωματίδιο; Αυτά είναι ορισμένα μόνο από τα ερωτήματα που θα διερευνήσουμε τις επόμενες δεκαετίες».
Όσον αφορά στον βαθμό αισιοδοξίας για τις ανεξερεύνητες περιοχές τις οποίες θα επισκεφθούμε μέσω της έρευνας, ο κ. Τατς μας απάντησε ότι οφείλουμε να είμαστε αισιόδοξοι. «Η προσπάθειά μας να κατανοήσουμε τη φύση στο πιο θεμελιώδες επίπεδο είναι ένα πολύ συναρπαστικό και εμπνευσμένο ταξίδι. Η αναλογία σας με τις “ανεξερεύνητες περιοχές” είναι ιδανική. Αυτό είναι ένα ταξίδι εξερεύνησης, όπως τότε που ο Κολόμβος ξεκίνησε για να βρει την Ινδία και τελικά ανακάλυψε τον νέο κόσμο. Οι πιο συναρπαστικές ανακαλύψεις είναι εκείνες που ήταν απροσδόκητες, διότι μέσω αυτών μαθαίνουμε πραγματικά περισσότερα για το σύμπαν μας. Οι ανακαλύψεις που κάνουμε στο LHC μπορεί να αλλάξουν τον τρόπο που βλέπουμε το σύμπαν μας».
Πώς μπορούν οι ανακαλύψεις των επιστημόνων να αλλάξουν τον τρόπο που κατανοούμε τη ζωή; Εξειδικεύοντας, ο κ. Τατς μας λέει: «Εάν ανακαλύψουμε την υπερσυμμετρία, θα διπλασιάσουμε τον αριθμό των στοιχειωδών σωματιδίων και θα μπορέσουμε να εξηγήσουμε από τι αποτελείται η σκοτεινή ύλη. Μόλις το 5% του σύμπαντος αποτελείται από συνηθισμένη, ενώ το 25% αποτελείται από σκοτεινή ύλη. Μια τέτοια ανακάλυψη θα αλλάξει θεμελιωδώς την άποψή μας για το σύμπαν και θα διευκολύνει σε μεγάλο βαθμό τις απόπειρες ερμηνείας του. Η ανακάλυψη της υπερσυμμετρίας μπορεί επίσης να ανοίξει το δρόμο σε πιο προηγμένες θεωρίες, όπως η θεωρία χορδών. Αν καταφέρουμε να ανακαλύψουμε πειραματικά στοιχεία για τη θεωρία των χορδών, πιθανότατα θα βρεθούμε μπροστά στη μεγαλύτερη ανακάλυψη που έγινε ποτέ –μια επαλήθευση ότι το σύμπαν είναι πραγματικά εκπληκτικό».Όσον αφορά τον απώτερο στόχο των φυσικών σωματιδίων, ο κ. Τατς θεωρεί ότι εκτός από την ερμηνεία του σύμπαντος είναι η ανακάλυψη ενοποιητικών ιδεών και αρχών και εν τέλει η δυνατότητα «να εξηγήσουμε το σύμπαν με τους απλούστερους δυνατούς όρους. Αυτό το πρόγραμμα ενοποίησης είχε πολλές επιτυχίες κατά τη διάρκεια των αιώνων. Σκεφτείτε ότι πιστεύαμε πως η ηλεκτρική ενέργεια και ο μαγνητισμός ήταν δύο πολύ διαφορετικά φαινόμενα, αλλά με την ανάπτυξη των εξισώσεων του Maxwell στα μέσα του 19ου αιώνα συνειδητοποιήσαμε ότι πρόκειται για μόλις δύο πτυχές του φαινομένου του ηλεκτρομαγνητισμού. Αυτή ήταν η πρώτη μεγάλη ενοποίηση».Ποια είναι λοιπόν η χαμένη κιβωτός που αναζητούν οι επιστήμονες; «Αν υπάρχει μια “κιβωτός” που ψάχνουμε, θα έλεγα ότι πρόκειται για το όνειρο της μεγάλης ενοποίησης όλων των γνωστών δυνάμεων», καταλήγει ο κ. Τατς.Ενδεχομένως ο διακεκριμένος καθηγητής σωματιδιακής Φυσικής να μην έχει απαντήσεις σε όλα τα φλέγοντα ερωτήματα. Αλλά οι απαντήσεις που δίνει και κυρίως ο τρόπος που το πράττει, μας επιτρέπει να αναρωτιόμαστε ακόμη πιο επίμονα.
